KR101778800B1 - 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법 - Google Patents

상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 편광 변화된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 서로 반대 방향으로 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 광 증폭기와, 상기 광 증폭기에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 편광 조절기와, 상기 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 편광 분리기를 포함함으로써, 반도체 광 증폭기 안에서 상호 편광 변조 방식을 이용하여 넓은 LO 대역폭을 가질 수 있는 효과가 있다.

Description

상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법{ALL-OPTICAL FREQUENCY CONVERTER USING CROSS-POLARIZATION MODULATION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 광 증폭기(Semiconductor optical amplifier, SOA) 안에서 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation, XPolM) 방식을 이용하여 넓은 LO(Local oscillation) 대역폭을 가질 수 있도록 한 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 무선 통신 분야에서 광대역 멀티미디어 서비스에 대한 요구가 급격히 증가함에 따라, 많은 데이터를 짧은 시간 내에 전송하는 초고속 무선 전송에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 초고속 무선 전송에서는 데이터의 광 대역폭을 확보하고 낮은 주파수 대역의 밀집을 해소하기 위하여 무선 신호의 캐리어 주파수가 마이크로파 또는 밀리미터파 대역까지 증가하고 있다.
하지만 높은 손실과 낮은 대역폭을 가지는 전기 전송선은 높은 주파수 대역의 고용량 데이터를 먼 거리로 전송하기에 효율적이지 않다. 이러한 문제를 극복할 수 있는 기술로서 넓은 대역폭과 적은 손실, 그리고 EMI(Electromagnetic immunity) 등의 특징을 갖는 광섬유를 통해 밀리미터파 무선 신호가 실린 광-무선 신호를 전송하는 RoF(Radio over fiber) 기술이 개발되었다.
이 기술은 저손실, 초광대역 특성을 제공하는 광통신 기술과 이동성을 제공하는 무선 통신 기술이 융합되어 있어 언제, 어디서나, 다양한 광대역 멀티미디어 서비스의 제공이 가능한 경제적인 유무선 통합 통신망을 구축할 수 있는 장점을 가지고 있다.
도 1은 일반적인 광-무선(RoF) 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 광-무선(RoF) 시스템은, 크게 중앙 기지국(Central office, CO)과, 광전송링크(Fiber-optic link)와, 기지국(Base station, BS)으로 구성되어 있다.
먼저, 중앙 기지국(CO)에서 우리가 전송하고자 하는 데이터를 광-무선(RoF) 신호로 변조시켜주고, 변조된 광-무선 신호는 광전송링크를 통하여 기지국(BS)에 전송된다.
그리고, 기지국(BS)에서는 들어온 광-무선 신호를 무선 신호로 변환한 다음 안테나를 통하여 내보낸다. 이러한 광-무선(RoF) 시스템의 중앙 기지국(CO)에서 데이터를 광-무선 신호로 변조하는 방법으로 최근 전광 주파수 변환기(All-optical frequency converter)를 이용하는 방법이 활발하게 연구되고 있다.
이 방법은 종래의 전광변조기(Electro-optic modulator)를 사용하여 전자적인 주파수 변환을 하는 방법보다 더 넓은 대역폭을 가지며, WDM(Wavelength division multiplexing) 방식을 활용하여 주파수 활용도를 향상시킬 수 있다는 점에서 큰 이점이 있다.
한편, 전술한 전광 주파수 변환 방식에 있어서 종래 기술은 반도체 광 증폭기(Semiconductor optical amplifier, SOA)의 상호 이득 변조(Cross-gain modulation, XGM), 상호 위상 변조(Cross-phase modulation, XPM) 또는 4광파 혼합(Four wave mixing, FWM) 현상과 같은 비선형성(nonlinearity)을 이용한다.
그리고, 또 다른 반도체 광 증폭기의 비선형성인 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation, XPolM)를 이용한 전광 주파수 변환 방식이 최근 발표되었는데, 반도체 광 증폭기 내부에서의 입력된 빛의 세기에 따른 편광 변화를 이용하는 방식이다.
이 편광 변화를 광 검출기(Photodetector)가 인식할 수 있는 빛의 세기 변화로 바꾸면, 상호 이득 변조 방식에서 이득 변화에 의한 빛의 세기 변화와 비교하여 더 급격한 변화가 발생한다.
즉, 상호 편광 변화를 이용하는 주파수 변환기는 변조지수(Modulation index)가 크기 때문에 상호 이득 변조를 이용하는 방식보다 더 잘 변조된 신호를 발생시켜 수신단에서의 민감도(Sensitivity)를 낮추고 더 효율적인 변환을 가능하게 한다는 장점을 가진다.
그러나, 종래의 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 방식은 넓은 IF(Intermediate frequency)주파수 대역을 가지지만 LO 주파수 대역폭은 반도체 광 증폭기의 캐리어 수명시간(Carrier lifetime)에 의하여 수십 GHz로 제한이 되는 단점이 있다.
이러한 특성은 데이터의 대역폭이 증가함에 따라서 최근 수십 GHz 또는 100 GHz 이상으로 높아지고 있는 LO 주파수를 사용하는 것이 불가능하게 된다. 따라서, 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 방식을 밀리미터파 대역의 초광대역 광-무선(RoF) 시스템에 적용하기 위해서는 더 넓은 LO 주파수 대역폭을 가지는 새로운 방식의 개발이 요구된다.
한편, 종래의 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 방식은 광 LO 신호가 광 IF 신호를 변조하여 광 RF 신호가 발생되었기 때문에, IF 주파수 대역폭은 매우 넓지만 LO 주파수 대역폭은 반도체 광 증폭기(Semiconductor optical amplifier, SOA)의 수명시간(carrier lifetime)에 제약을 받아서 대역폭이 제한되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 반도체 광 증폭기(Semiconductor optical amplifier, SOA) 안에서 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation, XPolM) 방식을 이용하여 넓은 LO(Local oscillation) 대역폭을 가질 수 있도록 한 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 편광 변화된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 서로 반대 방향으로 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 광 증폭기; 상기 광 증폭기에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 편광 조절기; 및 상기 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 편광 분리기를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 주파수 변조된 광 IF 신호는 광 써큘레이터를 통해 상기 광 증폭기의 출력단으로 전달됨이 바람직하다.
바람직하게, 상기 편광 분리기로부터 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 광 필터가 더 포함될 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 주파수 변조된 광 LO 신호를 입력받아 특정 각도로 편광 조절하여 출력하는 제1 편광 조절기; 상기 제1 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 신호간의 상호 간섭 없이 광 결합하여 출력하는 광 결합기; 상기 광 결합기에 의해 광 결합된 신호를 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 광 증폭기; 상기 광 증폭기에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 제2 편광 조절기; 상기 제2 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 편광 분리기; 및 상기 편광 분리기로부터 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 광 필터를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 장치를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 제1 편광 조절기는 상기 광 증폭기 입사면의 45도가 되도록 편광이 조절됨이 바람직하다.
본 발명의 제3 측면은, 광 증폭기, 편광 조절기 및 편광 분리기를 이용한 광-무선(Radio over fiber, RoF) 시스템에서의 전광주파수 상향변환 방법으로서, (a) 상기 광 증폭기에서 편광 변화된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 서로 반대 방향으로 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 단계; (b) 상기 편광 조절기에서 상기 단계(a)에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 단계; 및 (c) 상기 편광 분리기에서 상기 단계(b)에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 단계를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 단계(c) 이후에, 별도의 광 필터를 통해 상기 단계(c)에서 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.
본 발명의 제4 측면은, 제1 및 제2 편광 조절기, 광 결합기, 광 증폭기, 편광 분리기 및 광 필터를 이용한 광-무선(Radio over fiber, RoF) 시스템에서의 전광주파수 상향변환 방법으로서, (a') 상기 제1 편광 조절기에서 주파수 변조된 광 LO 신호를 입력받아 특정 각도로 편광 조절하여 출력하는 단계; (b') 상기 광 결합기에서 상기 단계(a')에서 편광 조절된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 신호간의 상호 간섭 없이 광 결합하여 출력하는 단계; (c') 상기 광 증폭기에서 상기 단계(b')에서 광 결합된 신호를 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 단계; (d') 상기 제2 편광 조절기에서 상기 단계(c')에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 단계; (e') 상기 편광 분리기에서 상기 단계(d')에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 단계; 및 (f') 상기 광 필터에서 상기 단계(e')에서 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 단계를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 방법을 제공하는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법에 따르면, 반도체 광 증폭기(Semiconductor optical amplifier, SOA) 안에서 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation, XPolM) 방식을 이용하여 넓은 LO(Local oscillation) 대역폭을 가질 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 큰 변조지수(Modulation index)와 넓은 LO의 대역폭을 갖는 바, 이 특성은 더 넓은 데이터 대역폭 확보를 위하여 높은 LO 주파수를 가지는 초광대역 광-무선(RoF) 시스템의 성능 및 효율을 획기적으로 향상시켜, 고용량 데이터 전송을 위한 경제적이고 경쟁력 있는 유무선 통합 시스템의 구축에 활용될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 광-무선(RoF) 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치를 포함하는 광-무선 시스템의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 4는 입력 광 LO 신호, 입력 광 IF 신호 및 출력 광 RF 신호의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래 기술의 상호 이득 변조를 사용할 경우와 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 사용할 경우에 측정된 입력 광 IF 신호의 세기에 따른 출력 광 RF 신호의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 광 필터 이후에서 측정된 출력 광 RF 신호의 광 스펙트럼과 광 검출기 이후에서 측정된 출력 광 RF 신호의 전기 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치의 반전된 경우(a)와 비반전된 경우(b)의 광 LO 및 광 IF 신호의 광 파워 크기에 따른 변환 효율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치를 포함하는 광-무선 시스템의 구조를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
먼저, 본 발명은 반도체 광 증폭기(Semiconductor optical amplifier, SOA)에서 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation, XPolM) 현상을 활용한 새로운 주파수 상향 변환 기술을 제시한다.
즉, 본 발명은 전광 신호 처리 기술(All-optical signal processing)의 일종으로, 반도체 광 증폭기(SOA) 안에서 상호 편광 변조(XPolM) 방식을 이용하여 넓은 LO(Local oscillation) 대역폭을 가지며, 광 LO 신호에 광 IF(Intermediate frequency) 신호를 혼합하여 광 RF(Radio frequency) 신호를 발생시키는 주파수 상향 변환 기술이다.
특히, 본 발명을 이용한 전광 주파수 상향 변환 기술의 특징은 큰 변조지수(Modulation index)와 높은 변환 이득을 가지며 기존의 상호 편광 변조를 이용한 기술보다 LO의 주파수 대역폭이 매우 커서 매우 높은 RF 주파수로 상향 변환이 가능하다는 점이다.
더욱이, 본 발명은 초고주파 전자 소자인 주파수 혼합기(Mixer)를 대체할 수 있으며, 본 발명의 기술을 활용한 유무선 통합형 무선 통신 시스템은 기존의 기술을 활용한 무선 통신 시스템에 비해 LO 주파수 대역폭을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술로써, 시스템의 성능 및 효율 향상을 통하여 경제적이고 경쟁력 있는 밀리미터파 대역에서 넓은 LO 대역폭을 요구하는 초고속 유무선 통합형 무선 통신 시스템의 구축에 활용될 수 있다.
(제1 실시예)
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치(100)를 설명하기 위한 개념도로서, 광 IF 신호가 광 LO 신호를 변조하여 광 RF 신호가 발생되기 때문에, 비록 IF 주파수 대역폭은 수십 GHz로 제한되나 매우 넓은 LO 주파수 대역폭이 얻어질 수 있다.
일반적으로 LO 주파수는 IF 주파수에 비하여 매우 높기 때문에 이 방식을 활용할 경우 반도체 광 증폭기(SOA)(110, 도 3 참조)의 수명시간(Carrier lifetime)에 제약을 받지 않는 RF 주파수를 갖는 광 RF 신호를 생성할 수 있으며, 광 RF 신호의 주파수가 높아지고 있는 추세에 적합한 초광대역 광-무선(RoF) 시스템 구현에 활용될 수 있는 장점을 갖고 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치를 포함하는 광-무선 시스템의 구조를 나타낸 구성도이며, 도 4는 입력 광 LO 신호, 입력 광 IF 신호 및 출력 광 RF 신호의 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치(100)는, 크게 반도체 광 증폭기(110), 편광 조절기(Polarization controller, PC)(120) 및 편광 분리기(Polarization beam splitter, PBS)(130) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 반도체 광 증폭기(110)는 편광(Polarization) 변화된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 서로 반대 방향으로 입력받아 상호 편광 변조(XPolM)된 광 LO 신호를 출력하는 기능을 수행한다.
이 때, 반도체 광 증폭기(110)의 입력단에 입력되는 편광 변화된 광 LO 신호는 통상의 광소자(예컨대, 레이저, 발광다이오드 등)자체에서 일부 광이 편광 변화되어 출력하는 광 LO 신호로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, λLO의 광 파장을 갖는 빛을 주파수 fLO의 전기주파수로 변조시킨 광 LO 신호(광 스펙트럼은 도 4의 (a) 참조)를 입력받아 별도의 편광 조절기(미도시)를 통해 반도체 광 증폭기(100) 입사면의 약 45도 정도가 되도록 편광이 조절되어 반도체 광 증폭기(100)로 입사되도록 구성할 수도 있다.
한편, 반도체 광 증폭기(110)의 출력단에 입력되는 주파수 변조된 광 IF 신호는, 별도의 광 써큘레이터(Circulator)(115)를 통해 반도체 광 증폭기(110)의 출력단으로 전달되도록 구성함이 바람직하다.
이 때, 상기 주파수 변조된 광 IF 신호는 예컨대, λIF의 광 파장을 갖는 빛을 fIF의 전기주파수로 변조시킨 광 IF 신호로서, 광 스펙트럼은 도 4의 (b)에 나타나 있다.
편광 조절기(120)는 광 써큘레이터(115)를 통해 반도체 광 증폭기(110)에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 편광 분리기(130)로 출력하는 기능을 수행한다.
그리고, 편광 분리기(130)는 편광 조절기(120)에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호(fRF = fLO + fIF, λRF = λLO)를 출력하는 기능을 수행한다.
추가적으로, 편광 분리기(130)로부터 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링(Filtering)하는 광 필터(Optical bandwidth pass filter, OBPF)(140)가 더 포함될 수 있다. 이 때, 광 필터(140)에 의해 선택된 광 RF 신호의 스펙트럼은 도 4(c)에 나타나 있다.
이하에는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치의 동작에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, LO 부분에서는 λLO의 광 파장을 가지는 빛을 fLO의 전기주파수로 변조시킨 광 LO 신호가 나오게 되고, 광 스펙트럼은 도 4의 (a)에 나타나 있다. 상기 광 LO 신호는 별도의 편광 조절기(미도시)를 통하여 반도체 광 증폭기(110) 입사면의 약 45도 정도가 되도록 편광이 조절되어 반도체 광 증폭기(110)를 통과하게 된다.
그리고, 반도체 광 증폭기(110)에서는 비선형 편광 회전(Nonlinear polarization rotation)에 의한 편광 변화가 일어나며, 반도체 광 증폭기(110)에서 출력된 광 LO 신호는 편광 조절기(120)를 통해서 편광이 조절되어 편광 분리기(130)로 들어가게 된다.
여기서, 편광 분리기(130)는 정해진 편광 각도의 성분만을 통과시키기 위하여 쓰인 장비로서, 편광 조절기(120)에 의하여 편광 분리기(130)로 들어가는 광 LO 신호의 편광이 어떻게 조절되는가에 따라서 반전된 또는 비반전된 주파수 변환이 일어날 수 있다.
그 후, λIF의 광 파장을 가지는 빛을 fIF의 전기주파수로 변조시킨 광 IF 신호(도 4의 (b) 참조)가 광 써큘레이터(115)를 통하여 반도체 광 증폭기(110)의 오른쪽 면으로 들어가게 되면 반도체 광 증폭기(110)가 포화되고 추가적인 복굴절이 일어나 편광 각도가 변화하게 된다.
즉, 광 LO 신호의 편광이 광 IF 신호의 세기에 따라 변화하게 되는 것이다. 이 현상이 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation)이다. 이렇게 광 IF 신호의 세기에 따라 편광이 변화된 신호는 편광 분리기(130)로 들어가서 광 검출기(Photodetector)(미도시)가 인식할 수 있는 빛의 세기 변화로 바뀌게 되고, 광 LO 신호와 광 IF 신호가 혼합된 광 RF 신호가 발생한다.
그리고, 편광 분리기(130)의 출력에서 나온 광 RF 신호는 광 필터(140)로 들어가게 되는데 여기에서 광 LO 파장부분(λLO)의 광 RF 신호만을 걸러내게 된다. 광 필터(140)에 의해 선택된 광 RF 신호의 스펙트럼은 도 4의 (c)에 나타나 있다.
그런 다음, 광 필터(140)에서 출력된 광 RF 신호는 광섬유(10)를 통하여 기지국(Base station, BS)(20)으로 전송된 후, 광 검출기(미도시)에 의해 전기주파수가 fLO±IF로 주파수 상향 변환된 무선 신호로 광전 변환된다.
이렇게 상호 편광 변조를 사용하는 방식은 편광 변화를 이용하기 때문에 상호 이득 변조에서의 이득 변화를 이용하는 것보다 광 IF 신호의 세기에 따른 광 RF 신호의 변화가 크다. 다시 말해 광 IF 신호의 변조의 변조 효율을 나타내는 변조지수(Modulation index)가 크다고 할 수 있다.
도 5는 종래 기술의 상호 이득 변조를 사용할 경우와 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 사용할 경우에 측정된 입력 광 IF 신호의 세기에 따른 출력 광 RF 신호의 세기를 나타낸 그래프로서, 입력 IF 신호에 따른 출력 RF 신호의 변화를 측정한 결과, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 사용했을 때의 변조지수가 종래의 상호 이득 변조를 사용했을 때보다 더 큰 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 광 필터 이후에서 측정된 출력 광 RF 신호의 광 스펙트럼과 광 검출기 이후에서 측정된 출력 광 RF 신호의 전기 스펙트럼을 나타낸 그래프로서, 약 20GHz의 전기주파수를 가지는 광 LO 신호와 약 1GHz의 전기주파수를 가지는 광 IF 신호를 이용하여 실제 실험을 한 결과로 광 필터(140, 도 3 참조) 이후에서 측정된 광 RF 신호의 광 스펙트럼(도 6의 (a) 참조)과 광 검출기 이후에서 측정된 전기 스펙트럼(도 6의 (b) 참조)이 나타나 있다.
도 6의 (b)에서 전기 스펙트럼을 보았을 때, 약 20GHz에서의 광 LO 신호, 약 19GHz에서의 LO-IF 신호, 그리고 약 21GHz에서의 LO+IF 신호들이 제대로 발생한 것이 보인다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치의 반전된 경우(a)와 비반전된 경우(b)의 광 LO 및 광 IF 신호의 광 전력(Optical power) 크기에 따른 변환 효율을 나타낸 그래프로서, 변환 효율(Conversion efficiency)은 주파수 상향 변환된 광 RF 신호의 전기 전력(Electrical power)과 주파수 상향 변환되기 전 광 IF 신호의 전기 전력비율로 정의된다(PE,RF/PE,IF).
도 7을 참조하면, 광 LO 신호와 광 IF 신호의 세기에 따라서 변환 효율이 달라지고 약 20dB가 넘는 매우 높은 변환 효율을 가지는 지점이 존재한다. 그러므로, 최적 성능을 위해서는 광 LO 신호와 광 IF 신호 세기를 적절히 조절해야 한다는 것을 알 수 있다. 그리고, 상호 이득 변조의 영향과 빛의 세기에 의해서 반전된 경우(도 7의 (a) 참조)가 비반전된 경우(도 7의 (b) 참조)보다 변환 효율이 더 높은 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 구조에서 광 LO 신호는 반도체 광 증폭기(110, 도 3 참조)를 통과하고 광 IF 신호의 세기 변화가 광 LO 신호를 변화시킨다. 다시 말해, 광 IF 신호에 의해서 광 LO 신호가 변조되어 광 RF 신호가 발생하는 방식이기 때문에 반도체 광 증폭기(110)의 캐리어 수명시간(Carrier lifetime)에 대역폭 제한을 수십 GHz로 받는 것은 광 IF 신호밖에 없다.
즉, 광 LO 신호는 캐리어 수명시간에 의해 제한되는 대역폭 이상의 주파수도 가질 수 있다는 것이다. 결론적으로 낮은 대역의 주파수 밀집을 해소하고 광 대역폭의 데이터를 전송하기 위하여 수백 GHz의 밀리미터파(Millimeter wave) 이상으로 캐리어 주파수가 계속 증가하고 있는 추세에서 이런 특징은 초광대역 광-무선(RoF) 시스템을 구현하기에 적합하다는 큰 장점을 가지고 있다.
전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치에 대해서 종합적으로 설명하면, 전기주파수 fLO로 변조된 광 LO 신호(광 파장: λLO)를 반도체 광 증폭기(110)의 입력부분으로 입력시키고, 전기주파수 fIF로 변조된 광 IF 신호(광 파장: λIF)를 광 써큘레이터(115)를 이용하여 반도체 광 증폭기(110)의 출력부분으로 입력시키며, 반도체 광 증폭기(110)의 내부에서 광 IF 신호의 세기에 따라 광 LO 신호의 편광 각도가 상호 편광 변조(Cross-polarization modulation) 현상에 의해 바뀌게 되고, 편광 변조된 반도체 광 증폭기(110)의 출력은 편광 분리기(130)에 의해 편광 변화가 빛의 세기의 변화로 변환되어 광 RF 신호가 되며, 광 LO 신호의 파장(λLO)을 갖는 광 RF 성분을 광 필터(140)로 걸러낸 후, 광 검출기를 이용하여 주파수 상향 변환된 RF 신호(fLO±IF)를 발생시키게 된다.
(제2 실시예)
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치를 포함하는 광-무선 시스템의 구조를 나타낸 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치(200)는, 크게 제1 편광 조절기(210), 광 결합기(220), 반도체 광 증폭기(230), 제2 편광 조절기(240), 편광 분리기(250) 및 광 필터(260) 등을 포함하여 이루어진다.
여기서, 제1 편광 조절기(210)는 주파수 변조된 광 LO 신호를 입력받아 특정 각도로 편광 조절하여 광 결합기(220)로 출력하는 기능을 수행한다.
이러한 제1 편광 조절기(210)는 λLO의 광 파장을 갖는 빛을 주파수 fLO의 전기주파수로 변조시킨 광 LO 신호(광 스펙트럼은 도 4의 (a) 참조)를 입력받아 반도체 광 증폭기(230) 입사면의 약 45도 정도가 되도록 편광이 조절되어 반도체 광 증폭기(230)로 입사되도록 한다.
광 결합기(220)는 제1 편광 조절기(210)에서 편광 조절된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 신호간의 상호 간섭 없이 광 결합하여 반도체 광 증폭기(230)로 출력하는 기능을 수행한다.
이 때, 상기 주파수 변조된 광 IF 신호는 예컨대, λIF의 광 파장을 갖는 빛을 fIF의 전기주파수로 변조시킨 광 IF 신호로서, 광 스펙트럼은 도 4의 (b)에 나타나 있다.
반도체 광 증폭기(230)는 광 결합기(220)에 의해 광 결합된 신호를 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 제2 편광 조절기(240)로 출력하는 기능을 수행한다.
제2 편광 조절기(240)는 반도체 광 증폭기(230)에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 편광 분리기(250)로 출력하는 기능을 수행한다.
편광 분리기(250)는 제2 편광 조절기(240)에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 광 필터(260)로 출력하는 기능을 수행한다.
그리고, 광 필터(260)는 편광 분리기(250)로부터 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 기능을 수행한다.
전술한 본 발명에 따른 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 변환 장치 및 그 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100 : 전광 주파수 변환 장치,
110 : 반도체 광 증폭기,
120 : 편광 조절기,
130 : 편광 분리기,
140 : 광 필터

Claims (8)

  1. 편광 변화된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 서로 반대 방향으로 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 광 증폭기;
    상기 광 증폭기에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 편광 조절기; 및
    상기 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 편광 분리기를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 상향변환 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 주파수 변조된 광 IF 신호는 광 써큘레이터를 통해 상기 광 증폭기의 출력단으로 전달되는 것을 특징으로 하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 편광 분리기로부터 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 광 필터가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 장치.
  4. 주파수 변조된 광 LO 신호를 입력받아 특정 각도로 편광 조절하여 출력하는 제1 편광 조절기;
    상기 제1 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 신호간의 상호 간섭 없이 광 결합하여 출력하는 광 결합기;
    상기 광 결합기에 의해 광 결합된 신호를 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 광 증폭기;
    상기 광 증폭기에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 제2 편광 조절기;
    상기 제2 편광 조절기에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 편광 분리기; 및
    상기 편광 분리기로부터 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 광 필터를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 편광 조절기는 상기 광 증폭기 입사면의 45도가 되도록 편광이 조절되는 것을 특징으로 하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 장치.
  6. 광 증폭기, 편광 조절기 및 편광 분리기를 이용한 광-무선(Radio over fiber, RoF) 시스템에서의 전광주파수 상향변환 방법으로서,
    (a) 상기 광 증폭기에서 편광 변화된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 서로 반대 방향으로 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 단계;
    (b) 상기 편광 조절기에서 상기 단계(a)에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 단계; 및
    (c) 상기 편광 분리기에서 상기 단계(b)에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 단계를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광 주파수 상향변환 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 단계(c) 이후에, 별도의 광 필터를 통해 상기 단계(c)에서 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 방법.
  8. 제1 및 제2 편광 조절기, 광 결합기, 광 증폭기, 편광 분리기 및 광 필터를 이용한 광-무선(Radio over fiber, RoF) 시스템에서의 전광주파수 상향변환 방법으로서,
    (a') 상기 제1 편광 조절기에서 주파수 변조된 광 LO 신호를 입력받아 특정 각도로 편광 조절하여 출력하는 단계;
    (b') 상기 광 결합기에서 상기 단계(a')에서 편광 조절된 광 LO 신호와 주파수 변조된 광 IF 신호를 신호간의 상호 간섭 없이 광 결합하여 출력하는 단계;
    (c') 상기 광 증폭기에서 상기 단계(b')에서 광 결합된 신호를 입력받아 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 출력하는 단계;
    (d') 상기 제2 편광 조절기에서 상기 단계(c')에서 출력되는 상호 편광 변조된 광 LO 신호를 편광 조절하여 출력하는 단계;
    (e') 상기 편광 분리기에서 상기 단계(d')에서 편광 조절된 광 LO 신호를 미리 설정된 편광 각도의 성분을 통과시켜 주파수 상향 변환된 광 RF 신호를 출력하는 단계; 및
    (f') 상기 광 필터에서 상기 단계(e')에서 출력된 광 RF 신호에서 특정 파장을 갖는 광 RF 신호를 필터링하는 단계를 포함하는 상호 편광 변조를 이용한 전광주파수 상향변환 방법.
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