KR20140059568A - 다채널 파장 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20140059568A
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에릭슨 엘지 주식회사
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Abstract

본 발명은 WDM(wavelength division multiplexing) 또는 WDM-PON(passive optical network)에서 사용되는 파장 제어 방법 및 그를 위한 다채널 광원에 관한 것이다. 본 발명의 다채널 광원은, 적어도 두개의 레이저 다이오드, 적어도 두개의 레이저 다이오드에서 출력하는 광신호의 파장다중화를 수행하는 파장다중화부, 파장다중화부의 출력 광파워를 미리 설정된 비율로 분기하는 광파워분리부, 광파워분리부의 일 출력 포트에 연결되어 광파워분리부에 의하여 일부 분기된 출력 파장을 갖는 광신호를 수신하여 전기 신호를 발생하는 수광소자, 전기 신호를 수신하여 수광소자에 입력되는 광신호의 파워에 따라서 적어도 두개의 레이저 다이오드의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

다채널 파장 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTI-CHANNEL WAVELENGTH CONTROLLING}
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 WDM(wavelength division multiplexing) 또는 WDM-PON(passive optical network)에서 사용되는 다채널 파장 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 파장분할다중(WDM: wavelength division multiplexing) 광원의 구현 예시도이다. 하나의 WDM 광원(10)은 전기 신호를 입력받아 광신호를 발생시킬 수 있는 레이저 다이오드(LD: laser diode)(1)와, 레이저 다이오드(1)로부터 나온 빛의 세기를 알 수 있는 모니터용 수광소자(mPD: monitor photo-diode)(4)와, 사용될 WDM 채널의 기준 파장을 포함하고 레이저 다이오드(1)에서 발생하는 빛의 파장을 기준 파장과 대비하여 파장의 차이를 알 수 있는 파장 로커(wavelength locker)(3)와, 레이저 다이오드(1)의 파장을 조절하기 위하여 필요한 열전소자(TEC: thermo-electric cooler)(2)와, 레이저 다이오드(1), 수광소자(4), 파장로커(3) 및 열전소자(2)와 연결하여 레이저 다이오드(1)의 출력 파장 및 출력 광신호 세기를 제어할 수 있는 제어부(5)를 포함한다.
WDM 시스템에서는 도 2에서 보이는 바와 같이, 서로 다른 출력 파장(λ1, λ2,..., λN)을 갖는 WDM 광원(10a, 10b, 10c)과 파장다중화기(mux: multiplexer)(20)를 연결하여 하나의 광섬유에 여러 파장(λ1, λ2,..., λN)의 광신호를 송신한다. 최근 WDM 분야에서는 소형화, 저가화 및 저전력화를 구현하기 위하여, 도 2에 보이는 바와 같은 기능 블록을 PLC(planar lightwave circuit) 기술을 이용하여 하나의 다채널 광원(100)으로서 집적화하는 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
도 2에 예시된 다채널 광원(100)의 동작 원리는 다음과 같다. 파장다중화기(20)는 다중화할 채널 포트의 번호마다 서로 다른 중심 파장 (λ1, λ2,..., λN)을 가지며, 각 채널 포트에 WDM 광원(10a, 10b,..., 10c)이 1대1로 연결된다. 다채널 광원(100)이 포함하는 각각의 WDM 광원(10a, 10b,..., 10c)의 출력 파장은 내장되어 있는 파장 로커(3)로부터 구해지는 채널 기준 파장과의 차이에 해당하는 신호를 제어부(5)가 해석하여 열전소자(2)에 필요한 전류를 흘려 보내 레이저 다이오드(1)의 온도를 변화시킴으로써 레이저 다이오드(1)의 출력 파장에 변화를 주는 피드백(feedback) 방법에 의하여 제어한다.
다채널 광원(100)은 PLC 집적 기술에 의하여 소형화 및 저전력화를 이룰 수 있지만 도 2에서 보이는 바와 같은 종래의 기술에서는 고가인 파장 로커(3)가 다수 사용되어야 하며, 다수의 수광소자(4)가 사용되므로 다채널 광원(100)의 가격이 높아지는 문제점이 있다.
미국 등록 특허 제7,313,157호(2007년 12월 25일 공고)
본 발명은 WDM(wavelength division multiplexing) 또는 WDM-PON(passive optical network)에서 사용되는 다채널 파장 제어 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 다채널 광원은, 적어도 두개의 레이저 다이오드; 상기 적어도 두개의 레이저 다이오드에서 출력하는 광신호의 파장다중화를 수행하는 파장다중화부; 상기 파장다중화부의 출력 광파워를 미리 설정된 비율로 분기하는 광파워분리부; 상기 광파워분리부의 일 출력 포트에 연결되어 상기 광파워분리부에 의하여 일부 분기된 출력 파장을 갖는 광신호를 수신하여 전기 신호를 발생하는 수광소자; 및 상기 전기 신호를 수신하여 상기 수광소자에 입력되는 광신호의 파워에 따라서 상기 적어도 두개의 레이저 다이오드의 출력을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한 본 발명의 파장 제어 방법은, 적어도 두개의 레이저 다이오드에서 출력하는 광신호의 파장다중화를 수행하는 단계; 상기 파장다중화를 수행한 광신호의 출력 광파워를 미리 설정된 비율로 분기하는 단계; 상기 일부 분기된 출력 파장을 갖는 광신호를 수신하여 전기 신호를 발생하는 단계; 및 상기 전기 신호를 수신하여 수광소자에 입력되는 광신호의 파워에 따라서 상기 적어도 두개의 레이저 다이오드의 출력을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 채널별 파장 제어를 위하여 각 채널별로 별도의 고가의 파장 로커(wavelength locker)와 별도의 수광소자(mPD)를 사용하는 종래의 다채널 광원의 파장 제어 방법과 달리, 파장다중화기의 출력 포트에 하나의 광파워 분리기와 하나의 수광소자를 포함하여 락 인 디텍션(lock in detection) 제어 방법을 사용함으로써 경제적으로 다채널 광원의 파장 제어가 가능하도록 한다.
도 1은 파장분할다중 다채널 광원 송신기의 구현 예시도.
도 2는 다채널 파장분할다중 광원의 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 파장제어 장치 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 제어 방법의 구현을 위한 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도이다.
도 3에서 보이는 바와 같이, 다채널 광원(200)은 서로 다른 출력 파장(λ1, λ2,..., λN)을 갖는 레이저 다이오드(LD: laser diode)(1a, 1b,..., 1c), 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)의 파장을 변화시키고 해당 채널의 변화된 파장을 고정시키기 위한 온도제어 소자(2a, 2b,..., 2c), 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)에 의하여 발생하는 출력 파장(λ1, λ2,..., λN)을 갖는 광신호를 묶어서 하나의 광경로로 전송하기 위한 파장다중화기(mux: multiplexer)(20), 파장다중화기(20)에 의하여 묶인 출력 파장(λ1, λ2,..., λN)을 갖는 광신호의 광파워 일부를 미리 설정된 비율로 분기하는 광파워분리기(optical power splitter)(6), 광파워분리기(6)에 의하여 일부 분기된 출력 파장(l1, l2,..., lN)을 갖는 광신호를 받아 전기 신호를 발생하는 수광소자(mPD: monitor photo diode)(4), 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c), 온도제어 소자(2a, 2b,..., 2c), 수광소자(4)와 연결하여 각 채널별 피드백(feedback) 회로를 구성하여 채널별로 파장을 제어하는 제어부(40)를 포함한다.
일 실시예로서, 다채널 광원(200)을 구성하기 위한 주요 소자로서 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)는 광통신 분야에서 일반적으로 사용되는 DFB(distributed feed-back) LD 또는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)을 사용하여 구현이 가능하다. 다만 VCSEL을 사용하는 경우에는 VSCEL에 흐르는 전류의 양에 의하여 파장이 변하는 것을 이용하면, 온도제어 소자(2a, 2b,..., 2c)를 포함하지 않고도 VSCEL을 사용하는 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)에 흐르는 전류만을 제어함으로써 파장 제어에 사용할 수 있다. 온도제어 소자(2a, 2b,..., 2c)는 열전 소자(termo-electric cooler) 또는 히터(heater) 등으로 구현이 가능하다. 그러나, 레이저 다이오드 및 온도제어 소자가 상기한 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 다채널 광원(200)은, 채널별 파장 제어를 위하여 각 채널별로 별도의 고가의 파장 로커와 별도의 수광소자를 사용하는 종래의 다채널 광원과 달리, 경제적인 구조를 갖도록 하기 위하여 파장다중화기(20)의 출력 포트에 하나의 광파워 분리기(6)와 하나의 수광소자(4)를 사용하며, 그 결과 주변 채널의 광 신호들의 세기에 대비하여 작은 신호의 크기를 갖는 해당 채널의 파장 관련 정보를 추출하기 위하여 락 인 디텍션(lock-in detection) 방법을 사용한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장을 제어 방법의 구현을 위한 예시도이다.
도 4에서 보이는 바와 같이, 락 인 디텍션에 관련되는 각 신호들의 광파워 다이어 그램을 설명한다. 일 실시예로서, 다채널 광원(200)이 32개의 파장 채널을 갖고, 파장다중화기(20)의 출력 포트에서 통상의 광통신 광송신기가 가질 수 있는 광파워 수준인 파장 채널당 -4 dBm을 갖고, 광파워분리기(6)가 수광소자(4) 쪽으로 10:1의 분기율을 갖는다고 가정하며, 32개 전 채널의 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)가 모두 광신호를 송신할 경우, 파장다중화기(20)의 출력 포트에서 32개 채널 신호에 의한 총 광 파워는 -4 dBm x 32 = +11 dBm이 되며 10:1 광파워 분기에 의하여 수광소자(4)가 수신하는 총 광파워는 +11 dBm - 10 dB = +1 dBm이 된다. 하지만 파장 제어를 위해서는 제어 신호에 의하여 변하는 오직 한 채널의 레이저 다이오드의 광 파워 변화를 읽어서 피드백 신호를 추출해야 하며, 해당 채널만의 광 파워는 -4 dBm - 10 dB = -14 dBm이 된다.
다채널 광원(200)이 정상적인 동작을 하기 위해서는 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)에서 출력되는 파장이 파장다중화기(20)의 해당 채널의 필터 중심 파장에서 허용되는 범위 내에 위치해야 한다. 일 실시예로서, 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)의 중심 파장과 파장다중화기(20)의 해당 채널의 필터 중심 파장과의 오차로 인하여 추가로 발생하는 필터 삽입손실을 2 dB로 한정하도록 디자인하면, 허용된 2 dB를 넘지 않기 위하여 제어 피드백을 위한 최소 단계(step)는 대략 1/10 수준인 0.2 dB 정도가 되어야 한다. 해당 채널의 광신호가 32채널의 예에서 -14 dBm이므로 최소 단계에 의한 광파워는 -14.2 dBm이고 그 차등(differential) 신호는 -27 dBm이 된다.
32채널의 예에서 다채널 광원(200)의 파장 제어를 위한 광신호의 세기는 -27 dBm인 반면, 최악의 조건으로 32 채널이 모두 광신호를 보내는 경우 노이즈로 작용할 배경 광원의 세기가 +1 dBm으로 신호에 비하여 28 dBm나 크므로, 보통의 광신호 검출 회로에서는 배경 광원의 파워 때문에 제어를 위한 광신호를 검출하기가 용이하지 않다. 하지만, 락 인 디텍션 방법을 사용하면 배경 노이즈에 대하여 60 dB 신호 이득(gain)을 얻을 수 있으므로 32채널을 갖는 다채널 WDM광원(200)의 계산 결과인 신호 대비 노이즈가 28 dBm 큰 경우라도 충분한 품질의 제어 신호를 추출할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도이다.
도 5에서 보이는 바와 같이 다채널 광원(300)에 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)의 출력 광파워에 관련된 신호를 제어부(40)에 전송하는 역할을 하는 수광소자(4a, 4b,..., 4c)를 포함한다. 파장을 제어하기 위하여 파장다중화기(20)와 출력단의 수광소자(4)만 사용할 경우 파장다중화기(20)의 출력단에서 각 채널별 광파워의 차이가 커질 수 있다. 이 경우 다채널 광원(300)에 각 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)에 대응하는 수광소자(4a, 4b,..., 4c)를 이용하여 레이저 다이오드(1a, 1b,..., 1c)의 출력 광파워를 제어하는 피드백 회로를 구현하면, 파장 제어를 통하여 발생할 수 있는 파장다중화기(20)의 출력단에서의 각 채널별 광파워 차이를 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도이다.
도 6에서 보이는 바와 같이, 일 실시예로서, 4채널 WDM 광원을 예시하고 있지만 WDM 광원의 채널 개수는 이에 한정되지 않고, 8채널, 16채널, 32채널 등 필요에 따라 증가 또는 감소시킬 수 있다. 파장 제어를 원하는 채널의 레이저 다이오드(61d)에 디더링 신호원(dithering signal source)(62)을 사용하여 저주파(예를 들어, 500kHz)의 디더링 신호를 전송하고, 파장다중화기(63)의 출력 포트에 광출력 검출을 위한 광파워분리기(64)와 수광소자(65)를 사용함으로써 회로의 단가를 감소시킬 수 있다. 수광소자(65) 이후에 트랜스 임피던스 증폭기(TIA: transimpedance amplifier)(66)에서 전류 신호가 전압 신호로 전환된다. 수광소자(65)와 TIA(66)의 동작 주파수(working frequency)는 고주파의 다른 채널의 신호들은 필터링하고 저주파의 디더링 신호만을 검출해내기 위하여 다른 채널의 신호들보다 훨씬 낮고, 디더링 신호보다는 약간 높은 주파수를 갖는다. 남아 있는 다양한 주파수의 노이즈 신호를 제거하고 디더링 신호를 검출 및 증폭하기 위해 대역 통과 필터(band-pass filter)(67)와 증폭기(amplifier)(68)를 통과한 후 제어부(control part)(69)에 전달된다. 제어부(69)는 검출된 디더링 신호를 이용하여 디더링 신호를 전송한 채널(즉, 레이저 다이오드)을 검출할 수 있다. 따라서, 제어부(69)는 검출된 레이저 다이오드(61)의 출력 파장을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다채널 광원의 구성을 보이는 예시도이다.
도 7에서 보이는 바와 같이, 디더링 신호는 계단 신호(step signal)(72b) 형태일 수 있다. 제어부(77)에서는 가해 주는 계단 신호(72b)의 각각의 단계에 대하여 수광소자(75a)에서 발생하는 결과를 분석함으로써 레이저 다이오드(71d)의 출력 파장을 조절할 수 있다. 이 경우에도 가해주는 디더링 신호는 일정한 주기를 가지면서 단계적(stepwise)으로 변하도록 하는데, 파장다중화기(73)의 필터 형태(filter shape)내에서 동작 대역폭(working bandwidth)의 범위를 여러 단계로 나누어서 전류를 가해준다. 가해주는 전류대비 검출되는 수광소자(75a)에서의 전류값을 비교하여 최고치의 수광소자 전류를 나타내주는 레이저 다이오드의 전류값을 고정시키고, 순차적으로 다른 채널의 레이저 다이오드의 전류값을 제어한다.
상기 방법들은 특정 실시예들을 통하여 설명되었지만, 상기 방법들은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명이 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
1,61: 레이저 다이오드 2: 열전소자
3: 파장로커 4,65,75: 수광소자
5: 제어부 6,64,74: 광파워분리기
10, 30: 광원 20,63,73: 파장다중화기
40,69,77: 제어부 62,72: 디더링 신호원
66,76: TIA 67,77: 대역통과필터
68: 증폭기 50,100: 다채널 광원

Claims (11)

  1. 다채널 파장 제어 장치로서,
    적어도 두개의 레이저 다이오드;
    상기 적어도 두개의 레이저 다이오드에서 출력하는 광신호의 파장다중화를 수행하는 파장다중화부;
    상기 파장다중화부의 출력 광파워를 소정의 비율로 분기하는 광파워분리부;
    상기 광파워분리부의 일 출력 포트에 연결되어 상기 광파워분리부에 의하여 일부 분기된 출력 파장을 갖는 광신호를 수신하여 전기 신호를 발생하는 수광소자; 및
    상기 전기 신호를 수신하여 상기 수광소자에 입력되는 광신호의 파워에 따라서 상기 적어도 두개의 레이저 다이오드의 출력을 제어하는 제어부
    를 포함하는, 다채널 파장 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는,
    DFB(distributed feed-back) LD 또는 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)을 포함하는, 다채널 파장 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 적어도 두개의 레이저 다이오드의 파장 관련 정보를 추출하기 위하여 락 인 디텍션(lock-in detection) 방법을 사용하는, 다채널 파장 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드의 파장을 변화시키고, 상기 변환된 파장을 고정시키기 위한 온도제어 소자를 더 포함하는, 다채널 파장 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도제어 소자는,
    열전 소자(termo-electric cooler) 또는 히터(heater)를 포함하는, 다채널 파장 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두개의 레이저 다이오드의 출력 광파워를 제어하는 피드백 회로를 구현하기 위한 상기 레이저 다이오드에 대응하는 수광소자를 더 포함하는, 다채널 파장 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드에 저주파의 디더링 신호(dithering signal)를 전송하는 디더링 신호원;
    상기 수광소자에 연결되어 전류 신호를 전압 신호로 전환하는 트랜스 임피던스 증폭기(transimpedance amplifier);
    상기 광신호에서 노이즈 신호를 제거하기 위한 대역 통과 필터(band-pass filter); 및
    상기 노이즈 신호가 제거된 광신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함하되,
    상기 제어부는 상기 디더링 신호를 검출하여 상기 디더링 신호를 전송한 레이저 다이오드를 검출하는, 다채널 파장 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 대역 통과 필터는,
    저주파 대역 신호를 필터링하는 저대역 통과 필터(low band pass filter)를 포함하는, 다채널 파장 제어 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 디더링 신호는,
    일정한 주기를 가지면서 단계적(stepwise)으로 변화하는 계단 신호(step signal) 형태를 갖는, 다채널 파장 제어 장치.
  10. 다채널 파장 제어 방법으로서,
    적어도 두개의 레이저 다이오드에서 출력하는 광신호의 파장다중화를 수행하는 단계;
    상기 파장다중화를 수행한 광신호의 출력 광파워를 소정의 비율로 분기하는 단계;
    상기 일부 분기된 출력 파장을 갖는 광신호를 수신하여 전기 신호를 발생하는 단계; 및
    상기 전기 신호를 수신하여 수광소자에 입력되는 광신호의 파워에 따라서 상기 적어도 두개의 레이저 다이오드의 출력을 제어하는 단계를 포함하는, 다채널 파장 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드에 저주파의 디더링 신호(dithering signal)를 전송하는 단계;
    상기 수광소자에 연결되어 전류 신호를 전압 신호로 전환하는 단계;
    상기 광신호에서 노이즈 신호를 제거하는 단계;
    상기 노이즈 신호가 제거된 광신호를 증폭하는 단계; 및
    상기 디더링 신호를 검출하여 상기 디더링 신호를 전송한 레이저 다이오드를 검출하는 단계를 포함하는, 다채널 파장 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102220804B1 (ko) * 2020-08-12 2021-03-02 (주)자람테크놀로지 프레임 정렬 기능을 구비한 다파장 pon 방식의 송수신 장치 및 이를 이용한 프레임 정렬 방법
KR20220021110A (ko) * 2020-08-13 2022-02-22 덕산넵코어스 주식회사 원자시계 레이저 보정 제어 장치 및 방법

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