KR19990044482A - 최적화된 복굴절성 섬유 스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 광섬유 스위치는 광섬유, 게이트 신호 발생 시스템 및 커플링 시스템을 포함한다. 상기 광섬유는 10-5내지 10-6의 복굴절성과 적어도 40μ2의 유효 범위를 갖는다. 상기 발생 시스템은 비선형 복굴절성을 광섬유에 유도하여 광섬유의 입력 신호가 편광 모드를 스위칭하도록 하는 전력 수준을 갖는 게이팅 신호를 발생시킨다. 상기 커플링 시스템은 입력 신호와 게이팅 신호를 광섬유에 연결한다. 광섬유 스위치의 광섬유는 광섬유 스위치에서 입력 신호의 질을 떨어뜨리는 비선형 효과를 최소화하도록 형성된다. 특히, 광섬유 스위치는 광섬유에 입력 신호를 연결하기 위해 게이팅 신호에 의해 요구되는 전력량을 줄이도록 구성됨에 따라, Raman 효과를 통한 고차수 솔리톤의 발생과 섬유 용융의 가능성을 줄이게 된다.

Description

최적화된 복굴절성 섬유 스위치
광섬유 스위치는 두 개의 수직 편광 위상 중 하나에 입력신호를 유지할 수 있는 복굴절을 갖는 광섬유와, 이 광섬유에 연결되어 게이팅 신호(gating signal)를 생성할 수 있는 레이저 펌프를 포함한다. 입력 신호가 전파되고 있을 때, 광섬유의 동일한 편광 모드에 게이팅 신호가 입력될 때까지 광섬유내에 있는 상기 두 개의 수직 편광 모드중 하나에 입력 신호를 전파시킴으로써 광섬유 스위치는 작동한다. 게이팅 신호가 충분한 전력을 갖는다면, 게이팅 신호는 입력 신호를 정위(orientation)에 스위칭 시키고 다른 편광 모드에 전파시키는 비선형 복굴절을 광섬유내에 유도한다. 편광을 유지하기 위해, 전술한 광섬유 스위치내의 광섬유는 복굴절성이 매우 강한 것 즉, 10-4또는 그 이상인 것으로 선택되고, 광섬유가 매우 복굴절성이 강하면, 이때 광섬유는 40μ2이하인 작은 유효 범위를 갖는다.
전술한 광섬유 스위치에서 주된 문제점은 광섬유 스위치내의 입력 신호가 입력신호의 질을 떨어뜨리는 바람직하지 않은 양의 비선형 효과를 경험한다는 것이다. 이러한 비선형 효과는 여기에 인용예로 기술되어 있는 1995년, 광섬유 회의, WP17, 186-187페이지에서, D.D.Davis와 S.C.Mettler의 "섬유 용융의 경험적 연구"에서 논의된 섬유 용융(fiber fuse)과, 라만 효과(Raman effects)로 인한 고차수의 솔리톤의 생성, 및 아래에 상세하게 설명된 교차 위상 변조를 포함한다. 비선형 효과는 광섬유의 높은 복굴절성. 광섬유의 작은 유효 범위 및 게이팅 신호를 위한 높은 전력 수준 때문에 발생한다. 특히, 게이팅 신호가 입력 신호를 스위칭 시키기 위해서는 높은 전력 수준이 요구되기 때문에 입력 신호는 바람직하지 않은 비선형 효과를 경험하게 된다. 광섬유의 높은 복굴절성 때문에, 게이팅 신호를 위한 높은 전력 수준이 필요하다.
전술한 바와 같이, 게이팅 신호의 전력 수준이 증가할 때 증가하고 입력 신호에 의해 경험되는 비선형 효과중 하나는 교차 위상 변조이다. 입력 신호에 의해 경험되는 교차 위상 변조의 양은 다음의 수학식 1에 의해 예측될 수 있다.
△φ=(2π/λ)×[L×N2×I]
여기에서, L은 광섬유의 길이이고, N2는 코어의 굴절율이며 I는 전력 수준 또는 W 단위인 게이팅 신호의 강도이다. 상기 수학식에서 알 수 있는 바와 같이, 전력 수준 혹은 게이팅 신호의 강도가 증가할 때, 입력 신호에 의해 경험된 교차 위상 변조의 양은 증가한다. 따라서, 게이팅 신호의 전력 수준을 감소시키는 것은 교차 위상 변조의 양을 감소시키게 될 것이다.
본 발명은 일반적으로 광섬유 스위치에 관한 것으로, 특히 넓은 유효 범위와 최소의 선형 복굴절을 갖는 복굴절 광섬유 스위치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 최적화된 복굴절성 섬유 스위치의 블록도이고,
도 2는 도 1의 2-2선을 따라 취한 최적화된 복굴절성 섬유 스위치의 광섬유 단면도이다.
본 발명에 따른 광섬유 스위치는 광섬유, 게이트 신호 발생 시스템 및 커플링 시스템을 포함한다. 상기 광섬유는 10-5및 10-6의 복굴절성과 적어도 40μ2의 유효 범위를 갖는다. 상기 발생 시스템은 광섬유에 비선형 복굴절을 유도하여 광섬유의 입력 신호를 편광 모드에 스위칭시키는 제 1 동력 수준을 갖는 게이팅 신호를 발생시킨다. 상기 커플링 시스템은 입력 신호와 게이팅 신호를 광섬유에 연결한다.
광섬유 스위치내에 있는 광섬유는 광섬유 스위치의 입력 신호의 질을 떨어뜨리는 비선형 효과를 최소화하도록 형성된다. 특히, 상기 광섬유 스위치는 편광을 유지하고 낮은 편광 모드 커플링을 보장하기 위해 필요한 최소 복굴절성과, 넓은 유효 범위을 갖는 광섬유를 사용함으로써, 섬유 용융, 고차수 솔리톤 및 교차 위상 변조와 같은 비선형 효과를 감소시킬 수 있고, 게이팅 신호가 광섬유에 입력 신호를 스위칭시키는데 종래의 광섬유 스위치보다 낮은 전력 수준이 필요하다.
도 1은 10-5내지 10-6의 복굴절성과 적어도 40μ2의 유효 범위를 갖는 광섬유(12), 커플러(14) 및 레이저 펌프(18)를 포함하는 본 발명에 따른 광섬유 스위치(10)를 도시한 도면이다. 광섬유 스위치(10)에서 광섬유(12)는 광섬유 스위치(10)에서 입력 신호의 질을 떨어뜨리는 비선형 효과를 최소화하도록 형성된다. 특히, 광섬유 스위치(10)는 비선형 복굴절을 유도하고 입력 신호를 광섬유(12)에 스위칭 시킬 수 있도록 하기 위해서 게이팅 신호에 의해 요구되는 전력 수준을 감소시키도록 구성된다. 낮은 전력 수준을 갖는 게인 신호와 최소 복굴절성 및 큰 유효 범위를 갖는 광섬유(12)의 결합은 광섬유 스위치의 입력 신호에 작용하는 바람직하지 않은 비선형 효과의 양을 감소시킨다.
도 1을 참조하여 자세하게 설명하면, 광섬유 스위치(10)는 광섬유 스위치(10)에서 입력 신호의 질을 떨어뜨리는 비선형 효과를 최소화하기 충분하게 작고, 광섬유(12)의 제 1 및 제 2 편광 모드에 편광을 유지하기 충분한 복굴절성을 갖도록 형성된 광섬유(12)를 포함한다. 바람직하게는, 광섬유(12)의 복굴절성은 편광을 유지하고 낮은 편광 모드 커플링을 보장하기에 충분한 최소 범위인 10-5내지 10-6범위에 있도록 형성된다. 상기 광섬유(12)는 편광을 유지할 수 있도록 하기 위해 전술한 종래의 광섬유만큼 강한 복굴절성을 갖을 필요가 없다.
또한, 사용중에 광섬유(12)는 쉽게 비틀리고 휘어지기 때문에, 바람직하게는 10-5내지 10-6인 광섬유(12)의 복굴절성의 최소 범위는 광섬유(12)가 비틀리고 휘어지는 동안 광섬유(12)의 편광 모드사이에서의 커플링을 억제하기에 충분할 것이다. 아래에 기술된 바와 같이, 광섬유(12)에 대한 10-5내지 10-6범위의 복굴절성은 휨 또는 비틀림으로 인한 광섬유(12)의 편광 모드사이에서의 커플링을 억제하기 충분하다.
휨으로 인해 광섬유에 유도된 복굴절성은 여기에 인용예로써 기술된 1992년 Elseview Press사에서 출간한 R. Dandliker의 "이방성 및 비선형 광학 도파관의 광섬유에서 편광의 회전 효과"에 논의 되었다. Dandliker가 논한 바와 같이, 휨으로 인해 광섬유(12)에 유도된 복굴절성(η)은 다음의 수학식 2로 결정될 수 있다.
η=2π/λ[0.0685r2/R2]=(2π/λ)△nbend
여기서, λ은 입력 신호의 파장이고, r은 섬유의 반경이며, R은 휨의 반경이다. 따라서, 만약 광섬유(12)의 복굴절성의 범위와 광섬유의 반경을 알면, 편광 모드사이에서의 커플링을 일으키지 않고 휘어질 수 있는 광섬유(12)의 반경(R)은 결정될 수 있다.
광섬유(12)에 대한 예로써, △nbend=10-7이면, R2=(0.0685×107)(r2)이다. 만약, 2r=0.0625mm이면, 위의 수학식 2를 사용하여 R=5㎝이고, 휨의 직경은 10㎝이다. 따라서, 이러한 예에 나타난 바와 같이, 광섬유(12)는 편광 모드사이에서의 커플링이 발생시키지지 않고 코일을 감싸도록 팩키지용으로 적당한 10㎝ 직경으로 휘어질 수 있다.
또한, 광섬유(12)의 비틀림은 이용될 수 있는 최소 복굴절성에 영향을 주거나 문제를 야기할 수 있다. 광섬유의 비틀림으로 인해 하나의 편광 모드에서 광섬유의 다른 편광 모드로 연결되는 전력의 양은 여기에 인용예로써 기술된 1992년 Elseview Press사에서 출간한 R. Dandliker의 "이방성 및 비선형 광학 도파관의 광섬유에서 편광의 회전 효과"에 논의 되었다. Dandliker가 논한 바와 같이, 광섬유의 두 개의 편광 모드에서의 전력 양은 다음의 행렬, 즉, 수학식 3을 이용하여 결정될 수 있다.
여기에서, η는 광섬유(12)의 고유 복굴절성이고, σ는 비틀림이 유도된 복굴절성이며, γ는 총 복굴절성이고, d는 광섬유의 길이이며, i 는 이다.
또한, 비틀림이 유도된 복굴절성σ은 σ=0.16T/2 로 주어지고, 여기에서 T는 단위가 ㎭/m인 비틀림율이다. 총 복굴절성은 이다. 단위가 dB인 연결된 전력은 PdB=10 log10[σ/γ(sinγd)/(cosγd)+i(η/γ)sinγd]이다.
예를 위하여, 고유 복굴절성이 △n=10-6이고, 길이가 10m인 광섬유(12)의 비틀림율 T=0.628㎭/m로 계산하면, -20dB로 충분히 낮은 교차 커플링이 얻어진다. 따라서, 10-5내지 10-6인 최소 복굴절 범위는 조건에 맞는다.
또한, 상기 광섬유(12)는 광섬유 스위치의 종래 광섬유보다 큰 유효 범위를 갖는다. 바람직하게는, 광섬유(12)에 대한 유효 범위는 40μ2또는 그 이상이다. 당업계의 기술을 가진자에게 잘 알려진 바와 같이, 광섬유(12)의 유효 범위를 증가시키는 것은 광섬유(12)에서 입력 신호에 대한 비선형 효과를 감소시키는데 도움이 된다.
도 2를 참조하면, 광섬유(12)는 단축 또는 고속축(20)과 장축 또는 저속축(22)으로 된 타원형 단면 형상을 갖는다. 광섬유(12)의 타원형 단면 형상은 광섬유(12)가 복굴절성을 갖도록 유도하고, 광섬유(12)의 특정 타원형 단면 형상은 복굴절의 정도를 결정한다. 제 1 길이에 대한 제 2 길이의 비는 약 2:1이다. 바람직하게는, 10-5내지 10-6범위의 복굴절을 얻기 위해 단축(20)에 대한 장축(22)의 길이비는 약 1:1.5 이다. 만약,광섬유(12)의 단면 형상이 지나치게 타원형이면, 즉, 장축(22)이 단축(20)보다 너무 길면, 게이팅 신호는 입력 신호를 스위칭하기 위해 많은 양의 전력이 필요하다. 만약,광섬유(12)의 단면 형상이 너무 둥글면, 즉, 장축(22)과 단축(20)이 거의 같으면, 광섬유는 편광을 유지할 수 없고 따라서, 광섬유 스위치(10)에 사용될 수 없다. 타원형 단면 형상으로 된 광섬유가 소정의 복굴절성을 이루었을지라도, 복굴절성이 소정 범위내에 있는 응력 로드(stress rod)를 갖는 광섬유와 같이 다른 형태의 광섬유도 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 광섬유 스위치(10)은 레이저 펌프(18), 커플러(14) 및 필터(24)를 또한 포함한다. 레이저 펌프(18)는 비선형 복굴절을 광섬유(12)에 유도하여 입력 신호가 편광 모드사이에서 스위칭하도록 하는 게이팅 신호를 발생시킨다. 레이저 펌프(18)에 의한 게이팅 신호 출력은 소정 전력 수준 범위를 갖을 수 있다. 광섬유(12)가 종래의 광섬유보다 낮은 복굴절성을 갖기 때문에, 낮은 전력 수준이 상기 게이팅 신호를 위해 사용될 수 있다. 본 특정 실시예가 펌프 레이저(18)를 사용하지만, 소정의 전력 수준으로 된 게이팅 신호를 생성하는 모든 다른 형식의 시스템이 사용될 수 있다. 커플러(14)는 모든 입력 신호와 모든 게이팅 신호를 광섬유(12)에 연결한다. 커플러(14)는 광섬유(26)와 광섬유(12)의 일단(28) 사이에 위치된다. 바람직한 실시예에서, 커플러(14)는 파장 분할 다중 송신(WDM) 커플러이다. 하나의 커플러(14)가 도시되었지만, 입력 신호와 게이팅 신호를 입력하기 위해 분리된 커플러가 사용될 수 있다. 필터(24)는 광섬유(12)의 타단에 연결되고, 입력 신호가 스위칭된 후 잔류된 모든 게이팅 신호를 포함하여 불필요한 파장을 제거한다.
광섬유 스위치(10)는 편광 모드중 하나에 전파하도록 커플러(14)를 통하여 입력 신호가 광섬유(12)에 연결될 때 작동한다. 광섬유(12)의 복굴절성은 범위가 10-5및 10-6이고, 이는 편광을 유지하고 낮은 편광 모드 커플링을 보장하기에 충분하다. 게이팅 신호가 입력신호와 동일한 편광 모드로 제 2 커플러(16)를 통하여 광섬유(12)에 입력될 때, 게이팅 신호의 전력 수준이 충분하다면, 상기 게이팅 신호는 입력 신호가 다른 편광 모드로 스위칭하고 전파하도록 비선형 복굴절성을 광섬유(12)에 유도할 것이다.
서두에서 논한 바와 같이, 게이팅 신호가 광섬유(12)에 비선형 복굴절성을 유도하여, 입력 신호가 편광 모드를 스위칭하도록 하기 위해 필요한 전력 수준은 광섬유(12)의 복굴절성에 좌우된다. 광섬유의 복굴절성은 1992년 캠브리지 대학 출판부, M.N. Islam의초고속 섬유 스위칭 장치 및 시스템에서 논의된 바와 같이 다음의 수학식 4에 의해 정해질 수 있다.
△N=0.33N2(Ix-Iy)
여기에서, △N는 비선형 복굴절성이고, N2는 광섬유(12) 코어의 비선형 굴절율이며, Ix는 x축을 따른 입력 신호의 강도이고, Iy는 y축을 따른 입력 신호의 강도이다. 편광 모드가 x축과 y축을 따라 연장하고, Iy는 제로라고 가정하면, Ix는 다음의 수학식 5로 더 한정될 수 있다.
Ix=Px/Ax
여기에서, Px는 입력된 게이팅 신호의 전력 수준이고, Ax는 광섬유의 유효 범위이다. 위의 수학식을 광섬유의 복굴절성을 계산하는 수학식으로 대체하면, 다음과 같은 수학식 6이 된다.
△N=0.33N2Px/Ax
Px에 대해 상기 수학식 6을 정리하면 다음과 같다.
Px=(△N×Ax)/0.33N2
따라서, 전술한 바와 같이 광섬유 스위치에서 종래의 광섬유보다 상기 광섬유(12)의 복굴절성이 낮게 즉, 10-5및 10-6사이의 범위로 구성되면, 수학식에서 알 수 있는 바와 같이, 게이팅 신호의 전력(Px)은 또한 낮아질 것이다. 바람직하게, 게이팅 신호의 전력 범위는 0.1 내지 10㎾이다. 전술한 바와 같이, 광섬유에서 입력 신호의 교차 위상 변조는 게인 신호의 전력에 좌우된다. 게인 신호에 필요한 전력의 양을 줄이는 것은 교차 위상 변조의 양을 줄인다.
광섬유(12)의 복굴절성을 계산하기 위한 수학식에서 알 수 있는 바와 같이, 광섬유(12)의 복굴절성을 줄이는 것은 또한 유효 범위가 커지도록 허용한다. 광섬유(12)의 복굴절성을 계산하기 위한 수학식을 유효 범위(Ax)에 대해 정리하면, 다음의 수학식 8과 같다.
Ax=(0.33N2Px)/△N
따라서, 전술한 바와 같이 상기 광섬유(12)의 복굴절성이 낮게 즉, 10-5및 10-6사이의 범위로 구성되면, 상기 수학식에서 알 수 있는 바와 같이, 광섬유(12)의 유효 범위는 더 커질 것이다. 바람직하게, 광섬유(12)의 유효 범위는 40μ2또는 그 이상이다. 당업계의 기술을 가진 자에게 잘 알려진 바와 같이, 광섬유(12)의 유효 범위를 증가시키는 것은 입력 신호에 대한 불필요한 비선형 효과를 줄일 것이다. 따라서, 광섬유 스위치(10)는 복굴절성을 줄이고, 유효 범위를 증가시키며, 게이팅 신호에 필요한 전력을 줄임임으로써 Raman 효과를 통하여 비선형 효과, 특히 고차수 솔리톤의 발생 및 섬유 용융을 줄일 수 있다.
행위의 기본 개념을 전술했지만, 위의 상세한 설명이 단지 예를 위해 제공된 것이고, 한정하지 않는다는 것을 당업계의 기술을 가진자에게 쉽게 이해될 것이다. 여기에 표현되지 않았지만, 다양한 선택, 개선 및 변경이 당업계의 기술을 가진자에 의해 이루어질 것이다. 이러한 변경, 선택 및 개선이 본 발명의 범위 내에서 여기에 제시될 것이다. 따라서, 본 발명은 단지 다음의 청구항 및 이에 상당하는 것에 의해서만 한정된다.

Claims (7)

  1. 적어도 40μ2인 유효 범위와 두 개의 편광 모드중 하나에 입력 신호를 편광시키기 위해 10-5내지 10-6의 복굴절성을 갖는 광섬유;
    비선형 복굴절성을 광섬유에 유도하여 광섬유의 입력 신호가 다른 편광 모드에 연결되도록 하는 제 1 전력 수준을 갖는 게이팅 신호를 발생시키는 게이트 신호 발생 시스템;
    광섬유에 입력 신호와 게이팅 신호를 연결하기 위한 커플링 시스템으로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 게이트 신호 발생 시스템은 펌프 레이저인 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링 시스템은 WDM 커플러로 더 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유 스위치는 광섬유의 일단에 연결되어 불필요한 파장을 제거하는 필터로 더 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유는 제 1 길이인 단축과 제 2 길이인 장축으로된 타원형 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 길이에 대한 제 2 길이의 비가 1:2.0 인 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 길이에 대한 제 2 길이의 비가 1:1.5 인 것을 특징으로 하는 광섬유 스위치.
KR1019980701730A 1996-07-09 1997-07-01 최적화된 복굴절성 섬유 스위치 KR19990044482A (ko)

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