KR20060102127A

KR20060102127A - 다중모드광섬유의 모드간 차등지연시간 측정장치

Info

Publication number: KR20060102127A
Application number: KR1020050024044A
Authority: KR
Inventors: 김덕영; 안태정
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-09-27
Also published as: US20060215975A1; KR100719892B1; EP1705471B1; US7369249B2; EP1705471A1; JP2006267107A

Abstract

본 발명은, 주파수가 선형적으로 변하는 빛을 이용하여 만든 맥신호(beat signal)를 사용해서 MMF(MultiMode optical Fiber, 다중모드광섬유)의 모드간 지연을 측정하는 장치로서, 상기 빛을 절반씩 나누어 상기 MMF와 기설정된 SMF(SingleMode optical Fiber, 단일모드광섬유)로 각기 제공하는 50/50 광섬유 광 분배기와, 상기 MMF와 상기 SMF를 각기 지나서 반사된 빛이 상기 50/50 광섬유 광 분배기로 돌아와 서로 간섭을 일으키는 것을 검출하여 상기 맥신호(beat signal)를 출력하는 광검출기를 구비한다.

Description

다중모드광섬유의 모드간 차등지연시간 측정장치{Apparatus for measuring a differential mode delay of a multimode optical fiber}

도 1은 OFDR 원리를 이용한 SMF의 절단위치 측정과 MMF의 모드간 차등지연시간 측정을 나타낸 도면,

도 2a는 본 발명에 따라 광섬유 마이켈슨 간섭계로 구성된 반사광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치를 나타낸 도면,

도 2b는 본 발명에 따라 광섬유 마흐-젠더 간섭계로 구성된 투과광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치를 나타낸 도면,

도 2c는 본 발명에 따라 광섬유와 광학계로 구성된 마흐-젠더 간섭계를 이용하여 투과광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치를 나타낸 도면,

도 2d는 본 발명에 따라 광학계로 구성된 마흐-젠더 간섭계를 이용하여 투과광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 MMF의 모드간 차등지연시간 측정에 사용되는 MMF의 굴절률 분포를 나타낸 그래프,

도 4a는 MMF에 구부림을 주지 않은 상태에서 주파수 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프,

도 4b는 MMF에 구부림을 주지 않은 상태에서 시간 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프,

도 5a는 MMF에 구부림을 준 상태에서 주파수 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프,

도 5b는 MMF에 구부림을 준 상태에서 시간 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프.

본 발명은 MMF(MultiMode optical Fiber, 다중모드광섬유)의 모드간 차등지연시간 측정장치에 관한 것으로, 특히, 가변파장 레이저와 OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry, 광주파수 영역 분석)을 이용하여 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치에 관한 것이다.

최근에 850nm VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)을 이용한 기가비트 이더넷(gigabit Ethernet)에 대한 관심이 모아지고 있다. 이러한 기가비트 이더넷을 가능하게 하기 위해 MMF 연구 또한 활발하게 진행중이다. MMF의 연구에 있어 중요한 특성 평가 항목 중에 하나인 모드간의 DMD(Differential Mode Delay)에 대한 분석이 MMF의 성능 평가를 위해서는 반드시 필요하기 때문에, 최근 이것에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

종래에는 MMF에 쇼트 펄스(short pulse)를 인가하고, 샘플링 오실로스코우프(sampling oscilloscope)를 사용해서 쇼트 펄스가 MMF를 지나면서 분리된 펄스들 간의 시간 지연(time delay)를 시간 영역(time domain)에서 측정한다. 이러한 시간 지연 측정 방식을 사용하는 경우, 장비를 구성하는 쇼트 펄스 레이저(short pulse laser)와 하이 스피드 오실로스코우프(high speed oscilloscope)가 필요한데, 이는 고가이기 때문에, 광섬유 검사 비용을 증가시킴으로써 광섬유의 가격 상승을 초래한다. 예로, 광섬유 검사를 위해 광섬유 생산 라인마다 상술한 고가의 광섬유 검사 장비를 구비하는 것은 더욱 어렵기 때문에, 결국 광섬유 검사 시간이 많이 소요됨으로써 광섬유의 대량생산 및 판매에 차질이 발생한다. 또한 종래의 시간 지연 측정에 있어서, 광섬유의 길이가 500m 이상이 되어야 모드가 분리되기 때문에, 짧은 길이에 대한 분석이 힘들다. 따라서, 1km 이내의 MMF의 모들 딜레이(modal delay) 특성을 파악하기 위해서 짧은 길이에도 측정이 가능한 측정 수단을 모색해야 한다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, SMF(SingleMode optical Fiber, 단일모드광섬유)의 길이, 절단 위치(fault position), 색분산(chromatic dispersion), 및 편광모드분산(polarization mode dispersion) 등 광섬유 특성 평가에 이용되던 광주파수 영역 반사광 분석 방법인 OFDR 원리를 이용하여, MMF의 모드간 차등지연시간 특성을 평가하는 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 OFDR 원리를 이용한 SMF의 절단위치 측정과 MMF의 모드간 차등지연시간 측정을 나타낸 도면이다. 상기 OFDR은 일반적으로 SMF의 절단면에서 반사되는 빛을 간섭계(interferometer) 장치를 이용해서 광섬유 상에 절단된 위치를 찾는데 사용되어진다.

동 도면에 있어서, SMF의 절단면에서 반사되는 R1, R2, R3의 반사빛이 OFDR 간섭계를 지나서 광검출기를 통해 절단면의 정보가 포함된 특정 주파수의 파형을 가진 신호를 검출하게 된다. 이것을 푸리에 변환을 통해 주파수를 분석하면 광섬유가 어느 위치에서 절단되었는지를 찾아낼 수 있다.

절단면이 없는 MMF의 경우 이 광섬유를 지나는 빛들이 SMF의 절단면에서 반사된 빛들과 동일한 역할을 하게 되어 OFDR를 지난 다음 각 모드간의 지연에 따라 주파수 영역에서 서로 다른 주파수 성분의 신호를 분리해 낼 수 있다. 예로, 수학식 1과 같이 측정된 주파수(f)는 특정 길이의 광섬유를 지나는 빛의 진행 시간(t)으로 변환할 수 있다.

여기서

는 가변파장레이져의 주파수 가변 속도이고,

는 T 시간동안 가변된 주파수이다.

도 2a는 본 발명에 따라 광섬유 마이켈슨(Michelson) 간섭계로 구성된 반사광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치를 나타낸 도면으로, 상용 TLS(가변파장레이저)와 마이켈슨 간섭계로 구성된다.

동 도면에 있어서, TLS는 주파수가 선형적으로 변하는 빛을 출력한다.

50/50 광섬유 광 분배기는 TLS로부터 출력된 빛을 절반씩 나누어 시험용 광섬유인 MMF와 보조 광섬유인 SMF로 각기 제공한다. MMF와 SMF를 지나서 반사된 빛은 다시 50/50 광섬유 광 분배기로 돌아오게 되고, 이 두 빛은 광검출기에서 서로 간섭을 일으키게 된다. 이 간섭에 의한 신호를 맥신호(beat signal)라고 한다.

데이터 수집장치(DAQ)는 맥신호를 수집하여 지디털 신호로 변환해서 컴퓨터로 제공한다.

컴퓨터는 데이터 수집장치(DAQ)로부터 제공되는 신호를 사용해서 상기 MMF의 모드간 지연을 측정한다. 이때, 컴퓨터는 소정의 프로그램을 실행시켜서 측정 결과를 특정 모니터를 통해 다양한 형태로 디스플레이시킬 수 있다.

여기서 50/50 광섬유 광 분배기와 SMF 사이에 설치된 PC(Polarization Controller)는 간섭무늬가 최대가 되도록 빛의 편광을 조절하는데 사용되는 일반적인 편광 조절기로, 다른 실시 예에도 적용된다. PC를 조정하여 간섭무늬가 최대가 되는 지점에서 고정시킨다.

또한, 도 2a 내지 도 2d에 나타난 트리거 신호(Trig.)는 컴퓨터로부터 데이터 수집 장치(DAQ)를 통해 TLS로 제공하여, TLS가 빛을 출력하도록 하는 신호이다.

이와 같이 간섭계를 이용하면 시간 영역에서 직접 측정하는 방법보다 적은 양의 빛도 쉽게 측정할 수 있다. 간섭계 한쪽 팔에 측정에 사용할 MMF를 설치하고, 다른 쪽 팔에는 MMF의 거의 비슷한 SMF를 설치하여 OFDR의 단점인 장거리에서 신호 왜곡현상을 완화시켰다. 단, 선폭이 짧은 가변파장레이저를 사용할 경우 SMF가 없이도 측정이 가능하다. PC는 파형의 인지도(visibility)를 향상하는 역할을 한다. 간섭계에서 들어가는 SMF와 MMF를 결합할 때 모드의 생성을 위해 약간의 코어간 오프셋(offset)을 줬다. MMF를 지나 돌아온 빛이 광검출기로 들어와서 컴퓨터를 이용하여 주파수 분석을 하게 된다. 이렇게 얻은 주파수 정보로부터 MMF의 모드간 차등지연시간 특성을 찾아 낼 수 있다.

도 2b는 본 발명에 따라 광섬유 마흐-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계로 구성된 투과광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간을 측정하는 장치를 나타낸 도면으로, 도 2a에서와 동일한 개념으로 설명할 수 있다.

제 1 50/50 광섬유 광 분배기는 TLS로부터 출력된 빛을 절반씩 나누어 시험 용 광섬유인 MMF와 보조 광섬유인 SMF로 각기 제공한다.

MMF와 SMF는 제 1 50/50 광섬유 광 분배기로부터 제공된 빛을 각기 투과시켜 제 2 50/50 광섬유 광 분배기로 제공한다.

제 2 50/50 광섬유 광 분배기는 MMF와 SMF를 투과한 빛을 각각 받아 통과시킨다.

광검출기는 제 2 50/50 광섬유 광 분배기를 통과한 빛이 서로 간섭을 일으킴에 따른 맥신호를 데이터 수집장치(DAQ)로 제공한다.

데이터 수집장치(DAQ)는 광검출기로부터 제공되는 맥신호를 수집하여 지디털 신호로 변환해서 컴퓨터로 제공한다.

컴퓨터는 데이터 수집장치(DAQ)로부터 제공되는 신호를 사용해서 상기 MMF의 모드간 지연을 측정한다.

이와 같이 투과광 분석을 통해서 도 2a와 같은 동일한 결과를 얻을 수 있다. 선폭이 충분히 짧은 가변파장레이저를 사용할 경우 SMF는 사용하지 않을 수 있다.

도 2c는 광섬유와 광학계로 구성된 마흐-젠더 간섭계를 이용하여 투과광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치의 개략도로, 도 2b와 동일한 개념이다.

50/50 광섬유 광 분배기는 TLS로부터 출력된 빛을 절반씩 나누어 시험용 광섬유인 MMF와 보조 광섬유인 SMF로 각기 제공한다.

MMF와 SMF는 50/50 광섬유 광 분배기로부터 제공된 빛을 각기 투과시킨다.

MMF를 투과한 빛은 렌즈를 통해 집광시키고 거울로 반사시켜 광분할기로 제공하고, SMF를 투과한 빛은 렌즈를 통해 집광시켜 광분할기로 제공한다.

따라서, MMF와 SMF를 투과한 경로가 서로 다른 두 빛이 광분할기에서 만나게 되면 서로 간섭을 일으키게 되고, 이와 같이 간섭을 일으킨 빛은 광검출기로 렌즈를 이용하여 집광된다. 이와 같이 얻어진 간섭 신호를 맥신호라고 한다.

광검출기는 맥신호를 데이터 수집장치(DAQ)로 제공한다.

상술한 도 2c와 같이 입력부는 광섬유로 구성되고, 출력부는 MMF를 지난 후 광학계를 통해서 서로 다른 경로를 지나온 빛들 간에 간섭을 얻는다. 선폭이 충분히 짧은 가변파장레이저를 사용할 경우 SMF는 사용하지 않을 수 있다.

도 2d는 광학계로 구성된 마흐-젠더 간섭계를 이용하여 투과광 분석을 통한 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치의 개략도로, 도 2b에서 사용한 50/50 광섬유 광 분배기 대신, 광학용 광분할기를 사용하여 구성된다.

제 1 광분할기는 TLS로부터 출력된 빛을 렌즈를 통해 집광해서 절반씩 나누 어 시험용 광섬유인 MMF와 보조 광섬유인 SMF로 각기 각 렌즈를 통해 집광시킨다. 특히, SMF로는 빛을 거울로 반사시킨 후, 렌즈를 통해 집광시킨다.

MMF를 투과한 빛은 렌즈를 통해 집광시키고 거울로 반사시켜 제 2 광분할기로 제공하고, SMF를 투과한 빛은 렌즈를 통해 집광시켜 제 2 광분할기로 제공한다.

따라서, MMF와 SMF를 투과한 경로가 서로 다른 두 빛이 제 2 광분할기에서 만나게 되면 서로 간섭을 일으키게 되고, 이와 같이 간섭을 일으킨 빛은 광검출기로 렌즈를 이용하여 집광된다. 이와 같이 얻어진 간섭 신호를 맥신호라고 한다.

광검출기는 맥신호를 데이터 수집장치(DAQ)로 제공한다.

상술한 도 2d는 광섬유를 사용하지 않고 모두 광학계로 구성한 것이다. 선폭이 충분히 짧은 가변파장레이저를 사용할 경우 SMF는 사용하지 않을 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 MMF의 모드간 차등지연시간 측정에 사용되는 MMF의 굴절률 분포를 나타낸 그래프로, 이는 분석을 용이하게 하기 위해 몇 개의 모드만 가지는 MMF를 디자인하여 제작한 것이다.

도 4a는 MMF에 구부림을 주지 않는 상태에서 주파수 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프이다.

도 2a와 같은 측정장치를 구성하여, 도 3의 굴절률 분포를 가진 MMF에 대한 모드간 차등지연시간 특성을 찾아냈다. MMF에 존재하는 모드 중에서 구부림에 민감한 것들이 사라질 수 있기 때문에 구부림을 주지 않고 측정하였다.

도 4b는 MMF에 구부림을 주지 않은 상태에서 시간 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프이다. 도 2a와 거의 비슷한 위치에서 모드가 발생하는 것을 알 수 있다.

도 5a는 MMF에 구부림을 준 상태에서 주파수 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프이다. 구부림을 주게 되면 MMF에서 구부림에 약한 모드가 사라지게 되며 이것을 확인함으로써 측정 결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있다. 도 4a에서 두 번째 있던 모드가 사라진 것을 확인할 수 있다. 이것은 또한 도 5b에 있는 MMF에 구부림을 준 상태에서 시간 영역 방법으로 측정된 모드간 차등지연시간 특성을 나타낸 그래프에서도 동일한 현상을 발견할 수 있다.

표 1은 주파수 영역과 시간 영역 방법으로 측정된 결과를 비교한 것으로, 주파수 영역 방법과 시간 영역 방법으로 측정한 각 모드의 위치, 모드간 차등지연시간, 모드 사이의 분해능을 알 수 있다. 서로 다른 두 측정 방법으로 얻은 결과가 표 1과 같이 거의 동일하다.

	1st Peak (ps/m)	2nd Peak (ps/m)	3rd Peak (ps/m)	Modal Delay (ps/m)	Measurement Resolution (ps/m)
주파주 영역 측정방법	16.48	26.86	30.82	16.58	1.5
시간 영역 측정방법	16.42	27.92	32.04	16.88	0.7

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 저가의 레이저와 간섭계를 이용하여 MMF의 모드간 차등지연시간 특성을 측정할 수 있기 때문에, MMF 개발 및 생산에 크게 기여할 수 있다. 또한 간섭계를 이용하기 때문에, 높은 광민감도를 이용하여 짧은 길이의 MMF를 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 가격이 저렴하게 제작 가능한 선형주파수변화 레이저(linearly chirped frequency sweep laser)와 마이켈슨 간섭계로 구성되어 기존의 방법보다 손쉽고 저렴하게 동일한 특성을 측정할 수 있다. 또한 장비의 길이가 1km 이내에서 동작되기 때문에, 짧은 길이의 MMF 특성 평가에 적당하다.

Claims

주파수가 선형적으로 변하는 빛을 이용하여 만든 맥신호(beat signal)를 사용해서 MMF(MultiMode optical Fiber, 다중모드광섬유)의 모드간 지연을 측정하는 장치로서,

상기 빛을 절반씩 나누어 상기 MMF와 기설정된 SMF(SingleMode optical Fiber, 단일모드광섬유)로 각기 제공하는 50/50 광섬유 광 분배기와,

상기 MMF와 상기 SMF를 각기 지나서 반사된 빛이 상기 50/50 광섬유 광 분배기로 돌아와 서로 간섭을 일으키는 것을 검출하여 상기 맥신호(beat signal)를 출력하는 광검출기

를 포함하는 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치.
주파수가 선형적으로 변하는 빛을 이용하여 만든 맥신호(beat signal)를 사용해서 MMF(MultiMode optical Fiber, 다중모드광섬유)의 모드간 지연을 측정하는 장치로서,

상기 빛을 절반씩 나누어 상기 MMF와 기설정된 SMF(SingleMode optical Fiber, 단일모드광섬유)로 각기 제공하는 제 1 50/50 광섬유 광 분배기와,

상기 MMF와 상기 SMF를 투과한 빛을 각각 받아 통과시키는 제 2 50/50 광섬유 광 분배기와,

상기 제 2 50/50 광섬유 광 분배기를 통과한 빛이 서로 간섭을 일으키는 것을 검출하여 상기 맥신호(beat signal)를 출력하는 광검출기

를 포함하는 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치.
주파수가 선형적으로 변하는 빛을 이용하여 만든 맥신호(beat signal)를 사용해서 MMF(MultiMode optical Fiber, 다중모드광섬유)의 모드간 지연을 측정하는 장치로서,

상기 빛을 절반씩 나누어 상기 MMF와 기설정된 SMF(SingleMode optical Fiber, 단일모드광섬유)로 각기 제공하는 50/50 광섬유 광 분배기와,

상기 MMF를 투과한 빛을 제 1 렌즈를 통해 집광하고 거울로 반사시켜 제공받고, 상기 SMF를 투과한 빛을 제 2 렌즈를 통해 집광하여 제공받아, 상기 제 1, 제 2 렌즈를 통해 집광된 각 빛이 서로 간섭을 일으키도록 하는 광분할기와,

상기 광분할기로부터 간섭된 빛을 제 3 렌즈를 통해 집광하여 제공받아, 상기 맥신호(beat signal)를 출력하는 광검출기

를 포함하는 것을 특징으로 하는 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치.
주파수가 선형적으로 변하는 빛을 이용하여 만든 맥신호(beat signal)를 사용해서 MMF(MultiMode optical Fiber, 다중모드광섬유)의 모드간 지연을 측정하는 장치로서,

상기 빛을 제 1 렌즈를 통해 집광해서 절반씩 나누어 상기 MMF로 제 2 렌즈를 통해 집광시키고, 기설정된 SMF(SingleMode optical Fiber, 단일모드광섬유)로 제 1 거울을 통해 반사시킨 후 제 3 렌즈를 통해 집광시키는 제 1 광분할기와,

상기 MMF를 투과한 빛을 제 4 렌즈를 통해 집광하고 제 2 거울로 반사시켜 제공받고, 상기 SMF를 투과한 빛을 제 5 렌즈를 통해 집광하여 제공받아, 상기 제 4, 제 5 렌즈를 통해 집광된 각 빛이 서로 간섭을 일으키도록 하는 제 2 광분할기와,

상기 제 2 광분할기로부터 간섭된 빛을 제 6 렌즈를 통해 집광하여 제공받아, 상기 맥신호(beat signal)를 출력하는 광검출기

를 포함하는 MMF의 모드간 차등지연시간 측정장치.