KR101879038B1 - 광파장 측정기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광파장 측정기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 파장분할 다중화 방식으로 복수의 광파장이 먹싱(muxing)되는 광통신망의 광선로에서 전송되는 광파장을 측정하는 장치가 개시된다.
개시된 광파장 측정기는 복수의 광파장을 포함하는 광신호가 입력되며 렌즈를 이용하여 상기 광신호를 평행광으로 만들어 출력하는 광입력부, 상기 광입력부에서 출력되는 광신호를 필터링하는 채널필터, 상기 채널필터가 부착되는 회전판, 상기 회전판을 회전시키는 모터, 상기 채널필터를 통과한 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 포토디텍터, 상기 모터의 회전각을 제어하는 제어부, 상기 제어부를 위한 회전각도 제어신호를 생성하고, 상기 회전각도와 상기 전기신호를 바탕으로 광파장값을 추출하는 신호처리부, 및 상기 신호처리회로부에서 추출한 광파장값을 표시하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수신한 광신호 파장의 정밀한 측정이 가능하고, 또한 광신호의 출력 측정이 가능한 바 파장다중방식 광통신시스템에서 광신호의 파장값에 대한 정확한 정보를 제공함으로서 광통신시스템의 품질과 신뢰성을 점검할 수 있으며 광통신망의 유지, 보수 과정을 용이하게 할 수 있다.

Description

광파장 측정기{Optical Channel Wavelength Measurement Device}
본 발명은 광파장 측정기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 파장분할 다중화 방식으로 복수의 광파장이 먹싱(muxing)되는 광통신망의 광선로에서 전송되는 광파장을 측정하는 장치에 관한 것이다.
파장분할다중 광통신은 한 가닥의 광섬유에 복수의 광파장 신호를 동시에 전송하는 방식이기 때문에 광케이블의 추가 증설 없이 기존에 설치된 광케이블을 그대로 사용하면서도 많은 데이터를 전송할 수 있는 기술이다. 시간분할방식보다 매우 경제적인 방식이기에 현재의 광통신망은 대부분 파장분할다중 방식이 적용되고 있다.
파장분할다중 방식은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 저밀도 파장분할다중 방식(Coarse Wavelength Division Multiplexing: 이하 CWDM라 칭함)은 파장 1270nm부터 1610nm범위의 대역을 20nm간격으로 파장을 분할하여 최대 18개 채널의 광신호를 전송할 수 있으며, 고밀도 파장분할 다중방식(Dense Wavelength Division Multiplexing: 이하 DWDM라 칭함)은 1530nm~1565nm 대역(C-band)을 100GHz(대략 0.8nm), 또는 50GHz(대략 0.4nm) 간격으로 분할하여 80개의 채널 신호를 전송할 수 있다. C-밴드 외에도 DWDM은 O-밴드(1260~1360 nm, 100nm), E-밴드(1360~1460 nm, 대역폭 100nm), S-밴드(1460~1530 nm, 대역폭 70nm), L-밴드(1565~1625 nm, 대역폭 60nm), U-밴드 (1625~1675 nm, 대역폭 50nm) 등의 다양한 파장 대역에서 사용할 수 있어, 파장분할 방식은 데이터 전송용량을 증가시키는 데 아주 효과적인 통신방식이라 할 수 있다.
파장분할 다중방식은 대용량 데이터를 경제적으로 전송할 수 있는 장점이 있지만 복수 개의 광신호가 하나의 광섬유를 공유하기 때문에, 파장분할 다중방식에 적용되는 광송신기 레이저의 파장이 할당된 채널의 허용 범위를 벗어나면 데이터의 전송오류를 유발할 수 있다. 그러므로 파장분할 다중방식을 포설하거나 유지하고 보수하기 위해서는 광신호의 세기(광출력)뿐만 아니라 광신호의 파장을 측정하는 일이 필수적이다.
특히, 고가의 DWDM용 광송신기보다 저렴한 CWDM용 광송신기는 광송신기 내부에 레이저의 파장을 측정하는 센싱 소자나 파장 변위를 보상할 수 있는 장치가 별도로 구비되어 있지 않기 때문에 주변의 온도 변화에 의해서 송신하는 광신호의 파장이 변화될 수 있다. 따라서 현재 운용 중인 채널에서 전송되는 광신호의 정확한 파장에 대한 정보는 통신망의 신뢰성을 확보하기 위해서 매우 중요한 요소이다.
전송되는 광신호의 파장 정보를 획득하기 위하여 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: OSA)가 사용될 수 있는데, 광 스펙트럼 분석기는 파장 분해능이 0.02nm로 매우 정밀한 측정이 가능하지만 부피가 크고 무거우며 고가인 단점이 있다. 그래서 광 스펙트럼 분석기는 광케이블 포설/유지/보수 작업을 실시하는 야외에서는 사용하기에는 적합하지 못하다.
휴대가 가능한 CWDM 광통신망용 종래의 파장측정 기술로는 등록특허 10-1089182와 등록특허 10-0820947 등이 있으나 이러한 광파장 파워 측정기들은 광 송신기의 광 파장이 정해진 파장 채널 대역 안에 있는 경우에는 광출력의 측정이 가능하지만 광 파장이 채널 대역의 중앙에 있는지 또는 가장자리에 있는지 구별할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
도 1은 등록특허 10-0820947에서 제시한 광파장 파워 측정기의 광학부의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 복수의 채널을 포함한 광신호가 콜리메이터 렌즈(20)와 채널 필터(31)을 통과하여 포토디텍터(40)에 입사되며, 스텝모터(stepping motor; 33)가 채널필터(31)가 부착된 회전판(32)을 회전시켜 가면서 복수의 채널을 포함한 광신호의 채널별 광세기를 측정하게 된다. 이 방법은 상기의 입력 광신호가 채널의 범위 안에 있는 경우에는 채널별 광세기는 측정할 수는 있지만 입력 광신호의 파장이 채널의 중앙에 있는지 또는 채널의 가장자리에 있는지를 구별할 수 없어서 파장에 대한 정확한 정보를 제공하지 못하는 단점이 있다.
도 2는 CWDM 대역의 채널 구성 및 채널 필터의 특성을 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바처럼 CWDM은 중심파장이 1270nm에서 1610nm까지 20nm 간격으로 떨어져 있고, 각각의 채널대역은 20nm를 가질 수 있다. 그리고 채널필터(31)는 중심파장을 중심으로 양쪽으로 7nm의 대역(일 예로서 중심주파수가 1490nm이면 1483nm에서 1497nm의 대역)을 통과시킬 수 있다. 전술한 종래 기술의 단점을 도 2를 이용하여 좀 더 설명하면, CWDM 채널 간의 간격은 이웃한 채널의 중심파장(λc) 사이의 간격 (dλch)으로서 20nm이다. 각각의 채널필터들의 대역폭은 λc ± 7nm인 경우, 채널과 채널 사이에 채널갭이 존재할 수 있는데, 좌우로 각각 3nm 도합 6nm가 채널 간에 존재하게 된다. 종래의 휴대용 광파장 파워 측정기는 도 2의 두 개의 광 파장(22 또는 23)- 즉 주변환경을 포함하는 다양한 요인에 의하여 광송신기에서 전송되는 광파장이 정확한 중심파장인 1490nm가 아닌 1491nm(22) 또는 1496nm(23)가 되더라도 모두 채널대역폭 안에 있으므로, 해당 채널로 광신호가 전송되는 것을 확인하는 광출력만을 측정할 수 있고, 광 파장이 중심 파장에서 얼마나 벗어나 있는지는 알 수 없다. 즉, 종래의 휴대용 광파장 파워 측정기는 광 파장(22)과 광 파장(23)을 구별할 수 없어 정확한 파장값을 특정할 수 없다는 문제점이 있다.
한국 등록 특허 공보 10-0820947 (공개일: 2008.01.10.) 한국 등록 특허 공보 10-1089182 (등록일: 2011.11.28.)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 파장다중화 광통신에서 각각의 채널별 광세기를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 각 채널의 광신호가 채널의 중심파장에서 얼마나 벗어나 있는지를 측정할 수 있으며 심지어 채널의 범위를 벗어난 경우에도 광파장과 광세기를 측정할 수 있는 측정기를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광파장 측정기는 복수의 광파장을 포함하는 광신호가 입력되며 렌즈를 이용하여 상기 광신호를 평행광으로 만들어 출력하는 광입력부, 상기 광입력부에서 출력되는 광신호를 필터링하는 채널필터, 상기 채널필터가 부착되는 회전판,
상기 회전판을 회전시키는 모터, 상기 채널필터를 통과한 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 포토디텍터, 상기 모터의 회전각을 제어하는 제어부, 상기 제어부를 위한 회전각도 제어신호를 생성하고, 상기 회전각도와 상기 전기신호를 바탕으로 광파장값을 추출하는 신호처리부, 및 상기 신호처리회로부에서 추출한 광파장값을 표시하는 디스플레이부를 포함할 수 있다. 여기서 상기 전기신호는 상기 채널필터를 통과한 광신호의 세기에 비례하는 아날로그 신호이고, 상기 신호처리부는 상기 전기신호를 바탕으로 광신호의 세기를 추출할 수 있다.
그리고 상기 채널필터는 상기 회전판의 회전방향의 접선과 나란하게 부착하여, 상기 모터의 회전에 따라서 상기 광신호가 상기 채널필터에 입사하는 각도가 변화할 수 있다.
이에 더하여 상기 신호처리부는 상기 전기신호가 미리 설정된 기준값보다 큰 고점에서 미리 설정된 상기 기준값도다 작은 저점으로 변하는 지점 또는 상기 전기신호가 저점에서 고점으로 변하는 지점에서의 모터의 회전각도를 바탕으로 상기 광신호에 포함되어 있는 광파장값을 추출할 수 있고, 상기 모터의 회전각도에 따른 상기 채널필터의 투과대역의 변위를 계산하고, 상기 변위를 바탕으로 상기 광신호에 포함되어 있는 광파장값을 추출할 수 있으며, 상기 채널필터의 투과대역의 변위를 계산시, 상기 투과대역의 오른쪽 모서리 파장 또는 왼쪽 모서리 파장을 기준으로 계산할 수 있다.
상기 포토디텍터가 상기 광입력부에서 방출한 광신호를 채널필터를 통해 수신할 수 있도록 하기 위하여 상기 광입력부, 상기 채널필터, 및 상기 포토디텍터가 상기 회전판의 중심과 원주를 연결하는 일직선과 평행한 직선상에 배치되고, 상기 광입력부와 상기 포토디텍터 사이에 상기 채널필터가 배치될 수 있다.
그리고 상기 광입력부에서 출력되는 광신호가 상기 채널필터의 중심으로 입력되거나, 상기 채널필터의 중심에서 어긋나게 입력되거나, 또는 상기 채널필터의 중심에서 어긋나게 입력되는 동시에 상기 채널필터의 법선과 각을 이루면서 입력될 수 있다.
또한, 상기 채널필터로 측정할 수 있는 파장범위가 상기 채널필터의 대역폭보다 크도록 하기 위하여 상기 채널필터의 대역폭이 입사각 0도에서 채널 중심파장으로부터 단파장쪽으로는 좁고 장파장쪽으로 넓게 할 수 있다.
이에 더하여 광파장 측정기는 캘리브레이션용 광원을 생성할 수 있는 광원생성기, 상기 광원생성기를 구동시키는 구동부, 및 상기 광원생성기로부터 출력되는 광을 수신하여 넓은 파장 선폭의 입력 중에서 특정한 좁은 대역의 파장의 광은 투과시키고 그 외 나머지 파장의 광신호는 반사시키는 in-line 50G DWDM 필터를 더 포함하고, 상기 광입력부는 2개의 입력 포트를 구비하고, 제1 입력포트는 측정을 위한 외부 광신호를 입력받고, 제2 입력포트는 상기 광원생성기에서 생성된 광신호가 in-line 50G DWDM 필터를 통과한 캘리브레이션용 광신호를 입력받을 수 있다.
그리고 다양한 채널 특성을 가지는 광파장 측정기를 만들 수 있도록 하기 위하여 복수의 채널필터가 상기 회전판에 부착되고, 상기 복수의 채널필터는 1개 이상의 그룹으로 분류될 수 있고, 동일한 그룹에 속하는 채널필터들은 동일한 대역폭을 갖는 필터로 구성되며, 서로 다른 그룹에 속하는 채널필터 간에는 투과대역이 상이할 수 있다. 좀 더 자세하게는, 상기 복수의 채널필터는 1개의 그룹으로 분류되고, 복수의 50G DWDM용 채널필터들로 구성되거나 복수의 100G DWDM용 채널필터들로 구성될 수 있다.
상기 복수의 채널필터는 2개의 그룹으로 분류되고, 제1그룹은 복수의 CWDM용 채널필터들로 구성되고 제2그룹은 복수의 DWDM용 채널필터들로 구성되거나, 제1그룹은 복수의 50G DWDM용 채널필터들로 구성되고 제2그룹은 복수의 100G DWDM용 채널필터들로 구성되거나, 제1그룹은 복수의 C-밴드 DWDM용 채널필터들로 구성되고 제2그룹은 복수의 L-밴드 DWDM용 채널필터들로 구성될 수 있다.
이와 다르게 상기 복수의 채널필터들의 구성이 표준화되어 있는 광가입자망의 통신 규격인 E-PON, G-PON, GE-PON, 10G-PON, 및 NG-PON2에서 제시한 파장대역에 따른 투과대역을 갖는 CWDM 채널필터, 광대역필터, 및 200GHz, 100GHz, 50GHz, 50GHz이하의 투과대역을 갖는 DWDM 채널필터로 조합될 수도 있다.
본 발명에 의하면, 수신한 광신호 파장의 정밀한 측정이 가능하고, 또한 광신호의 출력 측정이 가능한 바 파장다중방식 광통신시스템에서 광신호의 파장값에 대한 정확한 정보를 제공함으로서 광통신시스템의 품질과 신뢰성을 점검할 수 있으며 광통신망의 유지, 보수 과정을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 등록특허 10-0820947에서 제시한 광파장 파워 측정기의 광학부의 구성도이다.
도 2는 CWDM 대역의 채널 구성 및 채널 필터의 특성을 도시한 도면이다.
도 3은 입사각의 변화에 따른 필터링되는 파장의 변화를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파장 측정기의 구성도를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시 예에 따른 광파장측정기의 광학부 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일실시 예에 따른 광파장측정기의 광학부 구조를 도시한 도면이다.
도 7 은 한 개의 채널필터를 회전시키면서 파장을 측정할 때, 입사각 0도에서 광신호(414)가 채널필터(422)의 정중앙으로 입사할 경우, 광신호(414)의 손실을 발생시키지 않으면서, 채널필터(422)를 최대한 회전시킬 수 있는 회전각(720, 721)을 계산하기 위한 도면이다.
도 8은 한 개의 채널필터를 회전시키면서 파장을 측정할 때, 입사각 0도에서 광신호(414)가 채널필터(422)의 정중앙에서 벗어나서 입사할 경우, 광신호(414)의 손실을 발생시키지 않으면서, 채널필터(422)를 최대한 회전시킬 수 있는 회전각(820)을 계산하기 위한 도면이다.
도 9는 입사각을 변화시키는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 8의 방법보다 더 큰 파장 변위가 발생하도록 최대입사각을 좀 더 크게 하고자 채널필터(422)에 입사하는 광신호(414)의 빔 자체를 기울여서 필터에 입사시키는 방법을 도시한 도면이다.
도 10은 모터(425)를 회전시킬 때, 모터의 회전각(θ) 에 따라서 입사각(φ)이 변하여 채널필터(422)의 투과대역 파장이 변경되는 일예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 입력되는 광신호의 파장을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일실시 예에 따른 입력되는 광신호의 파장을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 C-밴드(1530~1565 nm, 대역폭 35nm) 파장 대역에 100GHz DWDM을 적용한 일실시 예를 도시한 도면이다.
도 14는 λo = 1570nm, neff = 1.5764인 DWDM 필터의 입사각과 파장변위의 관계식을 그래프로 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시 예에 따른 100GHz DWDM C-밴드용 광파장측정기 광학부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 파장 캘리브레이션용 광원을 구비한 100GHz DWDM C-밴드용 광파장측정기 광학부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 17은 캘리브레이션용 광신호(413a)를 생성하는 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 18은 현재 표준화되어 있는 광가입자망의 통신 규격(E-PON, G-PON, GE-PON, 10G-PON, NG-PON2)에서 정의한 파장 대역을 도시한 도면이다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 박막 필터는 광 입사각의 변화에 따라서 필터링(filtering)되는 파장이 변경될 수 있다. 변경된 파장의 값은 아래와 같은 관계식을 갖는다.
Figure 112016069424039-pat00001
여기서, λo는 광 입사각이 0도 일 때의 필터의 중심 파장이고, φ는 입사각을 나타내며, neff 는 박막필터의 유효굴절률을 나타낸다.
또한, 입사각 φ에서 입사각도가 1도 변화할 때의 필터링되는 파장의 변화는 [수학식 2]의 관계식을 갖는다.
Figure 112016069424039-pat00002
도 3은 입사각의 변화에 따른 필터링되는 파장의 변화를 도시한 도면이다.
도 3은 입사각이 0도 일 때의 중심파장이 1550nm이고 유효굴절률이 2.0인 박막필터에서 입사각이 0도에서 14도까지 증가할 때, 박막필터에서 필터링되는 파장의 변화량(310)과 특정 입사각에서 입사각이 1도 더 변하는 경우에 필터링되는 파장의 변화량(320)을 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 광의 박막필터에 대한 입사각을 0도에서 10도로 변화시키면 약 6nm 정도 필터링되는 파장이 변경됨을 알 수 있다. 입사각이 0도에서 중심파장이 1550nm를 갖도록 설계된 필터에서 입사각이 10도가 되도록 제어하면 필터링되는 중심파장은 1550nm에서 1544nm로 변경되게 된다. 또한, 도 3을 참조하면, 입사각이 10도에서 1도 더 변하면 약 -1.2nm 파장이 변위한다. 즉 10도에서 11도로 입사각이 변하면 필터의 특성파장은 1544nm에서 1542.8nm가 감소하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파장 측정기의 구성도를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광파장 측정기는 복수의 광파장을 포함하는 광신호가 입력되며 렌즈를 이용하여 상기 광신호를 평행광으로 만들어 전달하는 광입력부(410), 광입력부(410)를 통하여 들어오는 광신호의 파장 및 출력을 분석하여 전기신호로 변환하여 전송하는 광학부(420), 광학부(420) 내의 모터(425)의 회전각를 제어하는 제어부(430), 상기 제어부(430)를 위한 회전각도 제어신호를 생성하고 광학부(420)의 출력을 A/D변환하고, 회전각도와 A/D변환된 출력파형과 출력신호의 크기로 부터 광파장값과 광출력을 추출하는 신호처리회로부(440) 및 측정된 파장과 광출력을 표시하는 디스플레이부(450)로 구성될 수 있다.
광입력부(410)는 광케이블을 통해 전달되는 광신호를 수신하는 모듈로서, 광케이블로부터 광신호를 수신할 수 있는 인터페이스를 구비할 수 있다. 또한, 광입력부(410)는 수신한 광신호를 평행광으로 만들어주는 렌즈(411)를 구비할 수 있다. 그리고 광학부(420)는 광신호를 채널별로 필터링하는 채널필터(422), 채널필터(422)가 부착되어 있고 모터(425)의 기동에 의하여 회전하는 회전판(424), 제어부(430)의 제어를 받아 회전판(424)을 회전시키는 모터(425) 및 채널필터를 통과한 광신호를 전기신호로 변환하는 포토디텍터(423)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시 예에 따른 광파장측정기의 광학부 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광학부(420)는 제어부(430)의 제어신호에 따라 회전판(424)를 회전시키는 모터(425), 모터축(426)에 결합하여 모터축(426)의 회전에 의하여 같이 회전하는 원형 또는 정다각형 형태의 회전판(424), 회전판(424)의 외측 원주에 부착되는 채널필터(422) 및 채널필터를 통과한 광신호를 전기신호로 변환하는 포토디텍터(423)를 포함할 수 있다.
회전판(424)은 채널필터(422)를 외측 원주에 부착할 수 있고, 채널 필터(422)를 통과한 광신호를 포토디텍터(423)가 감지할 수 있도록 하기 위하여 ‘ㄷ’형태의 형상을 가질 수 있다. 즉 회전판(424)의 중심은 모터축(426)과 결합되고, 회전판(424)의 방사상 끝 부분은 모터축(426) 반대 방향으로 돌출된 돌출부(427)를 구비할 수 있다. 돌출부(427)의 외측 원주에는 복수 개의 채널필터(422)가 부착될 수 있으며 돌출부는 채널필터(422)를 통과한 광신호가 지나갈 수 있도록 채널필터(422)의 하방에 회전판(424)의 중심 쪽으로 구멍(428)이 뚫려 있을 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼 복수 개의 채널필터(422)가 회전판(424)의 원주에 부착될 수 있다. 각각의 채널필터는 서로 다른 필터링 중심파장을 가지도록 설계될 수 있다. 즉 CWDM용 채널 필터의 경우에는 중심파장이 1270nm에서 1610nm 사이에 20nm의 간격을 가지도록 채널필터가 설계될 수 있다. 복수 개의 채널필터(422)들은 서로 등 간격으로 회전판(424)의 원주에 부착될 수 있다. 일 예로서 16개의 CWDM 채널필터가 부착되는 경우에는 서로 간에 360/16=22.5도의 간격을 가지고 회전판(424)에 부착될 수 있다. 또한, 회전각에 대한 기준을 두어 특정 채널필터가 위치하는 각을 명시적으로 지정할 수도 있다. 일 예로서 16개의 CWDM 채널필터가 부착되는 경우, 중심파장이 1270nm인 채널필터가 광입력부(410) 및 포토디텍터(423)와 일직선상에 놓인 경우를 0도로 기준을 설정할 수 있다. 그러면 중심파장이 1290nm인 채널필터는 22.5도에 위치할 수 있고, 중심파장이 1310nm인 채널필터는 45도 위치할 수 있다. 그리고 중심파장이 1610nm인 채널필터는 337.5도에 위치할 수 있다. 이에 따라 회전판(422)을 회전시켜 필터링되는 중심주파수가 다른 복수 개의 채널필터(422)들을 적용시킴으로 광신호에 포함되어 있는 다양한 파장들을 측정할 수 있다.
광입력부(410)는 평행광을 회전판(424)의 외측에서 채널필터(422)에 입사할 수 있도록 회전판(424)의 외측에 배치할 수 있고, 포토디텍터(423)는 채널필터(422)를 통과한 광신호를 검지할 수 있도록 회전판(424)의 돌출부(427) 아래쪽에 광입력부(410)와 마주 볼 수 있도록 배치될 수 있다. 이와 반대로 포토디텍터(423)가 회전판의 외부에 배치되고, 광입력부(410)가 회전판의 돌출부 하방에 배치되어 구멍(428)을 통해 채널필터(422)로 광신호를 전달할 수도 있다.
측정하고자하는 광신호(413)는 광입력부(410)의 렌즈(411)를 지나면서 평행광으로 변형된다. 평행광으로 변형된 광신호(414)는 복수의 채널필터(422)중 하나로 입사된다. 광신호(414)가 입사되는 채널필터는 신호처리부(440) 및 제어부(430)의 제어에 의하여 모터(425)를 조작함으로써 선택될 수 있다. 일예로서, 전술한 예처럼 회전판(424)에 16개의 채널필터(422)가 부착되어 있는 경우, 모터(425)의 회전각을 22.5도 간격으로 회전시키면 16개 필터 중에서 특정한 한 개의 채널필터(422a)를 선택할 수 있다. 입사되는 광신호(414) 중에서 선택된 채널필터(422a)의 투과대역 범위 안에 있는 광파장만이 선택된 채널필터(422a)를 통과하게 되고 포토디텍터(423)로 입력될 수 있다.
이에 더하여 모터(425)의 회전각을 22.5도보다 작게 하면, 선택된 채널필터(422a)에 입사하는 광신호(414)의 입사각도를 변화시킬 수 있다. 입력되는 광신호(414)의 입사각도를 변화시키면 전술한 [수학식 1]에 의하여 선택된 채널필터(422a)의 투과대역이 변경되고, 변화된 투과대역에 따라 광신호(414)에 포함되어 있는 파장과 광출력을 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일실시 예에 따른 광파장측정기의 광학부 구조를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 5의 경우와는 다르게 회전판(424b)은 중심이 모터축(426)과 연결되는 돌출부가 없는 원형 또는 정다각형의 판일 수 있다. 물론 도 5에서 제시한 회전판(424) 형태를 사용할 수도 있다. 채널필터(422)는 회전판(424b)의 끝에 회전판의 면에 수직으로 부착될 수 있다. 이때 광신호(414)가 입사되는 방향이 회전판(424b)의 원주 외측에서 중심으로 또는 회전판(424b)의 원주방향으로 되도록 채널필터(422)들을 배치할 수 있다. 복수 개의 채널필터(422)들은 서로 등 간격으로 회전판(424)의 끝에 부착될 수 있다. 일예로서 16개의 CWDM 채널필터가 부착되는 경우에는 서로 간에 360/16=22.5도의 간격을 가지고 회전판(424)의 끝에 부착될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 도 5 또는 도 6의 모터(425) 회전에 의한 입사각 변화와 채널필터의 투과대역 변경을 설명하기 위한 도면이다.
전술한 바처럼 일 예로서 16개의 CWDM 채널필터가 회전판에 부착된 경우 모터(425)의 회전각을 22.5도로 변경하면 중심파장이 다른 채널필터가 선택된다. 하지만 모터(425)의 회전각을 22.5도보다 작게 하여 회전시키면, 동일한 채널 필터에 대하여 입력되는 광신호(414)의 입사각(입사광선과 채널필터 표면의 법선 사이의 각)을 변경시킬 수 있다.
도 7 은 한 개의 채널필터를 회전시키면서 파장을 측정할 때, 입사각 0도에서 광신호(414)가 채널필터(422)의 정중앙으로 입사할 경우, 광신호(414)의 손실을 발생시키지 않으면서, 채널필터(422)를 최대한 회전시킬 수 있는 회전각(720, 721)을 계산하기 위한 도면이다. 최대회전각도(720)는 채널필터의 크기와 채널필터가 부착된 회전판의 반경에 의해서 [수학식 3]을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112016069424039-pat00003
여기서 L은 채널필터의 가로 길이(730)-회전판(424)의 원주방향으로의 길이일 수 있다-를 나타내고, D는 광신호(414)의 빔직경, R은 회전판(424)의 회전 중심에서 채널필터(422) 밑면까지의 거리, t는 채널필터의 두께(731)를 나타낸다. L=2.0mm, D=0.3mm, R=7mm, t=1mm인 경우, [수학식 3]에 의하여 최대 회전각(
Figure 112016069424039-pat00004
)는 약 6.1도가 되고, 도 7을 참조하면, 최대입사각(φmax)은 최대 회전각과 동일하므로 약 6.1도가 된다. 그러므로 측정가능한 입사각의 범위는 φ = -6.1 ~ +6.1 도이다. 그리고 [수학식 1]에 의하면 중심파장 λo = 1550nm, 유효굴절률 neff = 2.0 인 채널필터의 경우 파장의 변위(740)는 0nm ~ -2.2nm 가 된다.
도 8은 한 개의 채널필터를 회전시키면서 파장을 측정할 때, 입사각 0도에서 광신호(414)가 채널필터(422)의 정중앙에서 벗어나서 입사할 경우, 광신호(414)의 손실을 발생시키지 않으면서, 채널필터(422)를 최대한 회전시킬 수 있는 회전각(820)을 계산하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 최대회전각(
Figure 112016069424039-pat00005
)는 필터의 크기와 필터가 부착된 회전판의 반경에 의해서 아래와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112016069424039-pat00006
여기서 L은 채널필터의 가로 길이(730)-회전판(424)의 원주방향으로의 길이일 수 있다-를 나타내고, X는 광신호(145)의 입력 중심과 필터 중앙 사이의 오프셋(830)을 나타내며, D는 광신호(414)의 빔직경, R은 회전판(424)의 회전 중심에서 채널필터(422) 밑면까지의 거리, t는 채널필터의 두께(731)를 나타낸다. 여기서 오프셋(830) X는 (L-D)/2 보다 작은 값이어야 입력광의 손실이 발생하지 않는다.
상기 [수학식 4]에 의하면 L=2.0mm, D=0.3mm, R=7mm, t=1mm인 경우, 오프셋 X를 0.55mm로 설정하면 최대회전각(820)은 10.1도가 될 수 있다. 그리고 도 8을 참조하면, 최대입사각 (φmax)은 최대회전각과 동일하게 약 10.1도일 수 있다. 그러면 측정가능한 입사각의 범위는 φ = 0 ~ +10.1 도가 될 수 있다. [수학식 1]에 의하면 중심파장 λo = 1550nm, 유효굴절률 neff = 2.0인 채널필터의 경우 파장의 변위(840)는 0nm ~ -5.9nm 가 된다.
도 9는 입사각을 변화시키는 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 도 8의 방법보다 더 큰 파장 변위가 발생하도록 최대입사각을 좀 더 크게 하고자 채널필터(422)에 입사하는 광신호(414)의 빔 자체를 기울여서 필터에 입사시키는 방법을 도시한 도면이다. 이 경우의 최대입사각은 [수학식 5]를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure 112016069424039-pat00007
여기서 ψ는 광신호(414)의 기울어진 각도(930)이고, 이 경우에 측정 가능한 최소 입사각은 영이 아니고 ψ가 된다.
전술한 예와 같은 조건(L=2.0mm, D=0.3mm, R=7mm, t=1mm, X=0.55mm)인 경우, 광신호(414)의 빔을 2도 정도 기울여서 입사시킨다면, 입사각(φ)은 +2도에서 12.1도 범위까지 변화시킬 수 있다. [수학식 1]에 의하면 중심파장 λo = 1550nm, 유효굴절률 neff = 2.0인 채널필터의 경우 파장의 변위(940)는 -0.24nm ~ -8.5nm 가 된다.
도 9의 실시 예에서는 입사되는 광신호(414)가 채널필터면에서 반사되어 기울임 각 ψ의 2배 만큼 어긋난 방향으로 입사부로 되돌아가기 때문에 파장 측정기의 반사손실 특성이 더 좋다는 장점도 가질 수 있다.
[표 1]은 동일한 채널필터와 동일한 입사광에 대하여 도 7, 8, 및 9에서 제시한 방법으로 얻을 수 있는 파장변위의 범위를 비교한 테이블이다.
[표 1]에서 보이는 바와 같이 광신호 입사위치에 대한 오프셋을 주거나 입사 기울기를 줌으로써 최대 가변파장 범위를 4배정도 크게 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
파라미터 단위 도 7 도 8 도 9
채널필터 길이(L) mm 2.0 2.0 2.0
두께(t) mm 1.0 1.0 1.0
유효굴절률(neff) - 2.0000 2.0000 2.0000
광신호 파장 mm 1550.0 1550.0 1550.0
빔 직경 mm 0.3 0.3 0.3
오프셋 mm 0.0 0.55 0.55
기울기 deg. 0.0 0.0 2.0
회전판 직경 mm 7.0 7.0 7.0
입사각 최소 deg. 0.0 0.0 2.0
최대 deg. 6.1 10.1 12.1
범위 deg. 6.1 10.1 10.1
파장 변위 최소 nm 0.00 0.00 -0.24
최대 nm -2.19 -5.94 -8.51
범위 nm 2.19 5.94 8.27
전술한 실시 예에서는 [수학식1]의 파장 변경 관계식에서 유효굴절률 값이 2.0 인 채널 필터를 기준으로 기술하지만 유효굴절률이 2.0인 채널 필터에 국한되지 않는다. 일반적으로 다층박막을 적층하여 채널 필터를 설계 혹은 제작할 때, 유효굴절률은 적층에 사용한 유전체들의 굴절률에 의하여 결정된다. [수학식 1]에 의하면 유효 굴절률이 5% 작아지면 파장 변위는 11% 증가한다.
참고로 도 1과 같은 종래의 광파장 파워 측정기는 스텝 모터(33)가 회전을 해도 입력되는 광신호와 채널필터간의 입사각이 변하지 않기 때문에, 본 발명과 같은 효과가 나타나지 않으며 그에 따라서 입력되는 광신호의 파장값을 측정할 수 없다.
다시 도 4를 참조하면, 신호처리부(440)는 모터(425)를 제어하여 회전판(424)를 회전시키면서 포토디텍서(423)에서 들어오는 전기신호를 검측하여 광신호에 포함되어 있는 광파장을 정밀하게 측정할 수 있다.
이하 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 의하여 신호처리부(440)에서 수행하는 파장 측정방법을 설명한다.
도 10은 모터(425)를 회전시킬 때, 모터의 회전각(θ) 에 따라서 입사각(φ)이 변하여 채널필터(422)의 투과대역 파장이 변경되는 일예를 도시한 도면이다.
입력되는 광신호에 포함되어 있는 광파장을 측정하기 위한 본 발명에서 제시하는 방법은 채널필터의 투과대역의 왼쪽 모서리(1020) 파장(λLE)과 오른 쪽 모서리(1010) 파장(λRE)을 이용한다. 도 10을 참조하면, 모터의 회전각(θ)이 각 채널필터(422)가 입사되는 광신호(414)와 수직이 되도록 설정되는 경우, 즉, 광신호(414)의 입사각(φ)이 0이 되도록 설정된 경우, 채널필터(422)는 설계된 중심파장(λC)에서 설계된 대역만큼의 파장만 통과시킬 수 있다. 일예로서 채널필터가 λc ± 7nm의 파장만을 통과시키도록 설계된 경우, 왼쪽 모서리 파장(λLE)은 λc - 7nm 가 되고, 오른쪽 모서리 파장(λRE)은 λc + 7nm가 될 수 있다. 즉, 중심파장(λC)이 1550nm인 경우에 왼쪽 모서리 파장(λLE)은 1543nm가 될 수 있고, 오른쪽 모서리 파장(λRE)은 1557nm가 될 수 있다. 그리고 모터(425)를 회전간격 dθ마다 회전시킬 때의 채널필터의 투과대역의 오른쪽 모서리(1010) 파장(λRE)과 왼쪽 모서리(1020)파장(λLE)을 계산한다. 모터(425)를 dθ만큼 회전시키면 회전판(424)도 동일하게 회전하게 되고, 마찬가지로 회전판(424)의 원주에 부착된 채널필터(422)도 dθ만큼 회전하게 된다. 이에 의해 광신호(414)가 채널필터(422)에 입사되는 입사각(φ)는 dθ가 된다. 입사각이 0에서 dθ로 변하면 도 7 내지 도 9에서 설명한 것처럼 채널필터(422)가 통과시킬 수 있는 파장대역이 변하게 된다. 도 10에 도시한 것처럼 일반적으로 왼쪽으로 이동하게 되고 그에 따라 오른쪽 모서리 파장(λREi)과 왼쪽 모서리파장(λLEi)이 변하게 된다. 이러한 변경은 [수학식 1]을 이용하여 계산할 수 있다. N개의 채널필터가 회전판(424)에 부착되어 있고, 각각의 채널필터에 대하여 M개의 입사각(0, dθ, 2dθ, ..., (M-1)dθ)에 대하여 계산하면 아래와 같이 총 NxM개의 켈리브레이션용 데이터 집합을 얻을 수 있다.
데이터(k) = θk, φj, λLE(i), λRE(i),dλLEj, dλREj
여기서 i = 1~N인 정수이고 j는 1~M인 정수이고 k는 1~N×M정수이다. θk는 모터의 각도 위치로 0~360도의 사이의 값이고, φj 는 필터에 대한 광신호의 입사각으로 0~(M-1)dθ의 값을 갖는다. dλj 는 입사각 변화에 의한 파장 변위 값으로 dλREj는 오른쪽 모서리(1010)에서의 파장의 변위값이고, dλLEj는 왼쪽 모서리(1020)에서의 파장의 변위값이다.
일 예로서 채널필터의 개수가 16개이고, dθ는 0.5도이고 20개의 입사각에 대하여 계산한다고 하면 총 켈리브레이션용 데이터는 16×20=320개가 된다. 즉, 계산하고자 하는 입사각의 수가 많아질수록, 채널필터의 개수가 많아질수록 켈리브레이션용 데이터의 양도 많아질 수 있다. 반면에 측정할 수 있는 파장의 정밀도는 더욱 높아질 수 있다. 이런 조건하에서 켈리브레이션용 데이터는 다음 [표 2]와 같은 값을 가질 수 있다.
k i j θk φj λLE(i) λRE(i) dλLEj dλREj
1 1 1 0 0 1263nm 1277nm 0nm 0nm
2 1 2 0.5 0.5 1263nm 1277nm -0.012nm -0.012nm
... ... ... ... ... ... ... ... ...
20 1 20 10 10 1263nm 1277nm -4.796nm -4.796nm
21 2 1 22.5 0 1283nm 1297nm 0nm 0nm
22 2 2 23 0.5 1283nm 1297nm -0.012nm -0.012nm
... ... ... ... ... ... ... ... ...
30 2 10 27.5 5 1283nm 1297nm -1.225nm -1.225nm
... ... ... ... ... ... ... ... ...
40 2 20 32.5 10 1283nm 1297nm -4.871nm -4.871nm
... ... ... ... ... ... ... ... ...
... ... ... ... ... ... ... ... ...
301 16 1 337.5 0 1603nm 1617nm 0nm 0nm
302 16 2 338 0.5 1603nm 1617nm -0.015nm -0.015nm
... ... ... ... ... ... ... ... ...
320 16 20 347.5 10 1603nm 1617nm -6.080nm -6.080nm
상기 켈리브레이션용 데이터는 도 4의 신호처리부(440)에 구비되어 있는 비휘발성 메모리에 저장하여, 파장 측정에 활용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시 예에 따른 입력되는 광신호의 파장을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 파장이 알려지지 않은 입력 광신호가 파장 측정기에 입사될 때, 포토디텍터(423)의 출력을 관측함으로서 신호처리부(440)는 입력 광신호에 포함되어 있는 파장을 측정할 수 있다. 도 11은 특정 채널필터의 대역 내에 해당하는 광파장(1100)이 광신호(414)에 포함되어 있는 경우를 상정한 것이다. 광파장(1100)이 특정 채널필터의 투과대역(1110) 내에 해당하면 이 광파장(1100)은 채널필터를 투과하고 포토디텍터(425)에 전달된다. 포토디텍더(425)는 도달할 광파장의 세기에 해당하는 전기신호를 생성하여 신호처리부(440)로 전달할 수 있다. 종래의 광파장 검출기의 경우에는 포토디텍더(425)에서 방출하는 전기신호를 보고 특정 채널에 해당하는 광파장이 존재함만을 확인할 수 있을 뿐 실제 전송되는 광파장의 정밀한 파장을 알 수는 없다. 본원 발명은 정밀한 파장 측정을 위하여 포터디텍터(425)의 전기출력신호를 이용한다.
도 11에서 보듯이 입사각이 0인 경우의 특정 채널필터의 투과대역(1110)은 신호처리부(440)에 의한 제어에 의하여 회전판(424) 및 채널필터(422)를 회전시킴으로써 변이가 될 수 있다. 도11의 일 예에서 dθ만큼 회전시키면 입사각이 dθ가 되어 채널필터의 투과대역이 1120으로 변경될 수 있다. 다시 dθ만큼 더 회전시키면 입사각이 2dθ가 되고 채널필터의 투과대역이 1130이 된다. 계속적으로 dθ만큼 더 회전시키면 입사각이 계속 커지고 그에 따라 채널필터의 투과대역이 계속 낮은 쪽으로 이동하여 입사각이 a×dθ가 되는 경우에 입사되는 광파장(1100)이 채널필터 투과대역(1140)의 오른쪽 모서리에 걸리게 된다. 도 11에 도시된 것처럼 모터(425) 또는 채널필터(422)의 회전각이 a×dθ(1150)까지는 광파장(1100)이 채널필터의 투과대역 내에 존재하게 되므로 포토디텍터(425)의 출력이 높은 값을 유지하게 되나 dθ만큼 한 번 더 이동을 시키면 광파장(1100)이 채널필터 투과대역을 벗어나게 되어 채널필터를 투과할 수 없게 되고 그 결과로 포토디텍터(425)의 출력이 거의 나오지 않게 된다. 이후 계속 dθ만큼씩 이동시켜 한 채널필터 내에서의 최대 회전각까지 가더라도 광파장(1100)이 채널필터 투과대역 내에 존재하지 않게 되므로 포토디텍터(425)의 출력이 나오지 않게 된다.
그러므로 신호처리부(440)는 포토디텍터(425)의 출력이 고점에서 저점으로 떨어질 때까지 움직인 dθ의 횟수와 상기 미리 계산해 놓은 켈리브레이션용 데이터를 이용하여 입력되는 광파장(1100)의 정밀한 파장을 측정할 수 있다. 일 예로서 특정 광신호에 대하여 상기 켈리브레이션용 데이터의 k=21인 경우에 포토디텍터(425)의 출력이 고점이고 0.5도(dθ)씩 회전각을 증가시켰을 때에 포토디텍터(425)의 출력이 k=30인 경우에 마지막으로 고점이 되고 k=31인 경우에 저점이 되었다고 하면 신호처리부(440)는 k=30에서의 λRE(i) 값과 dλREj 값을 이용하여 입력된 광신호에 포함된 광파장이 1297-1.225 = 1295.775nm임을 측정할 수 있다. 여기에서 전기신호의 고점과 저점은 미리 설정된 특정값을 기준으로 이보다 큰 경우에는 고점으로 이보다 작은 경우에는 저점으로 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일실시 예에 따른 입력되는 광신호의 파장을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 입력되는 광신호에 포함되는 광파장이 원 채널의 중심파장에서 너무 벗어나서 처음 입사각이 0인 경우에 포토디텍터(425)의 출력이 아주 낮게 나오게된다. 이 경우 종래의 방식은 채널을 인식할 수 없게 되고 오류로 판단할 수 있지만 실제로 광파장에 어떤 일이 발생했는지는 알 수 없다. 반면에 본원 발명은 입사각이 0인 경우의 특정 채널필터의 투과대역(1210)은 신호처리부(440)에 의한 제어에 의하여 회전판(424) 및 채널필터(422)를 회전시킴으로써 변이가 될 수 있다. 도12의 일예에서 dθ만큼 회전시키면 입사각이 dθ가 되어 채널필터의 투과대역이 1220으로 변경될 수 있다. 다시 dθ만큼 더 회전시키면 입사각이 2dθ가 되고 채널필터의 투과대역이 1230이 된다. 계속적으로 dθ만큼 더 회전시키면 입사각이 계속 커지고 그에 따라 채널필터의 투과대역이 계속 낮은 쪽으로 이동하여 입사각이 b×dθ가 되는 경우에 입사되는 광파장(1100)이 채널필터 투과대역(1240)의 왼쪽 모서리에 걸리게 된다. 도 12에 도시된 것처럼 모터(425) 또는 채널필터(422)의 회전각이 b×dθ(1250) 이전까지는 광파장(1200)이 채널필터의 투과대역 밖에 존재하게 되므로 포토디텍터(425)의 출력이 낮은 값을 유지하게 되나 dθ만큼 한 번 더 이동을 시켜 회전각이 b×dθ(1250)가 되면 광파장(1200)이 채널필터 투과대역 내에 들어가게 되어 채널필터를 투과하게 되고 그 결과로 포토디텍터(425)의 출력에 높은 값이 나오게 된다. 이후 계속 dθ만큼씩 이동시켜 한 채널필터 내에서의 최대 회전각까지 광파장(1200)이 채널필터 투과대역 내에 존재하게 되므로 포토디텍터(425)의 출력은 높은 값을 유지하게 된다.
그러므로 신호처리부(440)는 포토디텍터(425)의 출력이 저점에서 고점으로 떨어질 때까지 움직인 dθ의 횟수와 상기 미리 계산해 놓은 켈리브레이션용 데이터를 이용하여 입력되는 광파장(1200)의 정밀한 파장을 측정할 수 있다. 일 예로서 특정 광신호에 대하여 상기 켈리브레이션용 데이터의 k=21인 경우에 포토디텍터(425)의 출력이 저점이고 0.5도(dθ)씩 회전각을 증가시켰을 때에 포토디텍터(425)의 출력이 k=30인 경우에 최조 고점이 되었다고 하면 신호처리부(440)는 k=30에서의 λLE(i) 값과 dλLEj 값을 이용하여 입력된 광신호에 포함된 광파장이 1283-1.225 = 1281.775nm임을 측정할 수 있다.
요약하면, 신호처리부(440)는 도 11의 예와 같이 포토디텍터(425)의 출력이 고점에서 저점으로 변하면 하기 [수학식 6]을 사용하고 도 12의 예와 같이 포토디텍터(425)의 출력이 저점에서 고점으로 변하면 하기 [수학식 7]을 적용하여 입력된 광신호에 포함되어 있는 광파장을 구할 수 있다.
Figure 112016069424039-pat00008
Figure 112016069424039-pat00009
여기서 λ(i)는 i번째 채널의 측정된 파장값이고, λRE(i), λLE(i), dλREj 및 dλLEj 는 상기 미리 계산된 켈리브레이션용 데이터로부터 구할 수 있는데, 여기서, i와 j는 포토디텍터(425)의 출력이 고점에서 저점으로 또는 저점에서 고점으로 변하는 시점의 채널 정보와 회전각 정보를 바탕으로 구할 수 있다.
한편, 각 채널의 광출력의 측정은 도 11 또는 도 12의 포토디텍터 출력신호를 입사각 위치에서 취득하고 미리 측정된 포토디텍터(425)의 Responsivity R 값으로 나누어 다음 [수학식 8]을 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112016069424039-pat00010
여기서 I(i)는 입사각 위치에서 획득한 포토디텍터(425)의 출력값이다. 본 실시 예에서는 광출력을 취득하는 입사각 위치를 포토디텍터(425)가 높은 신호가 출력되는 구간의 중간 위치를 선택하였으나 중간위치 좌우의 값을 평균하여 적용할 수도 있다.
도 10 내지 도 12의 파장측정방법을 적용하여 파장을 측정하는 경우에, 측정 가능한 파장의 범위(λmeasure;1030)와 파장을 측정할 수 없는 파장영역(λambiguity;1040)이 존재할 수 있다. 측정 가능한 범위와 측정 불가능한 영역은 한 개의 채널 필터에 대한 최소입사각(φmin)에서의 파장변위(dλmin), 최대입사각 (φmax) 에서 채널필터의 파장변위(dλmax)와 채널과 채널의 간격(dSchannel)의해서 결정되며, [수학식 9] 내지 [수학식 13]을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112016069424039-pat00011
Figure 112016069424039-pat00012
Figure 112016069424039-pat00013
Figure 112016069424039-pat00014
Figure 112016069424039-pat00015
여기서 λ(0), λ(φmin)와 λ(φmax)는 각각 입사각 0도에서, 최소입사각에서, 최대입사각에서의 상기 채널 필터의 투과대역이고, λc는 중심파장이다. [수학식13]에서 구한 파장을 측정할 수 없는 영역은 최대파장시프트(dλmax)가 투과대역폭(dλRE + dλLE )보다 작은 경우에 발생할 수 있고 이때는 입력되는 광신호가 λambiguity안에 있다는 것만을 알 수 있다.
CWDM 채널 필터 18개를 사용하여서 λc - 7.5nm ~ λc + 7.5nm 범위의 파장을 측정하고자 한다면 도 9의 예와 같이 φ = +2 ~ 12.1 도, 파장시트프 dλ= -0.24nm ~ -8.5nm 인 경우,dλmin = -0.24nm와 dλmax = -8.5nm를 [수학식 10] 내지 [수학식 12]에 의하여 dλLE = -8.5nm + 7.5 = -1.0nm이고 dλRE = 7.5nm + 0.24nm = 7.74nm 이다. 즉 입사각이 0도에서 λc + 1.0nm ~ λc + 7.74nm 인 채널필터를 적용하면 λc - 7.5nm ~ λc + 7.5nm 범위의 모든 파장을 측정할 수 있다.
또한, 모터의 최소회전간격이 dθ라면 파장 분해능은 하기 [수학식 14]로부터 구할 수 있는데 dθ= 0.3도와 최대입사각 12.1도를 대입하면 파장 분해능은 약 0.5nm가 된다.
Figure 112016069424039-pat00016
그리고 입사각이 0도일 때의 채널필터의 대역폭이 채널 중심파장을 중심으로 좌우가 동일하지 아니하고 장파장쪽이 더 넓다면, 이러한 채널필터를 이용하여 측정할 수 있는 파장의 범위는 채널필터의 대역폭보다 클 수 있다. 일 예로서 만약 CWDM 채널필터 18개를 사용하여서 λc-9nm ~ λc+9nm 범위의 파장을 측정하고자 한다면 도 9의 예와 같이 φ = +2 ~ 12.1도, 파장변위 dλ= -0.24nm ~ -8.5nm인 경우, dλmin = -0.24nm와 dλmax = -8.5nm를 [수학식 10] 내지 [수학식 12]에 의하여 dλLE = -8.5nm + 9nm = +0.5nm이고 dλRE = 9nm + 0.24nm = 9.24nm이다. 즉 입사각 0도에서 λc - 0.5nm ~ λc + 9.25nm인 채널필터를 적용하면 λc - 9nm ~ λc + 9nm 범위의 모든 파장을 측정할 수 있다. 즉, 이 실시 예에서는 채널필터의 대역폭은 9.75nm인 반면에 측정할 수 있는 대역의 범위는 18nm가 된다. 단 이 경우에는 [수학식 13]에 의하여 입력되는 광의 파장이 λc-0.5- 0.24 ~ λc+9.24-8.5, 즉, λc - 0.74 ~ λc + 0.74의 λambiguity 범위에 있으면 단지 광출력만을 측정할 수 있다.
본 발명의 기술은 CWDM 뿐만 아니라 DWDM망에서도 적용이 가능하다.
도 13은 C-밴드(1530~1565 nm, 대역폭 35nm)에 100GHz DWDM을 적용한 일실시 예를 도시한 도면이다.
도 13에서 제시된 C-밴드뿐만 아니라 DWDM 기술은 O-밴드, E-밴드, S-밴드, L-밴드, U-밴드에도 적용될 수 있다.
도 14는 λo = 1570nm, neff = 1.5764인 DWDM 필터의 입사각과 파장변위의 관계식을 그래프로 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 입사각이 10도인 경우, 최대 파장변위는 9.5nm이고, 1도당 파장 변위(dλ/dφ)는 -1.18nm/deg 이므로 파장 분해능 0.05nm를 얻기 위해서 회전 스텝 dθ는 0.05도 이하 이어야 한다.
도 15는 본 발명의 일실시 예에 따른 100GHz DWDM C-밴드용 광파장측정기 광학부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 15의 예에서는 투과대역폭이 0.2nm 정도인 50GHz DWDM용 채널필터(429)를 적용한 실시 예이고, DWDM 채널필터(429)는 투과대역폭이 0.2nm 이하인 채널필터를 적용할 수도 있다. 본 실시 예에서는 DWDM 채널필터(429)의 가로길이 L=2.0mm, 두께 t =1mm, 유효굴절률 = 1.5764, 입력 광신호의 빔 직경=0.3mm, 입력 광신호의 오프셋 X = 0.55mm, 입력 광신호의 기울어진 각 ψ= 2도인 경우, 1개의 필터의 입사각도 범위 φ = 2도 ~ 12.1도이며 그에 따른 파장변위 dλ = -0.38 ~ -13.89nm를 얻을 수 있다. 그러므로 C-밴드의 전체 대역폭 35nm 범위의 파장을 측정하기 위한 DWDM 채널필터의 개수는 최소 4개이며 본 실시 예에서는 최대입사각을 8도까지만 유효한 측정값으로 사용하기 위하여 DWDM 채널필터(429)를 7개 사용한다. 그러므로 투과 중심파장이 각각 6nm정도 떨어져 있는 50GHz DWDM 채널필터 7개로 C-밴드 전체 채널(채널 총 개수=35nm/0.8nm = 45개)에 대하여 광파장 및 광출력을 측정할 수 있다. 도 14를 참조하면, 입사각이 8도이면 1도당 파장변위가 1.53nm이므로 0.02nm 간격으로 필터 투과대역을 변위시키기 위하여 최소회전각도(dθ)가 0.03도인 모터를 적용할 수 있다. 또한, 상기 DWDM 채널필터(429) 투과대역이 0.2nm인 좁은 투과대역의 필터를 적용할 수도 있다.
도 15의 실시 예는 50G DWDM 채널필터를 적용하여 100G DWDM광신호의 파장과 광출력을 측정하는 것을 설명하고 있지만, 입력신호가 50G DWDM 광신호인 경우에도 광출력의 측정이 가능하다. 단, 50G DWDM 광신호의 경우에는 파장은 측정할 수 없고 채널별 광출력값만을 측정할 수 있다.
도 15와 같은 방법으로 L-밴드 DWDM 광신호의 파장과 광출력을 측정하고자 한다면 C-밴드 50G DWDM 채널필터 (429) 대신에 L-밴드 50G DWDM 채널필터들을 부착하면 된다.
또한, 도 15의 회전판에 DWDM 채널필터 7개를 붙이고 남는 회전판의 측면 둘레에 CWDM 채널 필터(422)를 추가로 붙여서 DWDM/CWDM 공용으로 사용할 수 있으며 또는 L-밴드 DWDM 채널필터를 부착하여 L-밴드/C-밴드 공용으로 사용할 수 있다.
도 16은 C-밴드 100GHz DWDM 광신호의 파장과 광출력을 측정하는 또 다른 실시예의 광학부의 구성도이다.
도 16을 참조하면, 본실시 예에 따른 렌즈(411)는 2개의 광신호(413, 413a)를 입력받을 수 있다. 광신호(413)는 복수의 광파장을 포함하는 측정하고자 하는 광신호로서 외부에서 입력되고, 광신호(413a)는 측정기의 자체 파장 켈리브레이션용 광신호로, 본 발명에서 제시한 측정기 내에서 생성할 수 있다. 즉, 광입력부(410)는 2개의 입력포트를 구비하고, 제1 입력포트는 측정하고자 하는 외부 광신호를 입력받고, 제2 입력포트는 켈리브레이션용 광신호를 입력받아 렌즈(411)로 전송할 수 있다.
도 17은 켈리브레이션용 광신호(413a)를 생성하는 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 파장 켈리브레이션(calibration)용 광신호(413a)를 발생시키기 위하여, 본 발명에서 제시하는 광파장 측정기는 도 4에서 제시한 구성에 더하여 켈리브레이션용 광원(예를 들어 1550nm SLD 또는 1550nm LED)을 생성할 수 있는 광원생성기(1720), 상기 광원생성기(1720)를 구동시키는 구동부(1710), 상기 광원생성기로부터 출력되는 광(1721)을 수신하여 넓은 파장 선폭의 입력 중에서 특정한 좁은 대역의 파장의 광은 투과시키고 그 외 나머지 파장의 광신호는 또 다른 출력포트(1732)로 반사시키는 in-line 50G DWDM 필터(1730)를 더 포함할 수 있다. in-line 50G DWDM 필터(1730)를 투과한 광신호(1731)는 광입력부(410)의 제2입력포트로 입력되어 상기 렌즈(411)의 입력 광신호(413a)가 될 수 있다.
도 17에서 in-line 50G DWDM 필터(1730)가 투과대역폭이 0.2nm이고 중심파장이 50G DWDM 규격에서 정의한 1529.1633 nm(주파수 196.05THz)인 경우, in-line 50G DWDM 필터(1730)를 투과한 광의 파장 스펙트럼은 1731a와 같은 모양이며, 이때의 중심파장 역시 1529.1633nm이다. 그리고 in-line 50G DWDM 필터(1730)를 투과한 광신호(1731)는 렌즈(411)의 입력 광신호(413a)가 되어 회전판에 부착된 채널필터로 입사될 수 있고, 모터가 회전함에 따라서 7개의 채널 필터 중에 특정한 채널 필터가 특정한 회전각(θ)에 위치하게 될 때, 포토디텍터의 출력신호는 최대가 될 수 있다. 그러므로 모터의 특정 회전각을 미리 측정하여 둔다면 모터의 회전각 절대위치를 확인하고자 하는 경우에 도 17과 같은 구성으로 켈리브레이션을 수행할 수 있으며, 만약 이 켈리브레이션 회전각 위치에서 포토디텍터의 출력값이 없으면, 모터 기능에 오류가 있거나 광학부에 이상이 있다고 판정할 수 있다. 상기 켈리브레이션 광원은 50G DWDM용 파장 안정화 광원을 사용하여도 무방하며, 이 경우에는 별도의 in-line 50G DWDM 필터를 구비하지 않아도 되며, 50G DWDM 파장 안정화 광원의 출력 포트가 상기 렌즈(411)의 입력 포트(413a)에 직접 연결될 수 있다.
이처럼 광파장 측정기에서 켈리브레이션용 광신호를 생성하여 입력시킴으로써 자체적으로 광파장 측정기를 켈리브레이션할 수 있는 기능을 수행할 수 있다.
도 18는 현재 표준화되어 있는 광가입자망의 통신 규격(E-PON, G-PON, GE-PON, 10G-PON, NG-PON2)에서 정의한 파장 대역 도시한 도면이다. 본 발명에 의한 광파장 측정기는 다수의 필터를 부착할 수 있고 개별 필터의 입사각을 변화시킬 수 있기 때문에 여러 종류의 통신 규격에 적합한 투과대역을 갖는 다양한 종류의 필터를 동시에 구비할 수 있으며, 각 채널의 광출력을 측정할 수 있다. 도 16에 도시한 모든 채널의 광출력을 측정하기 위한 필터의 구성은 다음과 같다. 1570nm CWDM 채널필터 1개, 1310nm CWDM 채널필터 1개, 1490nm CWDM 채널필터 1개, 1260~1360nm 밴드 패스필터 1개, 1550~1560nm 대역의 파장과 광출력을 측정하기 위한 DWDM필터 2개, 1580nm DWDM 채널필터 1개, 1602nm DWDM 필터 1개, 1524~144nm대역의 파장과 광출력을 측정하기 위한 DWDM 필터 3개로, 총 11개 필터로 구성된다. 11개의 필터는 3개의 그룹으로 나누면 각 그룹은 광대역필터 1개, CWDM필터 3개, DWDM필터 7개로 구성된다. 여기에서 DWDM필터는 200GHz, 100GHz, 50GHz, 또는 50GHz이하의 대역폭을 갖는 필터를 적용할 수도 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
410: 광입력부 411: 렌즈
420: 광학부 422: 채널필터
423: 포토디텍터 424: 회전판
425: 모터 430: 제어부
440: 신호처리부 450: 디스플레이부

Claims (19)

  1. 복수의 광파장을 포함하는 광신호가 입력되며 렌즈를 이용하여 상기 광신호를 평행광으로 만들어 출력하는 광입력부;
    상기 광입력부에서 출력되는 광신호를 필터링하는 채널필터;
    상기 채널필터가 부착되는 회전판;
    상기 회전판을 회전시키는 모터;
    상기 채널필터를 통과한 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 포토디텍터;
    상기 모터의 회전각을 제어하는 제어부;
    상기 제어부를 위한 회전각도 제어신호를 생성하고, 상기 회전각도와 상기 전기신호를 바탕으로 광파장값을 추출하는 신호처리부; 및
    상기 신호처리부에서 추출한 광파장값을 표시하는 디스플레이부; 를 포함하고,
    상기 채널필터는 상기 회전판의 회전방향의 접선과 나란하게 부착하여, 상기 모터의 회전에 따라서 상기 광신호가 상기 채널필터에 입사하는 각도가 변화하는 것을 특징으로 하는 광파장 측정기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기신호는 상기 채널필터를 통과한 광신호의 세기에 비례하는 아날로그 신호이고,
    상기 신호처리부는 상기 전기신호를 바탕으로 광신호의 세기를 추출하는,
    광파장 측정기.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 신호처리부는,
    상기 전기신호가 미리 설정된 기준값보다 큰 고점에서 미리 설정된 상기 기준값보다 작은 저점으로 변하는 지점 또는 상기 전기신호가 저점에서 고점으로 변하는 지점에서의 모터의 회전각도를 바탕으로 상기 광신호에 포함되어 있는 광파장값을 추출하는,
    광파장 측정기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 신호처리부는,
    상기 모터의 회전각도에 따른 상기 채널필터의 투과대역의 변위를 계산하고, 상기 변위를 바탕으로 상기 광신호에 포함되어 있는 광파장값을 추출하는,
    광파장 측정기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 신호처리부는,
    상기 채널필터의 투과대역의 변위를 계산시, 상기 투과대역의 오른쪽 모서리 파장 또는 왼쪽 모서리 파장을 기준으로 계산하는,
    광파장 측정기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광입력부, 상기 채널필터, 및 상기 포토디텍터가 상기 회전판의 중심과 원주를 연결하는 일직선과 평행한 직선상에 배치되고,
    상기 광입력부와 상기 포토디텍터 사이에 상기 채널필터가 배치되는,
    광파장 측정기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광입력부에서 출력되는 광신호가 상기 채널필터의 중심으로 입력되는,
    광파장 측정기.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 광입력부에서 출력되는 광신호가 상기 채널필터의 중심에서 어긋나게 입력되는,
    광파장 측정기.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 광입력부에서 출력되는 광신호가 상기 채널필터의 중심에서 어긋나게 입력되는 동시에 상기 채널필터의 법선과 각을 이루면서 입력되는,
    광파장 측정기.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 채널필터로 측정할 수 있는 파장범위가 상기 채널필터의 대역폭보다 크도록 하기 위하여 상기 채널필터의 대역폭이 입사각 0도에서 채널 중심파장으로부터 단파장쪽으로는 좁고 장파장쪽으로 넓은,
    광파장 측정기.
  12. 제 1항에 있어서,
    켈리브레이션용 광원을 생성할 수 있는 광원생성기;
    상기 광원생성기를 구동시키는 구동부; 및
    상기 광원생성기로부터 출력되는 광을 수신하여 넓은 파장 선폭의 입력 중에서 특정한 좁은 대역의 파장의 광은 투과시키고 그 외 나머지 파장의 광신호는 반사시키는 in-line 50G DWDM 필터를 더 포함하고,
    상기 광입력부는 2개의 입력 포트를 구비하고, 제1 입력포트는 측정을 위한 외부 광신호를 입력받고, 제2 입력포트는 상기 광원생성기에서 생성된 광신호가 in-line 50G DWDM 필터를 통과한 켈리브레이션용 광신호를 입력받는,
    광파장 측정기.
  13. 제 1항 내지 제 2항, 제 4항 내지 제 12항중 어느 하나의 항에 있어서,
    복수의 채널필터가 상기 회전판에 부착되고,
    상기 복수의 채널필터는 1개 이상의 그룹으로 분류될 수 있고,
    동일한 그룹에 속하는 채널필터들은 동일한 대역폭을 갖는 필터로 구성되며, 그룹 상호간에는 투과대역폭이 상이하거나 파장 대역이 상이한 것을 특징으로 하는,
    광파장 측정기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 채널필터는 1개의 그룹으로 분류되고,
    제1그룹은 복수의 50G DWDM용 채널필터들로 구성되는,
    광파장 측정기.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 채널필터는 1개의 그룹으로 분류되고,
    제1그룹은 복수의 100G DWDM용 채널필터들로 구성되는,
    광파장 측정기.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 채널필터는 2개의 그룹으로 분류되고,
    제1그룹은 복수의 CWDM용 채널필터들로 구성되고,
    제2그룹은 복수의 DWDM용 채널필터들로 구성되는,
    광파장 측정기.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 채널필터는 2개의 그룹으로 분류되고,
    제1그룹은 복수의 50G DWDM용 채널필터들로 구성되고,
    제2그룹은 복수의 100G DWDM용 채널필터들로 구성되는,
    광파장 측정기.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 채널필터는 2개의 그룹으로 분류되고,
    제1그룹은 복수의 C-밴드 DWDM용 채널필터들로 구성되고,
    제2그룹은 복수의 L-밴드 DWDM용 채널필터들로 구성되는,
    광파장 측정기.
  19. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 채널필터는 표준화되어 있는 광가입자망의 통신 규격인 E-PON, G-PON, GE-PON, 10G-PON, 및 NG-PON2에서 제시한 파장 대역에 따른 투과대역을 갖는 CWDM 채널필터, 광대역필터, 및 200GHz, 100GHz, 50GHz, 50GHz이하의 투과대역을 갖는 DWDM 채널필터의 조합인 것을 특징으로 하는,
    광파장 측정기.
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