KR20010042353A - 광학 편광계 지연 라인에 기초한 저 잡음 광학 저장시스템 - Google Patents

광학 편광계 지연 라인에 기초한 저 잡음 광학 저장시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중모드 다이오드 레이저 및 편광 유지 광섬유를 이용하는 동안, 자기 광학 저장 시스템에서의 높은 신호 대 잡음비를 달성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 이 시스템에서 입력 주 광신호는 2개의 직교 편광 상태로 분할되고, 2개의 직교 편광 상태는 재결합 전에 상이한 거리에 걸쳐서 전송된다. 고주파에서 레이저를 펄스 온 및 오프하고 레이저의 변조 주파수에 의존하는 편광 상태에 대한 적절한 경로차를 선택함으로써, 이 시스템에서 중요한 광학 성분에서 포텐셜 에러로부터 발생하는 제 1 차 스펙트럼 편광 잡음이 제거된다.

Description

광학 편광계 지연 라인에 기초한 저 잡음 광학 저장 시스템 {LOW NOISE OPTICAL STORAGE SYSTEM BASED ON AN OPTICAL POLARIMETRIC DELAY LINE}
통상적인 데이터 저장 시스템은 대향하여 편광된(예를 들어 양 또는 음) 데이터 비트를 저장하는 플래터(매체) 표면 상에 자기 기록 수십억의 임프린트(imprint)를 이용한다. 이 보상 자기 쌍극자(complimentary magnetic dipoles)(디스크 표면과 평행한)는 '1' 또는 '0'의 논리 상태를 나타낸다. 현재 면적 밀도(예를 들어, 인치 당 수기가비트)의 성장 속도에 기초하여, 통상적인 디스크 드라이브의 면적 밀도는 거의 20 Gbits/in2에 가깝게 높아서, 성자성(superparamagnetic) 제한과 관련된 잠재적인 문제들이 발생된다. 특히, 이 물리적 제한으로 인해 서로 아주 근접하게 위치하는 대향-편극 영역을 감소시키고, 이에 의해 데이터 손상 문제가 발생된다.
이러한 잠재적인 기술적 장애를 극복하기 위하여, 자기-광학(MO) 저장 시스템을 이용하는 대안적인 저장 기술이 사용된다. MO 저장 시스템은 대체로, 성자성 제한에 상관 없이 약 40 Gbits/in2이상의 면적 밀도를 얻을 수 있다. 그러나, 이 대안적 기술은 시스템 내에서의 레이저 잡음 효과와 같은, 새로운 기술적 도전을 극복할 필요성을 낳게 된다. 특히, 모드 분할 잡음(MPN) 및 레이저 위상 잡음 모두를 포함하는 스펙트럼 편극 잡음(SPN)은 광학 시스템 설계시 주의를 기울여서 최소화되야 한다.
예를 들어, 불가피한 광학 오정렬(misalignment) 에러를 조금은 포함하는 주파수 선택 편극 유지(PM) 광섬유 시스템을 통해 다중-길이 모드 레이저 광(예를 들어, 패브리-패럿(Fabry-Parot) 다이오드 레이저)을 전송함으로써, SPN이 증가할 수 있으며, 이에 의해서 MO 매체 및 검출 모듈 사이의 데이터 경로(conduit) 기능을 하는 주 광신호에서 데이터 손상의 가능성을 증가시킨다. SPN을 최소화하기 위한 부분적 방법은 시스템 내에 다중모드를 발생시키지 않아서, MPN 효과를 방지하는 단일모드(예를 들어, 단일 주파수) 분포 궤환형(DFB) 레이저를 이용하는 것이다. 그러나, 적색 스펙트럼 범위 및 고 파워 레벨에서 동작하는 DFB 레이저는 시중에서 쉽게 구할 수 없다. DFB 레이저를 사용하여 MPN을 제거하지만, 레이저 위상 잡음은 여전히 남아 있다. 또한, 다중모드 레이저 다이오드는 DFB 레이저보다 그다지 비싸지 않기 때문에, 다중모드 레이저는 MO 저장 시스템을 위한 바람직한 형태의 레이저원이다.
다중모드 다이오드 레이저를 이용하고 MO 저장 시스템 내의 SPN 효과를 최소화하는 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명은 일반적으로 광학 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광학 신호 전송시 잡음 감소에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 전체 시스템을 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 다중모드 레이저의 출력 파워의 모드 분할을 도시한 도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 편극 유지 광섬유를 도시한 도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 레이저 광이 PM 광섬유와 같은 복굴절 매체를 통해서 전송될 때 모드 분할 잡음을 형성하는 다중-길이 레이저 광(이 경우에는 단순하게 2 모드)을 도시한 도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 바르게 정렬된 1/4 파형판(QWP1)의 경우에 검출 모듈에 도달하는 광신호를 도시한 도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에서 주 광신호와 타임 시프팅되어 이격된 기생 광신호(QWP1의 오정렬에서 발생된)를 도시한 도이다.
도 7은 자유-공간 간섭계(interferometer)에서 다중모드 다이오드 레이저 잡음(모드 분할 잡음 및 위상 잡음 모두를 포함하는 SPN) 대 2개의 빔 사이의 경로차를 도시한 도이다.
도 8(a) 및 8(b)은 본 발명의 바람직한 실시예의 QWP2 이전 및 이후의 논리 상태 및 무논리 상태의 검출 경로에서 주 광신호의 편극 상태를 도시한 도이다.
도 9는 본 발명의 선택적인 실시예의 광섬유 시준기(collimator)를 가진 편광계 지연 라인을 도시한 도이다.
도 10은 본 발명의 선택적인 실시예의 편광계 지연 라인의 모든 광섬유 버전을 도시한 도이다.
따라서, 본 발명에서는 주 광신호로부터 기생 광신호의 편극 성분을 시간적으로 시프팅시킴으로써 1차 스펙트럼 편극 잡음(SPN)을 최소화하는 시스템 및 방법을 제공하여 종래 기술의 단점이 극복된다. 특히, 시스템의 바람직한 실시예는 다중모드 레이저, 누설 빔 스플리터(LBS), 제 1 1/2 파형판(HWP1), 제 2 1/2 파형판(HWP2), 편광계 지연 라인(PDL), 편극-유지(PM) 광섬유, 제 1 1/4 파형판(QWP1), 제 2 1/4 파형판(QWP2) 및 차 검출 모듈을 포함한다. 기생 광신호는 광학 시스템의 이상적이지 못한 특성에 의해 발생된다.
다중모드 레이저는 주 광신호를 발생시키는데, 상기 주 광신호는 MO 매체 상의 특정 위치에서 차 검출 모듈로 현재의 논리 상태를 전달하기 위한 판독 신호로서 사용된다. 레이저는 무선 주파수에서 온 및 오프 변조되며, 무선 주파수의 특정 값은 PDL 및 PM 광섬유와 관련된 광학 경로 길이에 의해 결정된다. PDL 및 PM 광섬유는 MO 매체 사이에서 주 광신호를 전송하기 위한 연속 복굴절 광학 경로 부분이다.
QWP1과 함께 HWP1 및 HWP2는 주 광신호의 제 1 및 제 2 편극 성분이 각각의 PDL의 지연 경로 길이 및 각각의 PM 광섬유 축을 따라 전송되도록 주 광신호의 편극을 변경한다. 하나의 지연 경로 길이 및 순방향(forward) 경로 축 그리고 반대 지연 경로 길이 및 MO 매체로부터의 궤환 경로 축을 따라 전송됨으로써, 주 광신호의 2개의 편극 성분은 MO 신호가 없을 때 네트 광학 경로차가 0이 될 것이다. MO 신호, 또는 자기 케르(Kerr) 효과가 존재할 때, 주 광신호의 2개의 편극 성분 사이에 작은 위상 시프팅이 발생하여, 네트 광학 경로차는 거의 0이 아닌 값이 된다. QWP1의 지연 및/또는 방향 설정 에러로 인해 발생된 SPN을 최소화하여, 기생 및 주 광학 펄스열 사이의 간섭성 상호작용을 방지하기 위하여, PDL은 기생 광신호를 1/2 만큼 앞으로 그리고 주 광신호를 1/2 만큼 뒤로 타임 시프팅된다.
선형 편광이 순방향 경로 상의 PDL 및 PM 광섬유로 입력될 수 있는 LBS는 이 편극 모드의 일부 및 주 신호의 직교 편극 모드(자기 케르 효과에 의해 발생된) 대부분을 궤환 경로 상의 차 검출기로 반사한다. 또한, LBS는 대응 타임-시프팅된 기생 신호를 차 검출 모듈로 반사한다. QWP2는 주 광신호에 의해 운반된 데이터 신호의 논리 상태가 차 검출 모듈에 의해 적절하게 검출되게 하는 반사된 주 광신호의 2개의 편극 성분 사이의 위상을 수정한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 도면을 참고로 기술되는데, 도면의 동일한 도면부호는 동일하거나 기능상 유사한 엘리먼트를 표시하고 나머지 도면부호는 먼저 사용된 도면부호가 있는 도면에 대응한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예인 저 잡음 광학 저장 시스템(100)을 도시하며, 이 시스템은 미국 특허 08/745,095, Jeffrey P. Wilde 등의 "정보를 저장하고 검색하기 위해 광섬유를 이용하는 광학 시스템 및 방법(Optical System and Method Using Optical Fibers For Storage And Retrieval Of Information)"에서 논의된 바와 같이, 플라잉 광학 헤드 기술(도시되지 않음)(예를 들어, 광학-보조 윈체스터(Winchester)(QAW) 디스크 드라이브)을 이용하고, 전술한 바와 같이, 본 발명 전체를 참고로 구체화되어, 자기-광학(MO) 매체로부터 편극 신호를 판독한다. 시스템(100)은 다중모드 레이저(110), 누설 빔 스플리터(LBS)(120), 제 1 1/2 파형판(HWP1)(130), 제 2 1/2 파형판(HWP2)(177), 제 1 1/4 파형판(QWP1)(185), 제 2 1/4 파형판(QWP2)(114), 편광계 지연 라인(PDL)(160), 다수의 편극 유지(PM) 광섬유(180), 다수의 자기-광학(MO) 매체(190) 및 차 검출 모듈(116)을 포함한다. 불필요하게 복잡한 것을 방지하기 위하여, 하나의 PM 광섬유(180) 및 하나의 MO 매체(190) 만이 도시될 것이고 주로 논의될 것이다. 당업자는 하나의 PM 광섬유(180) 및 하나의 MO 매체(190)에 적용되는 동일한 원리가 다중 PM 광섬유(180) 및 다중 MO 매체(190)에 적용되는 것을 이해할 것이다. 또한, 당업자는 바람직한 실시예에 적용되는 동일한 원리가 레이저 잡음이 최소화되야 하는 광섬유 광학 전류 센서와 같은, 선택적 실시예에도 적용되는 것을 이해할 것이다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 패브리-패럿(FP) 레이저 다이오드인 다중모드 레이저(110)는 다중 펄스화 길이 모드(주 광신호)를 발생시키는데, 이 길이 모드는 MO 매체(190)에서 차 검출 모듈(116)에서, 특정 펄스 주파수(예를 들어, 일반적으로 300-500MHz)로 자기-광학(MO) 신호를 운반한다. 다중 모드 레이저(110)와 커플링된 LBS(120)는 레이저(110)로부터의 주 출력 P 편광빔을 수신하고 순방향 경로를 따르는 주 광신호의 P 편광(예를 들어, 약 80%) 대부분을 PDL(160) 및 MO 매체(190)로 전송한다.
바람직한 실시예에서, LBS(120) 및 PDL(160)의 제 1 단부 사이에 커플링되는 HWP1(130)은 순방향 경로로 PDL(160)을 들어갈 때, 주 광신호가 P 편광(P 파) 신호로서 유지되는 제 1 성분 신호 및 S 편광(S 파) 신호로서 전송되는 제 2 성분 신호인 2개의 상대적으로 동일한 성분 신호들로 분할되게 약 45도로 주 편광을 회전시킨다. 단지 설명만을 위하여, P 파는 PDL(160)의 짧은 지연 경로 길이(LP)를 따르는 제 1 편광 스플리터 PBS1(169)을 통해 전송되도록 가정될 것이고 S 파 신호는 PDL(160)의 긴 지연 경로 길이(LS)를 따라 전송하는 PBS1(169)에 의해 재전달되도록 가정될 것이다. 그 다음에, P 및 S 파는 재결합되고 제 2 편광 스플리터 PBS2(170)에 의해 함께 전송된다. 차 지연 경로 길이는 S 파 신호 및 P 파 신호 사이의 지연 시간 τforward(PDL)에 대응하는 순방향 경로차 (Ls- Lp)의 △dforward(PDL)
의 결과를 가져오며:
(△dforward(PDL))/c = (Ls- Lp)/c,
여기서 c는 진공시의 광속도 값이다.
PDL(160)의 제 2 단부 및 PM 광섬유(180)의 제 1 단부 사이에 커플링된 HWP2(177)는 PDL(160)을 나오는 P파 신호 및 S파 신호를 도 3에서 도시된 PM 광섬유(180)의 복굴절(△nB= nslow- nfast)축으로 정렬한다. 특히, HWP2(177)는 PM 광섬유(180)의 저속축(nslow)을 따라 전송하는 S파 신호 및 PM 광섬유(180)의 고속축(nfast)을 따라 전송되는 P파 신호를 정렬한다. 바람직한 실시예에서, 복굴절(△nB)은 일반적으로 10-4에서 10-3사이이다. 선택적 실시예에서, S파 및 P파 신호는 반대 광섬유 축을 따라 전송되도록 정렬된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 모드 분할 잡음(MPN)이 발생할 수 있는 방식으로 2-모드 레이저에 대해 도시하고 있다. 특히, 도 4는 45도로 PM 광섬유(180)에 전달되는 2개의 선형 편극 모드를 도시한다. 2개의 모드는 각각 광섬유(180) 내부에서 고속 및 저속 편극 성분으로 분할된다. 광섬유에서 출력될 때, 2개의 길이 모드는 각각 고속 및 저속 편극 성분 사이의 상대적 위상 시프팅에 의존하는 임의의 편극 상태를 가정한다. 2개의 길이 모드는 도 2에서 논의된 바와 같이 파워에 있어서 서로 동적으로 경쟁하기 때문에, 광섬유(180)의 출력에서의 네트 편극 상태는 시간이 지나서 요동되어, 편극 잡음(예를 들어, 모드 분할 잡음)을 형성한다. 편극기를 통과할 때, 편극 잡음은 밀도 잡음으로 변환된다.
PM 광섬유(180)의 저속층이 고속축의 굴절율보다 큰 굴절율을 가지기 때문에, S파 신호는 더 느린 위상 속도로 저속축을 따라 전송될 것이다. 또한, 더 느린 위상 속도 역시 고속축의 광학 경로 길이(Fp)보다 긴 광학 경로 길이(Fs)에 대응한다. 저속축 및 고속축 사이의 상대적 광학 경로 차(△dforward(fiber))는 P파 및 S파 신호 사이의 (Lfiber△nB)/c(여기서, Lfiber는 PM 광섬유(180)의 물리적 길이이고, △nB는 PM 광섬유(180)의 복굴절이고 그리고 c는 진공시의 광속도이다)의 상대적 시간 지연,τfiber(forward)에 대응하는 (Fs-Fp)로서 표현될 수 있다. 시간 지연, τfiber(forward)은 광섬유의 레이저 모드(kth)에 대한 편극을 그 다음에 결정하는 kth레이저 모드에 대한 ψk=ωk(τfiber(PDL)+ τforward(fiber))(여기서, ωk=2πc/λk및 λk= kth레이저 모드의 파장)의 네트 순방향 경로 위상차에 대응하는 PDL의 시간 지연, τPDL(forward)을 더한다. 각각의 모드 요동의 밀도와 함께 PM 광섬유(180)의 제 2 단부에서 출력될 때 레이저의 각 모드가 상이한 편극을 가지며, PM 광섬유의 전체 출력 편극은 PM 광섬유(180)의 제 2 단부에서 요동하며, 그 결과 상당한 MPN이 발생한다.
MPN 및 동반하는 레이저 위상 잡음의 제거는 주 광신호의 2개의 편극 성분 사이의 광학 경로차를 0까지 감소시킴으로써 얻어질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 광학 경로차의 이러한 감소는 QWP1(185)을 두 번 통과함으로써 얻어질 수 있고, 이에 의해 PM 광섬유(180) 및 PDL(160)을 지나는 궤환 경로에 대해 90도까지 편극의 방향을 재설정한다. 특히, QWP1(185)은 QWP1(185)이 2개의 선형 편극 성분, 즉 S파 신호 및 P파 신호를 좌우로 회전하는 편극 상태로 변환하도록 PM 광섬유(180)의 제 2 단부에서 광섬유 축에 대해 45도로 정렬된다. MO 매체(190)로부터 반사될 때, 2 개의 원 상태의 센스는 반전된다(예를 들어, 우측 편극이 좌측 편극이 되고 좌측 편극이 우측 편극이 된다). 궤환 경로 상의 QWP1을 통과한 후에, 원 상태는 90도 회전으로 대응 선형 상태로 다시 변환된다.
궤환 경로 상의 PM 광섬유(180)의 제 2 단부에 입력될 때, 주 광신호의 90도의 편극 회전은 광학 경로를 보상하게 된다. 예를 들어, 원래 PDL(160)의 짧은 지연 경로 길이(Lp) 및 PM 광섬유(180)의 고속축(Fp)을 따라 순방향 경로 상의 P 파 신호로서 전송되는 주 광신호의 제 1 성분은 PDL(160)의 긴 지연 경로 길이(Ls) 및 PM 광섬유(180)의 저속축(Fs)을 따라 S파 신호로서 궤환 경로 상에 전송된다. 현재 P 파 신호인 오리지날 S파 신호는 PM 광섬유(180)의 고속축(Fp) 및 PDL(160)의 짧은 지연 경로 길이(Lp)를 따라 궤환 경로 상에 전송된다. 순방향 경로 상의 PDL(160)의 하나의 지연 경로 길이 및 PM 광섬유(180)의 하나의 축 그리고 궤환 경로 상의 반대 지연 경로 길이 및 광섬유 축으로 전송되는 주 광신호의 각각의 성분을 가짐으로써, PDL(160)의 제 1 단부에서 출력되는 재결합된 주 광신호는 PM 광섬유(180)의 제 2 단부에서 출력되는 주 광신호와 유사한 네트 광학 경로차를 경험하지는 못한다. 주 광신호에서 상당한 네트 광학 경로차의 부족은 주 광신호의 2개의 성분 사이의 상대적 지연 시간을 최소화하게되어, 이에 의해 SPN의 증가를 방지한다. 특히, PDL(160) 및 PM 광섬유(180) 모두를 통한 라운드 트립 전송의 마지막에서, 주 광신호의 제 1 성분 및 제 2 성분은 각각, Lp+Fp+Fs+Ls및 Ls+Fs+Fp+Lp의 동일한 결합 길이를 전송할 것이다.
도 8(a) 및 8(b)은 시스템(100)을 통해서 라운드 트립 전송을 할 때 주 광신호의 궤환 편극 상태의 특성을 도시한다. 케르 효과가 없는 도 8(a)에서, LBS(120)으로부터 반사되는 편극 상태는 입력 상태, 즉 P파 신호와 동일하다. 도 8(b)에서, P파 신호가 45도로 QWP2(114)를 통과할 때, P파 신호는 이 신호의 균형 때문에, 차 검출기(116)에서 0 출력 신호를 생성하는 원 편극 상태로 변환된다.
케르 효과가 있는 경우에, 도 8(a)은 MO 디스크(190)에서 검사된 자화의 신호(예를 들어, 상승 또는 하강)에 의존하는 P파의 위상에서 플러스 또는 마이너스 90도만큼 벗어나는 작은 S파가 생성되는 것을 도시하고 있다. LBS(120) 다음에, 도 8(a)은 케르 효과를 가지는 주 광신호가 회전의 우측(자화 하강) 또는 좌측(자화 상승) 센스로 약간 타원형의 편극을 가진다. QWP2(114)를 통과한 후에, 도 8(b)은 케르 효과가 있고 케르 효과가 없는 광은 동위상이 되고 구별할 수 있는 차 신호를 발생하도록 간섭하기 때문에, 차 검출(116)에 의해 서로 구별될 수 있는 2 상태에 대해 도시하고 있다.
시스템(100)이 이론적으로는 네트 광학 경로차 0을 제공함으로써 주 광신호의 2개의 성분의 상대적 시간 지연을 제거할 수 있지만, 시스템(100) 내의 불가피한 오정렬 에러는 기생 광신호가 검출 신호의 잡음 레벨에 그 다음에 영향을 주게 된다. 특히, 에러는 일반적으로 개별 광학 성분 또는 개별 정렬에서 서로 발생한다. 바람직한 실시예에서, 특정의 해당 일 성분은 광학 기록 헤드상에 위치할 수 있는 QWP1(185)이다. QWP1(185)의 지연 및 정렬 모두에서의 에러는 일반적으로 이 성분의 작은 물리적 크기(예를 들어, 0.090×0.20×1.0 mm3) 때문에 제어하기 어렵다.
기생 광신호는 광학 시스템을 통해 전송되어 0이 아닌 해당 광학 경로차를 가지는 2개의 주 편극 성분을 가지는 차 검출 모듈에 도달하는 광의 일부이다. 특히, QWP1(185)의 두께 도는 회전 정렬에서의 각각의 에러는 큰 1차 SPN(예를 들어, 2개의 성분 에러의 결합으로 인한 SPN)을 그 다음에 발생시킬 수 있는 기생 광신호를 생성할 것이다. 또한, 2차 MPN(예를 들어, 2개의 성분 에러의 결합으로 인한 SPN)은 PDL(160) 및 PM 광섬유(180)가 QWP1에서 에러와 함께 오정렬되면 증가할 수 있다. 바람직한 실시예에서, PDL(160) 및 PM 광섬유(180) 사이의 오정렬은 모든 PM 광섬유(180)를 어래이로 그룹화함으로서 방지되어, PM 광섬유(180)의 모든 축이 서로 정렬된다(예를 들어, 1도 이하의 에러를 가지는). PDL(160) 및 PM 광섬유(180) 사이의 오정렬을 방지하기 위한 선택적 실시예는 PM 광섬유(180) 사이의 스위칭을 위한 액티브 정렬을 제공하도록 PDL(160) 및 PM 광섬유(180)의 제 1 단부 사이에서 사용될 수 있는 전기적으로 동적으로 제어된 편극 회전기(예를 들어, 전기적으로 제어된 회전 상태로 HWP2(177)를 놓고 HWP2(177)를 1/4 파형판과 함께 사용된 네마틱(nematic) 액정 셀로 대체함으로써)를 이용하는 것이다.
QWP1(185)에서의 지연 또는 방향 설정 에러로 발생된 기생 광신호는 순방향 경로를 따라 원래 전송된 동일한 축 및 경로 길이를 따르는 궤환 경로상에 전송된다. 반대축 및 지연 경로 길이 상에 전송되지 않음으로써, 기생 광신호의 S 및 P 성분은 차 검출 모듈에 도달할 때 2(LS+FS)-2(Lp+Fp)의 실질적인 광학 경로 길이 차를 가지는데, 차 검출 도듈은 그 다음에 시스템의 신호 대 잡음비를 감소시키는 SPN을 발생시킬 수 있다. 특히, 일 축상의 기생 광신호는 시간 지연되고 반대축 상의 기생 광신호는 주 광신호파 성분(동일한 광학 경로를 이동하는)에 비례하여 시간 선행될 것이다. 일반적으로(예를 들어, 레이저는 연속적인 파 유형에서 또는 일부 임의의 변조 상태하에서 동작될 때), 기생파는 검출 시스템에서, 서로 및 주 광신호로 시간적으로 겹칠 것이다. 따라서, 중첩된 기생 광신호 및 주 광신호는 서로 간섭할 것이다. 이 간섭은 대량의 SPN의 결과를 초래하고, 차 검출 모듈(116)이 주 광신호 내의 케르 효과를 검출하기 어렵게 된다. 레이저 다이오드가 적절한 주파수에서 온-오프 유형으로 변조되기만 하면, SPN 효과는 극복될 수 있다. 적절한 변조를 이용할 때, 여기에 개시된 바와 같이, 기생 광신호 및 주 광신호는 시간적으로 겹치지 않고, 이에 의해서 기생 광신호 및 주 광신호 사이의 간섭을 제거하고, 그 다음에 SPN 형식을 방지한다. 특히, PDL(160)은 적절한 변조 주파수가 충분한 시분할하도록 사용될 수 있도록, PM 광섬유(180)의 짧은 부분에 의해서만 분배되는 것과 비교할 때 충분히 큰, 경로 길이차를 형성한다.
적절한 레이저 변조(아래에서 상세히 기술되는)로, PDL(160)은 서로 및 주 광신호에서 상당히 이격된 기생 광신호를 타임 시프팅함으로써 QWP1에서의 성분 에러로 인한 1차 SPN을 제거한다. 특히, PDL(160)은 약 0.2-0.5 미터의 물리적 단방향 지연 경로 길이차(Lp-Ls)를 이용한다. 이러한 작은 물리적 지연 길이에 있어서, PDL(160)이 쉽고 수행시 경제적이다. 또한, PDL(160)은 레이저 잡음 효과가 대략 짧은-잡음-제한 성능 레벨이 최소화 될 수 있는 모드 분할 잡음 및 시스템(100)에 존재하는 레이저 위상 잡음의 양을 최소화한다.
바람직한 실시예에서, PDL(160)은 제 1 편광 스플리터(PBS1)(169), 제 2 편광 스플리터(PBS2)(170), 제 1 미러(165) 및 제 2 미러(175)를 포함한다. 주 광신호가 순방향 경로 상의 PDL(160)에 입력되기 이전에, HWP1(130)은 HWP1(130)에 커플링되고, 주 광신호를 P파 신호인 전송된 성분 및 S파 신호인 반사된 성분의 2개의 동일-진폭 성분으로 수신되어 분할된다. 이 때 PDL(160)은 제 1 미러(165) 및 제 2 미러(175) 모두로부터 반사되도록 S파 신호를 재전달함으로써, S파 신호가 광학 경로 길이(LS)를 따라 전송될 수 있게 한다. P파 신호는 PBS1(169) 및 PBS2(170)를 통해서 전송함으로써 지연 경로 길이(Lp)를 따라 전송된다. PBS2(170)는 S 및 P파 신호 모두를 수신하여 주 광신호로 재결합시킨다. PBS2(170)는 S 및 P파 신호 모두를 수신하여 HWP2(177)(또는 등가 편극 회전기)를 통해서 PDL(160)의 연장선으로서 효과적으로 작용할 수 있는 PM 광섬유(180) 세트 중 하나로 전달된다. HWP2(177)에 의한 PDL(160) 및 PM 광섬유(180) 사이의 정렬은 S 및 P파가 PDL(160)에서 출력되어 각각(또는 그 역으로), PM 광섬유(180)의 고속 및 저속 광섬유 축으로 입력되는 결과를 가져온다. 순방향 경로에서 P파 신호 및 S파 신호 성분 사이에 형성된 광학 경로 차 △d는 다음과 같으며:
△d=(LS+FS)-(LP+Fp)=(LS-LP)+△nLfiber,
여기서, △n은 광섬유 복굴절이고 Lfiber는 PM 광섬유 길이이다. 바람직한 실시예에서, LP=10cm, LS=50cm, △n=10-3, Lfiber=100cm, 순방향 경로차 △d는 40.1cm와 동일하다.
선택적 실시예에서, PDL(160) 축과 충분히 정확하게(예를 들어, 1도 이하) 기계적으로 정렬되면 HWP2(177)이 제거될 수 있다. 추가의 선택적 실시예에서, 시스템(100)은 또한 PM 광섬유(180)의 긴 부분으로부터 구현될 수 있지만, 대응 길이는 약 401 미터이다. 그러나, 바람직한 실시예의 PDL(160)은 더욱 소형이고 수행시 경제성을 제공한다.
순방향 경로에서 PM 광섬유(108)에서 출력된 후에, QWP1(185)을 통과하는 주 광신호는 MO 디스크(190)로부터 반사되어 다시 한번 QWP1(185)을 지난다. QWP1(185)을 두 번 통과하면, 출력 S파 신호는 궤환시 P파 신호로 그리고 출력 P파 신호는 S파 신호로 변환된다. QWP1(185)이 지연(예를 들어, 위상 시프팅을 90도에서 시작하는) 또는 45도로 방향 설정시 에러가 발생하는 정도까지, 기생파가 존재할 것이다. 이 기생파는 QWP1(185)에 의해 적절하게 변환되지 않은 출력광의 부분, 즉 S파로 궤환되는 출력 S파 및 P파로 궤환되는 출력 P파에 대응한다. 따라서, 주 광신호의 각각의 편극 성분은 기생 광신호의 각각의 성분이 2개의 광학 경로 길이 중 하나를 따라 이동하는 동안, PDL(160)의 지연 경로 길이들 모두를 따라 전송된다. 이 방식으로, 기생 광신호의 2개의 편극 성분은 주 광신호와 관련된 그리고 그 자체의 라운드-트립 타임 시프팅을 발생시킬 것이다.
예를 들어, 도 6에서 도시된 바와 같이, 궤환 경로 상의 PDL(160)의 제 1 단부에서 출력될 때, 주 광신호(610)의 S 및 P 파 성분 모두는 Lp+Fp+Fs+Ls의 전체 광학 길이를 전송한다. 기생 광신호는 순방향 및 궤한 경로 상의 동일한 광섬유 길이 및 지연 경로 길이를 따라 전송되기 때문에, P파 기생 광신호(630)는 2Lp+2Fp의 더 짧은 네트 광학 길이를 전송하고, S파 기생 광신호(620)는 2Fs+2Ls의 더 긴 네트 광학 길이를 전송한다. 기생 광신호의 2개의 성분 및 주 광신호 사이의 네트 광학 길이의 차는 P파 기생 광신호(630)가 주 광신호 이전으로 타임 시프팅되고 S파 기생 광신호(620)가 주 광신호 다음으로 타임 시프팅되는 결과를 가져온다.
주 광신호로부터 S파 및 P파 기생 광신호 모두의 시분할을 거의 마치게 하기 위하여, 다중모드 레이저(110)는 약 33%의 듀티 계수로 온 및 오프 펄스화된다. 이러한 듀티 계수는 동일한 시간폭을 가지는, 3개의 시분할된 펄스들 각각(예를 들어, 기생 신호의 P파 및 S파 신호 및 주 광신호)이 레이저 펄스 주기의 약 1/3을 개별적으로 독점하게 한다. 듀티 계수를 이용하지 않으면, 기생 광신호의 성분이 다른 광신호와 겹치게 된다. 예를 들어, 연속파 레이저 환경에서, 기생 광신호 성분은 시간적으로 서로 그리고 주 광신호와 겹치게 되어(예를 들어, 시간적으로 겹치는), 검출 채널에서 SPN 효과를 발생시킨다.
단방향 지연 시간(τforward(PDL)=△dforward(PDL)/c)이 레이저 변조 주기(Tlaser)의 약 1/3이 되게하는 방식으로 설정된 바람직한 실시예에서 PDL(160)의 순방향 경로차(△dforward(PDL))에 있어서, 2개의 경로 길이의 경로차(△dforward(PDL))는 c(Tlaser)/3이다. 바람직한 실시예에서 고주파수(예를 들어, 약 100-1000MHz)로 다중모드 레이저(110)를 온 및 오프 펄스화하고 적절한 주파수-의존 지연 경로차(△dforward(PDL)=cTlaser/3△dforward(PDL))=c(Tlaser)/3(예를 들어, 10-70cm)를 가지는 PDL(160)을 설계함으로써, PDL(160)은 시스템(100)에서 기생 광신호 효과를 최소화하여, 주 광신호를 변조시키는 SPN을 최소화한다. 예를 들어, 도 7에서 도시된 바와 같이, 실시예의 레이저 변조 주파수가 450MHz일 때, 약 30cm의 경로차(△dforward(PDL))가 요구된다. 특히, 작은 경로차에 있어서(예를 들어, 0.1m이하), 잡음은 모드 분할 효과에 의해 조절되어 간섭성 피크에서 발생하는 최소 잡음을 가지는 실질적인 구조를 보여준다. 도 7에서 도시된 바와 같이 실시예의 최저 잡음 영역은 약 0.33m의 경로차에서 발생하여, 간섭계에 존재하는 2개의 광신호는 시간적으로 겹친다. 경로차가 0.33m 이상으로 증가할 때, 잡음은 다시 증가하고 레이저 위상 잡음 효과에 의해 조절된다. 이러한 예는 본 발명의 다양한 실시예에서 이용되는 원리를 설명하고 있다.
선택적인 실시예가 공기(즉, n=1)와 비슷한 굴절율의 전파 경로를 가지는 PDL(160)의 자유 공간 버전에 관한 것이지만, 본 발명의 선택적 실시예는 1 정도의 굴절율을 가지는 유도파 전파 경로를 이용함으로써 동일한 필수 주파수 의존 광학 경로차를 얻는다. 예를 들어, 도 9는 PBS1(169), PBS2(170) 및 광섬유 시준기(910)로 구성된 PDL(160)의 제 1 선택적 실시예를 도시한다. 광섬유 시준기(910)는 시스템(100)이 더욱 소형화되고 제조 가능하게 할 수 있다. 특히, 광섬유 시준기(910)는 제 1 GRIN 렌즈(920)(예를 들어, 0.25 피치를 가지는), 제 2 GRIN 렌즈(930)(예를 들어, 0.25 피치를 가지는), 및 광섬유(약 1.5의 굴절율을 가지는)를 포함한다. 광섬유 시준기(910)는 적절한 직경의 시준된 자유-공간 빔을 수신하고 출력한다. PDL(160)의 실시예에서 광섬유(940)는 편극 광섬유(예를 들어, PZ 광섬유), PM 광섬유, 또는 적절하게 전달된 저 복굴절(Lo-Bi) 광섬유일 수 있다. 선택적 실시예의 주요 제한은 광섬유(940)가 흡광(extinction) 비율로 단일 선형 편극 상태(예를 들어, S파 신호)를 전송해야 한다는 것이다.
도 10에서는 PDL(160)의 전체 광섬유 버전을 가지는 시스템(100)의 제 2 선택적 실시예가 도시된다. 특히, 이 PDL(160)은 광섬유(1045)내에 편광 스플리터(1010)를 포함한다. 긴 경로 길이(Ls)는 광섬유(940)에 의해 제공되지만, PDL(160)의 짧은 경로 길이(Lp)는 광섬유(1045)에 의해 제공된다. 시준된 자유-공간 동작시 양립될 수 있는 장치를 구현하기 위하여, 제 1 GRIN 렌즈(920)(예를 들어, 0.25 피치를 가지는) 및 제 2 GRIN 렌즈(930)(예를 들어, 0.25 피치를 가지는)는 각각, 광섬유(940)의 입력 및 출력에 배치된다. 도 10에 도시된 전체 광섬유 PDL 방법은 도 1의 자유-공간 버전 및 도 9의 하이브리드 방법과 비교하여 성분을 정렬하기 어렵다; 그러나, 전체 광섬유 버전은 고성능의 PM 스플리터(1010)가 필요하다. 또한, 시스템(100)에서 SPN이 증가될 수 있는 광섬유(940)의 단부면으로부터의 반사를 방지하기 위하여, 광섬유(940)의 단부는 각도 분열되고 유사하게 각도 연마된 GRIN 렌즈(920 및 930)로 주의 깊게 정렬된다. 직선-분열 광섬유(940)와 비교할 때, 각도 분열 광섬유(940)는 일반적으로 시스템(100)에 대한 순방향 커플링 효율이 70-80%가 되게 한다. 직선-분열 광섬유(940)로부터의 단부 반사는 GRIN 렌즈(920 및 930) 및 광섬유 단부 사이의 굴절율 매칭 에폭시를 이용함으로써 제거될 수 있다.
전술한 바람직한 실시예가 도시 및 기술을 위해 개시된다. 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 상기 광의 다양한 변형과 변화가 가능하다. 바람직한 실시예가 선택되고 본 발명의 원리를 가장 잘 설명하도록 기술되며 본 발명에 의한 응용이 당업자가 다양한 실시예에서 본 발명을 가장 잘 이용하게 할 수 있고 상세한 설명에 기초한 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 한정되야 한다.

Claims (30)

  1. 주 광신호를 발생시키는 레이저와 커플링되는 저 잡음 광학 시스템에 있어서,
    상기 레이저로부터 상기 주 광신호를 수신하고 제 1 성분 신호 및 제 2 성분 신호를 전송하는 제 1 빔 스플리터를 가지는데, 상기 제 1 성분 신호는 상기 주 광신호의 제 1 부분을 포함하고 상기 제 2 성분 신호는 상기 주 광신호의 제 2 부분을 포함하며;
    제 1 광학 길이, 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 제 1 경로를 포함하며, 상기 제 1 경로의 상기 제 1 단부에서 상기 제 1 빔 스플리터와 커플링되고, 순방향 경로로 상기 제 1 성분 신호를 그리고 궤환 경로로 제 3 성분 신호를 전송하는데, 상기 제 3 성분 신호는 상기 주 광신호의 상기 제 2 부분 및 제 1 기생 광신호를 포함하며;
    제 2 광학 길이, 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 제 2 경로를 포함하며, 상기 제 2 경로의 상기 제 1 단부에서 상기 제 1 빔 스플리터와 커플링되고, 순방향 경로로 상기 제 2 성분 신호를 그리고 궤환 경로로 제 4 성분 신호를 전송하는데, 상기 제 4 성분 신호는 상기 주 광신호의 상기 제 1 부분 및 제 2 기생 신호를 포함하고, 상기 제 2 광학 길이는 상기 제 1 광학 길이보다 긴 광학 길이를 가져서 상기 제 3 성분 신호와 상기 제 4 성분 신호의 결합시, 상기 주 광신호 및 상기 제 1 기생 광신호와 상기 제 2 기생 광신호 사이에서 시분할 되게하는 것을 특징으로 하는 저 잡음 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 경로의 상기 제 2 단부 및 상기 제 2 경로의 상기 제 2 단부와 커플링되고, 상기 제 1 성분 신호 및 상기 제 2 성분 신호를 수신하며 상기 제 1 성분 신호 및 상기 제 2 성분 신호 사이의 시간이 지연되게 상기 주 광신호를 전송하는 제 2 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로는 공기 굴절율과 비슷한 굴절율로의 자유-공간 전송을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 경로는 광섬유 시준기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 경로 및 상기 제 2 경로는 각각 편극 유지 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 광학 길이 및 상기 제 1 광학 길이 사이의 물리적 길이 차는 1 미터 이하인 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광학 길이 및 상기 제 2 광학 길이 사이의 물리적 길이 차는 약 (cTlaser)/3 인데, 여기서 c는 공기중의 광속도이고 Tlaser는 상기 레이저의 변조 주기인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 레이저 변조 주기는 적어도 1/3 듀티 사이클을 가지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터 및 상기 제 2 빔 스플리터는 각각 편광 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터 및 상기 제 2 빔 스플리터는 각각 편극 광섬유 스플리터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제 1 편극 분할 광섬유와 커플링되고, 상기 편극 분할 광섬유를 통해서 사이 주 광신호의 순방향 경로를 따라 전송하는 제 1 GRIN 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 빔 스플리터와 커플링되고, 상기 제 2 빔 스플리터는 궤환 경로로 상기 주 광신호가 상기 제 3 성분 신호 및 상기 제 4 성분 신호로 분할할 수 있도록 상기 주 광신호의 방향을 재설정하는 1/4 파형판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 빔 스플리터와 커플링되고, 순방향 경로에서 궤환 경로로 상기 주 광신호의 방향을 재설정하는 반사 매체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 반사 매체는 상기 자기-광학 매체 상에 자기적으로 저장된 논리 상태 정보를 케르 효과에 따라 상기 주 광신호로 전송하는 자기 광학 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 제 1 단부, 제 2 단부, 제 3 광학 길이 및 제 4 광학 길이를 가지는 제 3 경로를 더 포함하는데, 상기 제 3 경로의 상기 제 1 단부는 상기 제 1 경로의 상기 제 2 단부 및 상기 제 2 경로의 상기 제 2 단부와 커플링되고, 상기 주 광신호, 상기 제 1 기생 광신호 및 상기 제 2 기생 광신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 3 경로는 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 광섬유는 편극 유지 광섬유의 고속축을 나타내는 상기 제 4 광학 길이 및 상기 편극 유지 광섬유의 저속축을 나타내는 상기 제 3 광학 길이를 가지는 편극 유지 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터와 커플링되고, 상기 제 1 빔 스플리터가 상기 주 광신호를 상기 제 1 성분 신호 및 상기 제 2 성분 신호로 분할하도록 순방향 경로로 전송하는 상기 주 광신호의 편극 방향을 설정하는 제 1 1/2 파형판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 빔 스플리터 및 상기 제 3 경로 사이에 배치되고, 상기 제 3 경로가 상기 주 광신호를 상기 제 3 성분 및 상기 제 4 성분로 분할할 수 있도록 순방향 경로로 상기 주 광신호의 방향을 설정하는 제 1 1/2 파형판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터와 커플링되고, 상기 레이저로부터 상기 주 광신호를 수신하며 그리고 편극 상태를 가진 상기 주 광신호를 상기 제 1 빔 스플리터에 전송하는 누설 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터와 커플링되고, 상기 주 광신호 내에 포함된 상기 논리 상태 정보를 검출하는 차 검출 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터와 커플링되고, 궤환 경로로 전송하는 상기 주 광신호를 대략적으로 원으로 편극화하는 1/4 파형판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 레이저와 커플링되고, 주 광신호의 스펙트럼 편극 잡음 효과를 최소화하는 광학 시스템에 있어서,
    매체상에 자기적으로 저장된 논리 상태 정보를 케르 효과에 따라 상기 주 광신호에 전송하는 반사 자기-광학 매체;
    상기 반사 자기-광학 매체와 커플링되고, 상기 반사 자기-광학 매체 사이에서 상기 주 광신호를 전송하는 편극 유지 광섬유;
    상기 편극 유지 광섬유와 커플링되고, 기생 광신호와 상기 주 광신호를 시분할하는 편광계 지연 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  24. 스펙트럼 편극 잡음 효과를 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    레이저로부터 수신된 주 광신호를 제 1 성분 신호 및 제 2 성분 신호로 분할하는 단계;
    상기 제 1 성분 신호를 제 1 경로를 통해서 순방향 경로로 전송하는 단계;
    상기 제 2 성분 신호를 제 2 경로를 통해서 순방향 경로로 전송하는 단계;
    상기 제 1 성분 신호를 상기 제 1 성분 신호 및 제 1 기생 광신호를 포함하는 제 4 성분 신호로 전송하는 단계;
    상기 제 2 성분 신호를 상기 제 2 성분 신호 및 제 2 기생 광신호를 포함하는 제 3 성분 신호로 전송하는 단계;
    상기 주 광신호의 상기 제 4 성분 신호를 궤환 경로로 상기 제 2 경로를 통해서 전송하는 단계;
    상기 주 광신호의 상기 제 3 성분 신호를 궤환 경로로 상기 제 1 경로를 통해서 전송하는 단계;
    상기 주 광신호를 재형성하고 상기 제 1 기생 광신호 및 상기 제 2 기생 광신호를 상기 주 광신호와 시분할하도록 상기 제 3 성분 신호를 상기 제 4 성분 신호와 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 순방향 경로에서 궤환 경로로 상기 주 광신호를 재전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 자기-광학 매체 상에 자기적으로 저장된 논리 상태 정보를 케르 효과에 따라 상기 주 광신호에 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 성분 신호 및 상기 제 2 성분 신호를 순방향 경로로 편극 유지 광섬유를 통해서 전송하고 상기 제 3 성분 신호 및 상기 제 4 성분 신호를 궤환 경로로 상기 편극 유지 광섬유를 통해서 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 빔 스플리터가 상기 주 광신호를 상기 제 1 성분 신호 및 상기 제 2 성분 신호로 분할하도록 순방향 경로로 전송하는 상기 주 광신호의 방향을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 23 항에 있어서, 상기 주 광신호 내에 전송된 상기 논리 상태를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 스펙트럼 편극 잡음 효과를 감소시키기 위한 방법에 있어서,
    레이저로부터 수신된 주 광신호를 제 1 성분 신호 및 제 2 성분 신호로 분할하는 단계;
    제 1 경로를 통해서 상기 제 1 성분 신호를 전송하는 단계;
    제 2 경로를 통해서 상기 제 2 성분 신호를 전송하는 단계;
    제 1 기생 광신호를 상기 제 2 성분 신호와 그리고 제 2 기생 광신호를 상기 제 1 성분 신호와 시분할하는 단계; 및
    상기 주 광신호를 형성하도록 상기 제 1 성분 신호와 상기 제 2 성분 신호를 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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