KR20000069856A - 안정된 비선형 마하-젠더 파이버 스위치 - Google Patents

안정된 비선형 마하-젠더 파이버 스위치 Download PDF

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마이클 제이. 에프. 디곤넷
에이치. 존 쇼
리차드 에이치. 펜텔
로버트 더블유. 사도우스키
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캐서린 쿠
더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티
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Abstract

짧은 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)(200)의 구성으로 전부-광 파이버 스위치(all-optical fiber switch)를 구현한다. 마하-젠더 스위치(200)는 온도에 대하여 높은 안정성을 갖도록 제작되어 스위치의 출력에서 바람직스럽지 못한 불안정성을 가져올 수 있는 온도 경사나 다른 열적인 효과를 최소화한다. 바람직한 실시예의 마하-젠더 스위치(200)는 결합기(230, 260) 사이의 길이가 2cm보다 작을 정도로 충분히 짧아서 열적으로 안정된 것이 유리하며, 완전한 스위칭은 2개의 암(235, 240) 중 하나 또는 모두를 결합기(230, 260) 사이에서 강하게 도핑하여 하나 또는 2개의 암 모두에 비선형성이 강한 영역을 제공하여 구현한다. 펌프 입력원(215)을 이용하여 2개의 암 중 하나의 전파 특성에 영향을 미쳐서 스위치(200)의 출력 결합 비율을 제어한다. 펌프 입력 암(281, 220)의 비선형성으로 인하여, 낮은 펌프 파워를 사용할 수 있으며, 이로 인하여 높은 펌프 입력 파워와 관련된 난점 및 고비용이 경감된다.

Description

안정된 비선형 마하-젠더 파이버 스위치{STABLE NONLINEAR MACH-ZEHNDER SWITCH}
광 스위치는 당해 기술 분야에서 공지되어 있으며, 광섬유 통신 및 센서 시스템에서 널리 응용될 것으로 예상된다. 특히 바람직한 종류의 광 스위치로는 전부-광 스위치(all-optical switch)가 있는데, 이는 하나의 출력 포트에서 다른 출력 포트로의 광의 실제 스위칭이 기계적이나 전기적인 스위칭이 아니라 스위칭 광원으로부터의 펌프 신호(pump signal)의 입력에 의하여 이루어진다.
마하-젠더 간섭계 스위치의 기본적 구성에서는 광 신호가 상기 스위치에 입력으로 제공된다. 입력 신호는 광 결합기(optical coupler)에서 분할되어, 간섭계의 2개의 암(arm)으로 거의 같은 부분씩 전파된다. 이러한 2개의 부분은 제2 결합기에서 재결합되며, 제2 결합기의 2개의 출력 포트는 스위치의 2개의 출력 포트이다. 제2 결합기에서 제결합되는 광의 부분들이 위상이 맞는다면(in phase), 2개의 부분은 제2 결합기의 하나의 출력 포트에서 보강 간섭하여 출력 포트로 출력될 것이다. 한편, 2개의 광의 부분들이 위상이 맞지 않는다면, 특히 2개의 부분이 π의 차동 위상 변화(differential phase shift)를 나타낸다면, 2개의 광의 부분들은 제2 결합기의 다른 출력 포트에서 보강 간섭하여 그 출력 포트로 출력될 것이다. 2개의 광의 부분의 차동 위상 차이를 제어함으로써, 광 신호는 상기 2개의 출력 포트중 하나로 선택적으로 출력될 수 있다.
차동 위상 변화는 간섭계 스위치내로 광 펌프 신호를 입력시켜서 제어할 수 있다. 광 펌프 신호는 광 신호와는 다른 위상을 가지고 있으며, 파장에 종속되는 다중화 결합기(multiplexing coupler)를 사용함으로써 펌프 광을 2개의 결합기사이 2개의 암중에 하나에만 전파된다. 펌프 광은 펌프 광이 전파되는 암의 전파 특성을 변화시키며, 상기 암으로 전파되는 신호 광 부분에 다른 암으로 전파되는 신호 광 부분의 위상 변화와 다른 위상 변화가 초래되도록 한다. 펌프 광의 강도의 선택에 따라서 위상 변화는 π와 같도록 세트될 수 있으며, 출력 광은 전술한 바와 같이 2개의 포트사이에서 스위치된다. 펌프 광은 선택적으로 턴-온 되거나 턴-오프되어서 신호 광이 스위치되거나 스위치되지 않도록 한다. 스위칭을 유발하는 펌프 신호의 동작에 대하여 이하에서 더 자세히 설명될 것이다.
공지된 간섭계 스위치에는 많은 문제점이 있다. 그 중 하나는 2개의 신호가 펌프 신호가 없어도 안정되게 0이나 π의 위상 차이를 갖게 하는 간섭계를 만드는 것이었다. 다른 문제점은 2개의 파이버 암의 굴절률이 온도에 따라 변한다는 것이며, 2개의 암의 온도 변화가 같지 않거나 2개의 암의 광경로가 같지 않다면, 온도의 변화는 차동 위상 변화를 야기한다. 더욱이, 하나의 암으로 전파되는 펌프 신호에 의하여 그 암이 가열되지만 다른 암은 펌프 신호로부터의 열에 의하여 영향을 적게 받거나 전혀 받지 않기 때문에, 펌프에 의하여 유도되는 온도 변화는 2개의 암에 대하여 서로 다를 수 있다.
온도에 대하여 안정된 소정의 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계가 개발되었지만, 지금까지는 이러한 간섭계는 파이버의 고유한 커 효과(Kerr effect)를 사용하는 전부-광 파이버 스위치로 사용하기에는 적합하지 않았다. 이것은 이러한 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계의 크기가 작아서 2개의 융합된 결합기 사이에서 아주 짧은 파이버 길이만이 허용되기 때문이다. 따라서, 아주 짧은 파이버 암 길이에서 커 효과를 이용하여 요구되는 π의 차동 위상 변화를 유발하기 위해서는 아주 높은 펌프 파워가 필요하며, 이는 광 파이버의 돌발적 고장(catastrophic breakdown)을 유발할 것이다. 따라서, 강한 비선형성을 갖는 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계의 필요성은 계속된다.
본 발명은 광 스위치에 관한 것으로, 특히 마하-젠더 파이버 스위치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 비선형 마하-젠더 파이버 간섭계 스위치를 예시하는 개략도.
도 2a, 2b, 2c 및 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 개선된 마하-젠더 간섭계를 도시하는 개략도.
도 3은 집적된 광 스위치로 제작된 본 발명의 선택적 구현을 도시하는 도면.
도 4a는 시간에 대하여 진동하는 입력 펌프 파워를 도시하는 타이밍도.
도 4b는 펌프 파워가 마하-젠더 간섭계에 인가되는 경우에 펌프된 암 내에서 관찰된 온도 경사를 도시하는 도면.
도 4c는 마하-젠더 간섭계의 작동 중에 펌프된 암에서 펌프되지 암으로 열 에너지가 결합되는 것을 도시하는 도면.
본 발명의 개선된 마하-젠더 간섭계 스위치에 대하여 설명하기 전에, 종래의 장치에 대한 추가적인 배경이 설명된다. 전형적인 전부-광 스위치의 기본적인 구성이 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 구성이 전형적인 마하-젠더 간섭계이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 마하-젠더 파이버 간섭계 스위치(100)은 입력 광 신호를 수신하기 위한 제1 입력 암(105) 및 스위칭 펌프 신호를 수신하기 위한 제2 입력 암(110)을 포함한다. 입력 암(105, 110)은 함께 융합되어 결합기(120)를 형성하며, 결합기는 제1 브랜치 암(first branch arm)(125) 및 제2 브랜치 암(130)으로 분기된다. 도시된 바와 같이, 제1 브랜치 암(125)은 제1 입력 암(105)을 형성한 파이버가 계속 이어지는 것이 바람직하며, 제2 브랜치 암(130)은 제2 입력 암(110)을 형성하는 파이버가 계속 이어지는 것이 바람직하다. 많은 경우에, 제1 브랜치 암(125)의 일부(135), 또는 제2 브랜치 암(130)의 일부(140), 또는 양 브랜치 암(125, 130)의 일부(135, 140)는 비선형 영역을 형성하도록 처리된다. 브랜치 암(125, 130)은 결합기 요소(150)를 형성하도록 다시 한번 융합되며, 결합기 요소(150)는 제1 (상부) 출력 포트(155) 및 제2 (하부) 출력 포트(160)로 분기한다. 제1 출력 포트(155)은 제1 입력 암(105) 및 제1 브랜치 암(135)을 형성한 파이버가 계속 이어지는 것이 바람직하며, 제2 출력 포트(160)은 제2 입력 암(110) 및 제2 브랜치 암(140)을 형성한 파이버가 계속 이어지는 것이 바람직하다.
수동 형식 (즉, 펌프가 사용되지 않는 경우)에서는, 파장 λs의 입력 신호가 입력 암(105)로 공급되어 제1 결합기(120)에서 동일하게 분할되어, 각각이 2개의 브랜치 암(125, 130)으로 들어간다. 당해 기술 분야에서 널리 알려진 바와 같이, 제2 브랜치 암(130)으로 입사하는 입력 신호의 부분의 위상은 제1 브랜치 암(125)으로 입사하는 입력 신호의 부분의 위상보다 π/2 만큼 앞서간다. 각각의 암(125, 130)으로 진행한 뒤에 2개의 신호 부분은 제 2 결합기(150)에 의하여 재결합된다. 제2 결합기(150)에 입사하기 전의 2개의 신호 부분이 동일한 상대적 위상 차이를 유지한다면 (즉, 제2 브랜치 암(130) 내의 신호의 부분의 위상이 제1 브랜치 암(125) 내의 신호의 부분의 위상보다 π/2 만큼 앞서간다면), 2개의 신호 부분은 제2 (하부) 출력 포트(160) 내에서 보강되어 재결합된다. 즉, 모든 신호가 출력 포트(160)에서 나온다. 그러나, 2개의 브랜치 암(125, 130)을 진행한 뒤에 2개의 신호 부분의 위상 변화가 서로 달라서, 2개의 신호 부분이 제2 결합기(150)에 입사할 때 제2 브랜치 암(130) 내의 신호 부분의 위상이 제1 브랜치 암(125) 내의 신호의 부분의 위상보다 π/2(모듈로 2π) (예를 들어서, 5π/2 모듈로 2π = π/2) 만큼 앞서가지 않는다면, 2개의 신호 부분은 제2 (하부) 출력 포트(160) 내에서 보강되어 재결합되지는 않을 것이다. 특히, 2개의 신호가 π(모듈로 2π) (예를 들어서, 3π 모듈로 2π = π)의 위상 차이를 나타내어서 2개의 신호 부분이 제2 결합기(150)에 입사할 때 제1 브랜치 암(125) 내의 신호 부분의 위상이 제2 브랜치 암(130) 내의 신호의 부분의 위상보다 π/2만큼 앞서간다면, 2개의 신호 부분은 제1 출력 포트(155)에서 보강되어 재결합되어 거의 모든 신호가 제1 (상부) 포트(155)로 출사된다. 제1 및 제2 브랜치 암(125, 130)으로 전파되는 2개의 신호 부분에서 나타나는 차동 위상 변화가 중간값이라면 (0과 π사이, 또는 π와 2π사이), 제2 결합기에 입사하는 신호 부분사이의 위상 차이는 π/2가 아닐 것이며, 신호의 일부는 제1 출력 포트(155)에서 출사될 것이고, 신호의 나머지 부분은 제2 출력 포트(160)에서 출사될 것이며, 이때의 신호의 파워의 비율은 두 부분사이의 위상 차이에 의하여 결정될 것이다. 이러한 원리는 공지되어 있으며, 마하-젠더 간섭계 파이버 스위치를 형성하기 위하여 특별히 융합되거나 연마된 파이버 결합기를 사용하는 마하-젠더 파이버 장치의 많은 응용이 문헌으로 보고되어 왔다.
간섭계로서의 이 장치의 작동은 2개의 신호가 결합기(150)에서 재결합될 때의 2개의 신호의 편광의 상대적인 상태에 강하게 종속되는 것이 당해 기술 분야에 공지되어 있다. 최대의 콘트라스트를 얻기 위해서는 2개의 신호가 결합기에서 동일한 편광을 가지고 있어야 한다. 2개의 재결합되는 신호의 위상이 동일할 때 동일한 편광을 가지고 있지 않다면, 출력 포트(160)에서 완전히 보강 간섭되지는 않을 것이며, 이는 모든 파워가 출력 포트(160)으로 출사되지 않으며, 잉여 파워가 출력 포트(155)로 출사됨을 의미한다. 마찬가지로, 2개의 재결합되는 신호가 위상이 일치하지 않는다면, 출력 포트(155)에서 완전히 보강 간섭되지는 않을 것이며,이는 모든 파워가 출력 포트(155)으로 출사되지 않으며, 잉여 파워가 출력 포트(160)로 출사됨을 의미한다. `본 발명의 핵심이 되는 스위치는 다소 다른 편광을 갖는 2개의 재결합되는 신호에 작용할 수 있지만, 일반적으로 동일한 편광을 갖는 것이 바람직하다. 이는 여러가지 방법으로 구현될 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에서는 스위치는 표준적인 비편광-유지 파이버(nonpolarization-maintaining fibers)로 이루어지지만, 후술하는 바와 같이, 파이버가 충분히 짧아서 마하-젠더 간섭계 스위치(100)의 길이에 대해서 상기 신호의 편광 상태가 충분히 변하지 않기 때문에 결합기(150)에서 재결합되는 2개의 신호는 거의 같은 편광 상태를 갖는다. 제2 실시예에서는 도 1의 스위치 장치는 전적으로 편광 유지 파이버로 제작된다. 이러한 경우에는, 포트(105)의 입력 신호는 선형으로 편광되며, 그 편광은 파이버의 두 축중 하나와 정렬된다. 파이버 암(125, 130)이 충분히 긴 제3의 사양은 파이버 편광 제어기를 파이버 암 중 하나 또는 모두에 결합시키는 것이다. 미국 특허 제4,389,090호에 개시된 바와 같이, 파이버 편광 제어기의 기능은 파이버내의 신호의 편광을 임의의 원하는 편광 상태에 맞추는 조정을 활성화하는 것이다. 다음 논의에서는 이러한 상황중 하나를 묵시적으로 가정하여, 편광과 관련된 쟁점은 피해가도록 한다.
전술한 바와 같이, 마하-젠더 간섭계의 하나의 응용으로 전부-광 스위칭이 있다. 이러한 응용에 따르면, 영역(135, 140) 중 하나 또는 두 영역 모두 비선형 효과를 나타내는 파이버로 이루어진다. 예를 들어서, 어떤 응용에서는 표준 실리카 파이버(커 효과로 알려진 고유의 비선형성을 가지고 있음)를 사용하거나, 강한 광학적 비선형성을 도입한 도펀트를 가지는 도핑된 파이버를 사용한다. 당해 기술 분야에서 널리 알려진 바와 같이, 커 효과는 광 신호 (예를 들어 λs의 파장을 갖는 신호)를 전달하는 파이버의 굴절율이 신호 자체의 강도나 λs와 다른 파장을 갖고 파이버로 전파되는 광 신호에 의하여 변화하는 현상이다. 전부-광 스위칭을 달성하기 위하여, λs와 다른 파장 λp를 갖는 펌프 신호를 제2 포트(110)에 인가한다. 제1 결합기(120)는 파장 분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexer: WDM)로 설계되어, 파장이 λs인 신호는 2개의 암으로 동일하게 분할되며 (즉, 결합기가 파장 λs에서는 50%의 결합 비율을 나타냄), 다른 파장 λp을 갖는 펌프는 상부 암(125)에 결합되지 않는다. (즉, 결합기가 파장 λp에서는 0%의 결합 비율을 나타냄) 따라서, 모든 펌프 파워는 마하-젠더 간섭기의 하부 암(130)에 결합된다. 그 대신에, 펌프가 100% 결합되어 모든 펌프 파워가 상부 암(125)에 결합될 수도 있다.
다른 가능한 실시예에서는, 광 펌프는 입력 포트(110)가 아닌 입력 포트(105)를 통하여 결합된다. (이는 도 1에 도시되지는 않았지만 파이버(105)에 위치한 WDM 결합기를 통하여 이루어진다.) 그 뒤에 결합기(120)는 신호에 대하여 전과 마찬가지로 50%의 결합비를 가지며 펌프 파장에 대하여 0%의 결합비를 갖는 WDM 결합기가 되도록 설계되어, 거의 모든 펌프 파워가 상부 암(125)로 진행된다. 그 대신에, 결합기(120)는 신호에 대해서는 계속 50%의 결합비를 가지지만 펌프 파장에 대해서는 100%의 결합비를 가지도록 설계되어, 거의 모든 펌프 파워가 하부 암(130)으로 진행할 수도 있다. 이제부터, 도 1에 도시된 제1 실시예의 동작에 대하여 설명하는데, 기본적인 작동 모드는 전술한 다른 2개의 대안적 구성에 대하여도 거의 동일하다.
간섭계(100)의 영역(140)의 비선형 특징에 의하여, 펌프 파워는 하부 암(130)을 통하는 파이버 코아의 굴절률을 변확시킨다. 하부 암(130) 내에 신호가 전파되는 영역의 굴절률을 변화시킴으로써, 신호의 위상이 실질적으로 변화한다. 간단히 설명하자면, 펌프 광으로부터의 에너지가 파이버 영역(140)으로 흡수되면서 도펀트내의 전자가 더 높은 에너지 레벨에 도달하도록 한다. 이러한 도펀트의 전자 배치의 변화는 신호의 파장인 λs를 포함하는 광의 파장에 대한 파이버 코아의 굴절률이 변화하도록 한다. 비선형 영역(140)의 길이에 걸쳐서 적분되면, 굴절률의 변화는 하부 암(130)을 진행하는 신호의 비선형 위상 변화 δφ를 유발한다.
상부 암(125) 내의 신호는 위상 변화를 겪지않는데 (왜냐하면, 펌프 신호가 상부 암에는 입사하지 않기 때문에 상부 암의 굴절률은 거의 변화하지 않기 때문이다.), 하부 암(130)의 신호는 위상 변화 δφ를 겪으므로, 상부 암(125) 내의 신호와 하부 암(130) 내의 신호사이에 상대적인 위상 변화가 유도된다. 추가적으로, 위상 바이어스로 알려진 상수의 위상 차이가 결합기(150)에서 재결합되는 2개의 신호 사이에 존재하는데, 이는 2개의 암(125, 130)의 길이 차이에 의한 것이다. 결과적으로, 제2 결합기(150)에서 2개의 신호가 재결합될 때, 상대적인 위상 차이는 δφ에 소정의 상수인 이러한 길이 차이에 의한 위상 변화를 더한 값이 된다. δφ 와 이러한 상수의 위상 차이의 합을 이후로는 Δφ라 하겠다.
펌프 입력이 없는 경우에 암(125, 130)을 통한 전파 길이의 차이에 의한 위상 차이가 0이 되도록 조정되었다고 (즉, 모든 입력 신호가 하부 출력 포트(160)으로 출사된다고) 가정하고, 펌프 파워가 δφ=π가 되도록 선택되면, 펌프가 있는 경우에 거의 모든 신호 파워가 상부 포트(155)를 통하여 출사되므로 입력 신호는 실질적으로 하부 포트(160)에서 상부 포트(155)로 스위치된다. 입력 신호는 펌프 파워가 인가되는 동안에만 스위치되므로 이러한 타입의 스위치는 래치시키는 스위치가 아니라는 점에 주의하여야 한다. 펌프 파워가 턴-오프되면 하부 암(130)에 유도되는 비선형성이 더이상 작용하지 않으므로 신호 출력은 하부 포트(160)으로 복귀한다.
전술한 바와 같은 전부-광 스위치를 개발하고 구현하기 위해서는 많은 어려움이 있다. 예를 들어서, 어려운 점중 하나는 펌프 입력이 없는 경우에 2개의 암(125, 130)의 서로 다른 길이로 인한 위상 바이어스가 아주 정확한 값 (예를 들어, 0)으로 세트되어야 한다는 점이다. 이를 위해서는 2개의 암의 상대적인 길이를 파장의 부분까지 세밀히 제어할 필요가 있다. 이러한 것은 수 센티미터 또는 그 이상인 전형적인 암의 길이에 대하여는 매우 어려운 것으로 밝혀졌다. 이러한 어려움은 마하-젠더 파이버 암(125, 130) 중 하나에 위치한 위상 변조기 (도시되지 않음)에서 외부의 정상 상태 위상 변화를 인가하여 위상 바이어스를 원하는 값으로 정확히 세팅하여 제거하는 것이 전형적이다. 이러한 기술은 당해 기술 분야에 공지되어 있다.
두번째로 어려운 점은 위상 바이어스가 외부의 온도 변화에 매우 민감하다는 것이다. 암(125, 130)의 파이버 길이가 단지 파장의 수백배정도만이라도 다르고, 장치의 온도가 균일하게 변화한다면, 2개의 파이버 암의 굴절률 및 길이가 서로 다른 양만큼 변화하여 위상 바이어스 역시 변화시킨다. 이러한 차이는 부분적으로는 파이버의 길이에 비례하는 온도의 변화에 의한 팽창 및 수축에 의한 것으로서, 더 긴 암이 짧은 암에 비하여 더 많은 위상 변화를 겪을 것이며 이로 인하여 위상의 불균형이 야기된다. 이러한 위상 불균형으로 인하여 마하-젠더 간섭계(100)의 출력 포트(155, 160)에서의 신호 파워 분할 비율이 변화하게 된다.
간섭계(100)는 또한 온도 경사에도 민감하다. 예를 들어서, 2개의 암(125, 130)의 온도가 암 사이의 온도 경사의 변화에 의하여 서로 다른 정도로 변화한다면, 암의 길이가 정확히 동일하더라도, 출력 포트(155, 160)의 신호 파워 분할 비율이 다시 변화할 것이다.
마하-젠더 간섭계(100)가 펌프되건 펌프되지 않건 나타나는 전술한 바와 같은 온도에 종속되는 것에 의한 효과는 바람직하지 않다. 실제로는, 이러한 효과는 파이버 암(125, 130)을 가능한 한 물리적으로 서로 근접하고 짧게 만들고 (온도 경사를 최소화하기 위해서) 파이버 암의 길이를 가능한 한 동일하게 만들어서(이는 실제로는 2개의 암을 가능한 한 짧게 유지함으로써 용이해질 수 있는데, 전체 온도 변화에 대한 감도를 최소화하기 위해서이다.) 감소시킬 수 있다.
간섭계(100)의 출력 결합 비율을 능동적으로 안정화시키기 위한 다른 방법은 제어 루프를 사용하는 것인데, 이 제어 루프에서는 출력 포트중 하나의 신호를 검출하고 기준과 비교하여 기준과 검출된 출력 신호사이의 차이에 비례하는 에러 신호를 만들어낸다. 이러한 에러 신호는 그 뒤에 증폭되어 동일한 위상 변조기 (도시되지 않았음)에 공급되어 에러 신호를 동적으로 0으로 만들수 있는 충분한 위상을 인가하기 위하여 바이어스를 세트시킨다. 바이어스의 능동적인 안정화는 잘 작동하지만, 매우 성가신 일이며, 장치의 비용을 증가시키며, 광 신호에 접속할 것을 필요로 하며, 신호가 동적으로 스위치되는 경우에는 기술적인 어려움이 있다. 특히 중요한 것은, 이로 인하여 전자 회로로 스위치를 작동시켜야만 하는데, 이는 전기적 연결을 최소하시키는 것이 바람직한 파이버 센서 어레이 또는 다른 응용에서는 받아들이기 어려운 것이 전형적이다.
마하-젠더 간섭계 스위치에 대한 다른 바람직스럽지 못한 영향으로 입력 펌프 파워의 영향에 의한 것이 있다. 보다 상세히 설명하자면, 펌프 신호는 하나의 암에만 인가되므로 열은 그 암에서만 발생하며, 펌프 파워를 전송하지 않는 암에서는 발생하지 않는다. 펌프가 켜졌을 때는 마하-젠더 간섭계(100)에 대한 결합 비율의 불균형을 야기하는 폄프에 의해 유도된 열적 위상 변화가 이러한 온도의 차이로 인하여 나타난다. 이러한 효과는 열적인 것이기 때문에 느린 것이 전형적이어서 펌프가 턴-오프된 뒤에도 이러한 불균형이 없어지기 위해서는 수 마이크로 초 또는 그 이상이 필요하다. 어떤 응용에 있어서는 이러한 영향은 매우 심각한 문제가 된다.
마하-젠더 스위치에서 열적인 안정성을 위해서는 전체 온도 변화의 영향을 최소화하기 위하여 2개의 파이버 암의 길이가 거의 같아야 한다. 스위치가 넓은 온도 영역 (예를 들어, 화씨 수십도정도)에 대하여 작동하기 위해서는 마하-젠더 간섭계 스위치를 형성하는 2개의 결합기의 분할 비율이 온도에 따라서 변화하지 않아야 한다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 온도 경사가 최소화되어야 한다.
열에 대하여 안정된 파이버 마하-젠더 간섭계에 대한 종래의 설계 하나가 많은 전술한 문제를 해결하였다. 이러한 마하-젠더 간섭계는 열에 대하여 매우 안정된 결합기로서 사용되도록 설계되었는데, 여기서는 결합 비율이 열에 의하여 변화되는 것이 2중 결합기의 구성에 의하여 정확히 역으로 밸런스된다. 이러한 결합기는 1992년 1월 2일 곤티에등에게 허여된 미국 특허 제5,119,453호에 개시되어 있으며 참고로 본 서류에 동봉하였다. F. Gonthier, D. Richard, S. Lacroix, 및 J. Bures에 의하여 작성되고 1991년 8월자 OPTICS LETTERS, Vol. 16, No. 15, pp. 1201-1203에 실린 "Wavelength-flattened 2×2 splitters made of identical single-mode fibers" 역시 참조하기 바란다. 이 결합기는 캐나다의 토론토에 있는 CANSTAR로부터 입수할 수 있다. 간단히 말하자면, 상기 특허에 개시된 소형의 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계는 거의 동일한 (즉, 거의 동일한 결합 비율을 가지며, 결합 비율의 온도에 대한 종속성이 거의 동일한) 2개의 융합된 결합기를 형성하는 것에 의하여 제작된다. 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계는 서로 접촉하며 나란히 놓여 있는 2줄의 파이버로부터 제작된다. 그 뒤, 파이버는 처음에는 한곳에서 융합되어 제1 결합기를 형성하고, 그 뒤에 파이버를 따라서 1mm정도 지나서 2개의 파이버는 다시 융합되어 제2 결합기를 형성한다.
2개의 파이버의 길이가 정확히 같고, 2개의 결합기가 거의 유사한 50/50의 결합 비율을 가지고 있어도, 2개의 결합기를 같은 정도로 가열하면 간섭계가 밸런스가 맞지 않는 것을 볼 수 있는데, 이는 결합 비율이 변하기 때문이다. 그러나, 이러한 영향은 π의 위상 변화가 2개의 암사이에 있는 경우 (즉, 2개의 암의 길이가 파장의 반만큼 다른 경우)에는 피할 수 있는 것을 볼 수 있다. 2개의 암의 길이가 파장의 반만큼 다른 경우에는 2개의 결합기의 결합 비율의 변화가 거의 같아서 서로 소거된다. 이러한 보상은 먼저 밸런스된 마하-젠더 간섭계를 제작하는 것에 의하여 구현된다. 그뒤에, 2개의 마하-젠더 파이버 암을 약간 구부리고 그 출력을 π의 위상 변화가 얻어질 때까지 검사함으로써 2개의 암의 길이사이에서 π의 위상 변화가 나타난다. 그 뒤에 조립품은 접착제로 평면 실리카 기판 상에 가볍게 부착되어 구조적으로 안정되도록 한다.
결과적인 제품은 온도의 영향을 거의 받지 않는 파이버 결합기로 작동한다. 자세히 설명하자면, 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계는 융합된 단일 결합기만큼 온도에 대하여 안정되어서, -20 °C에서 +70 °C의 범위에 대하여 결합 비율이 0.2데시벨정도밖에 되지 않는 결합 비율의 변화가 측정되었다. CANSTAR에서는 이러한 장치가 1mm의 길이로 제작되지만, 이들 장치는 적당한 안정도를 유지하면서 2cm의 길이까지 제작될 수도 있다.
도 2a, 2b, 2c 및 2d 는 본 발명에 따라 구성된 전부-광 마하-젠더 파이버 스위치(200)의 실시예를 도시하는 도면이다. 각각의 실시예에서 광 스위치(200)는 광원(205)으로부터 파장이 λs인 입력 신호를 수신한다. 신호는 스위치(200)의 제1 파이버 암(210)의 입력 포트로 입사한다. 펌프 입력 소스(215)는 파장이 λp인 광 펌프 신호를 제2 파이버 암(220)의 입력 포트로 전송한다. 파이버 암(210, 220)을 구성하기 위해 사용된 파이버는, 예를 들어 Corning, Inc.의 실리카 파이버로부터 형성되는 것이 유리하다. 2개의 파이버 암(210, 220)은 융합되어 결합기(230)를 형성한다. 결합기(230)의 뒤에, 스위치(200)는 상부 파이버 암(235) 및 하부 파이버 암(240)의 2개의 파이버 암으로 분기되며, 이들은 접촉면(242)에서 밀착되어 놓여진다. 도 2a의 실시예에서는, 예를 들어 파이버 암(235, 240)이 각각 비선형 영역(245, 250)을 각각 포함하는데, 이들은 예를 들어 영역(245, 250)내의 파이버의 코아를 에르븀(erbium), 네오디뮴(neodymium), 또는 이테르븀(ytterbium)으로 도핑하여 제조된다. 도 2a의 실시예에서 도핑된 영역(245, 250)은 상부 암(235)에서는 융합된 접목(splices)(252, 254)에 의해서, 그리고 하부 암(240)에서는 융합된 접목(splices)(256, 258)에 의해서 파이버 암(235, 240)에 접목된다.
하나의 바람직한 실시예에서는, 열전도 그리스(도시되지 않음) 또는 다른 열전달 수단이 2개의 암(235, 240) 사이의 열적 결합을 개선하기 위하여 2개의 암(235, 240) 사이의 접촉면(242)에 제공된다. 자세히 후술되는 바와 같이, 열적 결합이 개선되면 2개의 암(235, 240) 사이의 열적 경사에 의한 느린 잔류 스위칭이 감소한다.
파이버 스위치(200)의 길이 방향을 따라서 파이버 암(235, 240)을 미국 특허 제5,119,453호에 개시된 기술에 따라서 융합하여 다른 결합기(260)가 제조된다. 미국 특허 제5,119,453호를 참조를 위하여 첨부한다. 결합기(230, 260)은 3-8mm정도 떨어져 있는 것이 바람직하지만, 특정한 응용에 따라서는 1mm 에서 2cm정도 떨어져 있을 수 있다. 결합기(230, 260) 사이의 거리는 도 2에 거리 "d"로 표시되어 있다. 마지막으로, 융합된 결합기(260)에 이어서 파이버는 상부 출력 암(265) 및 하부 출력 암(270)으로 분기된다.
작동시에는, 입력 광원(205)로부터 파장 λs인 광이 파이버 암의 입력 포트(210)로 입사하여, 결합기(230)에서 2개의 파이버 암(235, 240)으로 결합된다. 유리하게는, 입력 광 신호는 2개의 암(235, 240) 사이에서 대략 동일하게 분리되므로 결합기(230)는 2개의 암(235, 240) 각각에 거의 50%의 결합을 제공하는 것이 되며, 이때 암(240)내의 광의 위상은 암(235)내의 광의 위상보다 π/2가 앞선다. 2개의 신호 부분이 결합기(260)의 입력에 도달하는 때의 위상 차이에 의하여 광은 출력 포트(265, 270) 중 하나 또는 모두에 결합될 것이다. 결합기(230, 260)사이의 2개의 암(235, 240)의 길이가 정확히 같고 2개의 암이 동일한 전파 특성을 갖는다면, 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 결합기(260)에서 암(240) 내의 광의 위상은 암(235) 내의 광의 위상보다 계속해서 π/2 만큼 앞설 것이며, 입력 신호의 2개의 부분은 결합기(260)에서 보강되도록 재결합되어 출력 포트(270)을 통하여 빠져 나갈 것이다. 그러나, 암(235, 240)의 길이가 동일하지 않거나, 암(235, 240)의 전달 특성이 서로 다르다면, 2개의 암(235, 240)을 통하여 전파되는 신호가 서로 다른 위상 변화를 가지므로 결합기(260)의 입력에서 암(240) 내의 광의 위상이 더 이상 암(235) 내의 광의 위상보다 π/2만큼 앞서가지는 않을 것이다. 2개의 신호가 암(235, 240) 내를 전파하여 결합기(260)의 입력에 오는 동안에 2개의 신호 부분이 π의 차동 위상 변화를 나타낸다면, 암(235) 내의 신호 부분의 위상이 암(240) 내의 신호 부분의 위상을 π/2 만큼 앞서갈 것이며, 2개의 신호 부분은 출력 포트(265)에서 보강되도록 결합되어 거의 모든 결합된 신호가 출력 포트(265)에 결합될 것이며, 포트(270)으로 빠져 나가는 광 신호는 거의 감지될 수 없을 것이다. 어떤 신호 부분도 다른 신호 부분을 정확히 π/2만큼 앞서가지 않는다면, 광의 일부는 출력 포트(265)에 결합될 것이며 광의 일부는 출력 포트(270)에 결합될 것이다.
전술한 바와 같이, 결합기(230)는 파장이 λs인 입력 광 신호는 2개의 암(235, 240) 사이에서 거의 똑같이 분할되고 파장이 λp인 광 펌프 신호는 2개의 암(235, 240) 중에서 하나로만 전파되도록(예를 들어서, 본 논의에서는 하부 암(240)으로만 전파됨) 설계하는 것이 바람직하다. 여기서는 펌프 신호가 전파되는 암(240)을 펌프된 암(240)이라고 하겠다. 펌프된 암(240)을 통하여 진행하는 펌프 신호는 비선형 영역(250)내의 비선형성에 의하여 암의 굴절률을 변화시킨다. 따라서, 펌프된 암(240)을 통하여 진행되는 광 신호의 위상은 변화하는 반면에, 펌프되지 않은 암(235)를 통하여 진행되는 광 신호의 위상은 변화하지 않는다. 따라서, 2개의 암 내의 광 신호 사이에 차동 위상 변화가 나타난다. 차동 위상 변화가 π가 되게끔 펌프의 강도를 조정하는 것에 의하여 광 신호는 하나의 출력으로부터 다른 출력으로 스위치된다.
전술한 바와 같이 스위치가 적절하게 작동하기 위해서는 수동 간섭계 (즉, 펌프가 꺼진 경우)의 위상 바이어스는 0이나 π가 되도록 조정되어야 한다. 종래 기술에서 밝혀진 바에 의하면, 위상 바이어스가 π라면 (또는, 균등하게 3π, 5π 등이거나 -π, -3π, -5π등이라면), 스위치는 외부의 온도 변화에 대하여 민감하게 반응하지 않는다. 한편, 위상 바이어스가 0이라면 (또는, 균등하게 2π, 4π 등이거나 -2π, -4π등이라면), 스위치는 외부의 온도 변화에 대하여 상당히 민감하게 반응한다. 예를 들어서 F. Gonthier, D. Richard, S. Lacroix, 및 J. Bures에 의하여 작성되고 1991년 8월자 OPTICS LETTERS, Vol. 16, No. 15, pp. 1201-1203에 실린 "Wavelength-flattened 2×2 splitters made of identical single-mode fibers"를 참조하면 되는데, 여기에는 2-결합기 구조의 파장에 대한 독립성에 대하여 설명하고 있다. 상기 구조의 온도에 대한 종속성은 유사한 원리에 기초하고 있다.
이러한 관찰 결과에 기초하여, 스위치가 대부분 오프 상태에 있는 응용, 즉 펌프가 전체 시간중 아주 작은 부분에서만 인가되는 경우 (즉, 50%보다 작은 낮은 듀티 사이클)에는 π의 위상 바이어스를 선택하는 것이 필수적이다. 이러한 방식에 따르면, 전체 시간의 대부분을 차지하는 스위치가 오프 상태(펌프가 인가되지 않는 경우)인 경우에 2개의 암의 상대적 위상 바이어스가 π가 되어서 온도 변화에 대한 감도가 감소하게 된다. 전체 시간의 작은 일부만을 차지하는 스위치가 온 상태(펌프가 인가되는 경우)인 경우에 2개의 암의 상대적 위상 바이어스가 2π (즉, 펌프가 인가되지 않은 경우의 위상 바이어스인 π에 펌프에 의하여 유도된 π의 위상 변화를 더한 값임)가 되어서 온도 변화에 대하여 좀더 민감하게 된다. 따라서, 대부분의 시간에서는 스위치의 온도 변화에 대한 감도가 감소하게 된다.
역으로, 스위치가 대부분 온 상태에 있는 응용, 즉 펌프가 전체 시간중 대부분의 시간동안 인가될 필요가 있는 경우 (즉, 50%보다 높은 듀티 사이클)에는 0의 위상 바이어스를 선택하는 것이 필수적이다. 이러한 방식에 따르면, 전체 시간의 대부분을 차지하는 스위치가 온 상태(펌프가 인가되는 경우)인 경우에 2개의 암의 상대적 위상 바이어스가 π (즉, 펌프가 인가되지 않는 경우의 위상 바이어스인 0에 펌프에 의하여 유도된 π의 위상 변화를 더한 값임)가 되어서 온도 변화에 대한 감도가 감소하게 된다. 전체 시간의 일부만을 차지하는 스위치가 오프 상태(펌프가 인가되지 않는 경우)인 경우에 2개의 암의 상대적 위상 바이어스가 0이 되어서 온도 변화에 대하여 좀더 민감하게 된다. 따라서, 대부분의 시간에서는 스위치의 온도 변화에 대한 감도가 감소하게 된다.
스위치를 50%정도의 듀티 사이클로 작동시키려 한다면, 수동 간섭계의 위상 바이어스는 0이나 π로 조정될 수 있다.
실제로는, 수동 간섭계의 위상 바이어스는 2개의 결합기 사이에 위치한 2개의 파이버를 약간 구부려서 조정할 수 있다. 구부리는 것에 의하여 구부림의 바깥쪽에 있는 파이버에 대해서는 구부림의 안쪽에 있는 파이버보다 강한 위상 변화가 유도된다. 2개의 암 사이의 요구되는 위상의 차이, 즉 요구되는 위상 바이어스가 나타나도록 구부리는 반경을 조정한다. 그 뒤에 구부러진 파이버 영역을 기판에 부착하거나 다른 수단을 사용하여 구부러진 상태를 기계적으로 고정시킨다.
도 2a의 실시예에서는 파이버 암(235, 240)이 모두 도핑되어서 강한 비선형성을 띄며, 결합기(230, 260), 입력 파이버(210, 220) 및 출력 파이버(265, 270)는 도핑되지 않는다. 이것은 구조를 제조하기 전에 도핑된 파이버 암(235, 240)을 접목(252, 254, 256, 258)에서 수동 파이버 부분에 접목시켜서 구현한다. 또다른 제조 방법으로서, 특히 자세히 후술되는 색채 중심(color centers)에 응용될 수 있는 방법은 마하-젠더 간섭계를 제조한 뒤에 마하-젠더 간섭계의 중심부를(그리고 중심부만을) 감마선으로 조사하는 것이다. 이러한 방식으로 중심부에만 색채 중심을 유도한다. 도 2a에 표시된 실시예는 소정의 색채 중심이 강한 비선형성을 유발하며, 중심 파이버만이 도핑되고 펌프 흡수가 입력 및 출력 단자, 또는 결합기(230, 260) 내에서는 일어나지 않기 때문에 유리하다. 도펀트가 파이버 단자 및/또는 결합기에 있다면, 그러한 영역에서 펌프 흡수가 일어날 것이다. 그러면, 이러한 영역에서 펌프는 위상 변화를 발생시킬 것인데, 이러한 위상 변화는 마하-젠더 간섭계의 외부에서 발생하는 것이므로 신호의 스위칭을 발생시키지 않는다. 펌프 파워의 일부가 단지 사라지는 것이다.
도 2a의 구성에서는 2개의 파이버 암(235, 240)의 코아만이 도핑된다. 도시되지 않았지만 본질적으로 동일한 성능을 갖는 다른 구성에서는 코아와 클래딩이모두 도핑된다. 후자의 경우에는 전체 클래딩 또는 클래딩의 일부만이 도핑될 수 있다.
도 2b에 도시된 다른 실시예는 2개의 파이버 암(235, 240)중 하나만이 도핑되었다는 점 (예를 들어, 도 2b에서 펌프 신호에 의하여 펌프되는 하부 암(240)만이 도핑됨)을 제외하고는 도 2a와 같이 작동한다. 이러한 작동 모드는 하부 암(240)만이 광으로 펌프되므로 가능하다. 따라서, 펌프되지 않는 다른 암(235)은 도핑될 필요가 없다. 그러나, 비록 이러한 구성이 양호하게 작동하지만, 도펀트가 파이버의 물리적 성질 (특히, 열 전파 및 광 전파)에 큰 변화를 가져오는 경우에는 도 2a의 구성을 사용하는 것이 바람직하다. 도 2a에 도시된 바와 같이 2개의 암을 모두 도핑한 뒤에는, 2개의 암(235, 240)이 본질적으로 동일한지, 그래서 2개의 암이 외부 온도 변화에 동일하게 반응하는지 여부 및 간섭계가 원하는 상태에서 바이어스되어 있는지 여부를 확인하여야 한다.
도 2c에 도시되어 있는 또 다른 실시예에서는, 전체 마하-젠더 간섭계(200)가 도핑된 코아를 가진 파이버를 포함한다. 따라서, 도핑된 리드 파이버(220) 및 파이버 결합기(230)는 펌프 파워가 유용한 영역(240)에 도달하기 전에 일부를 흡수한다. 전술한 바와 같이, 이러한 상황은 펌프 파워의 관점에서 바람직스러운 것은 아니다. 왜냐하면, 펌프 파워 중 리드 파이버(220) 및 파이버 결합기(230)에 의하여 흡수된 부분은 이 부분이 발생시키는 위상 변화가 신호의 유용한 스위칭에는 기여하지 않기 때문에 낭비되었다고 볼 수 있기 때문이다. 그러나, 도 2a 또는 2b에 도시된 스위치보다는 도 2c에 도시된 스위치가 제조하기에는 보다 더 실용적인데, 이는 도 2c의 스위치에서는 마하-젠더 간섭계(200)를 제조하기 전에 도핑된 파이버를 도핑되지 않은 파이버에 접목할 필요가 없기 때문이다. 도핑된 파이버 내에 접목된 부분이 없으므로 이러한 부분으로 인한 추가적인 신호 및 펌프 손실이 없어진다. 간섭계 자체에 접목시킨 부분이 없는 경우에는 동일한 길이의 2개의 암(전술한 바와 같이 열적인 문제를 해결하기 위해서임)(235, 240)을 갖는 장치를 제조하는 것 역시 실제적으로 용이하게 된다. 그 뒤에 제조된 간섭계 스위치는 도핑되지 않은 입력 파이버(280, 281)에 접목(282, 283)을 통하여 접목되며, 도핑되지 않은 출력 파이버(284, 285)에 접목(286, 287)을 통하여 접목되어 스위치(200)은 도시되지 않은 광 파이버 시스템에 결합된다.
간섭계 스위치(200)에 입사하기 전에 리드 파이버(220)에서의 펌프 흡수를 감소시키기 위해서, 리드 파이버(220)의 길이는 가능한 한 짧게 만든다. 접목 부분(282, 283, 286, 287)을 융합된 결합기(230, 260)를 제조하기 전에 만들어 냄으로써, 접목 부분을 융합된 결합기(230, 260)의 위치에 인접하도록 만드는 것이 바람직하다. 리드 파이버(220)의 길이는 펌프된 암(240)의 길이보다 훨씬 짧아서 광의 대부분이 펌프된 암(240)에서 흡수되는 것을 보장하는 것이 이상적이다. 파이버 결합기(230)에서의 펌프 흡수를 감소시키기 위해서, 결합기(230)를 융합된 파이버 결합기로 만들고 장치 전체에 걸쳐서 도펀트를 도핑된 파이버의 코아 영역으로 제한하는 것이 바람직하다. 이러한 방식에 의하여, 당해 기술 분야에서 공지된 바와 같이, 결합기(230)의 결합 영역 내의 광은 2개의 융합된 파이버의 결합된 클래딩에 의하여 유도된다. 즉, 광이 도핑된 영역과 공간적으로 겹치는 부분이 최소화되며, 펌프 흡수 역시 최소화 된다. 이러한 단계, 즉 융합된 결합기를 사용하고 도펀트를 파이버의 코아로 제한하는 단계는 바람직한 것이기는 하지만, 스위치의 적절한 동작을 위하여 필수적인 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다.
도 2d는 제4의 구성을 도시하는 도면인데, 하나의 파이버(펌프되는 파이버)만이 도핑된다는 점을 제외하고는 도 2c와 동일하게 구성되어 있다. 도 2a 및 2b의 구성사이의 관계에 대하여 전술한 바와 같이, 도 2d의 구성이 양호하게 작동하지만, 도펀트로 인하여 파이버의 물리적인 특성 (특히 열적인 특성)이 상당히 변화한다면 도 2c의 구성을 대신 사용하는 것이 바람직할 것이다. 도 2c에 도시된 바와 같이 2개의 암을 모두 도핑함으로써, 2개의 암(235, 240)이 본질적으로 동일하다는 것이 보장되며, 따라서 2개의 암(235, 240)이 외부의 온도 변화에 대하여 동일한 방식으로 반응하기 때문에, 간섭계 바이어스는 안정된 상태를 유지한다.
간단히 전술한 바와 같이, 하나의 특히 바람직한 실시예에서는 비선형 도펀트로서 색채 중심을 채택한다. 도펀트로서 색채 중심을 사용하는 것은 R. W. Sadowski 등이 작성하고 1996년 7월에 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 8, No. 7, pp. 897-899에 실린 "All-Optical Switching Using Color Centers in an Irradiated Phosphorus-Doped Fiber"에 개시되어 있다. 색채 중심의 주요한 장점은 파이버 마하-젠더 스위치(200)를 제조한 뒤에 단순히 파이버 암 (파이버 리드는 조사하지 않음)을 조사하는 것에 의하여 색채 중심을 유도할 수 있다는 점이다. 파이버에 감마선을 조사하여 특별히 도핑된 파이버 내에 색채 중심을 유도할 수 있는 것이 전형적이다. 파이버 리드는 조사하지 않아서 펌프를 흡수하지 않도록 한다. 펌프는 필요한 부분 (즉, 파이버 마하-젠더 내부)에서만 흡수되어야 하므로 이러한 것은 이상적이다. 따라서, 거의 모든 펌프 신호가 비선형 영역(250)에서 흡수되어 암(240)으로 전파되는 입력 신호 부분의 위상 변화를 유도하므로, 보다 낮은 펌프 파워가 사용될 수 있다.
색채 중심이 아닌 도펀트를 사용하는 경우에는, 마하-젠더(200)를 만들기 위하여 사용되는 파이버는 처음에 에르븀(erbium), 네오디뮴(neodymium), 또는 이테르븀(ytterbium)과 같은 적절한 도펀트로 도핑하는 것이 전형적이다. 이러한 경우에는 전체 간섭계(리드를 포함하는)가 도핑되었으므로, 도 2c와 도 2d에 대하여 전술한 바와 같이, 리드 (즉, 입력 암(210, 220))는 간섭계에 결합되기 전에 과도한 펌프의 흡수를 방지하기 위하여 매우 짧아야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 측면으로는 2개의 결합기 사이에서 2개의 파이버 암의 위에 열 전도기(heat conductor) (예를 들어, 전술한 바와 같은 열 전도성 그리스)를 위치시켜서 장치에서 펌프에 위하여 유도된 열에 의한 위상 변화를 감소시키는 것이 있다. 전도기는 열이 펌프된 파이버에서 펌프되지 않은 파이버로 흐를 수 있는 경로를 제공하여 펌프에 의하여 유도되는 온도 경사를 감소시키고, 바람직스럽지 않은 암(235, 240) 사이의 열적 위상 변화를 감소시킨다. 그 대신에, 2개의 파이버는 2개의 암의 길이를 따라서 가볍게 융합될 수도 있다(클래딩 영역에서만 융합되어 암(235, 240)사이에서는 광이 결합되지 않도록). 파이버 암(235, 240)을 가볍게 융합하는 것 역시 추가적인 기계적 안정성을 제공한다.
마하-젠더 스위치(200)는 결합기(230. 260)사이의 거리가 아주 짧도록 구성되어 있으므로, 온도에 대하여 매우 안정된다. 그러나, 요구되는 위상 변화를 발생시키기 위하여 커 효과를 이용하는 경우에는 결합기(230, 260) 사이에 짧은 파이버 암을 사용하는 것은 다른 문제점을 가지고 있다. 즉, 짧은 길이의 파이버 내에서 충분히 높은 차동 위상 변화(즉, π정도의 위상 변화)를 유도하기 위해서는 아주 높은 펌프 파워가 필요하다는 것이 밝혀졌다. 커 효과가 있는 경우, 광 신호에서 유도될 수 있는 차동 위상 변화는 파이버의 길이에 비례한다. 상세히 설명하자면, 위상 차이 δφ의 종속성은 다음 수학식에 의하여 수학적으로 표현될 수 있다.
(1)
여기서 l은 파이버의 길이이고, n2는 커 효과에 의한 비선형성의 측정치이며, Ip는 입력 펌프 에너지의 강도를 표시한다.
입력 신호의 파장(약 1500nm) 및 표준 실리카 파이버의 비선형성이 주어지면, 완전한 스위칭을 구현할 수 있는 대략적인 파워와 파이버 길이의 곱은 700 wattmeter 정도로 계산된다. 따라서, 상기 수학식에서 알 수 있듯이 짧은 길이의 파이버 암은 마하-젠더 스위치(200)의 적절한 스위칭 동작을 보장하기 위하여 필요한 위상 변화를 유도하기 위하여 높은 펌프 파워를 요구한다. 전술한 바와 같은 전형적인 짧은 마하-젠더 설계에서 도핑되지 않은 실리카 파이버에 커 효과가 이미 존재하는 경우에는, 이러한 결합기 사이의 파이버 암의 길이가 짧으면(예를 들어, 1mm정도) 완전한 스위칭을 달성하기 위하여 700kW 정도의 첨두 펌프 파워가 필요할 것이다. 이러한 파워는 실제적인 응용에서는 사용할 수 없을 정도록 높은 것으로서 파이버 입력단(220) 역시 파괴할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 높은 농도의 도펀트가 하나 또는 그 이상의 파이버 암(235, 240)의 영역(245, 250)(도 2a 또는 도 2b)에 첨가되어 그 영역의 파이버의 비선형성을 강화한다. 비선형 영역(250)에서는 펌프 파워를 흡수하여, 마하-젠더 스위치(200) 내의 사용 가능한 짧은 길이(수 cm 혹은 그 미만)에서 완전한 스위칭이 발생하도록 하기 위하여 요구되는 π의 비선형 위상 변화를 발생시킨다. 예를 들어서, 적절한 도펀트와 농도를 사용하면, 영역(250)의 비선형성은 충분히 강화되어 완전한 스위칭을 구현하기 위하여 1milliwatt정도의 펌프 파워만 필요하게 될 수도 있다. 실제로는 약 100milliwatts 정도의 스위칭 파워를 허용하는 도핑 농도, 길이, 및 비선형성 역시 받아들일 만하다. R. H. Pantell 등이 작성하고, 1993년 9월에 JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 11, No. 9, pp. 1416-1424의 "Analysis of Nonlinear Optical Switching in an Erbium-Doped Fiber"에 개시된 기술에 의하여 요구되는 레벨의 도핑 농도를 제공할 수 있다.
소정의 실시예에서는, 파이버 암(235, 240)은 색채 중심뿐만 아니라, 에르븀(erbium), 네오디뮴(neodymium), 또는 이테르븀(ytterbium)과 같은 도펀트로 도핑할 수도 있다. 에르븀(erbium), 네오디뮴(neodymium), 또는 이테르븀 (ytterbium)과 같은 도펀트의 농도는 스위칭에 필요한 펌프 파워가 충분히 짧은 길이의 파이버 (예를 들어, 대략 1센티미터 미만)에서 흡수될 수 있도록 하기 위하여 백만개당 5000개 정도가 될 수도 있다.
색채 중심은 본질적으로 파이버를 조사하는 것에 의하여 유도되는 광을 흡수하는 파이버 내의 결함인데, 소정의 실시예에서는 높은 흡수율과 고속 스위칭 특성으로 인하여 매우 유리하다. 간략히 전술한 바와 같이, 광도파관의 비선형 영역에 펌프 광이 주입되면, 펌프 광을 흡수하는 것에 의하여 전자들이 보다 높은 에너지 레벨로 상승하기 때문에 굴절률이 변화한다. 펌프 광이 턴-오프되자마자, 전자는 원래의 에너지 레벨로 다시 떨어지면서, 도파관의 원래의 굴절률을 회복한다. 전가가 기저 상태로 매우 빨리 돌아온다는 것은 색채 중심의 관찰된 성질이므로, 하나의 굴절률에서 다른 굴절률로의 스위칭(그리고, 하나의 출력 포트에서 다른 출력포트로의 광의 스위칭) 역시 매우 빨리 일어 난다. 더욱이, 색채 중심은 매우 흡수성이 강해서 다른 많은 타입의 도펀트에 비하여 짧은 거리에서 주어진 파워를 흡수할 수 있다.
적절한 재료로 도핑된 파이버에서 시작하여, 색채 중심이 충분히 집중되도록 선택된 시간동안 상기 파이버를 감마선에 조사하여 색채 중심을 만들수 있다. 하나의 특별한 실시예에서는, 색채 중심을 사용하여 비선형성을 발생시키는 것은 파이버를 산화 인(phosphorous oxide: P2O5)으로 미리 도핑하고 파이버를 감마선으로 조사하는 것에 의하여 달성되는 것이 전형적이다. 결과적인 파이버는 파장 범위가 750nm정도인 적외선 스펙트럼 내의 광을 흡수하는 산화 인 홀 중심(phosphorous oxygen hole centers: POHC)을 포함한다. 색채 중심의 농도는 원래의 도펀트(즉, 색채 중심 프리커서)(color center precursor)의 농도와 감마선의 조사량에 의하여 결정되며, 이들 값은 마하-젠더 파이버 스위치의 길이에 대하여 색채 중심의 충분한 농도를 얻도록 선택한다. 그러나, 색채 중심을 사용하면서 나타나는 난점은 어떤 색채 중심은 광-표백(photo-bleach)되어서 일정한 시간이 지나면 색채 중심이 더 이상 펌프 파워를 흡수하는 효과가 없다는 것이다. 따라서, 광-표백을 견디는 영구적인 특성을 갖는 색채 중심을 만드는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 실리카 상에 또는 실리카 기판(305)상에서 배양된 실리카 상에 일체형 광 마하-젠더 스위치(300)을 형성한다. 일체형 광 마하-젠더 스위치(300)는 파이버 마하-젠더 스위치(200)와 거의 같은 크기를 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 일체형 광 마하-젠더 스위치는 대응되는 입력 암(320, 325)에 결합되는 입력 포트(310, 315)를 포함한다. 기판내에서 암(320, 325)이 만나는 곳에 결합기(330)을 형성한다. 결합 부분(330) 뒤에, 일체형 광 마하-젠더 스위치(300)는 분리된 암(335, 340)으로 분기되며, 이들 암 사이의 양호한 열적 결합을 제공하기 위하여 이들 암(335, 340)은 인접하거나 아주 근접하는 것이 유리하다. 하나 또는 그 이상의 암(335, 340)을 영역(345, 350)에서 각각 도핑하기 위하여 그 이상의 마스킹을 사용할 수도 있다. 그 뒤에, 다른 결합기(360)를 결합기(330)으로부터 1mm에서 2cm정도 떨어져서 형성한다. 최종적으로, 일체형 광 마하-젠더 스위치(300)는 한 쌍의 출력 포트(365, 370)로 분기된다. 실리카 대신에 다른 재료를 사용할 수 있음이 이해되어야 한다.
일체형 마하-젠더 스위치(300)의 동작은 파이버 마하-젠더 스위치(200)의 동작과 거의 유사하다. 물론, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 파이버 리드를 입력 포트(310, 350) 및 출력 포트(365, 370)에 결합시키는 것과 같은 일체형 광 도파관의 사용의 독특한 기술이 스위치(300)에서 사용된다는 것을 이해할 것이다.
도 4a 내지 4c는 펌프 입력 파워에 의하여 결합기 사이의 전파 경로에 미치는 펌프에 의하여 유도된 열의 영향을 도시하는 도면이다. 특히, 도 4a의 펄스(400)에 의하여 나타난 바와 같이, 펌프 입력 신호는 주기적으로 펄스되어 펌프 입력 광원이 펄스될 때마다 급작스런 파워 입력이 마하-젠더 스위치(200 또는 300)에 제공된다. 이러한 펄스 펌프 입력이 도 2a 내지 2d의 스위치(200)의 펌프된 암(240)내의 온도에 미치는 영향이 도 4b의 온도 곡선으로 보여진다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제1 펌프 입력 펄스에 의하여 펌프된 암(240)의 온도가 갑자기 상승하는데, 이는 이 펄스로부터의 에너지가 펌프된 암(240) 내의 도핑된 영역에서 흡수되기 때문이다. 입력 펌프 신호로부터의 에너지중 일부가 펌프된 암(240) 내의 전자의 에너지 레벨을 상승시키는데 사용되어 펌프된 암(240)의 굴절률 전파 성질을 변화시키지만, 전자는 부분적으로는 비방열 과정(nonradiative processes)에 의하여 기저 상태로 다시 떨어지면서 이러한 낮은 에너지 레벨로의 복귀에 반응하여 열을 방출할 수도 있다. 이것이 펌프된 암(240) 내의 과도적 온도가 존재하는 것을 설명한다. 펌프된 암(240) 내의 온도는 펌프 입력 펄스의 지속 기간동안 상승하고 펌프 펄스가 가해진 뒤에는 마하-젠더 스위치(200)을 둘러싸는 주변으로 열이 방출되면서 서서히 감소하는 것이 관찰되는 것이 전형적이다.
입력 펌프 펄스 사이의 시간 간격이 충분히 짧다면, 그 다음 펄스가 도달할 때까지 펌프된 암(240)의 코아로부터 열이 모두 소모되지 않으므로, 다음 펄스에 의하여 또 다시 온도가 상승한다. 제2 펄스 이후의 펌프된 암(240)의 코아의 첨두 온도는 제1 펄스 이후의 펌프된 암(240)의 첨두 온도보다 약간 높을 것이다. 많은 펄스가 발생한 뒤에 소모되는 열과 펌프된 암(240)에서 발생하는 열 사이에 균형이 이루어질 때까지 이러한 패턴이 반복될 것이다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이 이러한 일정한 온도 증가는 상승하고 하강하는 온도의 패턴이 계단 형태로 나타난다. 도 4b의 파선(420)은 온도의 베이스 라인의 증가를 도시한다. 이 베이스 라인은 인가되는 펌프 펄스가 증가함에 따라 점진적으로 증가하며, 결국은 도 4b에서 △T로 표시된 정상 상태값에 도달한다. 도 4b에서는 간단히 설명하기 위하여 온도 곡선(420)이 몇 개의 입력 펄스가 인가된 뒤에 정상 상태값인 △T에 접근하는 것으로 도시되었지만, 실제로는 이러한 정상 상태값에 도달하기까지 수백 또는 수천개의 펄스 (또는 그 이상)가 필요하다는 것이 이해될 것이다. 이러한 이유로 인하여, 도 4b에 도시된 예와는 달리, 정상 상태값 △T는 하나의 펌프 펄스에 의한 온도 증가보다 훨씬 크다.
2개의 암이 열적으로 결합되어 있지 않다면, 즉 2개의 암(235, 240)이 열적으로 멀리 떨어져 있다면, 펌프된 암(240)만이 가열될 것이다. 결과적으로, 펌프된 암(240)의 굴절률이 변화할 것이다 (왜냐하면, 길이와 굴절률이 모두 온도에 종속되기 때문이다.). 그러나, 펌프되지 않은 암(235)은 이러한 굴절률의 변화가 없을 것이다. 따라서, 광 신호는 이러한 불균형한 가열로 인하여 추가적으로 위상이 변화할 것이다 (또 다른 위상 변화는 비선형 위상 변화이다.). 이러한 열적 위상 변화는 간섭계의 균형을 깨뜨리므로 바람직스럽지 못하다. 이것이 시간에 대하여 독립적으로 변화한다면, 2개의 암(235, 240) 사이에 교정 위상 변화를 인가하여 오프셋 시킬 수 있지만, 열적 위상 변화는 시간에 대하여 종속된다. 따라서, 본 발명의 해결책은 암(235, 240) 사이의 열전달을 개선하여 2개의 암을 거의 같은 온도로 유지하는 것이다. 도 4c는 마하-젠더 스위치(200)의 암 사이에 효과적인 열적 결합이 제공되는 본 발명의 바람직한 실시예와 관련된 장점을 도시하고 있다. 도 4c의 곡선(420)은 펌프된 암(240)에서 발생하는 온도 상승을 표시하는데, 도 4b에 도시된 곡선(420)과 거의 동일하다. 곡선(430)은 펌프된 암(240)에서 펌프되지 않은 암(235)으로 열이 전달되는 것으로 인한 펌프되지 않은 암(235)의 온도 상승을 표시한다. 도 4c의 온도 곡선(430)은 몇 개의 펌프 입력 펄스가 인가된 뒤에 평균 온도 상승에 접근하는 것으로 도시되어 있지만, 실제로는 펌프되지 않은 암(235)을 펌프된 암(240)의 평균 온도와 거의 동일한 평균 온도 레벨로 상승시키기 위해서는 수백 또는 수천개의 입력 펄스(또는 그 이상)가 필요하다는 것이 이해될 것이다. 펌프되는 암(240)으로부터의 열을 펌프되지 않은 암(235)에 결합시킴으로써, 충분한 펄스가 인가된 뒤에는, 2개의 암 모두에서 거의 동일한 온도 베이스 라인을 관찰할 수 있으며, 2개의 암 사이의 유일한 온도 차이는 각각의 펌프 입력 펄스에서 발생하는 짧은 기간 뒤에만 발생한다. 따라서, 아주 작고 관리할 수 있으며 일시적인 온도 차이가 매 펄스마다 2개의 암(235, 240) 사이에서 발생한다. 2개의 암(235, 240) 사이에 열적 결합이 불충분하다면, 2개의 암 사이의 온도의 차이는 도 4b에 도시된 온도 상승의 절대적 크기와 거의 같을 것이다. 이 값은 도 4b에서 △T로 나타났다. 대조적으로, 열적 결합이 우수한 경우의 2개의 암(235, 240) 사이의 온도 변화의 최대치는 도 4c에 δT로 도시되어 있는데, ΔT보다 훨씬 작은 것이 전형적이다.
요약하자면, 본 발명은 능동적으로 안정화시킬 필요가 없는, 온도에 대하여 안정된 비선형 파이버 스위치를 만들기 위하여 함께 사용되는 것이 원래는 의도되지 않은 기존의 개념 및 기술을 결합한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 상세하게 기술되었지만, 본 발명의 정신 및 핵심적인 특성을 벗어나지 않고서도 소정의 명백한 변경 및 응용이 당업자에게는 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어서 높은 농도의 몇가지 타입의 도핑 물질이 마하-젠더 스위치의 펌프 암을 도핑하기 위하여 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 본질에서 벗어남이 없이 파이버 또는 일체형 광 스위치를 제조하기 위한 기술을 약간 변화시킬 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구 범위에 의하여 정의되어야 한다.
본 발명에 따라서, 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계를 사용하는 전부-광 파이버 스위치가 개시된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 매우 높은 농도의 적절한 도펀트를 삽입하여 짧고 온도에 대하여 안정된 마하-젠더 간섭계 내에 아주 높은 비선형성이 발생하는데, 이를 통하여 π의 차동 위상 변화를 유발하기 위하여 요구되는 펌프 파워가 파이버 내의 항복 효과(breakdown effect)를 피할 정도로 충분히 낮게 할 수 있다.
본 발명의 하나의 측면은 광 신호 및 펌프 신호(pump signal)를 입력으로 수신하고 제1 결합된 출력 및 제2 결합된 출력(first and second coupled outputs)을 제공하는 제1 광 결합기(first optical coupler),
상기 제1 결합된 출력과 광 통신하는 제1 광 도파관(first optical waveguide) -상기 제1 광 도파관은 상기 제1 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 광 신호의 제1 부분을 구비함-,
상기 제2 결합된 출력과 광 통신하는 제2 광 도파관(second optical waveguide) -상기 제2 광 도파관은 상기 제2 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 펌프 신호 및 상기 광 신호의 제2 부분을 구비함-, 및
상기 제1 및 제2 광 도파관을 입력으로 수신하고 제1 및 제2 출력 포트를 제공하는 제2 광 결합기를 포함하며,
상기 제1 및 제2 광 도파관은 열적으로 안정되기에 충분한 짧은 길이(예를 들어, 2cm 미만)를 가지며, 상기 제2 광 도파관은 또한 낮은 펌프 파워에서 상기 광 신호의 제1 부분에 대한 상기 광 신호의 제2 부분의 상대적인 위상 변화 차이(relative phase shift difference)가 180도가 되기에 충분한 비선형성을 갖는 광 스위치이다. 제2 결합기는 펌프 시그널이 있는지 없는지에 따라 출력 신호를 제1 및 제2 출력 포트 중 하나에 제공한다. 상기 제1 및 제2 광 도파관은 1mm에서 1cm정도이며, 상기 펌프 파워는 1에서 10밀리와트(milliwatts)정도인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은 광 입력 신호 및 펌프 입력 신호를 수신하고 제1 결합된 출력 및 제2 결합된 출력을 제공하는 제1 광 결합기,
상기 제1 결합된 출력을 수신하도록 상기 제1 광 결합기와 광 통신하는 제1 광 도파관 -상기 제1 광 도파관은 상기 제1 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 광 입력 신호의 제1 부분을 구비함-,
상기 제2 결합된 출력을 수신하도록 상기 제1 광 결합기와 광 통신하는 제2 광 도파관 -상기 제2 광 도파관은 상기 제2 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 펌프 입력 신호 및 상기 광 입력 신호의 제2 부분을 구비함-, 및
상기 제1 및 제2 광 도파관으로부터의 광을 입력으로 수신하고, 상기 광에 응답하여 광 출력 신호를 제1 및 제2 출력 포트에 선택적으로 제공하는 제2 광 결합기를 포함하며,
상기 제1 및 제2 광 도파관은 열적으로 안정되기에 충분한 짧은 길이를 가지며, 상기 제2 광 도파관은 상기 펌프 신호의 낮은 입력 파워가 제공되는 경우에, 상기 광 입력 신호의 제1 및 제2 부분 사이의 차동 위상 변화(phase shift differential)를 유도하여 상기 광 출력 신호가 상기 제1 출력 포트로부터 상기 제2 출력 포트로 거의 완전히 스위칭되도록 야기하기에 충분한 비선형성을 갖는 광 스위치이다. 상기 제1 및 제2 광 도파관은 1mm에서 1cm정도이며, 상기 펌프 파워는 1에서 10밀리와트(milliwatts)정도인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은 온도에 대하여 안정된 파이버 마하-젠더 광 스위치(fiber Mach-Zehnder optical switch)에 있어서,
마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder) 및 펌프 입력원(pump input source)을 포함하며,
상기 마하-젠더 간섭계를 통하여 입력 신호가 전파되어 상기 입력 신호의 제1 부분은 제1 출력 포트에 결합되며 상기 입력 신호의 제2 부분은 제2 출력 포트에 결합되며, 상기 제1 부분의 파워와 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 파워의 합의 비율이 결합 비율(coupling ratio)을 정의하며, 상기 간섭계는 대략 -20℃에서 50℃의 범위에 걸쳐 상기 결합 비율이 0.2dB를 넘게 변하지 않는 정도의 온도에 대한 안정성을 가지고 있으며,
상기 펌프 입력원은 광 스위칭을 제공하기 위하여 상기 결합 비율의 변화에 영향을 미치는 입력 펌프 신호를 공급하며, 상기 펌프 신호가 존재하는 경우에도 능동적으로 안정화(active stabilization)시킬 필요없이 상기 간섭계의 온도에 대한 안정성이 유지되는 광 스위치이다. 상기 간섭계의 온도에 대한 안정성은 대략 -20℃에서 70℃의 범위에 걸쳐 상기 결합 비율이 0.2dB를 넘게 변하지 않는 정도인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면은 전부-광 스위치(all-optical switch)로 사용하기 위한 파이버 마하-젠더 간섭계에 있어서,
광 입력 신호 및 펌프 신호를 수신하고, 광을 제1 및 제2 파이버 암(first and second fiber arms)에 결합시키는 제1 결합기,
상기 제1 및 제2 파이버 암을 통하여 상기 제1 결합기와 광 통신하는 제2 결합기 -상기 제1 및 제2 파이버 암은 열적으로 안정될만큼 충분히 짧은 길이 (예를 들어 2cm 미만)를 갖는 광 전파 경로를 상기 제1 및 제2 결합기 사이에 정의함-, 및
상기 제2 결합기와 광 통신하는 제1 및 제2 출력 포트를 포함하며,
10 밀리와트(milliwatts) 정도의 펌프 파워가 상기 제1 파이버 암에 인가되는 경우에 상기 광 입력 신호가 상기 제1 출력 포트로부터 상기 제2 출력 포트로 완전히 스위칭되도록 하기에 충분한 도핑 농도를 갖는 도펀트로 상기 제1 파이버 암을 도핑한 간섭계이다. 상기 도펀트는 에르븀(erbium)이며 백만개당 50,000 파트(parts) 정도의 농도를 갖는 것이 바람직하다. 그 대신에, 상기 도펀트는 네오디뮴(neodymium)이며 백만개당 50,000 파트(parts) 정도의 농도를 갖을 수도 있다. 또한, 상기 도펀트는 이테르븀(ytterbium)이며 백만개당 50,000 파트(parts) 정도의 농도를 갖을 수도 있다.
본 발명의 다른 측면은 전부-광 스위치(all-optical switch)로 사용하기 위한 파이버 마하-젠더 간섭계에 있어서,
상기 간섭계를 통하여 전파되는 광 신호를 분할하고 재결합하는(split and recombine) 제1 및 제2 결합기 -상기 제1 및 제2 결합기는 열적으로 안정되기에 충분한 짧은 길이 (예를 들어, 2cm미만)의 전파 경로를 그 사이에 구비함-, 및
상기 제2 결합기의 출력에서 상기 광 신호를 완전히 스위칭하기에 충분한 비선형성을 갖는 상기 전파 경로 내의 파이버 암 -상기 스위칭은 상기 간섭계를 손상시키지 않으며 열에 의한 유해한 효과가 나타나지 않는 것을 보장할 정도로 충분히 낮은 입력 파워를 갖는 펌프 신호를 이용함-을 포함하는 간섭계이다.
본 발명의 다른 측면은 제1 및 제2 결합기를 구비하는 짧은 파이버 마하-젠더 간섭계를 사용하기 위한 방법에 있어서, 상기 제1 및 제2 결합기 사이의 전파 경로의 거리는 열적으로 안정되기에 충분한 정도로 짧으며 (예를 들어서, 2cm 미만),
상기 간섭계의 제1 포트에 광 입력 신호를 입력하는 단계,
상기 간섭계의 제2 포트에 펌프 스위칭 신호를 입력하는 단계, 및
상기 광 입력 신호를 상기 간섭계의 하나의 출력 포트에서 다른 출력 포트로 스위칭하기 위하여 상기 펌프 스위칭 신호의 에너지를 제어함으로써, 상기 간섭계를 전부-광 스위치로 사용하는 단계를 포함하는 방법이다.

Claims (34)

  1. 광 신호 및 펌프 신호(pump signal)를 입력으로 수신하고 제1 결합된 출력 및 제2 결합된 출력(first and second coupled outputs)을 제공하는 제1 광 결합기(first optical coupler),
    상기 제1 결합된 출력과 광 통신하는 제1 광 도파관(first optical waveguide) -상기 제1 광 도파관은 상기 제1 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 광 신호의 제1 부분을 구비함-,
    상기 제2 결합된 출력과 광 통신하는 제2 광 도파관(second optical waveguide) -상기 제2 광 도파관은 상기 제2 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 펌프 신호 및 상기 광 신호의 제2 부분을 구비함-, 및
    상기 제1 및 제2 광 도파관을 입력으로 수신하고 제1 및 제2 출력 포트를 제공하는 제2 광 결합기를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 광 도파관은 열적으로 안정되기에 충분한 짧은 길이를 가지며, 상기 제2 광 도파관은 또한 낮은 펌프 파워에서 상기 광 신호의 제1 부분에 대한 상기 광 신호의 제2 부분의 상대적인 위상 변화 차이(relative phase shift difference)가 180도가 되기에 충분한 비선형성을 갖는
    광 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 광 도파관은 1mm에서 1cm정도이며, 상기 펌프 파워는 1에서 10밀리와트(milliwatts)정도인 광 스위치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관은 광 파이버인 광 스위치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관은 일체형 광 기판(integrated optics substrate) 내에 형성되는 광 스위치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 결합기는 융합된 파이버 결합기(fused fiber couplers)인 광 스위치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관의 길이는 2cm 미만인 광 스위치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관의 길이는 1mm 정도인 광 스위치.
  8. 광 입력 신호 및 펌프 입력 신호를 수신하고 제1 결합된 출력 및 제2 결합된 출력을 제공하는 제1 광 결합기,
    상기 제1 결합된 출력을 수신하도록 상기 제1 광 결합기와 광 통신하는 제1 광 도파관 -상기 제1 광 도파관은 상기 제1 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 광 입력 신호의 제1 부분을 구비함-,
    상기 제2 결합된 출력을 수신하도록 상기 제1 광 결합기와 광 통신하는 제2 광 도파관 -상기 제2 광 도파관은 상기 제2 광 도파관을 통하여 전파되는 상기 펌프 입력 신호 및 상기 광 입력 신호의 제2 부분을 구비함-, 및
    상기 제1 및 제2 광 도파관으로부터의 광을 입력으로 수신하고, 상기 광에 응답하여 광 출력 신호를 제1 및 제2 출력 포트에 선택적으로 제공하는 제2 광 결합기를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 광 도파관은 열적으로 안정되기에 충분한 짧은 길이를 가지며, 상기 제2 광 도파관은 상기 펌프 신호의 낮은 입력 파워가 제공되는 경우에, 상기 광 입력 신호의 제1 및 제2 부분 사이의 차동 위상 변화(phase shift differential)를 유도하여 상기 광 출력 신호가 상기 제1 출력 포트로부터 상기 제2 출력 포트로 거의 완전히 스위칭되도록 야기하기에 충분한 비선형성을 갖는
    광 스위치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 광 도파관은 1mm에서 1cm정도이며, 상기 펌프 파워는 1에서 10밀리와트(milliwatts)정도인 광 스위치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관은 광 파이버인 광 스위치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관은 일체형 광 기판(integrated optics substrate) 내에 형성되는 광 스위치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 결합기는 융합된 파이버 결합기(fused fiber couplers)인 광 스위치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관의 길이는 2cm 미만인 광 스위치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광 도파관의 길이는 1mm 정도인 광 스위치.
  15. 온도에 대하여 안정된 파이버 마하-젠더 광 스위치(fiber Mach-Zehnder optical switch)에 있어서,
    마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder) 및 펌프 입력원(pump input source)을 포함하며,
    상기 마하-젠더 간섭계를 통하여 입력 신호가 전파되어 상기 입력 신호의 제1 부분은 제1 출력 포트에 결합되며 상기 입력 신호의 제2 부분은 제2 출력 포트에 결합되며, 상기 제1 부분의 파워와 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 파워의 합의 비율이 결합 비율(coupling ratio)을 정의하며, 상기 간섭계는 대략 0℃에서 50℃의 범위에 걸쳐 상기 결합 비율이 0.2dB를 넘게 변하지 않는 정도의 온도에 대한 안정성을 가지고 있으며,
    상기 펌프 입력원은 광 스위칭을 제공하기 위하여 상기 결합 비율의 변화에 영향을 미치는 입력 펌프 신호를 공급하며, 상기 펌프 신호가 존재하는 경우에도 능동적으로 안정화(active stabilization)시킬 필요없이 상기 간섭계의 온도에 대한 안정성이 유지되는
    광 스위치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 간섭계의 온도에 대한 안정성은 대략 -20℃에서 70℃의 범위에 걸쳐 상기 결합 비율이 0.2dB를 넘게 변하지 않는 정도인 광 스위치.
  17. 전부-광 스위치(all-optical switch)로 사용하기 위한 파이버 마하-젠더 간섭계에 있어서,
    광 입력 신호 및 펌프 신호를 수신하고, 광을 제1 및 제2 파이버 암(first and second fiber arms)에 결합시키는 제1 결합기,
    상기 제1 및 제2 파이버 암을 통하여 상기 제1 결합기와 광 통신하는 제2 결합기 -상기 제1 및 제2 파이버 암은 열적으로 안정될만큼 충분히 짧은 길이를 갖는 광 전파 경로를 상기 제1 및 제2 결합기 사이에 정의함-, 및
    상기 제2 결합기와 광 통신하는 제1 및 제2 출력 포트를 포함하며,
    1에서 10 밀리와트(milliwatts) 정도의 펌프 파워가 상기 제1 파이버 암에 인가되는 경우에 상기 광 입력 신호가 상기 제1 출력 포트로부터 상기 제2 출력 포트로 완전히 스위칭되도록 하기에 충분한 도핑 농도를 갖는 도펀트로 상기 제1 파이버 암을 도핑한 간섭계.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 파이버 암 역시 상기 도펀트로 도핑한 간섭계.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제2 파이버 암을 도핑하지 않은 간섭계.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제1 결합기 및 상기 제2 결합기를 제1 및 제2 광 파이버 상에 형성하고,
    상기 제1 파이버 암은 상기 제1 결합기 및 상기 제2 결합기 사이의 상기 제1 광 파이버의 부분을 포함하며,
    상기 제2 파이버 암은 상기 제1 결합기 및 상기 제2 결합기 사이의 상기 제2 광 파이버의 부분을 포함하며,
    상기 제1 광 파이버를 상기 도펀트로 도핑하여 상기 제1 파이버 암을 도핑하는 간섭계.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 광 파이버는 도핑되지 않은 간섭계.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제1 결합기 및 상기 제2 결합기를 제1 및 제2 광 파이버 상에 형성하고,
    상기 제1 파이버 암은 상기 제1 결합기 및 상기 제2 결합기 사이의 상기 제1 광 파이버의 부분을 포함하며,
    상기 제2 파이버 암은 상기 제1 결합기 및 상기 제2 결합기 사이의 상기 제2 광 파이버의 부분을 포함하며,
    상기 제1 광 파이버를 상기 도펀트로 도핑하여 상기 제1 파이버 암을 도핑하며,
    상기 제2 광 파이버를 상기 도펀트로 도핑하여 상기 제2 파이버 암을 도핑하는 간섭계.
  23. 제17항에 있어서, 상기 제1 파이버 암 및 상기 제2 파이버 암은 그 사이의 열적 경로(thermal path)에 의하여 열적으로 결합된 간섭계.
  24. 제17항에 있어서, 상기 도펀트는 에르븀(erbium)이며 백만개당 50,000 파트(parts) 정도의 농도를 갖는 간섭계.
  25. 제17항에 있어서, 상기 도펀트는 네오디뮴(neodymium)이며 백만개당 50,000 파트(parts) 정도의 농도를 갖는 간섭계.
  26. 제17항에 있어서, 상기 도펀트는 이테르븀(ytterbium)이며 백만개당 50,000 파트(parts) 정도의 농도를 갖는 간섭계.
  27. 제17항에 있어서, 상기 광 전파 경로의 길이는 2cm 미만인 광 스위치.
  28. 제17항에 있어서, 상기 광 전파 경로의 길이는 1mm 정도인 광 스위치.
  29. 전부-광 스위치(all-optical switch)로 사용하기 위한 파이버 마하-젠더 간섭계에 있어서,
    상기 간섭계를 통하여 전파되는 광 신호를 분할하고 재결합하는(split and recombine) 제1 및 제2 결합기 -상기 제1 및 제2 결합기는 열적으로 안정되기에 충분한 짧은 길이의 전파 경로를 그 사이에 구비함-, 및
    상기 제2 결합기의 출력에서 상기 광 신호를 완전히 스위칭하기에 충분한 비선형성을 갖는 상기 전파 경로 내의 파이버 암 -상기 스위칭은 상기 간섭계를 손상시키지 않으며 열에 의한 유해한 효과가 나타나지 않는 것을 보장할 정도로 충분히 낮은 입력 파워를 갖는 펌프 신호를 이용함-을
    포함하는 간섭계.
  30. 제29항에 있어서, 상기 전파 경로의 길이는 2cm 미만인 광 스위치.
  31. 제29항에 있어서, 상기 전파 경로의 길이는 1mm 정도인 광 스위치.
  32. 제1 및 제2 결합기를 구비하는 짧은 파이버 마하-젠더 간섭계에 있어서, 상기 제1 및 제2 결합기 사이의 전파 경로의 거리는 열적으로 안정되기에 충분한 정도로 짧으며,
    상기 간섭계의 제1 포트에 광 입력 신호를 입력하는 단계,
    상기 간섭계의 제2 포트에 펌프 스위칭 신호를 입력하는 단계, 및
    상기 광 입력 신호를 상기 간섭계의 하나의 출력 포트에서 다른 출력 포트로 스위칭하기 위하여 상기 펌프 스위칭 신호의 에너지를 제어함으로써, 상기 간섭계를 전부-광 스위치로 사용하는 단계
    를 포함하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 전파 경로의 길이는 2cm 미만인 광 스위치.
  34. 제32항에 있어서, 상기 전파 경로의 길이는 1mm 정도인 광 스위치.
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