KR20040038171A - 광섬유 격자 거울을 이용한 변조 주파수 가변형 광 발진기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀리미터파 무선 전송 시스템의 기지국에서 밀리미터파의 발진 주파수 신호원으로 사용될 것으로 예측되고 있는 밀리미터파 대역 주파수 광 발진기에 관한 것으로, 구현이 용이하면서도 변조 주파수 영역을 보다 넓힐 수 있는 변조 주파수 가변형 광 발진기를 제공하는 데 그 목적이 있다. 본 발명에서 제시하는 광 발진기는 단방향 링형 광섬유 레이저 공진기에 파장 가변형 광섬유 격자 거울 한 쌍을 삽입하여 선형 레이저 공진기를 내부적으로 추가 구성함으로써 두 개의 안정된 레이저 공진기에서 이중 모드의 레이저가 발진할 수 있도록 한 이중 공진기 구조이다. 이중 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 입력 레이저 광이 초고주파수(60 GHz 이상)로 변조된다. 레이저 모드의 편광 의존도를 이용하여 편광 조절기에 의해 공진기 내에서의 이득의 변화를 유도하고, 광섬유 격자 거울의 반사광의 파장을 변화시킴으로써 변조 주파수를 60 GHz에서부터 80 GHz로 연속적으로 변화시킬 수 있다.

Description

광섬유 격자 거울을 이용한 변조 주파수 가변형 광 발진기{Frequency tunable optical oscillator with fiber grating mirrors}

본 발명은 무선 통신 기술 분야의 고주파수 광 발진기에 관한 것으로, 특히 밀리미터파 대역 주파수 광 발진기에 관한 것이다.

차세대 초고속 무선 인터넷 서비스는 기존 무선 인터넷 서비스의 10배 이상 되는 대용량( ~100 Mbps)의 정보를 무선 가입자에 전송할 수 있는 것으로서, 이를 실현하기 위하여 정보 용량이 큰 밀리미터파 무선 전송 시스템이 활발히 연구되고 있다. 이 시스템에 있어서 밀리미터파 대역 주파수 광 발진기는 기지국에서 밀리미터파의 발진 주파수 신호원으로 사용되고 기지국 사이의 광선로망에도 사용될 것으로 예측되고 있다.

현재까지 이 분야에서는 반도체 고주파수 광 변조기를 이용하는 광 발진기와 공진기 자체 변조 방법을 이용하는 광 발진기가 연구되고 있는데, 광 변조기 방식은 주파수 영역이 최대 ~ 30 GHz로 제한되어 있어 한계가 있다. 따라서, 현재 연구가 진행 중인 주파수 대역에는 적합하지 않다. 그리고, 광원 제작 공정이 어려워 실용성이 없는 문제가 있다. 한편, 자체 변조 방식은 본 출원인에 의하여 지속적으로 개선된 결과가 보고되고 있다.

예를 들어, 본 출원인은 1999년 12월 23일자로 출원된 대한민국 특허출원 제1999-61149호에서 링형 광섬유 레이저 공진기와 선형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 공진기 내에 이중 레이저 모드를 발진시켜 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 최대 20 GHz로 변조 가능한 광 발진기를 제안한 바 있다. 그리고, 2000년 9월 19일자로 출원된 대한민국 특허출원 제2000-54801호에서 두 개의 링형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 최대 40 GHz로 변조 가능한 광 발진기도 제안한 바 있다.

이러한 광 발진기는 종래보다 발전된 형태이기는 하지만, 두 개의 개별적인 광섬유 레이저 공진기를 광섬유 결합기로써 결합해야 하기 때문에 구조가 복잡하며, 밀리미터파의 발진 주파수 신호원으로 사용되려면 변조 주파수 영역을 보다 넓힐 필요가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광 발진기의 변조 주파수 영역을 보다 더 넓히고, 그 구현이 용이한 변조 주파수 가변형 광 발진기를 제공하는 데 있으며, 특히 현재 상용화된 부품으로는 제작 가능하지 않은 60 GHz 이상의 높은 변조 주파수에서 변조 주파수가 연속으로 가변되는 광 발진기를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 광섬유 격자 거울을 이용한 변조 주파수 가변형 광 발진기의 개략적 구성도이다.

도 2는 본 발명의 레이저 공진기에서 광의 파장에 따라 편광 조절기의 각도 변화로 얻는 이득을 그린 도면이다.

도 3은 본 발명의 레이저 공진기에서 레이저의 변조 주파수가 편광 조절기의 각도 변화에 의해 변화되는 특성을 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 레이저 공진기에서 광섬유 격자 거울의 반사광 파장 변화에 대한 광 발진기의 변조 주파수 변화를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

100...링형 광섬유 레이저 공진기110a, 110b...광섬유 격자 거울

120...선형 레이저 공진기125...파장결합기

130...광증폭 광섬유135...분산천이 광섬유

140...편광 조절기145...광방향 지시기

150...광섬유 결합기

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 변조 주파수 가변형 광 발진기는, 단방향 링형 광섬유 레이저 공진기 내부에 반사광의 파장이 가변되는 한 쌍의 광섬유 격자 거울을 장치함으로써 두 거울 사이를 왕복하는 선형 레이저 공진기가 내부적으로 추가 형성되게 한 것이다. 두 개의 안정된 공진기에서 발진되는 두 개의 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상을 유도하여 입력광을 초고주파수로 변조할 수 있으며, 상기 광섬유 격자 거울의 반사광의 파장을 변화시킴으로써 변조 주파수를 연속으로 변화시킬 수 있다.

바람직하게, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기는 출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기를 구비한다.

바람직하게, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기는, 펌프 레이저를 입력으로 하는 파장분할다중(WDM) 결합기, 상기 파장분할다중 결합기를 통해 입력된 광을 증폭하기 위한 광증폭 광섬유, 상기 광증폭 광섬유로부터 전달된 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산천이 광섬유, 상기 분산천이 광섬유로부터 전달된 광의 방향을 조절하기 위한 광방향 지시기, 상기 광방향 지시기로부터 전달된 광의 각을 조절하여 출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기, 및 상기 출력광을 출력하기 위한 출력포트를 구비한다. 이 때, 상기 광섬유 격자 거울은 상기 광방향 지시기의 앞과 뒤에 설치된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 광증폭 광섬유의 길이는 3 m이고, 상기 분산천이 광섬유의 길이는 4 m이며, 상기 출력포트는 10% 광섬유 결합기이다.

단일 레이저 공진기 내에서는 1회 공진하는 동안 이득이 최대로 되는 파장에서 레이저가 발진된다. 단방향 링형 광섬유 레이저 공진기에서는 광증폭 매질에서의 이득과 광섬유 내에 존재하는 레이저의 편광 모드에 대한 복굴절 현상에서 발생되는 편광 모드의 선택에 의한 이득에 의해 최대의 이득을 가지는 단일 파장에서 레이저가 발진한다. 본 발명은 여기에 특정 파장에서만 반사하는 광섬유 격자 거울 한 쌍을 삽입하여 두 거울 사이를 왕복하는 또 하나의 공진기를 내부적으로 형성함으로써 2 개의 독립적인 레이저 모드를 발생시킨다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 60 GHz에서 80 GHz로 변조 주파수가 연속적으로 변화될 수 있는 광 발진기를 구현할 수 있다. 공진기 내에 장치된 편광 조절기의 각도 조절에 의해 광 발진기에서 발진되는 레이저의 편광 모드를 선택함으로써, 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 주파수를 64 GHz와 222 GHz의 2 가지 영역으로 변화시킬 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명의 목적 및 이점은 하기 설명에 의해 보다 명확하게 나타날 것이다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 광섬유 격자 거울을 이용한 변조 주파수 가변형 광 발진기의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광 발진기는 기본적으로 단일 링형 광섬유 레이저 공진기(100)로 구성되어 있다. 이 링형 레이저 공진기(100) 내에 반사광의 파장이 가변되는 한 쌍의 광섬유 격자 거울(fiber grating mirrors)(110a, 110b)을 장치함으로써 두 거울(110a, 110b) 사이를 왕복하는 선형 레이저 공진기(120)를 내부적으로 추가 형성되게 한 것이다. 이 두 개의 공진기(100, 120)에서 발진되는 두 개의 레이저 모드(모드 1과 모드 2) 사이의 맥놀이 현상에 의해 출력광이 초고주파수(60 GHz 이상)로 변조된다. 광섬유 격자 거울(110a, 110b)의 반사광의 파장을 변화시키면 변조 주파수를 연속으로 변화시킬 수 있는 고성능의 레이저 광원이 구현된다.

링형 레이저 공진기(100)의 구성 부품을 살펴보면, 펌프광의 입력을 위한 파장결합기(125), 3 m 길이의 광증폭 광섬유(LAF :light amplifying fiber)(광섬유에 Er³⁺이온을 도핑하여 1550 nm 파장을 증폭할 수 있게 한 EDFA 등)(130), 4 m 길이의 분산천이 광섬유(DSF : dispersion shifting fiber)(135), 편광 조절기(PC : polarization controller)(140), 광방향 지시기(광경로 차단)(DC : direction controller)(145), 출력광을 위한 10% 광섬유 결합기(FC : fiber coupler)(150) 등이 설치되어 있어서 한 방향으로 광을 진행시킨다. 이 때, 한 쌍의 광섬유 격자 거울(110a, 110b)은 광방향 지시기(145)의 앞과 뒤에 설치된다.

파장결합기(125)는 광증폭 광섬유(130)의 한 끝에 설치되어 펌프광을 입력시키는 것으로, 예를 들어 파장이 980 nm인 레이저 다이오드(LD)로 된 펌프 레이저를 입력으로 하는 파장분할다중(WDM : wave length division multiplexing) 결합기이다. 파장이 980 nm인 레이저 다이오드는 예를 들어 AlInGaAs 물질로 만들어진 것을 사용할 수 있다. 파장결합기(125)를 통해 입력된 광은 광증폭 광섬유(130)에 의해 증폭된다. 분산천이 광섬유(135)는 광증폭 광섬유(130)로부터 전달된 광의 비선형 편광 효과를 일으킨다. 펌핑에 의해 넓은 파장 영역에 걸쳐 발생되는 광은 분산천이 광섬유(135)에서 겪는 복굴절에 의해 편광에 따른 이득을 가지게 된다. 광방향 지시기(145)는 분산천이 광섬유(135)로부터 전달된 광의 방향을 조절하여 광이 일정한 발진 방향을 갖도록 하는 것이다. 편광 조절기(140)와 선 편광기(142)는 광방향 지시기(145)로부터 전달된 광의 각도(orientation angle, phase retardation)를 조절하여 공진이 가능한 편광 상태만을 선택할 때에 이용된다. 광섬유 결합기(150)는 출력광을 출력하기 위한 출력포트 기능을 담당하며, 이 경우 출력광의 파장은 1530 nm이다.

광방향 지시기(145)의 앞과 뒤에 설치된 한 쌍의 광섬유 격자 거울(110a, 110b)은 광섬유의 중심에 있는 광의 통로 부분의 굴절률을 주기적으로 다르게 하여 이 주기에 의해 결정되는 좁은 영역의 특정 파장의 광은 반사시키고, 다른 파장 영역의 광은 통과시키는 기능을 가진 선택 파장형 거울이다. 이와 같은 광섬유 격자 거울(110a, 110b)을 설치하면 두 거울 사이를 특정 파장만이 왕복하는 제2의 공진기, 즉 선형 레이저 공진기(120)가 형성되기 때문에 이중 공진기 구조를 형성하게 된다. 이렇게 구성하면 링형 레이저 공진기(100)에서 나오는 레이저 광과 광섬유 격자 거울(110a, 110b)로 된 선형 레이저 공진기(120)에서 나오는 레이저 광이 공진기 조건이 다르므로 한 개의 레이저 장치에서 독립적으로 발생할 수 있게 된다. 따라서, 비교적 간단한 방법으로 단방향 링형 레이저 공진기(100)를 이중 모드의 레이저 발진기로 변형시킬 수 있다. 두 개의 레이저 모드가 같이 발진하면 모드 사이의 주파수 차에 따른 맥놀이 주파수로 광전력이 변조되어 발진하게 된다.

그렇지만, 두 개의 레이저 공진기(100, 120)가 같은 광증폭 매질의 이득을 나누어 가져야 하기 때문에 광섬유 격자 거울(110a, 110b)의 파장과 편광의 선택이 매우 적절해야 한다. 또한 이 특수한 조건이 광섬유 내에 존재하는 불규칙한 복굴절에 의존된다는 것이 기술적으로 까다로운 점이다. 본 발명은 이와 같은 복굴절을 이용하여 두 가지 모드의 레이저가 동시에 발진하게 설계함으로써 비교적 간단한 구성으로 현재 광변조기로 불가능한 60 GHz 이상의 고주파수 레이저 광을 발진할수 있다.

또한 광섬유 격자 거울(110a, 110b)은 반사광의 파장이 가변되는 것으로, 반사광의 파장 영역은 거울의 격자 간격을 기계적(혹은 전기적)으로 조정하여 변화시킬 수 있다. 예를 들어 거울 양면에 기계적 힘을 가하여 스트레스를 주면 격자에 스트레인이 걸려 반사광의 파장 영역이 변화된다. 혹은 거울을 가열하여 반사광의 파장 영역을 변화시킬 수도 있다. 광섬유 격자 거울에서 반사되는 광의 파장이 달라지면 발진하는 레이저의 파장도 바뀌게 된다. 그러므로, 반사광의 파장을 연속적으로 변화시키면 변조 주파수가 연속적으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 변조 주파수를 60 GHz에서부터 80 GHz까지 연속적으로 변화시킬 수 있다.

앞에서 언급한 바 있는 본 출원인이 1999년도와 2000년도에 각각 출원한 복합 구조의 광 발진기와 본 발명의 광 발진기를 비교해 보면, 본 발명에서는 복합 구조의 레이저 공진기를 구성하기 위하여 링형 레이저 공진기와 선형 레이저 공진기 혹은 두 개의 링형 레이저 공진기를 결합하기 위한 광섬유 결합기를 사용하지 않아도 된다. 따라서, 광섬유 결합기에 의한 손실로 비교적 낮은 주파수에서 발진하는 기술상의 한계를 극복할 수 있다.

그리고, 기본적인 링형 레이저 공진기에 결합하려는 제2의 레이저 공진기(선형 혹은 링형)와, 제2의 레이저 공진기에 설치해야 하는 편광 조절기가 필요없게 되어 보다 간편한 구조의 광 발진기를 구현할 수 있다. 또한, 광섬유 격자 간격을 조정하는 간단한 기계적인 조작으로 변조 주파수의 변화가 가능해지기 때문에 고성능을 구현할 수 있다.

다음에 도 1과 함께 도 2 내지 도 4를 더 참조하여 본 발명의 구성을 더욱 상세히 알아본다. 도 2는 본 발명의 레이저 공진기에서 광의 파장에 따라 편광 조절기의 각도 변화로 얻는 이득을 그린 도면이고, 도 3은 본 발명의 레이저 공진기에서 레이저의 변조 주파수가 편광 조절기의 각도 변화에 의해 변화되는 특성을 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 레이저 공진기에서 광섬유 격자 거울의 반사광 파장 변화에 대한 광 발진기의 변조 주파수 변화를 도시한 것이다.

펌프 레이저에서 펌핑된 전자의 자연 방출에 의해 생성된 여러 파장의 광은 광증폭 광섬유(130)의 양 끝단에서 광섬유를 따라 진행하게 되는데, 광섬유 격자 거울(110a, 110b)의 반사광 파장 영역에 있지 않는 광들은 도 1의 모드 1과 같이 반시계 방향으로 광방향 지시기(145)를 경유하여 길이 7 m(광증폭 광섬유의 길이 3 m + 분산천이 광섬유의 길이 4 m)인 링형 레이저 공진기(100)의 내부를 일주한다. 이 때, 링형 레이저 공진기(100)의 복굴절에 해당하는 편광 이득과 광증폭 광섬유(130)의 펌핑 이득을 합한 도 2와 같은 종합이득에 맞추어 레이저 모드 1이 발진한다. 반면 광섬유 격자 거울(110b)의 반사광 파장 영역에 있는 광들은 광방향 지시기(145)의 앞에서 반사되어 되돌아오면서 광증폭 광섬유(130)를 다시 통과하여 광방향 지시기(145)의 뒤에 있는 또 다른 광섬유 격자 거울(110a)에서 반사되어 두 광섬유 격자 거울(110a, 110b) 사이를 왕복하게 된다. 이렇게 하여 두 광섬유 격자 거울(110a, 110b)로 구성된 선형 레이저 공진기(120)를 왕복하면서 모드 1과는 다른 공진기의 경로를 경험하는 모드 2가 발생하게 된다.

이 모드 2는 광섬유의 복굴절을 왕복하며 경험하게 되며 출력포트의 손실이2배가 되지만, 일주 길이도 거의 2배인 14 m의 공진기를 왕복하면서 광증폭 이득이 2배가 되어, 단순하게 일주하는 모드 1에 비교할 때 이득도 높아 편광 조절기(140)를 이용하여 조정하지 않으면 단독으로 발진하는 경우가 많다. 편광 조절기(140)와 반사광의 파장 영역을 적절하게 조정하면 이 두 가지 모드(모드 1, 모드 2)가 동시에 발진할 수 있으며 적당한 범위에서의 편광 모드의 이득은 도 2와 같이 모의 실험되었다.

이 광섬유 격자 거울(110a, 110b)의 반사광 중심 파장을 1532.64 nm로 고정하고 편광 조절기(140)의 각을 회전시키면 모드 1과 모드 2의 종합 이득이 크게 달라진다. 도 2를 참조하면, 발진하는 모드 1에서의 연속파의 파장은 점선(a)와 같이 변화하게 되며, 이 때의 이득은 실선(b)와 같다. 한편, 선형 레이저 공진기(120)를 왕복하는 모드 2는 단일 파장으로 고정되어 있기 때문에 점선(c)와 같이 이득이 제한되어 발진하지 않는 영역도 생기게 된다.

이와 같은 2 가지 모드의 주파수의 차에 의한 변조 주파수는 도 3의 실선(1)과 같이 모의 실험되었다. 이로부터 64 GHz, 126 GHz, 222 GHz의 세 변조 주파수가 가능함을 알 수 있지만, 참고적으로 점선(2)로 도시한 것을 참조하여 모드 2가 발진하지 않는 영역을 고려한다면, 222 GHz와 64 GHz가 약 30도 정도의 좁은 각도 영역에서 발생하게 된다. 그러나, 222 GHz 영역은 불안정하여 사용하기 어렵다.

모드 2의 파장 영역은 광섬유 격자 거울(110a, 110b)의 격자 간격에 의해 결정되는데, 이 간격을 기계적으로 조정하면 중심 파장을 약 4 nm까지 변화시킬 수 있다. 이렇게 변화되는 광섬유 격자 거울(110a, 110b)의 중심 파장에 대한 광 발진기의 변조 주파수는 도 4와 같이 변화하였다. 여기서, T는 편광 조절기(140)의 조정각이다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

본 발명에 의하면, 단일의 광 발진기로부터 파장 가변형 광섬유 격자 거울의 반사광의 파장을 조정하여 발생되는 레이저의 변조 주파수가 60 GHz ~ 80 GHz로 연속 가변되는 고주파수 광 발진기를 구현할 수 있다. 변조 주파수가 연속적으로 가변되는 광 발진기는 초고속 무선 인터넷 서비스를 위한 유무선 통합 밀리미터파 통신 장비에 주파수 발진기 및 고주파수 광신호 발진기로 사용될 것이며, 유선 초고속 광 전송 시스템에 중요 핵심 부품으로서 활용되면 수입품 대체 및 경비 절감 효과를 가져올 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 링형 광섬유 레이저 공진기 내부에 반사광의 파장이 가변되는 한 쌍의 광섬유 격자 거울을 장치함으로써 두 거울 사이를 왕복하는 선형 레이저 공진기가 내부적으로 추가 형성되게 하여, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기와 선형 레이저 공진기에서 각각 발진되는 두 개의 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상을 유도하고, 상기 광섬유 격자 거울의 반사광의 파장을 변화시킴으로써 변조 주파수를 연속으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기는 출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기는,

   펌프 레이저를 입력으로 하는 파장분할다중(WDM) 결합기;

   상기 파장분할다중 결합기를 통해 입력된 광을 증폭하기 위한 광증폭 광섬유;

   상기 광증폭 광섬유로부터 전달된 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산천이 광섬유;

   상기 분산천이 광섬유로부터 전달된 광의 방향을 조절하기 위한 광방향 지시기;

   상기 광방향 지시기로부터 전달된 광의 각을 조절하여 출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기; 및

   상기 출력광을 출력하기 위한 출력포트를 구비하고, 상기 광섬유 격자 거울은 상기 광방향 지시기의 앞과 뒤에 설치되는 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 광증폭 광섬유의 길이는 3 m이고, 상기 분산천이 광섬유의 길이는 4 m이며, 상기 출력포트는 10% 광섬유 결합기인 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 편광 조절기의 각도와 상기 광섬유 격자 거울의 반사광의 파장을 조절하여 출력광의 주파수가 60 GHz에서 80 GHz까지 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 변조 주파수 가변형 광 발진기.