KR20030035215A

KR20030035215A - 이득스위칭된 다모드 ｆｐ-ｌｄ 및 고분산 광섬유를이용한 위상배열 안테나

Info

Publication number: KR20030035215A
Application number: KR1020010067184A
Authority: KR
Inventors: 이용탁; 채정혜
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-09
Also published as: DE10208712A1; US20030080899A1; KR100459924B1; US6661377B2; JP2003152421A

Abstract

본 발명은 이득스위칭된 다모드 FP-LD 및 고분산 광섬유를 이용한 위상배열 안테나에 관한 것이다. 특히, 광학적 제어를 이용하는 위상배열 안테나에 있어서 각 안테나의 위상차이를 유발하기 위한 시간 지연을 연속적으로 가능하도록 하면서 소형의 저가 시스템 구현이 가능토록 하는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 이득스위칭에 의한 광펄스를 생성하는 다모드 FP-LD와; 상기 생성된 광출력 펄스를 통과시키고 다모드 FP-LD의 각 모드를 분리시켜 마이크로웨이브 신호를 생성하는 고분산광섬유와; 상기 모드 분리된 광펄스열을 안테나 어레이에 보내기 위해 어레이 수만큼 나누어 주는 광분배기와; 상기 분배된 광펄스들을 각기 다른 길이의 비분산광섬유에 통과시켜 각기 다른 시간지연을 통해 위상차이를 갖도록 하는 시간지연선로와; 상기 위상차를 갖는 광펄스들을 광전 변환하는 광검출기와; 상기 광전 변환된 광펄스를 증폭시키는 광증폭기와; 상기 증폭된 광펄스들을 전달하는 안테나 어레이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나가 제시된다.

Description

이득스위칭된 다모드 ＦＰ-ＬＤ 및 고분산 광섬유를 이용한 위상배열 안테나{Phased array antenna using gain switched multimode Fabry-Perot laser diode and highly dispersive fiber}

전기적으로 제어되는 위상배열 안테나는 마이크로 웨이브 통신, 레이다 시스템 등의 응용으로 큰 기대를 모으고 있으나, 안테나간의 위상차이를 발생시키기 위한 실시간 시간지연(true time delay)시스템이 매우 복잡하여 실질적인 구현이 어려운 실정이다.

반면 광학적인 광 위상배열 안테나에서는 광섬유를 이용한 광학적 시스템을 이용하므로 시간지연 유발이 용이하고, EMI(electromagnetic interference)의 영향이 없으며 광섬유의 광대역을 이용하면서 소형화 및 경량 시스템이 가능하도록 한다.

도 1은 종래의 광섬유 격자를 시간지연선로로 이용하는 위상배열 안테나로서 파장가변레이저(100)와, 외부변조기(110), 3dB결합기(120a,120b,120c,120d), 광섬유격자(130a,130b,130c,130d), 광검출기(140a,140b,140c,140d), 증폭기(150a,150b,150c,150d) 및 안테나(160a,160b,160c,160d)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서는 파장가변 레이저(100)의 광출력을 안테나에 전달될 RF(radio frequency)신호가 가해진 전기광학 효과를 이용한 외부변조기(110)에 의해 변조시키고나서 3dB 결합기(120a,120b,120c,120d)에 의하여 광섬유격자(130a,130b,130c,130d)의 지연선로에 입사시킨다.

이 때, 레이저 파장에 따라 반사되는 시간이 다르므로 파장에 따른 시간 지연이 생기게 되며, 다시 3dB 결합기(120a,120b,120c,120d)를 통하여 광검출기(140a,140b,140c,140d)로 입력되어 RF 신호로 광전(O/E) 변환되어 안테나(160a,160b,160c,160d)의 각 요소에 입력된다.

그러나, 상기와 같은 구성에 의한 시간지연(time delay)의 크기는 격자사이의 간격에 의해 달라진다. 이러한 광섬유 격자를 이용한 방법은 광원이 한 개만 사용되고 짧은 길이의 광섬유만을 필요로 하는 장점이 있으나, 위상배열 안테나의 빔의 위치가 연속적이지 못하다는 단점이 있다.

도 2는 종래의 고분산광섬유를 이용한 위상배열 안테나 구성도로서 파장가변레이저(200a,200b,200c,200d)와, 외부변조기(210a,210b,210c,210d), 광검출기(220a,220b,220c,220d), 증폭기(230a,230b,230c,230d),안테나(240a,240b,240c,240d), 레이저제어신호(250a,250b,250c,250d), 마이크로신호원(260a,260b,260c,260d) 및 고분산광섬유(270a,270b,270c,270d)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서는 광섬유가 파장에 따른 분산특성을 갖고 있다는 현상을 이용한 것으로 파장가변레이저(200a,200b,200c,200d)의 광출력은 RF 신호에 의해 외부변조기(210a,210b,210c,210d)에서 변조되고, 고분산광섬유(270a,270b,270c,270d)를 통하여 광검출기(220a,220b,220c,220d)를 통과하여 위상천이된 RF 신호가 얻어진다.

그러나, 상기와 같은 구성에 의한 시간지연은 광섬유의 분산 및 광섬유의 길이, 파장가변 레이저의 파장차이에 의해 결정된다. 이러한 경우 여러 개의 파장가변레이저와 외부 변조기를 필요로 하므로 저가 시스템 구성이 어려웠다.

도 3은 종래의 분산 및 비분산 광섬유를 이용한 한 개의 광원 및 변조기로 구성된 위상배열 안테나의 구성도로서 파장가변레이저(300)와, 외부변조기(310), 레이저제어신호(320), 광분배기(1×N power splitter; 330), 분산광섬유(dispersive fiber; 340), 비분산광섬유(non-dispersive fiber; 350), 광검출기(360), 광증폭기(370) 및 안테나(380)을 포함하여 구성되어 있다.

도 3은 도 2의 방법에 있어서 여러 개의 광원 및 변조기를 하나로 대체하는 대신 이를 광분배기(330)로 나누고 고분산 광섬유 부분에서 분산광섬유(340) 및 비분산 광섬유(350)의 길이를 적절히 조절하여 시간지연을 일으키는 방법이다. 이러한 방법을 실시스템에 적용시키기 위해서는 분산광섬유(340)와 비분산 광섬유(350)의 온도 특성이 달라 그에 따른 시간지연에 차이가 생기므로 온도 안정화를 위한 시스템을 추가적으로 필요로 하였다.

도 4는 종래의 처핑(chirping)된 광섬유격자(Chirped Fiber Grating; CFG)을 이용하는 방법을 나타낸 것으로서 패턴제어기(400)와, 파장가변레이저(410a,410b...410n), 광합파기(420), 외부변조기(430), 셔큐레이터(circulator; 440), CFG(450), 파장분할다중화기(460), 광검출기(470a,470b...470n), 증폭기(480a,480b...480n) 및 안테나(490a,490b...490n)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서는 CFG(450) 내의 반사 위치가 선택된 처핑 규칙에 따라 파장에 좌우되는 현상을 이용하는 것으로 RF 신호는 외부변조기(430)에서 파장가변레이저(410a,410b...410n)에서 나오는 광을 변조시키고, 변조된 신호는 써큐레이터(440)에 입력된다.

상기 써큐레이터(440)에서 나온 신호는 파장에 따라 구성된 처핑된 격자로부터 반사되어 격자 사이의 거리에 해당하는 시간 지연을 갖고 다시 써큐레이터(440)를 통해서 광검출기(470a,470b...470n)로 입력되어 다시 위상천이된 RF 신호가 출력된다. CFG(450)를 이용하는 시간지연 선로는 격자 사이의 간격이 선형적으로 연속되어 있기 때문에 시간지연 변화를 연속적으로 조정할 수 있지만 여러 개의 광원이 필요하게 되고 광원의 파장의 안정성과 CFG(450)의 선형성이 요구된다.

상기의 방법은 도 3의 방법에서 보다 시간지연을 위해 필요한 광섬유의 길이가 짧으므로 온도 안정성이 더 우수함으로 도 3과 같은 추가적인 온도 안정화를 위한 시스템을 필요로 하지는 않으나 시스템 구현에 필요한 적당한 CFG가 상용화되어 있지 않아 이러한 방법으로의 구현에는 한계가 있다.

이상에서와 같이 종래의 광섬유 격자, CFG 및 분산광섬유 등을 통한 시간지연을 이용하는 위상배열 안테나 시스템은 기본적으로 여러 개의 파장가변 레이저 및 외부 변조기를 필요로 한다. 도 3에서와 같은 경우 한 개의 광원 및 외부변조기를 이용하나, 안테나에서 마이크로 대역의 전파를 위해서는 이러한 대역의 변조를 위한 마이크로웨이브 소스를 필요로 하여 전제 시스템 구성의 저가화가 어렵다.

따라서, 실제 전파환경에서의 적용을 위한 마이크로웨이브 대역에서 위상배열 안테나의 이용을 위해서는 보다 간단하고 저가화된 시스템이 필요하다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 종래의 광학적으로 제어되는 위상배열 안테나와 같은 방법을 이용하여 광학적 시스템이 갖는 이점을 활용하면서 전기적으로 위상배열 안테나의 위상을 제어함으로서 종래 시스템에서의 고가의 외부 변조기 및 마이크로웨이브 시그널 소스가 필요 없는 저가의 매우 정밀한 위상배열 안테나 시스템을 구현하도록 한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 다모드 FP-LD의 이득스위칭에 의한 광펄스를 생성시키고 이를 고분산 광섬유에 의한 모드 분리를 이용하여 파장이 각기 다른 광펄스열을 생성시키고, 광분배기로 나누어 각기 다른 길이의 광섬유를 통과시켜 시간지연을 통해 시간지연을 이용한 위상배열 안테나를 제공한다.

도 1 은 종래의 광섬유 회절격자를 이용한 위상배열 안테나의 구성도이다.

도 2 는 종래의 고분산 광섬유를 이용한 위상배열 안테나의 구성도이다.

도 3 은 종래의 분산 및 비분산 광섬유를 이용한 한 개의 광원 및 변조기로 구성된 위상배열 안테나의 구성도이다.

도 4 는 종래의 CFG를 이용한 위상배열 안테나의 구성도이다.

도 5 는 본 발명에 따른 이득스위칭된 다모드 FP-LD의 및 고분산 광섬유를 이용한 위상배열 안테나의 구성도이다.

도 6 는 다모드 FP-LD의 이득스위칭 구성도이다.

도 7 은 이득스위칭된 광펄스열 및 고분산 광섬유 통과후의 모드분리된 다모드 광펄스열의 도식도이다.

도 8 은 다모드 광펄스열의 세기 및 위상변화를 나타낸 그래프이다.

도 9a 및 도 9b 는 이득스위칭 주파수 조정에 따른 각 안테나간의 상대적인 위상변화를 나타내는 도식도이다.

도 10 은 이득스위칭 주파수 조정에 따른 안테나간의 상대적인 위상변화를나타낸 그래프이다.

도 11 은 실제 안테나 어레이간의 위상 차이에 의한 위상배열 안테나 빔 패턴의 실시예를 나타낸 다양한 형태의 그래프이다.

도 12 는 이득스위칭을 위한 변조 주파수 변화에 따른 빔 방향 변화 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 이득스위칭된 다모드 FP-LD의 및 고분산 광섬유를 이용한 위상배열 안테나의 구성도이다.

도 5를 살펴보면, 이득스위칭에 의한 광펄스를 생성하는 다모드 FP-LD(500)와; 상기 생성된 광출력 펄스를 통과시키고 다모드 FP-LD(500)의 각 모드를 분리시켜 마이크로파 신호를 생성하는 고분산광섬유(520)와; 상기 모드 분리된 광펄스열을 안테나 어레이에 보내기 위해 어레이 수만큼 나누어 주는 광분배기(530)와; 상기 분배된 광펄스들을 각기 다른 길이의 비분산광섬유(540a,540b,540c...540n)에 통과시켜 각기 다른 시간지연을 통해 위상차이를 갖도록 하는 시간지연선로(550a,550b,550c...550n)와; 상기 위상차를 갖는 광펄스들을 광전 변환하는 광검출기(560a,560b,560c...560n)와; 상기 광전 변환된 광펄스를 증폭시키는 광증폭기(570a,570b,570c...570n)와; 상기 증폭된 광펄스들을 전달하는 안테나 어레이(580a,580b,580c...580n)를 포함하여 이루어져 있다.

이 때, 상기 시간지연선로(550a,550b,550c...550n)에서 각 어레이간의 시간지연은 각 어레이간의 위상차가 없도록 하려는 즉, 안테나 빔이 어레이의 중심에 오도록 하려는 때에는 이득스위칭 주파수에 해당하는 만큼의 시간지연을 갖도록 한다. 또한, 상기 어레이 안테나의 출력 빔의 방향조정, 즉 어레이 안테나 간의 위상 조절은 이득스위칭 주파수를 통해 이루어진다.

도 5에서는 도 4에서와 같은 종래의 지연시간 방법을 이용하되 안테나에서 전파할 마이크로 웨이브 신호 생성을 위한 파장가변 레이저 및 광변조기를 대신하여 광소스를 다모드 FP-LD(Fabry -Perot Laser Diode)로 교체하므로서 저가 및 소형시스템 구현을 가능하도록 한다.

여기서, 이득스위칭된 다모드 FP-LD(600)는 도 6과 같은 구성으로 이루어진다.

도 6에 도시된 이득스위칭 시스템의 구성을 살펴 보면, 전류원(610)과; 마이크로파신호원(620)와; 바이어스 티(T)(630); 열전냉각기(Thermoeletric cooler; TEC)(640)과; 어븀첨가광증폭기(erbium doped fiber amplifier; EDFA)(650)와; 광검출기(660)와; 오실로스코프(670) 등으로 구성되어 있다.

반도체 레이저는 이득매질(gain material)의 선택에 따라서 0.7 ∼ 1.6 ㎛ 대의 파장을 갖는 광원을 만들어 낼 수 있을 뿐만 아니라, 다모드 FP-LD(600)인 경우에는 레이저의 공진길이를 조절함으로서 모드 사이의 간격(mode spacing)도 조절할 수 있다.

따라서 위의 영역의 거의 모든 파장대를 얻어 낼 수 있는 소스라 할 수 있다. 이 때, 다모드 FP-LD(600)를 이득 스위칭하면 20 ∼ 30ps의 광펄스를 얻게 된다. 이득 스위칭은 반도체 레이저가 구동되는 초기에 발생되는 이완진동(relaxation oscillation)의 첫 펄스만이 출력되도록 적절히 주입전류를 조절하는 것이다.

이는 도 6에 도시된 바와 같이, 마이크로파신호원(620)의 신호와 함께 다모드 FP-LD(600)에 전류원(610)으로 바이어스를 문턱전류 바로 아래의 수준으로 주입시켜 주면 바이어스 준위 및 정현파의 진폭에 따라 펄스의 폭이 달라지게 된다. 따라서, 이들을 적절히 조절하여 최소 펄스폭을 갖기 위한 바이어스 준위 및 주입된 정현파 진폭에 대한 최적 조건을 잡아준다. 여기서 발생된 광펄스를 어븀첨가광증폭기(650)로 증폭시킨다.

이 때, 증폭된 광출력 펄스를 고분산 광섬유(520)에 통과시켜 다모드 FP-LD(500)의 각 모드의 분리(mode separation)를 얻어낸다. 여기서 이용되는 고분산 광섬유(520)는 이용하는 파장대에서 음의 분산값이 큰 것을 이용하는 것이 바람직하다.

이득스위칭된 반도체 레이저는 적색 편이된 주파수 흔들림(frequency chirping)을 가지므로 이를 상쇄하기 위한 적절한 길이의 음의 분산값을 갖는 고분산 광섬유(520)를 이용하면 시간 상에서 각 모드의 분리와 함께 펄스의 압축 효과도 얻을 수 있다. 양의 분산값이 큰 광섬유를 이용하게 되면 모드 분리와 함께 펄스의 퍼짐도 일어나서 모드의 분리가 명백히 나타나지 않게 될 우려가 있다. 예를들어, 1.55㎛ 대의 파장에 대한 색분산 측정을 하는 경우에는 고분산 광섬유(520)로 분산보상 광섬유(DCF: dispersion compensating fiber)를 이용한다.

고분산 광섬유(520)의 역할은 안테나에서 전파할 마이크로 웨이브를 생성하기 위한 것으로 고분산 광섬유(520)의 길이를 조절함으로서 원하는 마이크로웨이브 신호를 발생시킬 수 있다. 따라서, 각 안테나에서 전파할 주파수 따라 고분산 광섬유의 길이가 선택된다.

도 7은 시간 영역에서의 다모드 펄스열 생성 과정을 나타낸 도식이다.

도 7를 살펴 보면,는 고분산 광섬유의 색분산,는 고분산 광섬유의 길이, Δλ는 다모드 FP-LD의 모드간격(mode spacing)을 나타낸다.

도 8은 상기와 같은 방식에 의한 광펄스열의 실시예로 FP-LD의 모드 간격이 1.1nm이고, 중심파장 1.55㎛, 고분산 광섬유로는 1.55㎛에서 -95ps/nm/km의 색분산을 갖는 DCF 1km가 이용되는 경우 생성되는 광펄스열의 세기 및 그 위상변화를 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 고분산 광섬유(520)에 의해 분리된 각 파장에 대한 펄스열을 광분배기(530)로 나누고, 그 다음에 각 안테나간의 위상차 유발을 위한 지연 선로로 시간차를 주기 위한 비분산광섬유(540a,540b,540c...540n)를 통과시킨다.

이 때의 시간지연 유발을 위한 비분산광섬유(540a,540b,540c...540n)는 이전의 고분산 광섬유(520)와는 달리 모드 분리에 영향을 주지 않으면서 시간지연만을 일으키는 것이어야 하므로 분산이 거의 없는 광섬유를 이용하여야 한다. 예를 들어, 1.55㎛ 파장의 광원을 이용하는 경우라면 DSF(dispersion shifted fiber)가 적절하다.

각 안테나에 연결되는 광검출기(560a,560b,560c...560n)로 입력되는 시간지연에 의한 위상차는 비분산광섬유(540a,540b,540c...540n)의 길이로 정한다. 이때의 시간지연은 도 9a에서와 같이 이득스위칭의 반복율(repetition rate)에 해당하는 만큼으로 주어진다. 이렇게 고정된 시간지연에 의해 상기의 이득스위칭 주파수에 대하여는 어레이 모두의 위상은 동일하다.

도 9b에서와 같이 위상천이는 이득스위칭 주파수의 조절에 의해 이루어진다. 즉, 신호발생원의 주파수를 위에서의 초기 이득스위칭 주파수로부터 얼마간의 offset를 주게 되면 도 9b에서와 같이 각 어레이로의 비분산광섬유(540a,540b,540c...540n)의 길이가 이전의 이득스위칭 주파수에 맞추어져 있어 위상차가 생기게 된다.

상기와 같이 이득스위칭 주파수에 따라 발생되는 각 어레이에서의 위상차이를 나타낸 그래프가 도 10에 도시되어 있다.

도 11은 상기와 같이 생성된 위상차이에 의한 실질적인 위상배열 안테나의 빔 패턴의 다양한 실시예를 나타낸 것이다.

여기서, 안테나 간격은 1.5cm로 하였으면 상기의 실시예에서와 같은 고분산 광섬유 1km를 이용하여 10GHz의 마이크로웨이브 신호발생에 대하여 이득스위칭 주파수 변화 offset에 대하여 발생한 위상차이가 실제 위상배열 안테나의 빔패턴의 방향을 변화시킨 실시예를 나타낸다.

도 12는 이득스위칭을 위한 변조 주파수 변화에 따른 빔 방향 변화를 나타낸 그래프이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 이득스위칭된 다모드 FP-LD 및 고분산 광섬유를 이용한 위상배열 안테나에 따르면 다음과 같은 이점들이 있다.

첫째, 종래의 위상배열 안테나 시스템에서의 파장가변 레이저 및 광변조기를 대신하여 이득스위칭된 다모드 FP-LD 및 고분산 광섬유를 이용하므로 시스템의 저가화가 가능하다.

둘째, 종래의 광섬유 격자를 이용하는 경우와는 달리 연속적인 위상변화를 통해 연속적 빔 조정이 가능하다.

셋째, 이득 스위칭된 FP-LD를 고분산광섬유에 통과시킨 후의 모드 분리는 광섬유의 분산특성에만 기인하므로 매우 안정된 마이크로웨이브 신호의 생성이 가능하다.

넷째, 위상의 조절은 이득스위칭 주파수에 의해 이루어 지는데, 도 8에서와 같이 광펄스열을 이용하므로 위상의 변화가 종래의 외부변조기에 직접 마이크로웨이브를 가하는 것에 비애 매우 빠르다. 따라서, 위상변화를 위한 이득스위칭 주파수의 가변범위가 매우 좁아 즉, 매우 작은 주파수 변화에 대해서 안테나 부분에서 변하는 위상변화가 크다.

Claims

이득스위칭에 의한 광펄스를 생성하는 다모드 FP-LD와;

상기 생성된 광출력 펄스를 통과시키고 다모드 FP-LD의 각 모드를 분리시켜 마이크로웨이브 신호를 생성하는 고분산광섬유와;

상기 모드 분리된 광펄스열을 안테나 어레이에 보내기 위해 어레이 수만큼 나누어 주는 광분배기와;

상기 분배된 광펄스들을 각기 다른 길이의 비분산광섬유에 통과시켜 각기 다른 시간지연을 통해 위상차이를 갖도록 하는 시간지연선로와;

상기 위상차를 갖는 광펄스들을 광전 변환하는 광검출기와;

상기 광전 변환된 광펄스를 증폭시키는 광증폭기와;

상기 증폭된 광펄스들을 전달하는 안테나 어레이를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 고분산 광섬유의 길이 및 다모드 FP-LD의 공진모드 간격에 의해 생성되는 마이크로웨이브 신호의 주파수를 가변시키는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 다모드 FP-LD는 마이크로 웨이브 신호 생성을 위한 파장가변 레이저 및 광변조기를 대신하여 광소스로 사용되는 것을 특징으로 하는위상배열 안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 시간지연선로에서 각 어레이간의 시간지연은 안테나 어레이간의 시간지연이 이득스위칭 주파수에 해당하는 만큼 갖도록 하는 시간지연선로를 이용하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 안테나 어레이간의 위상차는 이득스위칭 주파수를 변화시켜 조정하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.