KR19990006929A - 광변조기 및 광신호의 변조방법 - Google Patents

광변조기 및 광신호의 변조방법 Download PDF

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잭슨 마이클
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제리 크로넨버그
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Abstract

본 발명은, 광신호가 광변조기내의 광신호경로를 통과하면서 변조되는 것에 관한 것이다. 광신호의 각 지점에서 다른 신호위상변조를 발생시키도록 제1평행 위상변조 암의 쌍을 교차하는 전기장이 다르게 적용되고, 광신호의 각 지점에서 다른 신호위상변조를 발생시키도록 제2평행 위상변조 암의 쌍을 교차하는 전기장이 다르게 적용된다. 광변조기로부터 출력된 광신호의 처프는 감소 또는 제거될 수도 있거나, 미리 결정되어 전송경로에서 발생된 처프를 중화하거나 제거할 수도 있다.

Description

광변조기 및 광신호의 변조방법
본 발명은 처프(chirp)제어된 광변조기 및 광신호의 변조에 있어서 처프를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 특히 케이블 텔레비젼(CATV) 전송에서 광신호의 변조에 유용하다.
CATV 시스템에 있어서, 진폭변조된 감쇄 사이드 밴드(vestigial side band) 광신호의 형태로 텔레비젼 신호를 전송하기 위해 광파이버(optical fiber)를 이용하는 것이 널리 공지되어 있다. 또, 광신호를 외부의 광변조기[예컨대, LiNbO3마크-젠더(Mach-Zehnder) 변조기]로 출력하는 광신호의 소스(source)인 레이저(예컨대, 분배된 피드백 반도체 레이저)를 이용하는 것이 널리 공지되어 있다.
2단 마크-젠더 변조기는, 입력파 가이드(guide), 스플리터(splitter), 제1평행 위상변조 암(arms)의 쌍, 제1커플러(coupler), 제2평행 위상변조 암의 쌍, 제2커플러 및 출력파 가이드가 연속적으로 구성된 광신호 경로가 제공되는 전기광학기판을 가진다. 평행 위상변조 암은, 이들 암의 전기광학물질의 굴절지수를 상대적으로 변화시키기 위해, 변조 암을 교차하여 작용하는 가변 전기장을 이용하고 변조 전극과 연결되어 있으며, 따라서 신호 경로를 통과하는 광신호를 변조시킬 수 있다.
종래의 외부 광변조기를 사용할 때, 아날로그 광파이버 전송시스템에 있어서 파이버의 길이가 증가하는 복합 제2차(Composite Second Order; CSO) 왜곡이 발생한다는 것이 실험적으로 명백해졌다. 이러한 하락의 원인은 변조기에서의 처프(chirp)의 생성 때문이라고 실험적 및 이론적 사고에 의해 확인되어졌다.
1단 광변조기에 로-처프(low-chirp)를 제공하는 것이 이미 제안되어 있다.
1992년 1월에 간행된 Residual Chirp in Intergrated-optic Modulators, IEEE 광학기술 학회지, 제4집 1권, 페이지 41-43를 참조하라. 이 간행물에 의하면 마크-젠더 구조에서의 필드 오버랩(field overlap)의 비대칭으로부터 발생하는 잔류 처프의 분산효과가 분석되고 측정되어, 파이버모드전달(fiber mode propagation)에 대한 간단한 모델이 수 기가비트(gigabit) 디지탈 분산 광파이버 시스템에 있어서 외부의 변조기로부터 잔류 처프의 영향를 계산하기 위한 FFT-알고리즘과 함께 사용될 수 있다.
종래기술의 변조기에 의해 제공된 것에 비하여 광의 선형에 거의 근접하는 것이 가능하고 동시에 처프 발생을 제어할 수 있다는 것이 발견되었다.
본 발명에 의하면, 소정의 다른 전기장이 광변조기의 평행 위상변조 암을 교차하여 작용하고, 처프를 제어하기 위해 전기장의 크기를 미리 결정함으로써, 광신호를 변조하기 위한 방법이 제공된다.
전극치수의 소정의 상대적인 차이 즉 변조전극의 길이(광신호경로에서 빛이 전파되는 방향으로의 길이)나, 위상변조 암과 전극과의 공간의 차이 또는 전극에 공급되는 소정의 다른 변조신호에 의해 전기장을 다르게 발생시킬 수 있다.
도 1은 광신호 및 기준 전압원이 결합된, 본 발명에 따른 광변조기를 설명하는 블록도이고,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광변조기의 구성요소를 더 상세하게 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 제2실시예이지만 도 2에 대응하는 도면을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명을 실시하는 광변조기에 있어서, 입력 전압과 휘도전달함수의 효과 사이의 관계를 설명하는 그래프이고,
도 5는 본 발명을 실시하는 변조기에 있어서, 입력 전압에 의한 처프 파라미터의 변화를 설명하는 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 광변조기와 종래 기술의 광변조기에 대해 계산된 CSO와 파이버 길이와의 관계 및 본 발명에 따른 광변조기에 대한 실험측정을 나타낸 것이고,
도 7은 광신호를, 전송경로를 통해 수신기로 전송하기 위한 본 발명을 실시하는 발신기를 나타낸 블록도이다.
본 발명은 다음과 같은 구성을 구비하고 있다.
본 발명은, 광변조기(14)내에서 입력파 가이드(12), 스플리터(26), 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b), 제1커플러(30), 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b), 제2커플러(34) 및 출력파 가이드(36a, 36b)로 구성되는 광신호 경로를 통과하는 광신호의 변조에 있어서, 광신호의 각 지점에서 신호 위상변조가 다르게 발생하도록 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b)을 교차하는 전기장을 다르게 적용하는 단계와, 광신호의 각각의 부분에서 신호 위상변조가 다르게 발생하도록 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b)을 교차하는 전기장을 다르게 적용하는 단계, 및 광신호의 처프를 제어하고 광변조기에 의해 변조 선형성이 증가하도록 전기장의 크기를 미리 결정하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은, 입력파 가이드(12), 스플리터(26), 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b), 제1커플러(30), 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b), 제2커플러(34) 및 출력파 가이드(36a, 36b), 평행 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)에 결합된 위상변조전극(38a, 38b; 46a, 46b; 60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b), 평행 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)을 교차하는 전기장을 제공하고 광신호의 각 지점을 변조하기 위해 위상변조전극(38a, 38b; 46a, 46b; 60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b)에 연결된 변조신호원이 기판상에 연속적으로 구성된 광신호경로를 구비하여, 광신호의 처프의 크기를 제어하고 변조의 변조 선형성이 증가하도록 전기장 사이에 소정의 차이를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
(실시예)
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1에서, 참조부호14는 광변조기이고, 분배된 피드백 반도체 레이저(10)는 입력파 가이드(input wave guide; 12)에 광신호를 제공한다.
변조전압원(16)은 다수의 입력(k1… kn)을 통해 광변조기(14)에 연결되어 있고, 예컨대 위성 다운링크(downlink) 또는 케이블 텔레비젼 네트워트에서 다른 head-end를 구비하여 구성될 수 있다.
또, 변조기(14)는 대응하는 바이어스(bias) 입력(1 … n)을 가지는 참조부호18로 표시된 바이어스 제어부가 제공된다. 이러한 바이어스 입력의 수는 변조전압입력(k1… kn)의 수와 같거나 다를 수도 있다. 바이어스 제어부(18)는 검출기(22)를 통해 출력파 가이드(20)로부터 얻어진 변조기 출력신호의 일부를 측정하여 변조기 출력에서의 복합 제2차(CSO) 왜곡신호를 최소로 유지하도록 항상 조절되는 바이어스 전압인 바이어스 입력(1 … n)에 의해 바이어스 전압을 제공한다. 그렇지만, 종래 기술에서 명백하듯이, 바이어스 및 변조 입력은 선택적으로 바이어스 티(bias-tee)에 의해 결합되고 단일 입력으로 공급될 수도 있으므로, 바이어스 입력 및 전극을 분리할 필요가 없다.
본 명세서에서 알려진 바와 같이, 바이어스 제어부(18)는 검출기(22)를 통해 국부적으로 발생된 CSO를 감시하고 바이어스 입력(1 … n)으로 바이어스 전압을 조절하는 마이크로 컨트롤러(도시하지 않음)를 구비하여 검출기(22)로부터 가능한 가장 작은 출력을 발생하게 한다. 이 방법에 있어서, 국부적으로 발생된 CSO를 가능한 작게 유지하기 위해, 바이어스 제어부(18)는 모든 바이어스 입력 순환시킴으로써, 변조기의 최적가능선형성을 제공한다.
도 2는 도 1의 변조기(14)의 한 실시예를 개략적으로 설명한다.
특히, 도 2는 전기광학기판(24)에 제공된 광신호경로를 나타내고, 광신호경로는 입력파 가이드(12), Y-스플리터(26), 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b), 커플러(30), 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b), 제2커플러(34) 및 웨이브 가이드 출력(36a, 36b)으로 구성되어 있다.
제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b)은 도선(40)에 연결된 각 변조 전극(38a, 38b) 및 도선(44)에 연결된 공통의 중간변조전극(42)과 결합되어 있다.
도면의 편의를 위해서, 전극(38a, 38b)은 1-피스(piece) 전극으로 도 2에서 나타내었지만, 본 명세서에 기술된 것으로부터 쉽게 명확해 지듯이, 이들 각 전극은 분리된 전극부로 구성될 수도 있다. 그렇지만, 아래에 상술된 목적 때문에, 전극(38a, 38b)의 유효한 길이가 서로 다르다는 것이 주목된다.
마찬가지로, 평행 위상변조 암(32a, 32b)은 서로 다른 길이를 가지고, 다수의 분리된 전극부로 형성될 수도 있는 각 변조전극(46a, 46b)과 결합되며, 전극(46a, 46b)은 공통의 도선(48)으로 연결되고, 도선(52)에 연결된 공통의 중간변조전극(50)이 평행 위상변조 암(32a, 32b)의 사이에 위치하여 있다.
제1 및 제2평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b, 32a 및 32b)에는 도선(56)에 의해 도 1의 바이어스 제어부(18)에 연결되고, 여기에서는 상술하지 않았지만 명세서에 기술된 것과 같이 널리 공지된 방법으로 변조기(14a)를 바이어스하는 바이어스 전극(54a, 54b 및 54c)이 제공된다.
선택적으로, 바이어스 전극은 전극(46a, 46b 및 50)과 결합되어, 종래기술에서 공지된 방법으로 바이어싱과 변조효과를 발생시키는 결합된 바이어스 및 변조전극을 형성할 수도 있다. 이 경우에 있어서, 바이어스 및 변조 입력은 바이어스-티의 수단에 의해 결합되어, 상기 언급된 바와 같이 결합된 바이어스 및 변조전극으로 공급될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 래디오 주파수 신호원(16)으로부터의 단일 래디오 주파수 신호전압(v1)은 단자(40, 44) 및 단자(48, 52)에 걸쳐서 연결되어 제1 및 제2평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b, 32a 및 32b)에 걸리는 전기장을 제공한다.
도 3의 실시예는 도 2의 것과 비슷한 전기광학 물질기판(24) 및 광신호경로를 가지므로 더 이상 기술하지 않을 것이다.
도 3의 실시예에 있어서, 신호경로의 제1 및 제2평행 위상변조 암의 쌍의 각각은 변조전극의 쌍(60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b)을 가지고 이들 쌍은 도시한 바와 같이 연결되어 입력(k1… kn)으로부터 교차하여 적용된 전압(v1… v4)을 가진다. 본 발명의 이러한 실시예에 있어서, 입력(k1…kn)은 다른 이득 증폭기들을 구비하여, 변조전극에 적용된 전압(v1… vn)이 상대적으로 다르다. 결국, 상대적으로 다른 4개의 전기장이 4개의 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)에 걸린다.
도 2 및 도 3의 변조기는,도 2에 대하여 상술된 바와 같이 다른 길이의 전극을 사용하거나 도 3에 대하여 상술된 바와 같이 다른 크기의 RF(Radio Frequency) 신호로 각 암을 구동하여 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)의 위상변조효율을 제어함으로써, 처프 제어가 로-처프 선형화된 변조를 제공할 수 있게 한다.
도 3에 관련하여, 변조기의 필요한 응답이 다음과 같이 계산될 수 있다.
Y-스플리터(26)를 따르는 지점으로부터, 상부 및 하부 위상변조 암(28a, 28b)에 대한 전기장 페이저(phasors)는 벡터로서 Eupper및 Elower로 기술된다.
제1위상변조기는 행렬로 모델화된다:
제2위상변조기가 비슷한 행렬로 기술된다:
다음의 행렬은 제1지향성 커플러(30)를 기술한다:
제2지향성 커플러(34)는 다음식으로 기술된다:
웨이브 가이드 출력(36a, 36b)의 2개의 출력신호를 기술하는 페이저가 다음식으로 얻어질 수 있다:
Y-스플리터후에 필드의 크기는 1/로 일반화되었다. 출력(36a)에 대한 휘도전달함수는 다음식으로 주어진다.
다음을을 이용하여 전기장 출력의 위상으로부터 처프가 복구된다.
여기에서,및는 대응하는 위상이다. 전력전송 및 위상의 관계가 처프 파라미터로 기술된다; 출력A에 대하여 다음식이 주어진다.
이러한 이론적인 구성을 이용하여, 주어진 변조기 디자인에 대한 휘도 및 처프가 결정될 수 있다. 도 3의 변조기(14B)에 있어서,
v1=-v2
이고, 증폭되지 않은 RF 입력이 전압(v1)으로서 제1변조부에 적용된다.
제2변조부에 대하여
v3=-v4
이고, 스케일드 RF 입력은 kv1=v3=-v4이다.
변조효율 및 커플러 각도의 주어진 설정에 대한 변조기 휘도전달함수 및 처프 파라미터가 계산될 수 있다. 이것으로부터, 발견된 이득의 수(figure of merit)가 휘도전달함수의 기울기와 결합하고, 전달함수는 제3 및 제5차 비선형성[복합 트리플 비트(triple beat) 또는 CTB 왜곡에 기여한다]이며, 처프 파라미터가 얻어진다. 바이어스 전압(1 … n)이 '0'일때, 변조기에서 CSO를 직접 발생시키는 제2차 비선형성은 '0'이다. 바이어스 제어회로의 기능은 단지 조립된 장치의 부적절한 결합 및 시간과 온도의 편차를 보상하는 것이다. 기술된 이득의 수를 이용하여, 4개의 변조율 및 2개의 커플러 각도를 조절함으로써 수의 최적화는 이득의 최대수로 유도된다.
도 4 및 도 5는, 도 2에 나타낸 바와 같은 로-처프 변조기에 대한 휘도전달함수 및 처프 파라미터를 나타낸다. 도 6은, 상술된 바와 같이 계산된 파이버 길이의 함수로서 80채널 NTSC주파수 플랜에 대한 계산된 시스템 CSO를 나타낸다. 비교하기 위해, 1점 쇄선은 종래의 하위 기능을 가진 변조기에 대한 동일한 계산을 나타낸 것이다. 만약 작동기준이 -65dBc로 정의된다면, 종래의 변조기는 50km의 좋지않은 결과가 나오는 반면, 로-처프 디자인은 이 도면에서 나타낸 바와 같이 300km이하가 된다. 도 6의 개방된 원주는 실험의 결과를 나타낸다. 작은 파이버 길이에 대한 CSO는 RF 입력 증폭기에 존재하는 CSO왜곡 뿐만 아니라 바이어스 제어회로내의 한정된 에러에 영향을 준다. 만약 처프 발생된 계산된 CSO가 증가하면, 그 결과는 도 6에 그려진 커버를 나타낸다. 이것은 예측과 매우 일치하고 그 차이는 조립공정에서의 작은 에러에 귀속된다.
사실상, 고출력 발신기의 비선형 효과 및 특히 자기(self)-위상 변조는 파이버 전송경로로 신호가 전파되는 동안, 신호에 처프를 야기시키는 전송경로에서 발생한다는 것으로 알려졌다.
예컨대, 도 7을 참조하면, 도 1 내지 도 3에 관련하여 상술된 바와 같이 광변조기를 혼합한 고출력 발신기인 고정된 처프 발신기(70)는 전송 파이버(72)를 통하여 수신기(74)로 출력되는 바와 같이 나타내어진다. 처프는, 전파된 신호의 휘도에 의존하는 전송 파이버(72)에서 생성된다.
따라서, 전송 파이버(72)를 통하여, 전파 후에 발신기(70)로부터의 신호에 의해 전송경로(72)에서 발생된 처프를 상쇄시키도록 소정의 크기 및 부호를 가지는 처프를 발생시키는 변조기를 발신기에 사용할 수 있다.
그 때문에, 자기-위상 변조에 의해 전송 파이버(72)에서 발생된 처프의 크기 및 부호는, 비선형이고 분산이 작은 경우에 전기장 차폐기능을 위한 공지된 비선형 전파를 이용하고, 스플릿 스텝 푸리에 트랜스폼(split step Fourier transform) 또는 분석학에 의한 방정식을 풀어서 결정된다. 발신기에서 발생된 처프는 가능한 최소화되는 대신에 도 1 내지 도 6에 참조하여 상술된 방법으로 필요한 크기와 부호로 결정되어 전송 파이버(72)에서 발생된 처프를 상쇄시킨다.
본 발명에 의하면, 소정의 다른 전기장을 광변조기의 평행 위상변조 암을 교차하여 작용시키고, 처프를 제어하기 위해 전기장의 크기를 미리 결정함으로써, 광신호를 변조할 수 있다.

Claims (8)

  1. 입력파 가이드(12), 스플리터(26), 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b), 제1커플러(30), 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b), 제2커플러(34) 및 출력파 가이드(36a, 36b)로 구성되는 광변조기(14)내의 광신호 경로를 통과하는 광신호의 변조에 있어서,
    광신호의 각 지점에서 신호 위상변조가 다르게 발생하도록 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b)에 교차하는 전기장을 다르게 적용하는 단계와,
    광신호의 각각의 부분에서 신호 위상변조가 다르게 발생하도록 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b)에 교차하는 전기장을 다르게 적용하는 단계, 및
    광신호의 처프를 제어하고 광변조기에 의해 변조 선형성이 증가하도록 전기장의 크기를 미리 결정하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 처프를 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 평행 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)에 결합된 변조전극(38a, 38b; 46a, 46b; 60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b)에 다른 전기신호를 공급함으로써 다른 전기장을 발생시키는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 처프를 제어하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 평행 위상변조 암에 결합된 유효길이가 각각 다른 전극(38a, 38b 및 46a, 46b)을 이용함으로써 다른 전기장을 발생시키는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 처프를 제어하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 광신호의 처프를 중화하고 광변조기의 변조 선형성이 증가하도록 전기장의 크기를 미리 결정하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 처프를 제어하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 광변조기에 연결된 전송경로에서 광신호에 의해 발생된 전송경로-처프의 크기를 결정하는 단계와,
    전송경로를 통하여 광신호를 전파한 후에 광신호의 잔여 처프를 감소시키기 위해 전송경로-처프를 중화시키는 광신호 정정 처프의 광변조기로부터 출력되도록 전기장의 크기를 미리 결정하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 처프를 제어하는 방법.
  6. 입력파 가이드(12), 스플리터(26), 제1평행 위상변조 암의 쌍(28a, 28b), 제1커플러(30), 제2평행 위상변조 암의 쌍(32a, 32b), 제2커플러(34) 및 출력파 가이드(36a, 36b), 평행 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)에 결합된 위상변조전극(38a, 38b; 46a, 46b; 60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b), 평행 위상변조 암(28a, 28b 및 32a, 32b)을 교차하는 전기장을 제공하고 광신호의 각 지점을 변조하기 위한 위상변조전극(38a, 38b; 46a, 46b; 60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b)에 연결된 변조신호원이 기판상에 연속적으로 구성된 광신호경로를 구비하여,
    광신호의 처프의 크기를 제어하고 변조의 변조 선형성이 증가하도록 전기장 사이에 소정의 차이를 발생시키는 것을 특징으로 하는 처프제어된 광변조기.
  7. 제6항에 있어서, 전기장 사이에 소정의 차이를 제공하기 위한 수단은, 변조 전극(60a, 60b; 62a, 62b; 64a, 64b 및 66a, 66b)에 다른 전기신호를 공급하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 처프제어된 광변조기.
  8. 제6항에 있어서, 전기장 사이에 소정의 차이를 발생시키기 위한 수단은, 변조전극으로서 제공된 다른 유효길이의 전극을 구비한 것을 특징으로 하는 처프제어된 광변조기.
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