KR101077331B1 - 광학 필터 - Google Patents

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Abstract

패스밴드 필터는 초협대역 특성을 보이며, 캐스케이드 쌍의 마크 젠더(Mach-Zehnder:MZ) 광도파관 구조체(370, 380)를 포함하며, 각각의 구조체는 상기 마크 젠더 구조체 쌍의 각각에 광학적으로 연결된 다수의 공진기(330, 360)를 포함한다.

Description

광학 필터{ULTRA-NARROW BANDPASS FILTER}
본 발명은 일반적으로 광학 통신 분야에 관한 것으로, 특히 개선된 특성을 나타내는 협대역 밴드패스 광학 필터에 관한 것이다.
특정 파장 대역의 광을 송신하는 광학 밴드패스 필터는 다수의 광학 시스템에서 폭넓은 응용예를 갖는다.
유용한 협대역 밴드패스 특성을 제공하면서 도파관 격자 라우터로부터 구성되는 광학 밴드패스 필터는 제조하기가 곤란하며 결과적으로 고가인 다소의 부피가 큰 필터들이다.
올패스 필터(all-pass filter) 및 마크 젠더 구조체(Mach-Zehnder structure)로부터 구성되는 광학 밴드패스 필터는 종종 도파관 손실에 너무 민감하다.
본 발명의 원리에 의하면, 초협대역 밴드패스 필터는 마크 젠더 구조체를 갖는 2 단계의 올패스 필터 장치로부터 구성된다. 특히, 두 개의 폴(pole)/제로(zero) 필터는 캐스케이드되어, 종래 기술에서 문제로 되는 수반 손실(attendant loss) 없이 원하는 응답 특성이 구현된다.
바람직하게도, 본 발명은 단일 단계 필터의 도파관 손실을 억제하며, 인접 채널과 관련된 필터 액세스 손실 또는 혼신의 변동을 발생시키지 않고도 패스밴드 폭의 광대역 범위를 구현하면서 광학 전력 처리량과 최종 신호대 잡음비를 크게 개선시킨다.
도 1은 종래 기술의 6 차수 폴/제로 필터의 개략적인 도면이다.
도 2는 인밴드 손실(in-band loss)에 대한 손실 영향 및 필터 형상을 나타내는 삽입 손실 대 정규 주파수의 그래프도이다.
도 3은 본 발명의 캐스케이드된 필터의 개략적인 도면이다.
도 4는 각각의 필터 주파수 응답의 승산의 함수로서 총 필터 응답을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 필터의 총 패스밴드와 관련한 패스밴드를 도시한 그래프(4A)와, 컴포넌트 필터 F1 및 F2와 관련되는 것으로 캐스케이드된 필터의 협대역 패스밴드를 도시한 보다 상세한 그래프(4B)와, 필터 F1×F2의 승산의 합수로서 전체 필터를 도시한 블럭도(4C)를 도시한 도면이다.
아래의 상세한 설명은 본 발명의 원리를 도시한다. 당업자라면 본 명세서에서 명시적으로 기술되거나 도시되지 않았다하더라도 본 발명의 사상과 범주 내에서 본 발명의 원리를 구현하는 다양한 장치를 착안할 수 있을 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에 기술되는 모든 예 및 조건 언어는 발명자가 제공한 본 발명의 원리 및 개념을 독자가 이해하는 데 도움을 줄 목적으로만 주로 사용되며 특정 언급 예 및 조건으로 제한하지 않고 해석되어야 할 것이다.
또한, 본 발명의 원리, 측면 및 실시예를 언급하는 모든 사항뿐만 아니라 그 특정 예는 구조적 및 기능적 균등물을 모두 포함한다. 또한, 그러한 균등물은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 미래에 개발될 균등물, 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 개발된 임의의 구성요소를 모두 포함하는 것으로 의도된다.
따라서, 가령 당업자는 본 명세서의 도면이 본 발명의 원리를 구현하는 예시적인 구조의 개념적 관점들을 나타내는 것으로 이해할 것이다.
도 1은 마크 젠더 구조체로서 당업자에게 알려진 구조체를 사용하는 광학 장치(100)의 개략적인 도면이다. 마크 젠더 구조체는 광학 송신 시스템에서 널리 사용되며 다수의 타입이 공지되고 이해된다.
도 1을 참조하면, 상기 장치 구조체는 하나 이상의 입력 도파관(103, 105)과 한 쌍의 도파관 암(110, 120)에 광학적으로 접속된 하나 이상의 출력 도파관(107, 109)을 포함한다. 따라서, 입력 도파관에 인가되는 광학 신호는 상부 암(110) 및/ 또는 하부 암(120)을 통해 상기 장치를 횡단한 후 출력 도파관을 거쳐 출력된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도 1에는 다수의 링 공진기(130[1]...130[6])가 존재하며 그 중 일부는 상기 장치의 상부 암(130) 또는 하부 암(140)에 광학적으로 접속된다.
이러한 시점에서, 주목할 것은 공진기 구조체(130[1]....130[6])가 마크 젠더 구조체의 외부에 존재하는 것으로 도시된다는 것이다. 당업자는 그러한 공진기(링 공진기 또는 다른 공진기)가 또한 마크 젠더 구조체 내에 존재할 것이라는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 목적 달성을 위해, 그러한 공진기 구조체가 장치의 마크 젠더 암에 광학적으로 접속되어야만 할 것을 요구하고 있다.
이러한 방식으로 구성될 때, 도 1에 도시된 장치는 6차수 폴/제로 필터로서 동작한다. 이러한 장치(필터)는 암(110, 120) 내의 위상을 설계하기 위해 공진기(130[1]....130[6])를 사용한다. 바람직하게도, 그러한 필터는 버터워쓰(Butterworth), 체비세브(Chebyshev) 및 엘립티컬(Elliptical)을 포함하여 다른 공지된 필터 타입의 다양한 패스밴드 특성을 에뮬레이팅할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 그러한 종래의 필터 구성이 비교적 낮은 차수(이 예의 경우 6차수)의 장치를 사용하여 다소의 협소하고 박스형의 응답을 달성하지만, 불행히도 날카로운 링 공진 그룹 지연 응답이 요구되기 때문에(높은 Q=dλ/λ, 여기서 Q는 개개의 링 내의 광 전력량임), 도파관 손실에 영향을 받기 쉽다. 그러한 것은 도 2를 참조하면 이해되며, 도 2는 삽입 손실(dB) 대 정규 주파수의 그래프를 도시하며, 인밴드 손실 및 필터 형상에 대한 손실의 영향을 도시한다. 도 2 에서 사용되는 데이터는 4차수 필터 및 10% 패스밴드에 대한 것이다. 용이하게 이해되는 바와 같이, 손실은 패스밴드에 커다란 영향을 미친다.
바람직하게도, 본 발명에 의하면 두 개의 폴/제로 필터가 연결되어, 종래 기술에서 수반되는 수반 손실 없이 초협대역 패스밴드 주파수 응답이 구현될 수 있다. 특히, 전체 장치를 포함하는 두 개의 필터의 각각의 주파수 응답은 원하는 패스밴드의 각각의 측에서 명목상 50% 미만으로 중첩한다. 결과적으로, 상기 장치를 포함하는 컴포넌트 필터를 변화시킴으로써 거의 요구되는 임의의 주파수 슬라이스가 생성될 수 있다. 이러한 방식으로, 최종 패스밴드는 두 개의 필터 응답의 승산이 된다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연결된 필터(300)가 도시되며 이 필터는 두 개의 복수-차수 필터(370, 380)를 포함한다. 제 1 필터(370)는 하나 이상의 입력 도파관(303, 305)과, 한 쌍의 도파관 암(320, 310)에 의해 제각기 광학적으로 연결된 하나 이상의 출력 도파관(307, 309)을 포함한다. 따라서, 입력 도파관에 인가되는 광학 신호는 상부 암(320) 및/또는 하부 암(310)을 통해 상기 장치를 횡단한 이후 출력 도파관을 통해 출력될 것이다. 최종적으로, 제 1 필터(370)는 다수의 링 공진기(330[1]....330[6])를 포함하며, 이들 중 소정의 공진기들은 상기 필터의 상부 암(320) 또는 하부 암(310)에 광학적으로 접속된다.
제 2 필터(380)는 유사하게 구성되며, 하나 이상의 입력 도파관(313, 315)과, 한 쌍의 도파관 암(350, 340)에 의해 제각기 광학적으로 접속된 하나 이상의 출력 도파관(317, 319)을 포함한다. 입력 도파관으로 인가되는 광학 신호는 상부 암(340) 및/또는 하부 암(350)을 통해 상기 장치를 횡단한 이후 출력 도파관을 통해 출력된다. 상기 제 1 필터(370)와 마찬가지로, 제 2 필터(380)는 다수의 링 공진기(360[1].....360[6])를 포함하며, 이들 중 소정의 공진기들은 제 2 필터의 상부 암(350) 또는 하부 암(340)에 광학적으로 접속된다.
필터(370, 380)는 제 1 필터(370)의 출력 도파관(309)이 제 2 필터(380)의 입력 도파관(313)에 광학적으로 접속되도록 연결된다. 물론, 당업자는 이러한 광학 커넥션이 단지 예에 불과하며 대안으로서 제 1 필터의 다른 출력은 제 2 필터의 다른 입력에 접속될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 3에서 관측되는 바와 같이, 제 1 필터(370)로 입력되는 광학 신호는 출력 도파관(309)에서의 출력이며 제 2 필터(380)의 입력 도파관(313) 내로 도입된다. 바람직하게도, 필터링된 관통 신호(THROUGH signal)(390)는 출력 도파관에서의 출력이며 반면 필터링된 교차(강하) 신호(395)는 출력 도파관(319)에서의 출력이다. 당업자는 단일 필터 구조체의 출력에서 이용가능한 관통 및 강하 신호(DROP signal)를 갖는 것과 관련한 이점을 신속히 인식할 것이며, 관통 신호는 전체 캐스케이드된 필터의 패스밴드 내의 출력 신호이며 강하 신호는 전체 캐스케이드된 필터의 패스밴드 외부의 출력 신호이다.
이 연결 구성에 의해 개개의 필터의 주파수 응답이 인터리빙된다. 위에서 주목되는 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 개개의 필터의 각각의 주파수 응답은 원하는 패스밴드를 실질적으로 50% 양만큼 중첩한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 그러한 중첩이 달성될 때, 연결된 구조체의 필터 응답은 개개의 필터의 각각의 승산이 된다.
특히, 4(A)는 본 발명의 협대역 패스밴드에 대한 총 패스밴드의 그래프를 도시하고 있다(원 영역). 협대역 패스밴드는 4(B)의 보다 상세한 그래프로 도시되며, 이는 컴포넌트 필터 F1 및 F2의 패스밴드에 대한, 본 발명의 캐스케이드된 필터의 협대역 패스밴드 간의 관계를 나타낸다. 최종적으로, 4(C)는 본 발명에 따라 구성된 필터의 전체 응답이 두 개의 컴포넌트 필터 F1 및 F2의 승산이 되는 것을 개략적으로 도시하며, 여기서 패스밴드=F1(×)F2이다.
연결된 필터를 구성하기 위해, 각각의 필터 패스밴드 응답은 별도로 구성된다. 이해되는 바와 같이, 각각에 대한 필터 패스밴드는 필터 손실을 최소화하는 비교적 광범위한 주파수 범위를 가능하게 하도록 설정될 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 의하면, 개개의 필터 패스밴드는 다른 필터의 패스밴드에 의해 중첩된다(가령, 도 4(B) 참조). 중첩의 폭은 원하는 캐스케이드된 주파수 응답, 즉 패스밴드의 폭을 결정한다.
이해되는 바와 같이, 본 발명의 특정 효과는 단일 단계 필터에서 도파관 손실 억제가 필요한 경우에 탁월하다. 또한, 총 광학 전력 처리량이 크게 개선되며, 따라서 장치의 신호대 잡음 비를 개선시킨다. 또한, 광범위한 패스밴드 폭은 필터 액세스 손실의 변동이 유입되지 않고 구현될 수 있다. 최종적으로, 인접한 채널들과 관련된 임의의 혼신은 크게 감소된다.
주목할 것은 본 발명에 따른 협대역 패스밴드가 단일 MZ 구조체를 사용하여 시도된다면 공진기들에 대한 매우 높은 Q 값(100,000이상)이 요구될 것이라는 것이다. 게다가, 매우 낮은 손실 링 공진기가 필요할 것이다.
이와 비교하여, 본 발명에 따라 구성되는 장치는 실질적으로 이러한 요건을 완화시키며, 그에 따라 장치의 재생성(reproducibility), 제조 용이성을 개선하고 비교적 낮은 코스트를 발생시킨다. 특히, 앞서 언급된 100,000 보다 실질적으로 더 작은 Q 값이 본 발명에 있어서 효과적이다. 사실상, 20,000 내지 50,000 정도의 Q 값이 특히 유용하며 효과적이다. 본 발명의 특정한 장점은 각각의 공진기들의 개별적인 Q 특성을 변화시키지 않고도 총 패스밴드가 변경될 수 있다는 것이다.
또한, 본 발명이 임의의 개수의 링 공진기(즉, 개개의 MZ 구조체의 각각의 암 내에서 3개)를 사용하여 도시되고 기술되지만, 당업자는 공진기의 개수는 특정의 패스밴드 요건에 따라 변화될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 특히, 총 3개의 공진기만큼 작거나 각각의 MZ 구조체에 대해 10개 만큼이나 많은 것이 예측가능한 애플리케이션을 위해 유용하다. 물론, MZ 구조체에서 총 공진기 개수가 기수일 때, MZ 구조체는 균형을 이루고 있지 못하다. 즉, 특정의 MZ 구조체를 포함하는 암의 각각에는 균등하지 않은 개수의 공진기가 존재한다. 최종적으로, 전체 장치를 포함하는 두 개의 캐스케이드된 필터 내의 공진기의 개수는 동일할 필요는 없다. 결과적으로, 본 발명은 그 구현예 및 애플리케이션에서 매우 유동적이다.
본 발명의 특정 이점은 본 발명이 실리콘, 리튬 니오베이트 등을 포함하는 다양한 공지 물질로부터 구성될 수 있다는 것으로, 공지 물질이 여기에 국한되는 것은 아니다. 특히, 본 발명이 공기 또는 다른 주변 환경에 의해 제공되는 클래딩 인덱스(cladding index)와는 상이한 코어 인덱스를 갖는 임의이 물질로 구성될 수 있다.
이 시점에서, 본 발명이 특정 실시예를 사용하여 도시 및 기술되지만, 당업자는 교시가 그에 국한되는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (8)

  1. 광학 필터로서,
    한 쌍의 암(arm)을 포함하는 제 1 마크 젠더 광학 구조체(Mach-Zehnder optical structure) -각각의 암은 입력 포트, 출력 포트 및 상기 입력 포트를 상기 출력 포트에 광학적으로 접속시키는 광 도파관(optical waveguide)을 구비함- 와,
    한 쌍의 암을 포함하는 제 2 마크 젠더 광학 구조체 -각각의 암은 입력 포트, 출력 포트 및 상기 입력 포트를 상기 출력 포트에 광학적으로 접속시키는 광 도파관을 구비함- 를 포함하되,
    상기 제 1 마크 젠더 광학 구조체의 출력 포트 중 하나는 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체의 입력 포트에 광학적으로 접속되고,
    상기 제 1 마크 젠더 광학 구조체 및 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체의 각각의 암은 광학적으로 커플링된 하나 이상의 공진기를 포함하며,
    상기 제 1 마크 젠더 광학 구조체의 입력 포트 중 하나에 입력 광학 신호를 인가하면, 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체의 출력 포트 중 하나에서 관통 출력 신호(THROUGH output signal)를 입수할 수 있으며, 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체의 다른 출력 포트에서 강하 출력 신호(DROP output signal)를 입수할 수 있는
    광학 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 마크 젠더 광학 구조체 및 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체는 동일한 개수의 공진기를 구비하는
    광학 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 마크 젠더 광학 구조체 및 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체 중 적어도 하나는 기수(odd number) 개수의 공진기를 구비하는
    광학 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 마크 젠더 광학 구조체 및 상기 제 2 마크 젠더 광학 구조체 중 적어도 하나는 우수(even number) 개수의 공진기를 갖는
    광학 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기들은 100,000보다 작은 Q 값을 나타내는
    광학 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기들 중 하나 이상은 하나 이상의 다른 공진기와 실질적으로 상이한 Q 값을 나타내는
    광학 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    전체 필터(overall filter)의 패스밴드 특성은 개개의 공진기의 Q 값을 변경하지 않고도 조정가능한
    광학 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진기들 각각의 Q 값은 20,000보다 크고 100,000보다 작은
    광학 필터.
KR1020097001709A 2006-07-29 2007-07-12 광학 필터 KR101077331B1 (ko)

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US11/460,979 2006-07-29
US11/460,979 US7257291B1 (en) 2006-07-29 2006-07-29 Ultra-narrow bandpass filter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
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