KR20000022867A - 저 편광 모드 분산을 가진 분산 보상 격자를 포함하는 장치 - Google Patents

저 편광 모드 분산을 가진 분산 보상 격자를 포함하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 분산 보상 처프된(chirped) 광 파이버 브래그 격자(optical fiber Bragg grating)는 적어도 10-6이거나 바람직하게 10-5또는 그보다 큰 복굴절율을 가진 편광 유지(PM)파이버내에 형성된다. PM파이버를 사용하여, 분산 보상을 위한 처프된 브래그 격자들내에 일반적으로 불가피하게 존재하는 편광 모드 분산의 실질적인 제거를 가능하게 한다.

Description

저 편광 모드 분산을 가진 분산 보상 격자를 포함하는 장치{Article comprising a dispersion compensating grating with low polarization mode dispersion}
발명의 분야
본 발명은 분산 보상 격자들(DCGs) 및 DCG를 포함하는 장치들(예컨대, 광 파이버 통신 시스템)에 관한 것이다.
발명의 배경기술
분산 보상 격자(DCG)들은 알려져 있다. 예컨대, 엔서(Ennser)등에 의해 기고된 IEEE J. of Quantum Electronics, Vol.34, pp.770-778(1998)를 참조한다. 간단히, DCG는 적어도 DCG 길이의 일부에서 처프(chirp)되는 브래그 격자이고, 따라서 입사하는 광에 대해 서로 다른 길이의 경로들을 제공하며, 그에 따라서 파장의 함수인 서로 다른 지연들을 발생시킨다. 이것은 도1에서 도식적으로 보여진다. 여기서, 번호 10은 단일 모드 광 도파관(일반적으로 종래의 실리카-베이스(silica-base)광 파이버)을, 번호 11은 파이버내의 처프된 브래그 격자를 설명한다. 번호 12는 격자를 향하여 도파관내에서 전파하는 다중-파장 방사를, 번호 13 및 14는 반사된 방사를 설명한다. 격자의 입력단으로부터 거리의 함수인 격자 이격도(spaci ng)가 감소한다고 가정하면, 그후에 방사 13의 파장은 방사 14의 파장보다 훨씬 더 크다. 방사 14는 방사 13 보다 격자내에서 훨씬 큰 거리를 이동하므로, 전자는 후자보다 훨씬 더 긴 지연을 가진다.
상기 설명으로부터 명백하므로, DCG는 색채 분산을 제공한다. 색채 분산의 기호와 양은 마음대로 선택될수 있고(예컨대, 처프의 선택에 의해), DCG는 통신 시스템내에 색채 분산을 보상하는데 사용될 수 있다.
비록 종래 기술의 DCG들이 원리에 있어서 매우 유용하지만, 지금까지 이들은 널리 보급되지 않았다는 불리한 특성을 가진다. 특히, 종래 기술의 DCG들은 실질적으로 예측불가능한 비교적 높은 편광 모드 분산(PMD)을 가진다.
PMD는 주어진 파장에서의 방사의 한 편광(파장에 관계없이“광”으로 설명됨)이, 같은 파장에서의 광의 다른 편광보다 장치내에서 서로 다른 지연을 가질 때 발생된다. “장치”는 예컨대, 종래의 광 파이버를 포함하여 넓게 이해 될 수 있다.
대부분의 장치들은 약간의 PMD를 가지며, 파이버 자체로는 특히 파이버 드로잉(drawing)동안의 트위스트 및/또는 파이버 굴절율의 방위각 비대칭에 의한 고유한 PMD를 가진다. 광 파이버의 PMD을 약 2x10-7아래로 유지하기는 일반적으로 어렵다.
예를 들어, 광학 장치에 대한 자주 보게되는 명세서들은 PMD에 의한 1ps 미만인 지연을 요구한다. 광 파이버의 1m 섹션은 실질적으로 허용된 최대치 보다작은 5 fs의 PMD를 가진다. 그러나, 1.55㎛인 파장 영역에서 -1000 ps/nm인 분산을 가진 격자를 가지는 같은 길이의 파이버는 허용된 최대치보다 큰 1.5 ps을 초과한 PMD를 가진다.
위의 예는 파이버내의 DCG의 존재가 파이버의 고유한 PMD를 상당히 악화시킬수있다는 것을 증명한다.
파이버 드로잉동안의 트위스트 및 방위각 비대칭은 유일한 PMD-발생 메커니즘들이 아니다. 다른 그러한 메카니즘은 격자 제조시, 자외선에 광 파이버를 비대칭 노출시킴에 의한 자외선-유도 복굴절율이다. 자외선-유도 복굴절율은 일반적으로 고유한 파이버 복굴절율의 거의 두배인 10-6이다.
격자-포함 장치의 비제어된 파이버 복굴절율과 비제어된 자외선-유도 복굴절율의 결합은 장치가 가진 PMD가 실질적으로 예측불가능하고 쉽게 소멸될 수 없다는 것을 의미한다.
종래 기술에서, 격자내에서 복굴절율을 최소화함에 의해 DCG들내의 PMD 문제를 다루는 시도들이 있었다. 그러나, 약 10-6보다 작은 복굴절율을 성취하는 것은 어려우므로, 따라서 DCG내에 약10 ps보다 작은 PMD를 성취하기는 어렵다.
위의 고찰들은 다음과 같이 정량화될 수 있다. 파이버 복굴절율 B 및 파이버 군 속도 Vg를 가진, 길이 Lf인 파이버의 분광 모드 지연 τPMD은 약
BLf/ Vg
이고, 다른 한편으로는, DCG내의 파장 λ인 광에 대한 분광 모드 지연은 약
B[(2z/Vg)+Dλ]
이며, 여기서 z는 반사전의 투과 길이이고, D는 분산이다.
후자의 식에서, 분산 항 BDλ는 투과 깊이 항 2Bz/Vg를 거의 항상 지배할 것이고, 격자의 PMD지연은 분산 항에 의해 지배될 것이다.
분명히, DCG내의 복굴절율의 최소화에 의존하지 않는 DCG내의 PMD감소기술이 필요하다. 이 애플리케이션은 그러한 기술을 나타낸다.
용어와 정의
본원에서,“복굴절율”은 종래의 의미로 사용된다. 만일 매체가 주어진 파장의 광의 2개의(non-degenerate) 전파 모드들을 지지하고, 상기 모드들은 편광 상태에 의존하는 서로 다른 유효한 굴절율들을 가지면 상기 매체는 복굴절율을 나타낸다.
본원에서,“분산”은 전송 매체의 색채 분산을 설명한다. 만일 매체내의 광의 속도가 광의 파장에 의존하면 전송 매체는 색채 분산을 나타낸다. 분산은 분산 조짐 및 광 펄스의 처프(파장 컴포지션(composition))에 의존하여, 펄스의 지속시간을 길게 하거나 짧게 해야 한다.
만일 격자의 굴절율 변동의 진폭이 DCG를 실질적으로 아포다이즈하도 록(apodize) 격자의 입력 엣지로부터 비교적 서서히 증가하면, DCG는 “단열적으로 (adiabatically) 증가하는 세기”를 가진다. 예컨대, 엔서 등에 의한 상기인용된 저널을 참조하라.
“편광 유지”(PM)파이버에 의해, 광에 대한 2개의 잘 규정된 직각 전파 모드들을 지지하는 복굴절 파이버의 유효한 굴절율들은 10-6또는 그보다 더 큰폭으로 다르다는 것을 의미한다.
도1은 DCG 종래 기술을 도시적으로 도시하는 도면.
도2는 DCG를 가진 종래 기술 통신 시스템의 관련 부분을 보여주는 도면.
도3-5는 본 발명의 예시적인 실시예들을 보여주는 도면.
도6은 벌크 광학 PMD 지연 수단을 도식적으로 도시하는 도면.
도면들은 일정한 비율이거나 또는 비례적이지 않다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11 : 처프된 브래그 격자 12 : 다중-파장 방사
13.14 : 반사된 방사 22 : 서큘레이터
31 : PMD 지연 43 : 검파기
발명의 개요
대체로 말하자면, 본 발명은 종래 기술의 DCG들과 비교하여, 상대적으로 낮은 PMD를 가진 DCG를 포함하는 장치에서 실시된다.
특히, 상기 장치는 소정 길이의 광 파이버와 이 파이버내에서 처프된 브래그 격자(the DCG)를 포함한다. 중요하게도, 광 파이버는 소정의 제1 및 제2 편광방향들을 가지며, 10-6또는 그보다 크거나 바람직하게는 10-5또는 그보다 큰 복굴절율을 가지는 편광-유지(PM)파이버를 포함한다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 상기 장치는 DCG의 PMD를 실질적으로 제거하도록 선택된 PMD 보상기를 더 포함한다. 또다른 양호한 실시예에서, DCG는 단열적인 변동 세기를 가진다.
DCG를 포함하는 장치는 예를 들어 분산 보상 장치(일반적으로 틀내에 패키지되는)또는 송신기와 수신기사이의 광 신호 전송 경로내에 배치된 하나 또는 그보다 많은 DCG들을 가지는 광 파이버 통신 시스템이다.
상세한 기술
도2는 종래의 광 파이버(10)에서 DCG 수단에 의해 분산보상을 가지는 종래의 광 파이버 통신 시스템의 일부를 도식적으로 도시한다. 입력 광(20)은 서큘레 이터(22)의 입력 포트 (23)에 들어가고, 서큘레이터 포트(24)를 빠져나가며, 상기 광이 반사되는 DCG(11)를 향해 전파하며, 서큘레이터 포트(24)로 들어가고, 서큘레이터의 포트(25)를 빠져나간다. 이상적 경우에서, DCG(11)는 출력 방사(21)가 보상된 분산이 되고, 최소의 PMD를 가지도록 선택된다. 그러나, 실제로는 최소의 PMD가 성취되기 어렵고, 다른 접근을 필요로 한다.
“방향성(지향성) 전달 장치들”을 지시하는 서큘레이터는, 한 방향으로 움직이는 광을 반대 방향을 움직이는 광으로부터 분리하는 어떤 부류의 장치들의 특정 멤버이다.
본 발명에서 실제로 사용될 수 있는 다른 방향성 전달 장치는 커플러이다.
인위적인 발명의 실시예들은 상대적으로 높은 복굴절율을 가지며 소정의 제1 및 제2 편광 방향을 가지는 광 파이버를 사용함에 의해, 일반적으로 DCG 앞면에 PMD의 적당한 양을 부가함에 의해 종래 기술의 실행과 다르다.
소정의 제1 및 제2 편광 방향 및 상대적으로 높은 복굴절율을 가지는 광 파이버는 일반적으로 편광-유지(PM)파이버로 설명되며 잘 알려져 있다. 간단히, PM 파이버의 복굴절율은 축 시스템을 규정하여, 그에 따라서 축들의 하나를 따라 편광을 가진 PM 파이버안에 들어간 광은 그 축을 따라 편광됨을 유지한다.
PM 파이버의 요구된 복굴절율은 특히 이전에 논의된 자외선-유도 복굴절율 및 장치의 패키징시에 도입된 복굴절율의 양에 의해 결정되고, 양 쪽보다 상당히 커야 한다. 많은 경우에, 유용한 복굴절율의 더 낮은 제한은 10-6이고, 복굴절율은 바람직하게도 10-5또는 그보다 크다. B>10-3인 광 파이버는 일반적으로 제조하기 어렵고, B>10-3인 광 파이버의 격자는 약 1nm 격자 대역폭까지 약화될수 있다. 따라서, 유용한 복굴절율의 상부 제한은 일반적으로 약 10-3이다.
본 발명에 따른 장치의 중요한 특징은 높은-복굴절율(PM)파이버내에 DCG를 공급하는 것이다. 격자내의 PMD가 잘 규정된 축들상에 발생되고, 잘 규정된 값을 가지므로, PMD를 보상하는 것은 가능하다. 이런 상태는 다음 식에 의해 정량화 된다. 여기서 L은 격자앞의 PM파이버의 길이, 나머지 다른 용어들은 이전에 상술되었다.
τPMD~ B[2(z±L)Vg -1+ Dλ]
PMD의 소망된 감소를 성취하도록, L은 Dλ가 실질적으로 2LVg -1와 크기는 같고 기호는 반대가 되도록 선택된다.
따라서, 길이 L인 PM 파이버을 통해 전파하는 광은 PMD의 양 X를 얻는다. 광은 그후에 PMD의 양 -2X을 얻고 전체 PMD의 양 -X를 생성하는 처리에 의해 DCG에서 반사되지 않는다. 광이 길이 L인 PM 파이버를 통해 반대로 전파되므로, 광은 PMD의 또 다른 양 X를 얻고, 통신망의 PMD를 0으로 한다.
위의 식에서, 제거가 효과적으로 되도록 기호 D에 반대인 기호 L이 선택된다, 따라서, 만일 DCG가 음 분산을 가지면, 그후에 L은 z에 부가되며, 격자앞에 PM파이버의 축들의 회전이 필요치 않음을 지시한다. 다른 한편으로, 만일 격자가 양 분산을 가지고, 그후에 L이 z로부터 감산되면, 격자앞에 PM 파이버의 축들의 90도 회전이 필요함을 지시한다. 그러한 회전은 예를 들어 격자앞의 스플라이스 또는 정렬된 APC(각이진 물리적 접촉)파이버 커넥터에 의해 쉽게 이뤄진다.
PM 파이버 항 2L/Vg에 의해 격자 분산 항 Dλ이 제거됨으로써 일반적으로 DCG내의 광 투과 깊이에 비례한 PMD의 작은 나머지가 놓인다. 이 나머지 PMD의 크기는 쉽게 약0.1ps보다 작게 되고, 본 명세서의 일반적인 필요조건들 보다 작게 된다.
도3은 본 발명에 따른 예시적인 장치를 도시적으로 도시하고, 여기서 번호 32는 PM파이버를 설명한다. “PMD DELAY”(31)는 일반적으로 PM파이버의 소정의 길이를 포함하고, 상술된 것과 같이 DCG의 PMD를 오프셋하도록 선택된다.
선택적으로, 양호하지 않은 실시예에서, PMD 지연(31)은 소망된 오프셋을 제공하기 위해 종래의 벌크 광학 수단을 포함한다. 도6은 도식적으로 예시적인 벌크 광학 PMD 지연 수단(31)을 도시적으로 보여주고, 여기서 번호 61 은 서큘레이터 또는 다른 방향적 전달 장치로부터의 광을 설명하고, 번호 62는 DCG로 이동하는 광을 설명하고, 번호 63들은 입방체들을 분리하는 편광을 설명하며, 번호 64는 이동가능한 미러를 설명한다. 쉽게 이해될수 있으므로, 광 인 두 편광들은 편광 결합기(도시되지 않음; 광 파이버로부터 벌크 광학 수단으로 진행하는 빔 확장기와 같은 몇몇 종래의 구성성분들 또한 도시되지 않는다)내에 재결합되기 전에 서로다른 길이들을 가진 경로에서 움직인다. 편광 결합기의 출력은 PM파이버내에 위치한 DCG로 나아간다. 소망된 PMD는 이중 화살표 65로 지시된 두 개의 편광들 사이에 경로 길이 차이를 선택함으로써, 즉 이동가능 미러(64)의 위치를 선택함으로써 얻어진다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 광 파이버 통신 시스템(40)을 도식적으로 보여준다. 송신기(41) 및 검파기(43)는 종래의 것이고, 시스템내에 분산을 도입하는 광 전송 파이버(42)의 길이(예컨대, 약 50km)를 포함하는 광 파이버 전송 경로에 의해 신호-전송적으로 연결된다. 서큘레이터(22)는 종래의 위치(예컨대, 검파기의 바로 위에)에 배치된다. 파장 λ인 광(예컨대, 1550nm)은 서큘레이터 포트 23으로 들어가고, 서큘레이터 포트 24로 빠져나가며, PM파이버(32)를 통해 DCG(11)로 전파되고, 격자에 의해 반사되며, PM파이버를 통해 포트 24로 반대로 전파되고, 포트 24를 통해 서큘레이터로 들어가고, 서큘레이터 포트 25로 빠져나가며, 검파기(43)에 의해 검파된다. 서큘레이터 이외의 방향적 전달 장치가 또한 사용될수 있다.
도5는 본 발명에 따라 추가된 예시적인 광 파이버 통신 시스템을 도식적으로 보여준다. 도5의 시스템은 양 분산(즉, 더 짧은 파장들이 더 긴 파장들앞에 서 반사되는 격자)을 가진 DCG(110)를 갖음을 제외하고는 실질적으로 도4의 시스템과 같다. 반면에 상기 도4의 시스템은 음 분산을 갖는 격자를 가지며 상기 도5의 시스템은 PM파이버의 두편광 축들을 바꾸는 각도 90의 스플라이스(splice)(51)를 더 포함한다. 스플라이스는 단지 격자앞에 놓인다. 양호한 실시예들에서, DCG들은 단열적인 변동 세기를 가지는 격자들을 제공하도록 아포다이즈된다(apodized). APC 파이버 커넥터는 편광 방향들을 바꾸는데 사용될수 있다.
예 1
광 파이버 통신 시스템에서, 종래의 송신기는 60km의 표준 5D 파이버에 의해 종래의 수신기에 연결된다. 파이버 링크는 1550 nm 밴드내에 1020 ps/nm인 아주 적은 색채 분산을 가진다. 처프된 브래그 격자는 색채 분산을 보상하는데 사용된다.
게르마늄-도핑된 코어를 가진 단일 모드 PM 파이버에(값이 10-5인 고유한 파이버 복굴절율 및 군 속도 2.05x10-4m/ps) 종래의 방식으로 중수소를 적재하고, 처프된 브래그 격자는 위상 격자를 통한 자외선 노출에 의해 파이버 코어내에 새겨진다. 격자는 1550 nm인 파장의 중심에 있고, 8 cm의 길이와 처프 속도 -10.455 cm/ nm를 가진다. 격자는 격자 중심으로부터 PM 파이버의 단까지의 파이버 길이가 162 m가 되도록 PM 파이버내에 배치된다.
실질적으로 도4에 보여진 배열은, 1550 nm인 광은 송신기로 부터 3 포트 서큘레이터의 제1포트로 들어간다. 광은 제2 포트를 빠져나가, PM 파이버로 들어간다. 광은 격자에 전파되고, 그 격자에 의해 반사되고, 제2 서큘레이터 포트쪽으로 반대로 전파되고, 제2 포트에 들어간후 제3 서큘레이터 포트로 빠져나간다.
처프된 격자는 파장 1550 nm인 광에게 -1020 ps/nm인 분산을 제공하도록 설계되고, 따라서 60km인 5D파이버의 색채 분산을 보상한다. 격자와 서큘레이터사이의 격자 및 162 m 파이버 대해 PM 파이버를 사용하여, DCG로부터 약10 fs미만인 전체 PMD를 만들고, 따라서 배열은 최소의 적재된 PMD를 가지며, 실질적으로 시스템에서 신호 분산을 제거한다.
예 2
DCG가 단열적인 변동 세기를 가지는 것을 제외하고 광 통신 시스템은 실질적으로 상술된 것과 같다.
예 3
DCG가 양 분산을 가지는 것을 제외하고 시스템은 실질적으로 예 1에서 기술된 것과 같고, DCG의 PM파이버는 격자와 서큘레이터를 연결하는 PM 파이버에 대해 90도 회전한다.
상기 설명으로부터 명백하므로, DCG는 색채 분산을 제공한다. 색채 분산의 기호와 양은 마음대로 선택될수 있고(예컨대, 처프의 선택에 의해), DCG는 통신 시스템내에 색채 분산을 보상하는데 사용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치에 있어서,
    상기 광 파이버는 소정의 제1 및 제2 편광축을 가지며 10-6또는 그보다 큰 고유한 파이버 복굴절율을 가진 편광-유지 파이버인 것을 특징으로 하는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고유한 파이버 복굴절율은 10-5또는 그보다 큰, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고유한 파이버 복굴절율은 10-3또는 그보다 작은, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 편광-유지 파이버에 연결되는 PMD 지연 장치를 더 포함하는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 PMD 지연 장치는 상기 편광 유지 파이버의 일부를 포함하는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 처프된 브래그 격자는 단열적인 변동 격자 세기를 나타내도록 아포다이즈되는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광 파이버는 제1 및 제2 길이의 편광-유지 파이버를 포함하고, 상기 제1길이의 상기 제1편광 축이 실질적으로 상기 제2길이의 상기 제2편광 축과 상기 제1 및 제2 길이들 사이의 연결에서 평행하도록 배치되는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 장치는 상기 처프된 브래그 격자에 방사를 지향시키도록, 상기 처프된 브래그 격자로부터 방사를 수신하도록 적응된 방향 전달 장치를 더 포함하는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 방향 전달 장치는 서큘레이터인, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  10. 제8항에 있어서, 광 파이버 전송 경로에 의해 송신기에 연결되는 수신기와 상기 송신기를 더 포함하며, 상기 방향 전달 장치는 상기 전송 경로에 배치되는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 송신기로부터 상기 수신기에 수신된 상기 방사는 색채 분산을 가지며, 상기 처프된 브래그 격자는 상기 색채 분산을 실질적으로 보상하도록 선택되는, 소정 길이의 광 파이버와 파이버내에 처프된 브래그 격자를 포함하는 장치.
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