KR20130099695A - 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치 - Google Patents

파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치에 관한 것으로, 입력된 다수의 광신호들을 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가 배열되는 배열 도파로를 통해 위상차를 발생시켜 출력하고, 이를 커플링하여 출력함으로써 광신호의 최대 보강 간섭 또는/및 상쇄 간섭 효과에 의해 파장 다중화와 역다중화가 동시에 수행되도록 한 것이다.

Description

파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치{Array waveguide grating router integrated wave multiplexing and wave demultiplexing}
본 발명은 파장 다중화 및 역다중화 기술에 관련한 것으로, 특히 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치에 관한 것이다.
파장 다중화 기반의 광통신 시스템에서는 각 파장 채널의 신호 품질을 감시할 필요가 있다. 이를 위해서는 파장 다중화된 신호에서 개별 채널을 분리해내는 방법이 필요하다. 이러한 방법 중의 하나로 다중화된 신호의 전체 광전력(optical power) 중 일부를 갈라 역다중화 장치에 입력한 후, 역다중화된 각각의 신호를 감시하는 방법을 생각할 수 있다.
특히, 역다중화를 위해서 다중화에 사용되는 장치를 역방향으로 연결하는 방법을 적용할 수 있다. 그러나, 이 방법은 동일한 두 개의 장치를 이용하므로 비용이 상승하고 시스템 내의 공간을 더 사용하게 된다. 만약, 한 개의 장치로 파장 다중화 및 역다중화를 동시에 수행할 수 있다면 비용 및 시스템 공간 활용 측면에서 효율을 높일 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 취지하에 발명된 것으로, 고차 격자 수를 이용하지 않으며, 파장 중첩의 문제도 없는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가 광신호 입력을 위한 다수의 입력 채널 도파로와, 다수의 입력 채널 도파로로부터 입력된 광신호들의 위상차를 발생시키는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가 배열되는 배열 도파로와, 배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로로부터 출력되는 광신호가 커플링되어 출력되는 출력 채널 도파로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가 특정의 입력 채널 도파로를 통해 파장 다중화된 광신호를 입력받고, 배열 도파로에 배열되는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로를 통해 파장 다중화된 광신호를 각각 특정 양만큼의 위상차를 가지는 다수의 광신호로 변환하고, 배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호들의 최대 보강 간섭 및 상쇄 간섭 효과에 의해 서로 다른 파장을 갖는 다수의 광신호를 각각 다수의 출력 채널 도파로를 통해 출력함으로써 파장 역다중화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가 다수의 입력 채널 도파로를 통해 각각 서로 다른 파장의 광신호를 입력받고, 배열 도파로에 배열되는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로를 통해 각각 서로 다른 파장의 광신호를 각각 특정 양만큼의 위상차를 가지는 다수의 광신호로 변환하고, 배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호들의 최대 보강 간섭 효과에 의해 모든 파장의 광신호가 최대로 커플링된 광신호를 다수의 출력 채널 도파로 중 어느 하나를 통해 출력함으로써 파장 다중화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 한 개의 장치로 파장 다중화와 역다중화를 동시에 수행할 수 있으므로, 광통신 시스템 적용시에 비용 및 공간을 절약할 수 있는 유용한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고차 격자 수를 이용하지 않으며, 파장 중첩의 문제도 없고, 파장 다중화된 신호의 파장별 감시를 위한 효과적인 역다중화 기능을 제공할 수 있으며, 상이한 두 파장 대역의 신호를 동시에 다중화하고 역다중화하는 기능을 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 일 실시예에 따른 블럭도이다.
도 2 는 2N+1 이상의 채널을 가지도록 구현한 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 파장 다중화 또는 역다중화 동작을 도시한 도면이다.
도 3 은 파장 다중화 및 파장 역다중화가 중심 채널을 기준으로 낮은 파장에 해당하는 채널에 적용된 예를 도시한 도면이다.
도 4 는 2N+1개 채널을 가지는 경우의 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 다중화된 광신호의 파장 감시를 수행하는 예를 도시한 도면이다.
도 5 는 설계 기준 파장이 이동된 경우의 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 다중화된 신호의 파장 감시를 수행하는 예를 도시한 도면이다.
도 6 은 한 쌍의 입출력 채널에 대한 투과 스펙트럼의 순환 특성의 예를 도시한 도면이다.
도 7 은 채널 수가 2N+1 개인 경우, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 광 스펙트럼의 예를 도시한 도면이다.
도 8 은 설계 기준 파장이 이동된 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 광 스펙트럼의 예를 도시한 도면이다.
도 9 는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가 두 개 이상의 밴드(band)에 대해서 파장 다중화 및 감시를 동시에 수행하는 예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들은 본 발명 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
파장 다중화 및 역다중화를 위해서 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating) 또는 박막 필터(Thin Film Filter) 이외에도 다양한 기술이 적용될 수 있지만, 다채널, 소형화, 안정성 등의 측면에서 유리한 평판형 도파로(planar waveguide) 기술 기반의 파장 다중화 및 역다중화 소자가 주로 사용되고 있다.
평판형 도파로 기술 기반의 소자를 이용하여 한 개의 장치로 파장 다중화 및 역다중화를 동시에 구현하는 방법으로 배열 도파로 격자(AWG : Array Waveguide Grating)의 고차 격자 수(higher grating order) 성질을 이용할 수 있다. 이 방법은 배열 도파로 격자(AWG)의 설계 변경만으로 구현할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 고차수의 회절 신호가 도파로 경로를 왕복하므로 주(主)신호와 중첩되어 누화(crosstalk)를 발생시키는 문제가 있다. 또한, 고차 수를 이용하기 위해서는 자유 빛띠 범위(FSR : Free Spectral Range)를 줄이거나 평면 도파로(slab waveguide)의 크기를 키워야 하는 문제가 발생한다.
자유 빛띠 범위(FSR)를 줄이면 수용 파장 대역이 좁아져 가용 채널 수가 줄어들게 된다. 한편, 평면 도파로가 커지게 되면 소자의 크기가 커질 수 있으므로 정밀한 설계가 필요하다.
따라서, 본 발명은 파장 다중화와 및 파장 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터(AWGR : Array Waveguide Grating Router)를 제안한다. 배열 도파로 격자 라우터(AWGR)는 일대다 또는 다대일인 배열 도파로 격자(AWG)와 달리 다대다의 입출력 구조를 가지고 있다.
복수 개의 입력 채널 도파로로 입력된 복수 개의 파장은 복수 개의 출력 채널 도파로로 중 어느 하나로 다중화되어 나가고, 복수 개의 입력 채널 도파로 중 하나로 입력된 복수개의 파장이 다중화된 신호는 각각 복수 개의 출력 채널 도파로로 역다중화되어 나간다.
도 1 은 본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 일 실시예에 따른 블럭도이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 다수의 입력 채널 도파로(110)와, 배열 도파로(120)와, 다수의 출력 채널 도파로(130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
다수의 입력 채널 도파로(110)를 통해서는 광신호가 입력된다. 이 때, 파장 역다중화가 수행될 경우, 특정의 입력 채널 도파로(110)를 통해 파장 다중화된 광신호가 입력된다. 한편, 파장 다중화가 수행될 경우, 다수의 입력 채널 도파로(110)를 통해 각각 서로 다른 파장의 광신호가 입력된다.
배열 도파로(120)는 다수의 입력 채널 도파로(110)로부터 입력된 광신호들의 위상차를 발생시키는 서로 일정한 길이 차이(ΔL)를 가지는 다수의 도파로가 배열된다. 광 간섭은 광 경로의 길이, 매질의 굴절률, 광의 파장 또는 주파수 등에 의존하므로, 서로 일정한 길이 차이(ΔL)를 가지는 다수의 도파로를 배열한 배열 도파로(120)를 사용함으로써 광 경로의 길이를 변화시킨다.
이 때, 파장 역다중화가 수행될 경우, 배열 도파로(120)에 배열되는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가 특정의 입력 채널 도파로(110)를 통해 입력되는 파장 다중화된 광신호를 각각 특정 양만큼의 위상차를 가지는 다수의 광신호로 변환한다.
한편, 파장 다중화가 수행될 경우, 배열 도파로(120)에 배열되는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가 다수의 입력 채널 도파로(110)를 통해 입력되는 각각 서로 다른 파장의 광신호를 각각 특정 양만큼의 위상차를 가지는 다수의 광신호로 변환한다.
다수의 출력 채널 도파로(130)는 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로로부터 출력되는 광신호가 커플링되어 출력된다. 이 때, 파장 역다중화가 수행될 경우, 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호들의 최대 보강 간섭 및 상쇄 간섭 효과에 의해 서로 다른 파장을 갖는 다수의 광신호를 다수의 출력 채널 도파로(130)가 각각 출력한다.
즉, 파장 역다중화가 수행될 경우에는, 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호가 다수의 출력 채널 도파로(130)를 통해 파장 역다중화되어 출력된다.
한편, 파장 다중화가 수행될 경우, 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호들의 최대 보강 간섭 효과에 의해 모든 파장의 광신호가 최대로 커플링된 광신호를 다수의 출력 채널 도파로(130) 중 어느 하나가 출력한다.
즉, 파장 다중화가 수행될 경우에는, 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호가 특정 출력 채널 도파로(130)를 통해 파장 다중화되어 출력된다.
만약, 배열 도파로(120)에 M개의 도파로가 일정한 길이 차이(ΔL)를 갖도록 배치되고, 배열 도파로의 각 도파로로 동일한 파장(λ)을 가진 광이 입사되었다면, 배열 도파로의 각 도파로로부터 출력되는 광은 동일한 파장(λ)을 가지나, 지연(delay) 전파에 의해 일정한 양만큼(neff * ΔL / λ) 위상이 차이가 나는 M개의 광이 출력된다. 여기서, neff는 배열 도파로의 유효 굴절률이다.
배열 도파로(120)의 M개의 도파로에서 출력된 M개의 광은 출력 채널 도파로(130) 입구에서 만나 간섭을 일으킨다. 만약, p번째(0 ≤ p ≤ N) 입력 채널 도파로(110)에서 입사되어 q번째(0 ≤ q ≤ M) 배열 도파로(120)를 지나 r번째(0 ≤ r ≤ N) 출력 채널 도파로(130) 입구에 도착한 광과, p번째 입력 채널 도파로(110)에서 입사되어 q'번째(0 ≤ q' ≤ M, q ≠ q') 배열 도파로(120)를 지나 r번째 출력 채널 도파로 입구 도착한 광이 동위상(in-phase)이면 최대로 보강 간섭하면서 r번째 출력 채널 도파로(130)에 커플링되어 입력된다.
만약, 두 광의 위상이 맞지 않다면(out-of-phase) 상쇄 간섭이 발생하여 광의 세기(power)가 약해진 상태로 r번째 출력 채널 도파로(130)에 커플링되어 입력된다.
p번째 입력 채널 도파로(110)에서 r번째 출력 채널 도파로(130)에 도달하는 광의 경로는 M가지이므로, M개의 광이 총체적으로 간섭한 후 출력 채널 도파로(130)에 커플링된다.
위와 같은 간섭은 광경로의 길이, 매질의 굴절률, 광의 파장(주파수) 등에 의존한다. 이중에서 파장 의존성을 이용하여 어떤 파장에서는 r번째 출력 채널 도파로(130)에 최대 보강 간섭이 발생하지만, 다른 파장에서는 그렇지 않게 제어할 수 있다.
즉, 파장에 따라 출력 채널 도파로(130)에 입력되는 광의 강도(intensity)가 달라지도록 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로들의 길이 차이를 조절하여 광의 위상차를 조절하면, N개의 출력 채널 도파로(130)에 서로 다른 N개의 파장을 갖는 광이 각각 구별되어 최대의 세기로 커플링되도록 할 수 있다. 이 과정이 파장 역다중화이다. 통상적으로, 입력되는 N개 광의 파장 간격은 Δλ의 일정한 값을 갖도록 설정한다.
한편, 파장 다중화 동작은 파장 역다중화 동작의 가역(可逆, reversible) 동작이다. 만약, 서로 다른 파장을 갖는 N개 광을 N개의 입력 채널 도파로(110)에 각각 구별하여 입력하면, 출력 채널 도파로(130)에 모든 광이 최대의 강도로 커플링된다. 이 과정이 파장 다중화이다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)가 다수의 입력 평면 도파로(140)를 더 포함할 수 있다.
다수의 입력 평면 도파로(140)는 자유 전파 영역(free propagation region)으로, 다수의 입력 채널 도파로(110)에서 출력되는 광신호를 배열 도파로(120)로 공간적으로 자유 전파시키는 역할을 수행한다.
한편, 본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)가 다수의 출력 평면 도파로(150)를 더 포함할 수 있다.
다수의 출력 평면 도파로(150)는 자유 전파 영역(free propagation region)으로, 배열 도파로(120)에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호를 출력 채널 도파로(130)로 공간적으로 자유 전파시키는 역할을 수행한다.
도 1 에 도시한 본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(AWGR)는 배열 도파로 격자(AWG)의 역다중화 구조 즉, 일대다 구조와 배열 도파로 격자(AWG)의 다중화 구조 즉, 다대일 구조를 겹쳐 놓은 다대다 구조이다.
본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)의 다수의 입력 채널 도파로(110) 중, 특정 입력 채널 도파로에 파장 다중화된 광신호가 입력되면, 광신호가 역다중화되어 다수의 출력 채널 도파로(130)에서 각각 커플링되어 출력된다.
한편, 다수의 입력 채널 도파로(110)에 서로 다른 파장의 다수의 광신호가 입력되면, 다수의 출력 채널 도파로(130) 중 특정 출력 채널 도파로에서 광신호가 다중화되어 출력된다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 한 개의 장치로 파장 다중화와 역다중화를 동시에 수행할 수 있으므로, 광통신 시스템 적용시에 비용 및 공간을 절약할 수 있게 된다.
만약, 파장 역다중화 또는 파장 다중화를 수행하기 위해 N개의 입력 채널 도파로 또는 N개의 출력 채널 도파로 중에서 N이 짝수이고, N/2 또는 N/2 + 1, N이 홀수이면 (N+1)/2 번째에 해당하는 입력 채널 도파로 또는 출력 채널 도파로가 특정 입력 채널 도파로 또는 특정 출력 채널 도파로로 선택된다면, 즉 중심 또는 중심에 인접한 입력 채널 도파로 또는 출력 채널 도파로가 특정 입력 채널 도파로 또는 특정 출력 채널 도파로로 선택된다면, 이 중심 입력 채널 도파로 또는 중심 출력 채널 도파로의 광 파장에서 파장 중첩 또는 누화(crosstalk)의 문제가 발생하게 된다.
이 경우, 파장 다중화와 파장 역다중화를 동시에 수행하려고 하면, 다중화된 광신호를 출력하는 중심 출력 채널 도파로와, 역다중화를 위해 다중화된 광신호를 입력하는 중심 입력 채널 도파로가 일치하는 문제가 발생한다.
즉, 파장 다중화와 파장 역다중화 기능을 동시에 수행하려고 하면 특정 한 채널에 해당하는 파장을 사용할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해서 중심 채널에 광 써큘레이터(circulator) 또는 커플러(coupler) 및 광 아이솔레이터(isolator) 등을 적용할 수 있다. 그러나 이러한 소자들을 추가하면 중심 채널의 특성이 다른 채널에 비해 나빠지게 된다.
파장 중첩 또는 누화 문제가 발생하는 이유는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100) 구현시 중심 입력 채널 도파로와, 중심 출력 채널 도파로에 해당하는 파장을 설계의 기준 파장(reference wavelength)으로 하기 때문이다.
파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100) 구현시, 다음 식과 같은 위상 정합 조건(phase matching condition)이 사용된다.
nsδp in + neff * ΔL + nsδr out = k*λ
여기서, ns는 각각 입력 평면 도파로 및 출력 평면 도파로의 굴절률, neff는 배열 도파로의 유효 굴절률이고, δp in 및 δr out은 각각 p번째 입력 채널 도파로(110)에서 출발한 광이 배열 도파로(120)의 인접한 두 개의 도파로 입구에 도착할 때까지의 광 경로의 차이 및 배열 도파로(120)의 인접한 두 개의 배열 도파로에서 출발한 광이 r번째 출력 채널 도파로(130) 입구에 도착할 때까지의 광 경로의 차이이며, ΔL은 배열 도파로(120)의 인접 도파로간 길이의 차이, k는 격자 차수(grating order), λ는 광의 파장을 의미한다.
만약, 설계 기준 파장을 λref라 힐 때, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)의 λref를 중심 입력 채널 도파로 또는 중심 출력 채널 도파로의 파장 λc 즉, N/2 번째의 입력 채널 도파로 또는 출력 채널 도파로의 파장으로 설정한다면 파장 중첩 또는 누화 문제가 발생한다.
파장 중첩 또는 누화 문제가 없이 동시에 파장 다중화 및 파장 역다중화를 구현하기 위한 방법으로 도 2 와 같이 입력 채널 도파로(110) 및 출력 채널 도파로(130)의 수가 2N+1 이상이고, 자유 빛띠 범위(FSR)가 (2N+1) * Δλ 이상이 되도록 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치를 설계하는 것이다.
그리고, 파장 중첩이 발생하는 중심 입력 채널 도파로(N+1 번째 입력 채널 도파로)를 파장 역다중화의 입력으로만 사용하고, 파장 다중화의 입력으로는 사용하지 않도록 한다.
또한, 파장 중첩이 발생하는 중심 출력 채널 도파로(N+1 번째 출력 채널 도파로)를 파장 다중화의 출력으로만 사용하고, 파장 역다중화의 출력으로는 사용하지 않도록 한다.
이렇게 구현함에 의해 중심 입력 채널 도파로 및 중심 출력 채널 도파로의 파장(λcm, λcd)에는 파장 다중화 입력 및 파장 역다중화 출력을 위한 실제의 신호가 할당되지 않게 되어 파장 중첩의 문제가 발생되지 않는다. 도 2 에서 λcm 및 λcd는 실제 입력되는 광신호가 아니고, 파장 역다중화 및 파장 다중화를 설명하기 위해 필요한 가상 신호이다.
도 3 은 파장 다중화 및 파장 역다중화가 중심 입력 채널 도파로(N+1 번째 입력 채널 도파로) 및 중심 출력 채널 도파로(N+1 번째 출력 채널 도파로)를 기준으로 낮은 파장에 해당하는 Ch.1 부터 Ch.N 까지에 적용된 예를 도시한 도면이다. 한편, 본 발명은 중심 입력 채널 도파로(N+1 번째 입력 채널 도파로) 및 중심 출력 채널 도파로(N+1 번째 출력 채널 도파로)를 기준으로 높은 파장에 해당하는 Ch.(N+2) 부터 Ch.(2N+1)을 이용하여 서로 다른 파장을 갖는 N개의 신호를 파장 다중화하고 파장 역다중화할 경우에도 적용될 수 있다.
도 4 는 입력 채널 도파로의 수가 2N+1개, 출력 채널 도파로의 수가 2N+1개인 경우, 다중화된 광신호의 파장 감시를 수행하는 예를 도시한 도면이다. 중심 출력 채널 도파로(N+1 번째 출력 채널 도파로)로 다중화되어 출력된 광은 광 분할기(beam splitter)(200)에 의해 세기가 분할되어 λ1…λN' 및 λ1…λN''으로 나누어진다.
λ1…λN'은 파장 다중화된 광의 주 출력이고, λ1…λN''는 광신호의 파장 감시를 위해 분할된 신호로서 중심 입력 채널 도파로(N+1 번째 입력 채널 도파로)로 피드백되어 입력됨으로써 역다중화된다. 역다중화된 각 파장의 신호는 감시용 광검출기(photo detector)(300)에 입력되어 전기 신호로 변환된 후 파장 채널 감시 및 제어를 위한 후속 회로로 전달된다.
상기 광 분할기(200) 또는/및 광검출기(300)는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치와 일체로 또는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치의 외부에 별개의 장치로 구현될 수 있다.
도 5 는 설계 기준 파장이 이동된 경우, 다중화된 신호의 파장 감시를 수행하는 예를 도시한 도면이다. 특정 출력 채널 도파로 Ch.Lout으로 다중화되어 출력된 광은 광 분할기(beam splitter)(200)에 의해 세기가 분할되어 λ1…λN' 및 λ1…λN''으로 나누어진다. λ1…λN'은 파장 다중화된 과의 주 출력이고, λ1…λN''은 광신호의 파장 감시를 위해 분할된 신호로서 특정 입력 채널 도파로 Ch.Lin으로 피드백되어 입력됨으로써 역다중화 된다.
역다중화된 각 파장의 신호는 감시용 광검출기(photo detector)(300)에 입력되어 전기 신호로 변환된 후 파장 채널 감시 및 제어를 위한 후속 회로로 전달된다. 따라서, 가용 채널 수가 N개인 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치를 이용하여 C개(C ≤ N)의 서로 다른 파장을 갖는 신호를 감시하는 경우에 적용 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치는 두 개의 파장 대역에서 파장 다중화 및 역다중화를 수행하는 데 적용될 수도 있다.
파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 한 쌍의 입출력 채널을 기준으로 보았을 때 투과 스펙트럼(transmission spectrum)이 일정한 주기를 가지고 세기가 커지는 특성을 보인다. 이를 순환(cyclic) 특성이라 하고, 일정한 주기를 자유 빛띠 범위(FSR : Free Spectral Range)라고 부른다.
도 6 은 한 쌍의 입출력 채널에 대한 투과 스펙트럼의 순환 특성의 예를 보여준다. 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 파장 중첩을 방지하기 위해 자유 빛띠 범위(FSR)를 전체 채널의 대역보다 매우 크게 하지만, 통상의 경우에는 파장 라우팅을 위해 자유 빛띠 범위(FSR)를 전체 파장 대역과 맞춘다.
일 예로 100 GHz 간격의 32 채널을 수용하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 각 채널의 자유 빛띠 범위(FSR)를 3.2 THz로 맞추면 파장 중첩이 없는 파장 순환 특성이 나타난다.
본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)의 채널 수가 2N+1일 경우, 자유 빛띠 범위(FSR)는 (2N+1)*Δλ이상이다. 즉, 적용되는 채널 수 N 보다 약 두 배를 초과할 만큼 넓은 자유 빛띠 범위(FSR)를 갖는다. 한편, 채널 수가 2N+1+α인 경우에는 자유 빛띠 범위(FSR)가 (2N+1+α)*Δλ 이상이다. 여기서 α는 자연수이다.
한편, 설계 중심 파장이 이동된 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)의 경우, λref < λ1일 때 FSR > |λN d - λref d| 및 FSR > |λN m - λref m|인 특성을 갖는다. 한편, λref > λN일 때는 경우에는 FSR > |λ1 d - λref d| 및 FSR > |λ1 m - λref m|인 특성을 갖는다.
도 7 은 채널 수가 2N+1 개인 경우, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)를 이용해 Ch.1in 부터 Ch.Nin 까지 N 개의 채널을 이용하여 광신호를 파장 다중화했을 경우 출력 채널(Ch.(N+1)out)에서 관찰할 수 있는 광 스펙트럼을 보여준다.
광 스펙트럼 중 인접한 하나의 무리를 A-밴드(band)라 하고 A-밴드(band)의 순환 특성으로 나타나는 다른 하나의 무리를 B-밴드(band)라 하면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 A-밴드(band) 또는 B-밴드(band)를 선택적으로 파장 다중화 또는 파장 역다중화할 수 있다.
또한, 순환 특성은 계속 반복되므로 여러 밴드(band)의 광신호를 선택적으로 파장 다중화 또는 파장 역다중화할 수 있다. Ch.(N+1)in의 관점에서 바라보면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 여러 밴드(band)의 신호를 선택적으로 파장 다중화 또는 파장 역다중화할 수 있다.
파장 다중화 및 파장 역다중화의 모든 동작은 가역이므로, Ch.1out 부터 Ch.Nout 각각에 해당하는 파장 다중화된 신호가 Ch.(N+1)in으로 입력될 수 있다. 즉, A-밴드(band) 신호가 다중화되어 Ch.(N+1)out으로 출력되고, B-밴드(band)의 신호가 다중화되어 Ch.(N+1)in으로 출력되는 동작이 가능하다.
이와 같은 파장 다중화 및 파장 역다중화의 동작을 조합하면 A-밴드 및 B-밴드 다중화, A-밴드 다중화 및 B-밴드 역다중화, A-밴드 역다중화 및 B-밴드 다중화, A-밴드 및 B-밴드 역다중화 등 다양한 파장 다중화 및 파장 역다중화의 동시 동작에 대한 조합이 가능하다.
도 8 은 설계 기준 파장이 이동된 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)를 이용하여 N개의 입력 채널에 광신호를 입력하여 파장 다중화했을 경우 출력 채널(Ch.Lout)에서 관찰할 수 있는 광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
광 스펙트럼 중 인접한 한 무리를 A-밴드(band)라 하고 A-밴드의 순환 특성으로 나타나는 한 무리를 B-밴드(band)라 하면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 A-밴드 또는 B-밴드를 선택적으로 파장 다중화 또는 파장 역다중화할 수 있다.
또한, 순환 특성은 계속 반복되므로 여러 밴드(band)의 광신호를 선택적으로 파장 다중화 또는 파장 역다중화할 수 있다. Ch.Lin의 관점에서 바라보면, 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 여러 밴드 (band)의 신호를 선택적으로 역다중화 할 수 있다.
파장 다중화 및 파장 역다중화의 모든 동작은 가역이므로, Ch.1out 부터 Ch.Nout 각각에 해당하는 파장 다중화된 신호가 Ch.Lin으로 입력될 수 있다. 즉, A-밴드(band) 신호가 다중화되어 Ch.Lout으로 출력되고, B-밴드(band)의 신호가 다중화되어 Ch.Lin으로 출력되는 동작이 가능하다.
이와 같은 파장 다중화 및 파장 역다중화의 동작을 조합하면 A-밴드 및 B-밴드 다중화, A-밴드 다중화 및 B-밴드 역다중화, A-밴드 역다중화 및 B-밴드 다중화, A-밴드 및 B-밴드 역다중화 등 다양한 파장 다중화 및 파장 역다중화의 동시 동작에 대한 조합이 가능하다.
λref > λN인 경우에는 Ch.Uin 및 Ch.Uout 을 이용하여 서로 상이한 밴드(band)의 신호에 대하여 다양한 조합의 파장 다중화 및 파장 역다중화 기능을 동시에 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)는 가용 대역을 N개의 파장 채널로 놓고, 그 중에서 C개(C ≤ N)의 서로 다른 파장을 가지는 광신호를 사용하는 경우에도 적용 가능하다.
채널 수가 2N+2개인 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)를 이용하여 도 9 와 같이 두 개 이상의 밴드(band)에 대해서 파장 다중화 및 감시를 동시에 수행할 수 있다. 이 경우 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치(100)의 Ch.0은 Ch.(N+2)부터 Ch.(2N+1)까지 할당된 광의 다중화 출력 및 역다중화 입력으로 사용된다. 도 9 에서 A-밴드(band)와 B-밴드(band)는 서로 같은 파장 조합일 수도 있고, 서로 다른 파장의 밴드(band)일 수도 있다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 한 개의 장치로 파장 다중화와 역다중화를 동시에 수행할 수 있으므로, 광통신 시스템 적용시에 비용 및 공간을 절약할 수 있다.
또한, 본 발명은 고차 격자 수를 이용하지 않으며, 파장 중첩의 문제도 없고, 파장 다중화된 신호의 파장별 감시를 위한 효과적인 역다중화 기능을 제공할 수 있으며, 상이한 두 파장 대역의 신호를 동시에 다중화하고 역다중화하는 기능을 제공할 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 의해 참조되는 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만, 이러한 기재로부터 후술하는 특허청구범위에 의해 포괄되는 범위내에서 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다.
본 발명은 파장 다중화 또는 파장 역다중화 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 배열 도파로 격자 라우터 장치 110 : 입력 채널 도파로
120 : 배열 도파로 130 : 출력 채널 도파로
140 : 입력 평면 도파로 150 : 출력 평면 도파로
200 : 광 분할기 300 : 광검출기

Claims (14)

  1. 광신호 입력을 위한 다수의 입력 채널 도파로와;
    상기 다수의 입력 채널 도파로로부터 입력된 광신호들의 위상차를 발생시키는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가 배열되는 배열 도파로와;
    상기 배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로로부터 출력되는 광신호가 커플링되어 출력되는 다수의 출력 채널 도파로를;
    포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    특정의 입력 채널 도파로를 통해 파장 다중화된 광신호를 입력받는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호가 다수의 출력 채널 도파로를 통해 파장 역다중화되어 출력되는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배열 도파로에 배열되는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가:
    특정의 입력 채널 도파로를 통해 입력되는 파장 다중화된 광신호를 각각 특정 양만큼의 위상차를 가지는 다수의 광신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 출력 채널 도파로가:
    배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호들의 최대 보강 간섭 및 상쇄 간섭 효과에 의해 서로 다른 파장을 갖는 다수의 광신호를 각각 출력하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    다수의 입력 채널 도파로를 통해 각각 서로 다른 파장의 광신호를 입력받는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호가 특정 출력 채널 도파로를 통해 파장 다중화되어 출력되는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 배열 도파로에 배열되는 서로 일정한 길이 차이를 가지는 다수의 도파로가:
    다수의 입력 채널 도파로를 통해 입력되는 각각 서로 다른 파장의 광신호를 각각 특정 양만큼의 위상차를 가지는 다수의 광신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다수의 출력 채널 도파로 중 어느 하나가:
    배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호들의 최대 보강 간섭 효과에 의해 모든 파장의 광신호가 최대로 커플링된 광신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    입력 채널 도파로 및 출력 채널 도파로의 수가 2N+1 이상이고, 자유 빛띠 범위(FSR)이 (2N+1) * Δλ(배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로의 일정한 길이 차이) 이상이 되도록 구현되고, 중심 입력 채널 도파로(N+1 번째 입력 채널 도파로)는 파장 역다중화의 입력으로만 사용되고, 파장 다중화의 입력으로는 사용되지 않고, 중심 출력 채널 도파로(N+1 번째 출력 채널 도파로)는 파장 다중화의 출력으로만 사용되고, 파장 역다중화의 출력으로는 사용되지 않는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    중심 출력 채널 도파로로 다중화되어 출력된 광의 세기를 분할하고, 광의 세기가 분할된 다중화된 광을 중심 입력 채널 도파로로 피드백하여 입력시키는 광 분할기를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    광 분할기에 의해 중심 입력 채널 도파로로 입력되어 역다중화된 각 파장의 광신호를 전기 신호로 변환하여 파장 채널 감시 및 제어를 위한 신호를 출력하는 다수의 광검출기를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    다수의 입력 채널 도파로에서 출력되는 광신호를 배열 도파로로 공간적으로 자유 전파시키기 위한 다수의 입력 평면 도파로를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치가:
    배열 도파로에 배열되는 다수의 도파로에서 출력되는 광신호를 출력 채널 도파로로 공간적으로 자유 전파시키기 위한 다수의 출력 평면 도파로를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 다중화 및 역다중화 기능이 통합된 배열 도파로 격자 라우터 장치.
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