KR101557550B1 - 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 광통신 신호와 광 에너지를 별개의 전송로를 사용하여 개별적으로 전송하던 기존의 방식을 개선하기 위하여 제안된 것으로 단일 광섬유를 통해 광통신 신호 뿐만 아니라 광에너지를 함께 전송하는 방법를 제안하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 광통신 신호와 광 에너지를 파장분할다분화 필터 또는 광 커플러에서 통합하여 단일 광섬유를 통하여 전송한 후 수신측에 위치하는 또 다른 파장분할다분화 필터 또는 광 커플러에서 광통신 신호와 광 에너지를 재차 분할하는 방법을 제안한다.
본 발명의 구성에 따르면, 광섬유로 이루어진 광 전송로를 통해 광통신 신호의 전달과 에너지 전송을 함께 성취할 수 있는 이점이 있다.
따라서, 별도의 전력선이 없더라도 광섬유만을 이용하여 통신 신호와 에너지를 동시에 전송할 수 있다.

Description

광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법{Method for both optical communication and optical energy transmission through a optical fiber}

본 발명은 장거리 유선 통신의 근간을 이루고 있는 광통신용 광섬유 망에 관한 것으로 보다 구체적으로는 초고속 광통신의 전송매체인 광섬유를 통해 광통신 신호의 전달 뿐만 아니라 광 에너지를 함께 전송할 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 광통신은 장거리 초고속 유선통신에서 널리 사용되고 있으며, 최근에는 FTTH (fiber to the home) 기술을 통해 가입자망 통신에서도 널리 사용되고 있다. 이러한 광통신의 물리 전송매체는 광섬유 (optical fiber) 가 널리 사용되고 있다.

따라서, 현재 대한민국에는 광섬유가 거의 모든 지점까지 연결되어 있다고 해도 과언이 아니다.

이러한 광섬유는 대부분 광통신 신호 전송용으로 사용되고 있지만, 간혹 광에너지 전송용으로 사용되는 기술이 제안되고 있다.

예컨대, 한국 특허출원번호가 제10-2006-0015691호이고 발명의 명칭이 "광섬유를 이용한 전력 공급 시스템 및 그 전력 공급 방법"인 선행기술에서는 광섬유를 통하여 부하단으로 광 에너지(광 전력)를 전송하는 시스템에 대한 기술을 개시하고 있으며,

한국 특허출원번호가 제10-2008--0068384호이고 발명의 명칭이 "광 케이블을 통하여 광 에너지를 전송하는 광 에너지 시스템"인 선행기술에서도 광 케이블을 통하여 광 에너지를 전송하는 기술을 제안하고 있다.

하지만, 현재까지 통신 신호의 전송뿐만 아니라 광 에너지를 함께 전송할 수 있는 시스템에 대한 기술은 개시되어 있지 않은데, 만약 광 통신 신호와 광 에너지를 단일 광섬유만으로 함께 전송할 수 있다면 그 활용 범위가 매우 높아질 가능성이 있다.

예를 들어, 새로운 광통신 네트워크를 구성하다 보면, 새로운 지점에 광통신을 위한 약간의 능동장치를 부하단에 설치해야 할 때가 있는데, 이러한 곳에 이 능동장치를 위해 전력선을 끌어오는 것보다 광섬유 자체를 통해 광통신 신호와 광에너지를 함께 전송하여 이 능동장치를 별도의 전력없이 구동할 수 있다면 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 광섬유는 기존의 도체 전력선에 비해 가격이 저렴하므로 경우에 따라서는 (예를 들어, 에너지원이 광 에너지의 형태이거나 소비 에너지가 광 에너지 형태인 경우) 도체 전력선보다 더 저렴하게 에너지를 전송할 수 있는 장점이 있다.

한국 특허출원번호 제10-2006-0015691호, 발명의 명칭: 광섬유를 이용한 전력 공급 시스템 및 그 전력 공급 방법 한국 특허출원번호 제10-2008--0068384호, 발명의 명칭: 광 케이블을 통하여 광 에너지를 전송하는 광 에너지 시스템

본 발명에서는 광통신 신호와 광 에너지를 별개의 전송로를 사용하여 개별적으로 전송하던 기존의 방식을 개선하기 위하여 제안된 것으로 단일 광섬유를 통해 광통신 신호 뿐만 아니라 광에너지를 함께 전송하는 방법를 제안하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 광통신 신호와 광 에너지를 파장분할다분화 필터 또는 광 커플러에서 통합하여 단일 광섬유를 통하여 전송한 후 수신측에 위치하는 또 다른 파장분할다분화 필터 또는 광 커플러에서 광통신 신호와 광 에너지를 재차 분할하는 방법을 본 발명의 본원적인 기술적 사상으로 제안하고자 한다.

이러한 기술적 사상을 구현하기 위하여, 본 발명에서 제안하는 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법의 제 1 실시예는, 서로 다른 신호선을 통하여 전달되는 광통신 신호와 광 에너지가 제 1 WDM 다중화기에 입력되어 통합된 후, 하나의 광섬유를 통하여 제 1 WDM 역다중화기로 통합 신호가 전송되고, 상기 제 1 WDM 역다중화기에서는 상기 통합 신호를 상기 광 통신 신호와 상기 광 에너지로 분할하여 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 제 1 실시예에서, 상기 광통신 신호와 상기 광 에너지는 파장 대역이 상이하다. 파장 대역이 서로 상이하므로 WDM 다중화기로 하나의 광섬유에 통합하여 입력할 수 있으며, 반대로 WDM 역다중화기를 통해 두 개의 신호를 각각 분리할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법의 제 2 실시예는 서로 다른 신호선을 통하여 전달되는 광통신 신호와 광 에너지가 제 1 광 커플러에서 입력되어 통합된 후, 하나의 광섬유를 통하여 제 2 광 커플러로 통합 신호가 전송되고, 상기 제 2 광 커플러에서는 상기 통합 신호를 N : 1 로 분할하여 출력하는 것을 특징으로 한다 (N 은 1 보다 큰 정수). 즉, 비율 N 으로 출력되는 포트는 광에너지를 수신하는 용도로 사용되고, 비율 1 로 출력되는 포트는 광통신 신호를 수신하는 용도로 사용된다.

본 발명에 따른 제 2 실시예에서, 상기 광통신 신호와 상기 광 에너지는 서로 중첩되는 파장 대역을 사용하고 있다. 서로 중첩되는 파장대역을 사용하므로 두 신호를 완전히 분리하는 것은 불가능하기 때문에 N : 1 의 크기로 분할하여 큰 출력 (비율 N 포트)은 광에너지 수신용으로 사용하고 작은 출력(비율 1 포트)은 광통신 수신용으로 사용한다. 작은 출력 포트에서 본래의 광에너지 신호는 광통신 신호의 잡음처럼 작용하게 된다.

본 발명의 구성에 따르면, 광섬유를 통해 광통신 신호의 전달과 에너지 전송을 함께 성취할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 별도의 전력선이 없더라도 광섬유만을 이용하여 통신 신호와 에너지를 전송할 수 있다.

도 1은 일반적인 WDM 시스템의 일반적인 기능 구조도이다.
도 2는 WDM 다중화기를 이용하여 파장이 상이한 광통신 신호와 광 에너지를 단일 광 전송로를 통하여 전송하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 상이한 파장대에 위치하는 광통신 신호와 광 에너지를 설명하는 도면이다.
도 4는 광 커플러를 이용하여 파장이 상호 중첩되는 광통신 신호와 광 에너지를 단일 광 전송로를 통하여 전송하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 광통신 신호와 광 에너지의 파장대가 중첩하는 상태를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 2 및 도 3에서 설명하는 광에너지와 광신호 대역의 파장간격 W 에 따른 광신호의 왜곡을 보여주는 실험 데이터이다
도 7은 도 4 및 도 5에서 설명하는 광통신 신호와 광 에너지의 세기 (단위파장 당 광세기) 에 따른 광신호의 열화 현상을 보여주는 실험 데이터이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에서 제안하는 기술적 사상인 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방 대하여 설명하기로 한다.

먼저, 설명에 앞서 본 발명에서는 광 통신 신호와 광 에너지를 단일 광섬유를 통하여 전송함에 있어서, 광 통신 신호와 광 에너지의 파장대가 상이한 경우에는 WDM 다중화기(또는 역다중화기)를 사용하고, 파장대가 중첩되는 경우에는 광 커플러를 사용하는 방식을 제안한다.

본 발명에서 사용되는 WDM 다중화기는 광 통신 신호 또는 광 에너지를 전송하는 송신기에 사용되는 경우에는 멀티플렉서의 기능을 수행하고 WDM 역다중화기는 광 통신 신호 또는 광 에너지를 수신하는 수신기에서는 디멀티플렉서의 기능을 수행한다.

마찬가지로, 본 발명에서 사용되는 광 커플러(Optical Coupler)는 광 통신 신호 또는 광 에너지를 전송하는 송신기에 사용되는 경우에는 두 신호를 합하는 기능을 수행하고 광 통신 신호 또는 광 에너지를 수신하는 수신기에서는 광출력을 1: N으로 분배하는 기능을 수행한다.

즉, 본 발명에서 사용되는 WDM 다중화기와 광 커플러는 파장이 상이한 광 통신 신호 또는 광 에너지를 파장 분할 다중화하여 광 전송로를 통해 전송한 후 수신측에서 역다중화하여 분할하는 일반적인 기술을 모두 수행한다.

도 1은 일반적인 WDM 시스템의 일반적인 기능 구조도로, 편의상 4개 채널의 WDM 시스템 구성예를 보인 것이다.

도 1을 참조하면, 채널 송신기들(100∼106)은 각 채널별로 전송할 전기 신호에 따른 광 신호를 WDM 규격에 따른 각 채널별 파장으로 발생하여 WDM 다중화기(multiplexer)(108)에 인가한다.

WDM 다중화기(108)는 채널 송신기들(100∼106)에 의해 변환된 채널의 광 신호를 하나의 광섬유에 파장 분할 다중화하여 광 전송로(110)로 전송한다.

광 전송로(110)는 광 증폭기들(112∼116)이 설치되어 있으며 WDM 다중화기(108)에 의해 파장 분할 다중화된 광 신호들이 전송되는 광 섬유로 이루어진다.

WDM 역다중화기(demultiplexer)(118)는 이와 같이 파장 분할 다중화되어 전송된 광 신호를 수신하여 파장 분할 역다중화에 의해 파장별로 분할한다.

채널 수신기들(120∼126)은 WDM 역다중화기(118)에 의해 분할된 채널들의 광 신호를 각각 광/전 변환에 의해 전기 신호로 변환한다,

도 2 및 도 3은 본 발명에서 제안하는 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법의 제 1 실시예를 설명하는 도면으로, 도 2는 WDM 다중화기(200)를 이용하여 파장이 상이한 광통신 신호와 광 에너지를 단일 광 전송로를 통하여 전송하는 방법을 설명하는 도면이고, 도 3은 상이한 파장대에 위치하는 광통신 신호와 광 에너지를 설명하는 도면이다.

도 2 및 도 3으로부터 알 수 있듯이, 단일 광 전송로를 이용하여 광통신 신호 및 광에너지를 동시에 전송하기 위해서 본 발명에서는 서로 다른 파장대를 갖는 광통신과 광에너지를 사용하였다(예를 들어, 도 3과 같이 A 파장 대역의 빛은 광통신 신호 전송을 위해 사용하고 B 파장 대역의 빛은 광에너지 전송을 위해 사용한다).

도 2에 도시된 바와 같이, 송신부에서는 A 파장 대역의 빛을 사용하는 광통신 신호용 광원 (레이저나 LED)과 광에너지 전송용 광대역 광원이 WDM 다중화기(200)로 입력된다.

송신부에서는 A 파장의 빛과 B 파장의 빛을 합해주는 역할을 하는데, WDM 다중화기(200)는 파장대가 상이한 두 개의 서로 광을 통합하여 광 전송로로 전송하는 역할을 하는 광소자이다.

이렇게 WDM 다중화기(200)를 통해 A 파장 대역의 광통신 신호와 B 파장대역의 광에너지가 단일 광 전송로를 통해 전송된다.

다음, 수신부에서는 광 전송로를 통하여 수신되는 광통신 신호와 광에너지를 각기 분할하는 기능을 수행한다.

이를 위하여 본 발명에서는 하나의 광 전송로로 전송된 광통신 신호와 광에너지를 분할하기 위해 WDM 역다중화기(202)를 사용한다.

본 발명에 따른 WDM 역다중화기(202)를 통해 A 파장의 빛과 B 파장의 빛은 상호 분할된다.

한편, 수신부에서 분할된 A 파장의 광통신 신호는 광통신 신호 수신기(예를들어, Photodiode) 와 같은 광수신 소자로 전달되고, B 파장의 광에너지는 광에너지 수신용 태양전지 등으로 전송되어 전기 에너지로 변환 가능하다.

참고로, 수신부에서 광에너지를 그대로 이용하고 싶을 때에는 별도의 태양전지가 필요없이 광에너지 그대로 사용할 수도 있을 것이다.

한편, 도 2 내지 도 3 에서 설명한 본 발명에 있어서, 광통신 신호와 광 에너지의 파장대역이 근접하는 경우, 광섬유의 Cross-Phase Modulation (상호위상변조), Four-Wave Mixing (4광파 혼합), Raman scattering (라만 산란) 등과 같은 광섬유의 비선형 효과에 의하여 광에너지의 성분과 광 통신 신호의 성분이 서로 상호작용을 일으켜 광통신 신호의 모양이 왜곡되는 문제가 발생한다.

이러한 왜곡 현상을 비선형 시뮬레이션을 통해 광통신 신호 대역과 광에너지 신호대역 사이의 파장간격 W 에 따른 광통신 신호의 왜곡을 분석하였으며 그 결과를 도 6에 도시하였다. 도 6에서, 광통신 신호(즉, 광신호)의 왜곡의 척도로는 신호의 아이페널티 (Eye-Opening Penalty) 값으로 하였다.

도 6에서 알 수 있듯이, 파장간격이 좁아질수록 광 통신 신호의 왜곡이 급격하게 발생되는 것을 알 수 있다. 광통신 신호가 정상적으로 수신되기 위해서는 광에너지로 인해 발생하는 추가적인 왜곡이 0.5 dB 이하이어야 하므로, 광에너지와 광통신 신호의 파장간격은 1 nm이상으로 하는 것이 바람직하다.

다음, 도 4 및 도 5는 본 발명에서 제안하는 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법의 제 2 실시예를 설명하는 도면으로, 도 4는 광 커플러를 이용하여 파장이 상호 중첩되는 광통신 신호와 광 에너지를 단일 광 전송로를 통하여 전송하는 방법을 설명하는 도면이고, 도 5는 광통신 신호와 광 에너지의 파장대가 중첩하는 상태를 설명하는 도면이다.

도 4 및 도 5으로부터 알 수 있듯이, 단일 광 전송로를 이용하여 광통신 신호 및 광에너지를 동시에 전송하기 위해서 본 발명에서는 파장대가 상호 중첩하는 광통신 신호와 광에너지를 사용하였다

본 발명의 제 2 실시예의 경우 광통신 신호와 광에너지 전송용 빛의 파장대역이 중첩되어 있으므로, 다른 파장의 빛을 합해주거나 나누어 주는 WDM 다중화기 및 역다중화기를 사용하는 대신에 광 커플러(optical coupler: 400, 402)를 사용하였다.

즉, 도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명에서는 광 전송로를 통하여 상호 연결되어 있는 송신부와 수신부에 각각 광 커플러(400, 402)를 제공하였다

광 커플러(400)는 파장이 중첩되는 광 통신 신호와 광 에너지를 합산하며 이렇게 합산된 광 통신 신호와 광 에너지는 광 전송로를 따라 수신부의 광 커플러(402)로 전송된다.

수신부의 광 커플러(402)에서는 합산되어 수신된 광 통신 신호와 광 에너지의 혼합신호를 단순히 N : 1 로 분배하여 (N 은 1 보다 큰 정수), 비율 N 으로 분배된 혼합신호는 광에너지 수신용으로 사용될 수 있도록 도시된 바와 같이 광에너지 수신용 태양전지로 전송되고, 비율 1로 분배된 혼합신호는 광통신 수신용으로사용될 수 있도록 광통신 신호 수신기로 전송된다. 이 경우, 광통신 신호 수신기에서는 광에너지 전송용 빛으로 인하여 잡음이 많아지기는 하겠지만, 디지털 신호를 구별할 수 있기 때문에 통신신호의 수신은 가능하다.

한편, 도 4 및 도 5에서 설명한 본 발명의 경우, 광에너지의 크기가 너무 크게 되면 광통신 신호에 많은 잡음이 발생하게 되어 광통신 신호의 성능 열화가 초래된다.

이러한 열화 현상을 분석하기 위하여 광통신 신호와 광 에너지의 세기 (단위파장 당 광세기)에 따른 광통신 신호의 열화를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에서 알 수 있듯이, 광통신 신호(즉, 광신호)의 광에너지의 파워비가 너무 낮아지면 광통신 신호의 성능열화가 심해져서 광통신이 불가능하게 된다.

따라서, 광통신 신호와 광에너지의 파워비를 적정수준 이상으로 높여야 할 필요가 있다.

본 발명에 따른 테스트 결과, 광통신 신호와 광에너지의 파워비(단위파장 당 광세기 기준)가 18 dB 이상으로 높이면 광통신 신호의 성능열화가 0.5 dB 이하로 떨어져 광통신 신호의 성능에 큰 문제가 없는 것으로 파악되었다

따라서, 제 2 실시예에서는 광통신 신호와 광에너지가 동일 파장대역을 사용하게 되지만, 그 신호의 파워비는 18 dB 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

지금까지 설명한 본 발명의 구성에 따르면, 광섬유로 이루어진 광 전송로를 통해 광통신 신호의 전달과 에너지 전송을 함께 성취할 수 있는 이점이 있다.

따라서, 별도의 전력선이 없더라도 광섬유만을 이용하여 통신 신호와 에너지를 동시에 전송할 수 있다.

지금까지 설명한 본 발명의 기술적 사상은 기존에 알려진 WDM 다중화기(역다중화기) 또는 광 커플러의 광 통합 및 분배(분할 또는 분기라고도 한다)을 이용하여 상이한 파장대의 광 통신 신호와 광 에너지가 인가되는 경우에는 기존의 분배 기능을 그대로 사용하고 중첩되는 파장대의 광 통신 신호와 광 에너지가 인가되는 경우에는 광 커플러를 이용하여 통합되어 수신된 신호의 크기를 소정의 정수배로 분할한 후 크기가 큰 부분은 광 에너지 포트로 전송하고 크기가 작은 부분은 광 통신 신호 포트로 전송하는 방식에 관한 것으로, 공지된 WDM 다중화기(역다중화기)와 광 커플러에 광 신호의 통합 및 분할 기능이 있다는 점에 착안하여 발명한 것이다.

이러한 본 발명은 WDM 필터 또는 광 커플러 등과 같이 광 통합 및 분할 기능을 갖는 다양한 기기를 이용하여 파장대가 상이하거나 파장대가 중첩되는 광 통신 신호와 광 에너지를 단일 광섬유를 통하여 전송하고자 하는 모든 기술적 사상도 모두 포함하는 포괄적인 개념이다.

참고로, 본 발명에 있어서 광 통신 신호와 광 에너지의 통합 내지 분할 방법은 기존의 WDM 필터 또는 광 커플러에서 광 통신 신호 또는 광 에너지의 통합 내지 분할 방법을 그대로 적용하였으며, 현재까지 관련 산업에서 광 통신 신호와 광에너지를 단일 광섬유를 통하여 전송하는 개념에 대하여는 연구가 되지 않은 것으로 알려져 있으며, 본원 발명의 기술적 사상은 이러한 사실을 토대로 하여 특허청구범위에 기재되는 범위 내에서 보호되어야 할 것이다.

200, 202: WDM 다중화기, WDM 역다중화기
400, 402: 광 커플러

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법으로서,
   서로 다른 신호선을 통하여 전달되는 제 1 파장 대역의 광통신 신호와 제 2 파장 대역의 광 에너지가 제 1 광 커플러에서 입력되어 하나의 광섬유를 통하여 제 2 광 커플러로 전송되며, 상기 제 2 광 커플러에서는 상기 광 통신 신호와 상기 광 에너지를 분할 출력한 후 각각 광통신 신호 수신기와 광에너지 수신용 태양전지로 전송하고,
   상기 광통신 신호와 상기 광 에너지의 각 파장 대역은 상호 중첩되며,
   상기 광통신 신호와 상기 광에너지의 각 파장 대역이 중첩됨으로 인하여 발생하는 상기 광통신 신호의 성능 열화를 개선시키기 위하여 상기 제 2 광 커플러로 전송된 상기 광 통신 신호와 상기 광 에너지는 상기 제 2 광 커플러에서 1: N(N은 1보다 큰 정수)으로 분리되어 출력되며, 상기 광통신 신호와 상기 광에너지의 단위 파장당 광세기의 비는 18 dB 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광통신 신호 및 광 에너지의 동시 전송 방법.
4. 삭제

Images