KR20010033183A - 가변 비선형 쳐프트 격자 - Google Patents

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윌너알란엘리
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Abstract

본 발명은 가변 분산 보상, 직접 변조된 다이오드 레이저(102)에서의 쳐프 감축 및 광학 펄스 처리를 위한 비선형 쳐프트 광섬유 격자(100)에 관한 것이다. 다이내믹한 분산 보상 매커니즘은 비선형 쳐프트 광섬유 격자(100)를 기초로 하는 광섬유 통신 시스템에서 구현될 수 있다.

Description

가변 비선형 쳐프트 격자{TUNABLE NONLINEARLY CHIRPED GRATING}
많은 광학적 물질들은 상이한 파장의 광파에 대해서 상이한 반응을 보여준다. 잘 알려진 한 가지 현상으로서 색 분산(chromatic dispersion)이 있는데, 종종 간단히 "분산"으로서 불리어진다. 이는 매질의 굴절률이 광파의 파장에 의존됨을 의미한다. 흔히 분산으로 인해서 상이한 파장의 광파는 주어진 매질에서 다른 속도로 이동하는데, 이는 광의 속도가 굴절률에 의존하기 때문이다.
광학적 물질의 분산은 파장에 비선형적으로 관련된다. 그룹 속도는 흔히 분산을 특성화시킨다. 그룹 속도는 매질에서 광파의 전파 상수의 주파수에 대한 도함수와 관련된다. 제1 차 그룹 속도 분산은 통상적으로 광 파장의 변화에 대한 광섬유의 일정 단위 길이에 걸친 광 전파 시간의 변화로서 표현된다. 원격 통신에서 종래의 광섬유에 대하여, 제1 차 그룹 속도 분산은 1550nm에서 10ps/nm/km로 주문되어 있다.
여러 애플리케이션에서, 광 신호는 상이한 파장의 스펙트럼 성분으로 구성된다. 예컨대, 단일 주파수 광 캐리어는 그 캐리어에 정보를 실기 위해서 변조될 수 있다. 그러한 변ㄴ느늦느조는 캐리어 주파수와 상이한 주파수대에 변조 측파대를 발생시킨다. 또 다른 예로, 광 펄스는 광 데이터 처리 및 통신 애플리케이션에서 광범위하게 사용되는데, 이러한 광 펄스는 어떤 일정한 스펙트럼 범위에 스펙트럼 성분을 포함한다. 분산 효과는 상이한 스펙트럼 성분들의 상이한 지연으로 인해 신호상에 역 효과를 유발할 수 있다.
분산은 특히 단일 채널 또는 파장 분할 다중("WDM") 광섬유 통신 시스템에서 신호 중계기 없이 시스템 데이터 속도 및 전송 거리를 증가시키는데 있어서 장애가 된다. 시장에서의 증가되는 요구를 충족시키기 위해서 10 Gbit/s 또는 그 이상의 데이터 전송 속도가 요구될 수 있다. 분산은 펄스 확산을 유발하는 거리에 걸쳐 축적될 수 있다. 펄스 열에서 두개의 인접한 펄스는 높은 데이터 속도에서 서로서로 오버랩될 수 있다. 그러한 펄스 오버랩은 흔히 데이터 전송에서 에러를 유발한다.
광섬유 시스템에서의 분산 효과는 광섬유의 영분산 파장이나 그 근처에서 좁은 선폭의 광 캐리어를 사용함으로써 상당히 감소될 수 있다. 예를 들면, 이러한 목적을 위해서, 단일 모드 DFB 레이저를 광원으로 사용하여 1.3㎛에서 동작하는 광섬유 시스템을 사용할 수 있다.
양자 택일로, 분산은 분산 보상 소자를 사용하여 보상될 수 있다. 이것은 예컨대, 광섬유 링크에서 축적된 분산에 반대 신호를 갖는 분산을 삽입하기 위한 분산 보상 광섬유("DCF")를 사용함으로써 달성될 수 있다. 통상적으로, DCF는 종래의 광섬유보다 수 배 이상(예컨대, 5~10배) 분산될 수 있다. Nuyts 등의 IEEE Photon. Tech. Lett. 8, pp. 1406-1408(1996), "Performance improvement of 10Gb/s standard fiber transmission systems by using SPM effect in the dispersion compensated fiber"에 한 DCF 보상 시스템이 개시되어 있다.
분산 보상을 위한 또 다른 방법은 선형 쳐프트 격자 주기(linearly chirped grating periods)를 갖는 광섬유 격자를 사용하는 것이다. 예컨대, Loh 등의 IEEE Photon. Tech. Lett. 8, pp. 1258-1260(1996), "10Gb/s transmission over 700km of standard single-mode fiber with 10-cm chirped fiber grating compensator and duobinary transmitter"에 개시되어 있다. 브래그 위상 정합 조건을 만족시키는 파장을 갖는 광 신호에서의 스펙트럼 성분은 광섬유 격자로부터 되반사되고, 다른 스펙트럼 성분은 상기 격자를 통해 전송된다. 상이한 위치에서 브래그 위상 정합 조건은 격자 주기를 쳐핑함으로써 구별된다.
광섬유 격자의 공진 파장은 위치에 따라 변한다. 격자 주기가 광섬유 격자 방향에 따라 증가 또는 감소하기 때문에, 그에 따라서 공진 파장은 증가 또는 감소한다. 그러므로, 광 신호에서의 상이한 스펙트럼 성분은 상이한 위치에서 되반사되고, 상이하게 지연된다. 그러한 파장-종속 지연은 광섬유 링크에서 축적된 분산을 무효로 하기 위해 이용될 수 있다.
또한, 균일한 주기를 갖는 광섬유 격자는 분산 보상을 위해서 상이한 위치에서 반사된 파에서의 상이한 지연을 일으키기 위해서 이용될 수 있다. Ohn 등의 Electron. Lett. 32, pp. 2000-2001(1996), "dispersion variable fiber Bragg grating using a piezoelectric stack"에는 균일한 광섬유 격자에서 불균일한 스트레칭을 유발하는 21 스트레칭 피에조 세그먼트의 사용에 대해 개시되어 있다. 광섬유 격자의 세그먼트는 상이하게 신축될 수 있기 때문에, 분산 보상을 위해서, 광섬유의 상이한 위치에서의 상이한 스펙트럼 성분에 대한 상이한 지연을 일으킬 수 있다.
본 발명은 광학적 분산 보상 및 광학 펄스 처리에 관한 것으로, 특히, 파장-종속 지연을 유발할 수 있는 광학적 격자를 갖는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 도파 소자(wave-guiding element)에서의 비선형 쳐프트 격자를 도시한 도면.
도 2는 비선형 쳐프트 격자 주기를 갖는 격자를 도시한 도면.
도 3a는 광섬유 신장으로 인한 비선형 쳐프트 광섬유 격자의 반사 스펙트럼의 이동을 도시한 도면.
도 3b는 광섬유 신장으로 인한 2개의 상이한 파장에서의 반사된 신호의 상대 시간 지연을 도시한 도면.
도 4는 압전 소자를 사용한 도 2의 시스템의 한 실행예를 도시한 도면.
도 5는 감광성 광섬유에 비선형 쳐프트 격자를 형성하기 위한 방법을 도시한 개략도.
도 6a는 도 4의 시스템에서의 광섬유 신장으로 인한 반사된 신호에서 측정된 파장 이동을 도시한 도면.
도 6b는 도 4의 시스템에서의 반사 스펙트럼의 측정된 이동을 도시한 도면.
도 6c는 도 4의 광섬유 격자에서 측정된 파장 함수에 대한 반사된 신호의 비선형 시간 지연을 도시한 도면.
도 6d는 변조된 비선형 쳐프트 광섬유 격자를 도시한 도면.
도 6e는 도 6d에서 사용된 변조된 전압 신호를 도시한 도면.
도 6f는 상이한 변조 주파수에서의 시간 함수에 대한 반사된 출력 신호를 도시한 도면.
도 7은 전-광 효과에 기초한 비선형 쳐프트 격자를 도시한 도면.
도 8은 감광성 비선형 쳐프트 격자를 도시한 도면.
도 9는 음향 동조 소자를 갖는 비선형 쳐프트 격자를 도시한 도면.
도 10a 및 10b는 2개의 다이내믹하게 조정 가능한 분산 보상 시스템의 블럭도.
도 10c, 10d 및 10e는 도 10a 및 10b에서의 분산 분석기의 3개의 실행예를 도시한 도면.
도 11a는 비선형 쳐프트 광섬유 격자를 사용하는 도 10b에서의 구성에 기초한 광섬유 통신 시스템을 도시한 도면.
도 11b, 11c 및 11d는 도 11a에서의 시스템의 측정된 결과를 도시한 도면.
도 12는 레이저 출력에서 변조-유조된 주파수 쳐프를 감소시키기 위한 비선형 쳐프트 도파관 격자를 갖는 반도체 레이저를 도시한 도면.
도 13은 비선형 쳐프트 격자에 기초한 펄스 정형 시스템을 도시한 도면.
본 발명은 브래그 위상 매칭 조건을 조정하기 위한 매커니즘을 갖는 비선형 쳐프트 격자를 설명한다. 그러한 비선형 쳐프트 격자의 분산은 제어 가능한 방식으로 상이한 스펙트럼 성분 가운데 원하는 상대 지연을 갖는 원하는 분산을 얻기 위해서 다이내믹하게 변화될 수 있다.
본 발명의 일실시예는 비선형 쳐프트 격자 주기를 갖는 격자를 포함한다. 그 격자는 기계적으로 신장 가능한 또는 압축 가능한 물질로 이루어져 있다. 제어 전기 신호에 응답하여 격자 벡터 방향에 따라 전체적인 격자의 길이를 균일하게 변화시키기 위해서 트랜스듀서가 격자에 사용된다. 격자의 압축 또는 신장은 동작 스펙트럼 범위에서의 스펙트럼의 이동을 제공한다. 비선형 쳐핑은 상이한 파장에서의 상이한 스펙트럼 성분의 상대 지연이 전체적인 격자의 길이에 의해 변화되도록 한다. 가변 분산 프로파일을 생성하기 위해서 전체적인 격자의 길이가 압축 또는 신장되도록 트랜스듀서를 제어할 수 있다.
트랜스듀서의 한 실행예는 압전 소자(piezoelectric element)을 포함한다. 비선형 쳐프트 격자의 길이를 변화시키기 위해서 외부 전압 제어 신호가 압전 소자에 인가된다.
트랜스듀서의 다른 실행예는 외부 제어 자계에 따라 격자 길이를 변화시키기 위해서 자왜 소자(magnetostrictive element)를 사용한다.
본 발명의 다른 실시예는 격자 방향에 따라 비선형 쳐프트 유효 굴절률과 균일한 격자 주기를 갖는 격자를 포함한다. 격자 물질은 격자 방향에 따라 전계, 전자기 방사계 또는 온도계(temperature field)에 반응함으로써, 유효 굴절률의 비선형 쳐프는 상이한 스펙트럼 성분의 상대 지연을 변화시키고 가변 분산 프로파일을 생성하기 위해서 조정될 수 있다.
또한, 다른 실시예는 격자 방향에 따라 유효 굴절률의 외부적으로 조정 가능한 공간 프로파일과 비선형 쳐프트 격자 주기를 갖는 격자를 포함한다. 격자의 전체적인 길이 및 유효 굴절률은 상이한 스펙트럼 성분의 상대 지연을 변화시키고 격자의 동작 스펙트럼 범위를 이동시키기 위해서 개별적으로 조정될 수 있다.
그러나, 일딴 비선형 쳐프트 격자가 구성되면, 비선형 쳐프트 격자의 주파수 응답은 격자 방향에 따라 전파하는 음파를 이용함으로써 동조될 수 있다. 음파는 격자의 주파수 응답에서 부가적인 변조 측파대를 포함한다. 그러한 변조 측파대는 음파의 주파수에 종속되는 주파수 간격 만큼 기저대로부터 분리되어 위치된다. 그러므로, 음파의 주파수를 동조시킴으로써 분산을 조정할 수 있다.
본 발명의 특징은 분산 보상이다. 분산 효과를 감소시키기 위해서 본 발명의 비선형 쳐프트 격자를 광섬유 링크에 배치할 수 있다. 그러한 격자에 의해 발생된 분산은 분산 분석기(analyzer) 및 피드백 제어를 포함하는 광섬유 링크에서의 변화하는 분산에 대한 보상을 위해서 능동적으로 조정될 수 있다. 이러한 조정력은 통신 트래픽 패턴이 연속적으로 변화될 수 있는 다이내믹한 광섬유 네트워크에서 유용하게 이용될 수 있다. 예컨대, 주어진 채널은 이따금 네트워크의 상이한 위치에서 시작될 수 있기 때문에 특정 광섬유 링크에서의 그 주어진 채널의 축적된 분산은 변화된다. 그러므로, 그러한 광섬유 링크에서 요구되는 분산 보상도 그에 따라 변화될 필요가 있다. 또한, 지점 대 지점 간 전송에 대한 동작 조건은 변화될 수 있으며, 그 결과 고정된 광섬유 링크에서의 신호에 대한 축적된 분산은 변화된다.
본 발명의 다른 특징은 직접 변조된 반도체 레이저에서의 쳐프 제거이다. 본 발명의 비선형 쳐프트 격자는 쳐프 제거를 달성하기 위해서 변조-유도된 쳐프에 대한 레이저 펄스에 보완 쳐프를 발생시키는 데 사용될 수 있다. 격자의 조정력은 레이저 출력에서 상이한 주파수 쳐프 프로파일을 유발하는 상이한 변조 신호에 대한 쳐프 제거를 허용한다.
본 발명의 또 다른 특징은 비선형 쳐프트 분산을 원하는 펄스 프로파일로 광 펄스를 압축 또는 신장하기 위해 이용되는 조정 가능한 펼스 정형이다.
본 발명의 상기 및 다른 실시예, 특징 및 이점은 첨부된 도면 및 청구의 범위를 포함하는 다음의 상세한 설명에서 더욱더 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 비선형 쳐프트 격자(100)를 도시한다. 비선형 쳐프트 격자(100)는 광섬유 또는 도파관과 같은 광학적 도파 소자(104)로서 형성된다. 격자 주기 Λ(x) 및 격자에서의 유효 굴절률 n(x)는 도파 소자(104)에 따른 위치 x에 적어도 일부분 의존한다. 입력 광 신호(102)는 반사된 신호(112) 및 전송된 신호(110)를 생성하도록 거의 수직 입사로 격자(104)에 진입된다.
입력 광 신호(102)의 파장 λ의 스펙트럼 성분은 파장 λ, 격자 주기 Λ(x) 및 유효 굴절률 n(x)가 브래그 위상 정합 조건을 만족시킬 때 위치 x에서 되반사된다:
2n(x)Λ(x) = λ.
그러므로, 반사된 파의 파장 λ는 격자 파라미터 n(x)Λ(x)에 따라 위치 x에 의해서 변화된다. 상이한 파장의 상이한 스펙트럼 성분은 상이한 위치에서 반사되며 상이한 위상 지연을 갖는다. 예컨대, 격자 파라미터 n(x)Λ(x)가 x에 의해서 증가될 때, 위상 정합 조건을 만족시키는 짧은 파장에서의 스펙트럼 성분은 긴 파장에서의 스펙트럼 성분 이전 위치에서 되반사된다. 상기 브래그 위상 정합 조건을 충족시키지 못하는 입력 신호(102)에서의 스펙트럼 성분은 도파 소자(104)를 통해 전송되며 신호(110)로 표시된다. 격자 파라미터 n(x)Λ(x)는 비선형 쳐프트 격자(100)로부터 반사된 신호의 스펙트럼 범위를 결정한다. 이는 분산 보상 및 펄스 정형의 기본을 형성한다.
비선형 쳐프트 격자(100)는 일반적으로 비선형 쳐프트 격자 파라미터 n(x)Λ(x)를 갖도록 구성되는데, 즉, n(x)Λ(x)는 위치 x에 의해서 비선형적으로 변화된다. 이는 비선형 쳐프트 n(x), Λ(x) 또는 그들의 조합에 의해 이루어질 수 있다.
비선형 쳐프트 격자(100)는 반사 스펙트럼과 반사된 상이한 스펙트럼 성분에서의 상대 지연이 변화되도록 조정될 수 있다. 격자 제어(120)는 격자(100)의 n(x) 및 Λ(x) 가운데 적어도 하나를 변화시킴으로써 격자 파라미터 n(x)Λ(x)를 제어하는데 사용된다. 이는 다이내믹하게 조정 가능한 반사 스펙트럼 범위 및 반사된 상이한 스펙트럼 성분의 상대 지연을 제공한다.
도 2는 비선형 쳐프트 격자(100)의 한 실행예(200)를 도시한다. 광섬유 격자(204)는 일정한 유효 굴절률 n(x) = n과 비선형 쳐프트 격자 주기 Λ(x)를 갖는다. 따라서, 위상 정합 파장은 단지 Λ(x)에 따라 위치 x에 의해 변화된다. 광섬유 신장기(stretcher)(220)는 전체적인 광섬유 격자(204)의 길이를 변화시키기 위해서 광섬유 격자(204)에 사용된다. 이는 반사 스펙트럼 및 상이한 스펙트럼 성분에서의 상대 지연에 대한 제어를 제공한다.
광섬유 격자(204)가 신장되면, 각각의 격자 피치는 증가한다. 따라서, 각각의 격자 위치에서의 위상 정합 파장은 증가한다. 그러므로, 반사 스펙트럼은 더 길어진 파장으로 이동한다. 이러한 효과가 도 3a에 도시되어 있으며, 곡선(302 및 304)은 각각 광섬유 신장 이전 및 이후의 반사 스펙트럼 프로파일을 나타낸다.
격자 주기 Λ(x)가 비선형적으로 쳐프됨으로 인해서, 반사된 스펙트럼 성분의 지연도 위치 x에 비선형 의존성을 갖는다. 또한, 전체적인 광섬유 길이의 변화는 광섬유 격자(204)에 따른 상이한 위치에서의 Λ(x)의 상이한 변화를 발생시킨다. 이는 브래그 위상 정합 조건을 만족시키는 상이한 파장에 대해서 상이한 상대 지연을 발생시킨다. 그러한 효과는 조정 가능한 분산 보상 프로파일을 생성하는데 이용될 수 있다.
도 3b는 광섬유 신장 이전 및 이후의 2개의 파장의 상대 시간 지연을 도시한 도면이다. 곡선(306)은 광섬유 신장 이전의 파장의 함수에 대한 시간 지연을 나타낸다. 2개의 상이한 파장 λ1및 λ2는 각각에 대한 상대 시간 지연 Δt를 갖는다. 광섬유 격자가 신장되면, 2개의 파장의 시간 지연은 증가되며[곡선(308)], 상대 시간 지연 Δt'는 일반적으로 Δt와 다르다. 도시된 예에서, 상대 시간 지연 Δt'는 증가된다.
도 2에서, 격자(204)를 신장할 수 있다면 어떠한 장치도 신장기(220)로서 사용될 수 있다. 예컨대, 압전 소자 또는 자왜 소자를 사용하여 외부 전기 전압 또는 자계에 따라 격자(204)의 길이를 제어할 수 있다. 압전 및 자왜 트랜듀서는 잘 알려진 바, 여기서는 설명되지 않을 것이다.
Cruz 등의 Electronics Letters, Vol. 33(3), pp. 235-236(1997), "Fiber Bragg gratings tuned and chirped using magnetic fields"에는 불균일한 자계에서 광섬유를 신장시키기 위한 자왜 로드(magnetostrictive rod)의 사용 기술이 개시되어 있으며, 참조로서 여기에 통합된다. 이 기술은 도 2의 실시예(200)에서 격자 길이를 조정하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 광섬유 격자(204)가 비선형적으로 쳐프됨으로 인해, 증감 자계보다 불변 자계가 분산 반응을 조정하기 위한 광섬유 격자(204)의 균일한 신장을 행하는 데 이용될 수 있다.
도 4는 압전 소자를 사용한 실시예(200)에 대한 실행을 보여준다. 압전 소자(410)의 양 종단은 예컨대, 에폭시 등의 접착제를 이용하여 각각 비선형 쳐프트 광섬유 격자(406)의 두 측면에 고정된다. 전압원(412)은 광섬유 격자(204)에 스트레인을 번갈아 결합하는 압전 소자의 길이를 변화시키기 위해 압전 소자(410)에 제어 전압을 공급한다. 광 서큘레이터(404)는 입력 광 신호(402)를 광섬유 격자(406)에 결합하고 반사된 신호(408)의 경로를 배정한다. 어떠한 광 피드팩 신호를 저지하기 위해 광섬유 격자(406)의 다른 종단에 임의의 광 아이솔레이터를 배치할 수 있다.
비선형 쳐프트 광섬유 격자(204)는 300nm에서 광빔을 갖는 위상 마스크에 의해 생성된 간섭 패턴을 이용하는 니어(near)-UV 기술에 의해 만들어질 수 있다. 300nm 파장에서의 광섬유 코어의 광흡수는 충분히 작기 때문에, 광섬유의 코어-클래딩 경계면에서의 손상을 피할 수 있다. 감광성 광섬유(예컨대, QPS 기술에 의해 제조된 타입)는 코어에 약 2.5 mol.% 견적의 수소 농도를 제공하기 위해서 대략 2일 동안 ~60°C의 약 250 atm 압력 하에 고압력의 수소 분자실에 놓여진다.
도 5는 수소가 부가된 감광성 광섬유(500)에의 비선형 쳐프트 격자(204)의 형성을 도시한다. 300nm 근처의 스펙트럼 라인 그룹에서 동작하는 UV 아르곤 레이저로부터의 광빔(502)은 50mm 길이의 선형 쳐프트 위상 마스크(504)를 통해 약 200W/cm2의 강도로 광섬유 코어상에 집중된다. 2개의 제1 차 회절빔(502a 및 502b)은 광섬유 코어가 위치한 위상 마스크(504)의 인접 부근에 간섭 패턴을 형성하도록 서로서로 간섭한다. 광섬유(500)상의 각각의 1mm 스폿은 5~100sec 범위의 시간 주기 동안 노출된다. 각각의 노출 후에, 광섬유(500) 및 위상 마스크(504)는 UV 광빔(502)에 대하여 1mm 만큼 이동되며, 이러한 과정이 반복된다. 가변 노출 시간은 도 5의 삽입도와 같이 비선형 쳐프를 유발한다.
도 6a는 압전 소자(410)에 인가된 제어 전압의 함수에 대한 반사된 신호(408)에서 측정된 파장 이동을 보여준다. 도 6b는 각각 500V 및 1000V에서의 압전 소자(410)상의 전압에 대한 광섬유 신장으로 인한 반사 스펙트럼 이동을 보여준다. 약 1000V의 제어 전압이 압전 소자(410)에 인가 되면, 반사된 대역은 약 1.5nm 만큼 이동되며, 파장 이동은 그 전압에 대해 선형적이다. 대역폭은 약 1nm이며, 반사율은 85%에서 100%, 예컨대, 대략 0.7dB 정도 변화된다. 분산은 300 ps/nm에서 1000 ps/nm까지 비선형적으로 매끄럽게 변화된다. 인가된 전압이 증가되는 동안에, 시간 지연 곡선은 매끄러운 형태가 왜곡됨 없이 더 긴 파장으로 이동된다. 그러므로, 주어진 전송된 채널 파장에 대해서, 그 채널은 비선형 쳐프트 격자 광섬유 격자의 상이한 신장에 대응하는 상이한 분산 보상을 만나게 될 것이다.
도 6c는 광섬유 격자가 상이한 제어 전압하에 상이한 정도로 신장될 때 파장의 함수에 대한 반사된 신호의 측정된 비선형 시간 지연을 보여준다.
압전 소자(410)의 길이는 분산 전환을 제공하기 위해 변조될 수 있다. 도 6d는 변조된 분산을 갖는 신호를 생성하기 위한 광섬유 격자(400)를 이용하는 시스템을 보여준다. 변조 신호 발생기(610)는 압전 소자 제어(412)를 변조하여 광섬유 격자(406)의 길이를 변조한다. 0.3nm의 대역폭을 갖는 대역 통과 간섭 필터는 광섬유 격자(406)부터 반사된 출력을 필터링하는데 이용된다. 광검출기(630)는 상기 필터(620)로부터 전송된 신호를 수신한다. 오실로스코프(640)는 광검출기(630)로부터 나온 신호에 대한 시간 응답을 보여준다.
도 6e는 압전 소자(410)에 인가된 변조된 제어 전압을 보여준다. 도 6f는 10Hz, 50Hz, 100Hz 및 250Hz의 변조 주파수에서의 측정을 보여준다. 압전 소자(410)는 0~500V 변조를 이용하여 약 100Hz까지 변조될 수 있다. 주파수 응답의 상위 한계는 PZT의 특성에 의해 제한된다. 이러한 다이내믹한 응답에 대하여, 10ms 이하의 분산 보상은 회로 전환 광 내트워크에서 이루어질 수 있다.
도 1의 비선형 쳐프트 격자(100)는 외부 전계에 의존하는 굴절률을 갖는 도파 소자를 이용함으로써 구현될 수 있다. 그러한 도파 소자의 한 예로는 전-광 효과를 보여주는 유전체 도파관 또는 광섬유가 있다. LiNbO3는 일반적으로 사용되는 전-광 물질이다. 도 7은 그러한 도파 소자(704)에서 비선형 쳐프트 격자 주기를 갖는 격자(700)를 도시한다. 도파 소자(704)의 유효 굴절률 n(x)는 전계에 의해 변화된다. 전극(712, 714) 쌍의 열은 조정 가능한 국부계(local field)를 발생시키기 위해 도파 소자(704)에 따라 배치된다. 전계 제어 모듈(710)은 원하는 비선형 쳐프트 n(x)를 생성하여 분산을 조정하기 위해서 전계의 공간적 변화를 제어한다.
도 8은 도파 소자(804)의 굴절률 n(x)의 공간적 변화를 제어하기 위해 전자기 방사를 이용한 다른 실시예(800)를 도시한다. 도파 소자(804)는 방사계(802)에 반응하며 방사계에 의존하는 굴절률 n(x)를 갖는다. 예컨대, 광굴절성 결정 및 폴리머 등의 감광성 물질을 본 발명을 구현하기 위해 이용할 수 있다. 격자에 따라 비선형 강도 분포를 갖는 전자기 방사계(820)를 인가함으로써 굴절률 n(x)의 비선형 쳐핑이 형성된다. 방사 발생기(810)는 전자기 방사계(820)의 강도 변화 I(x)를 제어하도록 구성된다. 광 주파수 범위에서, 방사 발생기(810)는 레이저일 수 있다.
출력 주파수를 동조시키기 위한 임의의 상기 비선형 쳐프트 격자의 응답을 변조하기 위해 음파가 사용될 수 있다. 도 9는 그러한 음파 동조 매커니즘을 갖는 비선형 쳐프트 격자(900)를 도시한다. 음파 발생기(910)는 가변 음파(912)를 발생시킨다. 음파 집중 혼(horn)과 같은 음파 결합기(914)는 음파를 격자(104) 내로 결합한다.
동작에서, 음파는 격자와 상호 작용을 하여 브래그 공진 조건에 의해 생성된 기저대의 양 측에 2개의 부가적인 좁은 대역의 피크를 유발한다. 양 측파대의 주파수 성분은 특정 양 만큼 기저대로부터 주파수 이동되나 기저대에서와 같은 상대 지연을 갖는다. 이러한 주파수 이동은 음파의 주파수에 의존한다. 따라서, 측파대의 주파수는 음파의 주파수를 변화시킴으로써 조정될 수 있다. Liu 등의 post deadline paper PD4, Annual Meeting of Optical Society of America, "Improvede Efficiency Narrow-Band Acoustooptic Tunable Reflector using Fibre Bragg grating"와, Williamsburg, VA.의 October 26-28, 1997, "Bragg Gratings, Photosensitivity, and Poling in Glass Fibers and Waveguides: Applications and Fundamentals"에는 그러한 기술이 개시되어 있으며, 참조로서 여기에 통합된다.
본 발명에 따른 비선형 쳐프트 광섬유 격자는 두가지 면에서 조정 가능하다. 첫째로, 반사된 신호 및 전송된 신호의 주파수 프로파일을 원하는 데로 이동할 수 있다. 둘째로, 입력 펄스에서의 상이한 주파수 성분의 상대 지연을 제어 가능한 방식으로 조정할 수 있다.
조정력의 첫번째 면은 파장 분할 다중화 광섬유 통신 시스템과 같은 다중 파장 광시스템에서 유용하다. 조정력의 두번째 면은 여러 분산 광시스템에서의 다이내믹한 분산 보상을 위해 이용될 수 있다.
도 10a는 본 발명에 따른 가변 분산 보상 소자(1020)를 갖는 광섬유 시스템(1000)을 도시한다. 가변 분산 보상 소자(1020)는 비선형 쳐프트 격자일 수 있다. 분산 광시스템(dispersive fiber system)(1010)은 어떤 일정량의 분산을 갖는 광 신호(1012)를 발생시킨다. 분산 분석기(1030)는 신호(1012)에서의 축적된 분산의 양 및 부호를 측정한다. 가변 분산 보상 소자(1020)는 그 정보를 이용하여 신호(1012)에서의 분산을 보상하는 방식으로 분산 보상을 조정한다. 분산 광시스템(1010)에서의 분산이 변화되면, 가변 분산 보상 소자(1020)는 출력(1030)에서의 원하는 분산 보상을 유지하기 위한 분산 변화에 응답하여 그에 따라 조정된다.
도 10b는 도 10a의 시스템(1000)을 구현하기 위해 비선형 쳐프트 광섬유 격자(1020a)를 사용하는 광섬유 통신 시스템(1001)의 블럭도이다. 격자 제어(1040)는 적절히 보상된 출력(1030)을 유지하기 위해 분산 분석기(1030)로부터의 제어 명령에 따라 격자 파라미터 n(x)Λ(x)를 조정한다. 격자 제어(1040)는 도 2, 7 및 8에서 도시된 기술이나 그의 조합일 수 있다.
분산 분석기(1030)는 여러 방식으로 구현될 수 있다. 도 10c는 위상 변조에서 진폭 변조 분산 검출기를 도시한다. 위상 변조기(1051)는 분산 광섬유(1050)를 통해 신호를 전송하기 이전에 신호의 위상을 변조하기 위해 신호 경로에 배치된다. 포락선 검출기 회로(1060)는 광검출기(1070)에 의해 수신된 신호에서 변환된 진폭 변조를 측정하는데, 그 진폭은 상대 축적된 분산에 대응한다. 특히, 분산의 극성은 광섬유의 비선형성에 의한 자체 위상 변조와 광섬유에서의 그룹 속도 분산의 전체 분산을 포함함으로써 검출될 수 있다. 이는 Tomizawa 등의 Electronics, Vol. 30(17), pp. 1434-1435(1994), "Nonlinear influence on PM-AM conversion measurement of group velocity dispersion in optical fiber"에 개시되어 있다. 변환된 진폭 변조의 진폭은 축적된 분산을 결정하고 가변 분산 보상 소자에게 제어 신호를 발생시키는데 이용된다.
도 10d는 분산 분석기(1030)의 다른 구현을 보여준다. 전-광 변조기(1052)는 분산 광섬유(1050)를 통해 신호를 전송하기 이전에 신호의 진폭을 변조시키기 위해 신호 경로에 배치된다. 상대 분산값은 방형파 검출 후에 신호로부터 추출된 클록 성분의 진폭을 모니터함으로써 결정될 수 있다. 이는 클록 성분 모니터(1061)에서 행해진다. 분산은 신호 펄스를 확장시키고 신호의 진폭을 감소시키기 때문에, 클록 성분의 크기 또한 그 확장에 따라 감소된다. 그러므로, 클록 성분의 진폭을 최대화하기 위해 분상 보상기를 조정함으로써, 축적된 분산은 감소되거나 또는 제거될 수 있다.
분산 분석기(1030)는 분산 광섬유를 통해 전달되는 신호의 비트 오류율을 직접 측정함으로써 구현될 수 있다. 도 10e는 이를 도시한다. 분산은 데이터 펄스를 확장시키기 때문에, 비트 오류율("BER")은 떨어진다. 비트 오류율 검사 장치(1062)는 비트 오류율을 측정하여 축적된 분산의 상대 정보를 추출한다. 가변 분산 보상기에 피드백 신호를 제공함으로써, 비트 오류율을 감소 즉 최소화하기 위해서 분산 보상을 조정할 수 있다.
도 11a는 도 10b의 다이내믹한 광섬유 시스템(1001)의 구체적인 구현을 보여준다. 전-광 변조기는 레이저빔에 10Gbit/s로 데이터를 싣는다. 또한, 위상 변조기는 전송 이전에 광 신호의 위상을 변조한다. 가변 분산 보상기(1120)는 도 4의 비선형 쳐프트 광섬유 격자(400)에 기초된다. 광섬유 루프(1110a, 1110b) 및 음광 스위치(AcoustoOptic switch)(1116b)를 경유하는 신호 경로는 음광 스위치(1116a)를 경유하는 신호보다 더 분산이 크다. Er 도핑된 광섬유 증폭기(1108a~1108c)는 특정 레벨 이상의 신호 세기를 유지한다. 신호(1119)에서의 분산은 신호(1119)의 일부(예컨대, 10%)를 분리하여 분산 분석기(1122)에서 검출된다. 신호(1119)의 대부분은 분산 보상된 출력(1120c)을 생성하는 광섬유 격자(400)에 공급된다.
분산 분석기(1122)는 분산 측정을 위해 PM에서 AM 변환기(converter)를 이용한다. 신호의 상이한 스펙트럼 성분의 상이한 그룹 속도 분산으로 인해서, 위상 변조는 신호가 어떤 일정한 거리의 광섬유 경로를 이동한 후에 진폭 변조로 변환된다. 축적된 분산은 분산 분석기(1122)에서 측정된다. 분산 분석기(1122)는 가변 광섬유 격자(400)에게 대응하는 제어 신호를 발생시킨다.
비트 오류율 검사(1130)는 분산 보상 모듈(1120)의 실행을 평가하기 위해 비트 오류율을 측정하는데 이용된다. 분산 보상 모듈(1120)으로부터의 출력(1120c)은 증폭되어, 0.3nm의 대역폭을 갖는 대역 통과 필터(1126)에서 필터링된다.
도 11b는 신호 전력(dBm)의 함수에 대한 비트 오류율의 측정된 결과를 도시한다. 도 11c는 입력 신호의 분산 레벨에 응답하여 PZT 동조를 위한 제어 신호가 어떻게 발생되는지를 도시한다. 도 11d는 다이내믹한 분산 보상으로 인한 BER의 상당한 향상을 보여주는 측정된 가시도이다.
상기 설명된 비선형 쳐프트 격자는 직접 변조된 레이저에서의 쳐프 제거와 펄스 정형과 같은 다른 적용에서 이용될 수 있다.
도 12는 변조 쳐프를 감소시키기 위한 비선형 쳐프트 도파관 격자(1230)를 갖는 집적 반도체 레이저 모듈(1200)을 도시한다. 레이저 다이오드(1210)는 기판(1202)상에 형성된다. 변조 신호(1212)는 구동 전류를 변조하기 위해 레이저 다이오드(1210)에 인가된다. 그러한 직접 변조는 레이저 다이오드(1210)의 출력에 주파수 쳐프를 유발한다. 비선형 쳐프트 도파관 격자(1230)는 주파수 쳐프를 감소시키기 위한 분산을 생성하기 위해 기판(1202)상에 형성된다.
변조 신호(1212)의 변조 주파수가 변화되면, 레이저 출력에서의 쳐프도 변화된다. 변조 주파수와 레이저 출력에서의 쳐프와의 관계가 결정될 수 있다. 이러한 관계를 기초로, 제어 회로(1250)는 비선형 쳐프트 도파관 격자(1230)의 분산을 조정하기 위해 대응하는 분산 제어 신호(1252)를 발생시키도록 구성될 수 있다.
도 13은 펄스 정형을 위한 시스템(1300)의 블럭도이다. 비선형 쳐프트 격자(1330)가 레이저(1310)로부터의 입력 펄스(1312)에 가변 분산을 생성함으로써, 비선형 쳐프트 격자(1330)로부터의 출력(1340)을 원하는 펄스파형을 갖도록 할 수 있다.
본 발명은 몇몇 실시예를 참고로 하여 상세하게 설명되었지만, 다음의 청구 범위의 기술적 사상의 범위 및 정신에 벗어남 없이, 다향하게 변형되고 향상된 실시예가 구현될 수 있다.

Claims (47)

  1. 광축을 따라 광에너지를 전송할 수 있고, 상기 광축을 따라 상이한 위치에서 상이한 유효 굴절률을 갖는 도파 소자와;
    상기 도파 소자에 형성되고, 상기 광축을 따라 주기를 갖도록 형성된 광학적 섭동 영역을 포함하고,
    상기 주기 및 유효 굴절률은 위상 정합 조건을 변화시키어, 상기 광학적 섭동 영역으로부터 반사된 광파가 특정 파장을 갖도록 하며, 상기 특정 파장은 상기 광축에 따른 위치에서 비선형 의존성을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 주기는 상기 광축을 따라 비선형적으로 변화되는 것인 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 도파 소자는 광섬유를 포함하는 것인 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도파 소자는 광도파관을 포함하는 것인 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 도파 소자의 길이를 변화시키기 위해서, 상기 도파 소자의 적어도 2부분에 결합되는 트랜스듀서를 더 포함하는 것인 광학 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 제어 전압에 응답하여 상기 도파 소자의 상기 길이를 변화시킬 수 있는 압전 소자를 포함하는 것인 광학 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 트랜스듀서는 제어 자계에 응답하여 상기 도파 소자의 상기 길이를 변화시킬 수 있는 자왜 소자를 포함하는 것인 광학 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어 자계는 상기 도파 소자의 상기 광축을 따라 균일한 자계 분포를 갖는 것인 광학 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유효 굴절률은 상기 광축을 따라 변화되는 것인 광학 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 도파 소자는 제어 전계에 응답하고, 상기 유효 굴절률은 상기 제어 전계에 의해 변화되는 것인 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 도파 소자는 전-광 물질을 포함하는 것인 광학 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 도파 소자는 전자기 방사계에 응답하고, 상기 유효 굴절률은 상기 전자기 방사계에 의해 변화되는 것인 광학 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 도파 소자는 감광성 물질을 포함하고, 상기 전자기 방사계는 상기 도파 소자의 상기 광축을 따라 강도 변화를 갖는 것인 광학 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 감광성 물질은 광굴절성 물질인 것인 광학 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 도파 소자의 상기 광축을 따라 가변 주파수 음파를 발생시키도록 상기 도파 소자에 관련하여 배치되는 음파 발생기를 더 포함하며,
    상기 음파는 상기 광섭동 영역의 주파수 응답을 변경하는 것인 광학 장치.
  16. 광섬유에 형성되고, 상기 광섬유를 따라 비선형적으로 변화되는 격자 주기로 인해서 브래그 위상 정합된 상이한 주파수의 광파를 상이하게 지연시키는 광섬유 격자와;
    상기 상이한 주파수의 광파에 대한 상대 지연을 변화시키는 상기 광섬유 격자의 길이를 변화시키기 위해서 상기 광섬유 격자에 결합된 광섬유 신장기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 광섬유 격자의 상기 길이를 제어하기 위해서 상기 광섬유 신장기와 통신하는 격자 제어 유닛을 더 포함하는 것인 광학 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 광섬유 신장기는 제어 전압에 응답하여 상기 광섬유 격자의 특정량의 길이를 변화시킬 수 있는 압전 소자를 포함하고, 상기 격자 제어 유닛은 상기 제어 전압을 발생시키도록 배치되는 것인 광학 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 광섬유 신장기는 제어 자계에 응답하여 상기 광섬유 격자의 상기 길이를 변화시킬 수 있는 자왜 소자를 포함하고, 상기 격자 제어 유닛은 상기 제어 자계를 발생시키도록 배치되는 것인 광학 장치.
  20. 제16항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 상기 광섬유에 따른 위치에 의해 변화되는 굴절률을 갖도록 배치되는 것인 광학 장치.
  21. 제17항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 상기 격자 제어 유닛에서 발생되는 제어 전계에 의해 변화되는 굴절률을 갖도록 배치되는 것인 광학 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 전-광 물질을 포함하는 것인 광학 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 제어 전계는 상기 광섬유에 따른 위치에 의해 변화되는 것인 광학 장치.
  24. 제17항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 상기 격자 제어 유닛에서 발생되는 전자기 방사계에 의해 변화되는 굴절률을 갖도록 배치되는 것인 광학 장치.
  25. 제24항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 감광성 물질을 포함하는 것인 광학 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 감광성 물질은 광굴절성 물질인 것인 광학 장치.
  27. 제24항에 있어서, 상기 전자기 방사계는 상기 광섬유에 따른 강도 변화를 갖는 것인 광학 장치.
  28. 제16항에 있어서, 상기 광섬유를 따라 가변 주파수 음파를 발생시키도록 상기 광섬유 격자에 관련하여 배치되는 음파 발생기를 더 포함하며,
    상기 음파는 상기 광섬유 격자의 주파수 응답을 변경하는 것인 광학 장치.
  29. 분산 보상을 다이내믹하게 조정할 수 있는 광학 시스템에 있어서,
    광 신호의 일부를 수신하여 그 광 신호의 분산에 관한 정보를 결정하는 분산 분석기와;
    상기 분산 분석기와 통신하기 위해 연결되며, 적어도 상기 광 신호의 일부를 수신하여, 상기 분산 분석기로부터의 제어 신호에 응답하여 분산 보상을 동조시키기 위해 배치되는 분산 보상 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 분산 보상 소자는,
    광축을 따라 광에너지를 전송할 수 있고, 상기 광축에 따른 위치의 함수인 유효 굴절률을 갖는 도파 소자와;
    상기 도파 소자에 형성되고, 상기 광축에 따라 가변 격자 주기를 갖는 격자를 포함하며,
    상기 가변 격자 주기 및 상기 유효 굴절률은 브래그 위상 정합 조건에 영향을 주어, 상기 격자로부터 반사된 광파가 상기 광축에 따른 위치상에서 비선형 의존성이 있는 특정 파장을 갖는 것인 광학 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 상기 분산 분석기는 위상 변조된 광 신호를 진폭 변조된 신호로 변환시키는 변환 소자를 포함하는 것인 광학 시스템.
  32. 제29항에 있어서, 상기 분산 분석기는 상기 분산을 표시하기 위해 상기 광 신호에서의 비트 오류율을 직접 측정할 수 있는 장치를 포함하고, 상기 분산 보상 소자의 상기 가변 분산 보상을 조정하여 상기 비트 오류율을 감소시키기 위해 상기 제어 신호를 발생시키는 것인 광학 시스템.
  33. 제29항에 있어서, 상기 분산 분석기는 상기 광 신호의 클록 진폭을 측정하는 클록 모니터 장치를 포함하고, 상기 제어 신호를 발생시킴으로써 상기 분산 보상 소자로 하여금 상기 클록 진폭을 증가시키기 위해 상기 분산 보상을 조정하도록 하는 것인 광학 시스템.
  34. 제29항에 있어서, 상기 광 신호는 파장 분할 다중화 신호를 포함하는 것인 광학 시스템.
  35. 반도체 레이저와;
    상기 반도체 레이저로부터 변조된 레이저 출력을 생성하는 변조된 구동 전류를 공급하기 위해서 상기 반도체 레이저에 연결되는 전기 전원 장치와;
    도파관 격자의 가변 격자 주기 및 유효 굴절률이 브래그 위상 정합 조건에 영향을 주어, 상기 도파관 격자로부터 반사된 광파가 상기 도파관 격자에 따른 위치상에서 비선형 의존성이 있는 특정 파장을 갖도록 하는 도파관 격자와;
    상기 전원 장치와 통신하기 위해 연결되고, 상기 변조된 레이저 출력에서 주파수 쳐프를 감소시키기 위해 상기 도파관 격자의 분산 특성을 제어하도록 배치되는 격자 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  36. 제35항에 있어서, 상기 반도체 레이저 및 상기 도파관 격자는 반도체 기판상에 형성되는 것인 광학 장치.
  37. 분산 신호 경로를 통해서 가변 비선형 쳐프트 광섬유 격자에 전송되는 광 신호를 경로 배정하는 단계와;
    상기 광 신호에서의 분산을 결정하는 단계와;
    상기 광 신호에서의 분산을 감소시키기 위해서 상기 분산의 극성 및 분산량에 따라 상기 가변 비선형 쳐프트 광섬유 격자를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 시스템의 작동 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 상기 광섬유를 따라 비선형적으로 변화되는 격자 주기로 인해서 상기 광섬유 격자에서 브래그 위상 정합된 상이한 주파수의 광파를 상이하게 지연시키는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  39. 제37항에 있어서, 상기 광섬유 격자는 상기 광섬유를 따라 비선형적으로 변화되는 굴절률로 인해서 상기 광섬유 격자에서 브래그 위상 정합된 상이한 주파수의 광파를 상이하게 지연시키는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  40. 제37항에 있어서, 상기 가변 광섬유 격자를 조정하는 단계는 상기 광섬유 격자를 신장시키는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  41. 제37항에 있어서, 상기 가변 광섬유 격자를 조정하는 단계는 상기 광섬유 격자로 결합되는 음파의 주파수를 동조시키는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  42. 제37항에 있어서, 상기 가변 광섬유 격자를 조정하는 단계는 상기 광섬유 격자를 따라 전계를 조정하는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  43. 제37항에 있어서, 상기 가변 광섬유 격자를 조정하는 단계는 상기 광섬유 격자를 따라 전자기 방사계의 강도를 조정하는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  44. 제37항에 있어서, 상기 가변 광섬유 격자를 조정하는 단계는 상기 광섬유 격자를 따라 자계를 조정하는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  45. 제37항에 있어서, 상기 광 신호에서의 분산을 결정하는 단계는 상기 광 신호에서의 비트 오류율을 직접 측정하는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  46. 제37항에 있어서, 상기 광 신호에서의 분산을 결정하는 단계는 상기 광 신호의 위상 변조로부터 변환된 진폭 변조된 신호를 측정하는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
  47. 제37항에 있어서, 상기 광 신호에서의 분산을 결정하는 단계는 클록 진폭을 측정하는 것인 광섬유 시스템의 작동 방법.
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