신호 재생기

신호 재생기 {Signal regenerator}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호 재생기를 설명하기 위한 구성도.

도 2는 일반적인 반도체 광증폭기의 이득 곡선을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 마흐-젠더 갑섭계와 일반적인 반도체 광증폭기의 입력파워 대 출력파워를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명에 적용된 지연간섭계의 입력파워, 지연된 입력파워 및 출력파워를 시간의 함수로 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 입력도파로

2, 7: 광분배기

3, 4: 반도체 광증폭기

5, 10: 위상조절수단

6, 13: 광결합기

8, 9, 11, 12: 도파로

14: 출력도파로

본 발명은 광통신 시스템에서 광섬유를 통해 전송된 광신호의 왜곡을 보정하기 위한 신호 재생기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 왜곡된 광신호를 2R(re-amplifying, re-shaping) 재생하는 신호 재생기에 관한 것이다.

인터넷이 발달함에 따라 이와 관련된 소프트웨어 및 콘텐츠가 빠르게 발전하고 있으며, 이에 따라 대용량의 정보를 빠르게 처리할 수 있는 광통신 시스템의 개발이 요구된다.

광신호를 전송하기 위한 광통신 시스템에서 광섬유를 통해 신호를 장거리 전송하면 전송 과정에서 분산이나 혹은 비선형적인 현상에 의해 신호가 왜곡된다. 이와 같은 왜곡에 의한 신호의 품질 저하는 통신 시스템 전체에 많은 영향을 미치게 된다. 따라서 왜곡된 신호를 원래의 신호로 재생하는 기술이 필요하다.

일반적인 광통신 시스템에서는 이와 같이 왜곡된 광신호를 3R(Re-amplifying, Re-shaping, Re-timing) 또는 2R(re-amplifying, re-shaping) 재생하여 원래의 광신호로 만드는데, 이를 위해 신호 재생기를 사용한다.

전기적인 3R 재생을 이용한 신호 재생기는 왜곡된 광신호를 전기신호로 변환하여 3R 재생한 후 다시 광신호로 변환한다. 그러나 이와 같이 동작되는 신호 재생기는 광신호를 전기신호로 변환하는 전기회로가 광신호의 속도나 포맷(format) 등에 영향을 받기 때문에 이러한 영향을 방지하기 위해서는 전광(all optical) 신호를 사용해야 한다.

2R 재생을 이용하는 신호 재생기의 일 예로서, 대칭형의 마흐-젠더 간섭계의 각각의 가지에 두개의 동일한 이득 고정형 반도체 광증폭기(Gain-Clamped Semiconductor Optical Amplifier; GC-SOA)와 위상조절기를 연결한 구조가 제시되었다(미국특허 제6,366,382호).

두 이득 고정형 반도체 광증폭기에 서로 다른 전류를 주입하면 포화 입력파워 아래의 영역에서는 두 이득 고정형 반도체 광증폭기의 이득 및 위상 변화가 동일해진다. 그러나 주입 전류가 서로 다르기 때문에 포화 입력파워 이상의 빛이 입사되면 이득과 위상이 서로 달라지는데, 이 경우 위상 차이가 π가 되도록 한다. 그리고 위상조절장치를 이용하여 간섭계의 한쪽 가지의 위상을 π 만큼 조절하면 포화 입력파워보다 작은 세기의 빛은 소멸 간섭이 되고, 포화 입력파워보다 강한 빛은 보강간섭이 되므로 계단 모양의 광전이 곡선(optical transfer curve)을 얻게 된다. 그러나 이와 같은 구조는 회절격자를 가지는 이득 고정형 반도체 광증폭기를 구비하기 때문에 제작 공정상의 어려움이 따르며, 속도의 제한으로 인해 2.5 Gbit/s 정도에서의 2R 재생 실험만이 보고되었다.

2R 재생을 이용하는 다른 신호 재생기로서, 다중 모드 간섭계(Multi-Mode Interference Coupler; MMI)를 이용하는 구조가 제시되었다(Jan De Merlier et al., "Experimental demonstration of all optical regeneration using an MMI-SOA", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 24/5, pp. 660-662, 2002. 3).

상기 신호 재생기는 활성층으로 구성된 다중 모드 간섭계 반도체 광증폭기를 이용한다. 2 × 2 다중 모드 간섭계의 경우, 굴절률을 변화시키면 어느 한쪽 가지로 입사된 빛을 크로스(cross) 또는 바(bar) 상태로 스위칭 할 수 있다. 즉, 두 개 의 입력 도파로 중 하나의 도파로를 통해 신호가 입사되면 입사된 신호의 세기에 따라 다중 모드 간섭계 반도체 광증폭기 내의 운반자(carrier)(전자 또는 정공) 밀도가 변화되고, 운반자 밀도의 변화에 따라 굴절률이 변화되어 크로스 또는 바 상태로 빛을 스위칭 한다. 예를 들어, 낮은 파워의 신호가 입력되면 크로스 상태로 빛이 출력되고, 높은 파워의 신호가 입력되면 바 상태로 빛이 출력되도록 다중 모드 간섭계 반도체 광증폭기를 설계하는 경우 바 상태가 출력되는 부분에서 입력광의 소광비가 향상된 신호를 얻을 수 있다.

2R 재생을 이용하는 또 다른 신호 재생기로서, 마흐-젠더 간섭계의 한 쪽 가지에는 일반적인 반도체 광증폭기를 연결하고, 다른 한 쪽 가지에는 다중 모드 간섭계 반도체 광증폭기(MMI-SOA)를 연결한 구조가 제시되었다(JD Merlier et al., "All-optical 2R regeneration based on integrated asymmetric Mach-Zehnder interferometer incorporating MMI-SOA", Electronics Letters, Vol. 38/5, pp. 238-239, 2002. 2).

반도체 광증폭기는 입사하는 광 신호의 입력 파워가 커지면 이득포화가 일어나면서 빠른 속도로 이득이 감소되며, 이에 상응하여 위상도 빠른 속도로 변하게 된다. 그러나 다중 모드 간섭계 반도체 광증폭기는 이득포화 입력파워가 일반적인 반도체 광증폭기보다 세기 때문에 상대적으로 위상이 변하는 속도가 늦다. 이러한 효과 즉, 위상이 변하는 속도의 차이를 마흐-젠더 간섭계에 적용하면 위상 차이가 빠른 속도로 변하여 계단 모양의 광전이 곡선을 만들 수 있게 된다. 그러나 상기와 같이 다중 모드 간섭계 반도체 광증폭기를 이용하는 경우에도 속도의 제한으로 인해 초고속 신호에 적용하기 어려운 단점이 있다.

본 발명의 목적은 제작이 용이하고 초고속 신호의 재생이 가능한 신호 재생기를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 신호 재생기는, 입력된 광신호를 분배하는 제 1 광분배기; 상기 제 1 광분배기의 출력단에 각각 연결되고, 이득포화가 일어나지 않는 영역에서는 이득 및 위상이 같고, 원하는 최대 입력파워에서 위상 차이가 π가 되도록 서로 다른 길이를 갖는 제 1 및 제 2 반도체 광증폭기; 상기 제 1 반도체 광증폭기의 출력단에 연결되어 위상을 π 만큼 변화시켜 주는 제 1 위상조절수단; 상기 제 1 위상조절수단 및 상기 제 2 반도체 광증폭기로부터 출력되는 광신호들을 결합하는 제 1 광결합기; 상기 제 1 광결합기의 출력단에 연결된 제 2 광분배기; 상기 제 2 광분배기의 출력단에 각각 연결되며, 서로 다른 길이를 갖는 제 1 및 제 2 도파로; 상기 제 1 도파로에 연결된 제 2 위상조절수단; 상기 제 2 위상조절수단 및 상기 제 2 도파로의 출력단에 각각 연결되며, 서로 다른 길이를 갖는 제 3 및 제 4 도파로; 및 상기 제 3 및 제 4 도파로로부터 출력되는 광신호들을 결합하여 출력하는 제 2 광결합기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 반도체 광증폭기는 상기 제 2 반도체 광증폭기보다 짧은 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 제 1 및 제 2 반도체 광증폭기가 이득포화가 일어나지 않는 영역에서 동일한 이득을 갖도록 상기 제 2 반도체 광증폭기에 상기 제 1 반도체 광증폭기보다 많은 전류를 주입하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 제 1 도파로는 상기 제 2 도파로보다 긴 길이를 가지며, 상기 제 3 도파로는 상기 제 4 도파로보다 긴 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서, 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신호 재생기를 설명하기 위한 구성도이다.

본 발명의 신호 재생기는 크게, 2R 재생을 위한 비대칭형 마흐-젠더 간섭계(21)와 지연간섭계(22)로 구성된다.

상기 비대칭형 마흐-젠더 간섭계(21)는 광신호가 입력되는 입력도파로(1), 상기 입력도파로(1)를 통해 입력된 광신호를 분배하는 광분배기(2), 상기 광분배기(2)의 출력단에 각각 연결되며, 서로 다른 길이를 갖는 반도체 광증폭기(3 및 4), 상기 반도체 광증폭기(3)의 출력단에 연결된 위상조절수단(5), 상기 위상조절수단(5) 및 상기 반도체 광증폭기(4)로부터 출력되는 광신호들을 결합하는 광결합기(6)로 이루어진다.

상기 반도체 광증폭기(3)는 상기 반도체 광증폭기(4)보다 짧은 길이를 갖으며, 이득포화가 일어나지 않는 영역에서는 이득 및 위상이 같고 원하는 최대 입력파워에서 위상 차이가 π가 되도록 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)의 길이를 조절한다. 또한, 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)는 낮은 입력 파워에서는 동일한 이득을 갖으며, 동일한 이득을 갖도록 하기 위해 상기 반도체 광증폭기(4)에 상기 반도체 광증폭기(3)보다 많은 전류를 공급한다.

상기 지연간섭계(22)는 상기 광결합기(6)의 출력단에 연결된 광분배기(7), 상기 광분배기(7)의 출력단에 각각 연결되며, 서로 다른 길이를 갖는 도파로(8 및 9), 상기 도파로(8)에 연결된 위상조절수단(10), 상기 위상조절수단(10) 및 상기 도파로(9)의 출력단에 각각 연결되며, 서로 다른 길이를 갖는 도파로(11 및 12), 상기 도파로(11 및 12)로부터 출력되는 광신호들을 결합하여 출력도파로(14)로 전달하는 광결합기(13)로 이루어진다.

상기 도파로(8)는 상기 도파로(9)보다 긴 길이를 갖으며, 상기 도파로(11)는 상기 도파로(12)보다 긴 길이를 갖는다.

그러면 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 신호 재생기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

상기 입력도파로(1)를 통해 입력된 광신호는 상기 광분배기(2)에 의해 분배되어 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)로 각각 제공된다. 상기 광신호는 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)에서 운반자(carrier)를 흡수하면서 증폭된다. 운반자의 감소는 반도체 광증폭기(3 및 4) 내의 굴절률의 증가를 가져오고, 굴절률의 변화는 광신호의 위상 변화를 가져온다. 이 때 길이가 서로 다른 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)의 전류를 조절하면 이득포화가 일어나지 않는 영역에서 두 반도체 광증폭기(3 및 4)를 통과한 광신호의 이득과 위상이 동일해지도록 할 수 있다. 또한, 이득포화가 일어나는 영역에서는 두 반도체 광증폭기(3 및 4)를 통과한 광신호의 이득은 다르지만, π 만큼의 위상 차이를 가지는 조건을 만들 수 있다. 즉, 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)의 길이와 주입전류의 두 변수를 조절하여 상기 두 가지 조건이 만족되도록 할 수 있다.

상기 두 가지 경우에 있어서, 상기 위상조절기(5)를 이용하여 상기 반도체 광증폭기(3)를 통과한 광신호의 위상을 π 만큼 변화시키면 이득포화가 일어나지 않는 영역에서는 상기 반도체 광증폭기(3 및 4)를 통과한 광신호의 이득이 같고, 위상이 π 만큼 차이가 나게 되어 소멸 간섭이 일어나고, 이득포화가 일어나는 영역에서는 위상이 같으므로 보강 간섭이 일어나는 조건을 만들 수 있다.

따라서 상기 비대칭형 마흐-젠더 간섭계(21)를 통과하여 상기 광결합기(6)에 의해 결합된 광신호는 도 3에 도시된 바와 같이 계단 모양의 광전이 곡선(실선)을 갖게 된다. 이와 같이 계단 모양의 광전이 곡선을 갖는 경우 세기가 작은 입사 광신호의 출력파워는 더욱 작아지고, 세기가 큰 입사 광신호는 평탄한 출력파워를 갖는다. 도 2는 일반적인 반도체 광증폭기의 이득 곡선으로서, 입력파워가 증가하면 이득이 감소함을 알 수 있다.

도 3의 점선은 입력파워의 함수로 일반적인 광증폭기의 출력파워를 dBm 단위로 나타낸 것으로, 이를 실선으로 도시된 광전이 곡선과 비교하면 본 발명에 따른 2R 재생의 특징을 알 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 특성 곡선은 기본적으로는 계단 모양이 되도록 만 들 수 있으나, 입력파워 혹은 출력파워의 절대적인 세기는 제작된 반도체 광증폭기의 특성에 따라 선형으로 이동될 수 있으므로 도시된 수치에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예에서는 2R 재생을 위해 서로 다른 길이를 갖는 두 개의 반도체 광증폭기(3 및 4)를 구비하는 비대칭형 마흐-젠더 간섭계를 예로 들었으나, 다른 형태로 구성하여 동일한 효과를 얻을 수 있으므로, 반드시 본 실시예에서 제시하는 비대칭형 마흐-젠더 간섭계에 제한되지 않고 여러 가지 형태로 실시될 수 있다.

도 3에 실선으로 표시된 광전이 곡선에서 주목하여야 할 점은 소멸 간섭이 일어나는 낮은 입력파워 영역과 보강 간섭이 일어나는 높은 입력파워 영역에서의 위상 차이가 π라는 점과, 소광비가 매우 향상된 신호를 얻을 수 있다는 점이다.

상기 비대칭형 마흐젠더 간섭계(21)를 통과한 신호가 상기 지연간섭계(22)로 입력될 때 상기 지연간섭계(22)의 가지의 길이 차이(길이가 긴 도파로(8 및 11)의 길이 합)-(길이가 짧은 도파로(9 및 12)의 길이 합)에 의한 시간 지연을 입사하는 제로 복귀형 신호의 1 비트(bit)의 반보다 작아지도록 조정하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 신호(31 및 32)의 레벨 "1" (on 상태)이 겹쳐지는 시간동안 두 신호(31 및 32)는 보강 간섭되고, 신호(31 및 32)의 레벨 "0" (off 상태)이 겹쳐지는 시간동안에는 두 신호(31 및 32)가 소멸 간섭되어 소광비가 향상된 신호를 얻을 수 있다.

상기 비대칭형 마흐-젠더 간섭계(21)를 거쳐 이미 2R 재생된 신호가 상기 지연간섭계(22)에서 간섭되므로 2R 재생기 역할을 하는 상기 비대칭형 마흐-젠더 간섭계(21)를 사용하지 않은 경우보다 큰 소광비를 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

광섬유를 통해 전송된 신호는 일반적으로 분산이나 혹은 비선형적인 현상에 의해 왜곡된다. 왜곡된 신호를 2R 재생하기 위하여 본 발명은 전기적인 신호변환 과정을 포함하지 않는 신호 재생기를 제공한다. 본 발명의 신호 재생기는 제작이 용이하고 초고속 신호의 재생이 가능하다. 특히, 장거리 통신에 사용되는 롱-홀(long-hole) 전송 시스템에 효과적으로 적용될 수 있다.