KR950003477B1 - Variable optical fiber delay device in optical communications - Google Patents

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Abstract

The device is designed to tune the delay time of the each signal channel. The device comprises; the step winding the optical fiber around the aluminum cylinder(2); the step connecting that one terminal of optical fiber is connected with the modulator and the other terminal is connected with the N:1 coupler; and the step obtaining time delay according to the fiber length variation.

Description

광통신 시분할 다중장치에서의 가변 광섬유 지연선로장치Variable fiber optic delay line device in optical communication time division multiple device

제 1 도는 일종의 광시분할 다중 송신기.1 is a type of optical time division multiple transmitter.

제 2 도는 종래의 프리즘 지연선로.2 is a conventional prism delay line.

제 3 도는 종래의 기계식 광섬유 지연회로.3 is a conventional mechanical optical fiber delay circuit.

제 4 도는 본 발명의 가변 광섬유 지연선로.4 is a variable optical fiber delay line of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 광섬유 2 : 알루미늄 실린더1: optical fiber 2: aluminum cylinder

3 : TEC(Thermoelectric Cooler) 4 : 프리즘3: TEC (Thermoelectric Cooler) 4: prism

5 : 마이크로미터 6 : TEC콘트롤러5: micrometer 6: TEC controller

7 : 써미스티 8 : 광섬유 분파기7: thermistor 8: fiber optic splitter

9 : 광섬유 결합기 10 : 레이저9: optical fiber coupler 10: laser

11 : 변조기 12 : 고아섬유 증폭기11: modulator 12: orphan fiber amplifier

13 : 트랜슬레이터 14 : 가변 지연선로13: translator 14: variable delay line

15 : 포스터 16 : 렌즈15: Poster 16: Lens

본 발명은 광섬유장치에 관한 것으로 특히, 광통신 시분할 다중장치에서 각 신호채널의 시간지연을 미세 조정하기 위한 광섬유 지연선로장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber device, and more particularly, to an optical fiber delay line device for finely adjusting the time delay of each signal channel in an optical communication time division multiplexing device.

광대역 회로망, 스위칭, 컴퓨터 연결방식등과 같은 광통신 시스템 응용에서는 한 가닥의 광섬유에 여러 데이터 채널을 동시에 전송할 수 있는 광시분할 다중화 방식이 중요한 수단이 되었다.Optical time division multiplexing, which can transmit multiple data channels simultaneously on a single fiber, has become an important tool in optical communication system applications such as broadband networks, switching, and computer connections.

시분할 다중화를 위해서는 각 채널의 데이터를 시간 지연시켜 적절한 시간대에 지정, 삽입하여야 한다.For time division multiplexing, the data of each channel must be delayed and assigned and inserted in the appropriate time zone.

제 1 도는 종래의 일종의 광시분할 다중 송신기로서 다음과 같이 동작한다.1 is a conventional type of optical time division multiplexing transmitter, which operates as follows.

레이저(10)에서 발생된 광신호가 광섬유 증폭기(12)를 거쳐 분파기(도면에 도시생략됨)에서 각 채널로 분리된 다음 변조기(11)에 입력이 되어 전기적인 신호에 의해 본조된 후 각 변조기의 출력은 가변 지연선호(14)에 의해 정해진 시간 지연을 얻은 다음 광섬유 증폭기(12)에 의해 충분히 증폭된 후 전송된다.The optical signal generated by the laser 10 is separated into each channel by a splitter (not shown in the figure) via the optical fiber amplifier 12, and then input to the modulator 11, which is synthesized by an electrical signal and then modulated by each modulator. The output of is obtained after a time delay defined by the variable delay preference (14) and then sufficiently amplified by the fiber amplifier (12).

이 시스템에서 각 채널이 공통적으로 최소 광섬유길이 L을 갖고 있으며 순차적으로 채널간 최소 시간지연에 해당하는 길이 △L의 정수배를 더한 송신 선로길이를 필요로 한다.In this system, each channel has a minimum fiber length L in common, and requires a transmission line length that is sequentially added to an integer multiple of the length ΔL corresponding to the minimum time delay between channels.

즉, 채널 1 은 L, 채널 2는 L+△L, 채널 3은 1+2x△L등으로 송신선로길이가 정확하게 결정되어야 한다.In other words, the length of the transmission line should be accurately determined as channel 1 for L, channel 2 for L + ΔL, channel 3 for 1 + 2xΔL, and the like.

△L을 얻기 위해서는 프리즘을 이용하여 송신선로의 길이를 조정하는 방법과 괌섬유를 신호 전달 방향인 종축으로 잡아 늘려 송신선로 길이를 기계적으로 연장시키는 방법이 있는데 아래와 같은 문제점들이 있다.In order to obtain ΔL, there is a method of adjusting the length of a transmission line by using a prism and a method of mechanically extending the length of a transmission line by stretching a Guam fiber to a vertical axis in a signal transmission direction.

제 2 도는 종래의 프리즘을 이용한 지연선로의 구성도로서, 입력광섬유(1)로 부터 나온 신호는 렌즈(16)에 의해 평행광으로 만들어져서 포로(Porro) 프리즘(4)에 입사된 후 서로 90도를 이루고 있는 두 반사면에서 차례로 반사된 다음 프리즘(4)으로 나온다.2 is a configuration diagram of a delay line using a conventional prism, in which signals from the input optical fiber 1 are made into parallel light by the lens 16 to be incident on the porro prism 4, and then to each other. It is reflected by the two reflecting surfaces in turn, and then comes out to the prism (4).

이 신호는 출력측의 렌즈(16)에 의해 접속되어 출력 광섬유에 결합된다.This signal is connected by the lens 16 on the output side and coupled to the output optical fiber.

송신선로의 길이는 프리즘이 장착된 트랜슬레이터(13)의 마이크로미터를 광섬유(1)의 종축 방향으로 전후 이동시켜 조정한다.The length of the transmission line is adjusted by moving the micrometer of the translator 13 equipped with a prism back and forth in the longitudinal axis direction of the optical fiber 1.

이 지연회로의 문제점들은 다음과 같다.The problems of this delay circuit are as follows.

첫째, 프리즘 자체가 부피소자이므로 시스템 구성시 부피를 많이 차지하게 되어 공간적인 제약이 뒤따르게 된다.First, since the prism itself is a volume element, it takes up a lot of volume when constructing a system, followed by spatial constraints.

둘째, 광섬유와 프리즘과의 신호결합을 위해서는 최소한 두개의 렌즈가 필요하게 되어 프레넬(Fresnel)반사에 의해 신호손실 약 32%와 프리즘에 의한 손실 그리고 광섬유와 렌즈의 결합시 발생하는 결합 손실등으로 삽입손실이 막대하다.Second, at least two lenses are required for signal coupling between the optical fiber and the prism, which is about 32% signal loss due to Fresnel reflection, loss due to prism, and coupling loss generated when the optical fiber and lens are combined. Insertion loss is huge.

셋째, 신호가 프리즘의 반사면에서 45도로 반사되어 발생하는 편광분리효과에 의해서 편광에 민감한 신호의 신호 대잡음비가 저하된다.Third, the signal-to-noise ratio of the signal sensitive to polarization is lowered by the polarization separation effect generated by reflecting the signal at 45 degrees from the reflecting surface of the prism.

네째, 개별소자들로 구성되어 있으므로 온도변화, 진동등 환경에 대한 불안정성을 들 수 있다.Fourth, because it is composed of individual elements, there is an instability to the environment, such as temperature changes, vibrations.

제 3 도는 기계식 광섬유 지연선로로서 광섬유 한쪽 끝을 고정된 포스트에 감고 한쪽은 트랜슬레이터에 고정된 포스트에 감은 다음 트랜슬레이터를 이동시키며 광섬유의 길이를 변화시켜 시간지연을 조정할 수 있다.3 is a mechanical fiber delay line, one end of which is wound around a fixed post, and one end is wound around a post fixed to the translator, and then the translator is moved to change the length of the optical fiber to adjust the time delay.

이러한 구성은 포스트의 직경이 반사손실을 무시할 만큼 크면 신호손실이 거의 없으며 환경에 대한 시스템의 불안정성이 적으나 광섬유을 당겨 늘릴때 과다한 스트레스로 인해 끊어지지 않을 만큼의 충분히 긴 광섬유를 필요로 하며 포스트, 트랜슬레이터등이 사용되어 공간적인 제약 및 장기적 안정성을 얻을 수 없어 실제 시스템에 사용시 문제점이 발생된다.This configuration has almost no signal loss if the diameter of the post is large enough to ignore the return loss and the system is less stable to the environment, but requires a sufficiently long optical fiber that will not break due to excessive stress when the fiber is stretched. Slater etc. are used, so spatial constraints and long-term stability cannot be obtained, which causes problems in actual systems.

이상에서 본 바와 같이 광섬유를 이용하여 지연선로를 만들경우 삽입손실이 없는 장점이 있다.As seen above, there is no insertion loss when making a delay line using an optical fiber.

그리고 광통신에 사용되는 광섬유는 통상 1.46의 굴절율을 갖고 있어 1m당 4.87ns정도의 시간지연을 얻을 수 있다.Optical fibers used in optical communication have a refractive index of 1.46, so a time delay of about 4.87 ns per meter can be obtained.

원하는 시간지연은 정화한 광섬유의 길이로써 결정이 되는데 예를들어 100Gb/s의 신호채널 10개나 10Gh/s 100채널로 테라비트급(Tbps) 다중화를 할 경우 10% 이내의 시간지연오차를 얻기 위해서는 채널간 지연선로의 길이차이가 205+/-21㎛가 되어야 한다.The desired time delay is determined by the length of the purified optical fiber. For example, when 10 terabit (Tbps) multiplexing is performed on 10 signal channels of 100Gb / s or 10Gh / s 100 channels, a channel delay time of less than 10% is obtained. The length difference between the delay lines should be 205 +/- 21㎛.

단순히 원하는 광섬유의 길이를 자로 측정하여 클리빙(cleaving)할 경우 위의 길이 오차내에 들기가 매우 힘들며 단펄스를 이용해 광섬유의 원단(far end)으로 부터 반사되어 돌아오는 펄스의 지연시간으로 광섬유의 길이를 정교하게 측정할 경우에도 마찬가지로 클리빙할 때 오차가 발생되므로 정확한 광섬유의 길이를 얻어 지연선로를 만들기 위한 새로운 방법이 모색되어야 한다.When simply cleaving by measuring the length of the desired fiber with a ruler, it is very difficult to fall within the above length error and the length of the fiber as the delay time of the pulse reflected back from the far end of the fiber using a short pulse. In the case of precise measurement, an error occurs when cleaving, therefore, a new method for obtaining a precise fiber length and making a delay line should be searched.

일반적으로 원하는 길이의 광섬유를 얻기 위해서는 우선 길이를 잰 다음 클리빙할때 소모되는 여분의 길이를 더한 만큼의 광섬유를 절단한 후 일정길이의 광섬유 재킷을 제거하고 정확한 길이를 다시 재어 재킷이 제거된 부분의 광섬유에 그 위치를 표시한 다음 광섬유 클리버(cleaver)에 위치시킨 후 클리빙한다.In general, to obtain the desired length of fiber, first measure the length and then cut the fiber as much as the extra length consumed when cleaving, then remove the length of the fiber jacket and measure the exact length again to remove the jacket. Mark the position on the optical fiber of the optical fiber cleaver (cleaver) and then cleave.

이러한 과정 중에서 클리빙할 지점의 위치 선정이 매우 어려우나 약 500㎛ 정도의 정확도는 얻을 수 있다.In this process, the location of the cleaving point is very difficult, but an accuracy of about 500 μm can be obtained.

최종단계로 광섬유의 단면을 폴리싱(Polishing)하여 미세하게 길이를 조정하여 오차를 줄일 수 있다.In the final step, the cross section of the optical fiber can be polished to finely adjust the length to reduce the error.

또한 이들 광섬유를 다른 광섬유와 용융(fusion) 또는 기계식(mechanical) 스플라이싱(splicing)할때 약 10㎛정도의 오차가 생기게 된다.In addition, when the optical fibers are fused or mechanically spliced with other optical fibers, an error of about 10 μm occurs.

이러한 부정확도는 시간상 약 2.48ps의 오차이므로 4Gb/s 10채널의 용량에 해당하게 되어 위체 기술한 테라비트급 지연선로를 얻기는 불가능하게 된다.Since this inaccuracy is about 2.48ps in time, it corresponds to a capacity of 4Gb / s 10 channels, making it impossible to obtain terabit delay lines described above.

본 발명은 광섬유의 연장성을 이용하여 극히 정교하게 그 길이를 조정하여 광섬유를 다치지 않아 신호손실이 전혀 없어 초고속 대용량 시분할 다중장치에서 용이하게 시간지연을 얻을 수 있는 가변 광섬유 지연선로장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention provides a variable optical fiber delay line device that can easily obtain time delay in ultra-high-capacity large-scale time division multiplexing devices because there is no signal loss because the length of the optical fiber is very precisely adjusted using the elongation of the optical fiber. The purpose is.

제 4 도는 본 발명의 가변 광섬유 지연선로의 구성도로서, 다음과 같이 구성되어 있다.4 is a configuration diagram of the variable optical fiber delay line of the present invention and is configured as follows.

길이 L의 광섬유(1)를 알루미늄 실린더(2)에 감아 고정한 후 광섬유 한쪽 끝은 변조기에 연결하여 광섬유에 스플라이싱하고, 다른 한쪽 끝은 N : 1결합기에 연결하여 스플라이싱하며, 광섬유가 감긴 알루미늄실린더(2)는 TEC(Thermoelectric Cooler)(3)위에 연결하고, TEC(3)는 롤러(6)에 연결한다.After winding L optical fiber (1) with aluminum cylinder (2) and fixing it, one end of the optical fiber is connected to the modulator and spliced to the optical fiber, and the other end is spliced by connecting to the N: 1 coupler. The wound aluminum cylinder 2 is connected on a thermoelectric cooler (TEC) 3, and the TEC 3 is connected to a roller 6.

본 발명은 제 4 도에서와 같이 우선 재킷을 제거한 길이 L의 광섬유(1)를 알루미늄실린더(2)에 감아 테이프로 고정한 후 에폭시나 순간 접착제를 발라 광섬유가 실린더에 완전히 고정되게 한 후 광섬유 한쪽 끝은 변조기에 연결된 광섬유에 스플라이싱하고 다른 한쪽 끝은 N : 1결합기에 스플라이싱한다.According to the present invention, as shown in FIG. 4, first, the optical fiber 1 having the length L having the jacket removed is wound around the aluminum cylinder 2 and fixed with a tape, and then epoxy or instant adhesive is applied to completely fix the optical fiber to the cylinder. Splices the optical fiber connected to the modulator and the other end to an N: 1 coupler.

여기서 통신용 광섬유의 열팽창 계수(αF)는 0.4ppm/도, 알루미늄의 열팽창 계수(αA1)는 섭씨 20-200도 온도범위에서 24.3ppm/도이므로 αA1〉αF가 성립되어 알루미늄실린더(12)의 열팽창에 따른 실린더의 원주 증가에 의해 광섬유에 인가되는 장력(tension)으로 광섬유의 길이를 변화시켜 원하는 시간지연을 얻을 수 있다.Here, the coefficient of thermal expansion (α F ) of the optical fiber for communication is 0.4 ppm / degree, and the coefficient of thermal expansion (α A1 ) of aluminum is 24.3 ppm / degree in the temperature range of 20-200 degrees Celsius, so that α A1 > α F is established so that the aluminum cylinder (12 The desired time delay can be obtained by changing the length of the optical fiber by the tension applied to the optical fiber by the increase in the circumference of the cylinder due to the thermal expansion of).

그 L로 1m로 할 경우 온도변화 섭씨 1도에 대한 길이변화 △L은 △L=24㎛이고, 시간변화량 △t는 △t=0.117ps이다.If L is 1m, the length change ΔL for temperature change of 1 degree Celsius is ΔL = 24 μm and the time change amount Δt is Δt = 0.117ps.

광섬유(1)가 감긴 알루미늄실린더(2)를 TEC(3)위에 올려 놓은 다음에 TEC콘트롤러(6)에 전원을 가한다.The aluminum cylinder (2) wound around the optical fiber (1) is placed on the TEC (3) and then the TEC controller (6) is powered.

이때 써미스터(7)에 의해 측정된 온도는 TEC콘트롤러(6)로 궤환된다.At this time, the temperature measured by the thermistor (7) is fed back to the TEC controller (6).

따라서 TEC콘트롤러(6)의 온도 세팅에 따라 광섬유의 길이를 변화시킬 수 있다.Therefore, the length of the optical fiber can be changed according to the temperature setting of the TEC controller 6.

TEC콘트롤러(6)의 통상 오차 +/-0.01도에 대한 지연선로의 시간 지터는 +/-fs/m이다.The time jitter of the delay line for the typical error +/- 0.01 degrees of the TEC controller 6 is +/- fs / m.

예를들어 섭씨 20도 상승시 480㎛/m의 길이 변화가 생기므로 2.34+/-0.02ps/m의 시간지연을 얻을 수 있다.For example, when the temperature rises 20 degrees Celsius, a change of length of 480 µm / m occurs, so a time delay of 2.34 +/- 0.02 ps / m can be obtained.

이상과 같이 본 발명은 알루미늄실린더에 감긴 광섬유의 길이와 TEC콘트롤러의 온도 세팅으로 클리빙된 광섬유의 길이오차 보상 및 길이변화를 손쉽게 얻을 수 있으므로 광시분할 다중장치에서 간편하고 또한 저손실의 지연선로를 얻을 수 있고, 실린더의 재질로는 기타 열저항이 작은 금속으로 대체할 수 있다.As described above, the present invention can easily obtain the length error compensation and the length change of the cleaved optical fiber by the length of the optical fiber wound on the aluminum cylinder and the temperature controller of the TEC controller, so that a simple and low loss delay line can be obtained in the optical time division multiplexing device. The material of the cylinder can be replaced with a metal having a low thermal resistance.

Claims (1)

광섬유장치에 있어서, 길이 L의 광섬유(1)를 알루미늄실런더(2)에 감아 고정하고, 광섬유(1) 한쪽 끝은 변조기에 광섬유의 다른 한쪽 끝은 N : 1결합기에 각각 연결하며, 광섬유(1)가 감김 알루미늄실린더(2)는 TEC(3)위에 그리고 TEC(3)는 TEC콘트롤러(6)에 연결하여 실린더의 열팽창에 따라 광섬유의 길이변화에 의한 시간지연을 얻도록 함을 특징으로 하는 광통신 시분할 다중장치에서의 가변 광섬유 지연선로장치.In the optical fiber device, an optical fiber (1) of length L is wound and fixed to an aluminum cylinder (2), and one end of the optical fiber (1) is connected to the modulator and the other end of the optical fiber to an N: 1 coupler, respectively. 1) The aluminum cylinder (2) is wound on the TEC (3) and TEC (3) is connected to the TEC controller (6) characterized in that to obtain a time delay due to the change in the length of the optical fiber according to the thermal expansion of the cylinder Variable fiber delay line device in optical communication time division multiple device.
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