KR101660331B1 - 준연속 레이저의 펄스 쉐이핑을 위한 광신호 변조 장치 및 방법 - Google Patents

준연속 레이저의 펄스 쉐이핑을 위한 광신호 변조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

광신호 변조 장치는, 광신호를 제공하도록 구성된 제1 광원; 펌프광을 제공하도록 구성된 제2 광원; 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원과 광학적으로 연결되어, 상기 펌프광을 이용하여 상기 광신호의 크기를 증폭하도록 구성된 증폭 광섬유; 상기 광신호를 변조하도록 구성된 변조기로서, 상기 변조기의 일단은 상기 증폭 광섬유에 광학적으로 연결된, 상기 변조기; 및 상기 변조기의 타단에 광학적으로 연결되어, 상기 변조기에 의해 변조된 상기 광신호를 상기 변조기를 향해 반사하도록 구성된 거울을 포함한다. 상기 광신호 변조 장치에 의하면, 광신호의 펄스 쉐이핑(pulse shaping)을 수행함에 있어서 광신호가 변조기를 두 번 통과하므로 변조 깊이를 두 배 가량 증가시킬 수 있으며, 광신호가 증폭 광섬유를 두 번 통과하게 되므로 증폭 광섬유의 효율성이 증대된다.

Description

준연속 레이저의 펄스 쉐이핑을 위한 광신호 변조 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MODULATING OPTICAL SIGNALS FOR PULSE SHAPING IN QUASI-CONTINUOUS LASER}
실시예들은 광신호 변조 장치 및 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 펄스 쉐이핑(pulse shaping)을 수행함에 있어서 신호의 변조 및 증폭을 여러 번 수행할 수 있도록 소자들을 배치한 변조 구조 및 이를 이용한 광신호 변조 방법에 대한 것이다.
펄스 쉐이핑(pulse shaping)이란 전송되는 펄스의 파형을 변화시키는 과정으로서, 전송되는 신호가 이의 사용 목적이나 전송 채널의 특성에 보다 적합하도록 하기 위하여 사용된다. 예를 들어, 전송되는 신호의 유효 주파수 대역을 제한하는 것 등을 들 수 있다. 펄스 쉐이핑은 주로 무선 통신에 있어서 사용되는 신호를 주파수 대역에 적합하게 하기 위해 요구된다.
펄스 쉐이핑을 위한 종래의 구조는, 연속파(continuous wave) 또는 변조된 파형을 갖는 레이저 다이오드(laser diode)의 신호를 음향광학 변조기(acousto-optic modulator) 또는 전기광학 변조기(electro-optic modulator)와 같은 변조기에 통과시키도록 구성되었다. 이때, 변조기를 통과한 후의 신호는 세기가 약해지기 때문에 광 출력 증폭기를 사용하여 신호를 증폭하게 된다. 일 예로, "별도의 전기 및 광 변조기의 조합을 통해 프로그래밍된 규정 펄스 형태의 레이저 펄스 생성"의 제목을 갖는 공개특허공보 제10-2011-0093825호에는, 레이저 다이오드의 광신호를 광 변조기에 입사시키고, 광 변조기에 의해 변조된 신호를 광출력 증폭기에 의해 증폭시키는 기술을 개시한다.
그러나, 종래의 변조 구조에서 광 출력 증폭기를 이용하기 위해서는 증폭기에 입력되는 신호가 일정 세기 이상이어야 하며, 이를 충족시키기 위해서는 레이저 다이오드의 출력 자체가 커야 하는 제약이 있다.
공개특허공보 제10-2011-0093825호
본 발명의 일 측면에 따르면, 펄스 쉐이핑(pulse shaping)을 수행함에 있어서 증폭 광섬유를 효율적으로 사용함으로써 변조기에 대한 입력 신호 및 변조기의 출력 신호의 세기를 동시에 증폭할 수 있는 광신호 변조 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 광신호 변조 장치는, 광신호를 제공하도록 구성된 제1 광원; 펌프광을 제공하도록 구성된 제2 광원; 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원과 광학적으로 연결되어, 상기 펌프광을 이용하여 상기 광신호의 크기를 증폭하도록 구성된 증폭 광섬유; 상기 광신호를 변조하도록 구성된 변조기로서, 상기 변조기의 일단은 상기 증폭 광섬유에 광학적으로 연결된, 상기 변조기; 및 상기 변조기의 타단에 광학적으로 연결되어, 상기 변조기에 의해 변조된 상기 광신호를 상기 변조기를 향해 반사하도록 구성된 거울을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 거울에 의해 반사된 상기 광신호는 상기 변조기를 거쳐 상기 증폭 광섬유에 입사되도록 구성된다.
일 실시예에서, 광신호 변조 장치는, 상기 제1 광원 및 상기 증폭 광섬유 사이에 광학적으로 연결되어, 상기 제1 광원에 의해 조사된 상기 광신호를 상기 증폭 광섬유에 입사시키며, 상기 증폭 광섬유를 통과한 상기 광신호를 출력하도록 구성된 광 서큘레이터를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 각각은 펄스 형태의 광신호를 제공하도록 구성된 광신호 변조 장치. 또한 일 실시예에서, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 광 조사 시간은 서로 동기화된다.
일 실시예에 따른 광신호 변조 방법은, 제1 광원에 의해 광신호를 조사하는 단계; 제2 광원에 의해 펌프광을 조사하는 단계; 증폭 광섬유에 의해, 상기 펌프광을 이용하여 상기 광신호의 크기를 증폭시키는 단계; 상기 증폭 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 변조기에 통과시킴으로써 상기 광신호를 변조시키는 단계; 상기 변조기에 의해 변조된 광신호를 거울에 반사시켜 상기 변조기에 입사시키는 단계; 및 상기 거울에 의해 반사된 광신호를 상기 변조기에 의해 변조시키는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따른 광신호 변조 방법은, 상기 증폭 광섬유에 의해, 상기 거울에 의해 반사된 후 상기 변조기에 의해 변조된 광신호의 크기를 증폭시키는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 상기 펌프광 및 상기 광신호는 펄스 형태의 광이다. 또한 일 실시예에서, 상기 제1 광원에 의해 광신호를 조사하는 단계는 제1 시간 구간 동안 상기 광신호를 조사하는 단계를 포함하며, 상기 제2 광원에 의해 펌프광을 조사하는 단계는, 상기 제1 시간 구간과 동기화된 제2 시간 구간 동안 상기 펌프광을 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 광신호 변조 장치 및 방법에 의하면, 광신호의 펄스 쉐이핑(pulse shaping)을 수행함에 있어서 광신호가 변조기를 두 번 통과하므로 변조 깊이를 두 배 가량 증가시킬 수 있으며, 광신호가 증폭 광섬유를 두 번 통과하게 되므로 증폭 광섬유의 효율성이 증대되는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따른 광신호 변조 장치 및 방법에 의하면, 증폭 광섬유에 펌프(pump)광을 제공하는 광원과 신호를 제공하는 광원을 동기화함으로써 신호 광원이 동작하지 않을 때는 잡음이 발생하지 않도록 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 제1 광원의 광신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 제2 광원 펌프(pump)광의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 변조기를 한 차례 통과한 광신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 변조기를 두 차례 통과한 광신호의 파형을 나타내는 그래프이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 광신호 변조 장치는 제1 광원(10), 제2 광원(20), 중폭 광섬유(50), 변조기(60) 및 거울(70)을 포함할 수 있다. 제1 광원(10)은 변조를 위한 광신호를 제공하며, 제2 광원(20)은 제1 광원(10)의 광신호를 증폭하는데 사용되는 펌프(pump)광을 제공한다. 제1 광원(10)의 광신호 및 제2 광원(20)의 펌프광은 증폭 광섬유(50)에 입사되며, 증폭 광섬유(50)에서는 펌프광을 이용하여 광신호의 크기를 증폭한다. 예를 들어, 증폭 광섬유(50)는 어븀 첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber; EDF) 또는 이터븀 첨가 광섬유 (Ytterbium Doped Fiber; YDF)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 광신호 변조 장치는 광 서큘레이터(circulator)(30)를 더 포함할 수 있다. 광 서큘레이터(30)는 제1 광원(10) 및 변조기(60) 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 광 서큘레이터(30)는, 제1 광원(10)의 광신호를 증폭 광섬유(50)에 입사시키고, 변조기(60)에 의해 변조된 후 다시 증폭 광섬유(50)를 통과한 광신호를 외부로 출력하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에서, 광신호 변조 장치는 광 커플러(coupler)(40)를 더 포함할 수 있다. 광 커플러(40)는 제1 광원(10)의 광신호 및 제2 광원(20)의 펌프광을 결합하여 증폭 광섬유(50)에 입사시키는 역할을 한다. 이를 위하여, 광 커플러(40)는 증폭 광섬유(50)와 제1 및 제2 광원(10, 20)의 사이에 광학적으로 연결될 수 있다. 광 서큘레이터(30)가 사용되는 경우, 광 커플러(40)의 일단은 광 서큘레이터(30) 및 제2 광원(20)에 광학적으로 연결되며, 광 커플러(40)의 타단은 증폭 광섬유(50)에 광학적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 광원(10)의 광신호 및/또는 제2 광원(20)의 펌프광은 펄스(pulse) 형태의 광일 수 있다. 이를 위하여, 제1 광원(10) 및/또는 제2 광원(20)은 펄스 형태의 광을 조사하도록 구성된 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수도 있다. 즉, 상기 레이저 다이오드는 준연속 레이저(quasi-continuous laser) 광을 조사한다. 도 2는 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 제1 광원(10)의 광신호의 파형을 나타내는 그래프이며, 도 3은 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 제2 광원(20)의 펌프광의 파형을 나타내는 그래프이다. 도시되는 바와 같이, 광신호 및 펌프광 각각은 펄스 형태의 파형을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제1 광원(10) 및 제2 광원(20)의 광 조사 시간은 서로 동기화될 수 있다. 본 발명에서 변조를 위한 신호는 제1 광원(10)의 광신호인데, 광신호가 없는 구간에서 조사되는 제2 광원(20)의 펌프광은 원치 않는 잡음이 된다. 따라서, 본 실시예에서는 제1 광원(10)이 광신호를 조사하는 제1 시간 구간(T1)과 제2 광원(20)이 광신호를 조사하는 제2 시간 구간(T2)을 서로 동기화할 수 있다. 예컨대, 제1 시간 구간(T1)과 제2 시간 구간(T2)은 서로 동일하게 결정될 수도 있으며, 또는 제1 광원(10) 및 제2 광원(20) 사이의 광 경로를 고려하여 제1 시간 구간(T1) 및 제2 시간 구간(T2) 사이에 소정의 지연 시간이 있도록 결정될 수도 있다.
증폭 광섬유(50)는 펌프광을 이용하여 광신호의 크기를 증폭시키며, 증폭 광섬유(50)에 의해 크기가 증폭된 광신호는 변조기(60)에 입사된다.
변조기(60)는 일단이 증폭 광섬유(50)에 광학적으로 연결되며, 타단이 거울(70)에 광학적으로 연결된다. 변조기(60)는 소정의 기준 신호를 이용하여 제1 광원(10)의 광신호를 변조시킴으로써 펄스 쉐이핑(pulse shaping)을 수행한다. 변조기(60)는 광신호를 직접 또는 간접 변조할 수 있는 임의의 구성을 가질 수 있으며, 예를 들어 음향광학 변조기(Acousto-Optic Modulator; AOM) 또는 전기광학 변조기(Electro-Optic Modulator; EOM)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. AOM 또는 EOM 등의 변조기의 구성에 대해서는 본원발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려져 있으므로, 자세한 설명을 생략한다.
변조기(60)에 의해 변조된 광신호는 거울(70)로 입사되는데, 거울(70)은 입사된 광신호를 다시 변조기(60)를 향해 반사하도록 배치된다. 그 결과, 광신호는 변조기(60)에 의해 1차 변조된 후 거울(70)에서 반사되어, 다시 변조기(60)에 입사됨으로써 1차 변조시와 역방향으로 변조기(60)를 통과하면서 2차 변조가 이루어진다.
도 4는 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 변조기를 한 차례 통과한 광신호의 파형을 나타내는 그래프이며, 도 5는 일 실시예에 따른 광신호 변조 장치에서 변조기를 두 차례 통과한 광신호의 파형을 나타내는 그래프이다. 펄스 형태의 파형을 가지는 광신호는, 변조기(60)에 의해 1차 변조되면서 기준 신호의 파형을 따라 도 4에 도시된 것과 같은 형태로 변조된다. 다만, 본 명세서의 도면들에 도시된 변조된 신호의 파형은 단지 예시적인 것이며, 변조된 신호가 실제로 가지는 파형은 기준 신호의 파형에 따라 다양할 수 있고 본 명세서에서 예시한 것으로 한정되지 않는다.
변조기(60)를 통과하면서 1차 변조된 광신호는 거울(70)에서 반사되어 다시 변조기(60)로 입사되며, 변조기(60)에 의해 2차 변조되면서 도 5에 도시된 것과 같은 형태가 된다. 그 결과, 광신호가 변조기(60)를 두 번 통과하여 변조기(60)가 갖는 변조 깊이를 두 배 가량 증가되는 효과가 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 1차 변조 광신호에서 소정의 구간의 신호 크기(W1)에 비해, 도 5에 도시된 2차 변조 광신호에서는 변조 깊이가 증가됨에 따라 해당 구간의 신호 크기(W2)가 도 4와 비교하여 더 감소되었다.
일 실시예에서, 변조기(60)에 의해 1차 변조된 신호가 거울(70)에 의해 반사되어 다시 변조기(60)에 입사되기 까지의 광 경로가 가능한 짧도록 광신호 변조 장치가 설계될 수 있다. 이 경우, 진행 거리 대비 시간이 매우 짧아 신호의 왜곡은 무시될 수 있다.
변조기(60)에 의하여 두 차례 변조가 이루어진 광신호는 다시 증폭 광섬유(50)에 입사된다. 그 결과 두 차례 변조된 광신호에 대해 증폭 광섬유(50)에 의해 다시 한 번 증폭이 이루어지고, 증폭된 신호는 광 서큘레이터(30)를 통해 외부로 출력될 수 있다. 즉, 하나의 증폭 광섬유(50)를 이용하여 변조기(60)에의 광신호의 입사 전후에 두 번의 증폭이 이루어지므로, 기존의 변조 구조와 비교하면 증폭 광섬유(50)의 효율성이 증대되는 효과가 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 광신호를 제공하도록 구성된 제1 광원;
    펌프광을 제공하도록 구성된 제2 광원;
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원과 광학적으로 연결되어, 상기 펌프광을 이용하여 상기 광신호의 크기를 증폭하도록 구성된 증폭 광섬유;
    상기 광신호를 변조하도록 구성된 변조기로서, 상기 변조기의 일단은 상기 증폭 광섬유에 광학적으로 연결된, 상기 변조기; 및
    상기 변조기의 타단에 광학적으로 연결되어, 상기 변조기에 의해 변조된 상기 광신호를 상기 변조기를 향해 반사하도록 구성된 거울을 포함하되,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 각각은 펄스 형태의 광을 제공하도록 구성된 광신호 변조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 거울에 의해 반사된 상기 광신호는 상기 변조기를 거쳐 상기 증폭 광섬유에 입사되도록 구성된 광신호 변조 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 증폭 광섬유 사이에 광학적으로 연결되어, 상기 제1 광원에 의해 조사된 상기 광신호를 상기 증폭 광섬유에 입사시키며, 상기 증폭 광섬유를 통과한 상기 광신호를 출력하도록 구성된 광 서큘레이터를 더 포함하는 광신호 변조 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 광 조사 시간은 서로 동기화되는 광신호 변조 장치.
  6. 제1 광원에 의해 광신호를 조사하는 단계;
    제2 광원에 의해 펌프광을 조사하는 단계;
    증폭 광섬유에 의해, 상기 펌프광을 이용하여 상기 광신호의 크기를 증폭시키는 단계;
    상기 증폭 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 변조기에 통과시킴으로써 상기 광신호를 변조시키는 단계;
    상기 변조기에 의해 변조된 광신호를 거울에 반사시켜 상기 변조기에 입사시키는 단계; 및
    상기 거울에 의해 반사된 광신호를 상기 변조기에 의해 변조시키는 단계를 포함하되,
    상기 펌프광 및 상기 광신호는 펄스 형태의 광인 광신호 변조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 증폭 광섬유에 의해, 상기 거울에 의해 반사된 후 상기 변조기에 의해 변조된 광신호의 크기를 증폭시키는 단계를 더 포함하는 광신호 변조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 광원에 의해 광신호를 조사하는 단계는, 제1 시간 구간 동안 상기 광신호를 조사하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 광원에 의해 펌프광을 조사하는 단계는, 상기 제1 시간 구간과 동기화된 제2 시간 구간 동안 상기 펌프광을 조사하는 단계를 포함하는 광신호 변조 방법.
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