KR100380255B1 - 반복적인 고속 편광 스크램블링을 이용한 편광의존성 손실측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력광의 편광상태에 따른 광소자의 삽입손실 변화량, 즉 편광의존성 손실을 측정하는 장치 및 그 측정방법에 관한 것이다. 본 발명의 장치와 방법은, 서로 다른 주파수로 변조되는 압전소자형 광섬유 복굴절변조기를 포함하는 편광 스크램블러에 의해 전체 편광상태를 주기적으로 겪는 입력광을 시험대상 광부품에 통과시키고 그 통과광의 세기를 광 검출기로 측정하되, 일정 주기를 갖는 복굴절변조에 대해 평균을 취한 후 그 주기에 대해 최대 출력과 최소 출력의 비율로부터 편광의존성 손실을 계산하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 장치와 방법에 따르면, 빠른 작동이 가능한 복굴절 변조기를 사용하므로 측정시간의 단축이 가능하며, 시험대상 광부품에 입력되는 입력광의 외란 영향이 줄어들거나 외란발생 확률이 낮아져서 편광의존성 손실을 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

반복적인 고속 편광 스크램블링을 이용한 편광의존성 손실 측정장치 및 방법 {Apparatus and method for measurement of polarization-dependent loss using repeated fast polarization scrambling}

본 발명은 입력광의 편광상태에 따른 광소자의 삽입손실 변화량, 즉 편광의존성 손실을 측정하는 장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.

초고속 광통신 기술이 발전함에 따라서 다양한 광부품이 개발되었으며, 이들의 품질을 효과적으로 관리하기 위해 광통신 산업계에서는 신뢰성이 높고, 측정속도가 빠른 광계측기를 필요로 하게 되었다. 특히 파장 다중화(Wavelength Division Multiplexing; WDM) 전송방식의 도입으로 인해, 넓은 파장 영역에 걸쳐 여러 파장에 대해 광부품의 특성을 측정할 필요가 발생한 만큼 빠른 측정속도를 갖는 광계측기에 대한 요구도 증대하고 있다.

여러 가지 광부품의 사양 중에 특히 PDL은 그 측정이 어렵고 측정시간이 길다는 특징을 갖는다. 더욱이 광통신의 고속화와 더불어 신호의 열화를 일으킬 수 있는 PDL은 그 품질이 엄격하게 관리되어야 하는 중요한 광부품의 특성 중의 하나이다.

광부품의 삽입손실은 입력과 출력의 광신호 세기의 비로부터 정의되는데, 이러한 삽입손실은 또한 입력광의 편광상태에도 의존하게 마련이다. 이러한 특성을 표시하는 PDL은 통상적으로 아래의 방법에 의해 측정한다. 우선, 광입력세기를 일정하게 유지한 상태에서 입력광의 편광상태를 변화시켜 가면서 PDL을 측정하고자 하는 시험대상 광부품(Device Under Test; DUT)에 입력광을 입사시키면서, 출력광의 세기를 각각 측정한다. 이어서, 최대 출력(P_max)과 최소 출력(P_min)의 비로부터 아래 수학식 1에 의해 정의되는 PDL이 얻어진다.

상기의 정의에 따른 PDL을 측정하는 종래기술의 방법에는 전 상태 스캐닝(all state scanning) 방법과 뮬러 행렬(Mueller matrix) 방법이 있다. 전 상태 스캐닝 방법은 가능한 한 다양한 입력광의 편광상태를 형성하고 이에 따른 출력광의 세기를 측정하여 그 중 최대 출력과 최소 출력값을 찾는 방법으로서, 그에 대한 설명은 다음과 같다.

도 1은 전 상태 스캐닝 방법으로 PDL을 측정하는 시스템의 구성도이다. 도 1에서, 레이저 다이오드(100)의 출력은 일정한 편광상태와 일정한 세기를 가진다. 레이저 다이오드(100)의 출력은 먼저 그 각각이 광섬유로 이루어진 파장판으로 이루어진 편광조절기(110)를 거친다. 파장판들의 각도를 변화시키면 광섬유(120)를 통해 DUT(130)에 입사하는 광의 편광상태를 조절할 수 있다. DUT(130)를 거친 출력광은 광 파워미터(140)에 의해 그 세기가 측정된다. 즉, 편광조절기(110)의 파장판들의 각도를 변화시켜 입력광의 편광상태가 모든 편광상태가 되도록 조절하고 DUT(130)를 거치게 한 후 출력된 출력광의 세기의 최대 및 최소값을 일정한 시간 간격동안 추출하여 편광의존성 손실을 계산하게 된다. 그러나, 이러한 시스템의 가장 큰 단점은 주로 기계적인 편광조절기를 사용함으로 해서 측정시간이 5∼10초 정도로 너무 길어서 생산현장에서는 사용하기 곤란하다는 것이다.

한편, 뮬러 행렬방법은 정확히 알고 있는 4가지의 입력 편광상태에 대한 출력값을 이용한 수학적 계산에 의해 최대 출력과 최소 출력값을 구하는 방법으로서, 그 구체적인 측정방법은 파빈(Favin) 등에게 부여된 미국특허 제 5,371,597호에 잘 개시되어 있다. 미국특허 제 5,371,597호에 의하면, DUT의 전단에서 입력광의 편광상태를 4가지 알려진 편광상태로 만들어주기 위해 수동 편광조절기와 자동 편광조절기로 이루어진 편광조절기를 사용한다. 자동편광조절기로서는, 1/2 파장판 및 1/4 파장판이 사용되며, 이들을 회전시킴으로써 편광을 조절한다. 그러나, 이 방법을 실행함에 있어서 4가지 편광상태의 각각에 대해 DUT의 입력광 세기와 기준신호 세기 사이의 비율을 결정하기 위한 캘리브레이션 과정이 필수적이며, 측정과정에서 4가지 편광상태를 입력한 후에 그에 대한 결과값을 정확히 얻어내어야 한다는 제약이 있다. 이를 위해서는 입력 편광상태의 교란이 없어야 하는데, 측정과정에서 오랜 시간이 걸린다면 입력 편광상태의 교란이 불가피하게 발생하는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비교적 빠른 시간 내에 측정을 완료함으로써 입력광의 편광에서 외란이 발생할 소지를 줄일 수 있는 편광의존성 손실 측정장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 수백 ㎑ 이상의 변조속도를 갖는 편광변조기를 이용하여 전 상태 스캐닝 방식으로 빠르게 편광의존성 손실을 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 전 상태 스캐닝 방법으로 PDL을 측정하는 시스템의 구성도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 편광의존성 손실 측정장치의 구성도;

도 3은, 1550㎚에서 2.42㏈의 편광의존성 손실을 갖는다고 알려진 광부품에 대해 본 발명의 장치 및 방법을 이용하여 측정한 편광의존성 손실을 나타낸 그래프; 및

도 4는, 본 발명의 장치와 방법을 이용할 경우, 입력 편광의 변화에 따른 영향을 나타낸 그래프이다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 편광의존성 손실 측정장치는:

(a) 광원과;

(b) 상기 광원으로부터 나오는 광을 편광상태의 광으로 만들어주는 편광기와;

(c-1) 적어도 세 개의 원통형 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과,

(c-2) 상기 광섬유 복굴절 변조기마다, 하나의 클락에 동기되어 있으며 정해진 주파수 F와 서로 소인 정수의 곱에 해당하는 주파수의 교류전압을 인가하는 교류전압원들을 포함하여,

(c) 상기 편광기로부터 편광된 광을 입력광으로서 받는 한편, 주파수 F로 반복되는 편광상태를 가지는 출력광을 내보내는 편광 스크램블러와;

(d) 상기 편광 스크램블러의 출력광이 측정대상을 통과한 후, 그 통과광을 검출하는 광 검출기와;

(f) 상기 복굴절 변조기들의 클락에 동기되어 매 주기의 통과광의 세기를 제공하는 아날로그-디지털 변환기와;

(g) 상기 아날로그-디지털 변환기에서 나오는 매 주기의 통과광의 세기 변화 파형을 평균화하여 매 측정에 수반되는 잡음을 억제시키는 디지털 신호처리부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 편광의존성 손실 측정방법은:

일정하게 편광된 입력광을 마련하는 단계와;

적어도 세 개의 원통형 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과, 상기 광섬유 복굴절 변조기마다, 하나의 클락에 동기되어 있으며 정해진 주파수 F와 서로 소인 정수의 곱에 해당하는 주파수의 교류전압을 인가하는 교류전압원 들을 포함하는 편광 스크램블러에 상기 입력광을 입력하고, 주파수 F로 반복되는 편광상태를 가지는 출력광을 내보내게 하는 단계와;

상기 편광 스크램블러로부터의 출력광을 시험대상 광부품에 통과시키는 단계와;

상기 광부품을 통과한 광의 출력을 광 검출기로 검출하는 단계와;

상기 광 검출기의 검출값을 일정 주기의 복굴절 변조에 대해 평균을 취한 후, 그 주기에 대해 최대 출력과 최소 출력의 비율로부터 편광의존성 손실을 계산하는 단계를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 편광의존성 손실 측정장치의 구성도이다. 도 2의 구성도를 통해 본 발명의 장치 및 방법에 대해 모두 설명하기로 한다. 도 2를 참조하면, 일정한 편광상태의 입력광은, 파장가변 레이저 또는 DFB(Distributed Feed Back) 레이저 다이오드와 같은 광원(302)과, 아이솔레이터(304)와, 편광기(306)로 구성된 입력광 제공수단(300)에 의해 만들어져 편광 스크램블러(310)로 입력된다. 본 실시예의 장치에 사용된 편광 스크램블러(310)는, 3개의 원통형 압전소자와 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들을 포함하고 있으며, 인접한 변조기들의 사이를 연결하는 광섬유는 비틀어서 복굴절축이 서로 48도의 각도가 되도록 만들어져 있다. 상기 광섬유로는 비교적 저가인 단일모드 광섬유를 사용할 수 있으나, 경우에 따라서는 편광유지 광섬유(polarization maintaining optical fiber)를 사용할 수도 있다.

한편, 상기 각각의 광섬유 복굴절 변조기마다, 하나의 클락에 동기되어 있으며 정해진 주파수 F와 서로 소인 정수의 곱에 해당하는 주파수의 교류전압을 인가하는 교류전압원인 구동신호 발생부(370)에 의해 구동된다. 즉, 3개의 주파수 f₁, f₂및 f₃는 아래의 수학식 2에 의해 결정된다.

단, k, l, m은 서로 소인 정수이다.

이 주파수 F는 1㎑, 2㎑, 5㎑ 및 10㎑로 구성된 주파수 군으로부터 선택된 어느 하나의 값이 될 수 있다. 본 실시예에서는, 3개의 변조기들의 각각이 f₁=770㎑, f₂=950㎑, f₃=1070㎑의 사인(sinusoidal) 파형에 의해 변조되었다. 변조진폭은 3개의 변조기들의 각각에 대해 3.14 이상의 조건을 만족하도록 설정되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는으로 조절되었다. 이 값에 의하면 포앙까레의 구를 완전히 덮을 수 있는 편광 변화가 가능하다. 즉, 한 주기 안에서 모든 편광상태를 스캐닝하는 방법을 적용시키기에 적합한 모든 편광상태가 생성되게 된다. 이와 같이 편광 스크램블러(310)를 통과한 광은 시험대상 광부품(DUT; 320)에 입사된다. 시험대상 광부품(320)에 입사되는 광의 편광상태 변화가 시간적 주기 T(1/F)의 간격마다 반복되므로 편광의존성 손실을 측정하고자 하는 시험대상 광부품(320)을 통과한 후의 광의 세기변화도 역시 주기 T를 가지고 반복적으로 재현된다. 시험대상 광부품(320)을 통과한 광은 광 검출기(330)와 고속 증폭기(340)를 차례로 거친 후, 연산처리에 적당하도록 아날로그-디지털 변환기(ADC; 350)에 의해 그 신호가 변환된다. 한편, 이 아날로그-디지털 변환기(350)는 편광 스크램블러(310)에 포함된 편광변조기의 변조신호의 주기를 결정하는 클락에 동기되어 있다. 광 검출기(330)에 의한 잡음을 줄이기 위해, 본 실시예에서는 평균화방법을 사용한다. 즉, 아날로그-디지털 변환기(350)에 의해 상기와 같이 변환된 신호는 신호처리부(360)에 의해 평균화된다. 이 평균화 과정은 매 측정에 수반되는 잡음을 줄여나가는 과정이다. 변조주파수들은 10㎑라는 최대 공약수를 가지기 때문에, 변조된 광신호는 100㎲의 주기를 갖는다. 그런데, 상기와 같이 편광 스크램블러(310)에 포함된 편광변조기와 아날로그-디지털 변환기(350)를 동기화시킴으로써 100㎲ 파형을 1000번에 걸쳐서 평균화할 수 있는 실시간 평균화기(real-time averager)를 구현할 수 있다. 따라서, 이 경우의 측정시간은 100㎲×1000=0.1초가 된다. 이와 같이 평균화가 완료되면 측정값은 표시장치에 나타나게 된다.

도 3은, 1550㎚에서 2.42㏈의 편광의존성 손실을 갖는다고 알려진 광부품에 대해 본 발명의 장치 및 방법을 이용하여 측정한 편광의존성 손실을 나타낸 그래프이다. 비교를 위하여 종래의 측정 장치 및 방법을 이용하여 측정한 편광의존성 손실을 함께 도시하였다. 여기서, 광부품에 입력되는 광의 파장을 1520㎚와 1590㎚ 사이에서 10㎚의 간격으로 변화시켜가며 측정하였다. 그래프에서 원형으로 표시된 것은 전 상태 스캐닝 방법을 이용하는 종래기술의 상용장비(종래기술 A)에 의해 측정한 결과를, 삼각형으로 표시된 것은 뮬러 행렬방법을 이용하는 종래기술의 상용장비(종래기술 B)에 의해 측정한 결과를 각각 나타낸다. 도 3을 참조하면, 3가지 방법 모두 거의 동일한 편광의존성 손실값을 제공하였으며, 그 오차는 ±1% 이내임을 알 수 있다. 이와 같이 비교된 3가지 측정방식이 동일한 광부품에 대해 거의 동일한 결과를 제공하나, 측정시간에 있어서는 본 발명의 장치 및 방법을 이용하는 경우가 월등한 결과를 나타내었다. 하나의 파장에 대해서 편광의존성 손실값을 측정할 때 종래기술 A 및 B에 의한 측정시간은 각각 10초 및 2초가 소요되었으나, 본 발명의 장치와 방법을 이용한 경우에는 0.1초가 소요되었다.

도 4는, 본 발명의 장치와 방법을 이용할 경우, 입력 편광의 변화에 따른 영향을 나타낸 그래프이다. 즉, 도 2의 편광 스크램블러(310)에 300개의 서로 다른 입력편광을 가한 후 광부품을 통과하는 광의 편광의존성 손실을 측정하여 도 4에 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 전체 편광상태에 거쳐 편광의존성 손실의 측정값 편차가 ±1% 이내임을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 본 발명의 장치와 방법에서 편광 스크램블러를 거치는 광이 모든 편광상태를 겪는다는 것을 입증하는 것이다.

한편, 잡음이 크게 영향을 주는 환경에서 본 발명의 장치 및 방법을 사용할 경우, 평균화의 회수와 편광의존성 손실 측정값의 변화를 표 1에 나타내었다. 도 1에 도시된 종래기술의 장비를 사용하여 측정한 광부품의 편광의존성 손실값은 0.717㏈였다.

평균화 회수	소요시간	편광의존성 손실 측정값(dB)
1	0.1밀리초	1.422
10	1밀리초	0.888
100	10밀리초	0.804
1000	0.1초	0.723

표 1을 참조하면, 잡음이 심한 경우에도 본 발명의 장치와 방법을 사용하면 단시간 내에 정확한 측정값을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 편광의존성 손실 측정장치 및 방법에 의하면, 입력 편광을 주기적으로 스크램블링시키면서 반복적인 측정을 하여 평균값을 취함으로써 측정 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 고속 작동이 가능한 편광 스크램블러를 사용하기 때문에 측정 속도를 향상시킬 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 앞서 설명한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 설명되었으나 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 장치에서 광원과 편광기를 분리하여 논하였으나, 광원 자체에서 이미 편광된 광이 출력된다면 별도의 편광기가 불필요함은 물론이다.

Claims (6)

1. (a) 광원과;

   (b) 상기 광원으로부터 나오는 광을 편광상태의 광으로 만들어주는 편광기와;

   (c-1) 적어도 세 개의 원통형 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과,

   (c-2) 상기 광섬유 복굴절 변조기마다, 하나의 클락에 동기되어 있으며 정해진 주파수 F와 서로 소인 정수의 곱에 해당하는 주파수의 교류전압을 인가하는 교류전압원들을 포함하여,

   (c) 상기 편광기로부터 편광된 광을 입력광으로서 받는 한편, 주파수 F로 반복되는 편광상태를 가지는 출력광을 내보내는 편광 스크램블러와;

   (d) 상기 편광 스크램블러의 출력광이 측정대상을 통과한 후, 그 통과광을 검출하는 광 검출기와;

   (f) 상기 복굴절 변조기들의 클락에 동기되어 매 주기의 통과광의 세기를 제공하는 아날로그-디지털 변환기와;

   (g) 상기 아날로그-디지털 변환기에서 나오는 매 주기의 통과광의 세기 변화 파형을 평균화하여 매 측정에 수반되는 잡음을 억제시키는 디지털 신호처리부;

   를 구비하는 편광의존성 손실 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 복굴절 변조기들 중의 인접한 것 사이의 복굴절축이 서로 48도의 각도가 되도록, 상기 변조기들 사이를 연결하는 광섬유가 비틀어진 상태를 유지하고 있는 것을 특징으로 하는 편광의존성 손실 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 주파수 F가 1㎑, 2㎑, 5㎑ 및 10㎑로 구성된 주파수 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 편광의존성 손실 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 복굴절 변조기의 변조진폭이 3.14 이상인 것을 특징으로 하는 편광의존성 손실 측정장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 압전소자들의 외벽 둘레에 각각 권선된 광섬유가 단일모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 편광의존성 손실 측정장치.
6. 일정하게 편광된 입력광을 마련하는 단계와;

   적어도 세 개의 원통형 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과, 상기 광섬유 복굴절 변조기마다, 하나의 클락에 동기되어 있으며 정해진 주파수 F와 서로 소인 정수의 곱에 해당하는 주파수의 교류전압을 인가하는 교류전압원 들을 포함하는 편광 스크램블러에 상기 입력광을 입력하고, 주파수 F로 반복되는 편광상태를 가지는 출력광을 내보내게 하는 단계와;

   상기 편광 스크램블러로부터의 출력광을 시험대상 광부품에 통과시키는 단계와;

   상기 광부품을 통과한 광의 출력을 광 검출기로 검출하는 단계와;

   상기 광 검출기의 검출값을 일정 주기의 복굴절 변조에 대해 평균을 취한 후, 그 주기에 대해 최대 출력과 최소 출력의 비율로부터 편광의존성 손실을 계산하는 단계;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 편광의존성 손실 측정방법.