KR20020026875A

KR20020026875A - 광학전송의 주어진 대역 선택을 위한 ｒｆ/마이크로파 및광학 믹싱 기술 이용 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20020026875A
Application number: KR1020017015855A
Authority: KR
Inventors: 브래들리 멜스
Original assignee: 파이버스페이스, 인코퍼레이티드
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2002-04-12
Also published as: WO2000077956A1; AU5332200A; CN1355969A; CA2375773A1; EP1190509A1; CN1223115C; JP2003502902A; WO2000077956A8

Abstract

광학 링크에서 단일 광학 파장 상에 다중 RF/마이크로파 서브반송파를 송/수신하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 이 방법은 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 각 통신 신호로 변조하고, 변조된 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수로 광학 반송파를 변조하는 단계들을 포함한다. 이 방법은 1) 광학 반송파의 다수의 RF/마이크로파 서브반송파를 감지하고 이 서브반송파들을 제 1 국부발진기(LO) 주파수와 믹싱하여, 감지된 서브반송파의 변조 신호 스펙트럼의 가장 높은 주파수 성분 위에 새로운 헤테로다인 IF 주파수를 생성하며, 2) 새 IF 주파수의 IF 중앙 주파수에서 대역통과 필터를 이용하여 다수의 감지 RF/마이크로파 서브반송파의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 여파하며, 3) 이어지는 통신망 요소에서의 전파를 위해 원하는 중앙 주파수에서 차이 주파수를 도출하도록 여파된 RF/마이크로파 서브반송파를 제 2 국부발진기(LO) 주파수와 믹싱하는, 이상의 단계를 추가로 포함한다.

Description

광학전송의 주어진 대역 선택을 위한 ＲＦ/마이크로파 및 광학 믹싱 기술 이용 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF UTILIZING RF/MICROWAVE MIXING TECHNIQUES TO SELECT A GIVEN BAND OF AN OPTICAL TRANSMISSION}

광섬유망에서 통신 신호를 송/수신하는 방법은 공지되어 있다. RF 서브반송파 분할 멀티플렉싱(SDM) 송신 기술이 또한 공지되어 있다. 이러한 기술은 여러 통신망에 적용되어 왔으며, CATV 분배용 하이브리드 광섬유/동축케이블(HFC)망이 한 예이다. 실제로 서브반송파 분할 멀티플렉싱(SDM)은 오늘날 CATV 망에 사용되는 표준 멀티플렉싱 기술이다.

HFC 망에서 서브캐리어 분할 멀티플렉싱(SDM) 기술의 기존 이용은 HFC 망의 동축케이블 부분에 대한 송신에 사용되는 광대역폭을 제한하였다(가령, 50-750MHz). 이는 텔레비젼 신호의 아날로그 진폭 변조-퇴화 측대역(AM-VSB) 송신에서 설명이 된다. 이 경우에, 광학 시스템의 선형성은 통신망의 광섬유 부분에서 필요한 신호 품질로 송신될 수 있는 서브캐리어 멀티플렉싱 채널의 수에 상한을 생성한다. 따라서, 이러한 통신망 구현은 광섬유의 낮은 손실에서 장점을 찾을 수 있으나, 통신 신호 및 서비스 분배에서 광섬유의 상당한 대역폭 이용에 실패한다.

기존 기술의 가르침에서의 요점은 이러한 하이브리드망에서 서비스 전달에 효과적으로 사용될 수 있는 레이저 대역폭을 네트워크의 동축케이블 부분의 대역폭이 어떻게 얼마나 제한하는 가에 대한 믿음이 되었다. 현재 산업 경향은 인터넷, 유료TV, 전화 등과 같은 분야를 위해 HFC 망에서 할당된 대역폭 서비스를 제공하는 것이다. 이 할당된 대역폭 서비스는 디지털 직각 진폭 변조(QAM)의 형태를 취하는 것이 일반적이며 과거에 AM-VS 신호가 요구하였던 것과 같은 정도의 광학 시스템으로부터의 선형성을 요구하지 않는다. 이 사실은 공지되어 있으나 현대 CATV망 구조에서 효과적으로 개발되어 있지 않다.

AM-VSB 신호에 비해 디지털 QAM 신호의 이용으로부터 생기는 이완된 선형성 명세는 두 개의 구분된 수단에 의해 통신망 구조에 충격을 줄 수 있다. 이러한 수단 한 개는 여러 레이저 파장의 파장 분할 멀티플렉싱(WDM)에 의한 것이며, 각각의 파장은 다중 QAM 서브반송파를 내장하는 SDM 신호를 운반한다. 선형성 명세가 약간 이완되기 때문에, 이 파장 들 중 하나를 SDM AM-VSB 신호를 내장한 광학 반송파와 조합하기 전에 광학 파장 분할 디멀티플렉싱 필터에 의해 허브에서 파장이 분리된다고 가정할 경우, 이 WDM 신호들은 단일 광섬유 상에서 송신될 수 있다. 이 두 파장들은 그후, AM-VSB 시스템에 의해 요구되는 선형성 성능을 유지하면서 광섬유를 통해 합리적인 거리만큼 송신될 수 있다.

광학 파장에 SDM 디지털 QAM 신호를 내장하는 이러한 WDM 시스템에서 기존 기술은 550-750MHz의 RF 대역폭을 이용하였다는 것을 주목할 필요가 있다. 50-550MHz의 RF 대역폭은 SDM AM-VSB 신호에 대해 예약되며, 750MHz의 대역폭 상한은 동축케이블의 송신 특성에 의해 부여된다. 따라서, 단 200MHz의 광학 대역폭이 SDM QAM 신호를 위해 사용된다. 그러나 이러한 대역폭이 왜 이렇게 제한되어야 하는 지에 관해서는 어떤 기본적 이유도 없다. 이는 동축케이블 시스템에 의해 부여되는 제한으로서 광학 시스템에 의해 부여되는 제한사항이 아니다.

앞서의 시나리오는 멀티플렉싱 아날로그 서브반송파에서 AM-VSB 신호와 QAM 신호의 조합을 운반하는 아날로그 시스템을 고려한다. 그러나, 이 고려들이 디지털 통신 시스템에도 똑같이 관련된다. 주도니 차이점은 디지털 시스템의 경우에 다중 디지털 신호의 시간 분할 멀티플렉싱(TDM)에 의해 대역폭이 증가하는 반면에, 아날로그 시스템의 경우 아날로그 서브반송파의 서브반송파 분할 멀티플렉싱에 의해 대역폭이 증가한다는 점이다.

디지털 시스템에서, 기존 기술은 추가적인 광학적 대역폭이 사용될 수 있는 두 개의 구분된 기술을 제시하였다. 한가지 이러한 기술은 다중 광학 파장 및 WDM 기술의 이용을 포함한다. 나머지 하나의 기술은 TDM 신호의 비트속도 증가를 포함한다. 이 두 방법은 추가적인 광학 대역폭을 이용할 수 있도록 통신망 단자 장비에 대한 본질적인 갱신을 필요로한다.

따라서, 통신망 단자 장비의 충격을 최소한으로 하면서 통신망의 광섬유 부분에 광학 스펙트럼 이용을 증가시키기 위한 수단을 제공하는 것이 본 발명의 한가지 목적이다.

총 대역폭 소요가 훨씬 적은 전기(또는 광학) 통신망의 다른 부분에 광학 스펙트럼 이용을 증가시킴으로서 생성되는 추가 대역폭을 분배하기 위한 수단을 제공하는 것이 본 발명의 추가적인 목적이다.

통신망의 지정 부분에 분배될 대역폭 부분을 RF나 광학 기술에 의해 원격으로 선택가능하게 함으로서 통신망에 추가 유틸리티를 제공하는 것이 발명의 또다른 목적이다.

본 발명은 광학 통신 시스템에 관한 것이고, 특히 광섬유 통신망에 대한 광전자적 시스템에 관한 것이다.

도 1은 AM-VSB 및 디지털 QAM 신호 조합을 송신하기 위해 SCM 기술을 이용하는 CATV 분배 통신망 구조에 특히 적용되는 발명의 한 실시예 도면. 선호되는 실시예는 광섬유에서 디지털 QAM 신호 송신을 위해 700MHz 미만의 RF 범위를 가지는 아날로그 서브반송파 주파수를 이용한다.

도 2는 디지털 QAM 신호 송신을 위해 2.0GHz까지 아날로그 반송파를 통합함으로서 그이상의 광학 대역폭을 이용하는, 도 1에 도시되는 구조의 확장형.

도 3은 일반적으로 광섬유 통신망에 적용될 때 선호되는 실시예에 따르는 통신망 구조도. 이는 송신기 대역폭이 수신기 대역폭을 넘는 비대칭 통신망 구조이다. 통신망 구조의 이러한 일반화는 디지털 통신 신호에도 적용되어, 복조의 최종 단계는 기지대역이다.

도 4는 마이크로파 반송파 스펙트럼의 원하는 부분을 수신기 대역폭으로 시프트시킴으로서 광학 비트 노트(beat note)를 생성하도록 광학 믹서를 통합함으로서 다중 광학 반송파 주파수의 디멀티플렉싱이 달성되는, 높은 대역폭으로의 실시예의 논리적 확장의 헤테로다인 시스템 도면.

도 5는 논리 발진기 레이저 전력을 통신망의 다중 노드에 분배하면서 시스템의 편광 의존 손실을 제거하는, 도시되는 실시예 하의 편광 정렬 장치 도면.

도 6은 선형 편광 상태가 회복된 후 단일 모드 광섬유가 시스템을 종료시키는 광학 실시예의 편광 정렬 장치 도면.

도 7은 단일 모드 광섬유 커플러가 신호 및 국부발진기 레이저 필드 조합에 사용되고 단일 모드 광섬유 송신 라인이 독립형 임의 편광 상태의 신호 및 국부 발진기 필드를 편광 회복 장치로 운반하는 데 사용되는, 광학 실시예의 편광 정렬 장치 도면.

도 8은 마이크로파 서브반송파의 네 세트를 운반하는 데 단일 광학 반송파가사용될 수 있는, 광학 주파수 플랜의 도면. 도 8a는 광학 및 마이크로파 반송파 의 상부 측대역 및 하부 측대역에 공급되는 독립형 통신 신호를 나타내는 광학 스펙트럼을 도시하고, 도 8b는 저주파 세트의 복조에 사용되는 국부 발진기 파장을 도시하며, 도 8c는 고주파 세트를 복조하는 국부 발진기 파장의 도면이다.

광학 링크에서 단일 광학 파장의 다중 RF/마이크로파 서브반송파를 송/수신하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 이 방법은 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 각각 통신 신호로 변조하고 다수의 변조 RF/마이크로파 서브반송파 주파수로 광학 반송파를 변조하는 단계들을 포함한다. 이 방법은 1) 광학 반송파의 다수의 RF/마이크로파 서브반송파를 감지하고 이 서브반송파들을 제 1 국부발진기(LO) 주파수와 믹싱하여, 감지된 서브반송파의 변조 신호 스펙트럼의 가장 높은 주파수 성분 위에 새로운 헤테로다인 IF 주파수를 생성하며, 2) 새 IF 주파수의 IF 중앙 주파수에서 대역통과 필터를 이용하여 다수의 감지 RF/마이크로파 서브반송파의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 여파하며, 3) 이어지는 통신망 요소에서의 전파를 위해 원하는 중앙 주파수에서 차이 주파수를 도출하도록 여파된 RF/마이크로파 서브반송파를 제 2 국부발진기(LO) 주파수와 믹싱하는, 이상의 단계를 추가로 포함한다.

더욱이, 공개되는 방법은 광학 송신으로부터 주어진 대역의 주파수를 선택하고 그후 통신망 일부에서 선택된 대역을 분배하기 위해 RF/마이크로파 믹싱 기술을 이용한다. 이 방법은 단일 광학 파장(또는 다중 광학 파장)에서 다중 RF(또는 마이크로파) 반송파 상의 다중 통신 신호 변조(가령, TDM이나 SDM)를 포함한다. 이 방법은 다중 주파수 대역 상의 다중 통신 신호 세트를 감지하고 통신망 일부에서의 분배를 위해 감지된 대역 중 하나를 선택하는 단계들을 포함한다.

송신된 성분이 감지기 시스템의 대역폭 바깥에 있은 고주파 마이크로파 신호를 운반하는 경우에, 이 방법은 광학 헤테로다인 기술을 이용하여 마이크로파 신호 중 한 개 이상을 선택하는 단계를 포함한다. 광학 헤테로다인 수신기는 감지기의 대역폭 내에 차이 주파수를 생성하고 광학적 믹싱의 결과로 원하는 마이크로파 신호를 상기 주파수로 시프트시킨다. 이 주파수 변경은 다중 광학 반송파가 고주파 마이크로파 신호 성분 송신에 사용되는 시스템에 적용된다. 헤테로다인 수신기의 RF/마이크로파 아날로그는 단일 광학 수신기가 다중 고주파수 마이크로파 서브반송파 송신에 사용되는 경우에 적용된다.

본 발명의 장점은 통신망에서 기존 단자 장비의 이용을 최대화하면서 대역폭 갱신을 실행함으로서 통신망 제공자에게 상당한 비용 절감을 제공하는 점에 있다. 예를 들어, 전화통신 제공자가 도시 통신망을 622Mbps(OC-12)로부터 9952 Gbps(OC-192)로 갱신하려할 경우를 고려해보자. 기존 기술은 모든 OC-12 단자 장비를 OC-48 단자 장비로 대체하는 것을 필요로하며, 이는 통신망 제공자에게 상당한 비용을 필요로한다. 역으로 본 발명은 기존 OC-12 인트러스트럭쳐를 이용하면서 기존 WDM 기술에 대한 필요성없이 OC-192의 등가품으로 통신망 대역폭을 증가시킨다. OC-192 단자 장비의 비용이 OC-12 장비의 비용보다 훨씬 크다는 점을 고려할 때, 이 접근법의 비용측면 장점은 명백하고 완전한 OC-192 대역폭이 요구되지 않는 모든 단자에 적용한다. OC-12 광학 반송파의 수를 증가시키기 위한 기존 WDM 기술의 적용은 여기서 기술되는 발명에 비해 엄청나게 비싸다.

본 발명이 대역폭의 원격 선택을 가능하게 한다는 사실은 대역폭 이동성의 추가 유틸리티를 삽입한다. 따라서, 통신망에서 특정 지점에 운반되는 대역폭은 실제 수요를 수용하도록 원격으로 조절될 수 있다. 다시 말해서, 통신망 일부가 너무 바쁘지 않을 경우, 여러 노드 각각에서 마이크로파 대역을 선택하는 전압 제어 발진기(VCO)를 간단히 동일한 주파수로 조절함으로서 단일 마이크로파 서브반송파에 의해 상기 영역의 다중 노드가 역할할 수 있다. 바쁜 영역의 모든 VCO를 서로 다른 주파수로 조절함으로서 수요가 더 큰 통신망의 서로 다른 부분에 가용 대역폭이 집중될 수 있다. 후에 로딩이 변경됨에 따라, VCO 조절은 통신망 로딩 조건의 변화를 수용하도록 조절될 수 있다.

이 방법은 단일 광학 파장이나 다중 광학 파장에 위치하는 RF/마이크로파 반송파에 적용된다. 다중 광학파장이 이용되는 경우에, 이 방법은 광학 반송파의 파장을 제어하는 단계를 추가로 포함한다. 따라서, 복조는 안정한 광학 주파수에 대해 달성된다.

도 1은 CATV 통신망 구조에 적용되는 송신기/수신기(10)의 도면이다. 본 실시예에서, CATV 방송 신호는 제 1 광학 반송파 상에서 레이저 송신기(12)에 의해 송신되고 50-550MHz의 RF 대역폭을 점유한다. RF 신호의 다중 대역은 제 2 광학 반송파 상에서 제 2 레이저 송신기(14)에 의해 송신되며 0.1-700MHz의 RF 대역폭을 점유한다. 광학 반송파들은 높은 성형성 DFB 레이저에 의해 생성될 수 있다(예를 들어 Lucent Technologies 모델 257). 두 개의 광학 반송파는 제 1 패시브 광학 허브(16)에서 조합되어 그후, 여러 광전자적 노드로 분배될 수 있다(한 노드(18)가 도 1에 도시됨).

각각의 광전자적 노드(18)는 한 개의 광학 필터(20)(두개의 광학적 파장을 분리)와 두 개의 광학 수신기(24, 26)(각 파장마다 한개씩)를 포함한다. 필터(20)는 제 1 수신기(24)에 제 1 광학 반송파를 보내고 제 2 반송파를 반사시킨다. 반사로 인해 제 2 반송파는 광학 리서큘레이터(22)를 통해 제 2 수신기(26)까지 이동한다.

제 2 수신기(26) 내에서, 제 2 반송파가 감지기(28)에서 감지되고 증폭기(30)에서 증폭된다. RF/마이크로파 믹서(34)는 조절가능한 RF 발진기(32)를이용하여, 700MHz 송신으로부터 200MHz 대역을 선택하고 선택된 대역의 중심 주파수를 650MHz로 시프트시킨다. 따라서, 선택된 200MHz 대역은 550-750MHz의 대역폭을 점유한다. 믹서(34)로부터 출력되는 IF의 어떤 저주파 성분도 고역통과 필터(36)에 의해 여파된다. 이러한 고역통과 필터(36)는 다이플렉서(diplexer) 성분을 포함하고, 그 저역통과 성분(38)은 50-550MHz SCM 아날로그 AM-VSB 송신을 통과시킨다.

제 1 수신기(24)는 감지기(40)에서 제 1 반송파를 감지한다. 증폭기(42)는 다이플렉서의 저역통과 성분(38)에 공급될 수 있는 신호를 증폭한다. 다이플렉서는 선택된 200MHz 대역을 SCM AM-VSB 시호와 조합하는 기능을 한다. 광대역 증폭기(44)는 동축케이블망에서 선택된 QAM 신호의 200MHz 대역과 함께 50-500MHz 방송 신호를 증폭하고 분배한다.

도 1에 도시되는 구조에서, 도시되는 실시예는 헤드-엔드에서 CATV망 운영자에게 즉시 가용한 700MHz 미만의 대역폭의 채널을 도시한다. 그러나 도 1에 도시되는 바와 같이 발명은 예를 들어 0.8 및 2.0 GHz 사이 1.2 GHz 대역폭을 이용하는 더 높은 고주파수 송신에도 속한다. 이 경우에 더많은 대역폭이 가용하지만 800MHz 미만의 대역폭은 사용되지 않는다.

믹서로부터 출력되는 IF가 LO 및 RF 주파수의 합계 및 차이 주파수를 포함한다는 사실로 인해 대역폭 제한이 발생한다. 또다른 대역으로부터의 합계 주파수와 같은 주파수에서 한 개의 감지된 대역의 차이 주파수가 발생할 수 있는 상황은 반드시 피해야 한다. 궁극적으로, L-대역으로의 스펙트럼 이용을 증가시킴으로서 원하는 550-750MHz 대역 내에서 발생하는 800MHz의 차이 주파수가 발생하는 주파수에 이를 것이다. 따라서, 도 1의 구조에 속한 가장 높은 반송파 주파수는 2.1 GHz일 것이다.

도시되는 실시예는 통신망 운영자가 쉽게 얻을 수 있는 700MHz 미만의 스펙트럼을 이용한다. 이는 기존 단자 장비의 활용을 최대화하기 위해 발명의 주목적과 일관된다. 그럼에도 불구하고, 주어진 광학 반송파 상에서 동시에 가용 대역폭을 좀더 이용하는 것이 바람직하다. 레이저 대역폭의 최대 활용을 가능하게 하는 통신망 구조의 수정형태가 도 2에 도시된다.

도 2에 도시되는 CATV망은 단일 파장 상에서 모든 가용 변조 스펙트럼을 이용할 수 있다. 도시되는 예에서 2000MHz 송신은 제 2 송신기(100) 내에서 구현된다. 이는 DFB 레이저 정션의 직접 변조를 위한 변조 대역폭 내에 있다. 앞서 기술한 대역폭 제한을 피하기 위해, 도 2의 실시예는 2단계 믹싱 처리를 구현한다. 제 1 단계 믹서(102)는 대역통과 필터(106)와 조합되어, 송신으로부터 원하는 200MHz 대역을 선택하고, 제 2 믹서(104)는 상기 대역을 원하는 550-750MHz 스펙트럼으로 시프트시킨다.

이 선택은 제 1 믹서 내 원하는 200MHz 대역폭을 2.0GHz보다 큰 주파수(가령, 2.4GHz)로 업컨버젼함으로서 달성된다. 대역통과 필터(106)는 200MHz 대역을 다중 감지 주파수 대역으로부터 분리시킨다. 원하는 대역을 여파한 후, 조절된 RF 발진기(108)는 제 2 믹서(104) LO 입력을 구동하고, 그래서, 선택 대역의 중앙 주파수를 본 경우에 650MHz인 적절한 RF 주파수로 조절한다. 그후 RF다이플렉서(110)는 선택된 200MHz 대역을 50-550MHz 방송 신호와 조합한다. 광대역 증폭기(112)는 50-550MHz 방송 신호를 선택된 200MHz 대역과 함께 동축케이블망에서 분배한다.

앞서 기술한 통신망 구조는 CATV 망의 SCM 송신 특성에 특히 적합하다. 그러나 상당수의 디지털 통신 인프러스트럭쳐가 이진 신호의 진폭 편이 키이 변조(ASKM)를 운반하기 위해 TDM 기술을 이용한다. 이 시스템들은 CATV 망 구조에서 공통인 SCM 기술에 비해 기지대역에서 작동하는 것이 일반적이다. 이러한 차이에도 불구하고, ASK, FSK, PSK 변조 포맷에 대한 본 발명의 일반적인 실시예는 기지대역에서 작동하는 이진 디지털 네트워크에 장점을 제공한다.

도 3은 ASK와 같은 이진 변조 신호의 멀티플렉싱을 위해 TDM을 이용하는 통신망 구조에 특히 적용가능한 발명의 한 실시예를 도시한다. 이는 앞서 언급한 통신망 구조의 자연스런 확장으로서, SCM 신호에 성공적으로 적용할 수 있다(기지대역에서의 작동을 원할 경우). 그러나 도 3에 도시되는 통신망은 SCM 디지털 송신과의 방송 신호 통합을 수용하지 않는다.

다중 저주파 디지털 TDM 신호의 분배를 위해 고주파 레이저 송신기가 사용되는 도 3의 구조를 고려해보자. 가령, 외부적으로 변조되는 1550nm DFB 레이저가 광섬유망에서 16개의 OC-12 신호를 송신하기 위해 통합될 수 있다.

도 3은 다중 OC-12나 OC-192 신호의 조합에 사용될 수 있는 회로 배열을 도시한다. (이러한 회로 배열은 10개의 200MHz 대역폭 SCM 기반 QAM 신호를 멀티플렉싱함으로서 도 1에 대해 기술되는 디지털 QAM 서브반송파의 2.0GHz 송신에 적용될수 있다. 2.0GHz까지 개별 아날로그 반송파 상에서 QAM 신호가 직접 변조되는 것도 또한 가능하다. 더욱이, 앞서 기술한 외부적으로 변조된 DFB 레이저는 CATV망에서 2.0 GHz 위로 QAM 서브반송파 주파수의 대역폭을 증가시키는데 사용될 수 있다.

도 3의 송신기 회로는 여러 다른 발진기 주파수를 이용하여, 대역통가 필터 기반의 멀티플렉싱 통신망(200)에 의해 조합되는 서로 다른 마이크로파 반송파 주파수로 개별 OC-12, OC-192, 또는 QAM 채널을 조절할 수 있다. 멀티플렉싱된 통신 신호는 네트워크 상의 다중 노드(204)에 멀티플렉싱된 신호를 분배하기 위해 광학 스플리터와 광학 증폭기를 내장할 수 있는 광섬유망(202)을 통해 전파된다.

어떤 주어진 노드(204)에서의 고주파 수신기는 마이크로파 서브반송파의 전체 스펙트럼을 감지할 것이고 앞서 도 2와 연계하여 기술한 CATV 수신기의 경우와 유사한 방식으로 VCO 기반 대역 실렉터(band selector)로 개별 SCM 채널을 선택할 것이다. 그러나 이 경우에, 가장 높은 마이크로파 서브주파수가 10GHz 이상일 수 있기 때문에, 새로운 IF 주파수는 더 높은 마이크로파 주파수로 시프트된다. 앞서 기술한 바와 같이 도 2와 3의 노드 구조 사이에 또다른 대조점이 나타난다. 도 2에서 제 2 믹서 단계(206)는 650MHz를 선택 대역의 중심으로 삼지만, 도 3에서 선택 채널은 기지대역으로 조절된다.

마이크로파 서브반송파의 주파수가 10-20 GHz 위로 증가함에 따라, 높은 마이크로파 주파수로 인해 도 3에 도시되는 구조를 구현하는 것이 실제적으로 보다 어렵게 된다. 따라서, 고주파수 마이크로파 서브반송파로 통신 신호를 관리하기 위해 광학 기술을 이용하는 것이 바람직해진다.

도 4에 도시되는 구조는 송신운반을 위해 다중 광학 파장을 이용한다. 다중 광학 소스(401-403)를 내장한 송신기(400)는 광학 채널 뱅크(404)로 표시된다. 광학적으로 멀티플렉싱된 송신에 의해 가능해진 대역폭 증가는 광학적 송신의 고장 높은 마이크로파 주파수 성분 위에 있는 IF 주파수를 이용할 가능성을 감소시킨다. 따라서, 도 4의 광학 디멀티플렉싱 구조는 광학적 헤테로다인 감지 기술을 통합한다.

통신 대역폭 내 IF 주파수를 구현하기 위하여, 인접 광학 주파수는 헤테로다인 차이 주파수만큼 시프트되는 신호 대역폭을 수용하도록 적절한 마이크로파 대역폭만큼 분리된다. 이 차이 주파수는 광학 주파수 간격의 일부를 포함한다.

다중 송신기 레이저(401-403)가 본 실시예에서 사용되며, 각각의 레이저는 SDM 마이크로파 스펙트럼을 운반할 수 있다. 각각의 레이저는 광섬유 공명자(406)에서 참고할 수 있는 공지 광학 주파수로 안정화된다. 온도를 제어함으로서 광섬유 공명자(406)의 자유 스펙트럼 범위를 제어하기 위해 피드백 전자 장치가 사용되며, 각 레이저(401-403)의 절대 파장은 각 주사 전류 제어로의 피드백에 의해 제어된다. 서로 다른 주파수에서 여러 피드백 신호가 도출되며, 대역통과 필터망은 이 신호들을 디멀티플렉싱하고 각각의 신호를 적절한 레이저 제어 회로로 보낸다.

광섬유 공명자(406)의 자유 스펙트럼 범위는 마이크로파 주파수로 차단(lock)되며, WDM 레이저(401-403)는 상기 공명자(406)를 참고하는 공지 광학 주파수로 차단(lock)된다. 이러한 한가지 공지 주파수(즉, 모드)는 절대 광학 주파수에 비교되며, 모든 다른 모드 번호들은 절대 광학 주파수에 대해 상대적으로 결정된다. 절대 광학 주파수의 발생과 자유 스펙트럼 범위의 차단은 미국특허 5,717,708 호(본 발명의 발명자에게 허여됨)에 기술되는 바와 같이 달성될 수 있다. 이 기술은 공지된 마이크로파 주파수에 광학 기준 공명자의 자유 스펙트럼 범위를 차단하고 안정화시키도록 DeVoe와 Brewer에 의해 설명되는 기술이나, 절대 광학 기술 기준에 이 기준 레이저를 차단하기 위한 Hall에 의해 설명되는 기술(1981년 11월 Appl. Phys. Lett.에 실린 Optical Heterodyne Saturation Spectroscopy, Hall 외 다수 공저)을 이용한다.

대안으로, 각각의 WDM 레이저(401-403)는 그 공지 광학 주파수로 간단히 측정될 수 있다. 기존 기술은 공지 광학 주파수를 결정하는 다수의 방법을 제시하였다(예를 들어, 미켈슨 간섭계에 바탕한 파장계, 회절 격자에 바탕한 타종류의 간섭계, 등). 분자 공명 셀과 같이 다른 새로운 방법이 사용될 수도 있다(가령, 단일 공지 주파수를 안정화시키기 위한 루비듐 셀, 다수의 기준 주파수 등을 제공하기 위해 사용될 수 있는 아세틸렌 셀을 포함한 공명 진동 셀 등).

WDM 레이저(401-403)의 레이저 파장은 표준 WDM 멀티플렉싱 기술을 통해 조합된다(가령, 광학 서큘레이터(408, 410)와 광섬유 브래그 격자(412, 414)의 조합). WDM 스펙트럼의 작은 샘플은 광섬유 공명자(406)에 입사되고, 반사는 적절한 제어 신호를 얻기 위한 피드백 신호로 사용된다. WDM 전력 출력의 다수는 단일 모드 광섬유망(416)을 통해 전송된다.

도 4는 광학 채널 뱅크(404)로부터 네트워크(416)를 통해 단일 송신기 레이저 주파수를 선택하는 데 사용할 수 있는 조절가능한 국부 발진기(LO) 레이저(418)를 추가로 도시한다. 이 레이저(418)는 광학 공명자를 참고할 수 있으며, 그 자유 스펙트럼 범위는 마이크로파 발진기로 또한 차단(lock)된다. 그러나, LO 기반 공명자의 자유 스펙트럼 범위는 광학 채널 간격의 통합 부분이다(가령, 3보다 작지 않은 인수). 더욱이, 각 광학 반송파 상의 마이크로파 대역폭은 LO 기반 공명자의 자유 스펙트럼 범위보다 작게 선택된다. 광학적으로 멀티플렉싱된 송신으로부터 마이크로파 대역을 선택하기 위해, LO 신호는 원하는 신호 파장이 공명 중인 모드에 인접한 공명자의 모드로 차단된다. LO 레이저(418)는 본 발명의 발명자에게 허여된 미국특허 5,717,708 호에 기술되는 형태의 구조를 가질 수 있다.

도 4의 수신기는 노드(422, 424)의 물리적 위치 부근에서 국부 발진기(LO) 레이저 신호를 삽입함으로서 기능한다. 실제로, 이 설계(도 5)는 두 노드(422, 424)간 공유되는 LO 레이저 전력을 보여준다. 편광 정렬 장치는 편광 빔스플리터(426)와 50% PM 광섬유 커플러(428)를 포함한다. LO(418)로부터의 입력 PM 광섬유(430)는 45°회전하여, LO 전력의 동일한 성분이 두 편광축을 여기시키게 한다. PM 광섬유(432) 중 하나는 90°회전하여, 단일 편광이 50% PM 광섬유 커플러(428)에 연결되게 한다. 신호 입력으로 임의적으로 편광되지만, 50% 광섬유 커플러(428)와, PM 광섬유(432) 중 하나의 90° 회전은 단일 전력의 동일 성분들이 빔 편광 정렬 장치의 두 출력을 따라 전파할 것임을 보장한다. 여기서 사용되는 바와 같이, 회전은 PM 광섬유의 한 단부가 다른 한 단부에 대해 상대적으로 꼬이는 것을 의미한다.

따라서 편광 정렬은 LO와 신호 필드가 공통 상태의 편광에 있음을 보장한다.더욱이, 국부 발진기(LO) 레이저의 편광이 수신 레이저의 편광과 일치한다면, 노드 중 하나나 둘 모두가 원격으로 위치할 수 있도록 송신을 단일 모드 광섬유로 재정립하는 것이 가능해진다. 빔이 다시한번 편광해제되겠지만, 미지 상태의 타원형 편광은 LO 및 수신 레이저 빔에 대해 일치할 것이다.

조절된 수신기(422, 424)의 감지기(438, 440)에서 헤테로다인 차이 주파수가 감지된다. 믹서(434, 436) 내 최종 단계 마이크로파 복조는 통신 신호를 기지대역으로 되돌려보낸다. 이 최종 믹서 단계(434, 436)는 조절된 수신기의 대역통과 필터 대역폭 내 감지기(438, 440)에 의해 감지되는 두 세트의 마이크로파 서브반송파 중 하나를 선택하는 역할도 한다. 따라서, 각각의 광학 파장은 네 세트의 마이크로파 서브반송파까지를 운반할 수 있다(도 8a). 저주파 세트는 원하는 반송파 아래 LO 공명자 모드로 LO 레이저를 조절함으로서 선택된다(도 8b). 역으로, 원하는 반송파 위 LO 공명자 모드로 LO 레이저를 조절함으로서 고주파 세트가 선택된다(도 8c).

도 6은 코히어런트 광학 통신 링크에서의 발명의 구현을 도시하는 것으로서, 이 경우에 단일 모드 광섬유의 편광해제 성질로 인해 편광에 의존적인 손실을 일으키지 않으면서 수신기에 국부 발진기 레이저와 단일 레이저 전력을 분배하기 위해 단일 모드 광섬유가 사용된다. 이 원하는 효과를 얻기 위해, 신호 및 국부 발진기 레이저 편광을 공통 선형 상태로 정렬하기 위해 편광 보존 시스템(가령, 판다 광섬유(Panda fiber))을 이용할 필요가 있다. 신호 및 국부 발진기 레이저 필드의 광학적 편광에 대해 이러한 임의 상태가 정확하게 일치한다고 가정할 때 편광 의존적손실을 보이지 않으면서, 공통 선형 상태를 얻으면 상기 상태는 어떤 임의 상태로도 변경될 수 있다.

이 효과를 얻는 한가지 방법은 도 6에 도시되는 바와 같이, 퓨전 스플라이서(fusion splicer)를 이용하여 판다 광섬유(Panda fiber)를 단일 모드 광섬유로 잇는 것이다. 이러한 구현에서, 판다 광섬유는 신호 및 국부 발진기 레이저에 대해 동일한 선형 편광 상태가 단일 모드 광섬유로 진수될 수 있음을 보장할 것이다. 신호 및 국부 발진기 필드가 편광해제 광섬유를 통해 똑같은 임의 상태 편광을 유지하기 때문에 편광 모드 분광이 편광 의존적 손실을 유발함을 주목하여야 한다. 이 방식으로, 광섬유망의 다중 노드에 광학적 복조 단일 전력의 분배를 가능하게 하는 표준 단일 모드 광섬유를 이용하는 광섬유망에 코히어런트 광학 시스템의 장점이 적용될 수 있다.

실제로, 편광 복구 장치는 입력 편광의 상태에 무관하여, 상기 장치가 임의 편광 상태의 두 입력 필드에 공통 편광을 복구하는 기능을 할 수 있다. (도 4의 편광 복구 장치에 대한 국부 발진기 레이저 입력 광섬유는 부가적으로 단일 모드 광섬유나 편광 유지 광섬유라고 표시된다. 또한, 편광에 대한 입력에서 편광 유지 광섬유의 회전은 전체적으로 임의적이다.)

도 7은 편광 회복 장치로의 입력에서 두 필드가 임의식 독립형 편광 상태 에 있도록 단일 모드 광섬유 내에 단일 및 국부 발진기 레이저 필드가 믹싱되는 실시예를 도시한다. 본 경우에, 단일 입력 광섬유만이 필요하고 두 개의 필드는 광학 장치에 의해 선형 편광 상태로 독립적으로 복구된다.

따라서, 앞서 설명된 도 4의 광학 헤테로다인 기술이 도 1-3에 대해 논의된 마이크로파 믹싱 기술의 직접적인 확장이라는 것이 이제 명백해졌다. 모든 이 기술들은 기존 WDM 기술에 의해 제공된 것보다 훨씬 유연하고 저렴한 발전을 이루면서 통신망 상의 대역폭 이용을 증가시키는 데 관하여 있다. 더욱이, 가장 진보된 코히어런트 광학 헤테로다인 시스템의 구현에서조차, 일반적인 시스템 전개는 기존 단자 장비 인프러스트럭쳐의 퇴화를 유발하지 않는다.

발명에 따른 코히어런트 빔 변조를 위한 방법 및 장치의 실시예가 발명의 제작 및 이용 방식을 설명할 용도로 제시되었다.

Claims

광학 링크에서 단일 광학 파장 상의 다중 RF/마이크로파 서브반송파를 송/수신하는 방법으로서, 상기 방법은,

- 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 각각 통신 신호로 변조하고,

- 변조된 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수로 광학 반송파를 변조하며,

- 광학 반송파의 다수의 RF/마이크로파 서브반송파를 감지하고 상기 서브반송파를 제 1 국부 발진기(LO) 주파수와 믹싱하여, 감지된 서브반송파의 변조 신호 스펙트럼의 고주파 성분 위에 새로운 헤테로다인 IF 주파수를 생성하고,

- 새 IF 주파수의 IF 중심 주파수에서 대역통과 필터를 이용하여 감지된 다수의 RF/마이크로파 서브반송파의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 여파하며,

- 여파된 RF/마이크로파 서브반송파를 제 2 국부 발진기(LO) 주파수와 믹싱하여, 이어지는 통신망 요소 상에서의 전파를 위해 바람직한 중심 주파수에서 다른 주파수를 도출하게 하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
여러개의 밀집식 광학 파장 상에서 다중 RF/마이크로파 서브반송파를 송/수신하는 방법으로서, 상기 방법은,

- 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 생성하고,

- 다수의 정보 신호로 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수 각각을 변조하며,

- 변조된 다수의 RF/마이크로파 서브반송파 중 일부로 다수의 개별 광학 신호 각각을 변조하고,

- 다수의 광학 반송파 신호를 공지 광학적 주파수로 안정화하며,

- 수신기에서 다수의 광학 신호를 공지 광학 주파수로 조절된 국부 발진기(LO) 레이저와 믹싱하여, 원하는 신호 성분에 상응하는 반송파 주파수와 LO 레이저간 헤테로다인 비트 노트(heterodyne beat note)가 다수의 RF/마이크로파 서브반송파의 변조 신호 스펙트럼의 고주파 성분 위 IF의 중심 주파수에 놓이고,

- 여파된 IF 출력 제공을 위해 IF 중심 주파수에서 대역통과 필터를 이용하여 RF/마이크로파 서브반송파 주파수의 제한된 대역폭을 여파하며,

- 여파된 IF 출력을 국부 발진기와 믹싱하여, 다운스트림 통신망 요소에서의 전파를 위해 원하는 중심 주파수에서 다른 주파수를 도출하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
광학 링크에서 단일 광학 파장 상의 다중 RF/마이크로파 서브반송파를 송/수신하는 방법으로서, 상기 방법은,

- 일련의 통신 신호들을 일련의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수로 변조하고,

- 일련의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수의 RF 변조 대역폭을 제한하여, 원하는 주파수 대역 내 새 헤테로다인 IF 주파수 생성을 위해 감지된 RF 스펙트럼을 국부 발진기(LO) 주파수와 믹싱하는 것이, 한 대역으로부터 합계 주파수와 동일한 주파수에서 발생하는 또다른 감지 대역의 차이 주파수를 바람직한 주파수 대역 바깥으로 나가게 하며,

- 일련의 변조된 RF/마이크로파 서브반송파 주파수에 의해 규정되는 RF/마이크로파 신호의 풀 스펙트럼(full spectrum)에 의해 단일 광학 반송파를 변조하고,

- RF/마이크로파 서브반송파 주파수의 풀 스펙트럼을 감지하고 상기 서브반송파 주파수를 LO와 믹싱하여, 이어지는 네트워크 요소상에서의 전파를 위해 원하는 주파수 대역내 새 헤테로다인 IF 주파수를 생성하며,

- 한 감지 대역의 차이 주파수가 완전한 범위의 원하는 LO 주파수에서 또다른 대역으로부터의 합계 주파수와 동일한 주파수에서 발생할 수 있는, 이러한 경우의 주파수를 제거하는 IF 중심 주파수(또는 다른 종류의 필터)에서 대역통과 필터를 이용함으로서 원하는 주파수 대역의 원하는 중심 주파수에서 감지된 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 여파하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
여러 밀집형 광학 파장에서 다중 RF/마이크로파 서브반송파를 송/수신하는 방법으로서, 상기 방법은,

- 일련의 RF/마이크로파 서브반송파 주파수 상에서 일련의 통신 신호를 변조하고,

- 독립형 및 배타적인 일련의 통신 신호에 의해 여러 개별 광학 소스 각각을변조하여, 각각의 광학 주파수가 일련의 서브반송파 주파수를 가지는 RF/마이크로파 신호의 풀 스펙트럼을 운반하게하며,

- RF 변조 대역폭을 제한하여, 원하는 주파수 대역 내 새 헤테로다인 IF 주파수 생성을 위해 광학 신호 스펙트럼을 광학 주파수와 믹싱하는 것이 한 대역으로부터의 합계 주파수와 동일한 주파수에서 발생하는 또다른 감지 대역의 차이 주파수를 원하는 주파수 대역의 바깥으로 나가게 하고,

- 다중 광학 반송파 신호를 공지된 광학 주파수로 안정화시키며,

- 수신기에서의 광학 신호를 공지 광학 주파수로 조절된 국부 발진기(LO) 레이저와 믹싱하여, 이어지는 통신망 요소상에서의 전파를 위해 원하는 주파수 대역에 새 헤테로다인 IF 주파수를 생성하고,

- 한 감지 대역의 차이 주파수가 원하는 LO 주파수의 완전한 범위에 대해 또다른 대역으로부터의 합계 주파수와 동일한 주파수에서 발생할 수 있는, 이러한 경우의 주파수를 제거하는 IF 중심 주파수에서 대역통과 필터를 이용함으로서 새 IF 주파수의 원하는 중심 주파수에서 RF/마이크로파 서브반송파 주파수를 여파하는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
단일 모드 광섬유 송신 링크에서 편광 모드 분산을 보상함으로서 편광 의존 손실을 제거하고 헤테로다인 감지를 위해 국부 발진기 레이저를 이용하는 방법으로서, 상기 방법은,

- 편광 빔스플리터를 이용하여 입력 광학 신호의 두 수직 선형 편광 광학 성분을 분리시키고, 상기 입력 광학 신호는 제 1 포트의 편광 빔스플리터에 도달하며,

- 편광 빔스플리터의 제 2 입력 포트로 국부 발진기 레이저를 삽입시키며,

- 편광 빔스플리터로부터 편광 유지 광학 커플러를 통해 두 개의 편광 유지 광섬유를 제공하고, 이때 상기 두 광섬유는 광학 커플러 내 50% 결합비와 공지 광학 길이를 가져서, 편광 빔스플리터로의 입력으로부터 광학 커플러의 연결 영역의 시점까지 두 광섬유의 상응하는 광학 경로 길이가 동일하게 하고,

- 90도의 각도를 따라 광섬유 중 하나를 회전시킴으로서 두 편광 유지 광섬유 내의 두 수직 선형 편광 출력을 공통 편광축으로 정렬시켜서, 편광 빔스플리터의 수직 편광 출력이 각 편광 유지 섬유의 동일한 편광축을 여기시키게 하며,

- 편광 유지 광섬유 커플러로부터 편광 유지 광섬유 출력의 각각을 독립형 포토다이오드 기반 수신기로 정렬시키는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
단일 모드 광섬유 내 편광 모드 분산으로 인해 연결 영역 내 편광 의존 손실을 발생시키지 않으면서 단일 모드 광섬유를 이용하여 헤테로다인 감지를 위해 국부 발진기 레이저를 원격으로 위치시키는 방법으로서, 상기 방법은,

- 편광 빔스플리터 내 편광 빔스플리터의 제 1 입력 포트에 도달하는 광학 신호의 두 수직 선형 편광 성분을 분리시키고,

- 편광 빔스플리터의 제 2 입력포트에 국부 발진기 레이저를 삽입시키며,

- 편광 빔스플리터로부터 편광 유지 광학 커플러를 통해 두 편광 유지 출력 광섬유를 제공하고, 이때 상기 광학 커플러는 공지 광학 길이를 가지는 두 광섬유와 두 연결 광섬유 사이의 50% 결합비를 유지하며, 그래서, 편광 빔스플리터의 입력으로부터 광학 커플러 연결 영역의 시점까지 상응하는 광학 경로 길이가 동일하고,

- 편광 유지 광섬유 중 하나를 90도 각도를 통해 회전시킴으로서 두 편광 유지 광섬유 내 두 수직 편광 출력을 공통 편광 축으로 정렬시켜서, 편광 빔스플리터 수직 편광 출력이 각 편광 유지 광섬유의 동일한 편광축을 여기시키며,

- 편광 유지 광섬유 커플러로부터 편광 유지 광섬유 출력 중 한 개나 둘 모두를 단일 모드 광섬유에 이어서 단일 모드 광섬유 출력을 제공하고,

- 포토다이오드 기반의 수신기에 각각의 단일 모드 광섬유 출력을 정렬시키는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
단일 모드 광섬유의 편광 모드 분산으로 인한 편광 의존 손실을 발생시키지 않으면서 단일 모드 광섬유를 이용하여 헤테로다인 감지를 위한 단일 필드와 국부 발진기의 광학 출력을 광학적으로 조합하고 국부 발진기를 원격으로 위치시키는 방법으로서, 상기 방법은,

- 단일 모드 광섬유 커플러에서 국부 발진기의 광학 출력과 신호 필드를 조합하고,

- 조합된 신호 필드 및 광학 출력을 편광 빔스플리터의 제 1 입력으로 향하게하고, 편광 빔스플리터내 조합된 광학 신호 필드 및 광학 출력의 두 수직 선형 편광 성분을 분리시키며,

- 공지된 광학 길이까지 50%의 결합비로 편광 빔스플리터와 편광 유지 커플러 사이에 두 편광 유지 광섬유를 유지시켜서, 편광 빔스플리터에 대한 입력으로부터 편광 유지 커플러의 연결 영역의 시점까지 두 편광 유지 광섬유의 두 광학 경로 길이가 동일하고,

- 90도의 각도로 두 편광 유지 광섬유 중 하나를 회전시킴으로서 편광 빔스플리터로부터 두 편광 유지 광섬유의 공통축까지 두 수직 선형 편광 출력 성분을 정렬시키며,

- 편광 유지나 단일 모드 광섬유를 이용하여 편광 유지 광섬유 커플러로부터 독립형 포토다이오드 기반 수신기까지 편광 유지 광섬유 출력을 정렬시키는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
광학 송신 신호에 의해 운바되는 각각의 마이크로파 서브반송파 주파수 사에서 네 세트의 독립형 신호까지 수신하는 방법으로서, 상기 방법은,

- 동일한 주파수의 두 독립형 마이크로파 신호의 상부 측대역과 하부 측대역 상에서 독립형 통신 신호들을 변조하고,

- 광학 신호의 상부 측대역과 하부 측대역 상에서 두 독립형 마이크로파를 변조하며,

- 수신한 광학 신호에 대한 편광 의존 손실을 제거하기 위해 정확한 편광 상태의 국부 발진기 레이저를 삽입하고,

- 중간 주파수에서 헤테로다인 비트 노트(heterodyne beat note)를 생성하는 상부(또는 하부) 광학 측대역을 선택하기 위해 광학 반송파의 파장 아래의(또는 위의) 파장으로 국부 발진기 레이저를 조절하며,

- 개별 마이크로파 측대역 선택을 위해 적절한 대역폭으로 대역통과 필터를 이용하여 헤테로다인 비트 노트를 여파하고,

- 중간 주파수로부터 대역통과 필터의 중심 주파수를 오프셋되게 하여, 선택된 마이크로파 측대역에 대해 상부(또는 하부) 마이크로파 측대역에 중심 주파수가 상응하며,

- 여파된 중간 주파수 출력을 국부 발진기 주파수와 믹싱하여, 다운스트림 통신망 요소에서의 전파를 위해 여파된 마이크로파 측대역의 중심 주파수를 정확한 주파수로 시프트시키는, 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.