KR20180091907A - 짧은 도달거리에서 사용할 수 있는 광 공간 분할 다중화 - Google Patents

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KR20180091907A
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노키아 오브 아메리카 코포레이션
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Abstract

광 데이터 송신기는 수직 공동 표면 방출 레이저 및 전-광 공간 모드 다중화기를 포함한다. 각각의 수직 공동 표면 방출 레이저는 1 마이크로미터 미만의 중심 파장에서 데이터 변조된 광 캐리어를 출력하도록 구성된다. 전-광 공간 모드 다중화기는 광 출력 및 광 입력을 갖는다. 각각의 수직 공동 표면 방출 레이저는 전-광 공간 모드 다중화기의 광 입력 중 하나 이상에 광학적으로 접속된다. 전-광 공간 모드 다중화기는 광 출력이 광섬유의 근단에 결합되어 있는 것에 응답하여 수직 공동 표면 방출 레이저 중 적어도 2개로 하여금 광 섬유의 하나 이상의 광 공간 전파 모드의 선형 독립 조합을 여기하게 한다.

Description

짧은 도달거리에서 사용할 수 있는 광 공간 분할 다중화
본 발명은 광섬유 통신을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
이 섹션에서는 발명에 대한 이해를 용이하게 하는데 도움이 되는 사항을 소개한다. 따라서, 이 섹션의 진술은 이러한 관점에서 읽혀져야 하며, 선행 기술에있는 것 또는 선행 기술에 없는 것에 대한 인정으로서 이해되어서는 안된다.
광 공간 분할 다중화 기술은 복수의 광 공간 전파 모드를 갖는 광섬유 라인을 통해 전송된 데이터를 수반한다. 광 공간 분할 다중화에서, 광 공간 전파 모드들 중 적어도 2개는 전파 방향을 따라 상이한 위상 및/또는 강도 프로파일을 가지며 상이한 데이터를 전달할 수 있다.
현재, 광 전송 네트워크를 위한 광 공간 분할 다중화 시스템에서 관심이 발생하고 있다. 광 전송 네트워크는 일반적으로 약 1.5 마이크로미터와 약 1.7 마이크로미터 사이 또는 1.3 마이크로미터 근처의 광통신 대역에서 동작한다. 이러한 파장 대역에서, 종래의 유리 광섬유는 낮은 감쇠 또는 손실을 갖는다. 이러한 광 전송 네트워크는 협 대역 광 방출을 제공하는 에지 방출 레이저 칩을 종종 사용한다. 이러한 광 전송 네트워크는 종종, 예를 들어, 색 분산, 채널 간 및/또는 채널 내 간섭, 잡음, 비선형 광 왜곡 및/또는 광 손실을 보상하기 위해, 값비싼 광 구성요소 및 값비싼 데이터 처리 구성요소를 사용한다.
몇몇 실시예는 짧은 도달거리(short reach)에서, 예컨대, 데이터 센터 내부에서 및/또는 인근 데이터 센터들 사이에서 사용하기 위해 조정되는 광 데이터 통신 구성요소 및/또는 시스템을 제공한다. 예를 들어, 데이터 센터에서, 광 데이터 통신 시스템은, 상이한 서버들 사이에, 서버와 탑 오브 랙 스위치(top of rack switch: TORS) 사이에, TORS들 사이에, TORS와 다른 스위치 사이에, 스위치들 사이에, 스위치와 라우터 사이에, 또는 더 일반적으로는 데이터 센터의 데이터 관리 디바이스들 사이에 광 데이터 통신을 제공할 수 있다. 이러한 실시예는 짧은 광 전송 거리에 걸쳐 저비용 및/또는 고 대역폭 데이터 통신을 제공할 수 있다.
제 1 실시예에서, 장치는 광 데이터 송신기를 포함한다. 광 데이터 송신기는 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface-emitting lasers) 및 전-광 공간 모드 다중화기(all-optical spatial mode multiplexer)를 포함한다. 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저의 각각은 1 마이크로미터 미만의 중심 파장에서 데이터 변조된 광 캐리어를 출력하도록 구성된다. 전-광 공간 모드 다중화기는 광 출력 및 복수의 광 입력을 갖는다. 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저의 각각은 전-광 공간 모드 다중화기의 광 입력 중 하나 이상에 광학적으로 접속된다. 전-광 공간 모드 다중화기는 광 출력이 광 섬유의 근단(near end)에 결합되어 있는 것에 응답하여 수직 공동 표면 방출 레이저 중 적어도 2개로 하여금 광 섬유의 하나 이상의 광 공간 전파 모드의 선형 독립 조합을 여기(excite)하게 한다.
임의의 제 1 실시예의 몇몇 예에서, 장치는, 수직 공동 표면 방출 레이저 중 대응하는 것을 직접 변조하도록 접속된 복수의 전기 드라이버를 더 포함한다.
임의의 제 1 실시예의 몇몇 예에서, 상기 조합 중 상이한 것들은 상대적으로 직교할 수 있다.
임의의 제 1 실시예의 몇몇 예에서, 수직 공동 표면 방출 레이저 중 일부는 0.90 마이크로미터와 0.70 마이크로미터 사이의 파장에서 광 빔을 방출하도록 구성될 수 있다.
임의의 제 1 실시예의 몇몇 예에서, 장치는 광섬유를 더 포함할 수 있다. 광섬유는 예를 들어 광통신 C-대역(optical telecommunication C-band)의 파장에서 표준 단일 모드 광섬유일 수 있다. 광 섬유는 예를 들어 10 킬로미터 미만 또는 심지어 2 킬로미터 미만의 길이를 가질 수 있고/있거나, 예를 들어 1.550 마이크로미터의 파장을 갖는 광에 대한 단일 모드 광섬유일 수 있다. 이 단락의 몇몇 예에서, 장치는 다른 전-광 공간 모드 다중화기를 갖는 광 데이터 수신기를 더 포함할 수 있다. 다른 전-광 공간 모드 다중화기는 복수의 광 입력을 가지며, 광섬유의 대향 단부로부터 광을 수신하도록 접속된 광 출력을 갖는다. 몇몇 예에서, 광 데이터 수신기는 상기 광의 광학적 증폭없이 광 데이터 송신기로부터 광을 수신하도록 접속된다.
임의의 제 1 실시예의 몇몇 예에서, 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저는 대략 동일한 중심 파장에서 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
임의의 제 1 실시예의 몇몇 예에서, 광 데이터 송신기는 데이터 변조된 광 캐리어 중 적어도 2개를 상기 조합 중 동일한 것의 상대적으로 직교하는 편광 상으로 광학적으로 다중화하도록 구성될 수 있다.
제 2 실시예에서, 방법은, 대응하는 디지털 데이터 스트림을 운반하는 광 캐리어를 출력하도록 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저를 동작시키는 단계를 포함한다. 각각의 광 캐리어는 1.0 마이크로미터 미만의 중심 파장을 갖는다. 방법은 또한 데이터 변조된 광 캐리어를 광 전송 섬유의 근단에서 광 전송 섬유의 복수의 광 공간 전파 모드 상으로 전-광학적으로(all-optically) 다중화하는 단계를 포함한다. 다중화하는 단계는, 데이터 변조된 광 캐리어 중 적어도 2개로 하여금 광 전송 섬유의 하나 이상의 광 공간 전파 모드의 선형 독립 조합을 여기하게 한다.
제 2 실시예의 몇몇 예에서, 광 캐리어는 대략 동일한 중심 광 파장을 가질 수 있다.
제 2 실시예의 몇몇 예에서, 각각의 중심 파장은 약 0.70 내지 0.90 마이크로미터일 수 있다.
제 3 실시예에서, 방법은, 광 전송 섬유로부터 1.0 마이크로미터 미만의 파장의 광을 수신하는 것에 응답하여, 광 전송 섬유의 근단에서 광의 광 공간 전파 모드에 기초하여 상이한 광 포트들로 광을 전-광학적으로 역다중화하는 단계를 포함한다. 방법은 또한, 광 포트들의 각각에서 광 강도의 전기적 측정치를 생성하고 전기적 측정치를 시간적으로 샘플링하여 디지털 데이터 값의 대응하는 스트림을 생성함으로써, 광 포트들의 각각에서 역다중화된 광으로부터 디지털 데이터 값의 개별 스트림을 복조하는 단계를 포함한다.
제 3 실시예의 몇몇 예에서, 광 전송 섬유는 광통신 C-대역의 파장을 갖는 광에 대한 단일 모드 광섬유일 수 있다.
제 3 실시예의 몇몇 예에서, 수신된 광은 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저를 병렬적으로 직접 변조함으로써 생성된 것일 수 있다.
제 3 실시예 중 임의의 것의 몇몇 예에서, 수신된 광은 역다중화를 수행하기 위해 사용된 광 공간 모드 역다중화기로부터 10 킬로미터 미만 또는 심지어 2 킬로미터 미만의 위치에 있는 광 데이터 송신기로부터 전송된 것일 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 광 공간 분할 다중화에 기초하여 각각의 단방향 및 양방향 광 데이터 통신을 제공하기 위해 단일 광 전송 섬유를 사용하는 대안적 광 데이터 통신 시스템들을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 1c는 광 공간 분할 다중화에 기초한 양방향 광 데이터 통신을 제공하기 위해 한 쌍의 광섬유를 사용하는 광 데이터 통신 시스템을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 2는 예컨대 도 1a 내지 도 1c의 광 데이터 통신 시스템에서 사용될 수 있는 광 데이터 송신기를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 3은 예컨대 도 1a 내지 도 1c의 광 데이터 통신 시스템에서 사용될 수 있는 광 데이터 수신기를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 4는 예컨대 도 2의 광 데이터 송신기에서 광 공간 분할 다중화를 통해 데이터를 전송하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 5는 예컨대 도 3의 광 데이터 수신기에서 광 공간 분할 다중화를 통해 데이터를 수신하는 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도면 및 본문에서 동일한 참조 번호는 기능적으로 및/또는 구조적으로 유사한 요소를 나타낸다.
도면에서, 몇몇 특징의 상대적 치수는 도면 내의 장치를 보다 명확하게 설명하기 위해 과장될 수 있다.
여기에서, 다양한 실시예는 도면 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 의해 보다 완전하게 설명된다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 도면 및 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 설명된 특정 실시예에 한정되지 않는다.
발명자 Haoshuo Chen, Nicolas Fontaine 및 Roland Ryf, 대리인 사건 번호 818534-US-NP의 발명의 명칭이 "MULTIMODE VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER"인 미국 특허 출원(여기에서 CHEN 출원으로 칭함)은, 본원과 같은 날에 출원되고 그 전체가 참조에 의해 본원에 통합된다. CHEN 출원은 본원에 설명된 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface-emitting laser: VCSEL)의 몇몇 실시예에 사용될 수 있는 VCSEL을 설명한다.
여기서, 전-광 디바이스(all-optical device)는, 광 신호의 하나 이상의 전기 신호로의 중간 변환 및 하나 이상의 전기 신호의 다른 광 신호로의 재변환 없이, 광 신호를 처리하는 디바이스를 지칭한다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 데이터의 광 통신을 위해 광 공간 분할 다중화를 수행하는 대안적 광 데이터 통신 시스템들(10A, 10B 및 10C)을 도시한다. 각각의 광 데이터 통신 시스템(10A, 10B, 10C)은 하나 이상의 광 데이터 송신기(14) 및 하나 이상의 광 데이터 수신기(16)를 포함하고, 2개의 노드(18, 20) 사이에서 단방향 또는 양방향 광 데이터 통신을 지원하도록 구성된다.
몇몇 실시예에서, 광 데이터 통신 시스템은 또한, 상이한 데이터 스트림들이 광 전송 섬유 라인의 동일한 광 공간 전파 모드의 직교하는 편광 상태들에 의해 전달되도록, 편광 모드 다중화를 수행할 수 있다. 이러한 실시예에서, 하나의 광 데이터 송신기(14) 및 하나의 광 데이터 수신기(16)의 하나 이상의 통신 쌍은, 광 공간 다중화 및 광 편광 분할 다중화되는 광 신호를 처리하여 상당히 더 높은 데이터 통신 속도를 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명자들은 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)의 유리한 몇몇 실시예가 짧은 도달거리 광통신을 위해 유리하게 구성될 수 있다고 믿는다. 예를 들어, 이러한 실시예는, 길이가 10 킬로미터 미만, 보통 2 킬로미터 미만, 어쩌면 1 킬로미터 미만, 어쩌면 심지어 500 미터 미만, 또는 몇몇 경우에는 심지어 100 미터 미만 또는 10 미터 미만인 광 전송 섬유 라인을 사용할 것이다. 이러한 광 데이터 통신 시스템은 보통, 적어도 약 1 미터 또는 적어도 약 2 미터, 어쩌면 적어도 약 10 미터, 또는 심지어 적어도 약 100 미터의 길이를 갖는 광 전송 섬유 라인을 가질 것이다. 광 데이터 통신의 이러한 짧은 도달거리를 위해, 이러한 실시예는 저비용으로, 예컨대 언젠가는 파장 분할 다중화, 인-라인 광 증폭, 광 분산 보상 및/또는 광 그룹 속도 지연 보상 중 하나 이상을 필요로 하지 않고, 높은 엔드-투-엔드 데이터 속도를 제공할 수 있다고 믿어진다.
도 1a를 참조하면, 광 데이터 통신 시스템(10A)은 노드들(18, 20) 사이의 단방향 광 데이터 통신을 위해 구성된 단일 광 전송 섬유(12)를 갖는다. 이 실시예에서, 노드(18)는 보통 하나 이상의 광 데이터 송신기(14) 중 하나를 가지며, 노드(20)는 하나 이상의 데이터 광 수신기(16) 중 하나를 갖는다. 광 데이터 송신기(14) 및 수신기(16)는 광 포트(OP)를 통해 광 전송 섬유(12)의 대향 단부에 광학적으로 결합한다.
도 1b를 참조하면, 광 데이터 통신 시스템(10B)은 노드들(18, 20) 사이의 양방향 광 데이터 통신을 위해 구성된 단일 광 전송 섬유(12)를 갖는다. 이 실시예에서, 각각의 노드(18, 20)는 하나 이상의 광 송신기(14) 중 하나, 하나 이상의 광 수신기(16) 중 하나, 및 3-포트 광 커넥터(22)를 포함한다. 3-포트 광 커넥터(22)는 수신된 광 데이터 통신을 적절한 방향으로 재배향한다. 3-포트 광 커넥터(22)는 동일한 노드(18, 20)의 광 데이터 송신기(14)로부터의 광 신호를 광 전송 섬유(12)로 재배향하고 광 전송 섬유(12)로부터의 광 신호를 동일한 노드(18, 20)의 광 데이터 수신기(16)로 재배향한다. 3-포트 광 커넥터(22)는, 예컨대, 종래의 3-포트 광 서큘레이터일 수 있다. 광 데이터 송신기(14) 및 광 데이터 수신기(16)는, 예컨대 광 도파관(OW) 및/또는 다른 종래의 광 구성요소, 예컨대, 렌즈(들), 거울(들), 자유 공간 등을 통해, 3-포트 광 커넥터(22)의 광 포트에 광학적으로 접속되는 광 포트(OP)를 갖는다.
도 1c를 참조하면, 광 데이터 통신 시스템(1OC)은 한 쌍의 광 전송 섬유(12_1, 12_2)를 가지며, 노드들(18, 20) 사이에서 양방향 광 데이터 통신을 위해 구성된다. 이 실시예에서, 각각의 노드(18, 20)는 하나 이상의 광 데이터 송신기(14) 중 하나 및 하나 이상의 광 데이터 수신기(16) 중 하나를 포함한다. 또한, 광 전송 섬유(12_1, 12_2)의 각각은, 한 쌍의 노드(18, 20) 사이에서 단방향 통신을 지원하는 방식으로, 노드들(18, 20) 중 하나의 광 송신기(14)의 광 포트(OP)를 노드들(20, 18) 중 나머지 하나의 광 수신기(16)의 광 포트(OP)로 광학적으로 접속한다. 2개의 광 전송 섬유(12_1, 12_2)는 2개의 노드(18, 20) 사이에서 반대 방향으로 광 데이터 통신을 지원한다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)은 보통 1.0 마이크로미터 미만의 파장(들)에서 데이터를 광학적으로 통신하도록 구성된다. 예를 들어, 광 데이터 통신은 약 0.90 마이크로미터와 0.70 마이크로미터 사이의 파장(들)에서 존재할 수 있으며, 0.98 마이크로미터 근처, 0.85 마이크로미터 근처 또는 0.78 마이크로미터 근처의 파장, 즉 저비용 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface-emitting laser: VCSEL)가 상업적으로 이용 가능한 것으로 보이는 출력 파장에서 존재할 수 있다. 이러한 짧은 파장에서, 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는 예컨대 광통신 C-대역의 표준 멀티모드 광섬유(standard multimode optical fiber: SMMF)일 수 있거나, 심지어 광통신 C-대역의 표준 단일 모드 광섬유(standard single mode optical fiber: SSMF)일 수 있다. 광통신 C-대역은 1.530 마이크로미터 내지 1.565 마이크로미터 범위의 파장을 포함한다. 특히, 이러한 SSMF는 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)이 동작하는 짧은 파장에서 멀티모드 광섬유, 즉, 소수 모드 광섬유(few mode optical fiber)로서 기능할 수 있다.
보통, 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는 적어도 3개의 상대적으로 직교하는 광 공간 전파 모드를 지원하고, 또한 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)에 의해 사용된 짧은 파장에서 각각의 이러한 광 공간 전파 모드의 2개의 직교하는 편광 상태를 종종 지원한다. 예를 들어, 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는 제로 각운동량의 기본 전파 모드 및 +1 및 -1의 각운동량을 각각 갖는 한 쌍의 더 높은 전파 모드를 지원할 수 있다. 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는, 예컨대 1보다 큰 크기의 각운동량를 또한 갖는, 상대적으로 직교하는 공간 전파 모드의 더 큰 세트를 지원할 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 SSMF는, 1.00 마이크로미터 근처의 파장에서보다 0.70 마이크로미터 내지 0.80 마이크로미터 범위의 더 짧은 파장에서, 더 구별되는 광 공간 전파 모드, 예컨대 더 큰 크기의 각운동량을 갖는 모드를 지원할 수 있다.
광 데이터 통신 시스템(10A, 10B, 10C)은 보통 1.0 마이크로미터 미만의 파장에서 데이터를 광학적으로 전송하기 때문에, 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는 보통 상당한 또는 심지어 큰 광 손실을 발생시킨다. 따라서, 광 데이터 통신은 보통 약 10-80 킬로미터 초과의 거리에서 가능하지 않으며, 심지어 10 킬로미터보다 큰 거리 또는 심지어 약 2 킬로미터보다 큰 거리에서도 가능하지 않을 수 있다. 실제로, 시스템들(10A, 10B, 10C)의 실시예는 보통 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)를 통한 짧은 도달거리 광 통신을 지원하도록 이루어진다. 이러한 짧은 도달거리 어플리케이션에서, 노드들(18, 20)은 예컨대, 단일 데이터 센터 내부에서, 10 킬로미터 미만, 2 킬로미터 이하, 1 킬로미터 이하 또는 심지어 약 500 미터 미만으로 떨어져 있을 수 있다. 따라서, 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는 보통 10 킬로미터 이하, 2 킬로미터 이하, 1 킬로미터 이하, 또는 심지어 500 미터 이하의 총 길이를 갖는다.
이러한 짧은 도달거리로 인해, 광 시스템(10A, 10B, 10C)은 보통 인라인 광 증폭, 광 분산 보상 및/또는 비선형 광 전송 효과에 대한 보상 중 하나 이상의 사용을 피할 수 있다. 이러한 짧은 도달거리에서, 광 시스템(10A, 10B, 10C)은 또한 광 데이터 송신기(12) 및/또는 광 데이터 수신기(14)에서 상이한 광 공간 전파 모드들 사이의 그룹 지연을 보상하는 것에 대한 상당히 더 낮은 필요성을 가질 수 있다. 따라서, 상이한 광 공간 전파 모드들이 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)에서 혼합되더라도, 그러한 혼합은 보통 큰 상대적 그룹 지연을 갖는 광 전파 모드의 부분을 수반하지 않는다. 이러한 이유로, 광 전파 모드들 중 상이한 것들 상으로 전달되는 데이터 스트림을 복원하거나 광 전파 모드들 중 상이한 것들 상으로 전달되는 데이터 스트림을 사전 보상하는 다중-입력-다중-출력 처리는 광 데이터 통신 시스템(10A, 10B, 10C)에서 더 간단해지거나 존재하지 않을 수 있다. 예를 들어, 모드 간 간섭 또는 혼합은 광 데이터 수신기(16)에서 간단한 등화를 통해 보정될 수 있다. 전술된 이유로, 시스템(10A, 10B, 10C)의 몇몇 실시예는 대용량 광 데이터 통신 시스템을 저렴한 비용으로 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)는, 예컨대 1.530 내지 1.565 마이크로미터의 파장에서, 예컨대 광통신 C-대역의 표준 멀티모드 광섬유(standard multimode fiber: SMF)일 수도 있다.
도 2는 도 1a 내지 도 1c의 노드들(18, 20) 중 하나 또는 모두에 존재하는 광 데이터 송신기(14)의 실시예(14')를 개략적으로 도시한다. 광 데이터 송신기(14')는 N개의 광원(24_1 ... 24_N), N개의 대응하는 전기 드라이버(26_1 ... 26_N) 및 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)를 포함한다.
각각의 광원(24_1 내지 24_N)은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface-emitting laser: VCSEL)이다. 상이한 VCSEL(24_1 내지 24_N)은, 예컨대, 1.0 마이크로미터 이하에서, 또는 심지어 0.7 마이크로미터 내지 0.9 마이크로미터의 범위에서, 예컨대 거의 동일한 중심 파장에서 동작하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, VCSEL(24_1 내지 24_N)은 심지어 C-대역 광통신에 사용하기 위한 종래의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium doped optical fiber amplifiers)를 펌핑(pumping)하기에 적합한 중심 파장에서 광을 출력할 수 있거나, 또는 심지어 다른 종래의 레이저를 펌핑하기에 적합한 더 짧은 중심 파장, 예컨대 0.80과 0.70 마이크로미터 사이의 파장에서 광을 출력할 수 있다. VCSEL(24_1 내지 24_N)은 예컨대 동일한 기판(30)의 평면(PS) 상에 제조될 수 있다.
각각의 전기 드라이버(26_1 ... 26_N)는, 진폭 변조 방식, 예컨대 ON/OFF 변조 방식 또는 더 큰 진폭 값을 갖는 변조 방식에 따라 데이터 변조된 광 캐리어를 방출하도록 VCSEL(24_1 내지 24_N) 중 대응하는 하나를 전기적으로 제어하기 위해 접속 및 구성된다. N개의 전기 드라이버(26_1 내지 26_N)는 N개의 VCSEL(24_1 내지 24_N)과 동일한 기판(30)의 평면(PS)을 따라 위치될 수 있거나, 다른 기판(도시되지 않음) 상에 위치될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 각각의 전기 드라이버(26_1 내지 26_N)는 대응하는 디지털 데이터 스트림, 즉, DATA_1, ..., 또는 DATA_N을 운반하도록 변조되는 광 캐리어를 방출하도록 대응하는 VCSEL(24_1 내지 24_N)을 직접 변조하도록 구성된다. 여기서, DATA_1, ..., 및 DATA_N은 N개의 독립적 디지털 데이터 스트림이다.
다른 실시예에서, 각각의 전기 드라이버(26_1 ... 26_N)는, 대응하는 VCSEL(24_1 내지 24_N)이 N개의 디지털 데이터 스트림(DATA_1, ..., 및 DATA_N) 중 대응하는 하나를 운반하는 변조된 광 캐리어를 방출하도록, 외부 변조기(도시되지 않음)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 전기 드라이버(26_1 ... 26_N)는, 예컨대, 대응하는 VCSEL(24_1 내지 24_N)의 광 출력에 위치한 전계 흡수 변조기(electro-absorption modulator)를 전기적으로 제어할 수 있다.
전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는, 예컨대 광 도파관(OW)을 통해 N개의 대응하는 VCSEL(24_1 내지 24_N)의 광 출력에 접속되는 N개의 광 입력(OI_1, ..., OI_N)을 갖는다. 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는 광 데이터 송신기(14')의 광 포트(OP)일 수 있는 광 출력을 가지며, 따라서 광 전송 섬유, 예컨대, 도 1a 내지 도 1c의 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2) 중 하나의 근단(near end) 또는 근단면(near end face)에 광학적으로 접속될 수 있다. 예를 들어, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는 종래의 광 랜턴형(photonic lantern type) 광 공간 모드 다중화기, 종래의 3차원 광 도파관형 공간 모드 다중화기, 또는 예컨대, 광 위상 마스크(들)에 기초한 광 공간 분할 다중화를 위한 종래의 자유 공간 장치일 수 있다.
전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는 N개의 광 입력(OI_1 내지 OI_N)의 각각으로부터의 광을 광 전송 섬유, 예컨대 도 1a 내지 도 1c의 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)의 인근 단면으로 전송하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는 N개의 광 입력(OI_1 내지 OI_N)의 각각으로부터의 광을 광 전송 섬유의 광 공간 전파 모드들 중 상대적으로 직교하는 하나의 광 공간 전파 모드로 주로 주입하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는 N개의 광 입력(OI_1 내지 OI_N) 중 하나 이상으로부터의 광을 전송 광섬유의 상기 상대적으로 직교하는 광 공간 전파 모드들 중 둘 이상으로 주입하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)는 선형 독립 디지털 데이터 스트림 또는 디지털 데이터 스트림의 선형 독립 조합을 사용하여 변조된 광 빔을 전송 광섬유의 상대적으로 직교하는 광 공간 전파 모드로 주입하도록 구성될 수 있다.
도 3은 도 1a 내지 도 1c의 노드들(18, 20) 중 하나 또는 모두에 존재하는 광 데이터 수신기(16)의 실시예(16')를 도시한다. 광 데이터 수신기(16')는, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32), N개의 광 강도 검출기(34_1 ... 34_N), N개의 전기 입력을 갖는 전자 데이터 프로세서(36)를 포함한다.
전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)는, 광 데이터 수신기(16')에서 전-광 N×1 모드 역다중화기로서 역으로 동작하도록 접속된다. 특히, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)의 단일 광 포트는 광 데이터 수신기(16')의 입력 광 포트(OP)이다. 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)의 N개의 광 포트(OP_1, ..., OP_N)의 어레이는 광 데이터 수신기(16')의 입력 광 포트(OP)로부터 수신된 광을 출력하도록 접속된다.
각각의 광 강도 검출기(34_1 내지 34_N)는 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)의 N개의 광 포트의 어레이 중 대응하는 하나로부터 광을 수신하도록 광학적으로 접속된다. 각각의 광 강도 검출기(34_1 내지 34_N)는 전기 신호를 전자 데이터 프로세서(36)의 대응하는 전기적 입력에 출력하도록 전기적으로 접속된다.
전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)는, 광 전송 섬유, 예컨대 도 1a 내지 도 1c의 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)의 근단 또는 근단면으로부터 광 포트(OP)에서 수신된 광을, 광 전송 섬유 내의 광의 광 공간 전파 모드에 기초하여 분리하도록 구성된다. 특히, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)의 N개의 광 포트(OP_1 내지 OP_N) 중 상이한 것들은, 광 데이터 수신기(16')의 광 포트(OP)에 접속된 광 전송 섬유의 상대적으로 직교하는 광 공간 전파 모드들로부터 수신된 광을 주로 또는 거의 전적으로 출력한다.
몇몇 실시예에서, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)는 또한 동일한 광 공간 전파 모드의 직교하는 편광들의 광을 분리하여, 상대적으로 직교하는 편광들의 광이 역시 N개의 광 포트(OP_1 내지 OP_N)의 개별 광 포트로 주로 또는 어쩌면 거의 완전히 지향되게 하도록 구성될 수 있다. 특히, 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)의 이러한 실시예는, 광 공간 분할 다중화 및 광 편광 모드 다중화를 모두 사용하여 광학적으로 데이터를 전송하는 도 1a 내지 도 1c의 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)에서 사용될 수 있다.
광 강도 검출기(36_1 내지 36_N)는 종래의 다이오드 또는 트랜지스터 광 검출기를 포함할 수 있다. 광 강도 검출기(36_1 내지 36_N)는 다이오드 또는 트랜지스터 광 검출기의 대응하는 전기 출력에 접속된 전자 증폭기를 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다.
전자 데이터 프로세서(36)는 N개의 대응하는 전기 입력에 접속된 N개의 종래의 아날로그-디지털 변환기를 포함하고, 아날로그-디지털 변환기로부터의 디지털 신호 스트림을 처리하기 위한 선택적 디지털 회로를 포함할 수 있다. 각각의 아날로그-디지털 변환기는, 예컨대, 광 데이터 수신기(16')의 광 포트(OP)에 종단 접속된(end-connected) 광 전송 섬유의 광 공간 전파 모드들 중 하나에 의해 전달된 디지털 데이터 스트림을 나타내는, 시간적으로 샘플링된 디지털 신호 스트림을 출력한다. 선택적 디지털 회로는, 예컨대 도 1a 내지 도 1c의 대응하는 쌍을 이루는 광 데이터 송신기(14)와 광 데이터 수신기(16) 사이의 송신 동안, 송신 에러의 보정을 제공할 수 있고/있거나 광 신호의 일부 열화를 보상할 수 있다. 예를 들어, 선택적 디지털 회로는 도 1a 내지 도 1c의 광섬유 라인에 사용된 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)에서 생성된 색 분산 및/또는 광-채널 간 간섭의 영향을 부분적으로 보상하거나 제거할 수 있다. 이러한 광섬유(12, 12_1, 12_2)의 짧은 도달거리 특성으로 인해, 몇몇 실시예에서 그룹 속도 지연은 도 1a 내지 도 1c의 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)에서 작거나 중요하지 않은 문제일 수 있다.
도 1a 내지 도 1c를 다시 참조하면, 광 데이터 통신 시스템(10A 내지 10C)의 몇몇 특정 실시예는 또한, R개의 WDM 파장 채널을 통한 파장 분할 다중화(WDM)를 지원할 수 있다. 이러한 실시예에서, 도 2의 다수의 VCSEL(24_1 내지 24_N)은, 예컨대 P개의 광 공간 모드의 각각에 대한 R개의 WDM 파장 채널 상의 광 데이터 통신, 즉, N = RㆍP를 지원하기 위해, RㆍP개의 VCSEL을 포함할 수 있다. 또한, 광 공간 모드 다중화기(28)는 내부 광 Px1 공간 모드 다중화기와, 내부 광 Px1 공간 모드 다중화기의 P개의 광 입력에 접속된 P개의 Rxl WDM 다중화기를 포함할 수 있다. 이때, VCSEL(26_1 내지 26_N) 중 R개는 Rx1 WDM 다중화기의 각각의 대응하는 R개의 광 입력에 접속될 수 있다. 또한, 도 3의 광 공간 모드 다중화기(32)는, 내부 광 Px1 공간 모드 다중화기와, 내부 광 Px1 공간 모드 다중화기의 P개의 광 입력에 접속된 P개의 1xR WDM 역다중화기를 또한 포함할 수 있다. 이때, 광 강도 검출기(34_1 내지 34_N) 중 R개는 각각의 1xR WDM 역다중화기의 R개의 광 출력에 접속될 수 있다.
이러한 WDM 실시예는 또한 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)의 광 데이터 용량을 더 증가시키기 위해 편광 분할 다중화를 지원할 수 있다. 실제로, WDM 및/또는 광 편광 다중화를 지원하는 실시예는 도 1a 내지 도 1c의 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)의 데이터 용량을 더 증가시킨다.
도 4는 예컨대 도 2의 광 데이터 송신기(14')를 사용하여 광 공간 분할 다중화를 통해 데이터를 송신하는 방법(50)을 개략적으로 도시한다.
방법(50)은 대응하는 디지털 데이터 스트림을 운반하는 광 캐리어를 출력하기 위해 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 동작시키는 단계를 포함하는데, 각각의 광 캐리어는 1.0 마이크로미터 미만의 중심 파장을 갖는다(단계 52). 특히, 각각의 광 캐리어는 상이한 또는 독립적 디지털 데이터 스트림을 운반하도록 변조된다. 종종, 광 캐리어 상으로의 디지털 데이터의 변조는 시간적으로 병렬적으로 수행되지만, 몇몇 실시예는 시간적으로 완전히 또는 부분적으로 직렬 방식으로 변조를 수행할 수 있다. 예를 들어, 방법(50)은 디지털 데이터의 스트림에 의해 변조된 광 캐리어의 선택을 시간에 따라 번갈아 행하는 것을 수반할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 동작 단계(52)는, 예컨대 ON/OFF 방식으로, 예컨대 개별 VCSEL의 직접 전기적 변조에 의해 수행될 수 있다. 이러한 직접 전기 변조는 저비용 장치를 사용하여 동작 단계(52)를 수행할 수 있다.
다른 실시예에서, 동작 단계(52)는, 예컨대 ON/OFF 방식 또는 2개 초과의 값을 갖는 진폭 변조를 지원하는 방식으로, 예컨대 개별 VCSEL의 외부 변조에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 각각의 VCSEL은 대응하는 전계-흡수 변조기에 의해 외부적으로 변조될 수 있다.
단계(52)의 몇몇 실시예에서, 개별 광 캐리어는 예컨대 모두 대략 동일한 중심 광 파장에 있을 수 있다.
단계(52)의 몇몇 실시예에서, 각각의 광 캐리어는 예컨대 약 0.70 내지 약 0.90 마이크로미터의 중심 파장을 가질 수 있거나, 심지어 광통신 C-대역의 에르븀 주입된 광섬유 증폭기를 펌핑하기에 적합한 중심 파장 또는 다른 종래의 레이저를 펌핑하기에 적합한 중심 파장을 가질 수 있다. 약 0.70 마이크로미터 내지 약 0.90 마이크로미터와 같은 그러한 짧은 파장에서, 저비용 VCSEL은 상업적으로 용이하게 이용 가능하다고 믿어진다.
방법(50)은 데이터 변조된 광 캐리어를 도 1a 내지 도 1c의 광 전송 섬유(12, 12_1, 12_2)와 같은 광 전송 섬유의 복수의 광 공간 전파 모드 상으로 그 근단 또는 단면에서 전-광학적으로(all-optically) 다중화하는 단계를 포함한다(단계 54). 다중화하는 단계(54)는 도 2의 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(28)를 사용하여 다중화를 수행할 수 있다.
단계(54)는 데이터 변조된 광 캐리어 중 적어도 2개 및 어쩌면 모두가 광 전송 섬유의 광 공간 전파 모드들의 선형 독립 조합을 여기(excite)하도록 다중화를 수행하는 단계를 수반한다.
단계(54)의 몇몇 실시예에서, 다중화하는 것은 상이한 데이터 변조된 광 캐리어들을 광 전송 섬유 내의 동일한 광 공간 전파 모드의 직교하는 편광 상태들에 종단 결합(end-coupling)하는 것을 또한 수반할 수 있다. 이러한 실시예에서, 방법(50)은, 예컨대 도 2의 광 데이터 송신기(14') 및 도 1a 내지 도 1c의 광 데이터 통신 시스템(10A-10C)에서, 데이터의 광 공간 분할 다중화와 광 편광 모드 분할 다중화를 모두 수행하는 것을 수반한다.
도 5는 예컨대 도 3의 광 데이터 수신기(16')를 사용하여 광 공간 분할 다중화를 통해 데이터를 수신하는 방법(60)을 개략적으로 도시한다.
방법(60)은, 광 전송 섬유의 근단 또는 근단면으로부터 1.0 마이크로미터 미만의 파장의 광을 수신하는 것에 응답하여, 광 전송 섬유의 근단에서 광의 광 공간 전파 모드에 기초하여 상이한 광 포트들로 광을 전-광학적으로(all-optically) 역다중화한다(단계 62). 역다중화는, 예컨대, 공간 전파 모드들 중 적어도 제 1 및 제 2 광 공간 전파 모드로부터 수신된 광이 광 포트들 중 상이한 것들로 주로 또는 어쩌면 거의 완전하게 지향되도록 수행될 수 있다. 단계(62)는 도 3의 전-광 1xN 공간 모드 다중화기(32)를 사용하여 도 1a 내지 도 1c의 광섬유(12, 12_1, 12_2) 중 임의의 것의 근단으로부터 수신된 광을 도 3의 N개의 광 포트(OP_1 내지 OP_N) 중 상이한 것들로 역다중화할 수 있다.
단계 62의 몇몇 실시예에서, 광 전송 섬유는 광통신 C-대역의 파장을 갖는 광을 위한 단일 모드 광섬유일 수 있다.
단계 62의 몇몇 실시예에서, 수신된 광은 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저를 병렬적으로 직접 변조함으로써 생성된 것일 수 있다.
단계 62의 몇몇 실시예에서, 수신된 광은 역다중화를 수행하는 광 공간 모드 역다중화기로부터 2 킬로미터 미만, 1 킬로미터 미만, 또는 심지어 500 미터 미만의 위치에 있는 광 데이터 송신기로부터 전송된 것이다.
몇몇 실시예에서, 역다중화 단계(62)는, 예컨대 파장 분할 (역)다중화 없이, 거의 동일한 중심 파장을 갖는 광에 대해 수행될 수 있다.
방법(60)은 광 포트들의 각각에서 역다중화된 광 출력으로부터 디지털 데이터 값의 개별 스트림을 복조하는 단계를 포함한다(단계 64). 복조하는 단계는 광 포트들의 각각에서 광 강도의 전기적 측정치를 생성하고 전기적 측정치를 시간적으로 샘플링하여 디지털 데이터 값의 스트림을 생성하는 단계를 포함한다.
역다중화에 의해 광 포트들 중 상이한 것들로 전송되는 광은 선형 독립 또는 상이한 디지털 데이터 스트림들을 전달할 수 있다. 결과적인 복수의 디지털 신호 스트림은, 예컨대 광 전송 섬유를 통한 전송에 의해 생성되는 몇몇 왜곡, 예컨대, 감쇠, 색 분산 및/또는 광 전송 섬유 내의 상이한 광 공간 전파 모드들의 혼합과 같은 왜곡을 보상하도록 추가로 처리될 수 있다
몇몇 실시예에서는, 광이 광 전송 섬유의 상이한 광 공간 전파 모드들로부터 거의 동시에 수신되기 때문에, 역다중화 단계(62)는 광 포트들의 다양한 광 포트로 광을 병렬적으로 지향시키도록 수행된다.
다른 실시예에서는, 광이 수신되는 광 공간 전파 모드가 시간에 따라 변하기 때문에, 역다중화 단계(62)는 순차적 방식으로 수행될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 역다중화 단계(62)는 또한 광 편광에 기초하여 수신된 광을 역다중화하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 광 전송 섬유의 동일한 광 공간 전파 모드의 상대적으로 직교하는 편광 상태로부터 수신된 광은 단계 62에 의해 광 포트들 중 상이한 것들로 주로 또는 실질적으로 완전하게 지향될 수 있다. 이러한 실시예에서, 방법(60)은, 예컨대 도 2의 광 데이터 수신기(16') 및 도 1a 내지 도 1c의 광 데이터 통신 시스템(10A-10C)에서, 광 공간 분할 다중화와 광 편광 모드 분할 다중화를 모두 포함하는 광 데이터 통신을 지원할 수 있다.
예시적 실시예의 상세한 설명 및 도면은 단순히 본 발명의 원리를 설명하는 것이다. 따라서, 여기에서 명시적으로 기재되거나 도시되지는 않았지만, 본 발명의 원리를 구현하고 청구된 발명 내에 포함되는 다양한 구성을 당업자가 고안할 수 있음이 인식될 것이다. 또한, 여기에서 본 발명의 원리, 양태 및 실시예 및 그 특정 예를 기재하는 모든 문장은 그 균등물을 포함하도록 의도된다.

Claims (10)

  1. 광 데이터 송신기를 포함하는 장치로서,
    상기 광 데이터 송신기는,
    복수의 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface-emitting lasers) － 상기 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저의 각각은 1 마이크로미터 미만의 중심 파장에서 데이터 변조된 광 캐리어를 출력하도록 구성됨 － 와,
    광 출력 및 복수의 광 입력을 갖는 전-광 공간 모드 다중화기(all-optical spatial mode multiplexer) － 상기 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저의 각각은 상기 전-광 공간 모드 다중화기의 광 입력 중 하나 이상에 광학적으로 접속됨 － 를 포함하고,
    상기 전-광 공간 모드 다중화기는 상기 광 출력이 광 섬유의 근단(near end)에 결합되어 있는 것에 응답하여 상기 수직 공동 표면 방출 레이저 중 적어도 2개로 하여금 상기 광 섬유의 하나 이상의 광 공간 전파 모드의 선형 독립 조합을 여기(excite)하게 하는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 표면 방출 레이저 중 대응하는 것을 직접 변조하도록 접속되어 있는 복수의 전기 드라이버를 더 포함하는
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 공동 표면 방출 레이저 중 일부는 0.90 마이크로미터와 0.70 마이크로미터 사이의 파장에서 광 빔을 방출하도록 구성되는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유를 더 포함하되, 상기 광섬유는 광통신 C-대역(optical telecommunication C-band)의 파장에서 표준 단일 모드 광섬유인
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다른 전-광 공간 모드 다중화기를 갖는 광 데이터 수신기와, 상기 광섬유를 더 포함하되,
    상기 다른 전-광 공간 모드 다중화기는 복수의 광 입력을 가지며, 상기 광섬유의 대향 단부로부터 광을 수신하도록 접속된 광 출력을 갖는
    장치.
  6. 대응하는 디지털 데이터 스트림을 운반하는 광 캐리어를 출력하도록 복수의 수직 공동 표면 방출 레이저를 동작시키는 단계 － 각각의 광 캐리어는 1.0 마이크로미터 미만의 중심 파장을 가짐 － 와,
    데이터 변조된 상기 광 캐리어를 광 전송 섬유의 근단에서 상기 광 전송 섬유의 복수의 광 공간 전파 모드 상으로 전-광학적으로(all-optically) 다중화하는 단계를 포함하되,
    상기 다중화하는 단계는, 상기 데이터 변조된 광 캐리어 중 적어도 2개로 하여금 상기 광 전송 섬유의 하나 이상의 광 공간 전파 모드의 선형 독립 조합을 여기하게 하는
    방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 캐리어는 대략 동일한 중심 광 파장을 갖는
    방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    각각의 중심 파장은 대략 0.70 내지 0.90 마이크로미터인
    방법.
  9. 광 전송 섬유로부터 1.0 마이크로미터 미만의 파장의 광을 수신하는 것에 응답하여, 상기 광 전송 섬유의 근단에서 상기 광의 광 공간 전파 모드에 기초하여 상이한 광 포트들로 상기 광을 전-광학적으로 역다중화하는 단계와,
    상기 광 포트들의 각각에서 광 강도의 전기적 측정치를 생성하고 상기 전기적 측정치를 시간적으로 샘플링하여 디지털 데이터 값의 대응하는 스트림을 생성함으로써, 상기 광 포트들의 각각에서 상기 역다중화된 광으로부터 디지털 데이터 값의 개별 스트림을 복조하는 단계를 포함하는
    방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 전송 섬유는 광통신 C-대역의 파장을 갖는 광에 대한 단일 모드 광섬유인
    방법.
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