KR20090127488A - 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원 및 이를 이용한시스템 - Google Patents

스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원 및 이를 이용한시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장분할 다중 방식 광원 및 시스템에 관한 것으로, 특히 스펙트럼 슬라이싱에 의한 파장분할 다중방식 광원에 대한 경제적 구성 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 넓은 선폭을 가지는 이득매질과; 상기 이득매질 전면 및 후면에 위치한 반사면과; 스펙트럼 슬라이싱을 위한 좁은 선폭의 대역 통과 필터를 포함하며; 광원의 성능 및 품질을 향상시키기 위하여 상기 이득 매질의 전면 및 후면의 반사율을 결정하는 것을 특징으로 하는 광원 및 이를 이용한 시스템을 제시한다.
또한 본 발명에 의하면, 파장분할 다중 방식을 이용하는 유선 광통신 시스템, 무선 광통신 시스템, 및 광 계측기 시스템을 위한 성능 및 품질을 만족하는 광원을 경제적으로 구성하는 장점이 있다.
파장분할 다중방식, WDM, WDM-PON, 스펙트럼 슬라이싱, 광송신기, 광송수신기, 광전송 시스템, 광통신 시스템, 무선 광통신, 광계측기

Description

스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원 및 이를 이용한 시스템 {spectrum slicing wavelength division multiplexing source and system using the same}
본 발명은 파장분할 다중 방식 광원 및 이를 이용한 시스템에 관한 것으로, 특히 스펙트럼 슬라이싱에 의한 파장분할 다중방식 광원에 대한 경제적 구성 방법 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 의한 광원 및 이를 이용한 시스템은 광섬유를 이용하는 유선 광통신 시스템, 자유 공간을 이용하는 무선 광통신 시스템(Free Space Optics), 및 광 계측기 등에 두루 적용이 가능하다. 최근 가장 활발하게 적용 가능한 분야는 파장분할 다중 방식 광가입자망 (wavelength division multiplex - passive optical network, WDM-PON)으로 특히 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중 방식 광가입자 망이다.
파장분할 다중방식 광원으로 파장이 고정된 DFB(distributed feedback)레이저, 파장 가변 레이저, 다파장 레이저, 좁은 선폭의 비간섭성 광에 파장이 잠김되는 페브리-페롯 레이저(Fabry-Perot Laser Diode, FP-LD) 또는, 반사형 반도체 광 증폭기 (reflective semiconductor optical amplifier, RSOA), 그리고 스펙트럼 슬 라이싱 방식 광원 등이 제안되었다.
DFB 레이저는 광 전송 성능 및 품질면에서 가장 우수한 특성을 보이는 광원이지만, 파장의 안정화를 위하여 열전소자 (thermo-electric collor, TEC) 등을 포함한 고가의 광패키지가 필요하며, 사용하는 파장의 개수 만큼의 서로 다른 종류의 광원에 대하여 관리해야 하며 예비품을 확보해야 하는 등 저가를 요구하는 광전송 시스템 및 광통신 시스템에는 적합하지 않다.
DFB 레이저가 가지는 파장 의존성의 단점을 극복하는 다양한 방법의 광원을 이용한 파장분할 다중 광통신 시스템의 대표적인 구성은 도 1에 예시되어 있다. 이들 중 파장 가변 레이저는 DFB레이저와 동등한 광 전송 성능 및 품질을 보이면서 동일한 광원으로 파장무의존성(colorless)을 구현하여 DFB레이저의 파장 의존성에 의한 단점을 해결할 수 있지만, 파장 변경을 위하여 열전소자 등을 사용해야 하는 등 현재까지는 구현상 고가의 광원으로 알려져 있다.
좁은 선폭의 비간섭성 광에 파장이 잠김되는 FP-LD 또는 RSOA는 비교적 저가의 방법으로 파장무의존성을 구현하였다. 하지만, 이 방법도 파장분할 다중화기와 FP-LD 또는 RSOA에 주입하기 위해서 추가의 비용이 드는 별도의 광대역 광원(Broadband Light Source, BLS)을 사용해야하는 단점이 있다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, LED), 초발광다이오드(Superluminescent diode, SLD), RSOA, 및 FP-LD 등의 광원을 스펙트럼 슬라이싱하는 방법은 광원의 파장무의존성을 갖는 파장분할 다중 광전송 시스템 또는 광통신 시스템을 구성하는 요소의 수가 최소로서 가장 경제적일 수 있는 방법이지만 아직 해결 해야할 문제점들이 있다. 이들 중 LED의 경우는 스펙트럼 슬라이싱 이후의 광 출력 파워가 낮은 단점이 있다. SLD나 RSOA의 경우는 출력을 증대시킬 수 있으나 외부의 반사에 민감하며 고온 동작 특성이 나빠 냉각이 필요한 단점이 있다. FP-LD의 경우는 다중 레이징 모드들 간의 광파워 요동에 의한 모드 파티션 잡음(Mode Partition Noise, MPN) 등으로 인하여 전송가능 속도 대역이 좁은 단점이 있다.
종래기술의 문헌정보
[문헌1] M. Zirngibl, C. R. Doerr, and L. W. Stulz, "Study of Spectral Slicing for Local Access Applications", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 8, No. 5, May 1996, 721-723
[문헌2] S. L. Woodward, P. P. Iannone, K. C. Reichmann, and N. J. Frigo, "A Spectrally Sliced PON Employing Fabry-Perot Lasers", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, No. 9, September 1998, 1337 - 1339
[문헌3] Shin Kaneko, Jun-ichi Kani, Katsumi Iwatsuki, Akira Ohki, Mitsuru Sugo, and Shin Kamei, "Scalability of Spectrum-sliced DWDM Transmission and its Expansion Using Forward Error Correction", Journal of Lightwave Technology, Vol. 24, No. 3, March 2006, 1295 - 1301
본 발명은 상술한 파장 무의존성을 갖는 파장분할 다중 광원들의 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 외부의 되반사에 둔감 하며 유선 광통신, 무선 광통신, 또는 광계측기 등의 적용을 위하여 필요한 출력 광파워 성능과 품질을 갖는 경제적인 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중 방식 광원 및 이를 이용한 시스템을 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광원은, 좁은 선폭을 갖는 대역 통과 필터에 의하여 스펙트럼 슬라이싱될 광을 발생하는 이득매질의 전면 및 후면의 반사율을 최적의 값이 되도록 결정한다. 특히 대역 통과 필터 쪽으로 위치한 전면의 반사율은, 전면으로의 광 출력이 크게 나오게 하면서 또한 모드들 간의 광파워 요동에 의한 MPN이 충분히 작도록 하기위해 결정되어지는 최대값보다 작도록 하며, 반면 시스템의 요구사항으로 결정되어지는 외부 반사의 영향에 둔감하기 위하여 결정되어지는 최소값보다 크도록 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 관련된 공지기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원의 구성도로서, 넓은 선폭을 가지는 이득매질(13)과; 상기 이득매질 전면에 위치한 반사면(14), 후면에 위치한 반사면(12)과; 스펙트럼 슬라이싱을 위한 좁은 선폭의 대역 통과 필터(20)와; 광원을 동작시키기 위한 구동회로(11)를 포함한다. 도2의 일실시 예는 광전송 시스템 또는 광통신 시스템에서 적용할 경우 광송신기의 예에 해당되며, 광 계측기에서 적용할 경우 계측기용 광원의 예에 해당 된다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 스펙트럼 슬라이싱 파장 분할 다중방식 광원 및 광검출기를 포함하는 발광-수광기의 구성도로서, 도2에 추가로 광검출기(17), 상기 광 검출기를 동작시키기 위한 구동회로(16) 및 광원와 광 검출기의 광 경로를 분리 및 결합하기 위하여 필터 또는 광스플리터 등으로 구성된 계(15)를 포함한다. 도3의 일실시 예는 광전송 시스템 또는 광통신 시스템에서 적용할 경우 광송수신기의 예에 해당되며, 광 계측기에서 적용할 경우 광스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer)의 예에 해당 된다.
도2 및 도3에서 상기한 이득매질의 전면 반사면(14)의 반사율(R1) 및 후면 반사면(12)의 반사율(R2)에 따른 광출력 특성을 고찰해 본다. 먼저, 전형적인 FP-LD의 경우를 살펴보자. 굴절율 n = 3.5 정도가 되는 이득매질의 면과 공기가 닿는 면을 전면 및 후면 반사면으로써 그대로 사용하는 경우 R1 = R2 = {(n-1)/(n+ 1)}＾2 = 31％가 된다. 이 경우 도4의 (4a)에 예시한 광출력파워-전류 그래프에서처럼 임계전류(Ith)가 존재하며 이 임계전류보다 큰 전류에서는 레이징이 일어나며, 비교적 적은 전류 (Ia)로 각 종 응용에 필요한 파워 (P0)를 얻을 수 있다. 하지만 도5의 (5a)에 예시한 파장영역에서의 스펙트럼을 보면, FP-LD의 경우 임의의 특정 모드들이 강하게 발진하며 여러 모드들이 경쟁적으로 발진하여 파장분할 다중 광원으로 사용하기 위하여 스펙트럼 슬라이싱을 하면 이 다중 모드 발진 사이의 모드 호핑(Mode Hoping) 등에 의한 MPN이 커서 슬라이싱 이후의 출력 광원의 품질이 저하된다.
SLD의 경우는 유도방출을 억제하고 자발 방출되는 빛을 크게 증폭하기 위하 여 전면 반사율(R1) 및 후면 반사율(R2)을 최대한 낮추어 전면과 후면 의 반사율의 곱이 최대한 작도록 한다. 통상의 상용 제품의 경우 R1*R2 ＜ 10＾(-5) 정도이다. RSOA의 경우 전면으로의 출력을 증대시키기 위하여 후면의 반사율을 크도록 (R2 ＞ 50％)하는 반면 전면과 후면의 반사율의 곱이 작도록 하기 위하여 이득 매질과 전후면의 수직면 사이에 경사지게 하거나 곡면이 되도록하여 전면의 반사율을 극도로 낮춘다 (R1 ＜ 10＾(-5)). SLD나 RSOA의 경우 도5의 (5c)에 예시한 파장 영역에서의 스펙트럼을 보면, FP-LD와 달리 자발방출의 증폭 (Amplified Spontaneous Emission, ASE) 성분이 크고 모드 구조가 작아서 MPN을 무시할 수 있어서 파장분할 다중을 위하여 스펙트럼 슬라이싱을 할 경우 우수한 품질의 광 출력 특성을 얻을 수 있다. 하지만 이 경우, 도4의 (4c)에 예시한 광출력파워-전류 그래프에서와 같이 각종 응용을 위해 필요한 광파워 (P0)를 얻기 위한 전류(Ic)가 상대적으로 크며 특히 고온 동작시 큰 소모 전력으로 인하여 발생한 열 등에 의하여 성능저하가 일어나서 냉각 회로 등이 필요하다. 또한 외부의 되반사가 있을 경우, SLD 또는 RSOA의 경우 전면의 반사율(R1 ＜ 0.01％ = 40 dB)이 너무 작아 외부의 되반사에 의하여 광출력의 품질이 영향을 많이 받으며 이를 극복하기 위하여 별도의 단향관(isolator)등을 사용해야한다. 이에 대한 유선 광통신 시스템에서의 예를 들면, 광패치코드 또는 Rayleigh 반사등을 고려하여 시스템 규격으로 정해진 32 dB의 되반사의 영향에 대하여 광송신기가 적절한 전송 패널티 (대략 2 ∼ 3 dB 이내)를 보여야 하는데, SLD 또는 RSOA의 경우 전면의 반사율(R1 ＜ 0.01％ = 40 dB)이 너무 작아 되반사의 영향을 많이 받으며 이를 극복하기 위하여 별도의 단향관(isolator)등 을 사용해야한다.
본 발명에 의한 광원에서는 상기 이득매질(13)의 전면 반사율(R1, 14) 및 후면 반사율(R2, 12)을 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원으로서 최적이 되도록 결정한다. 전면 반사율 R1이 가질 수 있는 최소값에 대해서는 상기한 외부 되반사의 영향에 대하여 시스템이 허용하는 만큼 적게 받도록 결정하며, 최대값에 대해서는 MPN에의한 영향에 대하여 시스템에서 허용하는 만큼 적게 받도록 결정한다.
이하의 전면 반사율 R1의 값을 구체적으로 정하는 방법에 대한 기술은 계산하는 설명의 편의상 유선광통신 시스템의 경우의 일실시 예를 들어 진행한다.
먼저, 전면 반사율 R1이 가질 수 있는 최소값에 대해서는 상기한 외부 되반사 (32 dB)의 영향을 적게 받도록 정한다.
스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중 방식 광통신 시스템을 구성할 때, 구성 특성상 이득 매질(13)과 대역 통과 필터(20) 사이의 되반사를 고려하여야 하는 경우 대역 통과 필터(20)로부터 이득 매질로 결합되는 양은 시스템 디자인 상 3 dB이하가 되도록 할 수 있으므로 전면 반사율
R1 ＞ 32 dB + 3 dB = 35 dB (= 0.03％) [수학식-1]
가 되도록 결정한다. 또 다른 광통신 시스템으로서 이득 매질(13)과 대역 통과 필터(20) 사이에는 되반사가 없도록 구성이 가능한 예에서는, 대역 통과 필터의 최소 손실이 5 dB인 경우 전면 반사율
R1 ＞ 32 dB + 3 dB + 5 dB = 40 dB (=0.01％) [수학식-2]
가 되도록 결정할 수 있다.
다음으로, 전면 반사율 R1이 가질 수 있는 최대값에 대해서는 다중 모드 발진에 의한 MPN에 의한 패널티가 충분히 작도록 결정한다. MPN에 의한 패널티는 사용하려고 하는 속도 대역에 따라 다르므로 R1이 가질 수 있는 최대 값은 속도 대역에 따라 다르게 결정할 수 있다. 이에 대한 이론적 고찰을 살펴보기로 하자. 반사율 R1 및 R2를 갖는 전면 및 후면 반사면 사이에 위치한 이득매질의 한 방향으로의 이득을 Gc라고 하면 공진기 내에서의 왕복 이득 Grt 는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Grt = R1*R2*Gc2 ＜= 1 [수학식-3]
레이저 발진은 이득매질의 이득Gc가 커져서 양 반사면의 손실을 극복하는 조건인 Grt = 1에서 발생한다. 본 발명의 광원으로써 유용하게 사용되는 것은 전면으로 나오는 빛으로 전면으로의 반사 이득이 중요하며 전면 반사율이 충분히 작을 경우(R1 ＜ 0.01) 다음과 같이 근사할 수 있다.
Gr = R2*Gc2 [수학식-4]
또한 레이저 발진이 시작되는 임계 조건 Grt = R1*R2*Gc2=1에서의 임계 반사 이득은 다음과 같이 표현된다.
Gthr = 1 / R1 [수학식-5]
MPN은 다중 레이징 모드들 간의 경쟁으로 발생하므로, MPN에 의한 영향을 줄이기 위해서는 이 임계반사이득 값보다 낮은 반사이득 조건에서 이득매질을 동작시 키는 것이 바람직하다. 전면으로 나오는 증폭된 자발 방출(Amplified Spontaneous Emission, ASE) 광 파워 PASE 는 아래와 같이 표현된다.
PASE = nsp *(Gr - 1) * hν * △ν [수학식-6]
스펙트럼 슬라이싱용 파장분할 다중 광원으로 사용하기위한 조건으로 뒤에 실시예에서 설명할 16 채널 100 Mbps 대역의 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중용 광원의 예로서, 중심파장이 1450 nm이고, 이득 선폭이 40 nm이며, 출력 광파워 PASE = -3 dBm 이상인 경우, nsp=2을 이용하여, 수학식-5 및 수학식-6으로부터 다음의 조건을 얻을 수 있다.
R1 ＜ 26 dB = 0.25％ [수학식-7]
또다른 예로서, 전송 대역이 낮아 10 Mbps인 경우 필요 출력 파워가 100 Mbps 대역 보다 대략 10 dB 낮아져서 이 조건은 R1 ＜ 16 dB = 2.5％이 되며, 전송 대역이 높아 1 Gbps인 경우 필요 출력 파워가 100 Mbps 대역 보다 대략 10 dB 높아져서 이 조건은 R1 ＜ 36 dB = 0.025％가 된다.
상기 1 Gbps 대역의 예시에서는 최소값에 대한 조건 R1 ＞ 0.03％와 최대값에 대한 조건 R1 ＜0.025％를 동시에 만족시키는 해가 없다. 이런 경우에는 저가의 단향관(예를 들어 10 dB)을 전면 반사면 이후에 위치 시켜 전면 반사율의 최소값에 대한 조건을 R1 ＞ 0.003％으로 낮춰 해결할 수 있다. 이득매질과 대역 통과 필터 사이에 반사문제가 없는 경우에는 도6, 도7, 도8, 또는 도9에서와 같이 본 발명에 의한 다수의 광송신기 또는 광송수신기 와 연결하는 파장분할 다중기 이후에 하나 의 단향관을 위치시켜 상기 다수의 광송신기 또는 광송수신기의 전면 반사면(R1) 에 대한 최소 반사 조건을 경제적으로 낮출 수 있다.
본 발명에 의한 광원의 이득매질의 후면 반사율(R2)은 수학식-4와 수학식-6에서 알 수 있듯이 전면으로의 광출력을 크게 하거나 같은 출력 파워 대비 필요 전류를 낮게 하기 위하여 최대한 크게 하는 것이 바람직하다. 하지만 광원(10 또는 30)의 구동회로(11)에 출력이 일정하게 나오도록 (Automatci Power Control) 모니터 PD를 사용할 경우, 적정한 피드백 회로에 필요한 후면으로의 광 파워가 나올수 있도록 반사율 값이 수십％ 정도가 되도록 최적값을 정할 수 있다.
본 발명에 의한 광원의 이득매질의 전면 출력파워를 최대한 효율적으로 크게 하기 위하여 동작조건을 가능한 한 최대한 레이저 발진 임계조건에 가깝게 만들 수 있다. 이 경우 출력 스펙트럼의 마루와 골의 파워 차이가 커지며, 대역 통과 필터(20)의 선폭이 이 전면 및 후면 반사면에 의해 결정되는 공진 모드의 간격과 비슷하거나 작을 경우 스펙트럼 슬라이싱에 의한 파장분할 다중 광송신기의 출력이 대역 통과 필터의 중심파장과 상기 스펙트럼의 모드 사이의 상대적 위치에 따라 크게 달라질 수 있다. 특히 온도가 변하면 골과 마루의 파장이 변하므로 온도변화에 따라 광파워가 변동될 수 있다. 이러한 현상을 막기 위하여 대역 통과 필터(20)의 선폭에 상기 모드가 여러 개가 포함되도록 이득매질의 전면과 후면 사이의 길이를 결정하거나 대역 통과 필터의 선폭을 결정할 수 있다.
다음으로 본 발명에 의한 광원 다수와 대역 통과 필터로서 사용하는 파장 분할 다중기를 이용한 광원 집합체 및 이를 이용한 시스템을 구성하는 바람직한 일실 시예들을 도면을 통하여 설명한다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원 집합체의 구성도로서 도2에서 설명한 광원 다수(10a, 10b, 10c)와; 상기 다수의 광원과 연결하는 파장분할 다중기(40)를 포함한다. 상기 광원의 디자인상 필요한 경우, 외부반사에 의한 영향을 경제적으로 줄이기 위하여 상기 파장분할 다중기(40)에 추가로 단향관(41)을 공통부에 연결할 수도 있다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광송수신기 집합체의 구성도로서 도3에서 설명한 광송신기 다수(30a, 30b, 30c)와; 상기 다수의 광송신기를 연결하는 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)를 포함한다. 상기 광송수신기의 송신부의 디자인상 필요한 경우, 외부반사에 의한 영향을 경제적으로 줄이기 위하여 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)에 추가로 단향관(62)과 파장분할 필터(61, 63)을 포함하는 파장분기 단향관(60)을 연결할 수 있다. 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)은 도8에 그 일실시 예를 나타낸 바와 같이 송신기들의 파장 대역 (A-band)과 수신기들의 파장 대역 (K-band)이 임의의 서로 다른 사이클릭 그룹이 되도록 사용 파장을 결정할 수 있다. 또한 상기 파장분기 단향관(60)은 송신기에 대한 파장 대역(A-band)에서만 단향관 역할을 하고 수신기에 대한 파장 대역(K-band)에서는 그대로 투과시키는 역할을 한다.
다음으로 본 발명에 의한 광송신기 또는 광송수신기 다수와 파장분할 다중기를 이용한 광전송 시스템 또는 광통신 시스템을 구성하는 바람직한 일실시예들을 도면을 통하여 설명한다. .
도9는 본 발명에 의한 광전송 시스템의 구성도로, 도2에서 설명한 광송신기 다수(10a, 10b, 10c)와; 상기 광송신기 다수를 연결하는 파장분할 다중기(40)와, 상기 파장분할 다중기와 시스템 동작 가능한 범위 내로 동일한 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(42)와; 상기 다수의 광송신기(10a, 10b, 10c)의 신호를 처리할 수 있는 광수신기 다수(10d, 10e, 10f)로 구성된다. 상기 광송신기의 디자인상 필요한 경우, 외부반사에 의한 영향을 경제적으로 줄이기 위하여 상기 파장분할 다중기들(40, 42)사이에 추가로 단향관(41)을 연결할 수 있다.
도10은 본 발명에 의한 광통신 시스템의 구성도로, 도3에서 설명한 광송수신기 다수(30a, 30b, 30c)와; 상기 광송수신기 다수를 연결하는 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)와; 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기와 시스템 동작 가능한 범위 내로 동일한 파장 특성을 갖는 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장 분할 다중기(70)와; 상기 다수의 광송수신기(30a, 30b, 30c)와 신호를 송신 및 수신 처리할 수 있는 광송수신기 다수(30d, 30e, 30f)로 구성된다. 상기 광송수신기 30a와 30d, 30b와 30e, 30c와 30f는 각각 짝을 이루어 상호간 송신 및 수신의 통신을 하며 짝을 이룬 송수신기들은 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기들(50, 70)의 동일한 채널포트를 이용하고 상호간에 송신 파장과 수신 파장을 반대로 사용한다. 상기 광송수신기 (30a, 30b, 30c)와 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)가 되반사 문제가 없도록 통제할 수 있는 동일한 지역(100)에 위치하고 상기 동일한 지역(100) 외의 되반사의 영향을 고려할 때, 상 기 광송수신기의 송신부의 디자인상 필요한 경우, 외부반사에 의한 영향을 경제적으로 줄이기 위하여 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기들(50, 70)사이에 추가로 단향관(62)과 파장분할 필터(61, 63)을 포함하는 파장분기 단향관(60)을 연결할 수 있다.
도11은 본 발명에 의한 광통신 시스템의 구성도로, 도3에서 설명한 광송수신기 다수(30a, 30b, 30c)와; 상기 광송수신기 다수를 연결하는 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)와; 파장분할 필터(61, 63)와; 단향관(62)과; 광회전기(64)와; 광대역 광원(65)과; 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기와 시스템 동작 가능한 범위 내로 동일한 파장 특성을 갖는 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(70)와; 상기 다수의 광송수신기(30a, 30b, 30c)와 신호를 송신 및 수신 처리할 수 있는 광송수신기 다수(80a, 80b, 80c)로 구성된다. 상기 광송수신기 30a와 80a, 30b와 80b, 30c와 80c는 각각 짝을 이루어 상호간 송신 및 수신의 통신을 하며 짝을 이룬 송수신기들은 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50, 70)의 동일한 채널포트를 이용하고 상호간에 송신 파장과 수신 파장을 반대로 사용한다. 상기 광통신 시스템은 상기 광송수신기 (30a, 30b, 30c)와 상기 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(50)가 되반사 문제가 없도록 통제할 수 있는 동일한 지역(200)에 위치하는 반면, 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기(70) 및 광송수신기들 (80a, 80b, 80c)이 원거리의 서로 다른 지역에 위치하여 망의 되반사 문제를 고려해야 하는 망 구조일 때, 상기 광송신기들의 디자인상 필요한 경우, 상기 동일 지역(200)에는 상기 파장분할 필터(61, 63)와; 상기 단향관 (62)을 이용하여 경제적으로 되반사 문제를 해결하며, 원거리에 위치한 광송수신기(80a, 80b, 80c)의 송신부로의 되반사 문제는 상기 광대역광원(65)과 상기 사이클릭 파장분할 다중기(70)에 의하여 상기 광송수신기들 (80a, 80b, 80c)을 파장 잠김형 파장 무의존성 광원으로 동작시켜서 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 스펙트럼 슬라이싱에 의한 파장분할 다중방식 광원을 이용한 광송신기, 광송수신기, 광전송 시스템, 광통신 시스템, 광계측기는 시스템 구성요소를 최소로하여 파장분할 다중 광원을 이용하는 시스템을 경제적으로 구현할 수 있는 이점이 있다. 본 발명에 따른 광원을 광통신시스템에 이용할 경우 특히 파장무의존성을 갖는 파장분할 다중 광통신 시스템을 경제적으로 구현할 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설 명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
.
다음으로 본 발명에 의한 실시예로서 실제 광송수신기와 광통신 시스템을 제 작하여 성능 시험한 결과를 설명한다.
도12는 본 발명에 의한 광송수신기로서 도3의 일실시예를 통하여 구현한 광송수신기의 대역 통과 필터를 통과하기 전 광 출력 스펙트럼을 광스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer, Agilent model number 86142B)를 이용하여 측정한 결과이다. 수학식-1 (R1 ＞ 0.03％) 와 수학식-7 (R1 ＜ 0.25％)을 만족하기 위하여 이득매질의 전면 반사율 R1 = 0.1％ 정도가 되도록 제작하였다. 구동전류 60 mA에서 전체 스펙트럼의 파워는 -3 dBm 정도였으며, 중심파장이 1450 nm이고 이득 선폭이 대략 40 nm이었다.
도13은 본 발명에 의한 광송수신기로서 도3의 일실시예를 통하여 구현한 광송수신기의 대역 통과 필터를 통과한 후 광 출력 스펙트럼을 광스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer, Agilent model number 86142B)를 이용하여 측정한 결과들이다. 대역 통과 필터로서는 E-band와 C-band에서 각각 16채널의 파장이 사용 가능한 사이클릭 파장 특성을 갖는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)형 파장분할 다중기를 사용하였다. AWG의 각 채널 파장 특성으로는 C-band에서 200 GHz 간격과 1 nm의 선폭을 가지며 도13에서 알 수 있듯이 이득매질의 전면 및 후면 반사면에 의하여 결정되는 공진 모드 대략 2개 내지 3개 정도가 상기 AWG의 채널 선폭 안에 포함되어, 상기 AWG를 통과한 후의 스펙트럼 슬라이싱된 광송수신기의 출력 파와가 AWG 채널의 중심파장의 위치에 따라 크게 변동되지 않도록 하였다. 또한 도13은 본 발명에 의한 동일한 광송수신기를 채널1번에서 채널 16번에 걸쳐서 파장에 무관하게 사용할 수 있음을 보여준다.
도14는 본 발명에 의한 광통신 시스템으로서 도9의 일실시예를 통하여 구현한 WDM-PON 이더넷 시스템에 대한 시험 구성도이다. 국사 쪽 장비인 OLT(Optical Line Terminal)에는 본 발명에 의한 송수신기를 포함하며 100 Mbps 이더넷 인터페이스를 갖는 OCU (Optical Channel Unit) 16개와 대역 통과 필터로서 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기를 포함하였다. 수동형 원격 노드(Remote Node, RN)는 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기를 사용하였다. 원격지 장비인 ONT(Optical Network Terminal)에는 본 발명에 의한 광송수신기를 포함하며 100 Mbps 이더넷 인터페이스를 갖도록 구성하였다. 실험은 각 장치의 최악의 운영 환경을 모사하기 위하여 OLT와 RN사이에는 10 km의 광섬유 및 감쇄기를 이용하여 4.5 dB의 링크 손실을 두었으며, OLT 및 ONT는 0 ℃에서 50 ℃까지 온도 변화를 주었고, RN은 -30 ℃에서 70 ℃까지 온도 변화를 주었다. 상기 온도 변화에 대하여 이더넷 시험기 (Spirent Model number SPT2000A)를 이용하여 16개의 모든 상하향 채널에 대하여 100 Mbps 이더넷 신호를 전송 시험하였을 때 에러없이 100％ 전송됨을 확인하였다. 이 때 광송수신기의 최악 조건인 50 ℃에서 OCU 전면(301), OLT 전면(302), RN 전면(303), ONT 전면(304)에서의 상하향 16채널에 대한 출력 광파워 및 수신 광파워의 측정값은 도15의 표와 같다. 상기 광송수신기에 사용된 광수신기는 현재 광통신 시장에서 용이하게 구할 수 있는 것으로, 100 Mbps 대역에서 -36 dBm＠BER 10-12의 수신감도를 가지며 도15에 측정된 수신 광파워와 비교하면 시스템이 에러없이 동작할 수 있음을 알수 있다.
도1은 일반적인 파장 분할 다중 방식 광원 및 이를 이용한 광통신 시스템의 예,
도2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중 방식 광원의 구성도,
도3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광원과 광검출기를 포함한 광송수신기 또는 광계측기 등으로 사용 가능한 발광-수광기의 구성도,
도4는 도2 또는 도3에 예시된 이득매질의 전면 반사면의 반사율(R1)의 크기에 따른 광출력 특성을 설명하기 위한 광출력파워-전류 그래프,
도5는 도2 또는 도3에 예시된 이득 매질의 전면 반사면의 반사율(R1)의 크기에 따른 광원의 파장 특성을 설명하기 위한 그래프,
도6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도2에 예시된 광원 다수와 파장분할 다중기 등을 포함하는 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광원 집합체의 구성도,
도7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도3에 예시된 광송수신기 다수와 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기 등을 포함하는 스펙트럼 슬라이싱 파장분할 다중방식 광송수신기 집합체의 구성도,
도8은 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기의 특성을 설명하기 위한 도면,
도9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도2에 예시한 광원 다수와 파장 분할 다중기와 광검출기 등을 포함하는 광전송 시스템의 구성도,
도10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도3에 예시한 광송신기 다수와 파장분할 다중기 등을 포함하는 광통신 시스템의 구성도,
도11은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도3에 예시한 광송신기 다수와 파장분할 다중기 등과 추가로 파장 잠김형 파장분할 다중 광원을 함께 포함하는 광통신 시스템의 구성도,
도12는 본 발명의 바람직한 일실시예를 따라 제작된 광원의 대역 통과 필터 투과 이전의 광파장 특성을 광파장분석기(Optical Spectrum Analzer)를 통하여 측정한 결과,
도13은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제작된 광원에 대하여 대역투과 필터로서 사용된 파장분할 다중기의 여러 채널에 대한 투과 이전 및 투과 이후의 광파장 특성을 광파장분석기를 통하여 측정한 결과,
도14는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 도10에 예시한 바와 같이 제작된 광통신 시스템의 구성요소인 OLT, RN, 및 ONT에 대한 환경 모사 시험 구성도,
도15는 도14에 제작된 광통신 시스템의 여러지점, OCU 앞, OLT 앞, RN 앞, 및 ONT 앞에서 각 채널별로 측정한 광신호 출력 결과.

Claims (28)

  1. 파장분할 다중방식 광원에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    좁은 선폭의 대역 통과 필터와;
    광원을 동작시키기 위한 구동회로를 포함하는 광원
  2. 파장분할 다중방식 광원에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    좁은 선폭의 대역 통과 필터와;
    광검출기와; 광검출기를 동작시키기위한 구동회로와;
    상기 광원과 상기 광검출기와 상기 대역 통과 필터 사이의 광경로를 구성하기위한 필터 또는 광스필리터르 포함하는 발광-수광기
  3. 파장분할 다중방식 광원에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    광원을 동작시키기 위한 구동회로를 포함하는 광원 다수와;
    상기 다수의 광원을 연결하는 좁은 선폭의 대역 통과 필터 특성을 갖는 파장분할 다중기를 포함하는 광원 집합체
  4. 파장분할 다중방식 광원에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    광검출기와; 광검출기를 동작시키기위한 구동회로와;
    상기 광원과 상기 광검출기와 대역 통과 필터 사이의 광경로를 구성하기위한 필터 또는 광스필리터르 포함하는 발광-수광기 다수와;
    상기 다수의 발광-수광기를 연결하는 좁은 선폭의 대역 통과 필터 특성 및 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기를 포함하는 발광-수광기 집합체
  5. 파장분할 다중방식 광전송 시스템에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    광원을 동작시키기 위한 구동회로를 포함하는 광원 다수와;
    상기 다수의 광원을 연결하는 좁은 선폭의 대역 통과 필터 특성을 갖는 파장분할 다중기와; 상기 파장분할 다중기와 대응되는 파장분할 다중기와; 다수의 광검출기와; 상기 다수 광검출기를 구동하기 위한 다수의 구동회로를 포함하는 광전송 시스템
  6. 파장분할 다중방식 광통신 시스템에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    광검출기와; 광검출기를 동작시키기위한 구동회로와;
    상기 광원과 상기 광검출기와 대역 통과 필터 사이의 광경로를 구성하기위한 필터 또는 광스필리터르 포함하는 발광-수광기 다수와;
    상기 다수의 발광-수광기를 연결하는 좁은 선폭의 대역 통과 필터 특성 및 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기 2개를 포함하는 광통신 시스템
  7. 파장분할 다중방식 광통신 시스템에 있어서,
    넓은 선폭을 가지는 이득매질과;
    외부 되반사의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최소값 이상, 사용하고자하는 출력 광파워에서 모드 호핑 또는 모드 파티션 잡음 등의 영향을 줄이기 위하여 결정되어지는 최대값 이하의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 이득매질 전면에 위치한 전면 반사면과;
    상기 이득매질 후면에 위치한 후면 반사면과;
    광검출기와; 광검출기를 동작시키기위한 구동회로와;
    상기 광원과 상기 광검출기와 대역 통과 필터 사이의 광경로를 구성하기위한 필터 또는 광스플리터를 포함하는 발광-수광기 다수와;
    상기 다수의 발광-수광기를 연결하는 좁은 선폭의 대역 통과 필터 특성 및 사이클릭 파장 특성을 갖는 파장분할 다중기 2개와; 2개의 파장분할 필터와; 광회전기와; 파장 잠김을 일으키기 위한 광대역 광원(Broadband Light Source)을 포함하는 광통신 시스템
  8. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서, 상기 이득 매질로서 발광특성을 갖는 반도체를 사용하는 방법
  9. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항에 있어서, 상기 이득 매질로서 이득특성을 갖는 물질이 첨가된 광섬유를 사용하는 방법
  10. 제1항 내지 제2항에 있어서, 상기 이득 매질로서 이득특성을 갖는 기체를 사용하는 방법
  11. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서, 상기 전면 반사면으로의 출력을 크게 하기 위하여 상기 후면 반사면의 반사 율을 크게 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 후면 반사면의 반사율을 1％ 이상 100％ 이하로 정하는 방법
  13. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서, 상기 전면 반사면의 반사율을 0.01％ 이상 1％ 이하로 정하는 방법
  14. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제5항 내지 제7항에 있어서, 상기 전면 반사면이 가질 수 있는 최소값을 낮추기 위하여 단향관을 추가하는 방법
  15. 제4항 내지 제6항에 있어서, 상기 전면 반사면이 가질 수 있는 최소값을 낮추기 위하여 단수 또는 복수의 단향관과 복수의 파장분할 필터를 추가하는 방법
  16. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서, 상기 광원을 동작하기 위한 구동회로에 광파워 모니터와 피드백회로를 추가로 포함하여 광원의 출력 특성을 개선하는 방법
  17. 제1항 내지 제2항에 있어서, 상기 대역 통과 필터가 중심 파장을 변할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 광원
  18. 제1항 내지 제2항에 있어서, 상기 대역 통과 필터로서 다수의 포트를 가지는 파장분할 다중기를 사용하는 방법
  19. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 상기 대역 통과 필터로서 박막형 필터를 사용하는 방법
  20. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 상기 대역 통과 필터로서 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 필터를 사용하는 방법
  21. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 상기 대역 통과 필터로서 사이클릭 파장 투과 특성을 갖는 필터를 사용하는 방법
  22. 제1항 내지 제2항에 있어서 추가로 광섬유를 포함하여 유선 광통신에 사용하는 것을 목적으로 하는 광송신기 또는 광송수신기
  23. 제1항 내지 제2항에 있어서 추가로 자유공간 통신 시스템(Free Space Optics)을 포함하여 무선 광통신에 사용하는 것을 목적으로 하는 광송신기 또는 광 송수신기
  24. 제1항 내지 제2항에 있어서 광파워 또는 파장을 분석하는 회로를 추가로 포함하여 광 계측기로 사용하는 방법
  25. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 추가로 FEC(Forward Error Correction) 회로를 추가하여 전송 품질을 향상시키는 방법
  26. 제2항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 상기 광검출기로서 APD (Avalanche Photo-Detector)를 사용하는 방법
  27. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 상기 광원의 출력 특성을 향상시키기 위하여 상기 대역 통과 필터의 선폭이 상기 이득매질의 전면 및 후면 반사면 사이의 길이로 결정되는 모드들 간의 파장 간격보다 크도록 하는 방법
  28. 제1항 내지 제2항 내지 제3항 내지 제4항 제5항 내지 제6항 내지 제7항에 있어서 상기 광원의 출력을 증대시키기 위하여 증폭기를 포함하는 방법
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CN114336255A (zh) * 2020-09-30 2022-04-12 华为技术有限公司 一种光纤放大装置

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