KR20030075301A - Optical tunable microwave filter using higher mode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고차모드를 이용한 광 동조 마이크로웨이브 필터에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 두 개의 모드 변환기를 통해 하나의 짧은 분산 보상 광섬유를 이용하여 여러 개의 지연선(delay line)을 구성하는 필터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optically tuned microwave filter using a higher order mode, and more particularly, to a filter constituting a plurality of delay lines using one short dispersion compensation fiber through two mode converters. .
일반적으로, 필터를 제작하기 위해 반드시 필요한 요소는 신호의 위상을 변화시킬 지연선(delay line)이다. 이 지연선을 만들기 위해, 지금까지 제안된 대부분의 필터는 도1에서도 알 수 있듯이, 분산값이 큰 광섬유(5, high-dispersion fiber)를 이용하였다. 즉, 레이저(1)에서 나온 신호는 RF 변조기(2)와 증폭기(3)를 거쳐 변조 증폭되며, 변조된 신호는 분배기(4)를 통해 신호의 분배가 이루어진다 (도1에서는 1:8의 비율임). 그리고, 이러한 신호가 지나갈 수 있는 여러 개의 선로(8, path)를 만들고, 각 선로(8)마다 길이가 다른 분산이 큰 광섬유(5)를 연결하여 다수의 지연선을 구성하는 것이다. 이와같이, 각각의 지연선을 지난 신호는 감지기(6)인 포토다이오드(photodiode)로 감지(detect)되며, 감지된 주파수특성을 보면 필터의 특성을 얻을 수 있다. 그리고, 감지기(6)에 의해 감지된 신호는 8:1 RF Power 합성기(7, combiner)를 통해 출력된다.In general, an essential element for fabricating a filter is a delay line that will change the phase of the signal. In order to make this delay line, most of the filters proposed so far have used high-dispersion fibers (5) having a large dispersion value, as can be seen in FIG. That is, the signal from the laser 1 is modulated and amplified through the RF modulator 2 and the amplifier 3, and the modulated signal is distributed through the divider 4 (in the ratio of 1: 8 in FIG. 1). being). In addition, a plurality of lines 8 and paths through which such signals can pass are made, and a plurality of delay lines are formed by connecting optical fibers 5 having a large dispersion of length different for each line 8. As such, the signal passing through each delay line is detected by a photodiode, which is a detector 6, and the characteristics of the filter can be obtained by viewing the detected frequency characteristics. The signal sensed by the detector 6 is then output through an 8: 1 RF Power combiner 7.
그런데, 상기와 같은 종래의 방식에서는 분산값이 큰 광섬유 하나가 하나의 지연선을 구성하게 된다. 그리고, 각 선로(path)마다 감지기(detector)가 있어야 하므로, 필요한 지연선(delay line)수 만큼의 감지기가 필요하게 된다. 또한, 원하는 지연선을 구성하려면 수십 미터 이상의 분산값이 큰 광섬유가 필요하다. 이는, 필터의 사이즈와 가격 면에서 불리한 요소로 작용하게 된다.However, in the conventional method as described above, one optical fiber having a large dispersion value constitutes one delay line. In addition, since there must be a detector in each path, the required number of delay lines is needed. In addition, to construct a desired delay line, an optical fiber with a large dispersion value of several tens of meters or more is required. This is a disadvantage in terms of filter size and price.
따라서, 하나의 짧은 광섬유와 하나의 감지기로 다수의 지연선을 구성할 수 있는 방법이 필요하다.Therefore, there is a need for a method capable of constructing multiple delay lines with one short optical fiber and one detector.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 두 개의 모드 변환기를 통해 하나의 짧은 분산 보상 광섬유를 이용하여 하나의감지기로 다수의 지연선을 구성할 수 있는 고차모드를 이용한 광 동조 마이크로웨이브 필터를 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by using a high order mode that can configure a plurality of delay lines in one sensor using one short dispersion compensation optical fiber through two mode converters. An optical tuning microwave filter is provided.
도1은 종래의 필터 구성도.1 is a conventional filter configuration diagram.
도2는 본 발명에 따른 필터의 구성도.2 is a block diagram of a filter according to the present invention.
도3은 본 발명에 따른 변형가능 실시예의 구성도.3 is a schematic diagram of a variant embodiment according to the present invention;
<도면부호의 설명><Description of Drawing>
레이저(1), 변조기(2), 증폭기(3), 분배기(4), 광섬유(5), 감지기(6), 합성기(7), 선로(8), 레이저 다이오드(10), 단일 모드 광섬유(12), 중공 광섬유(14, 14'), 분산 보상 광섬유(16), 변조기(20), 제1 모드 변환기(30), 제2 모드 변환기 (30'), 수신부(40)Laser (1), modulator (2), amplifier (3), splitter (4), optical fiber (5), detector (6), synthesizer (7), line (8), laser diode (10), single mode optical fiber ( 12, hollow fiber 14, 14 ', distributed compensation fiber 16, modulator 20, first mode converter 30, second mode converter 30', receiver 40
용어 설명Term description
본 발명의 설명에 사용되는 용어에 대해 간략히 살펴보면 다음과 같다.The terms used in the description of the present invention will be briefly described as follows.
고차 모드(Higher Mode) : 차단 주파수가 가장 낮은 주 모드 이외의 모드.Higher mode: A mode other than the main mode with the lowest cutoff frequency.
분산 보상 광섬유(Dispersion Compensation Fiber;DCF) : 10Gbps 이상의 전송을 위해 시도되고 있는 파장 분할 다중화 전송방법 중의 하나로, 일반 광섬유와 반대의 값을 갖는 분산 보상 광섬유(DCF)를 전송로의 중간 부분에 배치함으로써 분산을 보상하는 방법.Dispersion Compensation Fiber (DCF): One of the wavelength division multiplexed transmission methods that are attempted for transmission of 10 Gbps or more. How to compensate for variance.
단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber) : 사용파장에 있어서, 전송가능한 전파모드의 수가 하나뿐인 광섬유로, 코어(core) 직경이 10um 미만으로 매우 작고 빛의 전파 형태가 한 가지뿐이어서 손실이 매우 적으며 신호의 변형(왜곡)이 거의 없기 때문에 신호의 장거리 전송이 가능.Single Mode Fiber: In the wavelength of use, it is an optical fiber with only one transmitable propagation mode. It has a very small core diameter of less than 10um and has only one form of light propagation. Since there is almost no distortion (distortion) of the signal, long-distance transmission of the signal is possible.
중공 광섬유(Hollow Optical Fiber) : 중공(中空;속이 빈)의 광섬유.Hollow Optical Fiber: Hollow optical fiber.
군 속도(Group Velocity) : 신호파형이 전파되는 속도로, 특정모드에서 각 주파수에 대한 위상 정수 변화율의 역수.Group Velocity: The speed at which a signal waveform propagates, the reciprocal of the rate of change of the phase constant for each frequency in a particular mode.
군 굴절률(Group Index) : 굴절률이 n인 매질을 진행하는 모드에 대해 진공에서의 빛의 속도를 그 모드의 군속도로 나눈 값.Group Index: The speed of light in a vacuum divided by the group speed of a mode for a mode in which the medium has a refractive index of n.
지연선(Delay Line) : 시간지연(time delay)을 만드는 수단.Delay Line: A means of creating a time delay.
구성Configuration
본 발명의 전체적인 구성을 도2를 참조하여 설명한다.The overall configuration of the present invention will be described with reference to FIG.
본 발명은 제1, 제2 모드 변환기(30, 30')와 단일 모드 광섬유(12) 및 분산 보상 광섬유(16), 레이저 다이오드(10), 변조기(20) 그리고 수신부(40)로 구성되는 필터이다.The present invention is a filter composed of the first and second mode converters 30 and 30 ', the single mode optical fiber 12 and the dispersion compensation optical fiber 16, the laser diode 10, the modulator 20 and the receiver 40. to be.
본 발명에 따른 필터는 캐리어 신호(carrier signal)를 생성하는 레이저 다이오드(10); 상기 레이저 다이오드(10)에서 생성된 신호를 변조하기 위한 변조기(20, modulator); 상기 변조기(20)를 통해 변조된 신호의 전력(power)이 입력되며, 입력된 신호의 전력 즉, 단일 모드 광섬유(12) 내에서 하나의 모드(LP01)로 전송된 신호의 전력을 분산 보상 광섬유(16) 내에서 두 개의 모드(LP01, LP02)로 분산하기 위한 제1 모드 변환기(30, mode converter); 상기 제1 모드 변환기 (30)를 통해 시간 지연(time delay)이 생긴 두 모드(LP01, LP02)의 신호가 입력되면, 입력된 두 모드(LP01, LP02)의 신호를 다시 단일 모드 광섬유(12) 내에 존재하는 하나의 모드(LP01)로 변환하는 제2 모드 변환기(30'); 상기 제2 모드 변환기 (30')에서 변환된 신호를 수신하는 수신부(40)로 구성된다.The filter according to the present invention comprises a laser diode 10 for generating a carrier signal; A modulator (20) for modulating the signal generated by the laser diode (10); Power of the modulated signal is input through the modulator 20, and the power of the input signal, that is, the power of the signal transmitted in one mode LP01 in the single mode optical fiber 12 is distributed and compensated optical fiber. A first mode converter 30 for distributing into two modes LP01 and LP02 within 16; When the signals of the two modes LP01 and LP02 having a time delay are input through the first mode converter 30, the signals of the two modes LP01 and LP02 are input again to the single mode optical fiber 12. A second mode converter 30 'that converts to one mode LP01 present in the apparatus; The receiver 40 is configured to receive the signal converted by the second mode converter 30 '.
여기서, 상기 제1 모드 변환기(30) 및 제2 모드 변환기(30')는 단일 모드 광섬유(12)와 분산 보상 광섬유(16)를 연결하는 것으로서, 반경이 3.4um이며 가운데 반경이 0.6um인 빈 공간이 있는 중공 광섬유(14, 14' ; hollow optical fiber)이다.Here, the first mode converter 30 and the second mode converter 30 ′ connect the single mode optical fiber 12 and the dispersion compensation optical fiber 16, and have a radius of 3.4 μm and a center radius of 0.6 μm. Hollow optical fibers 14, 14 '.
그리고, 본 발명에 따른 모드(LP01, LP02)에 대한 설명은 다음과 같다.A description of the modes LP01 and LP02 according to the present invention is as follows.
일반적으로, 광섬유내에는 TE모드와 TM모드 그리고, Hybrid모드가 존재한다. 여기서, TE(Transverse Electric)모드란 전자파(wave)의 진행방향으로 H-field(자계성분)는 있으나 E-field(전계성분)가 없는 경우이며, TM(Transverse Magnetic)모드는 전자파의 진행방향으로 E-field는 있으나 H-field가 없는 경우이다. 또한, Hybrid모드는 TE, TM모드와는 달리 전자파의 진행방향에 E-field 또는 H-field가 존재하는 모드이다. 그리고, 상기 각 모드의 굴절률은 파형 방정식(wave equation)으로부터 경계 조건(boundary condition)을 적용하여 얻어낸 특성 방정식을 통해 얻을 수 있으며, 각 모드(TM, TE, Hybrid)마다 특성 방정식은 다르다.In general, there are TE mode, TM mode, and Hybrid mode in the optical fiber. Here, the TE (Transverse Electric) mode is a case where there is an H-field (magnetic field component) but no E-field (electric field component) in the direction of the electromagnetic wave, and the TM (Transverse Magnetic) mode is the direction of the electromagnetic wave. There is an E-field but no H-field. In addition, unlike the TE and TM modes, the hybrid mode is a mode in which the E-field or the H-field exists in the traveling direction of the electromagnetic wave. In addition, the refractive index of each mode may be obtained through a characteristic equation obtained by applying a boundary condition from a wave equation, and the characteristic equation is different for each mode (TM, TE, Hybrid).
그런데, 광섬유 코어(core)의 굴절률과 클래딩(cladding)의 굴절률이 거의 같을 때, 상기 모드들의 굴절률을 구해보면 그 값이 거의 같아지는 모드들이 존재하는데, 이러한 모드들을 묶어서 LP모드(Linearly Polarized Mode)라 부른다. 그리고, LP모드의 LPmn에서 m은 파형 방정식에 경계 조건을 적용하여 얻어낸 특성 방정식 안에 포함된 인덱스(index)이며, n은 주어진 인덱스 m값을 특성 방정식에 대입하여 얻어낸 근의 순서이다. 즉, LP01은 LPmn의 특성 방정식에 m=0을 넣고 구한 해 중 첫 번째 값에 해당하는 굴절률을 갖는 모드이며, LP02는 LPmn의 특성 방정식에 m=0을 넣고 구한 해 중 두 번째 값에 해당하는 굴절률을 갖는 모드라 할 수 있다.However, when the refractive indices of the optical fiber core and the cladding are almost the same, there are modes in which the values of the refractive indices of the modes are substantially the same. It is called. In LPmn of LP mode, m is an index included in a characteristic equation obtained by applying boundary conditions to a waveform equation, and n is a root order obtained by substituting a given index m value into the characteristic equation. In other words, LP01 is a mode having a refractive index corresponding to the first value obtained by inserting m = 0 into the characteristic equation of LPmn, and LP02 corresponds to a second value obtained by inserting m = 0 into the characteristic equation of LPmn. It may be referred to as a mode having a refractive index.
동작action
상기에서 설명한 본 발명의 구성에 따른 동작원리를 도2를 참조하여 설명한다.The operation principle according to the configuration of the present invention described above will be described with reference to FIG.
우선, 레이저 다이오드(10)가 캐리어 신호(carrier signal)를 생성하면, 생성된 신호는 변조기(20)를 통과하여 신호강도 변조(intensity modulation) 된다. 여기서, 변조된 신호의 전력(power)은 단일 모드 광섬유(12) 내에 존재하는 하나의 모드 즉, LP01 모드에만 전송되며, 전송된 신호의 전력은 제1 모드 변환기(30)로 입력된다.First, when the laser diode 10 generates a carrier signal, the generated signal passes through the modulator 20 and is subjected to intensity modulation. Here, the power of the modulated signal is transmitted only to one mode existing in the single mode optical fiber 12, that is, the LP01 mode, and the power of the transmitted signal is input to the first mode converter 30.
상기 제1 모드 변환기(30)는 단일 모드 광섬유(12)와 분산 보상 광섬유(16)를 중공 광섬유(14)로 연결한 것으로서, 역할은 다음과 같다.The first mode converter 30 is a single mode optical fiber 12 and the dispersion compensation optical fiber 16 is connected to the hollow optical fiber 14, the role is as follows.
제1 모드 변환기(30)에서는 LP01 모드에만 전송된 신호의 전력을 분산하는 역할을 하는데, 단일 모드 광섬유(12) 내에서 LP01 모드로만 전송된 변조된 신호의 전력은 제1 모드 변환기(30)를 거치면서 모드의 모양이 링(ring) 모양으로 변하게 되고, 이 링 모양의 LP01모드는 분산 보상 광섬유(16) 내에 존재하는 두 모드 즉, LP01 모드와 LP02 모드로 각각 50:50의 전력비율로 분산된다. 이와같이, 제1 모드 변환기(30)는 하나의 모드(LP01)로 진행하던 신호를 두 개의 모드(LP01, LP02)로 분산 진행하도록 만들어 주는 역할을 하는 것이다. 또한, 상기에서 설명한 바와 같이, 중공 광섬유(14)를 통과하면서 모드가 링 모양으로 변하게 되는데, 이는 좀 더 효율적으로 분산 보상 광섬유(16)내에 존재하는 LP02모드로 결합(coupling)이 이루어지도록 하기 위함이다.The first mode converter 30 serves to distribute the power of the signal transmitted only in the LP01 mode, and the power of the modulated signal transmitted only in the LP01 mode in the single mode optical fiber 12 may cause the first mode converter 30 to lose weight. Through this mode, the shape of the mode changes to a ring shape, and the ring-shaped LP01 mode is dispersed in two modes existing in the dispersion compensation optical fiber 16, that is, LP01 mode and LP02 mode at a power ratio of 50:50, respectively. do. In this way, the first mode converter 30 serves to make the signal proceeding in one mode LP01 distributed to two modes LP01 and LP02. In addition, as described above, the mode changes to a ring shape while passing through the hollow optical fiber 14, so that the coupling is performed to the LP02 mode existing in the dispersion compensation optical fiber 16 more efficiently. to be.
이렇게 나뉘어진 두 개의 모드(LP01, LP02)는 분산 보상 광섬유(16) 내에서 서로 다른 군 굴절률(group index)과 서로 다른 군 속도(group velocity)를 가지고 분산 보상 광섬유(16)를 지나게 된다. 이는, 두 개의 모드(LP01, LP02)가 같은 길이를 진행하더라도 속도 차이에 의해 시간 지연(time delay)이 생기는 것을 의미한다. 이렇게, 시간 지연이 생긴 두 모드(LP01, LP02)는 다시 제2 모드 변환기(30')를 거치게 되는데, 제2 모드 변환기(30')에서는 두 모드(LP01, LP02)의 신호를 다시 단일 모드 광섬유(12) 내에 존재하는 하나의 모드(LP01)로 변환한다. 이렇게, 제2 모드 변환기(30')를 거친 단일 모드 광섬유(12) 내에 존재하는 LP01 모드로 변환된 신호는 수신부(40)에서 수신하게 된다. 여기서, 제2 모드 변환기(30')는 제1 모드 변환기(30)와 마찬가지로, 단일 모드 광섬유(12)와 분산 보상 광섬유(16)를 연결하는 중공 광섬유(14')이다.The two divided modes LP01 and LP02 pass through the dispersion compensation optical fiber 16 with different group indexes and different group velocities within the dispersion compensation optical fiber 16. This means that even if the two modes LP01 and LP02 have the same length, a time delay occurs due to the speed difference. In this manner, the two modes LP01 and LP02 having a time delay pass through the second mode converter 30 'again. In the second mode converter 30', the signals of the two modes LP01 and LP02 are again returned to the single mode optical fiber. It converts to one mode LP01 existing in (12). As such, the signal converted into the LP01 mode existing in the single mode optical fiber 12 passed through the second mode converter 30 ′ is received by the receiver 40. Here, like the first mode converter 30, the second mode converter 30 ′ is a hollow optical fiber 14 ′ which connects the single mode optical fiber 12 and the dispersion compensation optical fiber 16.
상기와 같은 동작으로, 수신부(40)를 통해 얻은 신호의 변조 주파수를 늘려가며 주파수 응답특성(frequency response)을 측정해 보면 필터의 특성을 얻을 수 있다.By the operation as described above, by measuring the frequency response while increasing the modulation frequency of the signal obtained through the receiver 40 can obtain the characteristics of the filter.
한편, 본 발명에서 제안된 필터의 동조(tuning) 방법은 다음과 같다.On the other hand, the tuning method of the filter proposed in the present invention is as follows.
레이저 다이오드(10)의 레이저 파장을 변화시키면 분산 보상 광섬유(16) 내에 존재하는 모드 특성에 의해, 각 모드(LP01, LP02)들의 군 속도(group velocity)가 파장이 변화기 전과는 다른 값을 갖게 되고, 이는 분산 보상 광섬유(16) 끝단에서 두 모드(LP01, LP02)의 시간 지연(time delay)을 변화시키게 된다. 즉, 시간 지연은 필터 주기의 역수이므로 필터 특성을 쉽게 조절할 수 있다.When the laser wavelength of the laser diode 10 is changed, the group velocity of each of the modes LP01 and LP02 has a value different from that before the wavelength is changed by the mode characteristic existing in the dispersion compensation optical fiber 16. This changes the time delay of the two modes LP01 and LP02 at the ends of the dispersion compensation fiber 16. That is, since the time delay is the inverse of the filter period, the filter characteristics can be easily adjusted.
변형가능 실시예Modifiable Embodiment
본 발명에서 제안된 필터의 변형가능한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.A deformable embodiment of the filter proposed in the present invention is as follows.
첫째, 다른 모드 변환기(mode converter)를 이용하여, 응용분야에 맞는 필터를 제작할 수 있다. 즉, 중공 광섬유의 직경과 그 안에 존재하는 빈 공간의 직경을 조절하여 모드(LP01, LP02)간의 전력 결합(power coupling) 정도(효율)를 조절하는 것이다. 따라서, 중공 광섬유의 직경(그 안에 존재하는 빈 공간의 직경 포함) 크기가 변하게 되므로, 제작되는 필터의 모양도 바뀌게 된다(도시하지 않음).First, other mode converters can be used to produce filters suitable for the application. That is, the degree of power coupling (efficiency) between the modes LP01 and LP02 is controlled by adjusting the diameter of the hollow optical fiber and the diameter of the empty space existing therein. Therefore, since the diameter of the hollow optical fiber (including the diameter of the empty space existing therein) is changed, the shape of the manufactured filter is also changed (not shown).
둘째, 여러 개의 레이저 다이오드(laser diode)를 이용하여, 또 다른 필터 특성을 얻을 수 있다. 즉, 도3에서 보여지는 바와 같이, 파장이 다른 레이저 다이오드(10)를 여러 개 연결하면, 단일 광섬유(12)내에는 레이저 다이오드(10) 개수 만큼의 파장이 다른 LP01모드가 존재하게 된다. 또한, 파장이 다른 각각의 LP01모드는 제1모드 변환기(30)를 거쳐 분산 보상 광섬유(16)내로 들어가며, 분산 보상 광섬유(16)내에서 파장이 다른 각 LP01모드는 LP01과 LP02모드로 모드 결합(coupling)이 이루어진다. 그리고, 분산 보상 광섬유(16)내의 각 모드(LP01, LP02)들은 자신의 파장에 맞는 군 굴절률 값을 갖게 되므로, 서로 다른 군 속도를 갖게 되는 것이다. 이러한, 속도 차이에 의해 시간 지연(time delay)이 생기게 되며, 제2 모드 변환기(30')를 거쳐 단일 광섬유(12)내에 존재하는 하나의 모드(LP01)로 변환된 신호는 수신기(40)를 통해 수신된다. 이와같이, 파장이 다른 여러 개의 레이저 다이오드를 이용하여 기존과는 다른 또 다른 필터 특성을 얻을 수가 있다.Second, another filter characteristic can be obtained by using a plurality of laser diodes. That is, as shown in FIG. 3, when several laser diodes 10 having different wavelengths are connected, the LP01 mode in which the wavelength of the laser diode 10 differs from each other in the single optical fiber 12 is present. In addition, each LP01 mode having a different wavelength enters into the distributed compensation optical fiber 16 through the first mode converter 30, and each LP01 mode having a different wavelength within the distributed compensation optical fiber 16 combines the modes into the LP01 and LP02 modes. coupling takes place. Each mode LP01 and LP02 in the dispersion compensation optical fiber 16 have group refractive index values corresponding to their wavelengths, and thus have different group speeds. Due to this speed difference, a time delay occurs, and a signal converted into one mode LP01 existing in the single optical fiber 12 through the second mode converter 30 'causes the receiver 40 to fail. Is received via. As such, using different laser diodes with different wavelengths, different filter characteristics may be obtained.
이와같이, 본 발명에서 제안된 필터는 기존의 필터와는 달리 두 개의 모드변환기(mode converter)를 통해 하나의 짧은 분산 보상 광섬유를 이용하여 여러 개의 지연선(delay line)을 구성할 수 있으며, 필터의 동조(tuning)가 쉬운 효과를 얻을 수 있다. 또한, 모드 변환기인 중공 광섬유의 직경크기의 조절 또는 파장이 다른 여러 개의 레이저 다이오드를 연결하여 기존과는 다른 필터 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.As described above, unlike the conventional filter, the filter proposed in the present invention can configure several delay lines using one short dispersion compensation fiber through two mode converters. Tuning can achieve an easy effect. In addition, by controlling the diameter size of the hollow fiber as a mode converter or by connecting a plurality of laser diodes having different wavelengths, there is an effect that can obtain filter characteristics different from the existing ones.
Claims (5)
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