KR100803488B1

KR100803488B1 - 간섭계를 이용한 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한색분산 측정 시스템

Info

Publication number: KR100803488B1
Application number: KR1020060010353A
Authority: KR
Inventors: 김덕영; 안태정
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2008-02-14
Also published as: KR20070079618A

Abstract

본 발명은 다중모드 광섬유에 관한 것으로, 모드의 개수에 상관없이 다중모드에서 발생되는 모든 모드의 색분산 측정을 가능하게 하기 위한 간섭계를 이용한 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 기준값을 제공하기 위한 단일모드광섬유로 이루어진 기준광섬유(reference fiber)(40)와, 다른 측 팔에 구성되며 측정하고자 하는 피측정용 샘플 다중모드광섬유를 단일모드광섬유와 연결하여 고차모드를 발생시키기위한 고차모드발생용광섬유(단일모드광섬유의 다중모드광섬유)(50)를 구성하고, 이들 각 팔에 구성된 광섬유(40)(50)에 각각 파장가변 레이저(10)로부터 발진된 레이저 빛을 전달하여 이들 광섬유(40)(50)를 거친 신호의 간섭신호에 대한 주파수 성분 분석을 통해 각 모드의 특성을 구하도록 함을 기술적 특징으로 한다.

다중모드광섬유, 광섬유색분산, 색분산, 간섭계

Description

간섭계를 이용한 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템{Chromatic dispersion measurement system for higher-order modes in a multimode fiber by use of an interferometer}

도 1은 본 발명 다중모드광섬유의 각 모드별 분산 측정을 위한 구성을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 있어서, 파장 가변 레이저의 시간에 따른 선형 가변 광주파수를 나타낸 파형도.

도 3a는 본 발명에 있어서, 굴절률 n인 다중모드광섬유 코어를 지나는 세 가지 형태(모드)를 가진 빛의 진행 경로를 나타낸 도면.

도 3b 본 발명에 있어서, 파장 가변 레이저에서 발진된 가변 광주파수를 가진 레이저 빛이 다중모드광섬유를 지나면서 발생한 시간 지연에 의한 광주파수 변화를 나타낸 도면.

도 3c는 본 발명에 있어서, 다중모드광섬유를 지나온 빛이 단일모드광섬유를 지나온 빛과 간섭을 일으켜서 발생한 간섭 신호를 퓨리에 변환하여 얻은 각 모드의 주파수 성분을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명에 있어서, 파장 가변 레이저의 파장에 따른 광세기를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 있어서, 도 4의 각 파장 영역에 따라서 세 개의 모드를 가진 다중모드광섬유를 지나온 빛이 간섭하여 얻은 각 모드의 지연시간 그래프, 얻은 지연 시간 변화 그래프.

도 6은 본 발명에 있어서, 1520nm에서 1580 nm까지 2nm 파장 영역 간격으로 변화시키면서 얻은 각 모드 별 지연시간을 나타낸 그래프

도 7은 본 발명에 있어서, 도 6에서 얻은 파장에 따른 지연 시간을 1차 미분하고 단일모드광섬유의 색분산 값을 더하여 얻은 다중모드광섬유 내의 각 모드 별 색분산을 나타낸 그래프.

음수의 분산값과 양수의 분산값을 가지는 각각의 모드를 포함한 다중모드광섬유(few-mode optical fiber, FMF)는 장거리 통신에서 발생하는 색분산을 보상하기 위한 분산 보상 장치에 이용된다.

다중모드 광섬유에서 고차모드의 색분산이 단일모드광섬유보다 크고, 그 값이 음수를가지기 때문에 광통신 시스템에서 단일모드광섬유를 자나온 빛이 격은 분산만큼 고차모드로 짧은 길이의 다중모드 광섬유를 지나면서 보상되게 된다.

이것을 위해서는 각 고차모드의 분산 값을 측정하는 것이 중요하며 이것을 위한 방법들이 제안되었다.

기존의 다중모드 광섬유의 고차모드에 대한 색분산 측정은 파장 가변 레이저를 이용하여 파장을 가변하면서 다중모드광섬유 안에서 모드 간 맥놀이(beating)에 의한 간섭무늬의 간격으로부터 추정하는 것이다.

하지만 이와 같은 방법은 파장 가변 레이저의 분해능 한계 때문에 수 m 이내의 광섬유만 측정이 가능하며, 또한 두개 이상의 모드가 존재하는 경우 측정이 불가능하다는 단점이 있다.

또한 다른 방법으로 레이저를 이용하여 수 km의 광섬유를 지난 후 전자 스펙트럼을 분석하면, 중앙의 봉우리 양쪽 옆으로 작은 봉우리가 생기는데 이 봉우리 간의 간격이 고차모드의 분산과 비례한다.

따라서 이 봉우리 간격을 측정하여 고차모드의 분산 값을 추정할 수 있다.

그러나 이와 같은 방법 역시 두개 모드를 가진 광섬유만 측정이 가능하며, 측정 길이가 수 km이상이여야 하는 단점이 있다.

본 발명은 기존 방법의 문제점인 모드의 개수에 상관없이 다중모드에서 발생되는 모든 모드의 색분산 측정을 가능하게 하며, 또한 측정 길이의 한계도 극복하기 위한 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정방업을 제안하고자 한 것이다.

본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 다중모드광섬유의 각 모드별 분산 측정을 위한 구성 장치도이다

특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저(10)와, 파장가변레이저(10)로부터 발진된 레이저 빛에 대한 반사광 차폐를 위한 반사광 차단기(optical isolator)(20)와, 반사광차단기(20)를 거친 빛의 세기를 나눠 각 팔에 구성된 광섬유로 분배하는 광분배기(3dB optical fiber coupler)(30)와, 기준값을 제공하기 위한 단일모드광섬유로 이루어진 기준광섬유(reference fiber)(40)와, 다른 측 팔에 구성되며 측정하고자 하는 피측정용 샘플 다중모드광섬유를 단일모드광섬유와 연결하여 고차모드를 발생시키기위한 고차모드발생용광섬유(단일모드광섬유의 다중모드광섬유)(50)와, 기준광섬유(40)와 고차모드발생용광섬유(50)를 통과한 광신호를 집광하기 위한 렌즈(60)(70)와, 고차모드발생용광섬유(50)를 통과한 광신호를 광결합기(BS)(90)에 전달하기 위한 미러(80)와, 고차모드발생용광섬유(50) 및 기준광섬유(40)를 통과한 빛을 광결합시켜 출력하는 광결합기(BS)(90)와, 광결합기(BS)(90)를 통과하면서 발생되는 간섭된 빛을 전기적인 신호로 검출하는 광검출기(PD)(100)와, 광검출기(PD)(100)를 통해 검출된 간섭신호에 대한 주파수 성분 분석을 통해 각 모드의 특성을 구하기 위한 프로세스를 포함하는 프로그램이 탑재된 마이크로프로세서(110)를 포함하여 구성된다.

상기 고차모드발생용광섬유(50)는 피측정용 샘플 다중모드광섬유를 단일모드광섬유와 연결함에 있어서, 코어를 소정의 거리만큼 빗겨서 연결하도록 한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적인 광주파수 영역 반사광 분석 (optical frequency domain reflectometer, OFDR) 시스템은 마이켈슨 간섭계와 파장 가변 레이저로 구성된다.

한쪽 팔의 샘플 광섬유에서 반사된 빛과 다른 쪽 팔에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키며, 이렇게 얻어진 간섭신호의 주파수를 분석하여 샘플 광섬유의 절단 위치 또는 여러 가지 물리적 특성을 분석하는데 이와 같은 시스템이 사용된다.

본 발명에서는 여러 절단면을 가진 단일모드광섬유 대신에 절단면은 하나지만 여러 모드를 가지는 다중모드광섬유의 특성 평가 방법에 관한 것으로, 특히 각 모드 별로 색분산(chromatic dispersion)을 측정하는 방법을 제시하고자 한다.

파장 가변 레이저(10)로부터 선형으로 파장을 가변된 레이저 빛을 발진한다.

도 2는 이렇게 발진된 빛의 시간에 따른 광주파수를 나타낸 것이다. 특정 주파수 영역 안에서 반복적으로 가변되면서 레이저를 발진시킨다.

이와 같이 파장 가변 레이저(10)로부터 발진된 레이저 빛은 반사광 차폐를 위한 반사광 차단기(20)를 거치고, 빛의 세기를 나눠주는 광분배기(3dB)(30)를 거쳐 각 팔에 전달된다.

상기한 과정을 거치게 되면, 파장 가변 레이저(10)로부터 발진된 빛의 처음 세기의 절반의 빛이 각 팔로 입사된다.

일측 팔은 기준광섬유(40)로서 단일모드광섬유이고, 다른 쪽 팔은 측정하고자 하는 샘플 광섬유를 단일모드광섬유와 연결한 고차모드발생용광섬유(50)이다.

이때 점선 안에 도시된 바와 같이, 다중모드광섬유 내에서 모든 모드가 생성되게 하기 위해 코어를 약간 빗겨서 연결한다.

이와 같이 약간 빗겨서 연력하는 이유는 다중모드 광섬유에서 광섬유의 중심으로 빛이 직진하게 되면 고차모드는 생성되지 않고 저차모드만 생성된다.

따라서 고차모드를 생성하기 위해서는 중심에서 빗겨서 연결을 하게 되는 데, 이와 같이 하면 가능한 많은 모드를 광섬유에서 생성시킬 수 있게 되는 것이다.

광섬유에는 중심에 코어가 있고, 그 외부 테두리인 클래드로 나누어지는데, 코어로 빛이 진행하게 되므로, 코어를 벗어나지 않는 범위내에서 최대한 클래드와 코어 경계에 가까이 할 수록 고차모드 생성에 유리하다.

경계에 가까이 할 수록 빛의 많은 부분이 클래드로 빠져나갈 수 있어 빛의 세기를 잃게 되는 경우가 발생하게 되고, 이로인한 광손실이 발생하여 측정에 어려움이 있을 수 있으므로, 측정 가능한 범위까지 빗겨서 연결하는 것이 중요하다.

이와 같이, 기준광섬유(40)와 고차모드발생용광섬유(50)를 지나온 빛은 렌즈(60)(70)와 미러(80) 그리고 광결합기(BS)(90)를 통과하면서 서로 간섭을 일으키게 된다.

이와 같이 간섭된 빛을 광검출기(PD)(100)를 통해 검출하여 시간에 따른 빛의 세기를 전기적인 신호로 바꿔준다.

광검출기(100)를 통해 검출된 간섭신호를 컴퓨터와 같은 신호처리수단인 마 이크로 프로세서(110)를 이용하여 주파수 성분을 분석하면 각 모드의 특성을 구분할 수 있게 된다.

도 3a는 코어 굴절율이 n인 다중모드광섬유 안에서 각각 빛의 형태가 다른 세 가지 모드의 진행경로를 나타낸다.

먼저 제일 저차모드인 M1모드는 광섬유의 중심을 따라서 직선으로 이동하게 되며 광섬유 내의 모드 중에서 가장 빠르게 이동한다.

고차 모드로 갈수록 진행 경로의 기울기가 점점 커지게 되며 진행 경로도 더 길어져서 광섬유 끝에 도달하는 시간이 더 늦어진다.

도 3a에 보는 바와 같이 M1, M2, M3 순으로 도착하게 된다.

이와 같은 광섬유를 고차모드발생용광섬유(50)의 샘플광섬유 위치에 놓고, 도 2에서와 같이, 주파수를 가변하면서 레이저를 발진하면 도 3a와 같이 도착 지연 시간(time delay) 만큼의 차이를 가지고 광주파수가 광검출기(100)에 도달하게 된다.

여기서 도 3b에서 reference는 단일모드광섬유인 기준광섬유(40)를 통과한 빛의 가변 광주파수이고, M1, M2, M3는 도 3a의 각 모드별 가변 광주파수를 나타낸다.

Reference 빛과 각 모드가 서로 간섭을 일으키게 되며, 이 간섭 신호의 주파수는 도 3b에서와 같이 각 빛의 광주파수 차이로 나타난다.

시간에 따른 광주파수의 변화율(기울기)을 알고 간섭 신호의 주파수(f1, f2, f3)를 알면 각 모드의 도착 시간차이(τ1, τ2, τ3)를 계산할 수 있다.

주파수 성분 f1, f2, f3를 가진 간섭 신호를 퓨리에 변환을 통해 주파수 성분을 분석하면 도 3c에서와 같이 나타난다.

각 모드에 해당하는 주파수 성분을 쉽게 분해하고 이것으로부터 도착시간을 측정할 수 있다.

도 4는 파장 가변 레이저(10)의 파장에 따른 광세기를 나타낸 것이다.

상기에서 도 2는 도 4의 특정 구간(range 1)에서 광주파수를 선형 가변 시켜서 간섭 신호를 얻는다.

여기서 도 4와 같이 파장 가변 영역을 영역 1(range 1)에서 3(range 3)으로 바꿔 가면서 각 파장 구간에 해당하는 모드의 지연 시간(time delay)을 측정한다.

도 5는 각 파장 영역(range 1,2,3)에서 얻은 각 모드(M1, M2, M3)의 지연 시간(time delay)을 나타낸 것이다.

파장 영역이 변하면 각 모드의 지연 시간도 변하게 되고, 이것은 도 5에서 보는 바와 같이 지연 시간에 해당하는 봉우리의 이동으로 나타나게 된다.

파장 영역을 이동하면서 각 지연시간을 얻으면 도 6과 같은 각 모드별 지연 시간 또는 그룹 지연(group delay)을 얻을 수 있다.

도 6은 1520 nm에서부터 1580 nm 파장사이에 2 nm 간격으로 파장 영역을 이동하면서 각 모드의 지연 시간을 측정하여 얻은 결과이다.

파장이 증가할수록 M1 모드는 지연 시간이 약간씩 늘어나고, M2 모드는 많이 늘어나는 것을 볼 수 있다.

그리고 M3 모드의 경우는 M1, M2 모드와 다르게 파장에 따라서 지연 시간이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

다중모드광섬유를 지난 빛이 단일 모드 빛과 간섭하여 얻어진 신호,

를 식으로 표현하면 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

와

는 각 모드별 간섭 신호의 크기와 가변 주파수의 기울기

m은 각 모드의 인덱스

N은 다중모드광섬유 내의 모드의 수

위상 상수

간섭계의 두 팔의 길이 차이에 해당하는 빛이 진행하는 시간

상기 간섭계의 두 팔의 길이 차이에 해당하는 빛이 진행하는 시간(

)은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 각각 m 번째 모드의 지연 시간과 단일모드광섬유를 지나온 모드의 지연시간을 나타낸다.

그리고

는 m 모드의 간섭신호 주파수 성분이다.

일반적으로 광섬유의 색분산(chromatic dispersion),

은 지연 시간(time delay) 또는 그룹 지연(group delay)을 파장으로 1차 미분하여 광섬유 길이(L)로 나눠준 것으로 정의하고 다음의 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서

와

는 각각 단일모드광섬유의 색분산과 다중모드광섬유를 지나온 m 번째 모드의 색분산을 나타낸다.

일반적으로 단일모드광섬유의 색분산,

는 약 16 ps/nm/km로 잘 알려져 있으며 또한 단일모드광섬유 색분산 측정 장치로 쉽게 얻을 수 있다.

그리고 도 1의 장치로 얻어진 도 6의 그룹 지연을 1차 미분하여 상대적인 색분산인

을 얻는다.

이렇게 얻어진 색분산 값을 단일모드광섬유의 색분산 값만큼 더하여서 각 모 드별 색분산,

을 얻는다.

이렇게 얻어진 색분산 값을 도 7에 보였다.

도 7은 도 6에서 얻은 지연 시간으로부터 계산된 색분산 값이다.

따라서 본 발명을 이용하면 다중모드광섬유 내의 모든 모드에 대한 색분산 정보를 얻을 수 있게 된다.

이와 같이 두 모드를 가지는 광섬유에 대해서만 측정이 가능했던 기존 방법과는 달리 여러 모드를 포함하는 다중모드광섬유의 각 모드별 색분산을 파장 가변 레이저와 간단한 간섭계를 구성하여 얻는 방법을 발명하였다.

이와 같은 본 발명을 적용하면, 다중모드광섬유의 모드 분석과 색분산 측정을 효과적으로 진행할 수 있으며, 기존 두 모드를 가지는 광섬유에서만 측정이 가능하던 고차모드 색분산을 여러 모드가 포함된 다중모드에서도 측정이 가능케 함으로써 다중모드광섬유 개발과 그 응용에 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.

Claims

특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저와, 상기 파장가변 레이저의 빛을 나눠 각 팔에 구성된 광섬유로 분배하는 광분배기(optical fiber coupler)와, 기준값을 제공하기 위한 단일모드광섬유로 이루어진 기준광섬유(reference fiber)와, 다른 측 팔에 구성되며 측정하고자 하는 피측정용 샘플 다중모드광섬유를 단일모드광섬유와 연결하여 고차모드를 발생시키기위한 고차모드발생용광섬유(단일모드광섬유의 다중모드광섬유)와, 고차모드발생용광섬유 및 기준광섬유를 통과한 빛을 광결합시켜 출력하는 광결합기(BS)와, 광결합기(BS)를 통과하면서 발생되는 간섭된 빛을 전기적인 신호로 검출하는 광검출기(PD)와, 광검출기(PD)를 통해 검출된 간섭신호에 대한 주파수 성분 분석을 통해 각 모드의 특성을 구하기 위한 프로세스를 포함하는 프로그램이 탑재된 마이크로프로세서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템.
제 1항에 있어서, 기준광섬유와 고차모드발생용광섬유를 통과한 광신호를 집광하기 위한 렌즈와, 고차모드발생용광섬유를 통과한 광신호를 광결합기(BS)에 전달하기 위한 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 파장가변 레이저와, 상기 광분배기 사이에 반사광을 차폐하기 위한 반사광 차단기(optical isolator)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템.
제 3항에 있어서, 마이크로 프로세서는,

발생한 간섭신호를 퓨리에 변환시켜 주파수성분으로 변환시키고, 변환된 주파수대 파장가변 레이저의 광주파수 변환율 비에 따라 각 모드 지연시간 또는 그룹 지연시간을 산출하고, 산출된 각 모드 지연시간 또는 그룹지연시간을 파장으로 1차 미분하여 상대적인 색분산(
)을 구하고, 상대적인 색분산(
)과 단일모드 광섬유의 색분산 값을 이용하여 피측정용 샘플 광섬유의 각 모드별 색분산()을 구하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템.
제 3항에 있어서, 상기 마이크로 프로세서는,

다음의 수학식에 따라 다중모드광섬유의 각 모드별 색분산(
)

을 구하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템.

*

*
는 단일모드광섬유의 색분산

*
는 다중모드광섬유를 지나온 m 번째 모드의 색분산

*
는 m 번째 모드의 지연 시간

*
는 단일모드광섬유를 지나온 모드의 지연시간

*
는 m 모드의 간섭신호 주파수 성분

* L은 광섬유의 길이

* r(λ)는 가변주파수의 기울기.
제 3항에 있어서, 상기 고차모드발생용광섬유는 피측정용 샘플 다중모드광섬유를 단일모드광섬유와 연결함에 있어서, 코어를 소정의 거리만큼 빗겨서 연결하도록 한 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 시스템.
특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 광분배기를 통해 각 팔에 구성된 기준광섬유(단일모드광섬유)와 단일모드광섬유와 피측정용 샘플 광섬유(다중모드광섬유)가 연결된 고차모드발생용광섬유에 전달하는 과정과,

광검출기를 거치면서 발생된 간섭신호에 대하여 퓨리에 변환시켜 주파수성분 으로 변환시키는 과정과,

변환된 주파수대 파장가변 레이저의 광주파수 변환율 비에 따라 각 모드 지연시간 또는 그룹 지연시간을 산출하는 과정과,

산출된 각 모드 지연시간 또는 그룹지연시간을 파장으로 1차 미분하고 상대적인 색분산(
)을 구하고, 상대적인 색분산(
)과 단일모드 광섬유의 색분산 값을 이용하여 피측정용 샘플 광섬유의 각 모드별 색분산(
)을 구하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 방법.
제 7항에 있어서, 상기 피측정용 샘플 광섬유의 각 모드별 색분산을 구하는 과정에 있어서, 각 모드별 색분산은 다음의 수학식

*

*
는 단일모드광섬유의 색분산

*
는 다중모드광섬유를 지나온 m 번째 모드의 색분산

*
는 m 번째 모드의 지연 시간

*
는 단일모드광섬유를 지나온 모드의 지연시간

*
는 m 모드의 간섭신호 주파수 성분.

* L은 광섬유의 길이

* r(λ)는 가변주파수의 기울기.

을 따르는 것을 특징으로 하는 간섭계를 이용한 다중모드 광섬유의 고차 모드에 대한 색분산 측정 방법.