KR20110060429A

KR20110060429A - 코히어런트 광 수신기

Info

Publication number: KR20110060429A
Application number: KR1020090117016A
Authority: KR
Inventors: 박수진; 최영복
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-08

Abstract

코히어런트 광 수신기가 개시된다. 본 발명에 따른 코히어런트 광 수신기는, 수신 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하는 제1 편광 빔 스플리터; 기준 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하는 제2 편광 빔 스플리터; 상기 수신 광신호의 TE 편광과 상기 기준 광신호의 TE 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 복수 개의 광신호를 출력하는 제1 커플러; 상기 수신 광신호의 TM 편광과 상기 기준 광신호의 TM 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 복수 개의 광신호를 출력하는 제2 커플러; 및 각각에, 상기 제1 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나와 상기 제2 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나가 함께 주입되어 광전류를 검출하는 포토다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

코히어런트 광 수신기{Coherent optical receiver}

본 발명은 WDM-PON에서의 광 검출에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수신 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하고 동일한 편광의 기준 광신호와 결합하여 포토다이오드에서 광전류를 검출하는 코히어런트 광 수신기에 관한 것이다.

WDM-PON(Wavelength Division Multiplexing-Passive Optical Network, 파장 분할 다중화 수동형 광 네트워크)은 통신 서비스 제공자 측의 전화국(CO; Central Office)의 광선로 종단 장치(OLT; Optical Line Terminal)와 가입자 측의 광선로 가입자 장치(ONU; Optical Network Unit) 간을 수동 광소자로 연결하고, 다중화된 각종 데이터를 광신호에 실어서 각 광선로 가입자 장치(ONU)에 분배해 전송하는 네트워크를 말한다.

최근에 활발한 논의가 이루어지고 있는 레이저 씨드광(laser seed lightwave) 기반의 WDM-PON 시스템을 살펴보면, 전화국 측에서는 레이저 광원을 씨드광으로 사용하고 가입자 측에서는 반사형 반도체 광증폭기(R-SOA;Reflective Semiconductor Optical/Amplifier) 등 반사형 변조기를 사용해 상향신호를 변조 및 증폭하는 방식으로 구현된다.

한편, 코히어런트 검출(coherent detection) 방식은 수신 광신호를 파장, 편광, 위상이 일치하는 기준 광(reference 광)과 혼합해 포토 다이오드에서 광전류를 검출하는 방식으로서, 미약한 수신 광신호로부터 전송 신호를 복구할 수 있는 장점이 있다.

코히어런트 검출(coherent detection) 방식에서 수신 광신호의 편광 및 위상을 알기 어려우므로, 수신 광신호를 TE 및 TM 모드의 편광으로 분리하고 각각에 동일한 광 세기를 갖는 TE 및 TM 모드의 기준 광신호를 결합한 후 전기 신호로 변환하여 이를 각각 신호처리한 후 다시 결합함으로써 수신 광신호의 편광 상태에 무관하게 코히어런트 검출에 의해 광신호를 수신하는 기법이 있다.

도 1은 이러한 기법에 따른 코히어런트 광 수신기의 예를 나타내는 구성도이다. 도 1을 참조하면, 도시된 바와 같이 수신 광신호가 편광 빔 스플리터(10)에 의해 TE 편광 및 TM 편광으로 분리되고 기준 광신호가 편광 빔 스플리터(11)에 의해 TE 편광 및 TM 편광으로 분리된다. 여기서, TE 편광과 TM 편광은 동일한 세기로 분리된다. 수신 광신호의 TE 편광과 기준 광신호의 TE 편광은 3X3 커플러(20)에 주입되어 결합된 후 3개의 출력단으로 출력되어 포토다이오드들(30)에 의하여 각각 전기 신호로 변환되고, 이 전기 신호들은 전기 신호 간의 차 신호를 생성하는 감산기들(40)에 입력되고, 감산기들(40)의 출력은 감산기(42) 및 증폭기(43)를 통과한 후 인페이스 신호 I(t)_TE 및 쿼드러쳐 신호 Q(t)_TE가 출력된다. 감산기(42)로부터의 인페이스 신호 I(t)_TE와 증폭기(43)로부터의 쿼드러쳐 신호 Q(t)_TE는 각각 디퍼렌셜 디코더(50)에 의해 디퍼렌셜 디코딩되어 가산기(60)에 의해서 합해진다.

수신 광신호의 TM 편광과 기준 광신호의 TM 편광도 TE 편광과 마찬가지로, 3X3 커플러(21), 포토다이오드들(31), 감산기들(41), 감산기(44) 및 증폭기(45), 디퍼렌셜 디코더(51), 가산기(61)에 의해 수신 광신호의 TE 편광과 기준 광신호의 TE 편광과 마찬가지로 처리된다. 가산기(60)로부터의 TE 편광과 가산기(61)로부터의 TM 편광은 가산기(70)에 의해 합해진다. 이와 같이 하여 수신 광신호의 편광 상태에 무관하게 코히어런트 검출에 의해 광신호를 수신할 수 있다.

상기된 코히어런트 광 수신기에 의하면, TE 편광을 처리하는 측에 3개의 포토다이오드들(30)과 TM 편광을 처리하는 측에 3개의 포토다이오드들(31)의 총 6개의 포토다이오드가 요구된다. 따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 포토다이오드의 개수를 줄일 수 있는 코히어런트 광 수신기를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 코히어런트 광 수신기는, 수신 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하는 제1 편광 빔 스플리터; 기준 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하는 제2 편광 빔 스플리터; 상기 수신 광신호의 TE 편광과 상기 기준 광신호의 TE 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 복수 개의 광신호를 출력하는 제1 커플러; 상기 수신 광신호의 TM 편광과 상기 기준 광신호의 TM 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 복수 개의 광신호를 출력하는 제2 커플러; 및 각각에, 상기 제1 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나와 상기 제2 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나가 함께 주입되어 광전류를 검출하는 포토다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 코히어런트 광 수신기는, 상기 제1 편광 빔 스플리터 또는 상 기 제2 편광 빔 스플리터 중 어느 하나와 상기 제1 커플러 또는 상기 제2 커플러 중 어느 하나 사이에 구비되어 광신호의 위상을 천이시키는 위상 천이기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는 각각 3X3 커플러일 수 있다. 여기서, 상기 제1 3X3 커플러는 서로 위상차를 가지는 제1 내지 제3 광신호를 출력하고, 상기 제2 3X3 커플러는 서로 위상차를 가지는 제4 내지 제6 광신호를 출력할 수 있다. 여기서, 상기 포토다이오드들은, 상기 제1 광신호와 상기 제4 광신호가 함께 주입되는 제1 포토다이오드; 상기 제2 광신호와 상기 제5 광신호가 함께 주입되는 제2 포토다이오드; 및 상기 제3 광신호와 상기 제6 광신호가 함께 주입되는 제3 포토다이오드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 위상 천이기의 위상 천이 값은 수신 광신호와 기준 광신호의 경로차에 의한 위상차가 2π 의 정수배가 되도록 조정될 수 있다.

또한, 상기 코히어런트 광 수신기는 상기 제1 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나와 상기 제2 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나를 결합하는 멀티모드 도파로를 더 포함할 수 있다.

상기된 본 발명에 의하면, 코히어런트 검출 방식의 광 수신기에서 포토다이오드의 개수를 줄일 수 있어, 시스템의 소형화 및 저비용화에 기여할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 수신기의 구성도를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 코히어런트 광 수신기는 제1 및 제2 편광 빔 스플리터(111, 112), 제1 및 제2 3X3 커플러(121, 122), 제1 내지 제3 포토다이오드(131, 132, 133), 제1 내지 제3 감산기(141, 142, 143), 제4 감산기(151), 증폭기(152), 제1 및 제2 디퍼렌셜 디코더(161, 162), 가산기(170), 위상 천이기(180)를 포함하여 이루어진다.

제1 편광 빔 스플리터(111)는 수신 광신호를 TE 편광 및 TM 편광으로 분리하고, 제2 편광 빔 스플리터(112)는 기준 광신호를 TE 편광 및 TM 편광으로 분리한다. 제1 편광 빔 스플리터(111)로부터의 수신 광신호의 TE 편광 및 제2 편광 빔 스플리터(112)로부터의 기준 광신호의 TE 편광은 제1 3X3 커플러(121)로 입력되고, 제1 편광 빔 스플리터(111)로부터의 수신 광신호의 TM 편광 및 제2 편광 빔 스플리터(112)로부터의 기준 광신호의 TM 편광은 제2 3X3 커플러(122)로 입력된다. 제1 3X3 커플러(121)는 입력되는 수신 광신호의 TE 편광과 기준 광신호의 TE 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 세 광신호를 출력하고, 제2 3X3 커플러(122)는 입력되는 수신 광신호의 TM 편광과 기준 광신호의 TM 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 세 광신호를 출력한다.

제1 3X3 커플러(121)로부터의 세 광신호는 각각 제1 내지 제3 포토다이오드(131, 132, 133)로 주입되고, 또한 제2 3X3 커플러(122)로부터의 세 광신호도 각각 제1 내지 제3 포토다이오드(131, 132, 133)로 주입된다. 즉, 제1 내지 제3 포토다이오드(131, 132, 133)에는 각각 제1 3X3 커플러(121)로부터의 광신호와 제2 3X3 커플러(122)로부터의 광신호가 함께 주입되어 광전류가 검출된다.

여기서, 검출되는 광전류를 최대로 하기 위하여 제2 편광 빔 스플리터(112)와 제2 3X3 커플러(122) 사이에 구비되는 위상 천이기(180)가 기준 광신호의 TM 편광을 미리 정해진 위상만큼 천이시킨다. 다만, 위상 천이기는 제2 편광 빔 스플리터(112)와 제1 3X3 커플러(121) 사이에 구비되어 기준 광신호의 TE 편광을 위상 천이시키도록 할 수 있으며, 또한, 제1 편광 빔 스플리터(111)와 제1 3X3 커플러(121) 사이 또는 제1 편광 빔 스플리터(111)와 제2 3X3 커플러(122) 사이에 구비되어 수신 광신호의 TE 편광 또는 수신 광신호의 TM 편광을 위상 천이시키도록 할 수도 있다.

수신 광신호와 기준 광신호가 각각

,

로 나타내어질 때, 편의상 도시된 바와 같이 제1 3X3 커플러(121)의 세 출력단을 1, 2, 3, 제2 3X3 커플러(122)의 세 출력단을 4, 5, 6이라 하고, 각 출력단의 광신호로부터 검출되는 광전류를 I₁(t), I₂(t), I₃(t), I₄(t), I₅(t), I₆(t)라 하면, TE 편광 신호인 I₁(t), I₂(t), I₃(t)는 다음 수학식 1 내지 3 과 같이 표현되고, TM 편광 신호인 I₄(t), I₅(t), I₆(t)는 다음 수학식 4 내지 6과 같이 표현된다.

상기 수학식 4 내지 6에서, α 는 수신 광신호와 기준 광신호가 다른 광경로로 진행함으로 인해 발생하는 위상차를 나타내고, 이 위상차는 위상 천이기(180)의 위상 천이 값을 조정함으로써 임의로 설정할 수 있다.

도시된 바와 같이, 제1 포토다이오드(131)에 제1 3X3 커플러(121)의 출력단 1로부터의 광신호와 제2 3X3 커플러(122)의 출력단 4로부터의 광신호가 함께 주입되고, 제2 포토다이오드(132)에 제1 3X3 커플러(121)의 출력단 2로부터의 광신호와 제2 3X3 커플러(122)의 출력단 5로부터의 광신호가 함께 주입되고, 제3 포토다이오드(133)에 제1 3X3 커플러(121)의 출력단 3으로부터의 광신호와 제2 3X3 커플러(122)의 출력단 6로부터의 광신호가 함께 주입되면, 제1 포토다이오드(131)에서는 I₁(t)+I₄(t)가, 제2 포토다이오드(132)에서는 I₂(t)+I₅(t)가, 제3 포토다이오드(133)에서는 I₃(t)+I₆(t)가 검출된다.

제1 감산기(141)는 제1 포토다이오드(131)의 출력과 제3 포토다이오드(133)의 출력 간의 차 신호를 생성하고, 제2 감산기(142)는 제2 포토다이오드(132)의 출력과 제1 포토다이오드(131)의 출력 간의 차 신호를 생성하고, 제3 감산기(143)는 제3 포토다이오드(133)의 출력과 제2 포토다이오드(131)의 출력 간의 차 신호를 생성한다.

따라서 제1 내지 제3 감산기(141, 142, 143)의 출력은 다음 수학식 7 내지 9와 같이 표현된다.

제4 감산기(151)는 제2 감산기(142)와 제3 감산기(143)의 출력 간의 차 신호를 생성한다. 제4 감산기(151)의 출력은 TE 편광과 TM 편광이 합쳐진 인페이스(in-phase) 신호가 되며, 다음 수학식과 같이 표현된다.

여기서, a는 수신 광신호의 TE 편광과 TM 편광의 파워의 비를 나타낸다.

증폭기(152)는 제1 감산기(141)의 출력을

의 이득으로 증폭한다. 증폭기(152)의 출력은 TE 편광과 TM 편광이 합쳐진 쿼드러쳐(quadrature) 신호가 되며, 다음 수학식과 같이 표현된다.

제1 및 제2 디퍼렌셜 디코더(161, 162)는 입력되는 신호와 입력되는 신호가 소정 시간(T)만큼 지연된 신호를 배타적 논리합 시킴으로써 디퍼렌셜 디코딩을 수행한다. 제1 및 제2 디퍼렌셜 디코더(161, 162)의 출력이 가산기(170)에 의해 합쳐짐으로써 원래 송신하고자 했던 신호가 복원된다.

수신되는 광전류의 값이 최대가 되도록 하기 위하여, 수신되는 광전류의 파워

를 구하면 다음 수학식과 같다.

상기 수학식 12로부터, 수신되는 광전류의 파워는 수신 광신호와 기준 광신호의 경로차에 의한 위상차 α 가 2π 의 정수배가 될 때 최대가 됨을 알 수 있다. 이미 설명한 바와 같이 상기 위상차 α 는 위상 천이기(180)의 천이 위상 값을 조정함으로써 원하는 값으로 설정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코히어런트 광 수신기의 구성도를 나타낸다. 본 실시예는 도 2에서 설명한 구성에 두 광신호를 결합하여 포토다이오드에 주입시키기 위한 제1 내지 제3 멀티모드 도파로(191, 192, 193)가 추가된 구성이다. 제1 내지 제3 멀티모드 도파로는 각각 제1 3X3 커플러(121)로부터의 광신호와 제2 3X3 커플러(122)로부터의 광신호를 결합하여 제1 내지 제3 포토다이오드(131, 132, 133)에 주입시킨다.

상술한 본 발명에 의하면, 도 1에 도시된 코히어런트 광 수신기의 구성과 비교할 때, 포토다이오드의 개수가 절반으로 줄어들며, 나아가, 포토다이오드 후단의 각종 감산기, 증폭기, 디퍼렌셜 디코더, 가산기 등도 절반으로 줄어들어 시스템의 소형화 및 저비용화에 기여할 수 있게 된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 상기 제1 3X3 커플러(121) 및 제2 3X3 커플러(122)는 2X2 커플러 또는 4X4 커플러일 수 있으며, 이 경우 각 커플러는 2 또는 4의 서로 위상차를 가지는 광신호를 출력하고, 각 커플러로부터의 광신호가 함께 포토다이오드에 주입된다. 그리하여 2X2 커플러인 경우, 2개의 다이오드로, 4X4 커플러인 경우 4개의 다이오드로 코히어런트 검출을 수행할 수 있게 된다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 코히어런트 검출 방식의 광 수신기의 예를 나타내는 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 코히어런트 광 수신기의 구성도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 코히어런트 광 수신기의 구성도를 나타낸다.

Claims

수신 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하는 제1 편광 빔 스플리터;

기준 광신호를 TE 편광과 TM 편광으로 분리하는 제2 편광 빔 스플리터;

상기 수신 광신호의 TE 편광과 상기 기준 광신호의 TE 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 복수 개의 광신호를 출력하는 제1 커플러;

상기 수신 광신호의 TM 편광과 상기 기준 광신호의 TM 편광을 결합하여 서로 위상차를 가지는 복수 개의 광신호를 출력하는 제2 커플러; 및

각각에, 상기 제1 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나와 상기 제2 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나가 함께 주입되어 광전류를 검출하는 포토다이오드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 수신기.
제1항에 있어서,

상기 제1 편광 빔 스플리터 또는 상기 제2 편광 빔 스플리터 중 어느 하나와 상기 제1 커플러 또는 상기 제2 커플러 중 어느 하나 사이에 구비되어 광신호의 위상을 천이시키는 위상 천이기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 수신기.
제1항에 있어서,

상기 제1 커플러 및 상기 제2 커플러는 각각 3X3 커플러인 것을 특징으로 하 는 코히어런트 광 수신기.
제3항에 있어서,

상기 제1 3X3 커플러는 서로 위상차를 가지는 제1 내지 제3 광신호를 출력하고, 상기 제2 3X3 커플러는 서로 위상차를 가지는 제4 내지 제6 광신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 수신기.
제4항에 있어서,

상기 포토다이오드들은,

상기 제1 광신호와 상기 제4 광신호가 함께 주입되는 제1 포토다이오드;

상기 제2 광신호와 상기 제5 광신호가 함께 주입되는 제2 포토다이오드; 및

상기 제3 광신호와 상기 제6 광신호가 함께 주입되는 제3 포토다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 수신기.
제2항에 있어서,

상기 위상 천이기의 위상 천이 값은 수신 광신호와 기준 광신호의 경로차에 의한 위상차가 2π 의 정수배가 되도록 조정된 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 수신기.
제1항에 있어서,

상기 제1 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나와 상기 제2 커플러로부터의 복수 개의 광신호 중 하나를 결합하는 멀티모드 도파로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코히어런트 광 수신기.