KR20040020785A - 재구성 가능한 광학 스위치 - Google Patents

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KR20040020785A
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제퍼슨 엘. 웨이지너
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포튜리스, 인코포레이티드
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Abstract

광학 스위치는, 복수의 파장 성분을 갖는 WDM 광 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력 포트와, 적어도 세 개의 출력 포트와, 상기 복수의 파장 성분 중에서 하나의 파장 성분을 각각 선택하는 복수의 파장 선택 요소를 포함한다. 파장 선택 요소 중 하나와 각각 관련되는 복수의 광 요소가 또한 제공된다. 각 광 요소는 광 요소 각각과 관련된 선택 요소에 의해 선택된 선택 파장 성분을 모든 다른 파장 성분과는 독립적으로 출력 포트 중 주어진 하나에 보낸다. 주어진 출력 포트는 모든 출력 포트 중에서 가변적으로 선택 가능하다.

Description

재구성 가능한 광학 스위치{A RECONFIGURABLE OPTICAL SWITCH}
다중-파장 통신 시스템에 대한 상당한 관심이 있어왔으며, 이러한 시스템은 전형적으로는 파장 분할 멀티플렉스(WDM: Wavelength Division Multiplex)된 시스템으로 지칭된다. 이들 시스템은 서로 다른 정보 스트림을 지원하는 서로 다른 파장 성분을 갖는 WDM 광 신호를 사용한다. 광섬유(fiber)가 두 지점 사이에서 송신할 수 있는 정보 용량을 증가시키기 위해서 WDM 시스템이 초기에 연구되어온 동안, 광 필터링 기술에 있어서의 최근의 진보는, 특히 파장에 따라 다른 복잡한 경로 네트워크를 구성시키는 스위칭 요소의 개발을 유도하였다. 더나아가, 주어진 파장이 주어진 경로를 따라 라우팅되는, 파장-의존 스위칭 요소의 유용성외에, 재구성 가능한 광 요소가 유용하게 되어왔다. 이러한 재구성 가능한 광 요소는 그 경로를 다이내믹하게 변경할 수 있으며, 요구되는 변화를 수용하고 또는 네트워크 고장 주위에서 서비스를 복구하는데 필요하게되는 네트워크의 토폴로지(topology)를 효과적으로 재구성하기 위해 그 경로를 따라 주어진 파장이 라우팅된다.
재구성 가능한 광 요소의 예는 광 결합/분기 멀티플렉서(OADM: Optical Add/Drop Multiplexer) 및 광 교차-연결(OXC: Optical Cross-Connect)을 포함한다. OADM은 WDM 신호로부터 하나 이상의 파장 성분을 분리 즉 분기시키는데 사용되며, 그리하여, 이러한 성분은 다른 경로로 보내진다. 일부 경우에, 분기된 파장은 공통 광섬유 경로로 보내지며, 다른 경우에 각 분기된 파장은 그 자신의 광섬유 경로로 보내진다. OXC는 OADM보다 더 융통성이 있는 디바이스이며, 가상적인 임의의 배열에서 다중 WDM 입력 신호 성분을 임의의 개수의 출력 경로로 재분배할 수 있다.
앞서 언급한 재구성 가능한 광 요소의 기능은 다양한 서로 다른 디바이스를 통해 달성될 수 있다. 예컨대, 공통의 접근법은 한 쌍의 디멀티플렉서/멀티플렉서 사이에 삽입된 다수의 서로 다른 광대역 스위칭 패브릭(fabric) 중 임의의 패브릭을 사용한다. OADM 요소의 예가 US 특허 5,504,827호, 5,612,805호 및 5,959,749호에 개시되어 있으며, 일반적인 OXC 스위칭 구조는 T. Koch 및 I. Kaminow가 발간한광섬유 원격통신 IIIB(Optical Fiber Telecommunications IIIB)의 10장에서 E. Murphy에 의해 고찰되었다. 이들 참고문헌에 제시된 바와 같이, 이들 접근법은 순차적으로 파장을 디멀티플렉스하고, 필요한 스위칭을 수행하며, 그런 다음, 리멀티플렉스하며, 여기서, 종래의 OXC가 스위칭 패브릭을 위해 상대적으로 복잡한 MxM 디바이스를 사용하기 때문에 OXC는 주어진 파장을 임의의 출력으로 보낼 수 있는 반면, OADM은 두 출력 중 하나로만 보낼 수 있는 2x2 광학 스위치 배열을 사용하기 때문에 덜 융통성이 있다. OADM에 대한 두 대안적인 접근법은 파장의 디멀티플렉스 및 멀티플렉스를 동시에 수행하는 디바이스 내부에 효과적으로 삽입된 스위칭 가능한 미러(mirror)를 사용한다. 이들 접근법 중 제 1 접근법은 파장이 두 번 관통하는 박막 유전 디멀티플렉서/멀티플렉서를 사용하는(예컨대, US 특허 5,974,207호) 반면, 제 2 접근법은 파장 채널이 기울일 수 있는 미러(tiltable mirror) 배열에 반사하기 이전에 이 파장 채널을 디멀티플렉스(분리)하기 위해 큰 회절 격자로부터의 분광을 사용한다(US 특허 5,960,133호). 또 다른 세트의 OADM 기술은 다중 파장을 단일 광섬유 출력으로 재구성 가능한 방식으로 분기시키는 4-포트 디바이스를 사용하며, 그에 따라 만약 그 채널이 수신기에서 광대역(broadbnad) 광전기적 변환을 겪을 필요가 있다면 추가적인 디멀티플렉서를 필요로 한다. 이러한 기능의 한가지 실현(realization)은 앞서 설명된 회절 격자 디멀티플렉서 및 기울일 수 있는 미러 배열의 2-포트 버전에 추가된 광섬유 서큘레이터(circulator)를 사용한다{IEEE 레이저 및 전자-광학 소사이어티, 포스트데드라인(postdeadline) 논문 LEOS'97, 포드(Ford) 등}. 제 2 실현은 각 파장에 대해 결합 상태와 분기 상태 사이에서 스위칭하기 위한 열-광학 위상 시프터를 갖는 집적된 이산화규소 도파관 기술(예컨대, IEEE Phot. Tech. Lett'98, Doerr)을 사용한다. 또 다른 4-포트 OADM은 분기된 채널을 라우팅하기 위한 광섬유 서큘레이터 및 선택사항인 조정 가능한(tunable) 광섬유 격자 반사기를 사용한다(예컨대, IOOC'95, JDS 2000 카달로그, C. R. Giles).
전술한 종래의 광학 스위치 기술 모두는 결점을 가지고 있다. 이들 디바이스는 일반적으로 그 결점에 따라 두 부류로 나누어진다: 높은 비용 및 높은 광 손실을 갖는 매우 융통성이 있는 디바이스와, 덜 비싸고 더 낮은 광 손실을 갖는 더 낮은 융통성이 있는 디바이스. 가장 융통성이 있는 OXC는 많은 수의 파장중 임의의 파장의 경로를, 각각 그 자신의 광섬유(예컨대, 스위치를 갖는 디멀티플렉스/멀티플렉스)로 스위칭하도록 프로그램될 수 있지만, 이들 디바이스는 20dB에 이르는 삽입 손실을 가질 수 있어서 그 손실을 보상하기 위한 광 증폭기를 필요로 할 수 있다. 이것은 대체로 이미 고가인 디바이스의 가격을 증가시킨다. 이들 디바이스가 그렇게 고가이기 때문에, 광섬유 격자 및 박막 필터와 같은 덜 융통성이 있는 대안이 종종 사용된다. 이들 디바이스가 상당히 낮은 가격과 삽입 손실(2 내지 5dB/노드)을 가지는 반면, 이들은 재구성될 수 없는 고정 파장 OADM으로 구현되기 때문에 전형적으로는 덜 융통성을 갖는다. 이들 디바이스가 더 많은 파장을 분기시키도록 당업자가 이들 디바이스의 크기를 조정함에 따라, 좀더 융통성이 있는 OXC 대안이 좀더 매력적일 정도로 이들 디바이스의 손실, 가격, 크기 및/또는 복잡도가 증가하기 때문에, 이들 디바이스는 또한 융통성이 없다. 최근에, US 특허 제 5,479,082호에 제시된 바와 같이, 얼마간의 융통성이 이들 최저가 OADM 디바이스에 추가되어, 이들 디바이스는 이미 고정된 것으로 지정되었던 사전에 결정된 파장 서브셋을 선택적으로 분기시키거나 통과시킬 수 있게 된다. 게다가, 이전에 설명된 재구성 가능한 OADM 디바이스는 다소 향상된 융통성을 제공하지만, 전형적으로는 (디멀티플렉서/스위치에 대한) 더 높은 삽입 손실, (큰 격자 접근법에 대한) 제한된 파장 분해능 및/또는 4-포트 디바이스와 연결하여 사용되는 추가적인 멀티플렉서/디멀티플렉서 장비를 위한 더 높은 비용이라는 손실이 있다.
광 스위칭이 수행되기 이전에 인입 신호를 디멀티플렉스하는, 종래의 OXC 및OADM 접근법의 한가지 특정한 제한 사항은, 각 출력 포트가 변경될 수 없는 특정한 고정 파장을 단지 분기할 수 있다는 점이다. 이러한 구성에서, 미리 선택된 파장 성분만을 디멀티플렉서로부터 수신하여, 그 특정 파장만을 출력할 수 있도록 각 스위치가 배열된다. 만약 후속적인 광 스위칭이 사용되지 않는다면, 이들 디바이스의 융통성은 제한되며, 이는 하나의 출력 포트로부터 또 다른 출력 포트로 주어진 파장을 다시 보내거나 다중 파장을 주어진 출력 포트로 다시 보내는 동작이, 만약 이러한 동작이 필요하게 되더라도, 불가능할 것이기 때문이다. 이러한 기능은, 네트워크 내의 고유한 요소가 특정한 포트를 통해서 액세스될 수 있을 때 바람직한 것이며, (a) 상기 포트로 보내진 파장 채널을 변경하는 것 또는, (b) 상기 포트를 통해 액세스된 상기 특정한 광섬유에 걸쳐서 추가적인 파장을 보내는 것이 바람직하다. 이들 기능이 유용함이 증명되는 두 가지 상황은, 링크가 대안적인 파장을 사용하여 복구될 필요가 있을 때 또는, 특정한 포트로 보내진 정보 용량이 추가적인 WDM 파장을 동일한 광섬유 아래에 추가함으로써 증가될 필요가 있을 때이다.
융통성에 대한 광 스위칭의 중요한 역할 및 그에 따른 광통신 네트워크의 가치에 비추어 볼 때, 앞서 언급한 디바이스의 결점을 갖지 않는 스위칭 요소를 제공하는 것이 유리할 것이다.
따라서, 비싸지 않고, 광 신호에 상대적으로 낮은 손실을 제공하며, 모든 파장 성분 각각을 임의의 입력 포트로부터 임의의 출력 포트로 서로 독립적으로 보내도록 충분히 융통성이 있는 광 스위칭 요소가 필요하다.
본 발명은 일반적으로 광통신 시스템에 관한 것이며, 좀더 상세하게는 파장 선택 방식으로 융통성있게 광을 라우팅(routing)하기 위한 광학 스위치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 광학 스위치 패브릭에 의해 달성될 수 있는 기능을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광 스위칭 요소의 일 실시예를 예시한 도면.
도 3은 파장-의존 어쿠스틱 널(acoustic null) 결합기를 사용한 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한 도면.
도 4는 멀티플렉서/디멀티플렉서를 사용한 본 발명의 또 다른 대안적인 실시예를 도시한 도면.
본 발명은, 복수의 파장 성분을 갖는 WDM 광 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력 포트와, 적어도 세 개의 출력 포트 및, 복수의 파장 성분 중에서 하나의 파장 성분을 각각 선택하는 복수의 파장 선택 요소를 포함하는 광학 스위치를 제공한다. 파장 선택 요소 중 하나와 각각 관련되는 복수의 광 요소가 또한 제공된다. 광 요소 각각은, 이 요소 각각과 관련된 선택 요소에 의해 선택된 선택 파장 성분을 모든 다른 파장 성분과 독립적으로 출력 포트 중 주어진 하나의 포트로 보낸다. 주어진 출력 포트는 모든 출력 포트 중에서 가변적으로 선택될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따라, 광학 스위치는 입력 포트와 파장 선택 요소 사이에 배치된 자유 공간(free space) 영역을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 파장 선택 요소는, 파장 성분 중 서로 다른 성분 하나를 각각 투과시키며, 나머지 파장 성분은 반사하는 박막 필터이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 광 요소는, 그 위치 각각에서 입사된 파장 성분을 출력 포트 중 서로 다른 하나의 포트로 반사하도록 복수의 위치로 선택적으로 기울어질 수 있는 미러이다. 기울어질 수 있는 미러는 예를 들어 미소-전기기계(micro-electromechanical) 시스템, 즉 예컨대 압전기식(piezoelectric) 시스템에 의해 작동될 수 있다.
본 발명은, 또한 복수의 파장 성분을 포함하는 WDM 신호의 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 입력 포트로부터 복수의 출력 포트 중 선택된 포트로 보내기 위한 방법을 제공한다. 이 방법은 WDM 신호로부터 제 1 파장 성분을 디멀티플렉스함으로써 시작한다. 그런 다음, 제 1 파장 성분은 주어진 출력 포트로 보내진다. 또한 제 2 파장 성분이 WDM 신호로부터 디멀티플렉스되어, 상기 주어진 출력 포트와는 독립적으로 선택된 출력 포트 중 하나의 포트로 보내진다.
본 발명의 일 양상에 따라, 제 2 파장 성분을 디멀티플렉스하고 보내는 단계는, 제 1 파장 성분을 디멀티플렉스하고 보내는 단계 이후에 수행된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내는 단계는 자유 공간 영역을 통해서 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 제 1 파장은 제 1 파장에 대응하는 통과대역을 갖는 박막 필터에 의해 디멀티플렉스된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 제 1 파장 성분은 기울어질 수 있는 미러에 의해 자유 공간 영역을 통해 보내진다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라, 디멀티플렉스 및 보내는 단계는 복수의 협대역(narrow band) 자유 공간 스위치에 의해 수행된다. 대안적으로, 디멀티플렉스 및 보내는 단계는 복수의 조정 가능한 파장 선택 결합기에 의해 수행된다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 광 스위칭 패브릭에 의해 달성될 수 있는 기능(functionality)을 도시한다. 파장 분할 멀티플렉스(WDM)된 신호는 입력 포트(10) 상에 수신된다. 추가적인 입력 포트가 또한 추가적인 WDM 신호를 수용하기 위해 제공될 수 있다. 광 스위칭 패브릭(12)은 WDM 신호 중 개별적인 파장 성분을 출력 포트(141,142,...14n)중 선택된 하나로 보내도록 설계된다. 즉, 스위칭 패브릭(12)은 임의의 파장 성분을 기타 파장의 라우팅과는 무관하게 임의의 입력 포트로부터 임의의 출력 포트로 선택적으로 보낼 수 있다.
주목해야할 점은, 스위칭 패브릭(12)이 대칭 방식(symmetric manner)으로 동작하여, 임의의 출력 포트에 보내진 임의의 파장 성분이 대안적으로는 임의의 입력 포트로 보내질 수 있다는 점이다. 따라서, 당업자가 인식할 수 있는 점은, 스위칭 경로가 상반된(reciprocal) 관계이며, 그에 따라 본 명세서에서 사용된 입력 및 출력이라는 용어는 스위칭 패브릭에 대한 단일 방향으로 WDM 신호 또는 파장 성분을 투과시키는 요소로 제한되지 않는 다는 점이다. 다시 말해, 광이 소위 출력 포트로부터 디바이스로 들어올 때, 이 출력 포트는 입력 포트 역할을 하며, 이와 유사하게 소위 입력 포트는 마찬가지로 출력 포트 역할을 한다.
이후에 설명되는 바와 같이, 본 발명은 다양한 서로 다른 방식으로 도 1에 도시된 기능을 달성할 수 있다. 이러한 서로 다른 배열은 넓게는 두 개의 범주로나눌 수 있다. 제 1 범주로, 고정 투과 및 반사 대역을 갖는 필터로서, 파장 성분이 서로 다른 광 경로로 보내지도록 독립적인 방향을 갖게 하는 필터가 사용될 수 있다. 대안적으로, 제 2 범주로, 고정 경로를 따라 파장 성분을 보내는 조정 가능한 필터가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 광 스위칭 요소의 제 1 실시예를 예시한다. 도 2에서, 광 스위칭 요소(300)는 광 투명 기판(308), 복수의 유전 박막 필터(301, 302, 303 및 304), 복수의 조준 렌즈 쌍(3211및 3212, 3221및 3222, 3231및 3232, 3241및 3242), 복수의 기울어질 수 있는 미러(315, 316, 317 및 318) 및 복수의 출력 포트(3401, 3402, ...340n)를 포함한다. 기판(308)은 그 위에 제 1 및 제 2 필터 배열이 각각 배치된 평행 평면 표면(parallel planar surface)(309 및 310)을 갖는다. 제 1 필터 배열은 박막 필터(301 및 303)로 구성되며, 제 2 필터 배열은 박막 필터(302 및 304)로 구성된다. 조준 렌즈 쌍(321 내지 324)의 각 렌즈와 기울어질 수 있는 미러(315 내지 318)는 박막 필터 각각과 관련된다. 이후에 설명되는 바와 같이, 각 박막 필터는, 그 관련된 조준 렌즈 쌍 및 기울어질 수 있는 미러와 함께 협대역 자유 공간 스위치, 즉 서로 다른 경로를 따라 개별적인 파장 성분을 라우팅하는 스위치를 형성한다. 스위칭 요소(300)의 전체 물리적인 크기는 WDM 신호의 빔 직경에 의해 결정될 것이다.
박막 필터(301 내지 304)는 잘 알려져 있는 구성요소(예컨대, US 특허 5,583,683호 참조)이며, 유전 다중층 구성을 갖는다. 박막 필터(301 내지 304)는파장-의존 특성을 가진다, 즉 그 반사도 및 투과도는 광의 파장에 의존한다. 특히, 박막 필터(301)에 의해 수신된 WDM 광 신호의 파장 성분 중에서, 파장()을 갖는 성분만 필터를 관통하여 투과된다. 나머지 파장의 성분은 모두 박막 필터(301)에 의해 반사된다. 마찬가지로, 박막 필터(302)는 파장()을 갖는 성분만 투과시키며, 모든 다른 파장은 반사한다. 같은 방식으로, 박막 필터(303 및 304)는 파장(및)을 갖는 성분만 각각 투과시키며, 모든 다른 파장은 반사한다. 따라서, 본 발명은 서로 다른 통과 대역을 갖는 복수의 박막 필터를 통해 파장을 디멀티플렉스한다.
기울어질 수 있는 미러(315-318)는 2개의 축 상에서 정밀하게 기울어질 수 있고, 바람직하게는 작고 매우 신뢰할 만한 임의의 미러이다. 본 명세서에서 논의된 예시적인 미러는 미소-전기기계 시스템(MEMS)을 사용하는 하나 이상의 휨 암(flexure arm)에 의해 지지된다. 휨 암을 작동시켜, 미러의 표면을 기울어지게 하여, 입사 광 빔의 전파 방향을 변경한다. 이러한 미소-전기기계 미러의 예는 US 특허 6,028,689호와 거기에 언급된 참고문헌에 개시되어 있다. 물론, 예컨대 압전기식 작동기와 같은 기타 메커니즘이 대안적으로 미러의 위치를 제어하기 위해 사용될 수 있다.
동작시, 서로 다른 파장(,,및)으로 구성된 WDM 광 신호는 광 입력 포트(312)로부터 조준 렌즈(314)로 보내진다. WDM 신호는 기판(308)을 관통하여, 박막 필터(301)에 의해 수신된다. 박막 필터(301)의 특성에 따라, 파장()을갖는 광 성분은 박막 필터(301)를 통해 투과되는 반면 기타 파장 성분은 반사되어 기판(308)을 통해 박막 필터(302)로 보내진다. 박막 필터(301)를 통해 투과된 파장 성분()은 조준 렌즈(3211)에 의해 기울어질 수 있는 미러(315)로 수렴된다. 기울어질 수 있는 미러(315)는, 파장 성분()이 박막 필터(302 내지 304)를 통해 출력 포트(3401내지 340n) 중 선택된 하나의 포트로 이 미러로부터 반사되게 배치되며, 이들 박막 필터(302 내지 304)는 모두 파장 성분()을 반사한다. 파장 성분을 수신하도록 선택된 특정한 출력 포트는 미러(315)의 특정한 배향을 결정할 것이다.
언급된 바와 같이, 나머지 파장 성분(,및)은 박막 필터(301)에 의해 렌즈(3212)를 통해 기판(308)으로 반사되어 박막 필터(302)로 보내진다. 파장 성분()은 박막 필터(302)와 렌즈(3221)를 통과하여 투과되어 기울어질 수 있는 미러(316)에 의해 박막 필터(303 및 304)를 통과하여 선택된 출력 포트로 보내지며, 이러한 박막 필터(303 및 304)는 모두 파장 성분()을 반사한다. 이와 유사하게, 모든 파장 성분이 박막 필터(303 및 304)에 의해 차례로 분리되어 순차적으로 기울어질 수 있는 미러(317 및 318)에 의해 선택된 출력 포트로 보내진다. 기울어질 수 있는 미러를 적절하게 작동시켜, 각 파장 성분은 모든 다른 파장 성분과는 독립적으로 선택되는 출력 포트로 보내질 수 있다. 임의의 기울어질 수 있는 미러에 의해 다시 보내지지 않은 임의의 파장은 선택사항인 바이패스 포트, 즉 광섬유(343)에 의해 수신될 수 있다. 비록 도 2의 실시예가 네 개의 파장을 선택적으로 스위칭하도록 구성되지만, 본 발명은 좀더 일반적으로는 대응하는 개수의 협대역 자유 공간 스위치를 사용함으로써 임의의 개수의 파장을 선택 가능하게 스위칭할 수 있다는 점이 인식될 것이다.
도 2에 도시된 본 발명의 실시예를 통해 다수의 중요한 장점이 얻어진다. 예컨대, 자유 공간 스위칭이 사용되기 때문에, 광 연결의 수는 최소한으로 유지되어, 삽입 손실과 디바이스의 복잡도 및 가격을 감소시킨다. 이러한 장점은, 도 2에 요구되는 연결의 개수가 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에 필요한 연결의 개수와 비교될 때인 아래에서 좀더 명백하게 증명될 것이다.
다음의 설명은 도 2에 도시된 본 발명의 실시예의 단 하나의 특정한 예를 예시적인 용도로 제시한다. 이 예에서, 기판(308)은 10mm의 두께와 50mm의 폭과, 90mm의 길이를 갖는 직사각형 형태의 이산화규소 블록이다. 광을 입력 광섬유로 보내는 하나의 조준 렌즈는 블록의 법선에 대해 5.7°로 블록에 대해 고정된다. 렌즈의 초점 길이는, 코닝(Corning) SMF-28TM광섬유를 빠져나와 렌즈를 통과하는 광이 결국 1mm 폭을 갖는 조준된 광 빔을 야기하도록 선택된다. 출력에서, 각각 광을 출력 배열에 있는 하나의 광섬유에 연결하는 조준 렌즈 배열이 제공된다. 광섬유의 말단은 평평하게 마멸되며(polished) 무-반사성(anti-reflective) 코딩된다. 선택사항인 바이패스 포트 또는 광섬유가 또한 제공될 수 있어서, 임의의 박막 필터를 관통하여 투과되지 않고 입력 광섬유에서 수신된 임의의 파장을 모은다. 바이패스 광섬유는, 원래의 디바이스에서 공진하지 않는(not resonant) 추가적인 파장을 사용하는 장래의 업그레이드를 위해 출력을 제공한다. 대안적으로, 만약 비용이나 손실의 제한으로 인해 전체 입사 파장의 서브셋을 스위칭하는 것이 바람직하다면, 이러한 포트가 또한 사용될 수 있을 것이며, 여기서, 나머지(스위칭되지 않은) 파장은 스위칭 패브릭을 바이패스한다. 협대역 자유 공간 스위치의 제 1 및 제 2 배열은 각각 8개의 박막 필터를 포함한다. 박막 필터 각각에는 10mm x 10mm의 표면적을 갖는 3개의 공동 공진 박막 필터(three-cavity resonant thin film filter)가 있다. 제 1 배열에서, 기판의 가장자리에서 10mm 지점에 위치한 제 1 박막 필터는 광학성, 인덱스 매칭 에폭시(index matching epoxy)를 통해 기판에 접착되며, 194.0THz(1545.32nm)가 중심인 통과대역을 갖는다. 광 통과대역은 피크치에서 -0.5dB 아래의 크기로 공칭적으로는 0.4nm의 폭을 가지며, 중심 파장에서 100GHz에서 시작해서 -22dB보다 양호하게 격리된다. 5mm인 초점길이를 갖는 조준 렌즈가 박막 필터에 접착된다. 그런 다음, 상업적으로 이용 가능한 미소-전기기계식(MEMS), 기울어질 수 있는 미러가 렌즈의 초점에 배치된다. 전압이 두 축을 따라서 그 각 방향(angular orientation)을 변경시키기 위해 기울어질 수 있는 미러에 인가될 수 있다. 미러가 조정되는 전형적인 각은 30°를 초과하지 않는다.
제 1 배열은 또한 제 1 자유 공간 스위치로부터 10mm 지점에 위치한 제 2 협대역 자유 공간 스위치를 포함한다. 이 스위치에서 사용되는 박막 필터는 193.8THz(1546.92mm)의 중심 광 파장을 갖는다. 6개의 추가적인 협대역 자유-공간 스위치가 각각 1548.52nm, 1550.12nm, 1551.72nm, 1553.32nm, 1554.92nm 및 1556.52nm인 중심 파장을 가지며 기판을 따라 배치된다. 각 스위치 사이의 중심간거리는 10mm이다.
제 2 배열 협대역 자유-공간 스위치가 제 1 배열 스위치가 배치된 기판 표면의 맞은편 기판 표면상에 배치된다. 또한 서로에 대해 10mm만큼 떨어져 있는 제 2 배열 스위치는 제 1 배열 스위치 사이의 중간에서 측면방향으로 배향된다(laterally oriented). 제 2 배열 스위치에서 사용된 8개의 박막 필터는 각각 1544.52nm, 1546.12nm, 1547.72nm, 1549.32nm, 1550.92nm, 1552.52nm, 1554.12nm 및 1555.72nm의 중심 통과대역 파장을 갖는다.
각 개별적인 기울어질 수 있는 미러는, 이 미러를 조종하기 위해 전압이 인가되는 전자 회로를 갖는다. 미러가 반사하는 파장이 특정한 출력 광섬유로 보내지도록 미러를 조정하는데 필요한 전압은 미러 마다 다를 것이다. 미러를 조종하기 위한 동작 전압(-20 내지 +20V 범위)은 원하는 출력 광섬유에 결합된 광 전력을 최대로 하기 위해 선택된다.
당업자는 도 2에 도시된 협대역 자유-공간 스위치 각각이 반드시 두 개의 렌즈와 하나의 미러를 필요로 하지는 않음을 인식할 것이다. 오히려, 광 요소의 다른 조합들이 파장 성분을 적절하게 다시 보내는데 사용될 수 있다. 예컨대, 두 개의 기울어질 수 있는 미러가 렌즈를 사용하지 않고 동일한 결과를 얻기 위해 배치될 수 있다. 대안적으로, 만약 두 개의 축을 따라 기울어지는 것에 추가로 미러의 위치가 또한 공간적으로 이동될 수 있다면 하나의 미러가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 스위치에 의해 수신된 각 개별적인 파장 성분의 존재 및 강도를 모니터하는 것이 종종 중요하다. 이 점으로 인해, WDM 신호가 대량의 파장 성분을 포함할 때 종래의 광섬유 모니터링 탭을 사용하는 것이 특히 어렵게 될 수 있다. 본 발명에서, 이 문제는, 단 하나의 파장 성분이 기울어질 수 있는 미러 각각에 의해 수신되므로 쉽게 극복될 수 있다. 따라서, 미러를 통과하는 파장 성분의 전력 중 작은 부분을 미러가 수신하도록 미러 뒤에 검출기를 위치시킴으로써 개별 파장 성분은 모니터될 수 있다. 종래의 탭 모니터링과 결합된 이 정보는, 스위치를 통해 라우팅되는 광의 좀더 완벽한 모니터링 화상을 네트워크 제어 및 관리부에 제공할 수 있다.
미러로부터 수신한 전력을 최적화하기 위해 입력 및 출력 광섬유와, 그 다양한 위치에 놓이는 기울어질 수 있는 미러 사이에 정확한 정렬을 유지하는 것이 또한 중요하다. 이점은, 종래의 광섬유 모니터링 탭을 통해 광섬유에 결합된 전력을 모니텅링하면서 미러를 서서히 조정함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법은, 만약 많은 다른 파장이 광섬유에 존재하는 경우에 복잡하게 될 것이며, 그러한 경우, 기울어질 수 있는 미러의 위치를 조정하면서 각 출력 광섬유에서 검출된 고유한 RF 주파수를 통한 작은 진폭 변조를 인코딩함으로써 각 파장 성분의 검출을 개선하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 RF 톤(tone)은 모든 파장에 대해 고유한 톤으로 송신기를 통해 인코딩될 수 있고, 또한 대안적으로, 광섬유로의 결합 효율을 약간 변경시키는 미러 기울기의 작은 진동을 제공함으로써 RF 진폭 변조가 미러 조정을 하는 동안에 금새(temporarily) 인코딩될 수 있다. 후자의 접근법은, 측정되는 곳에서 인코딩되는 톤에 있어서 유리하며, 네트워크에 걸쳐서 톤을 추적할 필요를 제거하며, 추가적으로 이들 톤이 조정할 필요가 있을 때만 이들 톤은 인코딩된다.
도 3은 조정 가능한 파장 필터링을 얻기 위해 파장-의존 어쿠스틱 널(acoustic null) 결합기를 사용하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 이러한 결합기는, 적절한 어쿠스틱 진동을 결합 영역에 가할 때에 선택된 파장을 제 1 광섬유로부터 제 2 광섬유로 단지 교차-결합한다. 만약 적절한 어쿠스틱 진동이 가해지지 않는다면, 선택된 파장은 제 1 광섬유를 따라 계속 전파한다. 어쿠스틱 널 결합기의 예는 D.0.Culverhouse 등., Opt. Lett.22,96,1997 및 US 특허 5,915,050호에 개시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, WDM 신호를 수신하는 입력 광섬유(50)가 제 1 널 결합기(521)의 입력 포트에 연결되어 있다. 제 1 널 결합기(521)의 한 출력 포트에는 출력 광섬유(541)가 연결되어 있으며, 하나 이상의 개별적인 파장 성분이 이 출력 광섬유(541)로 보내질 것이다. 기타 출력 포트는 제 2 널 결합기(522)의 입력 포트에 연결된다. 제 1 널 결합기(521)의 출력 포트와 유사하게, 제 2 널 결합기(522)의 출력 포트들은 각각 제 2 출력 광섬유(542)와 제 3 널 결합기(523)의 입력 포트에 연결된다. 도 3에 나타난 바와 같이, 추가적인 널 결합기는 선택된 파장 성분이 보내질 추가적인 출력 포트를 제공하기 위해 이러한 방식으로 직렬 연결된다.
동작시, 입력 광섬유(50)를 따라 보내진 하나 이상의 파장 성분은, 이들 성분에 대한 적절한 어쿠스틱 파를 이들에 앞에 있으며 임의의 선택된 출력 포트에연결된 널 결합기(521, 522,...52m)에 인가함으로써 임의의 선택된 출력 포트(541, 542,...54m)에 보내질 수 있다. 예컨대, 만약 주어진 n개의 파장 성분중 임의의 성분이 출력 포트(543)에 보내져야 한다면, 어쿠스틱 파가 널 결합기(523)에 인가되어야 한다. 비록 본 발명의 실시예가 파장 성분이 직렬 형태로 널 결합기를 관통하는 것을 필요로 하지만, 각 개별 결합기의 삽입 손실이 상당히 작을 수 있기 때문에(예컨대, 0.5dB 미만) 결과적인 삽입 손실은 받아들일 수 없을 정도로 클 필요가 없다. 도 4에 도시된 본 발명의 실시예에서 사용된 직렬 조정 가능한 필터링 방법이 또한 전술한 4-포트 조정 가능한 OADM 디바이스 기술을 사용함으로써 본 발명의 스위칭 기능을 달성할 수 있다.
도 4는 종래의 멀티플렉서/디멀티플렉서와 종래의 1xm 스위치를 사용하는 본 발명의 또 다른 대안적인 실시예를 도시하며, 여기서 n은 스위치의 출력 포트 수를 나타낸다. 멀티플렉서/디멀티플렉서로는 예컨대 박막 필터나 도파관 격자(waveguide grating)가 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, n(여기서 n은 반드시 m과 같을 필요는 없다)개의 파장 성분을 갖는 WDM 신호를 지원하는 입력 광섬유(60)가 디멀티플렉서(61)의 입력 포트에 보내진다. 디멀티플렉서(61)는 n개의 출력 포트(631, 632,...63n)를 가지며, 이들은 각각 1xm 스위치(651, 652,...65n)의 입력 포트에 연결된다. 제 1 스위치(651)의 m개의 출력 포트는 각각 멀티플렉서(671, 672,...67m)의 제 1 입력 포트에 연결된다. 마찬가지로, 제 2 스위치(652)의 n개의 출력 포트는 각각 멀티플렉서(671, 672,...67m)의 제 2 입력 포트에 연결된다. 나머지 스위치들은, 스위치(65n)의 출력 포트가 멀티플렉서(671, 672,...67m)의 제 m 입력 포트에 결합될 때까지 이러한 순차적인 방식으로 멀티플렉서에 계속 연결된다.
도 4에 도시된 본 발명의 실시예가 갖는 한가지 문제점은, 이것이 상대적으로 많은 수의 스위치와 멀티플렉서/디멀티플렉서를 필요로 하며 그에 따라 상대적으로 많은 수의 광 연결을 필요로 한다는 점이다. 특히, 본 발명의 이 실시예에서, 광 연결의 수는 파장 성분의 수와 출력 포트의 수의 곱으로 그 크기가 정해진다. 상세하게, 10개의 출력 포트를 가지며 16개의 파장 성분을 지원하는 광학 스위치의 경우, 도 2에 도시된 본 발명의 실시예는 단지 11개의 광 연결을 필요로 하는 반면, 도 4에 도시된 실시예는 363개의 광 연결을 필요로 한다. 결과적인 디바이스의 가격과 복잡성은 광 연결의 수에 직접 관련되므로, 도 2에 도시된 독창적인(inventive) 스위치가 특별히 매력적이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 광통신 시스템에서, 파장 선택 방식으로 융통성있게 광을 라우팅(routing)하기 위한 광학 스위치에서, 비싸지 않고, 광 신호에 상대적으로 낮은 손실을 제공하며, 모든 파장 성분 각각을 임의의 입력 포트로부터 임의의 출력 포트로 서로 독립적으로 보내도록 충분히 융통성이 있는 광학 스위치를 제공하는데 이용된다.

Claims (40)

  1. 복수의 파장 성분을 갖는 WDM(Wavelength Division Multiplex) 광 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력 포트와;
    적어도 세 개의 출력 포트와;
    상기 복수의 파장 성분 중에서 하나의 파장 성분을 각각 선택하는 복수의 파장 선택 요소와;
    상기 파장 선택 요소 중 하나와 각각 관련되는 복수의 광 요소로서, 상기 각 광 요소는 관련된 선택 요소에 의해 선택된 파장 성분을 모든 다른 파장 성분과는 독립적으로 상기 적어도 세 개의 출력 포트 중 주어진 하나에 보내며, 상기 주어진 출력 포트는 상기 적어도 세 개의 출력 포트 중에서 가변적으로 선택될 수 있는 복수의 광 요소를,
    포함하는 광학 스위치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 입력 포트와 상기 파장 선택 요소 사이에 배치된 자유 공간 영역을 더 포함하는, 광학 스위치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 파장 선택 요소는, 각각 상기 파장 성분 중 서로 다른 하나를 투과시키고 나머지 파장 성분을 반사시키는 박막 필터인, 광학 스위치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 광 요소는 미소-전기기계식(MEM: Micro-ElectroMechanical) 광 요소인, 광학 스위치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 MEM 광 요소는 MEM 미러인, 광학 스위치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 MEM 미러는, 그 위치 각각에서 상기 MEM 미러가 입사된 파장 성분을 상기 출력 포트 중 서로 다른 하나로 반사하도록, 복수의 위치로 기울어질 수 있는, 광학 스위치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 광 요소는, 그 위치 각각에서 입사된 파장 성분을 상기 출력 포트 중 서로 다른 하나로 반사하도록 선택적으로 복수의 위치로 기울어질 수 있는 미러(tiltable mirror)인, 광학 스위치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 미러 각각은 압전기식 작동기(piezoelectric actuator)를 포함하는, 광학 스위치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 자유 공간 영역은 제 1 및 제 2 평행 표면을 갖는 광투명 기판을 포함하며, 상기 복수의 파장 선택 요소는 각각 상기 제 1 및 제 2 평행 표면을 따라 연장하는 제 1 및 제 2 배열로 배치되는, 광학 스위치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 배열은 서로에 대해 측면 방향으로 오프셋되어 있는(laterlly offset), 광학 스위치.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 광 요소는, 그 위치 각각에서 입사된 파장 성분을 상기 출력 포트 중 서로 다른 하나로 반사하도록 복수의 위치로 기울어질 수 있는 MEM 미러인, 광학 스위치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 제 1 배열로 배치된 상기 파장 선택 요소 각각은 상기 선택된 파장 성분을 상기 제 2 배열로 배치된 또 다른 상기 파장 선택 요소로 보내는, 광학 스위치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 파장 선택 요소 각각과 각각의 파장 선택 요소와 관련된 상기 광 요소 사이에 배치된 한 쌍의 조준 렌즈를 더 포함하며, 상기 광 요소 각각은 각각의 광 요소와 관련된 조준 렌즈 쌍의 각 렌즈의 초점에 배치되는, 광학 스위치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 광 요소 각각은 복수의 조준 렌즈 및 기울어질 수 있는 미러를 포함하는, 광학 스위치.
  15. 제 7항에 있어서, 상기 광 요소 각각은 한 쌍의 미러를 포함하는, 광학 스위치.
  16. 제 7항에 있어서, 상기 광 요소 각각은 또한 공간적으로 이동될 수 있는 기울어질 수 있는 미러를 포함하는, 광학 스위치.
  17. 복수의 파장 성분을 포함하는 WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 입력 포트에서 복수의 출력 포트 중 선택된 하나로 보내기 위한 방법으로서,
    (a) 상기 WDM 신호로부터 상기 제 1 파장 성분을 디멀티플렉스하는 단계와;
    (b) 상기 제 1 파장 성분을 주어진 출력 포트로 보내는 단계와;
    (c) 상기 WDM 신호로부터 상기 제 2 파장 성분을 디멀티플렉스하고, 상기 제 2 파장 성분을 상기 주어진 출력 포트로부터 독립적으로 선택된 상기 출력 포트 중 하나로 보내는 단계를,
    포함하는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 단계(c)는 상기 단계{(a) 및 (b)}에 후속하여 수행되는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내는 단계는, 상기 제 1 및 제 2 파장 성분을 자유 공간 영역을 통해 보내는 단계를 포함하는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  20. 제 17항에 있어서, 상기 제 1 파장은, 상기 제 1 파장에 대응하는 통과 대역을 갖는 박막 필터에 의해 디멀티플렉스되는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 파장 성분은 기울어질 수 있는 미러에 의해 상기 자유 공간 영역을 통해 보내지는. WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 기울어질 수 있는 미러는 MEM 미러인, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 기울어질 수 있는 미러는 한 쌍의 기울어질 수 있는 미러를 포함하는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  24. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 파장 성분은 공간적으로 이동 가능한 미러에 의해 보내지는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  25. 제 21항에 있어서, 상기 기울어질 수 있는 미러는 압전기식 작동기를 포함하는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  26. 제 21항에 있어서, 상기 제 1 파장 성분을 상기 기울어질 수 있는 미러로 조준하는 단계를 더 포함하는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  27. 제 17항에 있어서, 상기 디멀티플렉스 및 보내는 단계는 복수의 협대역(narrow band) 자유 공간 스위치에 의해 수행되는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  28. 제 17항에 있어서, 상기 디멀티플렉스 및 보내는 단계는 복수의 조정 가능한(tunable) 파장 선택 결합기에 의해 수행되는, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  29. 제 17항에 있어서, 상기 복수의 출력 포트는 N개의 출력 포트를 포함하며, 상기 디멀티플렉스 및 보내는 단계는 하나의 디멀티플렉서, N개의 멀티플렉서 및, 상기 하나의 디멀티플렉서를 상기 N개의 멀티플렉서에 결합하는 복수의 1xM 스위치에 의해 수행되며, 여기서, M>1인, WDM 신호 중 적어도 제 1 및 제 2 파장 성분을 보내기 위한 방법.
  30. 복수의 파장 성분을 갖는 WDM 광 신호를 수신하기 위한 적어도 하나의 입력 포트와;
    복수의 출력 포트와;
    상기 복수의 파장 성분 중에서 적어도 하나의 파장 성분을 선택하여, 상기 선택된 적어도 하나의 파장 성분을 모든 다른 파장 성분과는 독립적으로 상기 복수의 출력 포트 중 주어진 하나로 보내기 위한 수단으로서, 상기 주어진 출력 포트는 상기 복수의 출력 포트 중에서 가변적으로 선택 가능한, 수단을,
    포함하는 광학 스위치.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 선택 및 보내는 수단은 복수의 협대역 자유 공간 스위치를 포함하는, 광학 스위치.
  32. 제 31항에 있어서, 상기 협대역 자유 공간 스위치는 박막 필터와 기울어질 수 있는 광 요소를 포함하는, 광학 스위치.
  33. 제 31항에 있어서, 상기 협대역 자유 공간 스위치는 박막 필터와 한 쌍의 기울어질 수 있는 미러를 포함하는, 광학 스위치.
  34. 제 31항에 있어서, 상기 협대역 자유 공간 스위치는 박막 필터와, 또한 공간적으로 이동 가능한 기울어질 수 있는 미러를 포함하는, 광학 스위치.
  35. 제 30항에 있어서, 상기 선택 및 보내는 수단은 복수의 조정 가능한 파장 선택 결합기를 포함하는, 광학 스위치.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 결합기는 어쿠스틱 파 널(acoustic wave null) 결합기를 포함하는, 광학 스위치.
  37. 제 30항에 있어서, 상기 복수의 출력 포트는 N개의 출력 포트를 포함하며, 상기 선택 및 보내는 수단은 하나의 디멀티플렉서, N개의 멀티플렉서 및, 상기 하나의 디멀티플렉서를 상기 N개의 멀티플렉서에 결합하는 복수의 1xM 스위치를 포함하며, 여기서 M>1인, 광학 스위치.
  38. 제 3항에 있어서, 상기 파장 선택 요소 각각과 관련되며, 상기 파장 선택 요소를 통해 투과되는 파장 성분을 모니터하기 위한 검출기를 더 포함하는, 광학 스위치.
  39. 제 31항에 있어서, 상기 협대역 자유 공간 스위치 각각과 관련된 검출기를 더 포함하는, 광학 스위치.
  40. 제 17항에 있어서, 상기 디멀티플렉스 단계를 수행한 이후에 상기 제 1 파장성분을 모니터하는 단계를 더 포함하는, 광학 스위치.
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