KR20040047844A - 파장 전환 및 스펙트럼 감시 어플리케이션용 자유공간광학 시스템 - Google Patents

파장 전환 및 스펙트럼 감시 어플리케이션용 자유공간광학 시스템 Download PDF

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KR20040047844A
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티몬스마이클제이.
가레트마크에치.
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카펠라 포토닉, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 기준 신호와 함께 다중 파장 광학 신호를 파장에 의해 소정의 상대적 배치를 갖는 스펙트럼 어레이의 기준 스펙트럼 성분 다수의 스펙트럼 채널로 공간적으로 분리하기 위해 회절 격자와 같은 파장 분산 수단을 사용하는 신규의 방법 및 장치를 제공한다. 소정의 위치에서 기준 스펙트럼 성분을 정렬함으로써, 스펙트럼 채널은, 예를 들면 스펙트럼 어레이에 따라 위치된 빔 수신 소자의 어레이 상에서, 지정된 위치로 동시에 충돌한다. 기준 스펙트럼 성분은 서보 제어에 의해 소정의 위치에서 더 유지되고, 이에 의해 지정된 위치에서 스펙트럼 채널이 정렬된 채로 유지되는 것을 보장한다. 본 발명은 스펙트럼 파워 모니터와 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서를 포함하는 WDM 광학 네트워킹 어플리케이션용의 새로운 라인의 서보 기반의 광학 시스템을 제공한다.

Description

파장 전환 및 스펙트럼 감시 어플리케이션용 자유공간 광학 시스템{FREE-SPACE OPTICAL SYSTEMS FOR WAVELENGTH SWITCHING AND SPECTRAL MONITORING APPLICATIONS}
모든 광학 통신 네트워크가 점점 저변화됨에 따라, 광학 네트워크 장치 메이커들은 안정적이고, 다기능이며, 가격 효율적인 광학 부품 및 서브 시스템을 제공하려고 노력하고 있다.
최신의 광학 통신 네트워크는 보통 파장 분할 다중화(WDM; wavelength division multiplexing)를 활용하고 있는데, 그 이유는 상이한 광파장을 사용하는 것에 의해 하나의 광섬유 상에서 다수의 정보(또는 데이터) 채널을 동시에 전송할 수 있고, 그에 따라 광섬유의 정보 대역폭을 크게 향상시킬 수 있기 때문이다. WDM의 보급에 따라, 다중 파장 광학 신호를 파장에 따른 스펙트럼 채널의 공간 어레이로 분리할 수 있는 광학 시스템의 라인에 대해서, 이들 스펙트럼 채널이, 스펙트럼 모니터의 경우에, 광학 파워 센서의 어레이에 의해 개별적으로 분리될 수 있고, 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서의 경우에, 입/출력 포트의 어레이(예를 들면 광섬유)로 지향되며, 또는 소정의 체계에 따라 마이크로미러의 어레이에 의해 동적으로 경로 지정될 수 있어야 한다는 특별한 요구가 부가되었다. 이러한 광학 시스템에 있어서, 동작동안 스펙트럼 채널과 지정된 빔 수신 장치(즉, 광학 파워 센서 또는 마이크로미러) 사이에 필수적인 얼라인먼트가 유지되어야 하고, 열 및 기계적 교란과 같은 외부 환경 영향에 대해서 안정적일 필요가 있다.
그러나, 종래기술의 광학 장치에 있어서는, 통상적으로, 조립동안 엄격한 제조 오차와 노동 집약적인 정렬을 기술하는 정밀 정렬을 활용하는데, 이 때문에, 장치가 고가로 되고 크기 및 동작에 있어서 부담이 된다. 또한, 동작동안 필수적인 얼라인먼트를 유지하기 위한 설비가 마련되지 않으며, 열 및 기계적 교란과 같은환경적 요인에 의한 얼라인먼트에서의 시프트를 극복하기 위한 메커니즘이 구현되지 않는다. 결국, 이들 결점에 의해, 종래기술의 광학 장치는 고가로 되고, 크기 및 동작에 있어서 부담이 되며, 성능이 열화하게 된다.
고대역폭(고용량)의 요구에 부응하여, 조밀 파장 분할 다중화(DWDM; dense wavelength division multiplexing)가 광학 통신 네트워크에서 또한 저변화되고 있다. DWDM 기술의 발달과 더불어, 광학 스펙트럼(채널) 파워 모니터와 같은 새로운 세대의 광학 소자 및 서브시스템에 대한 요구가 나타나고 있다. 이들 새로운 광학 스펙트럼 파워 모니터에서 특히 요구되는 특징은 넓은 스펙트럼 범위(예를 들면, C-밴드 또는 L-밴드)를 차지하는 다수의 스펙트럼 채널을 분해하는 능력이다. 이들 광학 스펙트럼 파워 모니터에 대해서는 응답 시간이 빠르고, 성능이 안정적이며, 구성 비용이 저렴해야 할 것이 요구된다.
종래의 스펙트럼 파워 모니터는 통상적으로, 회절 격자가 다중 파장 광학 신호를 파장에 의해, 광학 파워 센서의 어레이로 충돌하는 스펙트럼 채널의 공간 어레이로 분리하는 아키텍쳐를 사용한다. 광학 파워 센서에 의해 생성되는 전기 신호를 검출함으로써, 다중 파장 광학 신호의 광학 파워 스펙트럼이 유도될 수 있다. 이러한 시스템에서 향상된 스펙트럼 해상도를 제공하기 위해, 충분한 분산능(dispersion capability)을 갖는 회절 격자가 필요하다. 그러나, 종래기술에서 일반적으로 공지된 고분산 회절 격자는 편광에 민감하기 때문에, 상기 언급된 아키텍쳐를 활용하는 광학 스펙트럼 파워 모니터용으로는 적절하지 않다.
상기의 관점에서, 종래기술에 대해서, 동작동안 액티브하게 제어되는 광학얼라인먼트를 가지며, 그리고/또는 단순하고, 안정적이며 비용 효율적인 구성으로 편광 민감성을 감소 및/또는 제거하는 편광 다이버시티 체계를 활용하는 새로운 라인의 광학 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 2001년 9월 20일자 출원된 미국 특허 출원 제09/961,565호와, 미국 특허 출원 제09/961,565호의 일부 계속 출원이며 2001년 11월 13일자 출원된 미국 특허 출원 제09/992,778호, 및 미국 특허 출원 제09/992,778호의 일부 계속 출원이며, 2001년 12월 14일자 출원된 미국 특허 출원 제10/022,303호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 광학 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 얼라인먼트 보상(alignment compensation) 및 편광 다이버시티 체계(polarization diversity schemes)을 갖는, 파장 전환 및 스펙트럼 파워 감시 어플리케이션용 자유공간 광학 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에 아주 적합하며, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 제어의 사용에 의해 액티브하게 정렬되며, 편광 다이버시티 체계를 더 활용하는, 스펙트럼 파워 모니터, 멀티플렉서 및 디멀티플렉서, 및 광분기결합기(optical add-drop multiplexers)와 같은 다양한 광학 장치를 구성하는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다수의 스펙트럼 채널과 기준 스펙트럼 성분의 예증적인 파워 스펙트럼을 도시하는 그래프.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 광학 장치의 제 1 실시예를 나타내는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 광학 장치의 제 2 및 제 3 실시예를 나타내는 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 광학 장치의 제 4 실시예를 나타내는 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 다중 파장 광학 신호의 스펙트럼 얼라인먼트를 수행하는 방법을 설명하는 두 개의 순서도.
도 6a 내지 도 6c는 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛을 활용하는 본 발명에 따른 스펙트럼 파워 감시 장치의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 7a 및 도 7b는 소프트웨어 기반의 얼라인먼트 보상 유닛을 활용하는 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명에 따른 편광 다이버시티 체계를 활용하는 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 한 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 본 발명에 따른 편광 다이버시티 체계를 활용하는 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 편광 다이버시티 체계를 활용하는 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 다른 실시예를 도시하는 도면.
본 발명은 액티브 얼라인먼트 보상과 편광 다이버시티 체계를 활용하는 광학 시스템을 제공한다. 본 발명은, WDM 및 DWDM 광학 네트워킹 어플리케이션에 아주 적합하며, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 제어의 사용에 의해 액티브하게 정렬되며, 편광 다이버시티 체계를 활용하는, 스펙트럼 파워 모니터, 멀티플렉서 및 디멀티플렉서, 및 광분기결합기(optical add-drop multiplexers)와 같은 광학 장치를 포함한다.
일 실시예에서, 본 발명은 광학 시스템에서 서보 기반의 스펙트럼 어레이 얼라인먼트용 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 본 실시예의 광학 장치는, 다중 파장 광학 신호와 적어도 하나의 기준 신호를 제공하는 입력 포트와, 상기 다중 파장 광학 신호와 상기 적어도 하나의 기준 신호를 파장에 의해 소정의 상대 배치를 갖는 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분과 다수의 스펙트럼 채널로 공간적으로 분리하는 파장 분산기와, 적어도 하나의 기준 파장 감지 소자와 다수의 빔 수신 소자를 포함하며, 상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분과 상기 스펙트럼 채널을 각각 수신하도록 위치된 빔 수신 어레이, 및 상기 적어도 하나의 기준 파장 감지 소자 상의 소정의 위치에 상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분이 정렬되도록, 상기 스펙트럼 어레이와 상기 빔 수신 어레이 사이의 얼라인먼트를 조정하는 제 1 얼라인먼트 조정 소자를 포함한다.
본 발명에 있어서, "스펙트럼 채널"은 별개의 중심 파장과 관련 대역폭을 특징으로 하며, WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에서 고유의 정보 신호를 전송한다. "기준 신호"(및 대응하는 "기준 스펙트럼 성분")는 고려하에 있는 스펙트럼 채널의 임의의 파장과 실질적으로 중첩하지 않는 잘 정의된(그리고 안정한) 중심 파장을 특징으로 하는 임의의 광학 신호를 일반적으로 나타낸다. 또한, "기준 신호"(또는 "기준 스펙트럼 성분")와 "캘리브레이션 신호"(또는 "캘리브레이션 스펙트럼 성분")라는 용어는 본 명세서에서 상호 교대적으로 사용된다.
본 발명의 빔 수신 소자는 적어도 하나의 스펙트럼 채널과 대응하는 임의의 광학 소자를 구현하는 것으로 넓게 이해되어져야 한다. 예로서, 빔 수신 소자는 광학 파워 센서, 광섬유, 마이크로미러, 집속 렌즈, 또는 광변조기이다. 빔 수신 소자는 스펙트럼 채널과 일대일 대응하도록 구성된다. 빔 수신 소자는 또한 빔 수신 소자 각각의 서브셋이 다수의 스펙트럼 채널과 대응하도록 구성된다.
본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치에 있어서, 광학 감지 어레이(즉, 광다이오드 어레이)는 광다이오드 어레이에 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨이, 캘리브레이션으로부터 얻어질 수 있는 소정의 변환 매트릭스에 의해 생성되는 전기 신호와 관련될 수 있도록 구성된다. 또한, 광학 감지 어레이에서 선택된 두 개의(또는 그 이상의) 인접한 채널 감지 소자는 기준 위치 감지 소자를 제공하도록 활용된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 얼라인먼트 보상 유닛은 서보기반이며(servo-based), 그 한 형태로서는, 기준 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널의 얼라인먼트를 조정하기 위한 얼라인먼트 조정 소자와 처리 소자를 포함한다. 얼라인먼트 조정 소자는 광학 감지 어레이에 결합되어 그것을 이동시켜, 스펙트럼 어레이와 고려 중인 광학 감지 어레이 사이의 상대적인 얼라인먼트를 조정하기 위한 구동 장치(actuation device)이다. 처리 소자는 기준 위치 감지 소자로의 기준 스펙트럼 성분의 실시간 충돌 위치를 감시하고, 그에 따라 얼라인먼트 조정 소자의 제어를 제공하는 기능을 한다. 얼라인먼트 보상 유닛은 서보 제어에 의해 기준 위치 감지 소자 상의 소정의 위치에서 기준 스펙트럼 성분을 유지하고, 그에 따라 스펙트럼 어레이와 고려 중인 광학 감지 어레이 사이의 필수 얼라인먼트를 보장한다. 이러한 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛에 의해, 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치는 (예를 들면, 열 및 기계적 교란과 같은 환경적 요인으로 인해) 동작동안 발생하는 얼라인먼트에서의 임의의 시프트에 대해 액티브하게 보정하게 되고, 그 결과 장치의 안정성을 향상시키게 된다. 이러한 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛을 사용하는 부가적인 이점은 초기 조립동안 제조 오차 및 정밀도가 완화되는 점에서 명백해지는데, 이로 인해 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치는 구성에 있어서 더 간단하게 되고 비용 효율적으로 된다.
얼라인먼트 조정 소자는, 다르게는, 기준 신호와 함께 입력 다중 파장 광학 신호의 얼라인먼트를 조정하기 위한, 파장 분산기 및 입력 포트와 광통신하는 동적으로 조정가능한 미러와 같은, 빔 스티어링 장치일 수도 있다. 또한, 얼라인먼트 조정 소자는, 파장 분산기를 이동(예를 들면, 회전)시켜 기준 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널의 얼라인먼트를 조정하기 위한, 파장 분산기(예를 들면, 회절 격자)에 결합된 구동 장치일 수도 있다. 본 발명의 광학 장치에서 빔 집속기(beam-focuser)로서 집속 렌즈(focusing lens)가 사용되는 경우, 얼라인먼트 조정 소자는 , 기준 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널의 빔 수신 어레이 상으로의 충돌 위치를 제어하기 위한, 집속 렌즈에 결합된 적절한 구동 장치의 형태를 가질 수도 있다.
또한, 본 발명의 광학 장치는 하나 이상의 보조 기준 신호를, 대응하는 보조 기준 파장 감지 소자와 함께 활용하여, 기준 스펙트럼 성분의 상기 언급된 기능을 구현한다. 따라서, 서보 제어 유닛은 상기 언급된 얼라인먼트 조정 방법의 조합을 유리하게 사용하여 스펙트럼 어레이의 피치와 위치를 액티브하게 제어하고, 그 결과 스펙트럼 채널과 각각의 빔 수신 소자 사이의 얼라인먼트를 보다 안정적으로 보장할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 얼라인먼트 보상 유닛은 소프트웨어 기반이며, 그 한 형태로서, 광학 감지 어레이와 통신하는 신호 처리기의 형태를 갖는다. 얼라인먼트 보상 유닛은 다수의 변환 매트릭스를 포함하는 소정의 캘리브레이션 테이블을 포함하는데, 변환 매트릭스 각각은 광학 감지 어레이로부터 출력되는 전기 신호를 기준 스펙트럼 성분의 특정 충돌 위치에서 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨로 관련시킨다. 얼라인먼트 보상 유닛은 기준 위치 감지 소자 상으로의 기준 스펙트럼 성분의 실시간 충돌 위치를 감시한다. 이렇게 검출된 기준 스펙트럼 성분의 각 충돌 위치에서, 얼라인먼트 보상 유닛은 광학 감지 어레이 상으로 충돌하는 스펙트럼 채널에 의해 생성되는 전기 신호를 처리하고 캘리브레이션 테이블로부터 대응하는 변환 매트릭스를 조사(look up)하고, 이에 의해 스펙트럼 채널의 파워 레벨을 제공한다. 이렇게 구성된 스펙트럼 파워 감시 장치는, 임의의 "이동" 구동 수단을 포함하지 않고서도, 소프트웨어 제어에 의해 동작동안 발생할 수 있는 얼라인먼트에서의 임의의 시프트를 효과적으로 보상한다. 이에 의해, 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치의 구성이 간단하게 되고 성능이 더 안정적으로 된다.
본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치는, 시스템에서 하나 이상의 편광에 민감한 소자(polarization-sensitive element)에 의해 부과되는 바람직하지 않은 임의의 편광 의존적인 효과를 완화시키기 위해, 편광 다이버시티 체계를 더 활용한다. 이것은 입력 포트와 파장 분산기 사이의 광학 경로를 따라, 편광 분리 소자(예를 들면, 편광빔 스플리터) 및 편광 회전 소자(예를 들면, 1/2 파장판)를 배치함으로써 달성될 수 있다. 편광 분리 소자는 (기준 신호와 함께) 입력 다중 파장 광학 신호를 제 1 및 제 2 편광 성분으로 분해하고, 편광 회전 소자는 제 2 편광 성분의 편광을 90도만큼 차례로 회전시킨다. 예를 들면, 파장 분산기가 s(또는 TE)-편광(p-편광에 직교)에 대해서 보다 p(또는 TM)-편광(격자 상의 그루브 라인에 수직)에 대해서 더 높은 회절 효율을 제공하는 회절 격자에 의해 제공되는 경우, 상기 언급된 제 1 및 제 2 편광 성분은, 각각, (기준 신호와 함께) 다중 파장 광학 성분의 p-편광 및 s-편광 성분에 대응한다. 파장 분산기는 제 1 및 제 2 편광 성분을 파장에 의해 각각 제 1 및 제 2 세트의 광학빔으로 분리하는데, 이들은 그후 광학 감지 어레이에 충돌한다. 스펙트럼 채널과 관련된 제 1 및 제 2 광학빔(두 개의편광 성분으로부터 발생)은 실질적으로 동일한 위치에서 광학 감지 어레이 상으로 충돌할 것이다. 이러한 편광 다이버시티 체계는 회절 효율을 최대화하고 따라서 시스템의 삽입 손실을 최소화한다.
서보 제어 유닛 및/또는 액티브 얼라인먼트 보상 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 활용함으로써, 본 발명의 광학 장치는 동작동안 열 및 기계적 불안정과 같은 환경적 요인에 의한 얼라인먼트에서의 시프트에 대해 액티브하게 보정하게 되고, 그 결과 성능을 보다 안정화시키게 된다. 이러한 액티브 얼라인먼트 보상을 사용하는 것에 의한 부가적인 이점은 초기 조립동안 제조 오차 및 정밀도가 완화되는 점에서 명백해지는데, 이로 인해 본 발명의 광학 장치는 구성에 있어서 더 적응성 있게 되고 비용 효율적으로 된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 다중 파장 광학 신호의 스펙트럼 얼라인먼트를 수행하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 다중 파장 광학 신호를 기준 신호와 결합하는 단계와, 다중 파장 광학 신호 및 기준 신호를 파장에 의해 소정의 상대적 배치를 갖는 기준 스펙트럼 성분과 다수의 스펙트럼 채널로 공간적으로 분리하는 단계와, 소정의 상대적 배치에 따라 스펙트럼 채널이 지정된 위치로 충돌하도록, 소정의 위치에서 기준 스펙트럼 성분을 충돌시키는 단계, 및 서보 제어에 의해 소정의 위치에서 기준 스펙트럼 성분을 유지하여, 지정된 위치에서 스펙트럼 채널이 정렬된 채로 유지되는 것을 보장하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 언급된 방법에 있어서, 서보 제어 메커니즘은 기준 스펙트럼 성분의 실시간 충돌 위치를 감시하고 그에 따라 스펙트럼 채널과 함께 기준 스펙트럼 채널의 얼라인먼트를 조정함으로써 달성되고, 그 결과 기준 스펙트럼 성분의 충돌 위치를 소정의 위치에서 유지하고 스펙트럼 채널의 충돌 위치를 각각의 지정된 위치에서 유지하게 된다.
본 발명의 방법은 기준 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널을 대응하는 집속 스폿으로 집속하는 단계를 더 포함한다. 또한, 지정된 위치에서 스펙트럼 채널을 광학적으로 검출하여, 검출된 스펙트럼 채널의 파워 스펙트럼을 제공하는 단계, 스펙트럼 채널을 리다이렉팅하여, 소정의 체계에 따라 스펙트럼 채널을 동적으로 경로지정하는 단계, 또는 스펙트럼 채널의 하나 이상의 특성을 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 스펙트럼 파워 감시에서 소프트웨어 기반의 얼라인먼트 보상을 사용하는 방법이 제공된다. 이 방법은: 기준 신호와 함께 다중 파장 광학 신호를 제공하는 단계와, 다중 파장 광학 신호 및 기준 신호를 파장에 의해 소정의 상대적 배치를 갖는 기준 스펙트럼 성분과 다수의 스펙트럼 채널로 공간적으로 분리하는 단계와, 기준 스펙트럼 성분과 스펙트럼 채널을 광학 파워 센서의 어레이 상으로 충돌시키는 단계, 및 기준 스펙트럼 성분의 충돌 위치를 결정하고, 광학 파워 센서의 어레이로부터의 출력 신호를 광학 파워 센서의 어레이 상으로 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨로 관련시키는 소정의 캘리브레이션 테이블로부터 대응하는 변환 매트릭스를 조사하고, 그에 의해 다중 파장 광학 신호의 파워 스펙트럼을 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 편광 다이버시티 체계의 사용에 의해 스펙트럼 파워 감시용 장치가 제공된다. 본 발명의 광학 스펙트럼 파워 감시 장치는, 다중 파장 광학 신호용 입력 포트와, 다중 파장 광학 신호를 제 1 및 제 2 편광 성분으로 분해하는 편광 분리 소자와, 제 2 편광 성분의 편광을 90도만큼 회전시키는 편광 회전 소자와, 제 1 및 제 2 편광 성분을 파장에 의해 제 1 및 제 2 세트의 광학빔으로 각각 분리하는 파장 분산기, 및 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 수신하도록 위치된 광학 파워 센서의 어레이(이하, "광학 감지 어레이"로 칭함)를 포함한다.
동일한 파장과 관련된 제 1 및 제 2 광학빔이 광학 감지 어레이 상의 실질적으로 동일 위치에 충돌할 것으로 요구되는 상황에서, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔이 광학 감지 어레이에 충돌시 두 직교 방향으로 편광되도록 보조 편광 회전 소자가 구현될 수 있다. 이에 의해, 광학빔의 공간적 중첩으로부터 발생하는 임의의 세기 간섭 프린지(intensity interference fringes)가 제거된다. 보조 편광 회전 소자는, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔의 하나가 광학 감지 어레이에 충돌하기 이전에 편광에서 90도 회전하도록, 파장 분산기와 광학 감지 어레이 사이에 배치된다.
다르게는, 광학 감지 어레이 상으로 충돌하기 이전에 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 변조하기 위해 변조 어셈블리리가 본 발명에서 활용될 수도 있다. 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은 변조되어 시분할 다중화 순서로 광학 감지 센서에 도달한다. 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은, 광학 감지 어레이에 충돌하는 제 1 및 제 2 세트의 광학빔이 개별적인 "디서(dither)" 변조 신호를 전송하도록, 주파수 분할 다중화 방식으로 변조될 수도 있다. 양 경우에 있어서, 이러한 변조 어셈블리를 사용하는 것에 의해, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔이 개별적으로 검출될 수 있고, 이에 의해 입력 다중 파장 광학 신호에서 각각의 직교 편광 성분과 관련된 광학 파워 스펙트럼(파장의 함수로서의 광학 파워 레벨)이 독립적으로 유도될 수 있다. 변조 어셈블리는 편광 회전 소자와 함께하는 편광 분리 소자와 파장 분산기 사이의 광학 경로를 따라 배치되어, 제 1 및 제 2 편광 성분을 제어한다. 다르게는, 파장 분산기와 광학 감지 어레이 사이에서 구현되어, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 제어할 수도 있다.
변조 어셈블리는 종래 기술에서 공지된 전기 광학 세기 변조 소자, 액정 셔터 소자(liquid crystal shutter elements) 또는 MEMS(micro-electro-mechanical-systems) 셔터 소자를 포함할 수 있다. 변조 어셈블리는, 두 개의 입사 광학 신호에 별개의 변조를 유발하도록, 광학빔 초퍼(optical beam-chopper)(예를 들면, 적어도 하나의 어퍼처를 구비하는 회전 디스크)에 의해 구성될 수도 있다.
상기 언급된 편광 다이버시티 체계를 활용하는 것에 의해, 본 발명의 광학 스펙트럼 파워 감시 장치는, (예를 들면, 종래기술에서 일반적으로 이용가능한 고분산 회절 격자를 유익하게 사용하는 것에 의해) 간단하고 비용 효율적인 구성으로 향상된 스펙트럼 해상도를 제공하면서, 삽입 손실을 최소화할 수 있다. 또한, 광학 감지 어레이에 충돌하기 이전에 제 1 및 제 2 세트의 광학빔에 개별적인 변조를 도입함으로써, 입력 다중 파장 광학 신호에서 각각의 편광 성분과 관련된 광학 파워 스펙트럼은 개별적으로 결정될 수 있는데, 이것은 몇 몇 어플리케이션에서 바람직한 것이다.
이와 같이, 광학 네트워킹 어플리케이션의 요구를 충족하기 위한, 스펙트럼 파워 모니터와 광학 멀티플렉서/디멀티플렉서를 포함하는, 새로운 라인의 서보 기반의 광학 시스템이 본 발명에 따라 구성될 수 있다.
본 발명의 새로운 특징, 및 본 발명 그 자체는 하기의 첨부된 도면과 연계한 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 기본 스펙트럼 성분(λc)과 다중 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)의 파워 스펙트럼의 예를 도시하는 도면으로서, 파장(λ)의 함수로서의 광 파워(P)를 도시한다. 본원과 청구의 범위에 있어서, "스펙트럼 채널"은, 도 1에 도시된 바와 같이, 별개의 중심 파장(예를 들면, λi)과 관련 대역폭을 특징으로 한다. 각 스펙트럼 채널은 WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에 있어서, 고유의 정보 신호를 전송한다. 파장(λc)으로 특징지워지는 "기준 스펙트럼 성분"(또는 "기준 신호")은 고려하에 있는 스펙트럼 채널의 임의의 파장과 실질적으로 일치하지 않는 잘 정의된(그리고 안정한) 중심 파장을 갖는 임의의 광학 신호를 일반적으로 나타낸다. 도 1에 있어서, 예로서, 기준 스펙트럼 성분은 스펙트럼 채널의 파장보다 짧은 파장(λc)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 일반적으로, 스펙트럼 채널은 파장(주파수)에서 일정하게 띄워져 있을 필요가 없다.
이하, 하기와 같은 방식으로 액티브 얼라인먼트 보상과 편광 다이버시티 체계를 활용하는 본 발명을 설명한다: (ⅰ) Ⅰ절은 광학 시스템에서 액티브 얼라인먼트 보상을 달성하기 위한 서보 기반의 시스템을 활용하는 방법을 설명한다, (ⅱ) Ⅱ절에서는 광학 시스템에서 액티브 얼라인먼트 보상을 위한 다른 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션을 설명한다, (ⅲ) Ⅲ절은 본 발명에서 활용되는 편광 다이버시티 체계를 설명한다.
Ⅰ. 서보 기반의 액티브 얼라인먼트 보상
도 2a는 본 발명에 따른 광학 장치의 제 1 실시예를 도시한다. 본 발명의 원리와 일반적인 아키텍쳐를 설명하기 위한 예에 있어서, 광학 장치(200)는 섬유 콜리메이터(fiber collimator) 형태의 다중 파장 광학 신호용 입력 포트(210)와, 스티러일 미러(steering-mirror; 260-1)를 한 형태로 하는 얼라인먼트 조정 소자, 회절 격자인 파장 분산기(220), 집속 렌즈 형태의 빔 집속기(beam-focuser; 230), 및 기준 파장 감지 소자(240)와 다수의 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)를 포함하는 빔 수신 어레이를 포함한다. 본원 및 청구의 범위에 있어서, 빔 수신 소자는 하나 이상의 스펙트럼 채널을 수신하는 임의의 광학 소자를 구현하는 것으로 넓게 이해되어야 한다. 예를 들면, 하기에 상세히 설명될 것이지만, 광학 파워 센서, 마이크로미러, 광섬유, 집속 렌즈, 또는 광변조기일 수 있다.
도 2a의 광학 장치(200)는 다음과 같이 동작한다. 입력 포트(210)는 λc의 파장을 포함하는 기준 신호와 함께 λ1내지 λN의 파장을 포함하는 다중 파장 광학 신호를 전송한다. 그 다음, 광학 신호는 스티어링 미러(260-1)를 통해 회절격자(220)로 향하게 된다. 회절 격자(220)는 파장에 의해 다중 파장 광학 신호와 기준 신호를 소정의 상대적인 배치를 갖는 기준 스펙트럼 성분(λc)과 다중 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)로 각 분리한다. 집속 렌즈(230)는, 예를 들면, 소정의 상대적인 배치에 따라 스펙트럼 어레이에서, 기준 스펙트럼 성분과 스펙트럼 채널을 대응하는 집속 스폿으로 집속한다. 기준 파장 감지 소자(240)와 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)를 포함하는 빔 수신 어레이는, 소정의 위치(x0)에서 기준 파장 감지 소자(240)로 기준 스펙트럼 성분(λc)이 충돌할 때, 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)이 각각 지정된 위치(x1내지 xN)에서 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)와 충돌하도록, 위치된다.
도 2a 및 그 이하의 도면에 도시된 실시예는, 예증적인 것으로, 간략화되어 있음을 주지해야 한다. 여러 소자와 광학빔은 실측으로 도시되지 않았다. 일반적으로, (기본이 되는 빔 수신 소자와 같은 양이기만 하면) 본 발명의 광학 장치에서 임의의 수의 스펙트럼 채널이 존재할 수 있다. 또한, 도 2a(그리고 그 이하의 도면)에 도시된 빔 수신 어레이에 충돌하는 회절된 광학빔의 집속 스폿은 일정하지 않은 간격을 유지할 수도 있다.
도 2a의 광학 장치(200)는, 한 형태로서 스티어링 미러(260-1)와 처리 소자(260-2)를 포함할 수 있는, 서보 제어 유닛(260)을 더 포함할 수 있다. 스티어링 미러(260-1)는 기준 신호와 함께 다중 파장 광학 신호의 얼라인먼트를 동적으로조정하여, 스펙트럼 채널과 기준 스펙트럼 성분이 빔 수신 어레이에 충돌하는 위치를 제어한다. 처리 소자(260-2)는 기준 스펙트럼 성분(λc)이 기준 파장 감지 소자(240)에 충돌하는 위치를 실시간으로 감시하고 그에 따라 스티어링 미러(260-1)를 피드백(또는 서보) 제어하여, 기준 스펙트럼 성분(λc)을 소정의 위치(x0)에서 유지하고 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)을 지정된 위치(x1내지 xN)에서 유지한다. 이와 같이, 서보 제어 유닛(260)은 동작동안 열 및/또는 기계적 불안정과 같은 환경 영향으로 인해 얼라인먼트에서의 위치 이동을 본 발명의 광학 장치가 액티브하게 교정하는 것을 가능하게 한다. 이러한 서보 유닛을 사용함으로써 얻어지는 부가적인 이점은 초기 조립동안 완화된 제조 오차와 정확성에서 명확해지며, 그에 따라 본 발명의 광학 장치의 적용성과 가격 효율성이 더 높아진다.
상기 실시예에서, 기준 파장 감지 소자(240)는 위치 감지 검출기, 사분할 검출기(quadrant detector), 스플릿 검출기(split detector), 또는 감지 소자에 의해 생성되는 전기(예를 들면, 전류 또는 전압) 신호에 의해 광학빔의 실시간 충돌 위치(1차원 또는 2차원)를 감시할 수 있는 종래 기술에서 공지된 임의의 다른 위치 감지 수단이 될 수 있다. 예로서, 도 2b는 광학빔(241)이 충돌하는 위치 감지 검출기(240-A)를 개략적으로 도시한다. x-방향에서의 광학빔(241)의 충돌 위치는 한 쌍의 출력 신호, 예를 들면, 전류 신호(Ix1및 Ix2)를 검출함으로써 추론될 수 있는데, 이들의 상대적 크기는 x-방향에서 일정량의 빔 스폿을 나타낸다. 유사하게, y-방향에서의 광학빔(241)의 충돌 위치는 다른 쌍의 전류 신호(Iy1및 Iy2)를 측정함으로써 얻어질 수 있다. 또한, 지정된 위치, 예를 들면 위치 감지 검출기(240-A) 상의 중앙 위치(O)로부터 광학빔의 실시간 충돌 위치의 편차는, 종래 기술에서 통상적으로 실시되는 바와 같이, 적절한 정규화된 차동 검출 체계(예를 들면, (Ix1-Ix2)/(Ix1+Ix2) 및/또는 (Iy1-Iy2)/(Iy1+Iy2)를 검출함으로써)에서 출력 신호를 검출함으로써 감시될 수 있다. 또한 당업자는 본 발명의 기준 파장 감지 소자에 대해 종래 기술에서 공지된 다른 형태의 위치 감지 수단을 어떻게 사용하는지를 알 수 있을 것이다.
도 2a의 스티어링 미러(260-1)는 하나 또는 둘의 축에 대해 회전 가능한 동적으로 조정 가능한 미러이다. 예를 들면, 적절한 구동 메커니즘(actuation mechanism)을 갖는 실리콘 마이크로머신 미러일 수도 있고, 또한 미러 또는 빔 검출 소자에 종래기술에서 공지된 구동 장치(actuation device)를 결합함으로써 제공될 수도 있다. 도 2a의 처리 유닛(260-2)는 전기 회로, 컨트롤러 및 기준 파장 감지 소자(240)로부터 수신되는 출력 신호(예를 들면, 도 2b의 위치 감지 검출기(240-A)로부터의 전류 신호)를 처리하고 검출된 신호로부터 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 유도하기 위한 신호 처리 프로그램을 포함할 수 있다. 기준 스펙트럼 성분(λc)이 소정의 위치(x0)에서 유지되도록 스펙트럼 채널과 함께 기준 스펙트럼 성분의 얼라인먼트를 조정하기 위해, 처리 소자(260-2)는 얼라인먼트 조정 소자, 예를 들면, 도 2a의 스티어링 미러(260-1)에 인가될 적절한 제어 신호를 발생한다. 서보 제어 시스템에서의 처리 소자용 관련 신호 처리 알고리즘/소프트웨어와 전자 회로는 전기 공학 및 서보 제어 시스템의 분야에서 공지되어 있다.
도 2c 및 도 2d는 도 2a의 실시예에서 광학빔의 얼라인먼트를 조정하는 두 예를 도시한다. 도 2c에서, λi의 파장(스펙트럼 채널을 나타낸다)을 갖는 제 1 광학빔(271)은 θin의 입사각으로 회절 격자(220)에 입사하고 제 1 회절빔(272)으로서 하기의 회절식에 의해 결정되는 θout의 회절각으로 회절 격자(220)로부터 회절된다.
sinθin+sinθout= mλ/d(1)
여기서 m은 회절도이고 d는 격자 피치(즉, 격자 상에서 두 인접한 그루브 라인 사이의 간격)이다. θin과 θout둘 다는 회절 격자(220)의 수직축에 대해서 측정된다. 회절 격자(220)에 대한 광학빔의 입사각이, 제 2 광학빔(273)으로 도시된 바와 같이, Δθin만큼 변경되면, 회절된 빔의 회절각도, 제 2 회절빔(274)으로 도시된 바와 같이, Δθout만큼 변경된다. 그러므로, 회절 격자(220)에 대해서 기준 신호와 함께 다중 파장 광학 신호의 입사각을, 예를들어 도 2a의 스티어링 미러(260-1)의 동작에 의해 변경하면, 스펙트럼 채널과 기준 스펙트럼 성분의 회절각이 그에 따라 변하게 되고, 그 결과 기준 스펙트럼 성분(λc)이 소정의 위치(x0)에서 충돌하고 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)이 지정된 위치(x1내지 xN)에서 충돌하게 된다.
(예를 들면, 도 2a의 스티어링 미러(260-1)에 의해) 회절 격자(220)에 대해 광학빔의 입사 각을 변경하는 대신(또는 입사각 변경과 관련하여), 회절 격자(220) 자체가 회전되어, 도 2d에 도시된 바와 같이, 유사한 얼라인먼트 기능을 수행할 수도 있다. 이 경우, λi의 파장을 갖는 제 1 광학빔(281)이 회절 격자(220)로 입사하여, 제 1 회절빔(282)으로서 회절 격자(220)로부터 회절된다. 회절 격자(220)를 Δθg만큼 회전하여 얻어지는 회절 격자(221)에 의해, 회절각은 제 2 회절빔(283)으로 도시된 바와 같이 Δθout만큼 효율적으로 변경된다. 회절 격자의 회전은 격자를 보이스 코일 액츄에이터, 스테핑 모터, 솔레노이드 액츄에이터, 압전기 액츄에이터, 또는 종래기술에서 공지된 다른 형태의 구동 수단과 같은 적절한 구동 장치를 격자에 결합함으로써 달성될 수 있다. 구동 장치는 서보 제어 유닛의 처리 소자에 의해 차례로 제어될 것이다.
도 2a의 실시예에 있어서, 회절 격자(220)의 각 분산(D)은 상기 회절식(1)로부터 유도될 수 있다.
집속 렌즈(230)의 초점 길이를 f라고 하자, 회절된 광학빔에 의해 형성되는 스펙트럼 어레이의 피치(P), 즉, 임의의 두 인접한 스펙트럼 스폿 사이의 간격은하기의 식(3)으로 표현될 수 있다.
여기서, Δλ는 두 인접한 스펙트럼 채널 사이의 파장이다. 상기 식(3)은, θout이 0이 아닌 한, 스펙트럼 어레이의 피치가 회절각(θout)과 함께 일반적으로 변경되는 것을 나타낸다. θout에 대한 P의 변경율은 하기의 식(4)로 표현될 수 있다.
상기 상술된 도 2c 또는 도 2d에서, 입사각(θin) 및 회절각(θout)을 변경함으로써 얼라인먼트 조정이 초래되기 때문에, 식(3)은 스펙트럼 어레이의 피치가 얼라인먼트 조정이 발생할 때, 특히 회절각(θout)의 큰 값에서, 변경되는 것을 나타낸다. 그러므로, 도 2a의 실시예(도 2c 또는 도 2d에서 도시된 얼라인먼트 조정 방법이 구현된다)에서, 구성 요소인 빔 수신 소자는 스펙트럼 어레이의 피치에서의 변동을 수용할 수 있도록 구성되어야만 한다. (예를 들면, 빔 수신 소자의 크기는 스펙트럼 어레이의 피치에서의 변동이 스펙트럼 채널과 각 빔 수신 소자 사이의 부합을 실질적으로 변경하지 않도록 하는 크기여야 하기 때문에, 실제에 있어서는 중요하지 않다.) 도 2a의 실시예는 스펙트럼 어레이의 피치에서의 상기 언급된 변경이 너무 작아서(예를 들면, 회절각(θout)이 제로에 가까운 경우) 실제 중요하지 않게 되는 어플리케이션에서도 바람직하다.
도 2c 또는 도 2d에서 예시화 된 바와 같이, 기준 신호와 함께 입력 다중 파장 광학 신호의 입사각을 변경함으로써 얼라인먼트 조정을 수행하는 대신, 스펙트럼 채널과 함께 기준 스펙트럼 성분이 지정된 위치에서 충돌하는 것을 가능하게 하기 위해, 도 2a의 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)와 함께 기준 파장 감지 소자(240)는, 예를 들면 빔 수신 어레이를 전체적으로 직동(直動) 및/또는 회전시킴으로써, 일렬로 이동될 수 있다. 다르게는, 회절된 광학빔의 충돌 위치를 제어하기 위해, 도 2a의 실시예의 집속 렌즈가, 예를 들면 시프트 또는 직동되어 이동될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 광학 장치의 제 2 실시예를 도시한다. 예로서, 광학 장치(300)는 도 2a에서 활용된 많은 소자와 아키텍쳐를 사용하는데, 이들에 대해선 동일한 도면 부호를 병기하였다. 이 경우, 기준 파장 감지 소자(240)와 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)를 포함하는 빔 수신 어레이는, 동작의 용이성을 위해, 예를 들면 하나의 기판 상에 구성 소자를 장착 또는 제조하는 것에 의해, 단일 구조로 집적된다. 서보 제어 유닛(360)은 빔 수신 어레이에 결합되는 선형 구동 장치인 얼라인먼트 조정 소자(360-1)와, 처리 소자(360-2)를 포함한다. 구동 장치(360-1)는 빔 수신 어레이 전체(즉, 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)와 함께 기준 파장 감지 소자(240)가 일렬로)가 충돌하는 광학빔의 전파 방향을 가로지르는 방향을 따라 직동하도록 구성되며, 이에 의해, 회절된 광학빔에 의해 형성되는 스펙트럼 어레이와 고려 중인 빔 수신 어레이 사이의 상대적인 얼라인먼트가 조정된다. 도 2a의 실시예에서와 같이, 소정의 위치(x0)에서 기준 스펙트럼 성분(λc)을 유지하고 지정된 위치(x1내지 xn)에서 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)을 유지하기 위해서, 처리 소자(360-2)는 기준 파장 감지 소자(240)에 대한 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 감시하는 기능을 하고 그에 따라 구동 장치(360-1)의 서보 제어를 제공한다.
도 3b는 본 발명의 광학 장치의 제 3 실시예를 나타낸다. 도 3b에서, 광학 장치(350)는 도 3a의 실시예에서 활용된 많은 소자와 아키텍쳐를 사용하는데, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기한다. 집속 렌즈(230)에 결합된 구동 장치 형태의 얼라인먼트 조정 소자(365-1)와 처리 소자(365-2)를 포함하는 다른 서보 제어 유닛(365)이 구현될 수 있다. 구동 장치(365-1)는 집속 렌즈(230)를 시프트, 회전, 직동 등과 같이 이동시켜 기준 파장 감지 소자(240)와 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)에 대한 회절된 광학빔의 충돌 위치를 각각 제어한다. 도 3a의 실시예의 경우에서와 같이, 처리 소자(365-2)는 기준 파장 감지 소자(240)에 대한 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 감시하고 그에 따라 구동 장치(365-1)의 서보 제어를 제공하며, 이에 의해 소정의 위치(x0)에서 기준 스펙트럼 성분(λc)을 유지하고 지정된 위치(x1내지 xN)에서 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)을 유지한다.
도 3a의 실시예의 구동 장치(360-1), 또는 도 3b의 실시예의 구동 장치(365-1)는 스테핑 모터, 솔레노이드 액츄에이터, 압전기 액츄에이터, 보이스 코일 액츄에이터, 또는 종래 기술에서 공지된 다른 형태의 구동 수단이 될 수 있다. 도 3a의 처리 소자(360-2), 또는 도 3b의 처리 소자(365-2)는 구성 및 동작에 있어서 도 2a의 처리 소자(260-2)와 실질적으로 유사할 것이다. 도 3a 또는 도 3b의 실시예의 이점은 얼라인먼트 조정 방법이 스펙트럼 어레이의 피치를 실질적으로 변경시키지 않는다는 점, 즉, 스펙트럼 어레이와 고려 중인 빔 수신 어레이 사이의 상대적인 얼라인먼트만이 조정된다는 점에서 명백하다. 도 3b의 실시예의 집속 렌즈(230)를 설계함에 있어서는, 수차와 다른 결함을 거의 제거하여야 한다. 본 명세서의 교시로부터, 당업자는, 소정의 어플리케이션에 적합시키기 위해, 본 발명에 따라 대응하는 서보 제어 시스템과 함께 적절한 얼라인먼트 제어 방법을 어떻게 고안할 것인지를 알 것이다.
도 2a, 도 3a, 또는 도 3b의 실시예에 있어서, 파장(λ1내지 λN)을 포함하는 다중 파장 광학 신호는 입력 포트(210)로서 기능하는 섬유 콜리메이터에 연결된 입력 광섬유(201)에 의해 제공되고, 기준 신호(λc)는 기준 광원(202)으로부터 제공될 것이다. 기준 광원(202)을 입력 광섬유(201)에 결합하여 다중 파장 광학 신호와 기준 신호 둘 다가 입력 포트(210)로 향하도록 하기 위해, 섬유 광학 융해 결합기(fiber-optic fused coupler)를 한 형태로 하는 광 결합기(203)가 사용될 수 있다. 광학 장치(200)는 독립적이고, 내부적으로 생성되는 기준 광원을 갖는다. 다르게는, WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에서와 같이, 다중 파장 광학 신호 자체가기준 신호로서 기능하는 스펙트럼 성분(예를 들면, 광학 네트워크의 서비스 채널)을 포함할 수도 있다. 이러한 경우, 섬유 광학 결합기(203)와 함께 내부 기준 광원(202)은 구현될 필요가 없다.
본 발명에 있어서, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 상기 언급된 기능을 구현하기 위해서, 대응하는 기준 파장 감지 소자와 함께, 하나 이상의 보조 기준 신호가 부가적으로 활용될 수 있다. 도 4a는 본 발명의 광학 장치의 제 4 실시예를 도시한다. 예로서, 광학 장치(400)는 도 2a 및 도 3a의 실시예에서 사용된 많은 소자와 아키텍쳐를 사용하는데, 동일한 소자에는 동일한 도면 부호를 병기한다. 또한, λc'의 파장을 포함하는 보조 기준 신호를 입력 포트(210)에 연결하기 위해서, 보조 기준 광원(402)은 섬유 광학 결합기인 보조 광 결합기(403)를 통해 입력 광섬유(201)에 연결될 수 있다. 그 다음, 보조 기준 신호(λc')는, 다중 파장 광학 신호 및 기준 신호(λc)와 함께, 스티어링 미러(260-1)를 통해 회절 격자(220)로 향하게 된다. 보조 기준 신호의 파장(λc')은, 회절시, 즉, 보조 기준 신호(λc')가 소정의 위치(x0')에서 보조 기준 파장 감지 소자(441)에 충돌할 때, 스펙트럼 채널의 파장보다 더 길어지도록 선택된다. 이와 같이, 기준 스펙트럼 성분(λc), 스펙트럼 채널(λ1내지 λN) 및 보조 기준 신호(λc')은 소정의 상대적인 배치를 갖는 스펙트럼 어레이를 형성한다. 따라서, 기준 파장 감지 소자(240), 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N), 및 보조 기준 파장 감지 소자(441)는 스펙트럼 어레이를 수신하도록구성된 빔 수신 어레이를 형성한다. 빔 수신 어레이는, 예를 들면 하나의 기판에 구성 요소를 장착 또는 제조함으로써 단일의 구조로 집적될 수 있다.
보조 기준 파장 감지 소자(441)는 위치 감지 검출기, 스플릿 검출기, 사분할 검출기, 또는 종래기술에서 공지된 다른 형태의 위치 감지 수단이다. 상기 언급된 기준 신호 및 보조 기준 신호도 제 1 및 제 2 기준 신호로 칭해지고, 그에 따라, 기준 파장 감지 소자와 보조 기준 파장 감지 소자가 제 1 및 제 2 기준 파장 감지 소자로 칭해질 수 있다. 또한, 회절 격자(220)와 같은 파장 분산기는 제 1 기준 신호의 (제 1) 기준 스펙트럼 성분(λc)과 제 2 기준 신호의 (제 2) 기준 스펙트럼 성분(λc')을 제 1 및 제 2 소정의 위치에서 제 1 및 제 2 기준 파장 감지 소자를 향하도록 한다.
도 4a의 실시예는 구동 장치(460-1)와 처리 소자(460-2)를 더 포함할 수 있다. 예로서, 빔 수신 어레이가 전체적으로(즉 기준 파장 감지 소자(240)가 빔 수신 소자(250-1 내지 250N) 및 보조 기준 파장 감지 소자(441)와 함께 일렬로) 스펙트럼 채널의 전파 방향을 가로지르는 방향을 따라 직동, 및/또는 화살표(470)를 따라 회전하는 것과 같이 이동하도록 하기 위해, 구동 장치(460-1)는 상기 언급된 빔 수신 어레이에 연결될 수 있다. 예를 들면, 구동 장치(460-1)는 빔 수신 어레이가 소정의 위치(x0)에 위치된 주축 지점(pivotal point)에 대해 회전하도록 한다. 이와 같이, 구동 장치(460-1)는 주로 회절된 광학빔에 의해 형성되는 스펙트럼 어레이와 고려 중인 빔 수신 어레이 사이의 상대적인 얼라인먼트를 조정하기 위해 사용된다.소정의 위치(x0)에서 기준 스펙트럼 성분(λc)을 유지하고 지정된 위치(x1내지 xN)에서 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)을 유지하기 위해서, 처리 소자(460-2)는 기준 파장 감지 소자(240)에 대한 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 감시하고 그에 따라 구동 장치(460-1)의 서보 제어를 제공한다.
처리 소자(460-2)는 보조 기준 파장 감지 소자(441)에 대한 보조 기준 신호(λc')의 실시간 충돌 위치를 부가적으로 감시한다. 이러한 정보는 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치에 의해 반사되지 않는 각 빔 수신 소자와 스펙트럼 채널 사이의 오정렬(misalignment)을 감시하는데 유용하다. 예로서, 도 4b는 기준 스펙트럼 성분(λc)이 소정의 위치(x0)에 남아 있고, 반면 보조 기준 파장 감지 소자(441)에 대ㅐ한 보조 기준 신호(λc')의 충돌 위치가 소정의 위치(x0')로부터 x방향을 따라 벗어나는 상황을 도시하는데, 이는 스펙트럼 어레이의 피치에서의 변화로부터 기인한다. 이 도면(또한 도 4c에서)에서 x-y 평면은 스펙트럼 채널의 전파 방향을 실질적으로 가로지르는 것으로 도시된다. 상기 논의에서 지적된 바와 같이, 스펙트럼 어레이의 피치는 일반적으로 회절각 즉 회절 격자에 대한 광학 신호의 입사각에 따라 변경된다(예를 들면, 상기 식(3) 및 식(4) 참조). 따라서, 처리 소자(460-2)는 소정의 위치(x0')로부터 보조 기준 신호(λc')의 검출된 편차를 사용하여, 예를 들면 도 2c에 도시된 얼라인먼트 조정 방법과 유사한 방식으로 회절 격자(220)에 대한 보조 기준 신호와 기준 신호와 함께 입력 다중 파장 광학 신호의 입사각을 조정함으로써, 보조 기준 신호(λc')를 다시 소정의 위치(x0')로 돌리도록 스티어링 미러(260-1)를 제어한다. 각각의 위치(x0, x0')에서 기준 스펙트럼 성분(λc)과 보조 기준 신호(λc')의 얼라인먼트는 스펙트럼 채널과 각 빔 수신 소자 사이의 필수적인 얼라인먼트를 나타낸다.
예로서, 도 4c는 기준 스펙트럼 성분(λc)이 소정의 위치(x0)에 남아 있고, 반면 보조 기준 파장 감지 소자(441)에 대한 보조 기준 신호(λc')의 충돌 위치가 도시된 바와 같이 소정의 위치(x0')로부터 벗어나는 다른 상황을 도시하는데, 이는 스펙트럼 어레이에 대한 빔 소자 어레이의 회전 운동(또는 그 역)에 의해 유발된다. 따라서, 처리 소자(460-2)는 소정의 위치(x0')로부터 보조 기준 신호(λc')의 검출된 편차를 사용하여, 예를 들면 스펙트럼 어레이에 대해서 빔 수신 어레이를 회전시킴으로써 보조 기준 신호(λc')를 다시 소정의 위치(x0')로 되돌려서, 스펙트럼 채널과 각 빔 수신 소자 사이의 필수적인 얼라인먼트를 복원하도록 구동 장치(460-1)를 제어한다.
도 4b 및 도 4c의 실시예는 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 예로서 제시되었다. 실제 상황에 있어서는, 소정의 위치로부터 보조 기준 신호(λc')의 편차는 스펙트럼 어레이의 피치에서의 변경과 (스펙트럼 어레이에 대한) 빔 수신 어레이의 회전 운동의 결합과 같은 다수의 효과에 기인한다. 따라서, 기준 스펙트럼 성분(λc)을 소정의 위치(x0)에서 유지하면서, 보조 기준 신호(λc')을 지정된 위치로 다시 되돌려서, 스펙트럼 채널과 빔 수신 소자 사이의 필수적인 얼라인먼트를 복원하기 위해, 처리 소자(460-2)는 구동 장치(460-1)와 스티어링 미러(260-1) 둘 다를 통합 방식으로 제어한다. 또한, 스펙트럼 어레이의 피치의 제어는, 스티어링 미러(260-1)의 기능 대신(또는 기능과 연계하여), 도 2d의 실시예에서 설명된 얼라인먼트 조정 방법에 의해 달성될 수 있다. 스펙트럼 어레이와 고려 중인 빔 수신 어레이 사이의 상대적인 얼라인먼트는, 구동 장치(460-1)에 의해 제공되는 얼라인먼트 기능 대신(또는 기능과 연관하여), 도 3b의 실시예에서 설명된 집속 렌즈(230)에 적절한 구동 장치를 결합함으로써 조정될 수 있다. 또한, 보조 기준 신호(λc')의 충돌 위치는 서보 제어에 의해 소정의 위치에 유지되는 반면, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치는 주기적으로 또는 연속적으로 감시되거나, 또는 기준 스펙트럼 성분과 보조 기준 신호 둘 다의 충돌 위치는 적절한 신호 처리와 서보 제어 체계에 따라 액티브하게 제어된다.
도 4a의 실시예에 있어서, 서보 제어 유닛은 회절된 광학빔에 의해 형성되는 스펙트럼 어레이와 고려 중인 빔 수신 어레이 사이의 상대적인 얼라인먼트를 조정하기 위한 제 1 얼라인먼트 조정 소자(예를 들면, 구동 장치(460-1), 또는 집속 렌즈(230)에 결합되는 적절한 구동 장치)와, 스펙트럼 어레이의 피치를 제어하기 위한 제 2 얼라인먼트 조정 소자(예를 들면, 스티어링 미러(260-1), 또는 회절 격자(220)에 결합되는 적절한 구동 장치), 및 제 1 및 제 2 얼라인먼트 조정 소자뿐만 아니라 기준 파장 감지 소자(240) 및 보조 기준 파장 감지 소자(441)와 통신하는 처리 소자(예를 들면, 처리 소자(460-2))를 포함한다. 처리 소자(460-2)는, 기준 스펙트럼 성분(λc)과 보조 기준 신호(λc')를 그들 각각의 위치에서 유지하여 스펙트럼 채널과 각각의 빔 수신 소자 사이의 필수적인 얼라인먼트를 보장하기 위해, 기준 파장 감지 소자(240) 및 보조 기준 파장 감지 소자(441)에 대한 기준 스펙트럼 성분(λc)과 보조 기준 신호(λc')의 충돌 위치를 각각 감시하고, 그에 따라 제 1 및 제 2 얼라인먼트 조정 소자의 제어를 제공한다.
이와 같이, 도 4a의 광학 장치는 적절한 얼라인먼트 조정 방법의 조합을 유익하게 사용하여, 스펙트럼 어레이의 피치와 위치를 액티브하게 제어하기 때문에, 성능이 보다 더 안정적으로 된다.
일반적으로, 본 발명의 하나 이상의 보조 기준 신호는 기준 스펙트럼 성분(λc) 및 스펙트럼 채널의 어떠한 파장과 실질적으로 일치하지 않는 잘 정의된(그리고 안정한) 중심 파장을 갖는 임의의 광학 신호일 수 있다. 도 4a의 실시예에 있어서, 예로서, 보조 기준 신호의 파장(λc')은 스펙트럼 채널의 파장보다 길게 도시되었지만, 기준 스펙트럼 성분의 파장(λc)은 스펙트럼 채널의 파장보다 짧으며, 기준 신호 둘 다는 도시된 내부 기준 광원에 의해 제공된다. 도 4a의 두 기준 광원은 단일의 광 결합기(예를 들면, 3×1 섬유 광학 결합기)에 의해 입력 섬유와 결합될 수 있고, 또는 기준 신호 및 보조 기준 신호가 다수의 기준 신호를 제공하며 광 결합기에 의해 입력 섬유에 결합된 단일의 기준 광원에 의해 제공될 수도 있음을 주지해야 한다. 다르게는, 다중 파장 광학 신호 자체가 하나 이상의 기준 신호로서 사용될 수 있는 하나 이상의 스펙트럼 성분(예를 들면, 광학 네트워크에서의 하나 이상의 서비스 채널)을 포함할 수도 있다. 당업자는, 소정의 어플리케이션에 적합하도록, 본 발명에 따른 광학 장치에서 적절한 기준 신호를 어떻게 구현하는지를 알 것이다.
상기 실시예에서, 회절 격자(220)는 줄 회절 격자(ruled diffraction gratings), 홀로그래픽 회절 격자, 에셀레 격자(echelle grating), 또는 분산 프리즘일 수 있는데, 이들 모두는 파장에 의해 다중 파장 신호를 분리시키기 위해 종래기술에서 일반적으로 사용된다. 예로서, 상기 언급된 실시예에서의 파장 분산기는 반사 회절 격자의 형태로서 도시된다. 당업자는 투과 회절 격자, 또는 분산 프리즘이 본 발명의 광학 장치에서 대안으로 구현될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가적으로, 빔 집속기, 또는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 적절한 빔 집속 수단이 집속 렌즈의 구성품이 될 수 있다. 집속 기능도 파장 분리 및 빔 집속의 두 기능을 수행하는 굽은 회절 격자(curved diffraction grating)를 사용함으로써 제공된다. 기준 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널이 잘 분리되는 어플리케이션에 있어서, 상기 실시예에서의 집속 렌즈(230)와 같은 빔 집속기는 활용될 필요가 없다.
또한, 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)는, pn 광검출기 형태의 광다이오드, pin(p-intrinsic-n) 광검출기, 또는 애벌란시 광 검출기(APD)와 같은 광학 파워 센서일 것이다. 이렇게 구성된 광학 장치는 서보 제어 기능을 갖는 스펙트럼 파워 모니터를 구성하며, 관심의 대상인 스펙트럼 채널의 특성 파워 스펙트럼을 제공한다. 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)는 또한 마이크로미러(예를 들면, 실리콘 마이크로머신 미러)인데, 그 각각은 소정의 체계에 따라 스펙트럼 채널을 동적으로 경로 지정하도록 개별적으로 제어 가능하다. 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)는, 다르게는, 광섬유의 어레이일 수 있는데, 상기 광섬유 어레이로 스펙트럼 채널이 향하게 된다. 이렇게 구성된 광학 장치는 광학빔의 전파 반전시 멀티플렉서, 또는 디멀티플렉서를 구성한다. 또한, 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)는, 소정의 위치에서 스펙트럼 채널을 투사하기 위해, 집속 렌즈와 같은 빔형상 소자 어레이의 형태일 수 있다. 빔 수신 소자(250-1 내지 250-N)는, 각 스펙트럼 채널의 하나 이상의 특성(예를 들면, 진폭 및/또는 위상)을 변조하기 위한, 액정 광 변조기 또는 광감쇠기(optical attenuators)와 같은, 광변조기의 어레이 형태일 수도 있다.
도 2a, 도 3a, 도 3b 또는 도 4a에 있어서, 예로서, 빔 수신 소자는 스펙트럼 채널과 일대일 대응하는 것으로 도시되어 있다. 빔 수신 소자의 서브셋 각각이 다수의 스펙트럼 채널과 대응하거나, 또는 다수의 빔 수신 소자가 단일의 스펙트럼 채널에 지정되는 어플리케이션이 있을 수도 있다. 예를 들면, 광학 파워 센서가 빔 수신 소자로서 사용되는 경우에 있어서, 하나 이상의 광학 파워 센서 각각은, 수신된 스펙트럼 채널의 집적된 파워 측정을 제공하기 위해, 다수의 스펙트럼 채널을 수신하도록 할당된다.
회절 격자의 회절 효율은 일반적으로 편광에 의존하며, 편광 의존 효율은 (단위 길이당) 다수의 그루브 라인을 갖는 격자에서 상당하게 된다. 따라서, 도 2a,도 3a, 도 3b 또는 도 4a의 실시예에서와 같이, 파장 분산기로서 회절 격자가 사용되는 경우에 있어서는, 하기의 Ⅲ절에서 설명될 메커니즘과 같이, 관련된 편광에 민감한 효과를 완화시키기 위해 여러 수단/메커니즘이 사용될 수 있다. 예로서, 편광 다이버시티 체계가 구현될 수도 있다. 이 경우에서는, 입력 다중 파장 광학 신호(하나 이상의 기준 신호와 함께)가 P-편광부와 S-편광부로 먼저 분해된다. P-편광이 회절 격자의 선호 방향이고(즉, P-편광에 대한 회절 효율이 S-편광보다 높다), S-편광부가 90도만큼 회전되었다고 가정하면, 회절 격자에 입사하는 광학 신호는 모두 P-편광을 갖게 된다. 이러한 편광 다이버시티 체계는 회절 효율을 최대화한다는 이점을 갖는다. 다르게는, 회절 격자에 의해 가해진 편광에서의 차동 처리를 보상하기 위해, 회절 격자로 충돌하기 이전에 소정의 비율에 따라 입력 다중 파장 광학 신호(기준 신호와 함께)에서의 S-편광부에 대한 P-편광부를 약화시키는 적절한 편광에 민감한 소자(예를 들면, 누설 빔 스플리터(leaky beam-splitter))가 구현될 수도 있다. 이들 편광 다이버시티 체계에 사용되는 장치 및 방법은 하기의 Ⅲ절에서 상세히 논의할 것이다.
본 발명은 다중 파장 광학 신호의 스펙트럼 얼라인먼트 방법을 또한 제공한다. 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 예로서, 도 5a는 본 발명의 방법을 개략적으로 나타내는 예증적인 순서도를 도시한다. 이 방법(500)은 단계 510에 나타난 바와 같이, 다중 파장 광학 신호를 기준(또는 캘리브레이션) 신호와 함께 조합하는 단계와, 단계 520에 나타낸 바와 같이, 다중 파장 광학 신호와 기준(또는 캘리브레이선) 신호를 파장에 의해 소정의 상대적인 배치를 갖는 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분과 다수의 스펙트럼 채널로 공간적으로 분리하는 단계와, 단계 530에 나타낸 바와 같이, 소정의 상대 배치에 따라 지정된 위치에 스펙트럼 채널이 충돌하도록, 소정의 위치에서 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분을 충돌시키는 단계와, 단계 540에 나타낸 바와 같이, 서보 제어에 의해 소정의 위치에서 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분을 유지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 언급된 방법은, 별개의 중심 파장을 각각 특징으로 하는 기준 스펙트럼 성분과 스펙트럼 채널이 소정의 상대 배치를 갖는 스펙트럼 어레이를 형성한다는 사실을 활용한다. 따라서, 소정의 위치에 기준 스펙트럼 성분을 정렬하는 것은 스펙트럼 채널이 스펙트럼 어레이에 따라 지정된 위치로 동시에 충돌하는 것을 보장한다. 이것은 다중 파장 광학 신호에 의해 형성된 스펙트럼 어레이를 정렬하는 간단하고 효율적인 방법을 제공한다. 이렇게 정렬된 스펙트럼 채널은 그 후, 예를 들면, 상기 상술된 바와 같이, 빔 수신 소자의 어레이에 의해 개별적으로 처리된다.
도 5b는 도 5a의 단계 540에서 상술된 서보 제어 동작의 예증적인 실시예를 더 상세히 나타내고 있다. 이것은 단계 540-A에 나타낸 바와 같이, 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분의 실시간 충돌 위치를 감시하는 단계, 및 단계 540-B에 나타낸 바와 같이, 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분의 충돌 위치를 소정의 위치에 유지시켜 스펙트럼 채널이 지정된 위치에 정렬된 채로 유지되는 것을 보장하기 위해, 스펙트럼 채널과 함께 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분의 얼라인먼트를 조정하는 단계를 포함한다.
도 5a(또는 도 5b)의 방법(500)은, 단계 550에 나타낸 바와 같이, 기준(또는 캘리브레이션) 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널을 대응하는 집속 스폿으로 집속하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 도 5a(또는 도 5b)의 방법(500)은, 검출된 스펙트럼 채널의 파워 스펙트럼을 제공하기 위해, 지정된 위치에서 스펙트럼 채널을 광학적으로 검출하는 단계와, 소정의 체계에 따라 스펙트럼 채널을 경로지정하기 위해, 스펙트럼 채널을 리다이렉트하는 단계, 또는 스펙트럼 채널의 하나 이상의 특성을 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Ⅱ. 광학 시스템에서의 액티브 얼라인먼트 보상을 위한 다른 하드웨어 및 소프트웨어
도 6a는 본 발명에 따른 스펙트럼 파워 감시 장치의 예증적인 실시예를 도시한다. 본 발명의 원리와 일반적인 아키텍쳐를 설명하기 위한 예로서, 스펙트럼 파워 감시 장치(600)는 섬유 콜리메티터 형태의 다중 파장 광학 신호용 입력 포트(610)와, 회절 격자를 한 형태로 하는 파장 분산기(620)와, 집속 렌즈인 빔 집속기(630)와, 기준 위치 감지 소자(640-C)와 다수의 채널 감지 소자(640-1 내지 640-N)를 제공하는 광학 파워 센서의 어레이(640)(이하, "광학 감지 어레이"로 칭함)를 포함한다. 광학 감지 어레이(640)는 (예를 들면, 하나의 기판 상에 구성 요소를 장착 또는 제조함으로써) 단일 구조로 집적될 수 있다.
도 6a의 스펙트럼 파워 감시 장치(600)는 다음과 같이 동작한다. 입력 포트(610)는 λc의 파장을 갖는 기준 신호와 함께 λ1내지 λN의 파장을 포함하는다중 파장 광학 신호를 전송한다. 회절 격자(620)는 파장에 의해 기준 신호와 함께 입사하는 다중 파장 광학 신호를 소정의 사애 배치를 갖는 기준 스펙트럼 성분(λc)와 다수의 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)로 각 분리한다. 집속 렌즈(630)는 예를 들면 소정의 상대 배치를 갖는 공간 어레이(또는 "스펙트럼 어레이")에서 기준 스펙트럼 성분(λc)과 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)을 대응하는 집속 스폿으로 집속한다. 기준 스펙트럼 성분(λc)이 소정의 위치(x0)에서 기준 위치 감지 소자(640-C)에 충돌할 때, 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)이 지정된 위치(x1내지 xN)에서 채널 감지 소자(640-1 내지 640-N)에 충돌하도록, 광학 감지 어레이(640)가 위치된다.
도 6a 및 그 이하의 도면에 도시된 실시예는, 예증적인 것으로, 간략화되어 있음을 주지해야 한다. 여러 소자와 광학빔은 실측으로 도시되지 않았다. 일반적으로, 시스템에서 활용되는 채널 감지 소자의 수가 소정의 정확도를 가지고 스펙트럼 채널의 파워 레벨을 결정하는데 충분하기만 하면, 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치에서 임의의 수의 스펙트럼 채널이 존재할 수 있다. 또한, 도 6a(그리고 그 이하의 도면)에 도시된 광학 감지 어레이에 충돌하는 회절된 광학빔의 집속 스폿은 일정하지 않은 간격으로 띄워져 있을 수 있고, 하기에 상세히 설명되는 바와 같이, 채널 감지 소자와 반드시 일대일 대응할 필요는 없다.
도 6a의 스펙트럼 파워 감시 장치(600)는, 한 형태로서, 광학 감지 어레이(640)에 결합된 구동 장치(660-1)와 처리 유닛(660-2)을 포함하는 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛(660)을 더 포함할 수 있다. 광학 감지 어레이(640)가 전체적으로(그러므로, 채널 감지 소자(640-1 내지 640-N)와 함께 기준 위치 감지 소자(640-C)를 일렬로) 이동(예를 들면, 직동 및/또는 회전)하도록 하여, 회절된 광학빔에 의해 형성된 스펙트럼 어레이와 광학 감지 어레이(640) 사이의 상대적인 얼라인먼트를 조정하도록, 구동 유닛(660-1)이 구성된다. 처리 소자(660-2)는, 소정의 위치(x0)에서 기준 스펙트럼 성분(λc)을 유지하고 지정된 위치(x1내지 xN)에서 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)을 유지시키기 위해서, 기준 위치 감지 소자(640-C)에 대한 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 감시하고 그에 따라 구동 장치(660-1)의 서보(또는 피드백) 제어를 제공한다. 상기 설명된 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛은, 본 발명의 장치가 동작동안 발생할 수 있는 얼라인먼트에서의 임의의 시프트를 액티브하게 교정하도록 하여, 장치의 안정성을 향상시킨다. 이러한 얼라인먼트 보상 유닛을 사용함으로써 얻어지는 부가적인 이점은 초기 조립동안 완화된 제조 오차와 정확성에서 명확해지며, 그에 따라 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치의 적용성과 가격 효율성이 더 높아진다.
예로서, 도 6b는, 도 6a의 실시예의 광 감지 어레이(640)와 같이, 광다이오드의 어레이가 어떻게 구현되는지를 설명한다. 도 6b에는 광다이오드 어레이(640A)의 예가 확대 도시되어 있는데, 도면에서 사선 영역과 사선이 없는 영역에 의해 구별되는 광 응답 특성이 변하는 다수의 인접한 광감지 소자를 포함한다. 예로서, 도면에서 실선으로 도시된 광 응답 함수(Ri(x))는 사선이 없는 광 감지 영역(640-i)및 두 인접한 사선이 있는 영역(640-i-H, 640-j-H)의 광 응답을 특징으로 한다. 유사하게, 점선으로 도시된 광 응답 함수(Rj(x))는 이웃한 사선이 없는 광 감지 영역(640-j) 및 두 인접한 사선이 있는 영역(640-j-H, 640-k-H)의 광 응답을 특징으로 한다. 광 응답 함수는 광 감시 소자에 충돌하는 광학 파워를 이렇게 생성된 전기(예를 들면, 전압) 신호에 관련시키는데, 하기에 더 상세히 설명될 것이다. 예로서, 도 6b의 각 광 응답 함수는 대응하는 사선이 없는 영역을 가로질러 거의 일정하고 사선이 없는 영역에서 인접한 사선이 있는 영역으로 멀어질수록 거의 선형적으로 감소하며, 전체적으로 "사다리꼴"을 나타낸다. 이와 같이, 광다이오드 어레이(640A)는 연속하는 전체 광 응답 함수를 갖는데, 이는 다이오드 어레이(640A)에서 "데드 존"이 존재하지 않는다고도 말할 수 있다. 상술된 특성을 갖는 광다이오드 어레이는 상용화되어 있는데, 예를 들면 미국 뉴저지주의 프리스톤의 Sensors Unlimited, Inc.사로부터의 것이 있다.
예로서, 계속된 논의에서 고려되는 광다이오드는 적절한 검출 회로를 포함하는데, 그 출력 신호는 전압 신호의 형태를 갖는다. 본 발명의 일반적인 원리와 동작은 그 출력 신호가 전류 신호의 형태를 갖는 광학 파워 센서 또는 다른 광다이오드 어레이에도 적용될 수 있다. 본원에서 아래첨자 i, j 또는 k는 1 내지 N 사이의 임의의 정수값을 갖는다.
도 6b의 광다이오드 어레이는 전압 신호가 사선이 없는 여역을 통해 출력되도록 구성될 수 있다. 예로서, 사선이 없는 영역(640-i)로부터 출력되는 전압신호(Vi)는 하기의 식(1)로 주어진다:
여기서, 적분은 비사선 영역(640-i)와 그 인접한 사선 영역(640-i-H, 640-j-H)에 걸쳐 이루어지며, I(x,y)는 도 6b에서 정의된 x-y 평면에서 관심의 대상인 영역에 충돌하는 광세기이다. 광 응답 함수(Ri(x))는 활용되는 광다이오드의 특성에 기초하여 미리 정해진다. 따라서, 전압 신호(Vi)는 비사선 영역(640-i)와 그 인접한 사선 영역(640-i-H, 640-j-H)에 충돌하는 전체 광학 파워를 고려한다. 유사하게, 비사선 영역(640-j)으로부터 출력되는 전압 신호(Vj)는 비사선 영역(640-j)과 그 인접한 사선 영역(640-j-H, 640-k-H)에 충돌하는 전체 광학 파워에 관련된다. 또한, Ri(x) 및 Rj(x)와 같이, 두 개의 공간적으로 인접한 광 응답 함수 사이의 뒤얽힌 관계 때문에, 비사선 영역(640-i, 640-j) 사이에 끼인 사선 영역(640-i-H)와 같은 사선 영역에 충돌하는 광학빔의 파워 레벨은 측정된 전압 신호(Vi및 Vj)로부터 얻어질 수 있다. 이러한 사실은 광다이오드 어레이(640A) 전체에 걸쳐 유효하다. 그러므로, 비사선 영역(640-i) 및 인접한 사선 영역(640-i-H, 6440-j-H)과 같이, 인접한 사선 영역과 함께 각각의 비사선 영역은 본 발명에서 채널 감지 소자(또는 픽셀)를 구성한다.
또한, 광다이오드 어레이(640A)에서 두 개의 인접한 채널 감지 소자는 기준스펙트럼 성분(λc)에 대한 기준 위치 감지 소자(예를 들면, 도 6a의 실시예의 기준 위치 감지 소자(640-C))를 제공하는 "스플릿 검출기"로서 활용될 수 있다. 이것은, 예를 들면 위치 에러 신호((V1-V2)/(V1+V2))를 감시하는 것에 의해, 종래기술에서 공지된 적절한 정규 차동 검출 체계를 각각 사용하는 비사선 영역(640-1, 640-2)으로부터 출력 되는 전압 신호(V1, V2)를 측정함으로써 달성될 수 있다. 이러한 정규 차동 검출 체계는 진폭 노이즈의 동상 모드 제거(common mode rejection)를 통한 검출의 신호대 잡음(SNR)비를 향상시키는 이점을 갖는다. 예로서, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치는, 비사선 영역(640-1, 640-2)으로부터 각각 출력되는 전압 신호(V1, V2)의 하나가 기준 스펙트럼 성분(λc)의 위치와 함께 거의 선형적으로 변하도록, 두 인접한 비사선 영역(640-1, 640-2) 사이에 끼인 사선 영역(640-2-H) 상에 위치된다. 이러한 경우에서, 비사선 영역(640-1, 640-2)의 하나와 관련된 단일의 채널 감지 소자도 기준 위치 감지 소자로서 사용될 수 있다.
도 6a의 스펙트럼 파워 감시 장치(600)는 스펙트럼 채널이 일대일 대응으로 광다이오드 어레이(640A)의 비사선 영역에 충돌하도록 구성되고, 스펙트럼 채널에 의해 형성되는 스펙트럼 스폿은, 도 6b에 도시된 바와 같이, 각각의 비사선 영역 내에 제한된다. 예로서, 비사선 영역(640-i)은 스펙트럼 채널(λi)에 대해 지정되고, 반면 비사선 영역(640-j)은 스펙트럼 채널(λj)에 할당된다. 이와 같이, 비사선 영역으로부터 출력되는 전압 신호는 그들의 대응하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨에각각 비례하는데, 그 이유는 각각의 비사선 영역(예를 들면, 비사선 영역(640-i))에서 단지 하나의 광 응답 함수(Ri(x))만이 제어하에 있기 때문이다. 예를 들면, 전압 신호(Vi)는 비사선 영역(640-i)에 충돌하는 스펙트럼 채널(λi)의 파워 레벨에 직접적으로 비례하고, 관련 비례 인자는 캘리브레이션으로부터 얻어지는데, 하기에 더 상세히 설명될 것이다. 이러한 구성도 비사선 영역에서 균일한 광 응답 특성의 이점을 갖는데, 이는 대응하는 비사선 영역 내에서의 스펙트럼 채널의 충돌 위치에서의 어떠한 시프트도 실제 중요하지 않게 되도록 한다. 또한, 도 6a의 실시예의 처리 소자(660-2)는 상기 언급된 전압 신호(V1, V2)를 측정하기 위해 종래 기술에서 공지된 적절한 차동 검출 체계를 활용하는데, 그 결과 상술된 위치로부터 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실제 충돌 위치의 편차는 즉각 감시될 수 있다. 기준 스펙트럼 성분(λc)을 소정의 위치에 유지하고 그에 따라 스펙트럼 채널과 대응하는 채널 감지 소자 사이의 필수적인 얼라인먼트를 보장하기 위해서, 처리 소자(660-2)는 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치에서의 검출된 편차를 차례로 사용하여 구동 장치(660-1)에 인가되는 적절한 제어 신호를 생성한다.
이러한 상황에서, 스펙트럼 채널의 스펙트럼 스폿을 대응하는 채널 감지 소자의 비사선 영역 내에 (예를 들면, 도 6b에 도시된 방법으로) 제한하는 것은 어렵다. 회절된 광학빔에 의해 형성된 스펙트럼 어레이는 또한 균일하지 않은 피치를 포함하는데, 이는 임의의 두 인접한 스펙트럼 스폿 사이의 간격이 일정하지 않음을의미한다. 어떤 경우는 하나 이상의 채널 감지 소자 각각이 하나 이상의 스펙트럼 채널을 수신하는 상황으로 되며, 어떤 경우에 있어서는, 스펙트럼 스폿이 중첩하는 상황으로 된다. 도 2c는 도 6b에서 설명된 광다이오드 어레이가 이러한 어플리케이션에서 어떻게 활용되는지를 나타내는 예증적인 실시예를 도시하고 있다.
예로서, 도 2c에 도시된 광다이오드 어레이(640B)는 구성 및 동작에서 도 6b의 광다이오드 어레이(640A)와 거의 유사하기 때문에, 동일한 소자에는 동일한 도면 부호를 병기한다. 설명과 명확성을 위해, 세 개의 스펙트럼 채널(λi, λj, λk)만이 명시되었으며, 하나 이상의 채널 감지 소자 각각이 하나의 스펙트럼 채널 보다 더 많이 수신하도록 스펙트럼 채널이 구성된다. 예를 들면, 비사선 영역(640-i)과 관련된 채널 감지 소자는, 적어도, 스펙트럼 채널(λi, λj)를 수신하고, 유사하게, 비사선 영역(640-j)과 관련된 채널 감지 소자는, 적어도, 스펙트럼 채널(λj, λk)을 수신한다. 상기 식(1)에 기초하면, 비사선 영역(640-i)로부터 출력되는 전압 신호(Vi)는 일반적으로 하기의 식(2)로 표현될 수 있다.
여기서, In(x,y)는 관심의 대상이 되는 영역에서의 스펙트럼 채널(λn)(n=1 내지 N)과 관련된 광세기이다. 당업자는 상기 식(2)가 관심의 대상이 되는 임의의 스펙트럼 채널에 적용됨을 알 수 있을 것이다(즉, 상기에서 i=1 내지 N). 그러므로, 광다이오드 어레이(640b)에 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨(P1내지 PN)이 광학 파워 벡터(P)로 표현되고, 광다이오드 어레이(640B)로부터 생성되는 전압 신호(V1내지 VM)(M≥N)가 전압 벡터(V)로 표현되면, (P)와 (V)는 하기의 식(2)과 같이 관련된다:
(V)=[T](P)(2)
여기서 [T]는 (M×N) 트랜스퍼 매트릭스이다. 트랜스퍼 매트릭스([T])는 일반적으로 스펙트럼 채널과 채널 감지 소자 사이의 상대적인 배치와, 활용되는 광다이오드 어레이의 고유 특성(예를 들면, 광 응답 특성)에 의존한다. 하나 이상의 채널 감지 소자 각각이 다수의 스펙트럼 채널을 수신하지 않는 한, 트랜스퍼 매트릭스([T])는 통상적으로 밴드 대각 행렬(band-diagonal)이다. 당업자는 상기 식(3)이 N=M이고 트랜스퍼 매트릭스([T])가 진정한 대각선 매트릭스인 도 6b의 실시예에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
상기 식(2)에 기초하면, 이것은 하기의 식(3)과 같이 된다:
(P)=[C](V)(3)
여기서 [C]는 (N×M) 변환 매트릭스(conversion matrix)이고 상기 식(2)의 트랜스퍼 매트릭스로부터 유도될 수 있다. 트랜스퍼 매트릭스([T])를 결정하기 위해서, 캘리브레이션이 수행되는데(예를 들면, 공장에서), 여기서 검출될 스펙트럼 채널과 실제 동일한 파장을 특징으로 하며 공지의 파워 레벨을 갖는 캘리브레이션 광학 신호는 도 6a의 입력 포트(610)로 결합되어, 스펙트럼 채널이 취하게 되는 것과 동일한 광학 경로를 실제 가로지르게 된다. (캘리브레이션 광학 신호는, 예를 들면, 조율가능한 레이저에 의해 제공될 수 있다.) 이 때, 입사하는 캘리브레이션 광학 신호에 응답하는 광다이오드 어레이(640B)의 출력 전압 신호가 측정된다. 측정된 전압 신호와 캘리브레이션 광학 신호의 공지의 파워 레벨을 상기 식(2)에 대입함으로써, 트랜스퍼 매트릭스([T])가 산출된다. 식(3)의 변환 매트릭스([C])는 종래기술에서 공지된 적절한 매트릭스 계산 알고리즘에 의해 트랜스퍼 매트릭스([T])로부터 더 유도될 수 있다. 이렇게 얻어진 변환 매트릭스([C])는 도 6a의 처리 소자(660-2)의 일부인 예를 들면 신호 처리기의 시스템 메모리에 저장된다. 계속해서 동작동안, 캘리브레이션 광학 신호가 했던 것과 같이 스펙트럼 채널이 광다이오드 어레이(640B) 상의 동일한 위치에 실제 충돌하고 있기만 하면, 변환 매트릭스([C])는 실제 변경되지 않는다. 필수 알고리즘은, 예를 들면, 상기 언급된 도 6a의 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛(660)에 의해 유지된다. 이 때문에, 신호 처리기는 생성되는 전압 신호로부터 광다이오드 어레이(640B)에 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨을 식(3)에 따른 방식으로 즉각 계산할 수 있게 된다. 실제 어플리케이션에서 이렇게 요구되면, (예를 들면, 광다이오드의 "어두운 전류" 및/또는 주변 환경으로부터의 "산란하는 광"으로 인한) 어떠한 백그라운드 기여는 독립적으로 결정될 수 있고, 계속해서 상술된 동작 처리와 캘리브레이션에서 고려될 수 있다.
도 2c의 실시예에서, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치도, 예를 들면,도 6b에 관해 상술한 방법으로 위치 에러 신호((V1-V2)/(V1+V2))를 검출하는 것에 의해, 적절한 정규 차동 검출 체계를 사용하여 비사선 영역(640-1, 640-2)으로부터 각각 출력되는 전압 신호(V1, V2)를 측정함으로서 감시될 수 있다. 이와 같이, 도 2c의 실시예는 도 6a에서 다르게 구현되어 광학 감지 어레이(640)를 구체화한다.
다시 도 6a로 되돌아가면, 구동 장치(660-1)는 스테핑 모터, 솔레노이드 액츄에이터, 압전기 액츄에이터, 보이스 코일 액츄에이터, 또는 종래 기술에서 공지된 다른 형태의 구동 수단이다. 처리 수단(660-2)은 전기 회로, 컨트롤러 및 기준 위치 감지 소자(640-C)로부터 수신되는 출력 신호를 처리하고 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 검출된 신호로부터 유도하기 위한 신호 처리 알고리즘을 포함한다. 기준 스펙트럼 성분(λc)가 소정의 위치(x0)에 유지되도록 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)과 함께 기준 스펙트럼 성분(λc)의 얼라인먼트를 조정하기 위해서, 처리 소자(660-2)는 구동 장치(660-1)에 제공될 적절한 제어 신호를 생성한다. 서보 제어 시스템의 처리 소자용 관련 신호 처리 알고리즘/소프트웨어 및 전기 회로는 전기 공학 및 서보 제어 시스템의 종래기술에서 공지되어 있다.
상술된 바와 같이 광 감지 어레이(640)를 이동하는 대신(이동하는 것과 관련하여), 대안으로(부가적으로) 도 6a의 집속 렌즈(630)가 이동되고(예를 들면, 직동 또는 회전되고), 이에 의해 회절된 광학빔의 충돌 위치를 제어하고 유사한 얼라인먼트 기능을 수행함을 당업자는 알 수 있을 것이다. 집속 렌즈(630)의 직동/회전은상기 상술된 바와 같이 적절한 구동 소자에 결합함으로서 달성될 수 있다. 몇 몇 경우에 있어서는, 얼라인먼트 조정은, 이러한 조정이 회절된 광학빔에 의해 형성되는 스펙트럼 어레이의 피치를 실질적으로 변경시키지 않는 한, 예를 들면, 입력 포트(610)와 회절 격자(620) 사이의 동적으로 조정가능한 미러를 위치시키거나 결자를 회전시키는 것에 의해, 회절 격자(620)에 대한 입력 다중 파장 광학 신호(기준 신호와 함께)의 입사각에서의 적절한 변경에 의해 발생될 수 있다. 본원의 교시로부터 알 수 있는 바와 같이, 소정의 어플리케이션에 최적화시키기 위해, 본 발명에 따른 서보 기반의 얼라인먼트 보상 유닛에 대해 적절한 얼라인먼트 조정 소자와 대응하는 처리 소자를 어떻게 고안할지를 당업자는 알 수 있을 것이다.
도 7a는 본 발명에 따른 스펙트럼 파워 감시 장치의 제 2 실시예를 도시한다. 예로서, 스펙트럼 파워 감시 장치(700)는 도 6a의 실시예에서 활용된 많은 소자와 아키텍쳐를 사용하는데, 동일한 소자에는 동일한 도면 부호를 병기한다. 본 시스템에서는 "이동하는" 얼라인먼트 조정 수단이 사용되지 않는다. 대신, 소프트웨어 기반의 얼라인먼트 보상 유닛(760)이 구현되는데, 이것은 광학 감지 어레이(640)와 통신하는 신호 처리이다.
도 7b는 도 7a의 광학 감지 어레이(640)가 어떻게 구성되는지를 더 자세히 도시한다. 예로서, 도 7b의 광다이오드 어레이(640C)는 구성 및 동작에 있어서 도 6b에 도시된 광다이오드 어레이(640A)와 실질적으로 유사하기 때문에, 소자에 동일한 도면 부호가 병기되어 있다. 이 경우, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치는인접한 세그먼트(이하, "기준 세그먼트"로 칭함)를 차지하는 둘 이상의 인접한 채널 감지 소자를 활용함으로써 감시된다. 예를 들면, 도 7b에 도시된 비사선 영역(640-1, 640-2)과 관련된 것과 같이, 두 인접한 채널 감지 소자 내에 기준 스펙트럼 성분(λc)이 위치되면, 비사선 영역(640-1, 640-2)으로부터 각각 출력되는 전압 신호(V1, V2)는, 예를 들면, 도 6b에 관해 설명된 방법으로 위치 에러 신호((V1-V2)/(V1+V2))를 검출하는 것에 의해, 적절한 정규 차동 검출 체계를 사용하여 측정될 수 있다. 기준 스펙트럼 성분(λc)이 얼라인먼트에서 시프트되거나 또는 (예를 들면, 하기에 설명될 캘리브레이션 또는 동작동안) 두 채널 감지 소자를 넘어서 연장하는 "분리(walk-off)"를 겪게 되면, 기준 세그먼트는 다수의 채널 감지 소자를 포함하고, 그들 출력 전압 신호가 검출된다. 그에 따라 일련의 위치 에러 신호가 발생되고, 그 각각은 상기 상술된 것과 같은 방식으로 이 세그먼트에서 두 인접한 채널 감지 소자로부터 출력되는 전압 신호와 관련되며, 이로부터 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치가 추론된다. 당업자는, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치를 효과적으로 감시하기 위해, 적절한 신호 검출 및 처리 체계를 어떻게 고안해야 할지를 알 수 있을 것이다.
도 7b에 있어서, 스펙트럼 채널(λ1내지 λN)은 기준 스펙트럼 성분(λc)으로부터 지정된 기준 세그먼트와 잘 분리된 광다이오드 어레이(640C)의 섹션(이하, "채널부"로 칭함) 내에 위치된 다수의 채널 감지 소자에 충돌하고, 그 결과, 기준세그먼트로부터 출력되는 어떠한 전압 신호도 스펙트럼 채널로부터의 기여를 포함하지 않으며, 또는 그 역도 마찬가지이다. 스펙트럼 채널과 채널 감지 소자 사이의 대응은 도 6b 또는 도 6c의 실시예에서 도시된다. 어떤 한 경우에서, 광다이오드 어레이(640C)에 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨은, 상기 식(3)에서 지시된 방식으로, 소정의 변환 매트릭스([C])에 의해 광다이오드 어레이(640C)의 채널부로부터 이렇게 생성되는 전압 신호에 관련될 수 있다.
도 7a의 실시예의 스펙트럼 파워 감시 장치(700)는 다음과 같이 동작한다. 초기(또는 공장) 캘리브레이션동안, 검출될 스펙트럼 채널과 동일한 파장 및 공지의 파워 레벨을 갖는 광학 신호가, 관심의 대상인 스펙트럼 채널을 "흉내내는" 식으로, 입력 포트(610)에 결합된다. (캘리브레이션 광학 신호는 예를 들면 조율가능한 레이저에 의해 제공된다.) 기준 신호(λc)와 함께 캘리브레이션 광학 신호는 입력 포트(610)로부터 나와서, 공간적으로 분리되고 계속해서 회절 격자(620)와 집속 렌즈(630)를 통해 광다이오드 어레이(640)(예를 들면, 도 7b의 광다이오드 어레이(640C))에 충돌한다. 그 후 기준 스펙트럼 성분(λc)의 충돌 위치는 충분한 공간 해상도를 가지고 (예를 들면, 도 7b에 도시된 x방향을 따라) 증가적으로 변경되는데, 이것은 적절한 구동 수단을 사용하여 광학 감지 어레이(640)를 직동함으로써 달성될 수 있다. 그 다음, 기준 스펙트럼 성분(λc)의 위치(x)는 상기 상술된 바와 같이 지정된 기준 섹션으로부터 출력되는 전압 신호(예를 들면, 전압 신호(V1,V2))에 의해 결정된다. 기준 스펙트럼 성분(λc)의 각 위치(x)에서, 캘리브레이션 광학 신호에 의해 생성되는 전압 신호도, 캘리브레이션 광학 신호의 공지의 파워 레벨과 함께, 측정되는데, 이것은 상기 식(2)에 대체되고, 이에 의해 대응하는 트랜스퍼 매트릭스([T(x)])가 산출된다. 식(3)의 변환 매트릭스([C(x)])는 종래기술에서 공지된 적절한 매트릭스 산출 알고리즘을 사용함으로써 트랜스퍼 매트릭스([T(x)])로부터 차례로 유도된다. 이 캘리브레이션 프로세스는, x의 함수로서 [C(x)]를 포함하는 매트릭스 캘리브레이션 테이블을 확립하는데, 이것은 얼라인먼트 보상 유닛(760)에 저장된다. 후속하는 동작동안, 얼라인먼트 보상 유닛(760)은 기준 스펙트럼 성분(λc)의 실시간 충돌 위치(x)를 감시하고, 대응하는 위치(x)에서 광다이오드 어레이(640C)의 채널부에 충돌하는 스펙트럼 채널에 의해 생성되는 전압 신호를 측정한다. 상기 식(3)의 사용에 의해 측정된 전압 신호로부터 충돌하는 스펙트럼 채널의 파워 레벨을 얻기 위해, 얼라인먼트 보상 유닛(760)은 소정의 매트릭스 캘리브레이션 테이블로부터 대응하는 변환 매트릭스([C(x)])를 조사한다. 이와 같이, 스펙트럼 파워 장치(700), 어떠한 “이동” 구동 수단도 포함하지 않으면서, 소프트웨어 제어에 의해 동작동안 발생할 수 있는 얼라인먼트에서의 임의의 시프트에 대해 효과적으로 보상한다. 이러한 소프트웨어 기반의 얼라인먼트 보상 유닛의 활용은 초기 조립동안 또한 제조 오차와 정확도를 완화하여, 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치의 구성을 단순화하고 성능을 강화한다.
도 6b에 설명된 광다이오드 어레이(640A)의 예증적인 광 응답 특성은 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위해 예로서 제공된 것이다. 실질적으로 동일한 방식으로(예를 들면, 상기 식(1) 내지 식(3)에 의해 설명된 바와 같이) 실질적으로 동일한 기능을 제공하기 위해 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치에서 상이한 광 응답 특성을 갖는 다른 광학 파워 센서(또는 광다이오드) 어레이가 대안으로 구현될 수 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 본 발명의 광학 파워 센서 어레이는 연속하는 전체 광 응답 함수를 반드시 가질 필요가 없다(예를 들면, 광 감시 영역 사이에 하나 이상의 “데드 존”이 있을 수 있다). 본 발명의 교시로부터, 당업자는 소정의 어플리케이션에 최적화시키기 위해 적절한 스펙트럼 파워 감시 장치를 설계할 수 있을 것이다.
도 6a 또는 도 7a의 실시예에서, λ1내지 λN의 파장을 포함하는 다중 파장 광학 신호는 입력 포트(610)로서 기능하는 섬유 콜리메이터에 결합된 입력 광섬유(601)에 의해 제공될 것이다. 기준 신호(λc)는 기준 광원(602)에 의해 제공되는데, 이 광원으로서는 분포 궤환(DFB; distributed feedback) 레이저, (모드 호핑을 억제하고 출력 신호를 안정화시키는 적절한 변조/제어 시스템과 연계한) 파브리 페로(Fabry-Perot; FP) 레이저, 또는 잘 정의되고 안정한 파장을 갖는 적절한 기준 신호를 제공할 수 있는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 광원이 사용될 수 있다. 광결합기(optical combiner; 603)(예를 들면, 융해 섬유 광학 결합기)가 기준 광원(602)을 입력 광섬유(601)에 결합시키기 위해 사용될 수 있는데, 다중 파장 광학 신호와 기준 신호 둘 다를 입력 포트(610)에 결합하는데 효과적이다. 따라서,스펙트럼 파워 감시 장치는 독립적인 내부 기준 광원을 갖는다. 다르게는, WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에서와 같이, 입력 다중 파장 광학 신호 자체가 기준 신호로서 사용될 수 있는 스펙트럼 성분(예를 들면, 광학 네트워킹 어플리케이션에서의 서비스 채널)을 포함할 수도 있다. 이러한 경우에서, 섬유 광학 결합기(603)과 함께 내부 기준 광원(602)은 구현될 필요가 없다. 입력 광섬유(601)는 단일 모드의 섬유, 다중 모드 섬유, 또는 편광 유지 섬유(polarization maintaining fiber)일 수 있다.
또한, 회절 격자(620)는 줄 회절 격자, 홀로그래픽 회절 격자, 또는 에셀레 격자일 수 있는데, 이들 모두는 파장에 의해 다중 파장 신호를 분리하기 위해 종래 기술에서 일반적으로 사용된다. 일반적으로, 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치의 파장 분산기는, 트랜스미션 회절 격자 또는 분산 프리즘과 같이, 종래기술에서 공지된 다른 형태의 파장 분리 수단에 의해 구현될 수도 있다. 빔 집속기(630)는 집속 렌즈, 또는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 적절한 빔 집속 수단의 구성품이다. 집속 기능은 파장 분리 및 빔 집속의 두 기능을 수행하는 굽은 회절 격자를 사용하는 것에 의해 제공될 수도 있다. 기준 스펙트럼 성분과 함께 스펙트럼 채널이 잘 분리되는 어플리케이션에서, 도 6a 또는 도 7a의 집속 렌즈와 같은 빔 집속기는 활용되지 않는다.
회절 격자의 회절 효율은 편광 의존적이다. 예를 들면, 표준 장착 구성에서의 격자의 회절효율은 p-편광에 직교하는 s(또는 TE)-편광보다 격자 상의 그루브 라인에 대해 수직인 p(또는 TM)-편광에 대해 더 높거나, 또는 그 반대이다. 이러한파장에 민감한 효과를 완화하기 위해, 본 발명의 스펙트럼 파워 감시 장치에, 회절 격자에 충돌하기 이전에 소정의 비율에 따라 입력 다중 파장 광학 신호에서 다른 편광(예를 들면, s-편광) 성분에 대한 한 편광(예를 들면, p-편광) 성분을 약화시키는 기능을 하는 적절한 편광에 민감한 소자를 구현하여, 격자의 편광 의존성을 보상한다. 이것은, 예를 들면, 도 6a 또는 도 7a의 실시예에서 회절 격자(620)와 입력 포트(610) 사이에 광학 경로를 따라 적절한 약한 편광기(예를 들면, 누설 빔 스플리터)를 위치시킴으로써 달성된다. 다르게는, 적절한 편광 다이버시티 체계가 하기의 Ⅲ절에서 논의되는 바와 같이 구현될 수 있다.
본 발명의 교시로부터, 당업자는 소정의 어플리케이션에 최적화시키기 위해, 적절한 편광 다이버시티 체계와 함께, 적절한 얼라인먼트 보상 유닛을 활용하는 스펙트럼 감시 장치를 어떻게 설계할지를 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 실시예에서의 광 감시 어레이로서 InGaAs 기반의 광다이오드 어레이(이것은 1 내지 1.7㎛의 파장 범위에서 특히 민감하다)를 사용함으로써, 본 발명은 WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에 특히 적합하게 되는 액티브 얼라인먼트 보상을 갖는 새로운 라인의 스펙트럼 파워 모니터를 제공한다.
Ⅲ. 편광 다이버시티 체계
도 8은 본 발명의 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 예증적인 실시예를 도시한다. 본 발명의 원리와 일반적인 아키텍쳐를 설명하기 위한 예로서, 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(800)는 섬유 콜리메이터 형태의 다중 파장 광학 신호용 입력 포트(810)와, 편광 빔 스플리터를 한 형태로 하는 편광 분리 소자(870)와, 1/2 파장판인 편광 회전 소자(880)와, 회절 격자를 한 형태로 갖는 파장 분산기(820)와, 집속 렌즈인 빔 집속기(830), 및 광학 파워 센서(840)의 어레이(이하, “광학 센서 어레이로 칭함)를 포함한다.
도 8의 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(800)의 주동작은 다음과 같다. 입력 포트(810)는 다중 파장 광학 신호(예를 들면, λ1내지 λN의 파장을 포함한다)를 전송한다. 편광 분리 소자(870)는 다중 파장 광학 신호를 p(또는 TM) 회절 격자(820)에 관하여 편광 성분(격자의 그루브 라인에 수직)과 s(또는 TE) 편광 성분(p-편광 성분에 직교)으로 분해한다. (p-편광과 s-편광 성분은 “제 1 및 제 2 편광 성분”으로도 칭해진다.) 예로서, p-편광 성분이 “회절 격자(820)의 ”선호 방향“이라고 가정하면(즉, 회절 효율이 s-편광보다 p-편광에 대해 더 높다), 편광 회전 소자(88)는 s-편광 성분(또는 제 2 편광 성분)을 90도만큼 회전시키고, 이에 의해 회절 격자(820)에 입사하는 광학 신호는 모두 p-편광을 갖게 된다. 회절 격자(820)는 입사하는 광학 신호를 각각의 파장에 의해 제 1 및 제 2 세트의 광학빔으로 각 분리한다(여기서 각 세트는, 예를 들면, λ1내지 λN을 갖는 광학빔을 포함한다). 집속 렌즈(830)는 회절된 광학빔을 대응하는 집속 스폿으로 집속하여, 동일한 파장(예를 들면, λi)과 관련된 제 1 및 제 2 광학빔은 광학 감지 어레이(840) 상에서 실질적으로 동일한 위치에서(또는 동일한 광학 파워 센서 내에) 충돌한다. (본원과 첨부된 청구의 범위에 있어서, 편광 회전 소자(예를 들면, 편광 회전 소자(880))에 의해 생성되는 편광에서의 회전은, 실제 시스템에서 존재할 수 있는 결함으로 인해, 규정된 각(예를 들면, 90도)에 대해 약간 변동되는 것으로 이해된다. 그러나, 이러한 변동은 본 발명의 전체 성능에 큰 영향을 끼치지 않을 것이다.)
제 1 및 제 2 광학빔(동일한 방향에서 편광되며 동일한 파장을 가짐)의 중첩에 의해, 바람직하지 않은 세기 프린지(intensity fringe)를 유발할 수 있는 코히어런트 간섭이 발생할 것이다. 이러한 상황을 피하기 위해, 보조 편광 회전 소자(890)가 도 8의 실시예에서 구현되는데, 이에 의해 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은 광학 감지 어레이(840)에 충돌하기 이전에 두 직교 방향으로 편광된다. 보조 편광 회전 소자는 회절 격자(820)와 광학 감지 어레이(840) 사이에서 구현되며, 광학 감지 어레이(840)에 충돌하기 이전에 제 1 또는 제 2 세트의 광학빔 중 어느 하나의 편광을 90도만큼 회전시키는 기능을 한다. 도 8의 예로서, 보조 편광 회전 소자(890)는 회절 격자(820)와 집속 렌즈(830) 사이에 배치되고, 제 1 세트의 광학빔은 광학 감지 어레이(840)에 충돌하기 이전에 편광에서 90도 회전된다. 다르게는, 보조 편광 회전 소자(890)는, 제 2 세트의 광학빔이 광학 감지 어레이(840)에 충돌하기 이전에 편광에서 90도 회전되도록, 회절 격자(820)와 집속 렌즈(830) 사이에 배치될 수도 있다. 어떠한 방법에 있어서도, 동일한 파장(예를 들면, λi)과 관련된 제 1 및 제 2 광학빔은 광학 감지 어레이(840)에 충돌시 두 직교 방향으로 편광되어, 어떠한 코히어런트 세기 간섭도 제거하게 된다.
이와 같이, 상기 언급된 편광 다이버시티 체계를 유익하게 활용함으로써, 회절 격자(820)의 편광 민감도는 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(800)에서 중요하지 않게 된다. 이에 의해, 본 발명의 장치는, 광학 스펙트럼 파워 검출에서의 정확도를 향상시키면서, (종래기술에서 일반적으로 입수 가능한 고분산 회절 격자(high-dispersion diffraction grating)를 사용하는 것에 의해)간단하고 비용 효율적인 구성으로 스펙트럼 해상도를 향상시키게 된다.
도 9는, 본 발명에 따라, 편광 다이버시티 체계를 활용하는 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 다른 실시예를 도시한다. 예로서, 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(900)는 도 8의 실시예에서 활용된 다수의 소자와 함께 일반적인 아키텍쳐를 사용하는데, 동일한 소자에는 동일한 도면 부호를 병기하였다. 이 경우에 있어서, 변조 어셈블리(985)가 구현되는데, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔이 시분할 다중화(예를 들면, 교대적인) 방식으로 광학 감지 어레이(840)에 충돌하도록 구성된다. 예로서, 변조 어셈블리(985)는 제어 유닛(983)과 함께 제 1 및 제 2 셔터 소자(981, 982)의 형태로 도시되며, 편광 회전 소자(880)와 함께하는 편광 분리 소자(870)와 회절 격자(820) 사이의 광학 경로를 따라 배치되며, 제 1 및 제 2 편광 성분을 각각 제어한다. 제 1 및 제 2 셔터 소자(981, 982)의 하나는, (예를 들면, 제어 유닛(983)에 의해 제공되는) 적절한 제어 신호하에서 광학 신호가 통과하도록 하고, 어떠한 제어 신호도 없을 때는 입사하는 광학 신호에 대해 닫힌 채로 유지되도록 구성된다. 여기서, 제어 유닛(983)에 의한 적절한 제어 체계에 따라 교대 방식으로 제 1 및 제 2 셔터 소자(981, 982)를 동작시킴으로써, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은, 실선 및 점선으로 도시된 바와 같이, 시분할 다중화 순서로 광학 감지어레이(840)에 충돌한다. 이에 의해, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은 개별적으로 검출되고, 이에 의해 입력 다중 파장 광학 신호에서 각 편광 성분과 관련된 광학 파워 스펙트럼은 독립적으로 유도될 수 있다. (제어 유닛(983)과 함께) 제 1 및 제 2 셔터 소자(981, 982)는 회절 격자(820)와 광학 감지 어레이(840) 사이에 교대적으로 구현되어, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 각각 제어하는 것에 의해 실질적으로 동일한 기능을 제공하게 된다.
상기 언급된 실시예에서, 변조 어셈블리(985)는, 다르게는, 적어도 하나의 어퍼쳐를 갖는 불투명 회전 디스크와 같은 광학빔 초퍼(optical beam-chopper), 또는 두 입사 광학 신호를 교대 방식으로 통과시키는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 적절한 수단에 의해 제공될 수 있다. 광학빔 초퍼는 편광 회전 소자(880)와 함께하는 편광 분리 소자(870)와 회절 격자(820) 사이, 또는 회절 격자(820)와 광학 감지 어레이(840) 사이의 광학 경로를 따라 구현되어, 실질적으로 동일한 방식으로 실질적으로 유사한 기능을 제공한다.
도 9의 실시예에서, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은 각각 광학 감지 어레이(840)와 소정의 얼라인먼트를 갖는다. 다르게는, 동일한 파장(예를 들면, λi)과 관련된 제 1 및 제 2 광학빔은 광학 감지 어레이(840) 상의 실질적으로 동일한 위치(하지만, 상이한 시간)에서 충돌한다. 광학 감지 어레이(840)는 어레이(240 또는 640)와 실질적으로 동일하며, 광다이오드 어레이(예를 들면, 뉴저지주 프린스톤의 Sensors Unlimited, Inc의 광다이오드), 또는 종래기술에서 공지된 다른 적절한 광학 파워 감지 수단을 포함한다. 당업자는, 소정의 어플리케이션에 최적화시키기 위해, 적절한 광학 감지 어레이를 어떻게 구현하고 적절한 검출 체계를 어떻게 고안할지를 알 것이다.
도 8의 실시예와 유사하게, 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(900)는 회절 격자에 관해서 편광에 민감하며, 따라서 향상된 스펙트럼 해상도를 가지고 다중 파장 광학 신호를 정확하게 검출할 수 있다. 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(900)의 부가적인 이점은 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 시분할 다중화 방식으로 광학 감지 어레이에 충돌시킴으로써, 입력 다중 파장 광학 신호에서 각각의 편광 성분과 관련된 광학 파워 스펙트럼은 독립적으로 결정될 수 있는데, 이것은 광학 네트워킹 어플리케이션에서 유용하다. 예를 들면, 편광 다중화(단일 파장 채널의 두 직교 편광 성분으로 데이터 스트림의 인코딩)는 광섬유의 정보 용량을 증가시키는 다른 방법으로서 발현된다. 그러므로, 단일 파장 채널의 두 직교 편광 성분을 개별적으로 검출할 수 있는 것이 바람직하다.
제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 주파수 분할 다중화 방식으로 변조하여, 이들이 광학 감지 어레이(840) 상에서 개별적으로 식별될 수 있도록 상기 언급된 변조 어셈블리(985)의 기능이 일반화될 수도 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다. 도 10은 이러한 상황에 적합한 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 다른 실시예를 도시한다. 예로서, 광학 스펙트럼 파워 감시 장치(1000)는 도 8의 실시예에서 활용된 많은 소자와 일반적인 아키텍쳐를 사용하는데, 동일한 소자에는 동일한 도면 부호를 병기한다. 이 경우에 있어서, 변조 어셈블리(1085)는 편광 회전 소자(880)와 함께하는 편광 분리 소자(870)와 회절 격자(820) 사이의 광학 경로를 따라 배치되고, 제 1 및 제 2 편광 성분을 각각 변조하는 기능을 한다. 변조 어셈블리(1085)는, 제어 회로(1083)와 함께, 종래기술에서 공지된 전기 광학 세기 변조기(electro-optic intensity modulators)(예를 들면, 액정 기반의 세기 변조기)일 수 있는 제 1 및 제 2 변조 소자(1081, 1082)의 형태이다. 제 1 및 제 2 변조 소자(1081, 1082)는 (에를 들면, 제어 유닛(1083)에 의해 제공되는) 두 별개의 교대하는(또는 “디서(dither)”) 제어 신호의 제어하에서 동작하는데, 두 별개의 주파수(예를 들면, 제 1 및 제 2 “디서 주파수”)에서 시간에 대한 사인 함수를 그 한 형태로 한다. 변조 소자(1081, 1082)의 하나는 자신을 제어하는 제어 신호에 대해 실질적으로 선형 응답을 포함하는 자신의 대응 광학빔의 광학 파워 레벨에서 “디서 변조 신호”를 받아들이도록 구성된다. 이와 같이, 제 1 및 제 2 빔 변조 소자(1081, 1082)로부터 나올 때, 제 1 및 제 2 편광 성분은 각각 제 1 및 제 2 디서 변조 신호(예를 들면, 제 1 및 제 2 디서 주파수를 특징으로 함)를 전송한다. 결과적으로, 회절 격자(820)로부터 회절된 제 1 및 제 2 세트의 광학빔도 각각의 디서 변조 신호를 전송하고, 광 변조 어레이(840)에 충돌한다. 광 감지 어레이(840)에 의해 이렇게 생성된 전기 신호도 마찬가지로 동일한 특성의 디서 변조 신호를 포함하는데, 이것은 광 감지 어레이(840)와 통신하는 동기 검출 유닛(1090)에 의해 검출된다. 동기 검출 유닛(1090)이, 실제 어플리케이션에서 필요에 따라, 제어 유닛(1083)과 통신할 수도 있음을 당업자는 알 고 있을 것이다.
본 발명에서, “스펙트럼 채널”은 개별적인 중심 파장과 관련 대역폭을 특징으로 하며, WDM 광학 네트워킹 어플리케이션에서와 같이 고유의 정보 신호를 전송한다. “디서 변조 신호”는, 입력 다중 파장 광학 신호가 전송하는 다른 “고유의” 변조 신호(예를 들면, 정보 신호)와는 달리, 변조 어셈블리에 의해 생성되는 광학 신호의 광학 파워 레벨에서의 임의의 변조를 나타낸다. 따라서, 디서 변조 신호는 스펙트럼 채널이 전송하는 다른 “고유의” 변조 신호의 주파수와는 충분히 분리된 스펙트럼 범위에 할당된다.
도 9의 경우에서와 같이, 도 10의 실시예의 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은 각각 광학 감지 어레이(840)와 소정의 얼라인먼트를 갖는다. 다르게는, 동일한 파장(예를 들면, λi)과 관련된 제 1 및 제 2 광학빔은 광학 감지 어레이(840) 상의 실질적으로 동일한 위치에서(또는 동일한 광학 파워 센서 내에) 충돌한다. 어떠한 경우에서도, 이들 두 세트의 광학빔에 의해 전송되는 별개의 디서 변조 신호는, 예를 들면, 동기 검출 유닛(1090)의 사용에 의해, 이들이 개별적으로 검출되도록 한다. 동기 검출 유닛(1090)에 의해 제공되는 측정을 입력 다중 파장 광학 신호의 대응하는 광학 파워 레벨에 관련시키기 위해, 캘리브레이션 처리가 취해지는데, 이에 의해 입력 다중 파장 광학 신호에서 각각의 편광 성분과 관련된 광학 파워 스펙트럼이 유도될 수 있다. 본 발명의 교시로부터, 당업자는 소정의 어플리케이션에 최적화시키기 위해 어떻게 적절한 광학 감지 어레이를 구현하고 적절한 검출 체계를 고안할지를 알 수 있을 것이다.
변조 어셈블리(1085)는 또한 두 그룹의 어퍼처를 구비하는 불투명 회전 디스크와 같은 광학빔 초퍼(관련 제어 유닛과 함께)에 의해서도 제공된다. 각 그룹의 어퍼처는 그 구성 어퍼처의 공간 배치에 의해 결정되는 주파수에서 그 대응 광학빔(예를 들면, 제 1 또는 제 2 편광 성분)을 효과적으로 “촙(chop)”한다. 소정의 체계에 따라 두 그룹의 어퍼처를 정려함으로써, 광학 감지 어레이(840)에 도달하는 제 1 및 제 2 세트의 광학빔은 별개의 변조에 의해 특징 지워지고, 이에 의해 이들이 개별적으로 검출되도록 한다. 변조 어셈블리(1085)(에를 들면, 제 1 및 제 2 변조 소자(1081, 1082))는 회절 격자(820)와 광학 감지 어레이(840) 사이에 교대적으로 구현되어, 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 각각 변조한다. 본 발명의 교시로부터 알 수 있는 바와 같이, 당업자는 소정의 어플리케이션에 최적화되도록 본 발명에 따른 광학 스펙트럼 파워 감시 장치에서 어떻게 적절한 변조 어셈블리를 구현할지를 알 것이다.
상기 실시예에서, 편광 분리 소자(870)는 편광 빔 스플리터, 복굴절 빔 디스플레이서(birefringent beam displacer), 또는 종래기술에서 공지된 다른 형태의 편광 분리 수단이다. 편광 회전 소자(880), 또는 보조 편광 회전 소자(890)는 1/2 파장판, 패러데이 회전자, 액정 회전자, 또는 소정 각도(예를 들면, 90도)만큼 광학빔의 편광을 회전시킬 수 있는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 편광 회전 수단이다. 제 1 및 제 2 셔터 소자(981, 982)의 하나는 액정 기판의 셔터 소자일 것인데, 상기 액정 기반의 셔터 소자는, 예를 들면, 편광기와 관련하여, 제어 신호가 없는 경우에는 입사하는 광학빔의 편광을 90만큼 회전시키고 적절한 제어 신호 하에서 편광을 변경하기 않고 그대로 두는 액정 편광판을 포함하며, 상기 편광기의편광축은 액정 편광판에 의해 생성되는 회전된 편광에 수직이다. 제 1 또는 제 2 셔터 소자(981, 982)의 하나는 또한 기계적 셔터처럼 동작하는 MEMS(micro-electro-mechanical-systems) 기반의 소자, 또는 적절한 구동 수단에 의해 입사하는 광학빔에 대해 열린 또는 닫힌 채로 유지되는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 셔터형 소자일 수도 있다. 제어 유닛(983)은 소정의 체계에 따라 제 1 또는 제 2 셔터 소자(981, 982)를 제어하기 위한, 종래기술에서 공지된 신호 제어 알고리즘과 전기 회로를 포함한다.
또한, 제 1 및 제 2 변조 소자(1081, 1082)의 하나는 액정 세기 변조기와 같은 전기 광학 세기 변조기, 또는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 적절한 변조 수단이다. 당업자는, 제 1 및 제 2 변조 소자(1081, 1082)에 의해 소정의 디서 변조 신호가 생성되도록 하기 위해서는, 적절한 제어 유닛(1083)을 어떻게 고안해야 할지를 알고 있을 것이다. 동기 검출 유닛(1090)은 일반적으로 제 1 및 제 2 세트의 광학빔에서 생성된 디서 변조 신호의 동기 검출을 각각 수행하기 위한 신호 처리 알고리즘과 전기 회로를 포함한다.
본 발명에 있어서, 파장 분산기(예를 들면, 회절 격자)(820)는 줄 회절 격자, 홀로그래픽 회절 격자, 또는 에셀레 격자인데, 이들 모두는 파장에 의해 다중 파장 신호를 분리하기 위해 종래기술에서 일반적으로 활용된다. 일반적으로, 본 발명의 광학 스펙트럼 파워 감시 장치의 파장 분산기(820)는 트랜스미션 회절 격자 또는 분산 프리즘과 같은 종래기술에서 공지된 다른 형태의 파장 분리 수단에 의해 구체화될 수도 있다. 빔 집속기(830)는, 다르게는, 집속 렌즈의 어셈블리, 또는 종래기술에서 공지된 임의의 다른 적절한 빔 집속 수단일 수도 있다. 집속 기능은 파장 분리와 빔 집속의 두 기능을 수행하는 굽은 회절 격자에 의해 달성될 수도 있다. 입력 포트(810)로서 기능하는 섬유 콜리메이터는 시준 렌즈(collimating lens)(예를 들면, GRIN 렌즈)와 기계적으로 단단한 스테인레스스틸(또는 유리) 튜브에 함께 패키지되는 페룰 장착 섬유(ferrule-mounted fiber)의 형태를 갖는다.
Ⅰ절 및 Ⅱ절에서 설명된 스펙트럼 모니터와 함께 편광 다이버시티 보상 체계는 액티브 얼라인먼트 보상을 활용한다. 제한 없이 예를 들면, 편광 다이버시티 체계는 편광 분리 소자(870), 편광 회전 소자(880 및/또는 890), 및 변조 어셈블리(985, 1085)를 스펙트럼 모니터 내의 대응 위치에서 집적함으로써 스펙트럼 모니터 내(예를 들면, 입력 포트와 파장 분산기 및/또는 빔 집속기 사이)에서 활용될 수 있다.
본 발명과 그 이점이 상세히 설명되었지만, 본 발명의 원리와 범위를 벗어나지 않으면서 여러 변경예, 대체예, 및 수정예가 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 하기의 청구의 범위와 그 등가의 범위에 의해 결정되어야만 한다.

Claims (62)

  1. 광학 장치에 있어서,
    다중 파장 광학 신호와 적어도 하나의 기준 신호를 제공하는 입력 포트와,
    상기 다중 파장 광학 신호와 상기 적어도 하나의 기준 신호를 파장에 의해 소정의 상대 배치를 갖는 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분과 다수의 스펙트럼 채널들로 분리하는 파장 분산기와,
    적어도 하나의 기준 파장 감지 소자와 다수의 빔 수신 소자들을 포함하며, 상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분과 상기 스펙트럼 채널들을 각각 수신하도록 위치된 빔 수신 어레이, 및
    상기 적어도 하나의 기준 파장 감지 소자 상의 소정의 위치에 상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분이 정렬될 수 있도록, 상기 스펙트럼 어레이와 상기 빔 수신 어레이 사이의 얼라인먼트를 조정하는 제 1 얼라인먼트 조정 소자를 포함하는, 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 얼라인먼트 조정 소자는 상기 빔 수신 어레이에 결합되며, 상기 빔 수신 어레이를 이동시키는 구동 장치를 포함하는, 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 얼라인먼트 조정 소자는 상기 빔 집속기에 결합되며, 상기 빔 집속기를 이동시키는 구동 장치를 포함하는, 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기준 신호는 제 1 및 제 2 기준 스펙트럼 성분을 각각 갖는 제 1 및 제 2 기준 신호를 포함하고, 상기 제 1 얼라인먼트 조정 소자는 상기 제 1 기준 스펙트럼 성분이 상기 제 1 기준 파장 감지 소자 상의 제 1 소정의 위치에 정렬되고 상기 제 2 기준 스펙트럼 성분이 상기 제 1 기준 파장 감지 소자 상의 제 1 소정의 위치에 정렬되도록 하는, 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 얼라인먼트 조정 소자와 처리 소자를 포함하는 서보 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 처리 소자는 상기 적어도 하나의 기준 파장 감지 소자에 대한 상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분의 충돌 위치를 감시하고, 그에 따라 상기 제 1 얼라인먼트 조정 소자의 제어를 제공하며, 그에 의해 상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분이 상기 적어도 하나의 기준 파장 감지 소자 상의 상기 소정의 위치에서 정렬된 채로 유지되는 것을 보장하는, 광학 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 서보 제어 유닛은 상기 스펙트럼 어레이의 피치를 조정하는 제 2 얼라인먼트 조정 소자를 더 포함하고, 상기 제 2 얼라인먼트 조정 소자는 상기 처리 유닛과 통신하는, 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 얼라인먼트 조정 소자는, 상기 입력 포트 및 상기 파장 분산기와 광통신하여, 상기 적어도 하나의 기준 신호와 함께 상기 다중 파장 광학 신호의 얼라인먼트를 조정하기 위한 스티어링 미러를 포함하는, 광학 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 얼라인먼트 조정 소자는, 상기 파장 분산기를 회전시키기 위한, 상기 파장 분산기에 결합된 구동 장치를 포함하는, 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기준 파장 감지 소자는 위치 감지 검출기, 스플릿 검출기, 및 사분할 검출기로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 분산기는 줄 회절 격자(ruled diffraction gratings), 홀로그래픽 격자, 에셀레 격자, 굽은 회절 격자, 트랜스미션 격자, 및 분산 프리즘으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 포트는 입력 광섬유에 결합되는 섬유 콜리메이터를 포함하고, 상기 광학 장치는 적어도 하나의 기준 광원을 상기 입력 광섬유에 결합하기 위한 적어도 하나의 광결합기를 더 포함하고, 상기 입력 광섬유는 상기 다중 파장 광학 신호를 전송하고 상기 적어도 하나의 기준 광원은 상기 적어도 하나의 기준 신호를 제공하는, 광학 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 수신 소자들은 광학 파워 센서들을 포함하는, 광학 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 수신 소자들은 마이크로미러들을 포함하는, 광학 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 수신 소자들은 광섬유들을 포함하는, 광학 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 포트 및 상기 파장 분산기와 광통신하는 편광 회전 소자 및 편광분리 소자를 더 포함하고, 상기 편광 분리 소자는 상기 기준 신호와 함께 상기 다중 파장 광학 신호를 제 1 및 제 2 편광 성분으로 분해하고, 상기 제 1 편광 회전 소자는 상기 제 2 편광 성분의 편광을 90도만큼 회전시키는, 광학 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 편광 분리 소자는 편광빔 스플리터들 및 복굴절 빔 디스플레이서들(birefringent beam displacers)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 편광 회전 소자는 1/2 파장판들, 액정 회전자들 및 패러데이 회전자들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 파장 분산기 및 상기 광학 파워 센서들의 어레이 사이에서 광통신하는 보조 편광 회전 소자를 더 포함하며, 상기 제 1 편광 성분으로부터 발생하는 분산된 광학빔 각각은 편광에서 90도 회전되는, 광학 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 보조 편광 회전 소자는 1/2 파장판들, 패러데이 회전자들, 및 액정 회전자들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 기준 스펙트럼 성분과 함께 상기 스펙트럼 채널을 상기 소정의 상대적 배치를 갖는 스펙트럼 어레이에서 대응하는 집속 스폿으로 집속시키는 빔 집속기를 더 포함하는, 광학 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 빔 집속기는 적어도 하나의 집속 렌즈들을 포함하는, 광학 장치.
  22. 광학 장치에 있어서,
    다중 파장 광학 신호와 기준 신호를 제공하는 입력 포트와,
    상기 다중 파장 광학 신호와 상기 기준 신호를 파장에 의해 소정의 상대적 배치를 갖는 기준 스펙트럼 성분과 다수의 스펙트럼 채널들로 분리하는 파장 분산기와,
    상기 기준 스펙트럼 성분을 수신하기 위한 기준 위치 감지 소자와 상기 스펙트럼 채널을 수신하기 위한 다수의 채널 감지 소자들을 포함하는 광학 파워 센서들의 어레이, 및
    상기 기준 스펙트럼 성분과 함께 상기 스펙트럼 채널들의 얼라인먼트를 조정하기 위한 얼라인먼트 조정 소자와 처리 소자를 포함하는 얼라인먼트 보상 유닛을포함하며,
    상기 처리 소자는 상기 기준 위치 감지 소자에 대한 상기 기준 스펙트럼 성분의 충돌 위치를 감시하고 그에 따라 상기 얼라인먼트 조정 소자의 제어를 제공하여, 상기 기준 스펙트럼 성분을 상기 기준 위치 감지 소자의 소정의 위치에 유지하고 그에 의해 상기 스펙트럼 채널들과 상기 채널 감지 소자들 사이의 특정한 얼라인먼트를 보장하는, 광학 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 채널 감지 소자들에 의해 생성되는 출력 신호들로부터 상기 채널 감지 소자들에 충돌하는 상기 스펙트럼 채널들의 파워 레벨들을 유도하기 위한 신호 처리기를 더 포함하는, 광학 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 출력 신호들을 상기 파워 레벨들에 관련시키는 소정의 변환 매트릭스를 포함하는, 광학 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 얼라인먼트 보상 유닛은 상기 기준 스펙트럼 성분의 특정 충돌 위치에 각각 대응하는 다수의 변환 매트릭스를 포함하는 소정의 캘리브레이션 테이블을 더 포함하고, 이에 의해, 검출된 상기 기준 스펙트럼 성분의 각 충돌 위치에 대해서,상기 얼라인먼트 보상 유닛은 상기 채널 감지 소자들로부터의 출력 신호들을 상기 채널 감지 소자들에 충돌하는 상기 스펙트럼 채널들의 파워 레벨들에 관련시키는 대응 변환 매트릭스를 상기 캘리브레이션 테이블로부터 조사하는, 광학 장치.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 얼라인먼트 조정 소자는 상기 광학 파워 센서들의 어레이에 결합되며 상기 광학 파워 센서들의 어레이를 움직이게 하는 구동 장치를 포함하는, 광학 장치.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 채널과 상기 기준 스펙트럼 성분을, 상기 광학 파워 센서의 어레이로 충돌하는 대응하는 집속 스폿으로 집속시키기 위한 빔 집속기를 더 포함하고, 상기 얼라인먼트 조정 소자는 상기 빔 집속기에 결합되며 상기 빔 집속기를 이동시키기 위한 구동 장치를 포함하는, 광학 장치.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 광학 파워 센서들의 어레이는 광다이오드 어레이를 포함하는, 광학 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    각 채널 감지 소자는 상기 스펙트럼 채널들의 분리된 채널을 수신하는, 광학 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 광다이오드 어레이는 연속하는 전체 광 응답 함수를 갖는, 광학 장치.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 기준 위치 감지 소자는 상기 광다이오드 어레이 내에 두 개의 인접한 채널 감지 소자들을 포함하는, 광학 장치.
  32. 제 22항에 있어서,
    상기 파장 분산기는 줄 회절 격자, 홀로그래픽 격자, 에셀레 격자, 굽은 회절 격자, 트랜스미션 격자, 및 분산 프리즘으로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  33. 제 22 항에 있어서,
    상기 스펙트럼 채널들과 상기 기준 스펙트럼 성분을 대응하는 집속 스폿에 집속시키기 위한 빔 집속기를 더 포함하는, 광학 장치.
  34. 제 22 항에 있어서,
    상기 입력 포트 및 상기 파장 분산기와 광통신하는 편광 회전 소자 및 편광 분리 소자를 더 포함하고, 상기 편광 분리 소자는 상기 기준 신호와 함께 상기 다중 파장 광학 신호를 제 1 및 제 2 편광 성분으로 분해하고, 상기 제 1 편광 회전 소자는 상기 제 2 편광 성분의 편광을 90도만큼 회전시키는, 광학 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 편광 분리 소자는 편광빔 스플리터들 및 복굴절 빔 디스플레이서들(birefringent beam displacers)로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 편광 회전 소자는 1/2 파장판들, 액정 회전자들 및 패러데이 회전자들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 파장 분산기 및 상기 광학 파워 센서들의 어레이 사이에서 광통신하는 보조 편광 회전 소자를 더 포함하며, 상기 제 1 편광 성분으로부터 발생하는 분산된 광학빔들 각각은 편광에서 90도 회전되는, 광학 장치.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 보조 편광 회전 소자는 1/2 파장판들, 패러데이 회전자들, 및 액정 회전자들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  39. 광학 장치에 있어서,
    다중 파장 광학 신호를 제공하는 입력 포트와,
    상기 다중 파장 광학 신호를 제 1 및 제 2 편광 성분으로 분해하는 편광 분리 소자와,
    상기 제 2 편광 성분의 편광을 거의 90도만큼 회전시키는 편광 회전 소자와,
    상기 제 1 및 제 2 편광 성분을 파장에 의해 제 1 및 제 2 세트의 광학빔으로 각각 분리하는 파장 분산기, 및
    상기 제 1 및 제 2 세트의 광학빔을 수신하도록 위치되는 광학 파워 센서들의 어레이를 포함하는, 광학 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    보조 편광 회전 소자를 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 세트의 광학빔들은 상기 광학 파워 센서들의 어레이에 충돌시 두 개의 직교 방향으로 편광되는, 광학 장치.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 보조 편광 회전 소자는 상기 파장 분산기와 상기 광학 파워 센서의 어레이 사이에 배치되는, 광학 장치.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 보조 편광 회전 소자는 상기 제 2 세트의 광학빔이 거의 90도의 편광으로 회전되도록 구성되는, 광학 장치.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 보조 편광 회전 소자는 상기 제 1 세트의 광학빔이 거의 90도의 편광으로 회전되도록 구성되는, 광학 장치.
  44. 제 41 항에 있어서,
    상기 보조 편광 회전 소자는 1/2 파장판들, 패러데이 회전자들 및 액정 회전자들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  45. 제 39 항에 있어서,
    상기 편광 분리 소자는 편광빔 스플리터들 및 복굴절 빔 디스플레이서들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  46. 제 39 항에 있어서,
    상기 편광 회전 소자는 1/2 파장판들, 패러데이 회전자들, 및 액정 회전자들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  47. 제 39 항에 있어서,
    상기 광학 파워 센서들의 어레이는 광다이오드 어레이를 포함하는, 광학 장치.
  48. 제 39 항에 있어서,
    상기 파장 분산기는 줄 회절 격자들, 홀로그래픽 격자들, 에셀레 격자들, 굽은 회절 격자들, 트랜스미션 격자들, 및 분산 프리즘들로 구성되는 그룹에서 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  49. 제 39 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 세트의 광학빔들을 대응하는 집속 스폿들에 집속하기 위한 빔 집속기를 더 포함하는, 광학 장치.
  50. 제 39 항에 있어서,
    상기 광학 파워 센서들의 어레이에 충돌하기 이전에 상기 제 1 및 제 2 세트의 광학빔들을 변조하는 변조 어셈블리를 더 포함하는, 광학 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 변조 어셈블리는 상기 제 1 및 제 2 세트의 광학빔이 시분할 다중화된 순서로 상기 광학 파워 센서들의 어레이에 충돌하도록 하는, 광학 장치.
  52. 제 51 항에 있어서,
    상기 변조 어셈블리는 제 1 및 제 2 셔터 소자들을 포함하는, 광학 장치.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 셔터 소자는 액정 기반의 셔터 소자들과 MEMS 기반의 셔터 소자들로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 제 2 셔터 소자는 액정 기반의 셔터 소자들과 MEMS 기반의 셔터 소자들로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나의 소자를 포함하는, 광학 장치.
  55. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 셔터 소자들과 통신하는 제어 유닛을 더 포함하는, 광학 장치.
  56. 제 50 항에 있어서,
    상기 변조 어셈블리는, 상기 광학 파워 센서들의 어레이에 충돌시 상기 제 1및 제 2 세트의 광학빔들이 별개의 디서 변조 신호(distinct dither modulation signals)를 전송하도록 하는, 제 1 및 제 2 변조 소자들을 포함하는, 광학 장치.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 상기 제 1 변조 소자와 상기 제 2 변조 소자는 전기 광학 세기 변조기를 포함하는, 광학 장치.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 변조 소자들과 통신하는 제어 유닛을 더 포함하는, 광학 장치.
  59. 제 56 항에 있어서,
    상기 디서 변조 신호를 검출하도록 구성된 동기 검출 유닛을 더 포함하는, 광학 장치.
  60. 제 50 항에 있어서,
    상기 변조 어셈블리는 광학빔 초퍼(optical beam-chopper)를 포함하는, 광학 장치.
  61. 제 50 항에 있어서,
    상기 변조 어셈블리는 상기 파장 분산기 및 상기 편광 회전 소자와 함께하는 상기 편광 분리 소자와 광통신하여, 상기 제 1 및 제 2 편광 성분을 제어하는, 광학 장치.
  62. 제 50 항에 있어서,
    상기 변조 어셈블리는 상기 파장 분산기 및 상기 광학 파워 센서들의 어셈블리와 광통신하여 상기 제 1 및 제 2 세트의 광학빔들을 제어하는, 광학 장치.
KR10-2004-7004093A 2001-09-20 2002-09-19 파장 전환 및 스펙트럼 감시 어플리케이션용 자유공간광학 시스템 KR20040047844A (ko)

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