KR100956630B1 - 파장 분석기 및 파장 분석 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파장 분석기 및 파장 분석 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 입력광을 분기하고 분기된 광 중 하나는 출력 손실이 파장에 의존하는 소자를 통과시킨 후 전기적인 신호로 변환하고, 다른 하나는 직접 전기적인 신호로 변환시킨 후 양 신호크기의 차이를 분석함으로써 입력광의 파장을 알아낼 수 있는 파장 분석기 및 파장 분석 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 입력된 광신호를 제1 채널과 제2 채널로 분기하는 제1 광 분기부; 상기 제1 채널 상에 구비되어 상기 제1 채널을 통해 입사된 광신호의 파장에 따라 다른 출력 손실을 나타내는 파장 의존 소자(Wavelength Dependent Component); 및 상기 제1 채널과 상기 제2 채널의 광신호를 각각 전기적인 신호로 변환하는 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석기를 제공한다.
파장 분석, 파장 의존 소자, 광전 변환, 차동 증폭, 평판 광회로

Description

파장 분석기 및 파장 분석 방법{Optical wavelength analyzer and Method for analyzing optical wavelength}
본 발명은 파장 분석기 및 파장 분석 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 입력광을 분기하고 분기된 광 중 하나는 출력 손실이 파장에 의존하는 소자를 통과시킨 후 전기적인 신호로 변환하고, 다른 하나는 직접 전기적인 신호로 변환시킨 후 양 신호크기의 차이를 분석함으로써 입력광의 파장을 알아낼 수 있는 파장 분석기 및 파장 분석 방법에 관한 것이다.
광통신은 굴절률이 큰 코어와 굴절률이 작은 클래딩으로 이루어진 광섬유를 통해 빛 신호를 주고받는 통신 방식으로, 1970년 미국 코닝사가 전송 손실이 20dB/km인 광섬유를 개발함으로써 실용화되었다. 광통신의 송신 단말기에서는 전기 신호를 빛 신호로 변환한 후 광섬유를 통해 전송하고 수신 단말기에서는 빛 신호를 다시 전기 신호로 변환한다. 광통신은 전기 통신에 비해 외부의 전자파에 의한 간섭이 없고 도청이 힘들며, 동시에 많은 양의 정보를 처리할 수 있는 장점이 있어, 그 활용 영역이 확대되어 가는 추세이다.
광계측기는 빛의 물리적 성질을 이용하여 피측정물의 여러 가지 특성을 알아 내는 장비로, 기계, 생물, 화학 등 전반적인 분야에서 활용되고 있다.
빛은 파장에 따라 그 성질이 달라지므로, 이러한 광통신 시스템 및 광계측 시스템에서 정밀한 파장 분석은 필수적이다. 한 시스템으로부터 다른 시스템으로 광채널 및 광신호를 송신하고자 할 때, 수신측 시스템에서는 송신측 시스템에서 보낸 광신호의 파장을 분석함으로써 여러 가지 정보를 파악할 수 있다.
이러한 파장 분석기로는 다수의 필터를 이용하여 입력광을 분해하고, 분해된 광들의 특성 정보를 모두 종합함으로써 어느 파장 영역에 얼마의 파워가 유입되는 지를 파악하는 것이 있다. 그러나, 이러한 파장 분석기의 경우 구성이 매우 복잡하고 측정에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 고가의 대형 장비가 필요하다는 문제점이 있다.
다른 파장 분석기로는 격자(grating)를 이용한 것이 있다(미국 등록특허 제5,760,391호, "Passive optical wavelength analyzer with a passive nonuniform optical grating"). 상기 공보에 의하면 파장 분석기가 다수의 브래그 격자(Bragg grating)와 렌즈 및 포토 다이오드로 구성되어 있다. 이와 같이 격자를 이용한 파장 분석기는 파장별로 다수의 격자가 필요하고 그 구성이 복잡하며, 측정 장비의 사이즈가 커서 운용이 용이하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 간단한 소자를 이용하여 파장을 정밀하게 분석할 수 있고 이를 하나의 소형칩으로 패키징화함으로써 컴팩트하고 생산 단가를 낮출 수 있는 파장 분석기 및 파장 분석 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 파장 분석과 동시에 입력광의 광파워를 측정할 수 있는 파장 분석기 및 파장 분석 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다파장의 광이 입력된 경우 측정하고자 하는 파장 대역의 광만 선택하여 보다 정밀하게 파장을 분석할 수 있는 파장 분석기 및 파장 분석 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 파장 분석기는 입력된 광신호를 제1 채널과 제2 채널로 분기하는 제1 광 분기부; 상기 제1 채널 상에 구비되어 상기 제1 채널을 통해 입사된 광신호의 파장에 따라 다른 출력 손실을 나타내는 파장 의존 소자(Wavelength Dependent Component); 및 상기 제1 채널과 상기 제2 채널의 광신호를 각각 전기적인 신호로 변환하는 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파장 분석기는 상기 광신호를 발생시키는 광원을 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 광원은 레이저 다이오드 또는 다파장 광원을 포함할 수 있다.
또한, 상기 파장 분석기는 상기 제1 광전 변환부와 상기 제2 광전 변환부의 출력 전압차를 증폭하는 차동 증폭기를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 파장 분석기는 상기 제1 광 분기부의 입력단에 구비되는 써큘레이터(circulator)와, 상기 차동 증폭기의 출력단과 상기 써큘레이터의 입력단 사이에 구비되는 레이저 다이오드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 광 분기부는 커플러(coupler) 또는 디바이더(divider)일 수 있다.
또한, 상기 파장 의존 소자는 대역통과필터(Band Pass Filter)로 구현될 수 있다.
또한, 상기 제1 광전 변환부와 상기 제2 광전 변환부는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 광전도 소자, CCD(Charge Coupled Device) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 광원과 상기 제1 광 분기부 사이에는 상기 광원의 광신호를 상기 제1 광 분기부와 제3 채널로 분기하는 제2 광 분기부가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제3 채널로 분기된 광신호는 광출력 측정부로 입력될 수 있다.
또한, 상기 광원과 상기 제2 광 분기부 사이에는 상기 광원의 광신호 중 측정하고자 하는 파장 대역의 광신호를 선택하기 위한 파장 선택부가 구비될 수 있다.
또한, 상기 파장 의존 소자는 광통신에 적용될 수 있는 광대역 파장 의존 소자(Wide-Band Wavelength Dependent Component)일 수 있다.
또한, 상기 파장 분석기는 평판 광회로(Planar Lightwave Circuits) 패키지로 구현될 수 있다.
또한, 상기 파장 분석기는 전원 전압 단자(Vcc), 포토 다이오드 단자, 광출력 측정 단자, 차동 증폭 단자를 포함하는 DIP(Dual Inline Packaging), QFP(Quad Flat Packaging), SOIC(Small Outline Integrated Circuit) 중 어느 한 형태의 칩으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 파장 분석 방법은 (a) 입력되는 광을 분기하는 단계; (b) 분기된 광 중 일측의 광은 출력 손실이 파장에 의존하는 소자를 통과시킨 후 전기적인 신호로 변환하고, 타측의 광은 직접 전기적인 신호로 변환하는 단계; (c) 상기 (b)단계를 통해 전기적으로 변환된 양 신호의 출력차를 차동 증폭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 파장 분석 방법은 (d) 상기 (c)단계의 출력 신호를 1차 또는 2차 방정식으로 피팅(fitting)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파장 분석 방법은 입력되는 광을 상기 (a)단계 이전에 별도로 분기하고, 분기된 광으로부터 광출력을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파장 분석 방법은 측정하고자 하는 특정 파장 대역의 광신호를 필터링하는 단계를 상기 (a)단계 이전에 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 커플러와 필터 및 포토 다이오드와 같은 간단한 소자를 이용하여 입력광의 파장을 정밀하게 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 구성이 간단하여 이를 평판 광회로 패키지로 구현할 수 있어 경박단소(輕薄短小)한 칩 하나로 정밀한 파장 분석을 수행할 수 있으며, 생산 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 파장 선택부를 통하여 측정하고자 하는 파장 대역의 광만 선택적으로 통과시켜 다파장의 광이 입력되더라도 정확한 파장 분석을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 광출력 측정부를 통하여 파장 분석과 동시에 광파워를 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 분석기에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 분석기의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파장 분석기는, 도 1을 참조하면, 광원(110), 가변 광 감쇄기(120), 제1 광 분기부(130), 파장 의존 소자(140), 제1 광전 변환부(150), 제2 광전 변환부(160), 및 차동 증폭기(170)를 포함하여 이루어진다.
광원(110)은 광신호를 발생시키는 부분으로, 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드와 같은 다파장 광원이 사용될 수 있다. 발광 다이오드는 순방향으로 바이어스된 pn 접합에서 소수 캐리어들이 접합을 지나서 주입되고 p영역과 n영역으로 확산하여 소수 캐리어들이 다수 캐리어들과 재결합함으로써, 순방향 전류를 빛으로 변환한다. 발광 다이오드에 의하여 발생하는 광은 캐리어가 재결합되는 양에 비례하고, 캐리어가 재결합되는 양은 다이오드의 순방향 전류에 비례한다. 특히, 레이저 다이오드는 아주 좁은 대역폭을 가진 코히어런트(coherent)한 빛을 공급하도록 설계된 것으로, 거의 단일 파장의 빛을 공급한다. 따라서, 레이저 다이오드는 광통신 및 광계측 시스템에 널리 이용되며, 이러한 레이저 다이오드에 의해 발생한 광의 파장을 본 발명의 파장 분석기가 분석하게 된다. 반면, 발광다이오드를 포함하는 다파장광원의 경우, 후술할 파장 선택부가 더 구비됨으로써 측정하고자 하는 파장 대역을 선택한 후 파장을 분석하도록 한다.
가변 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator : VOA)(120)는 입력되는 빛에 대하여 출력되는 빛의 세기를 조절하는 역할을 수행한다. 가변 광 감쇄기로는 두 개의 광섬유를 좁은 간격으로 이격시키고 그 사이에 가변 흡수 필터나 차폐막을 기계적으로 움직여 빛의 일부를 흡수 또는 차단하는 광학-기계적(Opto-Mechanical) 광감쇄기, 동작 속도가 마이크로 초 단위로 매우 빠르고 동작 전력이 작은 미소 전 기기계시스템(Micro Electro Mechanical System : MEMS)을 이용한 광감쇄기, 열광학 광변조기나 열광학 스위치의 동작 특성을 이용하여 구현되는 열광학 광도파로형 광감쇄기 등이 사용될 수 있다. 다만, 가변 광 감쇄기(120)는 경우에 따라 구비되지 않을 수도 있음은 물론이다.
제1 광 분기부(130)는 광원(110)에서 발생된 광신호를 제1 채널(C1)과 제2 채널(C2)로 분기한다. 이때, 제1 광 분기부(130)는 제1 채널(C1)과 제2 채널(C2)의 파워가 동일하도록 분기함으로써 두 채널의 비교가 용이하도록 하기 위해 제1 채널(C1)과 제2 채널(C2)의 파워가 50:50이 되도록 분기하는 것이 바람직하다.
제1 광 분기부(130)로는 커플러(coupler) 또는 디바이더(divider)가 사용될 수 있다. 커플러는 독립된 공간 또는 선로간에서 광신호 에너지가 상호 전달되는 커플링(coupling) 현상을 이용한 것으로, 3dB 커플러를 이용함으로써 입력 광신호의 전력을 제1 채널(C1)과 제2 채널(C2)에 1/2씩 분배하게 된다. 즉, 커플러는 광원(110)에서 입사된 광신호로부터 -3dB의 전력을 커플링함으로써, 원래의 광신호 전력을 반으로 떨어뜨리고 커플링된 출력에서 -3dB 작은 전력이 출력되도록 한다. 이를 위해 커플러는 혼합(Fused) 광섬유 커플러, 파워 스플리터(Power Splitter), 기계적(Mechanical) 커플러, 광도파로(Optical waveguide) 형태의 광 커플러가 사용될 수 있다.
파장 의존 소자(Wavelength Dependent Component : WDC)(140)는 제1 채널(C1)을 통해 입사된 광신호의 파장에 따라 다른 출력 손실을 나타내는 부분으로, 제1 광 분기부(130)와 제1 광전 변환부(150) 사이의 제1 채널(C1) 상에 구비된다. 이를 위하여 파장 의존 소자(140)는 필터로 구현될 수 있으며, 특히 대역통과필터(Band Pass Filter)로 구현될 수 있다.
일례로, 대역통과필터로 구현된 파장 의존 소자(140)의 특성이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서 가로축은 파장을, 세로축은 각 파장에 의존하는 전력을 나타낸다. 도 2의 예에서 파장 의존 소자는 λ0를 중심 파장으로 하여 λ- ~ λ+ = Δλ의 대역폭을 가지며, 각 파장에 따른 출력 손실은 ΔP 만큼의 범위를 갖게 된다. 예컨대, 광원(110)에서 발생한 광신호의 파장이 λ-인 경우 제1 채널(C1) 상의 파장 의존 소자(140)를 통과한 광신호는 전력이 ΔP만큼 손실된다. 반면, 파장 의존 소자가 구비되지 않은 제2 채널(C2)의 광신호는 전력 손실이 없다. 따라서, 제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)에 입사되는 광신호의 전력은 ΔP만큼의 차이를 나타내게 된다.
한편, 이러한 파장 의존 소자(140)의 필터 특성은 선형화(linearization)할 수 있다. 파장 의존 소자(140)의 필터 특성을 선형화한 것이 도 3에 도시되어 있다. 도 3(a)는 입력광의 각 파장에 따른 출력 손실 특성이 데시벨(dB) 단위의 로그 스케일(log scale)로 도시된 것이며, 도 3(b)는 도 3(a)의 출력 손실 특성을 볼트(Volt) 단위의 선형 스케일(linear scale)로 근사화한 것이다. 차동 증폭 이전에 제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)의 출력값에 차이가 없을 경우에는 파워 레벨의 기준이 0이 된다. 그러나, 파장 의존 소자(140)에 의해 출력 손실이 발생하고, 따라서 제1 광전 변환부(150)로 입력되는 광출력은 제2 광전 변환 부(160)로 입력되는 광출력보다 작게 된다. 그 결과, 차동 증폭 이전에 출력값의 차이가 발생하며 이로 인해 출력은 도 3(a), (b)와 같이 0 이하로 된다.
도 3(b)에서 파장에 의존하는 출력 손실 정도를 선형 방정식으로 정리하면 아래와 같다.
λ = αV + β
(λ는 광원의 파장, V는 출력 전압, α, β는 실험에 의해 정해지는 상수)
수학식 1을 이용하면, 출력 V를 이용하여 역으로 광원의 파장 λ를 알아낼 수 있다.
파장 의존 소자(140)는 광통신에 적용될 수 있는 광대역 파장 의존 소자(Wide-Band Wavelength Dependent Component)일 수 있다. 예컨대, 파장 의존 소자(140)는 기존의 광통신 영역을 포함할 수 있도록 대략 1260~1630nm의 광대역 파장에서 파장 의존 손실을 가질 수 있다. 이를 통해 파장 분석기(100)는 기존 가입자망 또는 광통신 망에 유용하게 적용될 수 있다.
제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)는 각각 제1 채널(C1)과 제2 채널(C2)의 광신호를 전기적인 신호로 변환한다. 이를 위해 제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)로는 광전도 효과(photoconductance effect) 또는 광기전 효과(photogalvanic effect)를 이용하는 광전변환 소자가 사용될 수 있다.
반도체에 빛을 쬐면 진성 반도체에서는 충만대에서 전도대로 여기된 전자가 이동해서 도전성을 높이고, 불순물 반도체 중 n형 반도체에서는 도너(donar) 준위 에서 전도대로 옮아간 전자가, 그리고 p형 반도체에서는 충만대의 전자가 억셉터(acceptor) 준위로 옮겨진 다음에 생긴 정공이 각각 도전성을 높여 준다. 이것을 광전도 효과라 하며, 황화카드뮴(CdS)과 같은 광전도 소자가 사용된다.
한편, pn접합 반도체의 접합부에 빛을 쬐면 전자와 정공이 생기고, 전기장이나 확산으로 인하여 그들이 이동하기 때문에 p형이 양(+), n형이 음(-)이 되는 기전력을 일으킨다. 이것을 광기전 효과(photogalvanic effect)라 하며, 포토 다이오드(photo diode)나 포토 트랜지스터(photo transistor) 등이 사용된다.
또한, 제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)로는 전하결합소자 또는 씨모스가 사용될 수도 있다. 전하결합소자(Charge-Coupled Device : CCD)는 빛 에너지를 전하(charge)로 변환하여 이를 축적하고, 변환된 전하를 전압으로 바꾸어 출력하는 소자이다. 씨모스(CMOS)는 각 수광소자에 CMOS 트랜지스터가 집적되어 있어, 각 수광소자가 받는 빛의 양을 직접 전하로 변환시키며, 각 수광소자에 저장된 전하를 판별기에 의해 직접 그 양을 측정한다.
상기에서 언급한 바와 같이, 제1 광전 변환부(150)에는 파장 의존 소자(140)를 통과함으로써 파장에 따라 다른 비율로 출력이 손실된 광신호가 입력되고, 제2 광전 변환부(150)에는 광원(110)에서 발생한 광신호와 동일한 출력의 광신호가 입력된다. 따라서, 제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)에서 변환된 전기적 신호는 광원(110)에서 발생한 광신호의 파장에 따라 출력값에 차이를 보이게 된다.
차동 증폭기(170)는 제1 광전 변환부(150)와 제2 광전 변환부(160)의 출력 전압차를 증폭하는 역할을 수행한다. 차동 증폭기(170)는 간단하게는 연산 증폭 기(Operational Amplifier) 하나만으로 구현될 수 있다. 광원(110)의 파장에 따른 차동 증폭기(170)의 출력 전압이 도 4에 도시되어 있다. 도 3(b)와 같이 광원(110)의 파장이 짧을수록 출력 손실값이 커지므로, 그 결과 도 4와 같이 광원(110)의 파장이 짧을수록 차동 증폭값은 커지게 된다. 따라서, 차동 증폭기(170)의 출력 전압을 이용하면 광원(110)의 파장을 알아낼 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 분석기에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 분석기의 구성도이다. 도 5의 실시예는 광원(110)과 제1 광 분기부(130) 사이에 제2 광 분기부(230)가 더 구비되며, 광출력 측정부(250)가 더 구비된다는 점 이외에는 도 1의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 분석기(200)는, 도 5를 참조하면, 광원(110), 제2 광 분기부(230), 제1 광 분기부(130), 파장 의존 소자(140), 제1 광전 변환부(150), 제2 광전 변환부(160), 광출력 측정부(250), 및 차동 증폭기(170)를 포함하여 형성된다.
제2 광 분기부(230)는 광원(110)과 제1 광 분기부(130) 사이에 구비되어, 광원(110)의 광신호를 제1 광 분기부(130)와 제3 채널(C3)로 분기한다. 제2 광 분기부(230)는 제1 광 분기부(130)와 같이 스위치 혹은 광 커플러를 이용할 수 있다. 제2 광 분기부(230)는 광원(110)으로부터의 입력광을 소정의 비율로 분기하여 광출력 측정부(250)로 입사시킴으로써 광파워를 측정할 수 있도록 한다.
광출력 측정부(250)는 제2 광 분기부(230)로부터 분기된 광 중에서 제3 채널(C3)로 분기된 광을 전기적인 신호로 변환하여 출력을 측정한다. 광출력 측정부(250)로는 포토 다이오드가 사용될 수 있다.
이와 같이 함으로써 상기 파장 분석기(200)는 파장 의존 소자(140)와 광전 변환부(150, 160) 및 차동 증폭기(170)를 이용하여 광원(110)의 파장을 분석함과 동시에, 제2 광 분기부(230)와 광출력 측정부(250)를 이용하여 광원(110)의 광파워를 측정할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 분석기에 대해 설명한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 분석기의 구성도이다. 도 6의 실시예는 제2 광 분기부(230)의 전단에 파장 선택부(320)가 구비된다는 점 이외에는 도 5의 실시예와 유사하므로, 차이점을 중심으로 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 분석기(300)는, 도 6을 참조하면, 파장 선택부(320), 제2 광 분기부(230), 제1 광 분기부(130), 파장 의존 소자(140), 제1 광전 변환부(150), 제2 광전 변환부(160), 광출력 측정부(250), 및 차동 증폭기(170)를 포함하여 형성된다.
파장 선택부(320)는 입사되는 광신호 중 측정하고자 하는 파장 대역의 광신호를 선택하는 부분이다. 이때, 파장 선택부(320)로는 광원(미도시) 또는 다양한 채널로부터 여러 파장이 혼합된 광신호가 입사된다. 광원이 레이저 다이오드와 같이 단파장의 광을 발생하지 못하는 경우에는 서로 다른 파장을 갖는 혼합광을 발생 시키게 된다. 이 경우 파장 의존 소자(140)는 다양한 파장의 광이 입사되는 관계로 출력 손실이 하나로 정해지지 않으며, 그에 따라 차동 증폭기(170)의 출력 전압도 복잡해져서 정확한 파장 측정이 용이하지 않게 된다. 파장 선택부(320)는 이와 같이 다파장의 혼합광이 입사되는 경우에 다채널 중 측정하고자 하는 채널 또는 신호를 분리 선택하여 정밀한 파장 분석이 가능하도록 한다. 예컨대, 파장 선택부(320)는 1300nm 주변의 파장값을 가지는 광만 선택적으로 통과시키는 대역통과필터로 구현될 수 있다.
이와 같이 함으로써 상기 파장 분석기(300)는 파장 선택부(320)를 통하여 측정하고자 하는 특정 채널 또는 신호를 선택한 후 파장 의존 소자(140)와 광전 변환부(150, 160) 및 차동 증폭기(170)를 이용하여 광원(110)의 파장을 정밀하게 분석함과 동시에, 제2 광 분기부(230)와 광출력 측정부(250)를 이용하여 광원(110)의 광파워를 측정할 수 있다.
한편, 도시되지 않았으나 파장 선택부는 도 1의 실시예에도 선택적으로 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 파장 분석기를 이용하면 입력된 광원의 파장과 동일한 파장 또는 특정 규칙에 맞는 파장 특성을 갖는 새로운 광원을 생성할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 파장 분석기를 이용하여 새로운 광원을 생성하는 장치(이하, "광원 생성 장치")의 일례를 도시한 구성도이다.
광원 생성 장치(400)는, 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 파장 분석기의 입 력단에 써귤레이터(circulator)(410)가 구비되고, 파장 분석기의 출력단에 파장 제어기(430)와 레이저 다이오드(440)가 구비된다.
외부로부터 입사된 광은 써귤레이터(circulator)(410)의 1번 단자로 입력되고 2번 단자로 출력되어 제2 광 분기부(230)로 입력된다. 제2 광 분기부(230)에서는 입력광의 일부를 제1 광 분기부(130)로 분기하고, 입력광의 나머지는 데이터 통신을 위하여 수신부(420)로 분기된다. 제1 광 분기부(130)로 분기된 광신호는 상기 실시예들에서 언급한 과정을 거쳐 차동 증폭이 이루어지며, 이를 통해 입력광의 파장 정보가 검출된다.
차동 증폭기(170)의 출력값은 파장 제어기(430)로 재입력된다. 파장 제어기(430)는 본 발명에 따른 파장 분석기로 얻은 입력광의 파장 정보를 이용하여 레이저 다이오드(440)에서 발생시킬 광의 파장을 제어한다. 일례로, 파장 제어기(430)로는 온도 전기 제어기(Temperature Electric Controller : TEC) 등이 이용될 수 있으며, 여기서 파장 제어기(430)의 종류를 한정하는 것은 아니다.
레이저 다이오드(440)는 파장 제어기(430)의 컨트롤 하에서 광신호를 발생시킨다. 이때, 레이저 다이오드(440)는 입력광의 파장과 동일한 파장 또는 데이터 통신에서의 특정 규칙에 부합하는 파장을 가지는 광신호를 발생시키며, 이는 파장 제어기(430)에 의해 설정된다. 레이저 다이오드(440)를 통해 발생된 광신호는 써귤레이터(410)의 3번 단자로 재입력되어 1번 단자로 출력된다.
이와 같이 함으로써, 광원 생성 장치(400)는 입력광의 파장 정보를 분석하는 데 그치지 않고, 분석된 파장 정보를 이용하여 입력광과 동일한 파장 또는 데이터 통신에 있어서 특정 규칙에 부합하는 파장 특성을 갖는 광원을 생성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 분석기가 평판 광회로 패키지로 구현된 상태의 도면이다.
상기 다양한 실시예에 따른 파장 분석기는 도 8과 같이 평판 광회로(Planar Lightwave Circuits) 패키지로 제조될 수 있다. 평판 광회로는 실리콘이나 실리카 기판 상에 형성된 광회로를 가지는 광도파로 부품과 광섬유가 부착된 광섬유 어레이로 구성되어 있다. 이때, 광섬유 어레이와 광소자는 광학적 접속을 위하여 규정된 강도를 가지는 접착제를 이용하여 서로 접합되는 것이 일반적이다. 일반적인 반도체 집적 회로가 주로 실리콘으로 제조되는 데 비해, 평판 광회로는 실리콘, 실리카, 폴리머, 반도체 레이저의 제조에 사용되는 InP, InPAs, GaAs와 같은 화합물 반도체를 포함하는 다양한 재료로 제조된다.
평판 광회로의 제조방법은 일반적인 반도체 집적 회로와 같이 포토 리소그래피(photolithography), 에칭(etching), 증착(deposition) 등의 기법을 활용한다. 평판 광회로는 개별적인 광소자들을 전기적으로 연결한 회로에 비해 소형화된 칩을 제공한다.
도 8의 실시예에서 평판 광회로 소자는 커플러, 파장 의존 소자, 포토 다이오드 등이 집적되어 있으며, 전원 전압 단자(Vcc), 포토 다이오드 단자(PD1, PD2, PD3), 광출력 측정 단자(Power) 등을 구비한다. 이때, PD1과 PD2는 차동 증폭을 위한 포토 다이오드이며, PD3는 수신되는 광파워 전체를 측정하는 포토 다이오드이 다. 차동 증폭을 수행하는 칩은 평판 광회로 소자 내에 장착되거나 외부에 구비되어 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 도시되지 않았으나 평판 광회로 소자 내에 아날로그-디지털 컨버터(analog-digital converter)를 구비하여, 입력광원의 파장 정보를 아날로그 신호뿐만 아니라 디지털 신호로도 출력하도록 함으로써 디지털 신호처리가 가능하도록 구현할 수도 있다. 이와 같이 간편하게 입력광의 파장을 분석할 수 있는 파장 분석기를 기존의 반도체 소자의 형태인 DIP(Dual Inline Packaging), QFP(Quad Flat Packaging), SOIC(Small Outline Integrated Circuit)로 구현함으로써, 기존의 인쇄회로기판(PCB)에 적용할 수 있다. 이를 통해 파장 분석기를 가볍고, 소형이며, 저면적의 평판 광회로 소자로 제조할 수 있다. 구체적으로 평판 광회로 소자를 제조하는 방법은 다수가 공지되어 있으므로 이에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 분석 방법에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 분석 방법의 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 분석 방법은, 도 8을 참조하면, 광 발생 단계(S10), 파장 선택 단계(S20), 1차 분기 단계(S30), 2차 분기 단계(S40), 광전 변환 단계(S50), 차동 증폭 단계(S60), 및 피팅 단계(S70)를 포함하여 이루어진다. 이 중 파장 선택 단계(S20)는 단파장의 광원으로부터 광신호가 입사되는 경우에는 생략될 수 있다. 또한, 1차 분기 단계(S30)는 광파워를 측정하지 않는 경우 에는 생략될 수 있다.
10단계는 광원을 이용하여 광신호를 발생시키는 단계이다. 광원으로는 레이저 다이오드, 발광 다이오드 등이 사용될 수 있다.
20단계는 다파장의 광이 입력되는 경우 측정하고자 하는 채널 또는 신호만 선택하여 보다 정밀한 파장 분석이 가능하도록 하는 단계이다. 파장 선택은 특정 파장 대역의 광신호를 필터링하는 필터 등으로 구현될 수 있다.
30단계는 파장 분석과 광파워 측정을 위해 입력되는 광을 분기하는 단계이다. 광 분기는 스위치 또는 광 커플러를 통하여 이루어질 수 있다. 파장 분석을 위한 광은 후술할 2차 분기 단계(S40)를 위한 광 커플러 또는 디바이더로 입력되고, 광파워 측정을 위한 광은 포토 다이오드로 입력되어 전기적인 신호로 변환된다.
40단계는 파장 분석을 위해 일측의 광은 출력 손실이 파장에 의존하는 소자로 분기하고 타측의 광은 직접 포토 다이오드로 입사될 수 있도록 분기하는 단계이다. 이때, 파장 분석을 용이하게 하기 위해 일측의 광과 타측의 광은 출력비가 50:50이 되도록 분배되는 것이 바람직하다.
50단계는 파장 분석을 위한 광과 광파워 측정을 위한 광을 입력받아 전기적인 신호로 변환하는 단계이다. 파장 분석을 위한 광은 40단계를 통해 파장 의존 소자를 통과한 광과 그렇지 않은 광으로 분기되어 있다. 따라서, 50단계에서는 파장 의존 소자를 통과하여 파장에 따라 출력이 손실된 광을 전기적인 신호로 변환하는 광전 변환 소자(A)와, 파장 의존 소자를 거치지 않고 직접 입력된 광을 전기적인 신호로 변환하는 광전 변환 소자(B), 및 광파워 측정을 위해 30단계에서 분기된 광 을 전기적인 신호로 변환하는 광전 변환 소자(C)가 구비된다.
60단계는 광전 변환 소자(A)와 광전 변환 소자(B)를 통해 전기적으로 변환된 양 신호의 출력차를 차동 증폭하는 단계이다. 이때, 차동 증폭값이 클수록 파장 의존 소자의 출력손실이 크다는 것을 의미한다.
70단계는 60단계의 출력 신호를 1차 또는 2차 방정식으로 피팅(fitting)하여 근사화하는 단계이다. 피팅은 가급적 간단한 1차 방정식으로 이루어지는 것이 바람직하다. 도 9에 선형 방정식을 얻기 위해 로렌치안 피팅(Lorentzian fitting)에 의한 전달 함수의 그래프가 도시되어 있다. 로렌치안 피팅의 피팅 함수는 일례로 다음과 같이 이루어진다.
Figure 112008000244710-pat00001
(y0는 베이스라인 오프셋, A는 베이스라인부터 곡선 이하의 총 면적, x0는 피크 중심, w는 중간 높이에서 피크의 전체 폭을 의미한다.)
일례로 피팅 결과는 다음과 같다.
A x0 w y0 높이
0.35105 1.5539 0.0029356 6.8552 76.129
이와 같이 파장과 광파워의 관계가 선형 방정식으로 피팅되면 차동 증폭 결과의 전기신호값을 통해 역으로 광원의 파장을 알아낼 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 간단한 소자를 이용하여 정밀하게 파장 분석을 수행할 수 있는 것으로, 광통신 및 광계측 시스템을 비롯하여 파장 특성을 검출하는 분야에 광범위하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장 분석기의 구성도,
도 2는 필터로 구현된 파장 의존 소자의 특성을 도시한 그래프,
도 3은 파장 의존 소자의 각 파장에 따른 출력 손실 특성을 도시한 그래프,
도 4는 광원의 파장에 따른 차동 증폭기의 출력 전압을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 분석기의 구성도,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파장 분석기의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 파장 분석기를 이용하여 새로운 광원을 생성하는 장치의 일례를 도시한 구성도,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 분석기가 평판 광회로 패키지로 구현된 상태의 도면,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파장 분석 방법의 흐름도,
도 10은 로렌치안 피팅(Lorentzian fitting)에 의한 전달 함수의 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 - 광원 120 - 가변 광 감쇄기
130 - 제1 광 분기부 140 - 파장 의존 소자
150 - 제1 광전 변환부 160 - 제2 광전 변환부
170 - 차동 증폭기 230 - 제2 광 분기부
250 - 광출력 측정부 320 - 파장 선택부

Claims (17)

  1. 광신호의 파장 특성을 검출하고 분석하기 위한 파장 분석기에 있어서,
    광신호를 발생시키는 광원;
    입력된 광신호를 제1 채널과 제2 채널로 분기하는 제1 광 분기부;
    상기 제1 채널 상에 구비되어 상기 제1 채널을 통해 입사된 광신호의 파장에 따라 다른 출력 손실을 나타내는 파장 의존 소자(Wavelength Dependent Component);
    상기 제1 채널과 상기 제2 채널의 광신호를 각각 전기적인 신호로 변환하는 제1 광전 변환부와 제2 광전 변환부; 및
    상기 광원과 상기 제1 광 분기부 사이에는 상기 광원의 광신호를 상기 제1 광 분기부와 제3 채널로 분기하는 제2 광 분기부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드 또는 다파장 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환부와 상기 제2 광전 변환부의 출력 전압차를 증폭하는 차동 증폭기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광 분기부의 입력단에 구비되는 써큘레이터(circulator)와, 상기 차동 증폭기의 출력단과 상기 써큘레이터의 입력단 사이에 구비되는 레이저 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파장 의존 소자는 대역통과필터(Band Pass Filter)로 구현되는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광전 변환부와 상기 제2 광전 변환부는 포토 다이오드, 포토 트랜지스터, 광전도 소자, CCD(Charge Coupled Device) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 채널로 분기된 광신호는 광출력 측정부로 입력되는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광원과 상기 제2 광 분기부 사이에는 상기 광원의 광신호 중 측정하고자 하는 파장 대역의 광신호를 선택하기 위한 파장 선택부가 구비되는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 파장 의존 소자는 광통신에 적용될 수 있는 광대역 파장 의존 소자(Wide-Band Wavelength Dependent Component)인 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 파장 분석기는 평판 광회로(Planar Lightwave Circuits) 패키지로 구현되는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 파장 분석기는 전원 전압 단자(Vcc), 포토 다이오드 단자, 광출력 측정 단자, 차동 증폭 단자를 포함하는 DIP(Dual Inline Packaging), QFP(Quad Flat Packaging), SOIC(Small Outline Integrated Circuit) 중 어느 한 형태의 칩으로 구현되는 것을 특징으로 하는 파장 분석기.
  14. 광신호의 파장 특성을 검출하고 분석하기 위한 파장 분석 방법에 있어서,
    (a) 입력되는 광을 분기하는 단계;
    (b) 분기된 광 중 일측의 광은 출력 손실이 파장에 의존하는 소자를 통과시킨 후 전기적인 신호로 변환하고, 타측의 광은 직접 전기적인 신호로 변환하는 단계; 및
    (c) 상기 (b)단계를 통해 전기적으로 변환된 양 신호의 출력차를 차동 증폭하는 단계;를 포함하고,
    상기 입력되는 광을 상기 (a)단계 이전에 별도로 분기하고, 분기된 광으로부터 광출력을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    (d) 상기 (c)단계의 출력 신호를 1차 또는 2차 방정식으로 피팅(fitting)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석 방법.
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    측정하고자 하는 특정 파장 대역의 광신호를 필터링하는 단계를 상기 (a)단계 이전에 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 분석 방법.
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