KR20140056360A - 변조 가능 소스를 위한 다중 모드 광섬유 - Google Patents

변조 가능 소스를 위한 다중 모드 광섬유 Download PDF

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웨인 브이. 소린
마이클 르네 타이 탄
시-유안 왕
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘.피.
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Abstract

변조 가능 소스는 신호를 생성한다. 다중 모드 광섬유는 신호를 전파한다. 광섬유는, 광섬유 직경(d)과 광섬유 개구수(NA)의 곱에 대응하는, 실질적으로 1 미크론 라디안과 4 미크론 라디안 사이의 광섬유 d*NA에 연관된다. 전파된 신호를 수신기가 수신한다.

Description

변조 가능 소스를 위한 다중 모드 광섬유{MULTIMODE FIBER FOR MODULATABLE SOURCE}
본 발명은 변조 가능 소스를 위한 다중 모드 광섬유에 관한 것이다.
광섬유는 신호의 통신을 위해 이용될 수 있다. 단일 모드 광섬유(Single-Mode Fiber, SMF)는 연장된 전파 거리를 지원할 수 있지만, 높은 변조 속도(modulation rate)를 갖는 고속의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)에 의해 생성된 것과 같은 다중 모드 신호를 지원하지 못한다. 다중 모드 광섬유(MMF)는 다중 모드 신호를 지원할 수 있지만, 분산 제한 전파 효과(dispersion limiting propagation effect)로 인해 높은 변조 속도에서의 장거리에 걸친 신호의 전파를 지원하지 못한다.
본 발명의 실시예에 따라, 신호를 생성하는 변조 가능 소스(modulatable source)와, 신호를 전파하며, 광섬유 직경(d)과 광섬유 개구수(numerical aperture, NA)의 곱에 대응하는, 실질적으로 1 미크론 라디안과 4 미크론 라디안 사이의 광섬유 d*NA에 연관되는 다중 모드 광섬유와, 전파된 신호를 수신하는 수신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 예에 따른 소스 어레이, 광섬유 어레이, 및 광 콤포넌트를 포함하는 다중 모드 광섬유 시스템의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유와 함께 사용되는 에어 갭 커넥터의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 광 콤포넌트를 포함하는 다중 모드 광섬유 시스템의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 광 파워에 대한 차트이다.
도 6은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 개구수(numerical aperture)에 대한 차트이다.
도 7은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 클래딩(cladding)으로부터의 인덱스 프로파일 차이(index profile difference)에 대한 차트이다.
도 8은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 인덱스 및 모드 파워에 대한 차트이다.
도 9는 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유를 이용하여 신호를 전파하는 것을 기반으로 하는 흐름도이다.
이하에서는 제공된 예를 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다. 도면에서, 유사한 도면 부호는 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 나타낼 수도 있다.
본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유(MMF)는 기다란 전파 거리에 걸쳐 고속 통신을 위해 최적화될 수 있다. 통신은 고속의 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL)와 같은 레이저를 포함하는 다양한 광원을 수반할 수 있으며, 이러한 레이저는 높은 변조 속도를 갖고, 신호 소스에 연관된 780 nm, 850 nm, 980 nm, 1060 nm, 1300 nm, 및 기타 파장과 같은 파장으로 신호를 생성한다. 본 명세서에 설명된 일례의 광섬유 시스템은 다른 MMF보다 10배(a factor of 10) 이상 초과하는 신호 전파 거리를 제공할 수 있다. 본 발명의 예에 따른 최적화된 MMF는 장거리에 걸쳐 높은 변조 속도에서의 저비용 VCSEL 기반 통신을 가능하게 할 수 있으며, 또한 신호를 전파 및/또는 조작하는 것에 연관된 광 콤포넌트, 수신기, 디멀티플렉서, 스플리터(splitter), 커넥터 렌즈 등을 포함하는 광학 콤포넌트에서의 복잡도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유 시스템(100)의 블록도이다. 시스템(100)은 광섬유(104)에 의해 전파되고 수신기(106)에 의해 수신될 신호를 생성하기 위한 소스(102)를 포함할 수 있다.
소스(102)는 생성된 신호(108)를 통해 전송된 정보를 변조하도록 변조 가능한 것일 수 있다. 소스 직경(112) 및 소스 개구수(114)는 소스(102)에 연관되며, 소스 직경(112)과 소스 개구수(114)의 곱인 d*NA에 연관될 수 있다. 생성된 신호(108)는 광섬유(104)에 의해 수신된다.
소스(102)는 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL), 에지 발광 레이저, 단일 모드 레이저와 같은 레이저, 및 기타 변조 가능 소스를 포함할 수 있다. VCSEL은 높은 변조 속도가 가능한 공간적으로 다중 모드 소스이며, 단일 모드 광섬유(SMF)와 함께 사용되는 고가의 단일 모드 통신 레이저에 비하여 비용이 저렴하다. 그러나, VCSEL 소스는 SMF의 한계로 인해 SMF와 함께 사용하기에 아주 적합한 것은 아니다.
SMF는 범용의 전화통신 케이블링 시스템(구조화된 케이블링) 및/또는 TIA-598C 표준에 관한 국제 표준 ISO/IEC 11801과 같은 공지의 광섬유 표준에 따라 5 미크론(예컨대, 0.1 라디안의 개구수 및 계단형 인덱스 프로파일을 갖는)과 같은 비교적 작은 직경을 가질 수 있다. 그러므로, SMF는 부분적으로는 SMF에 의해 전체적으로 전파되지 않을 수도 있는 VCSEL 신호의 공간적 다중 모드 특성을 지원하지 못하는 성능으로 인해 VCSEL 소스와 함께 사용하기에는 이상적이지 못하다. 더욱이, SMF는 더욱 엄격한 정렬 공차 조건에 연관되어, SMF에 연관된 콤포넌트를 위한 비용 및 정렬 문제를 증가시킨다.
SMF와는 달리, 다중 모드 광섬유(MMF)는 소스에 의해 발생된 복수의 모드를 지원할 수 있다. 일례의 MMF는 50 미크론 또는 62.5 미크론 코어 직경(또는 그 이상)을 갖는 그레이디드 인덱스 파이버(Graded Index Fiber, GIF), 즉 50GIF 또는 62.5GIF이다. 그러나, 50GIF 및 62.5GIF MMF는 높은 변조 속도를 갖는 VCSEL 소스의 출현 전에 더 낮은 변조 속도를 갖는 발광 다이오드 소스와 함께 사용하기 위해 표준화된 것이다. 그러므로, 50GIF 및 62.5GIF MMF의 성능은 VCSEL 소스와 함께 사용될 때에는 자신의 상대적으로 낮은 대역폭-길이(BW*L) 곱에 의해 제한되었다. 예컨대, 50GIF OM4 광섬유("OM4 성능의 850-nm 레이저 최적화된, 50-㎛ 코어 직경/125-㎛ 클래딩 직경 클래스 Ia 그레이디드-인덱스 다중 모드 광섬유에 대한 상세 사양"으로 TIA-492-AAAD에 정의된 OM4)는 약 4.7 ㎓*km의 BW*L(대역폭-길이) 곱을 가질 수 있다. 이에 따라, 25 Gbps의 변조 및/또는 데이터 속도에서는, 전파 거리가 20 미터 미만으로 제한된다. 50 Gbps의 데이터 속도에서는, 50GIF OM4 광섬유는 전파 거리를 추가로 제한할 것이다. 62.5GIF MMF는 62.5GIF에 연관된 더 큰 코어 직경의 면에서 50GIF에 비하여 추가로 감소된 전파 거리를 나타낸다. VCSEL 소스에 의해 생성되고 50GIF/62.5GIF MMF와 함께 사용되는 신호는 분산 및 다른 부정적 작용에 의해 영향을 받게 되어, 50GIF/62.5GIF MMF와 함께 사용된 VCSEL 신호의 거리 및/또는 대역폭을 제한한다.
광섬유(104)는, SMF 및 50GIF 또는 62.5GIF MMF와는 달리, 변조 가능 소스(102)에 적합한 특성과 연관될 수 있다. 그러므로, 소스(102)는 높은 변조 속도(예컨대, 10 Gbps 및 그 이상의 속도)를 갖는 VCSEL 소스를 기반으로 할 수 있다. 광섬유(104)의 특성은 광섬유 직경(116) 및 광섬유 개구수(118)를 갖는 MMF 광섬유를 포함할 수 있다. 광섬유 직경(116) 및 광섬유 개구수(118)는 신호가 높은 속도로 변조될 때에는 소스 d*NA 곱에 연관된 소스(102)로부터의 발생된 신호(108)를 전파하는 것에 연관된 광섬유 d*NA 곱을 제공한다.
광섬유 d*NA 곱은 광섬유(104)를 SMF에서의 다중 모드 지원의 결여로 인해 SMF와 함께 사용되지 않는 저비용의 VCSEL 소스를 사용할 수 있게 하도록 조정될 수 있다. 광섬유(104)는 광섬유 d*NA 곱의 면에서 연장된 거리에 걸쳐 높은 데이터 변조 속도를 지원할 수 있다. 예컨대, 광섬유(104)를 사용하면, 50 Gbps에서 대략 94 미터의 최대 거리로 제한될 수 있는 OM5 50GIF와는 달리, 50 Gbps의 VCSEL 데이터 속도가 대략 700 미터를 초과하는 거리에 걸쳐 지원될 수 있다.
광섬유(104)에 연관된 광섬유 d*NA 곱은 SMF에 비하여 추가의 비용을 절감할 수 있으며, 그 이유는 광섬유(104)가 광섬유(104) 및/또는 광섬유(104)에 연관된 광섬유 통신 시스템에 연관된 광섬유 커플링, 커넥터 및 기타 콤포넌트에서의 완화된 정렬 공차를 허용할 수 있기 때문이다. 그러므로, 광섬유(104)와 함께 사용하기 위한 콤포넌트는 완화된 공차의 면에서 더욱 경제적으로 생산될 수 있으며, 이에 의해 전체 다중 모드 광섬유 시스템에 걸쳐 절감 금액이 크게 증가한다.
코어 직경과 개구수의 d*NA 곱(소스 및/또는 광섬유)은 파장의 함수이어도 되며, d*NA 곱에 의해 지원되는 다수의 공간 모드에 관련될 수 있다. 850 nm에서, 일례의 VCSEL은 소스 d*NA 곱이 대략 4개의 공간적 1차원(1D) 모드에 연관된 (10 미크론)*(0.22 라디안)=2.2 미크론-라디안이 될 수 있다(일례의 VCSEL 소스는 2.0∼2.2 및 그 이상의 소스 d*NA 곱에 연관될 수 있다). 반대로, 850 nm에서, 표준 50GIF는 (50 미크론)*(0.2 라디안)=10 미크론-라디안에서 약 4.5배 더 큰 광섬유 d*NA 곱을 가질 수 있어, 대략 18.5개의 모드를 지원한다. 그러므로, 50GIF는 VCSEL 소스에 의해 생성된 대략 4개의 공간 모드를 초과하는 공간 모드를 지원한다.
그레이디드-인덱스 광섬유에 의해 지원된 BW*L 곱은 d*NA 곱에 관련된 1D-모드 제곱의 개수(the number of 1D-modes squared)에 대략적으로 비례한다. 이에 따라, BW*L 곱은 더 낮은 개수의 모드에 대응하는 d*NA 곱을 지원하는 광섬유(104)를 이용하여 향상될 수 있다. 그러므로, 광섬유(104)는 과도한 공간 모드를 지원하는 50GIF에서와 같이 분산 문제 및 제한된 전파 거리에 연관되지 않는다. 그러므로, 50GIF와는 달리, 광섬유(104)는 예컨대 25 미크론(25GIF)의 코어 직경 및 0.1 라디안의 개구수를 갖는, 즉 850 nm에서 대략 4.6개의 모드를 지원하는 것과 연관된 2.5 미크론-라디안의 광섬유 d*NA 곱을 갖는 그레이디드 인덱스 광섬유로서 설계될 수 있다. 대략 4개의 공간적 1D 모드에 연관된 2.5 미크론-라디안의 d*NA 곱을 갖는 광섬유(104)는, SMF에 비하여 추가의 정렬 공차 및 50GIF에 비하여 증가된 전파 거리를 제공하면서, 대략 4개의 공간적 1D 모드에 연관된 VCSEL 소스의 2.2 미크론-라디안 d*NA 곱을 지원할 수 있다.
이에 따라, BW*L 곱은 다음과 같이 NA에 비례하는 BitRate*Length 곱(BR*L 곱)에 비례한다:
Figure pct00001
여기서, c는 광의 속도이고, n은 광섬유의 굴절률이며, Δ는 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00002
여기서, n은 광섬유의 굴절률이다. 그러므로, BR*L 곱은 파워의 4제곱에 대한 NA의 역에 비례한다. 그에 따라, NA를 나누기 2로 감소시키는 것은 BR*L 곱을 광섬유 전파 거리의 증가에 대응하는 10보다 큰 배수로 증가시킬 수 있다.
수신기(106)는 광섬유(104)로부터 전파된 신호(110)를 수신할 것이다. 수신기(106)는 변조 가능 소스를 검지할 수 있으며, 예컨대 변조 가능 소스(102)의 변조 속도와 호환될 수 있다. 수신기(106)는 광섬유 직경(116) 및 광섬유 개구수(118)에 기초하여 광섬유(104)로부터 전파된 신호(110)를 수신할 수 있는 광수신기를 포함할 수 있다. 그러므로, 시스템(100)은 광섬유 통신을 위한 광 인터커넥트를 포함한 통신 및/또는 컴퓨팅 디바이스에 연관된 포토닉스(photonics)와 함께 사용될 수 있다.
그러므로, 일례의 광섬유(104)(예컨대, VCSEL-최적화된 그레이디드-인덱스 MMF, 즉 V-MMF)를 기반으로 하는 시스템은 고속 VCSEL을 위해 모드-최적화될 수 있으며, 연장된 대역폭-길이 곱을 지원할 수 있다. 모드-최적화된 V-MMF는 고속 VCSEL 신호가 MMF 광섬유를 따라 이동할 수 있는 거리가 증가할 수 있다. 일례의 시스템의 특징은 데이터 센터 또는 기타 통신 어플리케이션의 설계에서 더 큰 유연성을 가능하게 한다.
도 2는 본 발명의 예에 따른 소스 어레이(201), 광섬유 어레이(204), 및 광 콤포넌트(220)를 포함하는 다중 모드 광섬유 시스템(200)의 블록도이다. 복수의 소스(202)가 복수의 광섬유(204)에 대한 복수의 생성된 신호(208)를 제공할 수 있다. 생성된 신호(208)는 소스 직경(212) 및 소스 개구수(214)에 연관될 수 있다. BW*L 곱에 연관된 그레이디드-인덱스 MMF이어도 되는 광섬유(204)는 다양한 광 콤포넌트(220)에 대한 복수의 전파된 신호(210)를 제공할 수 있다. 전파된 신호(210)는 광섬유 직경(216) 및 광섬유 개구수(218)에 연관될 수 있다.
광 콤포넌트(220)는 피그테일 콤포넌트(pigtail component)(222), 파장 분할 다중화(WDM) 링크 콤포넌트(224), 멀티플렉서 콤포넌트(226), 디멀티플렉서 콤포넌트(228), 스플리터 콤포넌트(230), 렌즈 콤포넌트(232), 광섬유 컨택 커넥터 콤포넌트(234), 에어 갭 커넥터 콤포넌트(236), 추가의 광섬유(203), 및 수신기(206)를 포함할 수 있다.
광섬유(204)는 부분적으로는 더 낮은 d*NA 곱 및 대응하는 공간 모드의 개수를 지원하는 것에 의해 다양한 광 콤포넌트(220)에 적합하게 된다. 피그테일 콤포넌트(222)는 입력 광섬유(204)가 더 낮은 개수의 모드를 지원할 때에 설계하기가 더 용이하게 될 수 있으며, 그 이유는 피그테일 콤포넌트(222)의 피그테일 광섬유에 더 큰 공차가 연관될 수 있기 때문이다. 파워 스플리터, 모드 스플리터, 편광 스플리터, 및/또는 중공 금속 도파관(hollow metal waveguide, HMWG) 또는 지그재그 방식(zigzag approach)을 기반으로 하는 파장 스플리터의 설계는 보다 경제적인 콤포넌트 생산 및 완화된 정렬 공차를 위해 간략화될 수 있다. 광섬유(204)의 외형적 특징은 디멀티플렉서 콤포넌트(228), WDM 링크 콤포넌트(224)를 사용하는 WDM 시스템, 및 시스템(200)과 같은 VCSEL 시스템에 연관된 기타 광 콤포넌트(220)를 이용한 간략화되고 더 저렴한 비용의 파장 역다중화를 가능하게 하도록 최적화될 수 있다. 광섬유(204)는 다양한 광 콤포넌트(220)와 함께 사용하기에 적합한 상이한 파장의 신호를 파워 분할하고, 시준하고 및/또는 분리하기 위한 향상된 능력에 연관된 빔 다이버전스(beam divergence)에 연관될 수 있다. 광섬유(204)의 광섬유 d*NA는 광 콤포넌트(220)를 더 작고 더욱 경제적으로 되게 하여, 광섬유(204)에 연관된 소정 직경의 렌즈를 위한 시준 길이(collimating length)의 이점을 취할 수 있다.
일례의 시스템에서, 광섬유(204)는 복수의 소스로부터 신호를 운반하기 위해 파장 디멀티플렉서 콤포넌트(228)와 함께 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 복수의 파장 소스(202)는 소스(202)를 광섬유(204)에 전파된 다중화된 생성된 신호(208)로 다중화하기 위해 파장 멀티플렉서 콤포넌트(226)에 연결될 수 있다. 광섬유(204)는 신호를 여러 개의 검출기/수신기(206)와의 통신으로 파장 디멀티플렉서 콤포넌트(228)에 전파할 수 있다. 시스템은 마찬가지로 신호를 분할/조합하기 위해 스플리터를 사용할 수 있다.
소스 어레이(201)는 선택된 아키텍처에 연관된 다양한 커넥터를 이용하여 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 아키텍처를 기반으로 하는 광섬유 어레이(205)에 연결될 수 있다. 소스 어레이(201)는 광섬유 어레이(205)와 동일한 아키텍처를 가질 필요는 없다. 사용되는 소스(202)의 개수는 예컨대 소스(202) 및/또는 광섬유(204)를 다중화함으로써 사용되는 광섬유(204)의 개수와 상이할 수도 있다. 케이블은 복수의 소스에 접속되는 복수의 광섬유를 포함할 수 있으며, 이에 의해 케이블을 통해 높은 대역폭 통신을 가능하게 한다.
일례의 어레이 구성은 광섬유(204)의 2D 어레이에 결합되는 소스(202)의 2D VCSEL 어레이를 포함한다. 일례에서, 소스(202)의 4×12 VCSEL 어레이가 각각의 행(row)을 위해 상이한 파장을 사용할 수 있다. 지그재그 커플링은 4×12 소스 어레이(201)를 1×12 광섬유 어레이(205)로 커플링할 수 있다(예컨대, 4 대 1로 커플링하기 위해 WDM를 이용하여).
에어 갭 커넥터 콤포넌트(236) 및 광섬유 컨택 커넥터 콤포넌트(234)와 같은 광섬유 커넥터는 광섬유(204)들을 연결하기 위해 이용될 수 있다. 광섬유(204)는 광섬유 컨택 커넥터 콤포넌트(234) 또는 에어 갭 커넥터 콤포넌트(236)와 함께 사용하기 위해 최적화될 수 있다.
피그테일 콤포넌트(222)가 사용될 수 있으며, 광섬유가 입력 및/또는 출력 접속을 위해 피그테일 콤포넌트(222)에 포함된다. 일례의 광섬유(204)는 피그테일 광섬유 내로의 입력으로서 사용될 수 있으며, 그 이유는 광섬유(204)에 연관된 광섬유 d*NA 곱이 시준 공차를 제공하고, 신호/광의 조작을 용이하게 하기 위해 규모가 작은 디바이스 치수(scaled-down device dimension)를 가능하게 하기 때문이다.
VCSEL 소스와 조합하여 2개 내지 6개의 1D 공간 모드를 지원하는 VCSEL 최적화된 다중 모드 광섬유(204)(V-MMF)를 포함하는 위에서 설명한 바와 같이 광섬유(204)에 연관된 광섬유 d*NA 곱에 연관된 특성의 면에서, 10 Gbps 또는 그보다 큰 데이터 속도로 작동하는 VCSEL과 함께 V-MMF를 이용하거나, 1차원 또는 2차원 VCSEL 어레이와 조합하여 V-MMF를 이용하거나, 복수의 광섬유 어레이 커넥터(광섬유 컨택 커넥터 및/또는 렌즈를 이용하는 에어 갭 커넥터)와 함께 V-MMF를 이용하거나, WDM VCSEL 링크와 조합된 V-MMF를 이용하거나, 광섬유 피그테일된 파워 스플리팅 광 버스 및 기타 어플리케이션과 함께 V-MMF를 이용하여, 추가의 이점들이 실현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유(304)와 함께 사용되는 에어 갭 커넥터(336)의 블록도이다. 에어 갭 커넥터(336)는 신호를 광섬유(304)로부터 대기(air)를 통해 렌즈(332)를 이용하여 추가의 광섬유(303)에 보내지도록 할 수 있다.
광섬유(304)는 광섬유(304)로부터 발산 신호(342)로서 출현하는 신호를 전파한다. 렌즈(332)는 발산 신호(342)를 수신하고, 이 신호를 확장 신호(expanded signal)(340)로서 투과시키고, 이 신호를 수렴 신호(344)로서 추가의 광섬유(303)에 보낸다. 렌즈(332)는 에어 갭에 의해 분리되어 있다. 이에 따라, 2개의 광섬유들은 스크래칭 없이 또는 렌즈(332)를 서로 접촉하게 하지 않고서 접속될 수 있다. 신호 빔은 예컨대 광섬유의 대략 25 미크론 코어로부터의 빔을 렌즈(332)에서 대략 200 미크론의 크기로 되는 확장 신호(340)로 확산하는 것과 같이 확장될 수 있다. 확장 신호(340)는 비확장 신호를 약화시킬 먼지 또는 기타 입자에 대해 저항성을 나타내며, 그 이유는 먼지 입자에 의해 약화된 확장 신호(340)의 부분이 확장에 의해 내포된(contained) 전체적인 신호의 면에서 대수롭지 않기 때문이다.
광섬유(예컨대, 광섬유(304) 및/또는 추가의 광섬유(303))는 완화된 공차를 가능하게 하는 광섬유 d*NA 특성에 의해 에어 갭 커넥터로 종단될 수 있으며, 이로써 각각의 광섬유는 에어 갭 커넥터로 종단될 수 있고, 메이팅(mating)/컨택 커넥터로 제한되지 않는다. 광섬유를 종단하는 에어 갭 커넥터는 또 다른 광섬유를 종단하는 또 다른 에어 갭 커넥터에 접속될 수 있다. 광섬유의 어레이는 복수의 렌즈의 어레이에 연관될 수 있다.
에어 갭 커넥터(336)는 컴퓨팅 시스템의 백플레인(backplane)을 포함하는 백플레인 어플리케이션과 같은 먼지가 많은 환경에 적합하게 된다. 컴퓨터의 백플레인은 먼지가 많고, 보통의 메이팅/컨택 커넥터는 고가이고, 지저분하거나 먼지가 많은 환경에서 성공적으로 작동하는 것이 현실적이지 못하다. 광섬유(304)의 예는 이러한 어플리케이션에서 메이팅/컨택 커넥터보다 더욱 경제적이고 더욱 견고한 에어 갭 커넥터(336)과 호환 가능하다.
도 4는 본 발명의 예에 따른 광 콤포넌트를 포함하는 다중 모드 광섬유 시스템(400)의 블록도이다. 광섬유(404)는 렌즈(432), 스플리터(430), 렌즈 어레이(446) 및 수신기(406)에 건네지는 전파되는 신호(410)를 제공한다.
렌즈(432)는 전파된 신호(410)를 시준하여 스플리터(430)에 의해 수신되도록 할 수 있다. 스플리터(430)는 광섬유(404)로부터 신호를 수신하는 지그재그 광 콤포넌트이어도 된다. 광섬유(404)는 WDM을 이용하여 복수의 파장을 운반하는 1차원 입력 광섬유 어레이 및/또는 단일 광섬유이어도 된다. 스플리터(430)는 WDM 멀티플렉서/디멀티플렉서 및/또는 1×N 광 파워 스플리터용으로 이용될 수 있다. 전파되는 신호(410)는 광섬유(404)로부터 수신기(406)까지 이동하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 광 콤포넌트는 반대로 작동될 수도 있으며(예컨대, 하나의 출력 행에의 복수의 행 입력), 이에 의해 수신기(406)가 렌즈 어레이(446) 쪽으로 이동하여 스플리터(430)에 의해 결합되고 광섬유(404)에 의해 수신되는 복수의 신호를 제공하기 위한 콤포넌트로 대체된다.
광섬유(404)에 연관된 광섬유 d*NA 곱은 더 작고 저손실성의 광 콤포넌트를 가능하게 하며, 이로써 시스템(400)이 향상된 효율 및 공차를 가질 수 있다. 스플리터(430)는 선택적 미러(selective mirror)(450) 및 시준 미러(448)를 포함한다. 선택적 미러(450)는 예컨대 WDM 디멀티플렉서의 경우에는 파장 선택적일 수 있으며, 및/또는 예컨대 1×N 파워 스플리터의 경우에는 부분 반사성의 것일 수 있다. 예시된 바와 같이, 선택적 미러(450)는 선택된 대역의 파장/파워를 투과시키고, 선택된 대역을 반사시킨다. 시준 미러(448)는 빔이 스플리터(430)를 통해 이동할 때에 빔을 다시 시준하기 위한 곡선형의 반사 미러이다. 시준 미러(448)는 예컨대 회절에 의해 야기된 빔 발산을 보상할 수 있다. 투과된 빔은 렌즈 어레이(446)에 보내지고, 이 렌즈 어레이에서 빔이 수신을 위해 포커싱된다. 예컨대, 렌즈 어레이(446)로부터의 빔은 추가의 광섬유의 어레이(도시하지 않음)에 의해 또는 수신기(406)(예컨대, 수신기의 어레이)에 의해 수신될 수 있다.
파워 스플리터 콤포넌트로서, 스플리터(430)는 파워를 복수의 상이한 목적지(예컨대, 상이한 광섬유, 렌즈, 수신기, 및/또는 기타 콤포넌트)로 분할할 수 있다. 스플리터(430)의 지그재그 방식과는 반대로, 피그테일드 콤포넌트이어도 되는 중공 금속 도파관(HMWG)이 광을 더 먼 거리를 이동하고 더 적은 개수의 모드를 갖도록 시준하기 위해 이용될 수 있다. 신호의 파워는 신호가 얼마나 많이 분할되는지에 비례하여 강하될 수 있다. 신호의 각각의 분할에서의 모드의 개수는 모드 파티션 노이즈(mode partition noise)를 방지하기 위해, 각각의 출력에서의 각각의 모드의 동일한 비율의 파워와 함께, 유지될 수 있다.
도 5는 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 광 파워에 대한 차트(500)이다. 전파된 신호(510)는 다중 모드 광섬유에 의해 제공되며, 광섬유 직경(516) 및 광섬유 개구수(518)에 연관된다.
예시된 바와 같이, 개구수(518)는 전파된 신호(510)에 연관된, 즉 광섬유면(fiber facet)으로부터의 거리(광섬유의 축을 따라 측정된 표시된 거리)에서의, 파-필드 발산각(far-field divergence angle)으로서 나타내어져 있다. 개구수(518)는 NA0에 대응하며, 여기서 NA0는 r=0인 광섬유의 중심에서의 개구수이다.
광섬유는 또한 광섬유 d*NA 곱에 대응하는 모드(560)에 연관될 수 있다. 차트(500)는 광섬유의 코어의 광섬유면을 떠날 시의 가장 높은 차수(m=4)의 모드(560)를 위한 세기 패턴을 나타낸다(예컨대, 일례에서는 25GIF). 가장 높은 차수의 모드는, 모드 560이 광섬유 코어를 떠난 후에 자유 공간으로 전파함에 따라, 전파된 신호(510)의 곡선을 따라 발산한다. 최대 d*NA, 즉 개구수(518)의 함수는 그레이디드-인덱스 광섬유의 가장 높은 차수의 모드를 위한 값에 의해 설정된다.
도 6은 본 발명의 예에 따른 그레이디드-인덱스 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 개구수에 대한 차트(600)이다. 거리는 광섬유의 코어의 중심에 대해 상대적이다. 실선의 안쪽 곡선으로 표시되어 있는 광섬유 개구수(618a)는 12.5 미크론의 반경(25 미크론의 직경)을 갖는 코어에 해당한다. 점선의 외측 곡선으로 표시된 광섬유 개구수(618b)는 25 미크론의 반경(50 미크론의 직경)을 갖는 코어에 해당한다.
개구수는 반경 r의 함수로서 표현될 수 있으며, 여기서 r은 영(0)(광섬유의 반경 중심에서의)에서부터 a(광섬유 코어의 외측의 고정된 반경, 즉 a는 광섬유 코어의 직경을 2로 나눈 것임)까지 변경된다. 광섬유 개구수 618a에 대해서는, a=12.5 미크론이다. 광섬유 개구수 618b에 대해서는, a=25 미크론이다. 소정의 반경 r에서의 개구수는 또한 NA0의 함수로서 표현될 수 있으며, 여기서 NA0는 r=0인 광섬유의 중심에서의 개구수이다. 그러므로, NA(r)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00003
개구수는 위의 설명에서 나타낸 바와 같이 2차식의 값(quadratic value)이다. 코어의 중심으로부터의 임의의 반경에서, 개구수는 상이한 값을 취할 수도 있다. 도 6에 예시된 바와 같이, NA0는 r=0인 광섬유의 중심에 해당한다. 이에 따라, 광섬유 개구수 618a에 대한 NA0는 0.1 라디안에 해당한다. 광섬유 개구수 618b에 대한 NA0는 0.2 라디안에 해당한다. 광섬유 d*NA 곱 및 소스 d*NA 곱에 대한 표현에서 일반적으로 식별되는 개구수 NA는 광섬유의 중심에서의 NA0에 대응한다.
도 7은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 클래딩으로부터의 인덱스 프로파일 차이(index profile difference)에 대한 차트(700)이다. 실선의 내측 곡선으로 표시된 광섬유 인덱스 770a는 12.5 미크론의 반경(25 미크론의 직경)을 갖는 코어에 해당한다. 점선의 외측 곡선으로 표시된 광섬유 인덱스 770b는 25 미크론의 반경(50 미크론의 직경)을 갖는 코어에 해당한다.
광섬유의 인덱스 프로파일은 최적화를 목적으로 서로 관련될 수도 있는 3개의 파라미터, 즉 그룹 속도(광섬유에 의해 전파된 모드가 서로에 대하여 이동하는 상대 속도의 측정치)와, 굽어짐 손실(bending loss)(더 높은 차수의 모드의 손실을 야기하는 광섬유에서의 굽어짐에 연관된 신호 전파에 영향을 주는 손실)과, 재료 분산(광섬유의 전파 매체 내에서의 신호의 분산에 의해 야기된 손실)에 대해 최적화될 수 있다. 광섬유의 인덱스 프로파일은 광섬유 특성의 세트를 종합적으로 최적화하도록 변경될 수 있다. 도 7 및 도 8의 곡선에서 예시된 바와 같이, 인덱스 프로파일은 이차식 프로파일(quadratic profile)에 비슷하게 될 수 있다. 인덱스 프로파일은, 신호 열화를 최소화하고, BW*L에 비례하는 BitRate*Length(BL*L 곱)를 최대화하기 위해, 재료 분산과 모드 분산 간에 트레이드-오프(trade-off)하도록 최적화될 수 있다.
광섬유 인덱스 770a에 연관된 일례의 V-MMF와 같은 광섬유는 광섬유 인덱스 770b에 연관된 50GIF에 비하여 자신의 코어에 더 적은 게르마늄 도핑(Germanium doping)을 이용할 수 있다. 더 적은 게르마늄 도핑은 일례의 광섬유에서는 광섬유 770a에 연관된 더 낮은 농도 피크를 달성하기 위해 이용되며, 광섬유 인덱스 770a는 광섬유 인덱스 770b에 연관된 광섬유에 비하여 더 작은 직경/면적을 갖는다. 그러므로, 도핑의 전체적인 양, 즉 피크 광섬유 인덱스와 광섬유 직경의 곱에 의해 계산된 양은 광섬유 인덱스 770a의 경우가 훨씬 적다. 이에 따라, 광섬유 인덱스 770a에 연관된 일례의 V-MMF는 50GIF 광섬유보다 코어에서 더 낮은 게르마늄 도핑을 요구하는 것에 의해 광섬유 인덱스 770b에 연관된 50GIF보다 더욱 경제적으로 제조될 수 있다.
도 8은 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유의 거리를 함수로 하는 인덱스 및 모드 파워에 대한 차트(800)이다. 점선의 곡선은 인덱스 프로파일 값, 즉 광섬유 870a에 대응한다. 실선의 곡선은 모드 파워, 즉 제1 모드(880), 제2 모드(882), 제3 모드(884), 및 제4 모드(886)에 대응한다.
제1 모드(880), 제2 모드(882), 제3 모드(884), 및 제4 모드(886)의 실선 곡선은 광섬유 인덱스 870a의 점선 곡선의 안쪽에 있는 4개의 최저 Hermite-Gaussian 모드의 모양을 예시한다. 각각의 모드는 광섬유를 통해 이동하며, 점선 광섬유 인덱스 870a 곡선에 도달하는 실선 곡선의 테일 에지(tail edge)에 의해 나타낸, 모드가 쇠퇴하는 가로 치수(transverse dimension)에서 제한된다. 각각의 모드는, 각각의 모드가 피크 인덱스에 대한 상이한 유효 굴절률로 이동함에 따라, 점선 광섬유 인덱스 870a 곡선의 폭에 관련된다. 전파된 광은 코어의 외측에서, 예컨대 광섬유가 광섬유를 둘러싸는 광섬유 클래딩으로 전이하는 점선의 광섬유 인덱스 870a 곡선의 외측에서, 쇠퇴한다. 각각의 모드(제1 모드(880), 제2 모드(882), 제3 모드(884), 및 제4 모드(886))는 수직 단계로 동등하게 이격된 상이한 유효 굴절률로 이동한다.
d*NA 곱(예컨대, 광섬유 및/또는 소스)은 다음과 같이 모드를 함수로 하여 표현될 수 있다:
Figure pct00004
여기서, mmax는 1차원 Hermite-Gaussian 모드의 최대 개수이고, λ는 파장이다.
도 9는 본 발명의 예에 따른 다중 모드 광섬유를 이용하여 신호를 전파하는 것을 기반으로 하는 흐름도(900)이다. 단계 910에서는, 변조 가능 소스를 이용하여 신호가 생성된다. 예컨대, 신호를 생성하기 위해 VCSEL 소스가 사용된다. 단계 920에서는, 다중 모드 광섬유를 이용하여 신호가 전파된다. 광섬유는 광섬유 직경(d)과 광섬유 개구수(NA)의 곱에 해당하는 광섬유 d*NA에 연관된다. 광섬유 d*NA는 실질적으로 1 미크론 라디안과 4 미크론 라디안 사이이다. 단계 930에서는, 전파된 신호가 수신기에서 수신된다. 예컨대, 광수신기가 변조 가능 소스로부터 변조된 신호를 수신하고 디코딩할 수 있다.
본 발명의 사상 및 범위는 전술한 예의 어떠한 것으로도 한정되지 않고, 이하의 청구범위 및 그 등가 구성에 따라 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 신호를 생성하는 변조 가능 소스(modulatable source);
    신호를 전파하며, 광섬유 직경(d)과 광섬유 개구수(numerical aperture, NA)의 곱에 대응하는, 실질적으로 1 미크론 라디안과 4 미크론 라디안 사이의 광섬유 d*NA에 연관되는 다중 모드 광섬유; 및
    전파된 신호를 수신하는 수신기
    를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변조 가능 소스는 수직 캐비티 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)를 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유는 그레이디드-인덱스 광섬유(Graded-Index Fiber, GIF)인, 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유는, 광섬유의 굴절률 프로파일에 연관된 굽어짐 손실(bending loss), 모드 분산(modal dispersion), 및 재료 분산(material dispersion)의 균형에 기초하여, 광섬유 대역폭(BW)과 광섬유 길이(L)의 곱에 대응하는 광섬유의 BW*L 특성을 연장시키는, 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전파된 신호를 상기 수신기에 의해 수신되기 전에 광학적으로 조작하는 광 콤포넌트를 더 포함하는, 시스템.
  6. 변조 가능 소스를 이용하여 신호를 생성하는 단계;
    광섬유 직경(d)과 광섬유 개구수(NA)의 곱에 대응하는, 실질적으로 1 미크론 라디안과 4 미크론 라디안 사이의 광섬유 d*NA에 연관되는 다중 모드 광섬유를 이용하여 상기 신호를 전파하는 단계; 및
    전파된 신호를 수신기에서 수신하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    생성된 신호를 10 Gbps(gigabits per second)와 실질적으로 동일하거나 더 큰 데이터 속도로 전파하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    지그재그 광 콤포넌트(zigzag optical component)에 기초하여 신호를 광학적으로 조작하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 광섬유 d*NA는 실질적으로 25 미크론과 동일한 광섬유 직경과 실질적으로 0.1 라디안과 동일한 광섬유 개구수를 기반으로 하는, 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 광섬유 d*NA는 실질적으로 1.5 미크론 라디안과 3 미크론 라디안 사이인, 방법.
  11. 신호를 생성하는 변조 가능한 수직 캐비티 표면 발광 레이저(VCSEL) 소스;
    신호를 전파하며, 광섬유 직경(d)과 광섬유 개구수(NA)의 곱에 대응하는, 실질적으로 1 미크론 라디안과 4 미크론 라디안 사이의 광섬유 d*NA에 연관되는 다중 모드 광섬유; 및
    전파된 신호를 수신하는 수신기
    를 포함하는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    신호를 전파하기 위해 다중 모드 광섬유를 연결하는 어레이 기반 광섬유 커넥터를 더 포함하며, 상기 어레이 기반 광섬유 커넥터는 광섬유 d*NA에 연관된 복수의 다중 모드 광섬유에 연결하기 위한 것인, 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광섬유는 파장 분할 다중화(WDM)를 기반으로 하는 복수의 파장을 전파하는, 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    신호를 전파하기 위해 상기 다중 모드 광섬유를 연결하는 에어 갭 커넥터(air gap connector)를 더 포함하는, 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 광섬유는 에어 갭 커넥터를 이용하여 컴퓨팅 시스템의 백플레인(backplane)에서 활용되는, 시스템.
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