KR20210145687A

KR20210145687A - 광 변조 디바이스

Info

Publication number: KR20210145687A
Application number: KR1020210066622A
Authority: KR
Inventors: 쿠엔-팅 차이; 주온-민 추앙
Original assignee: 몰렉스 엘엘씨
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2021-05-25
Publication date: 2021-12-02
Also published as: JP7221331B2; EP3917035A1; US20210364879A1; JP2021189446A; KR102478968B1; CN113721403A

Abstract

본 발명의 광 변조 디바이스는 광 분할기, 광 위상 변조기 및 광 결합기를 포함한다. 광 분할기는 입력 광 신호를 일정 광 분할비로 분할하여 제1 분할 광 신호 및 제2 분할 광 신호를 생성한다. 광 위상 변조기는 제1 분할 광 신호 및 제2 분할 광 신호를 위상 변조하여 각각 제1 변조 광 신호 및 제2 변조 광 신호를 생성한다. 광 결합기는 제1 변조 광 신호와 제2 변조 광 신호를 일정 결합비로 결합하여 처프(chirp)를 갖는 출력 광 신호를 생성하는데, 결합비는 광 분할비와 동일하고, 결합비의 값은 양수이고, 그 값은 1 미만 또는 1 초과이다.

Description

광 변조 디바이스{OPTICAL MODULATING DEVICE}

본 발명은 디바이스에 관한 것으로, 특히 광 변조 디바이스에 관한 것이다.

광섬유 통신 시스템에서, 광섬유 분산은 파장에 대한 파 속도의 종속성으로 인해 상이한 파장들을 갖는 광 스펙트럼 성분들 내로 광파들이 분산되는 현상이다. 광 변조 디바이스에 의해 방출된 광 신호 또는 펄스가, 예를 들어, 광섬유 채널 내로 투사될 때, 그의 엔벨로프(envelope)는 파 그룹 속도로 광섬유 채널을 따라 광 수신 디바이스로 전파된다. 이러한 펄스가 일련의 광 스펙트럼 성분들을 포함하기 때문에, 각각의 광 스펙트럼 성분은 상이한 파 그룹 속도로 이동하여, 그룹 속도 분산(group velocity dispersion, GVD), 모드내 분산(intramodal dispersion) 또는 단순 광섬유 분산을 야기한다. 이러한 분산 현상은 또한 펄스 확장으로 종종 지칭된다. 펄스가 광섬유를 따라 이동할 때, 광 스펙트럼 성분들은 시공간에서 계속 분산되고, 펄스는 너무 넓게 될 것이고, 펄스의 전방 에지가 이전 펄스의 후방 에지와 중첩되고, 부호 간 간섭(inter symbol interference, ISI)이 발생할 것이고 비트가 흐려질 것이며, 이는, 광 수신 디바이스가 광 신호를 수신하고 광 신호에 기초하여 복조할 때, 광 수신 디바이스가 "0" 비트와 "1" 비트 사이의 차이를 식별할 수 없어서 복조 에러를 야기한다. 더욱이, 광섬유의 분산은 광섬유의 길이에 직접 비례하는데, 즉, 광섬유의 전송 거리는 광섬유의 분산에 의해 제한된다. 게다가, 광 수신 디바이스에 의해 수신되는 광 신호의 신호 대 잡음비(SNR)가 또한 광 수신 디바이스의 복조 정확도에 영향을 미칠 것이다.

이와 같이, 광섬유의 분산 및 신호 대 잡음비는 광섬유 통신의 신호 품질에 영향을 미치는 중요한 인자들 중 하나가 된다. 따라서, 광 전송 거리를 증진시키기 위해 신호 대 잡음비가 너무 낮아지는 것 및 광섬유의 분산이 광섬유 통신 시스템에 심각하게 영향을 미치는 것을 회피하는 방법이 관련 통신 엔티티(entity)에 의해 개선될 주제이다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존 기술의 결점을 극복할 수 있는 광 변조 디바이스를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명의 광 변조 디바이스는 광 분할기, 광 위상 변조기 및 광 결합기를 포함한다. 광 분할기는, 입력 광 신호를 수신하고 입력 광 신호를 일정 광 분할비로 분할하여 제1 분할 광 신호 및 제2 분할 광 신호를 생성하는 데 사용된다. 광 위상 변조기는 광 분할기에 커플링되고, 제1 분할 광 신호 및 제2 분할 광 신호를 수신하고 제1 분할 광 신호 및 제2 분할 광 신호를 위상 변조하여 각각 제1 변조 광 신호 및 제2 변조 광 신호를 생성한다. 광 결합기는 광 위상 변조기에 커플링되고, 제1 변조 광 신호 및 제2 변조 광 신호를 수신하고 제1 변조 광 신호와 제2 변조 광 신호를 일정 결합비로 결합하여 처프(chirp)를 갖는 출력 광 신호를 생성하는데, 결합비는 광 분할비와 동일하고, 결합비의 값은 양수이고, 그 값은 1 미만 또는 1 초과이다.

본 발명의 효과는, 광 분할비가 광 결합비와 동일하다는 것에 의해, 출력 광 신호가 더 우수한 신호 대 잡음비를 갖게 하여, 광 수신 디바이스가 출력 광 신호를 수신하고 출력 광 신호에 따라 복조할 때, 광 수신 디바이스가 더 우수한 복조 정확도를 갖게 하고, 출력 광 신호는 처프를 갖고, 이는 출력 광 신호의 전송 시 광섬유에 의해 야기되는 분산의 영향을 감소시킬 수 있으며, 이어서, 광 통신 시스템의 전송 성능을 증진시킬 수 있다는 점에 있다.

본 발명의 다른 특징 및 기술적 효과는 첨부 도면을 참조한 실시예에서 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 광 변조 디바이스의 제1 실시예를 도시하는 평면도이다.
도 2는 제1 실시예의 출력 광 신호의 처프가 상이한 값들을 취할 때, 결합비의 제1 값이 광 분할비의 제1 값에 따라 변하는 것을 나타내는 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 3은 제1 실시예의 출력 광 신호의 처프가 상이한 값들을 취할 때, 출력 광 신호의 광 변조 진폭이 광 분할비의 제1 값에 따라 변하는 것을 나타내는 시뮬레이션 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 광 변조 디바이스의 제2 실시예를 도시하는 평면도이다.
도면 부호는 하기와 같이 표현된다:
1 광 변조 디바이스
11 광 분할기
111, 112 입력 단부
12 광 위상 변조기
121 제1 도파관
122 제2 도파관
123 제1 전극
124 제2 전극
125 바이어스 전압 전극
13 광 결합기
131, 132 출력 단부
14 비 조절기(ratio regulator)
141 제1 전극
142 제2 전극
V1 제1 변조 전압
V2 제2 변조 전압
Vb 바이어스 전압 신호
Vdc 직류 전압
Oin 입력 광 신호
Oout 출력 광 신호
Om1 제1 변조 광 신호
Om2 제2 변조 광 신호
Os1 제1 분할 광 신호
Os2 제2 분할 광 신호
OMA 광 변조 진폭
ε1 광 분할비의 제1 값
ε2 결합비의 제1 값
α 처프

본 발명이 상세히 설명되기 전에, 동일한 요소들이 하기의 설명에서 동일한 도면 부호들로 표시된다는 것에 유의하여야 한다.

<제1 실시예>

도 1을 참조하면, 본 발명의 광 변조 디바이스(1)의 일 실시예는 광 통신 시스템(도시되지 않음)에 적응된다. 광 통신 시스템은 광섬유(도시되지 않음) 및 광 수신 디바이스(도시되지 않음)를 포함한다. 광 변조 디바이스(1)는, 연속 파를 갖는 입력 광 신호(Oin)를 변조하여 처프를 갖는 출력 광 신호(Oout)를 방출하고 출력 광 신호(Oout)를 광섬유를 통해 광 수신 디바이스로 전송하는 데 사용된다. 광 수신 디바이스는 광 수신 디바이스에 의해 수신된 출력 광 신호(Oout)를 복조한다.

본 실시예의 광 변조 디바이스(1)는 광 분할기(11), 광 위상 변조기(12) 및 광 결합기(13)를 포함한다. 광 변조 디바이스(1)는 마하-젠더 변조기(Mach-Zehnder modulator, MZM)이고, 마하-젠더 변조기는 LiNbO₃계, 규소 및 InP 중 하나로 제조된다.

광 분할기(11)는, 입력 광 신호(Oin)를 수신하고 입력 광 신호(Oin)를 일정 광 분할비(즉, ε1:(1-ε1), 0<ε1<1)로 분할하여 제1 분할 광 신호(Os1) 및 제2 분할 광 신호(Os2)를 생성하는 데 사용된다. 본 실시예에서, 광 분할기(11)는 광 방향성 커플러이고, 입력 광 신호(Oin)만을 수신하지만, 본 발명은 이로 제한되지 않는다는 것에 유의한다. 다른 실시예들에서, 광 분할기(11)의 입력 단부(111)는 입력 광 신호(Oin)를 수신하고, 다른 입력 단부(112)는 다른 입력 광 신호를 수신한다. 광 분할기(11)는 Y-분기 도파관 또는 다중 모드 간섭계일 수 있다.

광 위상 변조기(12)는 광 분할기(11)에 커플링되고, 제1 분할 광 신호(Os1) 및 제2 분할 광 신호(Os2)를 수신하고 제1 분할 광 신호(Os1) 및 제2 분할 광 신호(Os2)를 위상 변조하여, 각각 제1 변조 광 신호(Om1) 및 제2 변조 광 신호(Om2)를 생성하게 한다. 본 실시예에서, 광 위상 변조기(12)는 제1 도파관(121), 제2 도파관(122), 제1 전극(123), 제2 전극(124) 및 바이어스 전압 전극(125)을 포함한다.

제1 도파관(121)은 광 분할기(11)와 광 결합기(13) 사이에 커플링되고, 광 분할기(11)로부터 제1 분할 광 신호(Os1)를 수신하고, 제1 분할 광 신호(Os1)에 기초하여 제1 변조 광 신호(Om1)를 생성한다. 제2 도파관(122)은 광 분할기(11)와 광 결합기(13) 사이에 커플링되고, 광 분할기(11)로부터 제2 분할 광 신호(Os2)를 수신하고, 제2 분할 광 신호(Os2)에 기초하여 제2 변조 광 신호(Om2)를 생성한다. 제1 전극(123)은 제1 도파관(121)에 대응하여 제공되고, 제1 변조 전압(V1)을 수신하는 데 사용된다. 제2 전극(124)은 제2 도파관(122)에 대응하여 제공되고, 제2 변조 전압(V2)을 수신하는 데 사용된다. 구체적으로, 제1 전극(123) 및 제2 전극(124)은 각각 제1 도파관(121)의 상부 표면 및 제2 도파관(122)의 상부 표면 상에 제공된다. 제1 전극(123) 및 제2 전극(124)은 제1 도파관(121) 자체의 굴절률 및 제2 도파관(122) 자체의 굴절률이 각각 제1 변조 전압(V1) 및 제2 변조 전압(V2)에 따른 변화를 생성하게 하여(예를 들어, 제1 변조 전압(V1) 및 제2 변조 전압(V2)에 따라 열을 생성하여 제1 도파관(121)의 굴절률 및 제2 도파관(122)의 굴절률이 변하게 하지만, 본 발명은 이로 제한되지 않음), 제1 도파관(121)에 의해 전파되는 제1 분할 광 신호(Os1)의 전파 속도 및 제2 도파관(122)에 의해 전파되는 제2 분할 광 신호(Os2)의 전파 속도가 변하게 하고(즉, 제1 도파관(121) 내에서 전파되는 광과 제2 도파관(122) 내에서 전파되는 광 사이에 위상 차이가 생성됨(즉, 위상 변조)), 각각 제1 변조 광 신호(Om1) 및 제2 변조 광 신호(Om2)를 생성한다. 이와 같이, 제1 변조 광 신호(Om1)의 위상 및 제2 변조 광 신호(Om2)의 위상이 제1 변조 전압(V1) 및 제2 변조 전압(V2)이 변함에 따라 각각 변한다.

바이어스 전압 전극(125)은 제2 도파관(122) 및 제2 전극(124)에 대응하여 제공되고(또는, 바이어스 전압 전극(125)은 제1 도파관(121) 및 제1 전극(123)에 대응하여 제공됨), 바이어스 전압 신호(Vb)를 수신하는 데 사용된다.

구체적으로, 출력 광 신호(Oout)의 처프의 극성은 그 자체에서 작동되는 광 변조 디바이스(1)의 전달 함수의 양의 기울기 또는 음의 기울기와 연관되고, 출력 광 신호(Oout)의 처프의 크기는 전달 함수의 구적점(quadrature point)으로부터의 광 변조 디바이스(1)의 바이어스 전압점의 오프셋과 연관된다. 따라서, 광 위상 변조기(12)가 바이어스 전압 신호(Vb)에 의해 제어되게 함으로써, 본 실시예는 전달 함수의 양의 기울기 또는 음의 기울기에서 작동되도록 광 변조 디바이스(1)를 조정하여 처프의 극성을 변하게 하고, 바이어스 전압점이 바이어스 전압 신호(Vb)에 의해 전달 함수의 구적점으로부터 오프셋되게 하여 처프의 크기를 변하게 하여, 바이어스 전압 신호(Vb)가 변함에 따라 출력 광 신호(Oout)의 처프가 변하게 한다.

광 결합기(13)는 광 위상 변조기(12)와 커플링되고 제1 변조 광 신호(Om1) 및 제2 변조 광 신호(Om2)를 수신하고, 제1 변조 광 신호(Om1)와 제2 변조 광 신호(Om2)를 결합비(즉, ε2:(1-ε2), 0<ε2<1)로 결합하여, 출력 광 신호(Oout)를 생성하게 한다. 결합비 및 광 분할비 둘 모두는 상수임에 유의한다. 결합비는 광 분할비와 동일하고(즉, ε1:(1-ε1)= ε2:(1-ε2)이고), 결합비의 값은 양수이고, 그 값은 1 미만 또는 1 초과이다. 또한, 본 실시예에서, 광 결합기(13)는 광 방향성 커플러이고, 출력 광 신호(Oout)만을 출력하지만, 본 발명은 이로 제한되지 않는다. 다른 실시예에서, 광 결합기(13)의 출력 단부(131)는 출력 광 신호(Oout)를 출력하고, 광 결합기(13)의 다른 출력 단부(132)는 다른 출력 광 신호를 출력한다. 출력 광 신호(Oout) 및 다른 출력 광 신호는 상이한 처프들을 가질 수 있다. 광 결합기(13)는 Y-분기 도파관 또는 다중 모드 간섭계일 수 있다.

본 실시예에서, 제1 변조 전압(V1)의 진폭과 제2 변조 전압(V2)의 진폭은 동일하고, 제1 변조 전압(V1)의 위상과 제2 변조 전압(V2)의 위상은 180도만큼 서로 상이하다. 출력 광 신호(Oout)의 광 변조 진폭(OMA)이 하기 식 (1)에 의해 얻어질 수 있다:

[식 (1)]

,

여기서, 파라미터 OMA는 광 변조 진폭이고, 파라미터 Po,max 및 파라미터 Po,min은 각각 출력 광 신호(Oout)의 최대 광 출력 및 최소 광 출력이고, 파라미터

은 광 분할비의 제1 값이고, 파라미터

는 결합비의 제1 값이고, 파라미터 Pin은 입력 광 신호(Oin)의 광 출력이다. 식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 출력 광 신호(Oout)의 광 변조 진폭(OMA)은 광 분할비 및 결합비와 연관되며, 따라서, 본 발명이 입력 광 신호(Oin)의 파장 및 투과 거리를 결정하고 입력 광 신호(Oin)에 대응하는 광섬유의 분산량을 알 때, 출력 광 신호(Oout)의 처프는 광섬유의 분산량에 따라 선택되고, 원하는 바와 같은 처프가 바이어스 전압 신호(Vb)를 조정함으로써 얻어지고, 광 분할비 및 결합비는 광 변조 진폭(OMA)이 최대화되는 동안 출력 광 신호(Oout)가 처프를 갖도록 하는 방식으로 사전설정된다. 이와 같이, 출력 광 신호(Oout)가 광섬유를 통해 광 수신 디바이스로 전송될 때, 출력 광 신호(Oout)는 여전히 더 우수한 신호 대 잡음비(SNR)를 갖는다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 상이한 처프들에서 광 분할비의 제1 값

과 결합비의 제1 값

사이의 관계를 나타낸다(도면에서, 파라미터 α는 출력 광 신호(Oout)의 처프로서 작용한다). 도 3은 상이한 처프들에서 출력 광 신호(Oout)의 광 변조 진폭(OMA)과 광 분할비의 제1 값

사이의 관계를 예시한다. 도 2 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상이한 처프들에서, 광 분할비의 제1 값

이 결합비의 제1 값

와 동일할 때(즉,

일 때), 출력 광 신호(Oout)의 광 변조 진폭(OMA)은 최대값을 갖는다. 따라서, 광 변조 디바이스(1)를 사전설정하기 위해 원하는 바와 같은 처프를 결정하고 처프에 대응하는 서로 동일한 광 분할비 및 결합비를 취함으로써, 본 발명은 광 변조 진폭(OMA)을 최대화시키면서 출력 광 신호(Oout)가 처프를 갖게 하여, 광학 링크 버짓(optical link budget)을 개선한다.

<제2 실시예>

도 4를 참조하면, 본 발명의 광 변조 디바이스(1)의 제2 실시예는 제1 실시예와 유사하지만, 제2 실시예에서, (1) 광 분할비 및 결합비 둘 모두가 상수가 아니고(즉, 사전설정되지 않고); (2) 광 변조 디바이스(1)가 비 조절기(14)를 추가로 포함한다는 점에서 차이를 갖는다.

비 조절기(14)는 가변하는 직류 전압(Vdc)을 수신하고 직류 전압(Vdc)에 따라 광 분할비의 값 및 결합비의 값을 조정하는 데 사용된다. 본 실시예에서, 비 조절기(14)는 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)을 포함한다. 제1 전극(141)은 광 분할기(11)에 대응하고 그에 인접하게 제공되고, 직류 전압(Vdc)을 수신하는 데 사용된다. 제2 전극(142)은 광 결합기(13)에 대응하고 그에 인접하게 제공되고, 직류 전압(Vdc)을 수신하는 데 사용된다. 구체적으로, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 각각 직류 전압(Vdc)에 따라 열을 발생시켜, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)이 각각 대응하는 광 분할비의 값 및 결합비의 값을 조정한다. 본 실시예에서, 유사하게, 결합비는 광 분할비와 동일하고, 결합비의 값은 양수이고, 그 값은 1 미만 또는 1 초과이다.

결론적으로, 광 분할비가 광 결합비와 동일하다는 것에 의해, 본 발명의 광 변조 디바이스(1)는 광 변조 디바이스(1)에 의해 출력되는 출력 광 신호(Oout)가 더 큰 광 변조 진폭(OMA)을 갖게 하고, 출력 광 신호(Oout)가 광섬유를 통해 광 수신 디바이스로 전송될 때 출력 광 신호(Oout)가 여전히 더 우수한 신호 대 잡음비를 갖게 하여, 광 수신 디바이스가 출력 광 신호(Oout)에 따라 복조할 때, 광 수신 디바이스가 더 우수한 복조 정확도를 갖게 한다. 더욱이, 출력 광 신호(Oout)가 광 변조 디바이스(1)에서 최적화된 처프를 갖는다는 것에 의해, 이는 출력 광 신호(Oout)의 전송 시 광섬유에 의해 야기되는 분산의 영향을 감소시킬 수 있고, 이어서, 광 통신 시스템의 전송 성능을 촉진할 수 있고, 출력 광 신호(Oout)의 전송 거리를 증가시킬 수 있다.

그러나, 상기 설명은 단지 본 발명의 실시예에 대한 것이고, 이는 본 발명의 구현 범주를 제한하고자 하는 것이 아니며, 청구범위에 따라 이루어지는 단순한 등가의 변경과 수정, 및 본 명세서의 내용은 여전히 본 발명의 범주 내에 포함된다.

Claims

광 변조 디바이스로서,
입력 광 신호를 수신하고 상기 입력 광 신호를 일정 광 분할비로 분할하여 제1 분할 광 신호 및 제2 분할 광 신호를 생성하는 데 사용되는 광 분할기;
상기 광 분할기에 커플링되고, 상기 제1 분할 광 신호 및 상기 제2 분할 광 신호를 수신하고 상기 제1 분할 광 신호 및 상기 제2 분할 광 신호를 위상 변조하여 각각 제1 변조 광 신호 및 제2 변조 광 신호를 생성하는 광 위상 변조기; 및
상기 광 위상 변조기에 커플링되고, 상기 제1 변조 광 신호 및 상기 제2 변조 광 신호를 수신하고 상기 제1 변조 광 신호와 상기 제2 변조 광 신호를 일정 결합비로 결합하여 처프(chirp)를 갖는 출력 광 신호를 생성하는 광 결합기를 포함하고, 상기 결합비는 상기 광 분할비와 동일하고, 상기 결합비의 값은 양수이고, 상기 값은 1 미만 또는 1 초과인, 광 변조 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광 위상 변조기는,
상기 광 분할기와 상기 광 결합기 사이에 커플링되고 상기 광 분할기로부터 상기 제1 분할 광 신호를 수신하고 상기 제1 분할 광 신호에 기초하여 상기 제1 변조 광 신호를 생성하는 제1 도파관,
상기 광 분할기와 상기 광 결합기 사이에 커플링되고 상기 광 분할기로부터 상기 제2 분할 광 신호를 수신하고 상기 제2 분할 광 신호에 기초하여 상기 제2 변조 광 신호를 생성하는 제2 도파관,
상기 제1 도파관에 대응하여 제공되고 제1 변조 전압을 수신하는 데 사용되는 제1 전극 - 상기 제1 변조 광 신호의 위상은 상기 제1 변조 전압이 변함에 따라 변함 -, 및
상기 제2 도파관에 대응하여 제공되고 제2 변조 전압을 수신하는 데 사용되는 제2 전극 - 상기 제2 변조 광 신호의 위상은 상기 제2 변조 전압이 변함에 따라 변함 - 을 포함하는, 광 변조 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 처프는 변수이고, 상기 광 위상 변조기는,
상기 제2 도파관 및 상기 제2 전극에 대응하여 제공되고 바이어스 전압 신호를 수신하는 데 사용되는 바이어스 전압 전극을 추가로 포함하고, 상기 출력 광 신호의 처프는 상기 바이어스 전압 신호가 변함에 따라 변하는, 광 변조 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 제1 변조 전압의 위상과 상기 제2 변조 전압의 위상은 180도만큼 서로 상이하고, 상기 제1 변조 전압의 진폭과 상기 제2 변조 전압의 진폭은 동일한, 광 변조 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광 분할기 및 상기 광 결합기 각각은 Y-분기 도파관인, 광 변조 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광 분할기 및 상기 광 결합기 각각은 광 방향성 커플러인, 광 변조 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광 분할기 및 상기 광 결합기 각각은 다중 모드 간섭계인, 광 변조 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광 분할비 및 상기 결합비 둘 모두는 상수인, 광 변조 디바이스.
제1항에 있어서,
가변하는 직류 전압을 수신하고 상기 직류 전압에 따라 상기 광 분할비의 값 및 상기 결합비의 값을 조정하는 데 사용되는 비 조절기(ratio regulator)를 추가로 포함하는, 광 변조 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 비 조절기는,
상기 광 분할기에 대응하여 제공되고 상기 직류 전압을 수신하는 데 사용되는 제1 전극, 및
상기 광 결합기에 대응하여 제공되고 상기 직류 전압을 수신하는 데 사용되는 제2 전극을 포함하는, 광 변조 디바이스.