KR102013811B1 - 주파수 가변 다파장 광 마이크로파 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전광 마이크로파 필터에 관한 것으로, 본 발명은 전광 마이크로파 필터에 있어서, 다파장 레이저를 발진 할 수 있는 레이저 광원; 레이저 광원과의 상호 주입 잠금을 위한 반사형 반도체 광 증폭기; 상호 주입 잠금과 이를 출력하는 출력포트; 및 다파장 광 출력을 조절하기 위한 광증폭기 전류 조절 장치, 필터 중심주파수 이동을 위한 다파장 광원의 파장 이동에 필요한 광원 온도조절장치, 베이스밴드에서의 주파수 특성을 제거하기 위해 다파장 신호를 위상 변조시키기 위한 위상변조기를 갖는 전광 마이크로파 필터를 제공하여, 필요 광원과 능동소자의 수를 줄여 전력 효율을 향상시키고, 시스템 복잡도를 최소화하여 소형의 전광 마이크로파 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.

Description

주파수 가변 다파장 광 마이크로파 필터{a frequency variable multi-wavelength optical microwave filter}

본 발명은 광 마이크로파 필터에 관한 것으로, 구체적으로 다 파장 광원인 페브리-페로 레이저 광원과 반사형 반도체 증폭기와의 파장 주입 잠금 현상을 이용한 고주파 대역 필터에 관한 것이다.

광 마이크로파 필터는 전기적 기반의 고주파 대역필터의 주파수특성을 개선하고 동작 주파수의 한계를 극복하기 위해 광학적 영역에서 필터 특성을 구현한 것으로 전자기 간섭에 대한 내성이 크고 고속 신호 처리가 가능하다는 장점이 있다.

종래의 광 마이크로파 필터는 대역 투과 특성을 개선하기 위해 단일 광원을 사용하고 필터 특성에 필요한 시간 지연을 단일 탭을 이용하는 방법, 필터 특성을 향상시키기 위해 멀티 탭을 구성하여 탭간에 일정한 시간 지연을 준 후 결합시켜 얻는 방법, 멀티 탭의 경우 탭간에 시간 지연을 일정하게 구현하기 어려운 점을 보강하기 위해 단일 탭을 사용하나, 멀티 효과를 얻기 위해 다 파장을 사용하는 방법 등을 이용하여 구동하였다.

하지만, 후자의 경우 다 파장을 구성하기 위해 파장 단 개별 광원을 사용해야 하므로 필터 구현에 따른 비용이 증가하는 단점이 있으며, 필터의 중심 주파수 가변에 따른 구조가 복잡한 단점이 있다.

이를 개선하기 위한 방법으로 다 파장 광원을 사용할 수 있으나 각 파장에 대한 광 출력이 적고 파장간의 출력 차가 켜서 원하는 필터 특성을 구하기가 어려운 단점이 존재하여 이를 개선하기 위한 연구가 지속적으로 진행 중 이다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 필요 광원과 시간 지연을 얻기 위한 탭의 수를 줄여 시스템 복잡도를 최소화하며, 종래의 가변 특성을 얻기 위해 시간 지연 자체를 가변시키는 방법에서 광원 자체의 온도 변화에 따른 파장 이동 특성을 이용함으로써 필터의 안정도와 재현성을 높이는 것을 그 목적으로 한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 가변다 파장 광 마이크로파 필터에 있어서, 다 파장을 동시에 발진 할 수 있는 레이저 광원; 파장 별 광 출력의 세기를 증폭시키고 균일하게 해주기 위한 반사형 반도체 광증폭기; 파장간 광 출력을 균일하게 하기 위해 반도체 광증폭기의 이득 스펙트럼을 포화영역에서 동작시키고, 이득 피크치를 광원의 중심 파장과 의도적으로 어긋나게 하기 위한 바이어스 전류 조절 기능; 이러한 광증폭기와 광원을 주입 잠금하기 위한 결합 방법을 갖는 광 마이크로파 필터를 제공한다.

본 발명에 따른 필터의 다 파장 발생효과의 가변 특성에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 필요 광원과 능동소자의 수를 줄여 시스템 복잡도를 최소화시킨 필터 및 그 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 관련된 가변 다 파장 관 마이크로파 필터의 개념도이다.
도 2는 다중 모드 광원인 페브리-페로 레이저와 파장에 따른 광 출력 보정을 위한 반사형 반도체 광 증폭기와의 주입 잠금 과정을 보인 도면이다.
도 3은 반사형 반도체 광 증폭기의 바이어스 전류를 변화시켜 주입 잠금된 다파장 광원을 이득 포화영역에서 동작시키고, 이득 스펙트럼의 중심 파장을 이동시켜 주입 잠금된 중심 파장 주위의 파장들이 균등한 출력을 갖게 됨을 보인 도면이다.
도 4는 주입잠금 되기 전의 페브리-페롯 광원의 광스펙트럼을 보인 것이다
도 5는 주입잠금 되기 전의 반사형 반도체 광증폭기의 광스펙트럼을 보인 것이다.
도 6은 주입잠금 과정을 거친 후 평탄 출력 특성을 갖는 페브리-페롯 광원의 광스펙트럼과 이를 이용한 광 마이크로파 필터의 주파수 특성이 페브리-페롯 광원의 온도에 따라 어떻게 달라지는지를 보인 것으로 6a와 6b는 광원의 온도를 15도로 유지시켰을 때의 스펙트럼과 필터 특성을, 6c와 6d는 20도, 6e와 6f는 25도, 6g와 6h는 30도의 경우를 보인 도면이다.
도 7은 광 마이크로파 필터의 중심주파수의 온도에 따른 변화 특성을 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다파장 가변 광 마이크로파 필터의 개념도이다.

다파장 가변 광 마이크로파 필터(100)는 페브리-페롯 레이저 광원(110), 온도조절장치(120), 전류조절장치(130), 광커플러(140), 반사형 반도체 광증폭기(150), 위상변조기(160), 분산도파로(170), 광증폭기(180), 광필터(190) 및 광검출기(200) 등 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

페브리-페롯 레이저 광원(110)은 하나의 광원으로 여러 파장의 광출력을 발진 시킬 수 있으며, 발진 가능한 파장 수는 파장에 따른 이득 특성에 의해 결정된다. 파장 사이의 간격은 광원의 발진 영역의 공진 특성에 의해 결정되며, 발진 영역의 길이와 구성하는 물질의 굴절률에 의해 정해진다. 광원의 온도가 변하면 굴절률이 변하게 되며, 따라서 발진 파장이 변화게 되지만 이들 파장 간격은 차에 의해 결정되므로 변하는 정도는 미약하다. 파장에 따른 광출력은 중심 파장을 좌우로 크기가 줄어 들게 되므로 통상적으로 다파장 광원으로 사용하기에는 부적합한 단점이 있다.

온도조절장치(120)은 광원(110)의 온도를 변화시켜 파장 간격을 변화시키는 목적으로 사용된다.

전류조절장치(130)은 반도체 광증폭기(150)로 들어 가는 직류전류를 변화시켜 증폭기가 이득 포화영역에서 동작하도록 해 주는 역할과 인가 전류에 따라 반도체 광증폭기의 중심 파장이 변하므로 이를 이용하여 광원(110)의 중심 파장과 인위적으로 어긋나도록 하는 역할을 갖는다.

광커플러(140)은 다파장 광원을 파장 주입 잠금을 위해 반도체형 광증폭기에 입력시키고 되돌아 나온 광출력의 일부를 위상변조기(160)으로 보내는 역할을 담당한다.

반도체 광증폭기(150)은 넓은 파장대에 걸쳐 이득을 갖는 광원으로 주로 광대역 광원으로 사용하거나 광신호를 증폭하는데 사용된다. 따라서 증폭기로 사용하는 경우 반도체 광증폭기의 출력형태는 입력된 광원에 의해 결정되나 본 특허에서는 출력이 다시 페브리-페롯 광원으로 들어 가고 다시 되돌아 나온 출력이 반도체 광증폭기로 들어 가는 자체 궤환 구조를 갖게 구성함으로써 공진특성을 유발하여 출력이 초기 입사한 광 특성보다 파장 폭은 줄어 들고 세기는 커지는 현상을 얻게 되는데 이를 주입 잠금이라 하여 발생되는 개개의 파장 들이 단일 광원의 출력과 같은 좋은 성능을 얻을 수 있다. 다만 파장 별 이득 특성이 달라 광 마이크로파 필터 구성을 위한 다파장 광원으로 사용하기 어려우나 본 특허에서는 반도체 광증폭기의 출력 특성이 포화 특성에서 동작할 때 출력세기가 완만해지는 현상과 인가 전류를 조절하여 인위적으로 페브리-페롯 광원(110)과 어긋나게 하여 평탄이득 특성을 개선하여 필터 구성을 위한 다파장 광원으로 사용할 수 있게 구성할 수 있는 장점을 가진다.

위상변조기(160)은 입력 파장들을 동시에 인가된 RF 신호에 의해 위상 변조시키는 역할을 수행하며, 위상 변조하는 이유는 생성된 필터의 주파수 특성이 베이스밴드에서 최소값을 보이도록 하여 대역폭 필터의 특성을 갖도록 하기 위함이다.

분산도파로(170)은 일반적인 단일모드 광섬유를 의미하나, 분산 특성을 갖는 광신호 전달매체는 다 사용될 수 있다. 다파장 광신호가 동일한 길이를 전파하는 경우 파장에 따라 진행속도가 달라지므로 파장 별 시간 지연 차를 얻을 수 있어 필터 구성이 가능하다. 분산 값은 파장에 따라 비교적 선형적으로 증가하는 특성을 갖고 있으며, 발진 파장 값이 변하면 분산 값이 달라지고 따라서 시간 지연차가 달라지게 되어 필터 특성이 변하므로 필터의 중심주파수 가변이 가능하다.

광증폭기(180)은 광신호 출력 세기만을 증폭시켜 주는 기능을 가진다.

광필터(190)은 광신호 증폭 후 원치 않은 잡음을 제거하는 기능을 가진다.

광검출기(200)은 광신호를 최종적으로 전기신호로 변환시키기 위해 사용되며, 출력은 대역통과한 후의 전기신호를 의미한다.

도 1의 RF 입력은 ??터의 입력을 의미하고 RF 출력은 필터의 출력을 의미한다.

도 2는 페브리-페롯 광원과 반사형 반도체 증폭기와의 주입잠금을 위한 상호 연결을 보여준 도면이다.

페브리-페롯 광원의 초기 출력은 도 2에 도시된 바와 같이 각 파장별 레이저의 출력 세기가 다른 스펙트럼을 보인다. 반사형 반도체 광증폭기는 광대역 파장에 걸쳐 연속적인 광스펙트럼을 보이며, 이득 포화영역에서 동작할 때는 입력되는 페브리-페롯 광원의 파장 들 중 이득 포화에 가까운 파장들은 낮은 증폭 출력을 가지며, 이득 포화에 도달하지 못한 파장들은 보다 큰 이득을 얻게 되어 최종 출력이 파장대에 걸쳐 완만한 특성을 갖게 된다. 이와 같은 과정들이 서로 주입잠금되어 반복됨으로써 그 특성은 더욱 좋아지며, 출력은 평탄화된 출력에 가까워진다.

다시 말해서 이득이 포화되면, 입력되는 복수의 파장의 레이저 중 세기가 큰 파장은 증폭이 조금되고, 세기가 작은 파장은 증폭이 크게 된다. 즉 레이저 출력이 도2처럼 중심부분이 평탄화된다.

도 3은 상기 과정을 도식화해서 보여준 도면이다.

도 3(a)는 페브리-페롯 광원의 주입 잠금되기 전의 파장 특성으로 푸른색 곡선은 이득 분포를 보여 주고 있고, 붉은색 화살표는 발진되는 파장별 레이저들의 세기를 나타내며, 광스펙트럼의 파장 중심(A)으로부터 줄어 드는 세기를 갖는 파장별 레이저 출력을 보여준다.

도 3(b)는 평탄 이득 특성을 갖는 출력을 얻기 위해 페브리-페롯 광원의 중심 파장과 반사형 반도체 광증폭기의 중심 파장을 어긋나게 배열함을 보인 것이다. 다시 말해서, 도 3(b)는 페브리-페롯 광원의 중심 파장과 반사형 광증폭기의 중심 파장이 일치하지 않음을 나타낸다.

도 3(c)는 페브리-페롯 광원과 반사형 반도체 광증폭기가 서로 주입 잠금되어 최종적으로 보여준 광스펙트럼을 보여 준다. 도 2에서 설명한 바와 같이, 페프리-페롯 광원과 반사형 반도체 광증폭기가 서로 주입 잠금되면, 평탄화된 다파장 스펙트럼이 출력된다. 여기에서 평탄화된 다파장 스텍트럼이란, 광스펙트럼을 구성하는 파장 별 레이저들간 세기 차가 초기 파장 별 레이저들간 세기 차보다 특정 값 이상 작아진 상태를 의미한다.

도 4는 페브리-페롯 광원의 파장을 광스펙트럼분석기를 사용하여 측정한 스펙트럼을 보인 것으로 연속 스펙트럼이 아닌 파장 간격이 같은 불연속 파장 특성을 볼 수 있다.

도 5는 반사형 반도체 광증폭기의 스펙트럼을 같은 측정기를 사용하여 측정한 결과이다.

도 6(a), (c), (e)와 (g)는 페브리-페롯 광원의 온도를 15, 20, 25, 30도로 증가시켰을 때의 광스펙트럼을 보인 것이며, 도 6(b), (d), (f)와 (h)는 도 6(a), (c), (e)와 (g)에 대한 필터의 특성을 네트워크 분석기로 측정한 결과이다.

도 7은 온도에 따른 필터의 특성 중 첫 번째, 네 번째 및 다섯 번째의 피크 값에 해당되는 주파수를 보인 것이며, 최종적으로 395 MHz 이동이 가능함을 보인 것이다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에서, 다파장 가변 광 마이크로파 필터를 구성하기 위해 레이저 광원(110) 은 초기 출력세기가 서로 다른 파장들을 발진시키고, 이러한 파장들은 광커플러 (140)을 통해 반사형 반도체 광증폭기를 입사된 후 다시 되돌아 나온 파장들이 레이저 광원(110)으로 되돌아 가는 행위를 반복함으로써 평탄화된 광세기를 갖는 다파장 광출력을 얻고, 이를 위상변조기(160)을 거쳐 위상 변조과정을 거침으로써 베이스밴드에 원하지 않는 주파수 성분을 제거하고, 분산특성을 갖는 광도파로, 일반적으로 광섬유(170)을 거쳐, 파장에 따른 광섬유내 전송속도 차이를 이용하여 파장 사이에 일정한 시간 지연차를 생성시키고, 이를 일반적인 광증폭기(180)으로 증폭시킨 후 증폭과정에서 발생한 광잡음을 광 대역통과필터(190)을 거쳐 제거한 후 광검출기(200)에 의해 원하는 주파수 성분만이 추출된 RF 신호를 얻는다. 이를 통해 광 마이크로파 필터(100)은 필요 광원 수를 줄이고 필터 구성에 필요한 시간 지연 차를 얻기 위한 탭 수를 줄여 시스템 안정도를 향상시키고 복잡도를 최소화하여 소형화된 광 마이크로파 필터의 장점을 얻을 수 있다.

본 발명은 기존 발명과 달리 필요 능동소자의 수가 적고, 범용적으로 쓰이는 저가의 광원과 광학 소자만을 가지고도 구현 가능한 장점이 있다. 또한, 반사형 반도체 증폭기 자체의 인가 전류에 대한 이득 포화 특성과 중심 파장 이동으로 필터 특성을 얻고, 페브리-페롯 광원에 내장된 TEC (thermal electric cooler)에 흐르는 전류만으로 필터의 중심주파수 값을 변화시킬 수 있어 탭 수를 줄이기 위해 여러 광원을 사용하고, 특성을 가변시키기 위해 각 광원에 대한 시간지연 차를 서로 정확히 맞추어야 하는 종래의 기술에 비하여 큰 장점을 가진다.

본 발명은 종래 기술 대비 구성 소자의 수를 줄일 수 있기 때문에 추후 실리콘포토닉스 기술을 이용하는 경우 필터 크기를 소형화 하는데 큰 장점이 있다.

또한, 능동 소자의 구동에 필요한 에너지 소비를 줄일 수 있기 때문에 에너지 효율성도 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 광 마이크로파 필터
110: 페브리-페로 레이저 광원
120: 온도조절장치
130: 전류조절장치
140: 광커플러
150: 반사형 반도체 광증폭기
160: 위상변조기
170: 분산도파로
180: 광증폭기
190: 광필터
200: 광검출기

Claims (2)

1. 전광 마이크로파 필터에 있어서,
   온도조절장치를 포함하고, 소정의 세기차이를 갖는 복수의 파장을 갖는 레이저를 발진 할 수 있는 레이저 광원;
   상기 레이저 광원이 입력되는 반사형 반도체 광증폭기; 및
   상기 반사형 반도체 광증폭기에서 반사된 레이저가 상기 레이저 광원에 주입 잠금되어 출력되는 광커플러;를 포함하고,
   상기 레이저 광원의 중심 파장과 상기 반사형 반도체 광증폭기의 중심 파장을 상기 반사형 반도체 광증폭기의 전류와 상기 온도조절장치를 이용하여 어긋나게 배열하고 동시에 상기 반사형 반도체 광증폭기를 이득포화 영역에서 동작시킴으로써, 큰 출력은 적은 이득을 가지고 작은 출력은 큰 이득을 가지게 하고,
   상기 광커플러에서 출력되는 레이저는,
   복수의 파장을 갖고 상기 소정의 세기차이보다 세기차이가 적은 전광 마이크로파 필터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 반사형 반도체 광증폭기는 전류조절장치를 포함하는
   전광 마이크로파 필터.

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