KR100359724B1 - 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화 방법 및 이를수행하기 위한 시스템 - Google Patents

Abstract

광 굴절 결정과 다중 기록 기술을 이용하여 파장분할다중(WDM) 광통신시스템에 적합한 광 굴절 다중 홀로 그램을 이용한 역다중화 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템이 개시된다. 본 발명은, 두개의 기록빔의 입사각을 브레그 조건에 의하여 고정시킨 후 광 굴절 결정을 회전시키면서 광 굴절 결정내의 한 위치에 N개의 서로 다른 회절격자를 다중 기록시키는 단계; 다수의 회절격자를 다중 기록시킨 광 굴절 결정에 λ1-λN의 파장을 갖는 빔을 한 각도로 고정시켜 입사시켜 각 회절격자에 의하여 서로 다른 파장을 반사시켜 λ1-λN의 파장의 빔을 공간적으로 분리시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 역다중화 방법은 제작이 간편하고 소자 구현이 용이하며, 채널 간격 조정 및 채널의 확장이 용이하며 손실을 최소화 할 수 있다.

Description

광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템{method for demultiplexing using a photorefractive multi-hologram and system for performing the same}

본 발명은 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 광 굴절 결정과 다중 기록 기술을 이용하여 파장분할다중(WDM) 광통신시스템에 적합한 광 굴절 다중 홀로그램을 이용 한 역다중화 방법 및 이를 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 파장분할다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing)방식은 광섬유를 이용한 신호 전송기술이다. 최근에 기하 급수적으로 증가하고 있는 통신 수요를 충족시키기 위해 고밀도 파장분할다중(WDM)방식에 의한 대용량 광전송 기술이 활발히 연구 개발되고 있다. 종래의 광섬유를 이용한 신호의 전송이 하나의 광섬유내에 단일 파장의 광신호를 전송하고 있음에 비하여 파장분할다중(WDM)방식은 도 1에서 보는 바와 같이 하나의 광섬유(20)를 이용하여 송신단(10)에서는 서로 다른 다수 파장의 광신호를 다중화기(15)를 통하여 다중화 하여 전송하고 수신단(30)에서는 파장에 따라서 역다중화기(35)를 통하여 광신호를 분리함으로써 광섬유의 전송용량을 증대시킬 수 있다.

그러므로, 파장분할다중(WDM)방식은 추가적인 광섬유망의 구축과 고속 전송장비를 사용하지 않고도 망의 용량을 증대시킬 수 있으므로 인터넷 이용의 증가와 광대역 네트워킹의 진전 및 새로운 고 대역폭의 응용의 출현에 따른 대량의 정보를 수용할 수 있는 기술로 각광 받고 있다.

이러한 파장분할다중(WDM)을 이용한 광통신 기술의 상용화를 위해서는 광파장 필터, 다 채널 파장 다중화기(MUX;multiplexer) 및 역다중화기(DMUX: demultiplexer),광 증폭기 그리고 광 파장 변환 소자등과 같은 광부품의 개발이 필요하다. 특히, 서로 다른 파장을 갖는 광원으로부터 나오는 신호들을 결합하여 단일 광섬유를 통해 전송하고, 수신단에서는 파장에 따라 신호를 분리하기 위한 다채널 다중화기(MUX)및 역 다중화기(DMUX)는 고밀도 다중 채널 파장분할다중(WDM)을 이용한 광통신 시스템의 실현을 위한 필수적인 소자이다.

일반적으로 파장분할다중(WDM)의 광전송 시스템에 사용되는 역다중(DMUX)소자는 배열도파로(AWG:array wavesuide)를 이용하는 방식, 광섬유 커플러(coupler)와 페브리-페로 필터(FPF:fabry-perot filter)를 결합한 방식, 다수의 파이버 격자 필터와 광 서큘레이터(circulator)를 직렬로 연결

하는 방식이 이용되고 있다.

배열도파로를 이용한 광 역다중화 소자는 도 2에서 보는 바와 같은 구성을 지닌다. 배열도파로(40)를 이용한 역 다중화 소자는 채널(Ch1- ChN)간격이 일정한 경우 유용하며, 채널수가 많은 경우 다른 방식에 비해 손실이 적으며 제작시 채널간격의 조정이 가능하고. 온도 변화에 대해 안정적인 장점을 가지고 있다. 그러나 채널간격이 일정치 않은 경우 제작상의 어려움 때문에 소자의 구현이 어려운 문제점이 있다.

광섬유 커플러(coupler)와페브리-페로 필터(FPF)를 결합한 광 역다중화 소자는 도 3에서 보는 바와 같이 광섬유 커플러(50)는 입력으로 들어오는 다수의 파장(λ1-λN)장을 갖는 신호를 출력단에 연결된 N개의 광섬유(Ch1- ChN)로 분리해 주는 역할을 하며, 광섬유에 각각 결합된 페브리-페로 필터(52)는 원하는 파장만을 분리한다. 즉, Ch1의 광섬유에 결합된 페브리-페로 필터(52)는 λ1의 파장을 분리하고, ChN의 광섬유에 결합된 페브리-페로 필터(52)는 λN의파장을 분리하며 각 채널에 결합된 필터가 서로 다른 파장을 분리함으로 역다중 소자의 기능을 수행한다.

이와 같은 광섬유 커플러(coupler)와 페브리-페로 필터(FPF)를 결합한 광 역다중화 소자는 채널을 분리하는 것은 용이하지만 광섬유 커플러를 이용해 입력된 광신호를 N개의 채널로 분할함으로서 신호의 손실이 많은 문제점이 있다.

다수의 파이버 격자 필터와 광 서큘레이터(circulator)를 직렬로 결합시킨 광 역다중화 소자는 도 4에서 보는 바와 같이, 파이버 격자 필터(62)는 다수의 파장중 임의의 한 파장만을 선택해 주는 역할을 하며, 광 서큘레이터(60)는 파이버 격자 필터(62)에서 반사되는 선택된 파장을 공간적으로 분리하는 역할을 한다.

이러한 방식의 광 역다중화 소자는 손실은 적으나, 채널수와 동일한 서큘레이터와 파이버 격자 필터가 필요하여 채널수가 적을 경우에는 유리하지만 채널 수가 증가하면 손실과 잡음성분이 비례하여 증가하며, 각 채널의 효율이 불 균일하다는 문제점이 있고, 또한, 파이버 격자 필터의 중심파장을 정확히 제어하기가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같이종래의 광 역다중화 소자의 제반 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 광굴절결정과 다중 기록 기술을 이용하여 제작이 간편하고 소자 구현이 용이하며, 채널 간격 조정 및 채널의 확장이 용이하며 손실을 최소화 할 수 있는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 제 1 목적을 수행하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 파장 분할 다중 방식을 채용한 광 전송 시스템을 보여주기 위한 구성도이다.

도 2는 배열 도파로를 이용한 광 역다중화 소자를 보여주기 위한 구성도이다.

도 3은 광 커플러와 페브리-페로 필터를 결합한 광 역다중소자를 보여주기 위한 구성도이다.

도 4는 다수의 파이버 격자 필터와 광 서큘레이터를 직렬로 결합한 광 역다중 소자를 보여주기 위한 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용하여 파장을 선택하는 방법을 설명하기 위한 구성도이다.

도 6은 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중 장치에사용되는 회전 다중화 기술을 이용한 다중 기록방법을 설명하기 위한 구성도이다.

도 7은 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화장치를 보여하기 위한 구성도이다.

도 8은 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화장치의 시험결과를 보여주기 위한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 광 굴절 결정 112 : 회절격자

120 : 빔 분할기 130 : 렌즈

140 : 광 섬유 130 : 수직 회전 롤러

λw : 기록빔

상기한 제 1 목적을 수행하기 위한 본 발명은,

두개의 기록빔의 입사각을 브레그 조건에 의하여 고정시킨 후 광 굴절 결정을 회전시키면서 광 굴절 결정내의 한 위치에 N개의 서로 다른 회절격자를 다중 기록시키는 단계;

다수의 회절격자를 다중 기록 시킨 광 굴절 결정에 다수의 파장(λ1-λN)을 갖는 빔을 한 각도로 고정시켜 입사시켜 각 회절격자에 의하여 서로 다른 파장을 반사시켜 다수의 파장(λ1-λN)의 빔을 공간적으로 분리시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기한 제 2 목적을 수행하기 위한 본 발명은,

모터에 의하여 회전 동작되는 회전판의 상부에 안치되어 회전하면서 두 기록빔에 노출되어 한 위치에 N개의 서로 다른 회절격자가 다중 기록된 광 굴절 결정;

광 굴절 결정에서 반사된 광이 입력될 수 있는 위치에 형성되며, 광 굴절 결정에서 반사된 광을 분할하기 위한 빔 분할기;

빔 분할기의 출력측에 형성되며, 빔 분할기에서 출력된 빔의 경로를 보정하기 위한 렌즈;

렌즈의 출력측에 다수개 형성되며, 분할된 빔이 입사되기 위한 광섬유를 포함한다.

본 발명에 따른 역다중화 방법은 제작이 간편하고 소자 구현이 용이하며, 채널 간격 조정 및 채널의 확장이 용이하며 손실을 최소화 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면중 도 5는 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용하여 파장을 선택하는 방법을 설명하기 위한 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중 장치에 사용되는 회전 다중화 기술을 이용한 다중 기록방법을 설명하기 위한 구성도이다.

그리고, 도 7은 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화장치를 보여하기 위한 구성도이고, 도 8은 본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화장치의 시험결과를 보여주기 위한 그래프이다.

먼저 도 5를 참조하면, 광굴절 결정을 이용하여 다수의 파장중 하나의 파장을 선택하는 기본 원리를 설명하면 광굴절 결정(110)에 두 개의 기록빔(λw)이 입사되면 광 굴절 결정(110)내에 회절격자(112)가 형성된다. 회절격자(112)에 λ1-λN의 파장을 갖는 빔이 입사되면 <식1>의 브레그 조건을 만족하는 파장 λ1만 회절격자(112)에서 반사되어 검출되고 λ2-λN의 파장은 그대로 투과된다.

그러므로, 광굴절 결정(110)의 회절격자(112)의 파장 선택 원리를 이용하여 다수 파장을 분리하는 역다중 소자로의 적용이 가능하다. 이를 위하여 광굴절 결정(110)내에 다수의 회절격자(112)를 기록하는 과정 및 광굴절 결정(110)내에 기록된 다수의 회절격자(112)를 검파하는 과정이 필요하다.

광 굴절 결정(110)내에 다수의 회절격자(112)를 기록하는 과정은 도 6에서 보는 바와 같이, 모터(M)에 의하여 회전하는 회전판(114)에 광 굴절결정(110)을 안치한 상태에서 두 기록빔(λw)의 입사각을 상기 <식1>의 브레그 조건에 의하여 계산된 각도로 고정시킨 후 첫 번째 회절 격자를 기록한다.

이후, 모터(M)를 동작시켜 회전판(114)의 상부에 안치된 광 굴절 결정(110)을 회전시킨 후 두 번째 회절격자를 기록한다. 이러한 과정을 N번 반복하면 하나의 광 굴절 결정(110)내의 한 위치에는 N개의 서로 다른 회절격자(112)가 형성된다.

이와 같이 광 굴절 결정(110)내에 다수의 회절격자(112)를 기록하기 위하여 기록빔(λw)의 각도를 변화시키는 방법과 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 방법이 있다. 각도를 변화시키는 방법은 광 굴절 결정(110)은 고정시켜놓고 두 기록빔(λw)중 어느 하나의 기록빔의 입사각을 변화시켜 광 굴절 결정(110)내에 다수의 회절격자(112)를 기록하는 방식이며, 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 방법은 두 기록빔(λw)의 입사각은 고정시킨 상태에서 결정을 회전시켜 기록하는 것이다.

각도를 변화시키는 다중화 기술은 광 굴절 결정(110)내의 한 위치에 여러개의 회절격자(112)를 다중 기록하기가 어렵고, 각 회절격자(112)의 파장선택 특성이 변화되어 역다중화 소자로 적용하기에 부적절하다. 반대로, 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 다중화 기술은 다중 기록 특성을 동일하게 얻을 수 있고, 광 굴절 결정(110)내의 동일한 위치에 다수의 회절격자(112)를 기록하기 용이하며, 각 회절격자(112)의 파장선택 특성이 동일하게 유지되므로, 역다중화 소자로 적용하기에 가장 적절하다.

그러므로 본 발명은 모터(M)에 의하여 회전 동작되는 회전판(114)의 상부에 광 굴절 결정(110)을 안치시킨 후 하나의 광 굴절 결정(110)내의 한 위치에는 N개의 서로 다른 회절격자(112)가 형성시킨다. 광 굴절 결정(110)내의 한 위치에 N개의 서로 다른 회절격자(112)를 형성시키기 위하여 광 굴절 결정(110)이 두 기록빔(λw)에 노출되는 시간을 변화시킨다.

즉, 광 굴절 결정(110)에 첫 번째 회절격자(112)를 기록시킨 후 두 번째 회절격자(112)를 기록하면 이미 기록된 첫 번째 회절격자(112)의 일부가 지워지게 된다. 따라서, 여러개 회절격자를 기록할 때 모두 같은 시간동안 기록하면 첫 번째 회절격자는 가장 낮은 회절효율을 갖고 가장 나중에 기록시킨 격자가 가장 높은 회절효율을 갖게 된다. 이러한 불균일한 회절효율을 갖는 다중 격자를 역다중화기로 적용하면 원신호를 검파하기 어려운 단점을 갖게 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 첫 번째 기록하는 회절격자(112)에 가장 긴 기록시간 즉, 두 기록빔(λw)에 노출되는 시간을 가장 길게 할당하고, 이후 기록되는 회절격자(112)일수록 기록시간을 짧게 함으로서 광 굴절 결정(110)에 기록된 모든 회절격자(112)의 회절효율이 일정하도록 노출시간을 변화시킨다.

다수의 회절격자(112)가 기록된 광 굴절 결정(110)은 도 7에서 보는 바와 같이 광 굴절 결정(110)내에 다중 기록된 N개의 회절격자(112)를 이용해 N개의 파장신호를 검파할 수 있다. 광 굴절 결정(110)내에는 이미 N개의 회절격자(112)가 기록되어 있고, 이러한 회절격자(112)내에 다수의 파장(λ1-λN)을 갖는 빔이 입사될 때, 첫 번째 기록된 회절격자(112)의 브레그 조건을 만족하는 파장이 λ1이라고 하면 첫 번째 회절격자(112)는 λ1을 반사시키고, 두 번째 기록된 회절격자(112)에서는 그 다은 파장(λ2)을 반사시킨다.

즉, 광 굴절 결정(110)내에 N개와 회절격자(112)가 기록되어 있다고 하면, 각 회절격자(112)는 서로 다른 파장을 반사시키게 되어 입사되는 다수의 파장(λ1-λN)을 공간적으로 분리하게 된다. 그러므로, 도 7을 참조하면 다수의 회절격자(112)를 다중 기록시킨 광 굴절 결정(110)과 빔 분할기(120)가 광 굴절 결정(110)에서 반사된 광을 분할하기 위한 위치에 설치되며, 빔 분할기(120)에서 출력된 빔의 경로를 보정하기 위한 렌즈(130)가 빔 분할기(120)의 출력측에 설치되고, 렌즈(130)의 출력측에 설치되어 분할된 빔이 입사되기 위한 광섬유(140)를 설치하면 입사된 N개의 파장을 채널별로 분리하는 역다중화기가 구성된다.

본 발명에 따른 광 굴절 다중홀로그램을 이용한 역다중화 시스템은 회절격자를 다중 기록시킨 후 다수의 파장(λ1-λN)을 갖는 빔이 한 각도로 고정되어 입사되므로 제작이 간편하면서 소자 구현이 용이할 뿐만 아니라 손실을 최소화하며, 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 각도에 의해 각 채널 사이의 간격이 결정되므로 회전각도를 조정해 채널간격을 자유로이 설정할 수 있다. 즉, 광 굴절 결정(110)내에 기록시키는 회절격자(112)와 채널수가 동일하므로 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 각도가 크면 채널의 간격은 커지게 되고, 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 각도가 작으면 채널수는 적게 되어 채널의 확장이 매우 용이하다.

또한, 광 굴절 결정(110)내에 다수의 회절격자(112)를 기록하는 경우에 회전 다중화 기술을 이용하기 때문에 각 채널의 통과대역폭이 모두 동일하며, 한 위치에 다수의 격자를 기록하기가 용이해 제작이 쉽고, 채널수가 중가하더라도 손실 및 잡음의 증가 및 누적이 없다.

그리고, 일반적으로 광 굴절 결정의 두께는 1cm정도로, 회절격자를 기록할 수 있는 일반적인 매질에 비해 매우 두껍다. 매질의 두께는 각 채널의 대역폭에 지배적인 영향을 미치며 두께가 두꺼울수록 좁은 통과대역 특성을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 1cm의 두꺼운 광 굴절 결정(110)을 이용하였으므로 협대역 특성을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역 다중화 장치 테스트한 결과, 각 채널의 3db 통과대역은 0.16nm±0.005nm의 매우 좁은 대역 특성을 보였으며, 광굴절 결정(110)의 두께를 충분히 활용하여 파장 선택 소자로 적용하였기 때문에 종래의 역다중화 소자의 채널 대역폭에 비해 좁은 통과대역을 획득할 수 있다. 16개 채널 사이의 간격은 0.5nm로 광 굴절 결정(110)을 회전시키는 각도를 조절하면 자유로운 채널간격의 조정이 가능하다. 각 채널의 회절효율은 8.3%±0.62%로 거의 동일한 효율특성을 볼 수 있으며 다중 회절격자(112)기록시 노출시간을 변화하여 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 역 다중화기에서 프레넬 반사 및 흡수에 의한 손실은 2.22dB/cm 정도이다. 이중 흡수에 의한 손실은 1560nm의 광통신 파장 영역에 무시할 정도로 작기 때문에 큰 문제가 되지 않는다. 결정 표면에서의 프레넬 반사에 의한 손실은 결정 표면에 반 반사(anti reflection)코딩을 수행하면 현재 0.2%이하의 반사율을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광 굴절 다중홀로그램을 이용한 역다중화 시스템은 제작이 간편하면서 소자 구현이 용이할 뿐만 아니라 손실을 최소화하며, 채널간격을 자유로이 설정할 수 있으며, 채널의 확장이 매우 용이하다.

또한, 각 채널의 통과대역폭이 모두 동일하며, 한 위치에 다수 격자를 기록하기가 용이해 제작이 쉽고, 채널수가 증가하더라도 손실 및 잡음의 증가 및 누적이 없다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내 에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims (7)

1. ⅰ)두개의 기록빔(λw)의 입사각을 브레그 조건에 의하여 고정시킨 후 광 굴절 결정(110)을 회전시키면서 상기 광 굴절 결정(110)내의 한 위치에 N개의 서로 다른 회절격자(112)를 다중 기록시켜 채널을 확장시키는 단계;

   ⅱ)상기 단계에서 다수의 회절격자(112)를 다중 기록시킨 광 굴절 결정(110)에 다수의 파장(λ1-λN)을 갖는 빔을 한 각도로 고정시켜 입사시켜 상기 각 회절격자(112)에 의하여 서로 다른 파장을 반사시켜 상기 다수의 파장(λ1-λN)을 갖는 빔을 공간적으로 분리시키는 단계를 포함하는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역 다중화 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 ⅰ단계는 상기 광 굴절 결정(110)내에 기록되는 회절격자(112)의 순서에 따라 상기 두개의 기록빔(λw)에 노출되는 시간을 변화시키는 것을 특징으로 하여 균일한 회절효율을 갖는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역 다중화 방법.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광 굴절 결정(110)내에 기록되는 순서가 빠른 상기 회절격자(112)는 상기 두개의 기록빔(λw)에 노출되는 시간을길게 할당하고, 상기 광 굴절 결정(110)내에 기록되는 순서가 늦은 상기 회절격자(112)는 상기 두개의 기록빔(λw)에 노출되는 시간을 짧게 할당하는 것을 특징으로 하는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 ⅰ단계는 상기 광 굴절 결정(110)이 회전하는 각도를 변화하여 상기 회절격자(112)가 기록되는 채널 간격을 조정하는 것을 특징으로 하는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역 다중화 방법.
5. 모터(M)에 의하여 회전 동작되는 회전판(114)의 상부에 안치되어 회전하면서 두 기록빔(λw)에 노출되어 한위치에 N개의 서로 다른 회절격자(112)가 다중 기록된 광 굴절 결정(110);

   상기 광 굴절 결정(110)에서 반사된 광이 입력될 수 있는 위치에 형성되며, 상기 광 굴절 결정(110)에서 반사된 광을 분할하기 위한 빔 분할기(120);

   상기 빔 분할기(120)의 출력측에 형성되며, 상기 빔 분할기(120)에서 출력된 빔의 경로를 보정하기 위한 렌즈(130);

   상기 렌즈(130)의 출력측에 다수개 형성되며, 상기 분할된 빔이 입사되기 위한 광섬유(140)를 포함하는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역 다중화 시스템.
6. 제 5항에 있어서, 상기 광 굴절 결정(110)의 표면에 반 반사 코팅을 수행해 손실을 최소화하는 것을 특징으로 하는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역다중화 시스템.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 광 굴절 결정(110)의 두께는 적어도 1cm이상인 것을 특징으로 하여 협대역 특성을 갖는 광 굴절 다중 홀로그램을 이용한 역 다중화 시스템.