KR100803473B1 - 가변된 광주파수를 가지는 모드 사이 간섭현상을 이용한다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중모드 광섬유(mulitmode opical fiber, MMF)의 모드간 지연 특성(modal delay) 분석에 관한 것이다.

본 발명은 종래 방법의 문제점이던 측정 길이의 한계를 극복하고, 구성 장치도 기존 방법보다 간소화시키면서, 또한 기존 방법과 차별성을 가지면서 저가로 쉽고 간편한 측정이 가능한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 방법을 제안하고자 하는 것으로, 가변된 광주파수를 가지는 모드 사이 간섭현상을 이용하여 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간을 측정하는 방법을 제안하고자 한다.

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Description

가변된 광주파수를 가지는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 시스템{Differential mode delay measurement system for a multimode fiber by use of an intermodal interferometer and optical frequency chirping}

도 1은 본 발명 다중모드광섬유의 모드 간 지연 시간을 측정하기 위한 장치의 구성 도면.

도 2는 본 발명 파장가변레이저로부터 발생한 빛이 다중모드광섬유를 지나면서 모드 간 지연이 발생한 후의 각 모드의 시간에 따른 광주파수를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명 다중모드광섬유에서 발생한 세 모드간의 간섭에 대한 관계를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 있어서, 두 모드의 간섭에 의해 발생한 신호의 주파수와 모드 간 지연 시간과의 관계를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 있어서, 다중모드광섬유에서 발생한 모드 간 간섭 현상을 이용하여 얻은 모드 간 지연시간을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 있어서, 세 모드를 가지는 광섬유에서 발생한 모드 간 간섭 신호 파형도.

도 7은 본 발명에 있어서, 도 6에서 얻은 세 모드간의 간섭 신호로부터 구한 이 광섬유의 모드 간 지연시간을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 있어서, 많은 모드를 가진 상용 광섬유의 모드 간 간섭에 의해 발생한 모드 간 지연 시간을 나타낸 도면.

도 9는 도 8에서 사용한 다중모드광섬유에 대하여 단 펄스를 이용하여 기존 방법으로 측정한 모드 간 지연시간을 나타낸 도면.

본 발명은 다중모드 광섬유(mulitmode opical fiber, MMF)의 모드간 지연 특성(modal delay) 분석에 관한 것으로, 특히 광섬유 모드간 지연 특성을 분석함에 있어, 광섬유 측정 길이의 제한없으며, 장치의 구현이 단순하고 경제성이 있는 가변된 광주파수를 가지는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 방법에 관한 것이다.

근래에 850 nm VCSEL을 이용한 Gigabit Ethernet에 대한 관심이 모아지고 있다.

이러한 Gigabit Ethernet을 가능하게 하기 위해 다중모드광섬유(mulitmode optical fiber, MMF) 연구 또한 활발하게 진행중이다.

다중모드광섬유(MMF)의 연구에 있어 중요한 특성 평가 항목 중에 하나인 모드간의 지연 특성(modal delay)에 대한 분석이다.

다중모드광섬유의 성능 평가를 위해서는 반드시 모드간의 지연특성에 대한 분석이 필요하여 최근 이것에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 측정 방법도 다양하게 연구되었다.

또한 비정질 유리로 이루어진 광섬유 이외에 플라스틱을 이용한 광섬유가 개발되면서 850 nm 파장대역 이외의 다중모드광섬유에 대한 특성 평가도 요구되고 있다.

종래의 다중모드광섬유의 모드간 지연특성 분석 방법은 단펄스(short pulse)를 이용하여 다중모드광섬유를 지나는 동안 분리된 펄스들 간의 시간지연(time delay)을 샘플링 오실로스코프(sampling oscilloscope)를 사용하여 시간 영역(time domain)에서 측정하는 방식이다.

이러한 시간 영역 측정 방식을 사용하는 경우, 단펄스 레이저(short pulse laser)와, 하이 스피드 오실로스코프(high speed oscilloscope)가 필수 구성 장치인 바, 이와 같은 단펄스 레이저 및 하이 스피드 오실로스코프의 경우 고가이기 때문에 광섬유 검사 비용을 증가시키고 따라서 광섬유의 가격을 높이는 원인이 된다.

또한 광섬유 평가시 생산라인마다 고가 장비를 구비하는 것이 어려워서 평가 시간이 오래 걸리게 되고 이로서 대량생산 및 판매에 차질을 가져올 수 있다.

또한 상기에서와 같은 시간 영역 측정 방식은 모드간 지연시간을 측정할 수 있는 광섬유의 최소 길이가 500m 이상 길어야 모드가 분리되는 것을 확인할 수 있어 짧은 길이에 대한 분석이 힘들다. 이는 종래 상용화된 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간은 0.2ps/m 이내를 합격선으로 요구하므로, 통상적으로 사용하는 100ps의 펄스 폭을 가지는 레이저를 이용하여 모드간 지연시간을 측정할 수 있는 최소 길이는 100ps/(0.2ps/m)=500m로 계산되어, 일반적인 모드간 지연시간(DMD) 측정장치는 500m 이상의 광섬유 샘플에서 측정 가능하기 때문이다.

* 단, 일반적인 100ps의 펄스폭을 가지는 레이저 사용,

* 다중모드광섬유의모드간 지연시간(DMD)이 0.2ps/m이내의 값

따라서 1km 이내의 다중모드광섬유의 모드간의 지연 특성을 파악하기 위해서 짧은 길이에도 측정이 가능한 측정 방법이 필요하게 된다.

또한 종래의 기술 중에 OFDR(optical frequency domain reflectometer)를 이용한 모드간 지연특성 측정에서 간섭계를 이용하기 때문에 다소 복잡한 장치 구성을 가진다.

본 발명은 종래 방법의 문제점이던 측정 길이의 한계를 극복하고, 구성 장치도 기존 방법보다 간소화시키면서, 또한 기존 방법과 차별성을 가지면서 저가로 쉽고 간편한 측정이 가능한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 방법을 제안하고자 하는 것으로, 가변된 광주파수를 가지는 모드 사이 간섭현상을 이용하여 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간을 측정하는 방법을 제안하고자 한 것이다.

일반적인 광주파수 영역 반사광 분석 (optical frequency domain reflectometer, OFDR) 시스템은 마이켈슨 간섭계와 파장 가변 레이저로 구성된다.

한쪽 팔의 샘플 광섬유에서 반사된 빛과 다른 쪽 팔에서 반사된 빛이 서로 간섭을 일으키며, 이렇게 얻어진 간섭신호의 주파수를 분석하여 샘플 광섬유의 절단 위치 또는 여러 가지 물리적 특성을 분석하는데 이 시스템이 사용된다.

본 발명은 여러 절단면을 가진 단일모드광섬유 대신에 절단면은 하나지만 여러 모드를 가지는 다중모드광섬유의 특성 평가 방법으로써, 특히 광섬유에서 발생 한 각 모드의 진행 속도가 달라서 광섬유 끝단에 도달하는 시간에 차이가 발생하는데, 이것 때문에 다중모드광섬유를 사용하는 단거리 광통신에서는 대역폭을 줄이게 된다.

따라서 많은 광섬유 제조업체들에서 다중모드광섬유에서 발생한 모드 간 지연 시간(differential mode delay, DMD or modal dispersion)을 측정하고자 하며 실제 광섬유 제품에 기본 정보로 제공되어진다.

본 발명은 이러한 DMD 측정하는 방법으로 OFDR 기술을 이용하되 기존에 사용하던 간섭계가 없이 측정이 가능한 방법이다.

본 발명은,

특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저와, 다중모드광섬유 전단에 설치되어 파장가변 레이저로부터 발진된 레이저 빛을 다중모드광섬유에 전달하여 발생 가능한 모든 모드를 만들어주기 위한 모드 분해기와, 다중모드광섬유를 통과한 빛을 평행광으로 변환하여 검출하는 광검출기와, 광검출기를 통해 생성되는 간섭신호를 이용하여 각 모드간의 지연시간을 산출하는 지연시간 산출수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 그 구성 및 그 작용을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 다중모드광섬유의 모드 간 지연시간 측정을 위한 구성 장치를 나타낸다.

특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저(10)와, 다중모드광섬유(MMF)(30) 전단에 설치되어 파장가변 레이저로부터 발진된 레이저 빛을 다중모드광섬유에 전달하여 발생 가능한 모든 모드를 만들어주기 위한 모드 분해기(20)와, 다중모드광섬유(30)를 통과한 빛을 평행광으로 변환하여 검출하는 광검출기(40)를 구성하며,

상기한 광검출기(40)를 통해 생성되는 간섭신호를 이용하여 각 모드간의 지연시간을 산출하는 지연시간 산출수단을 포함하여 구성된다.

광검출기(40)는 다중모드광섬유(30)를 통과한 빛을 평행광으로 변환시키는 콜리메이터(Collimator)(41)와, 콜리메이터(41)를 통해 변환된 평행광을 검출하기 위한 광검출부(42)를 포함한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명은,

파장 가변 레이저(10)로부터 선형으로 파장이 가변되는 레이저 빛을 발진한다.

도 1의 파장가변레이저(10) 위에 점선 안에 표시된 파형은 발진된 빛의 시간에 따른 광주파수를 나타낸다.

파장가변레이저(10)는 특정 주파수 영역 안에서 반복적으로 가변되면서 레이저를 발진시킨다.

이와 같이 발진된 레이저 빛은 샘플 광섬유인 다중모드광섬유(MMF)(30)로 넣어준다.

다중모드광섬유(30) 전단에 발생 가능한 모든 모드를 만들어주기 위해 모드 분해기(mode scrambler)(20)를 장착한다. 이 모드 분해기(20)는 많이 연구되어 있으며, 최근에는 제품화 되어 사용된다.

파장 가변된 빛이 모드 분해기를 지나면서 많은 모드로 나눠지고 이렇게 나눠진 모드는 다중모드광섬유(30)를 지나면서 서로 지연이 발생한다.

도 2는 파장가변레이저로부터 발생한 빛이 다중모드광섬유를 지나면서 모드 간 지연이 발생한 후의 각 모드의 시간에 따른 광주파수를 나타낸 것이다.

Mode 2는 Mode 1보다 τ1 그리고 Mode 3은 Mode 1보다 τ2 만큼 늦게 도달하게 된다.

광검출기(40)에 동일 시간에 광주파수가 서로 다른 빛이 도달하면 서로 간섭을 일으켜서 간섭 신호를 생성하는데, 이 신호의 주파수는 서로 간섭한 두 빛의 광주파수 차이이다.

따라서 도 2에서 Mode 1과 Mode2 사이 간섭 ①, Mode 2와 Mode 3 사이 간섭 ②, 그리고 마지막으로 Mode 1과 Mode 3 사이 간섭 ③이 나타난다.

도 3은 실제 모드의 형태를 가지고 간섭을 일으키는 관계도를 나타낸 것이다.

빛이 나눠지지 않고 온전한 모양의 Mode 1과 두개로 나눠진 Mode 2 그리고 4개로 나눠진 Mode 3이 광섬유를 지난 후에 서로 간섭을 발생시킨다.

도 4는 두 모드의 간섭에 의해 발생한 신호의 주파수와 모드 간 지연 시간과 의 관계도이다.

일반적으로 서로 다른 주파수를 가진 빛이 만나면 간섭을 일으키는데, 이렇게 발생한 간섭 신호를 간단히 수학식으로 표시하면 다음과 같다.

여기서,

fi와 fj는 각각

만큼 시간 지연을 가진 두 모드의 광주파수.

φ는 임의의 위상 상수.

도 4에서 보면 두 모드가 간섭을 일으켜서 생성된 신호의 주파수가 Δfij이 되며,

는 레이저에서 생성한 광주파수의 변화율로서 도 4에서 있는 삼각형의 기울기를 나타낸다.

이 값은 레이저의 특성이기 때문에 측정 전에 알고 있는 값으로서 이 값과 측정된 신호의 주파수로부터 우리가 원하는 두 모드 간의 시간 간격

을 측정할 수 있다.

이 값들 간의 관계는 다음 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

도 5는 다중모드광섬유에서 발생한 모드간 간섭 현상을 이용하여 얻은 모드 간 지연 시간을 나타낸다.

도 2에서 세 모드간에 가능한 세 간섭 ①, ②, ③으로부터 발생한 간섭 신호를 퓨리에 변화(Fourier transform)을 하여 각 간섭에 대한 주파수를 얻고, 수학식 2를 이용하여 각 모드간의 지연 시간을 구해낸다.

도 5에서 보면 제일 먼저 발생한 간섭 ①의 지연 시간은

이며 도표상의 위치는 2이다.

제일 마지막에 위치한 간섭 ③의 지연 시간은

이며 도표상의 위치는 10이다.

간섭 ②는 두 지연 시간의 차이인

로 나타나고 도표상의 위치는 8이 된다.

따라서 다중모드광섬유(30) 안에서 발생한 모드간의 서로 간섭에 의해서 생성된 신호를 분석하여 도 5와 같은 그래프를 얻는다.

그리고 여기서 제일 마지막에 발생한 지연 시간이 우리가 구하고자 하는 다중모드광섬유(30)의 모드 간 지연 시간(differential mode delay)이다.

즉, 도 5에서는 ③에 해당하는

가 이 광섬유의 DMD 값이 된다.

도 6은 실제 예로서 세 모드를 가지는 광섬유에서 발생한 모드 간 간섭 신호를 얻은 것이다.

도 1과 같이 장치를 구성하고, 1550 nm 대역의 파장가변레이저(10)로 특정 광주파수 영역을 가변하면서 발생한 빛을 다중모드광섬유(30)에 넣어준다.

여기서, 본 발명에서는 1550 nm 파장에서 측정을 하지만, 실제로 다중모드 광섬유인 경우 1310 nm이나 850 nm 레이저를 사용하고, 폴리머 다중모드 광섬유인 경우 650 nm의 레이저를 사용하기 때문에 본 발명의 파장가변레이저(10)는 모든 파장으로의 확장이 가능하다.

여기서 분석을 쉽게 하기 위해서 도 3에서와 같은 세 가지의 서로 다른 빛의 형태를 가진 모드를 가지는 광섬유(30)를 제작하여서 사용하였다.

이 세 모드가 약 50 m의 광섬유(30)를 지난 후 서로 간섭을 일으켜서 도 6에서와 같은 간섭 신호를 발생시킨다.

이렇게 발생한 간섭 신호를 퓨리에 변환을 이용하여 신호의 주파수 성분을 구하고, 이것을 수학식 2를 이용하여 지연 시간을 구해낸다.

도 7은 이 세 모드를 가진 광섬유로부터 얻은 모드 간 지연 시간을 나타낸 것이며,

도 6에서 보인 그래프의 실제 예이다.

도 7의 간섭 ①은 도 3의 Mode 1과 Mode 2의 사이 간섭이고, 간섭 ②는 Mode 2와 Mode 3의 사이 간섭이며, 마지막으로 간섭 ③은 Mode 3과 Mode 1 사이의 간섭 을 나타낸다.

그리고 간섭 ①, ②, ③의 지연 시간은 각각 5.19, 6.02, 10.38 ps/m 이다.

일반적으로 다중모드광섬유(30)의 모드간 지연시간(DMD)를 표현할 때는 지연 시간을 측정된 광섬유의 길이로 나누어 표현하며, 단위는 ps/m이다.

여기서 제일 빠른 모드와 제일 느린 모드 사이의 도달 시간 차이, 즉 DMD는 10.38 ps/m 가 되는 것이다.

도 8은 일반적으로 850 nm의 단거리 광통신에 사용되는 상용 다중모드광섬유를 사용하여 위와 동일한 방법으로 DMD를 측정한 것이다.

따라서 도 7과 달리 모드 간 간섭들이 많이 일어나는 것을 알 수 있다.

도 8에서 점선은 광섬유(30) 전단에서 모드 분해기(20)를 두지 않고 측정한 것이고 실선은 모드 분해기(20)를 두고 광섬유(30)에서 발생 가능한 모든 모드를 생성 시켜서 측정한 것이다.

모드 분해기(20)를 통과하지 않을 때는 모드간 간섭이 적게 발생하고, 모드 분해기(20)를 통과시키면 모드가 많이 발생하여 도 8에서 보는 바와 같이, 간섭이 많이 발생한다.

여기서 제일 마지막에 발생한 간섭의 위치가 1.36 ps/m이고, 이것이 이 광섬유의 DMD 값이다.

도 9는 일반적으로 DMD 측정에 이용되는 단 펄스 레이저(short pulse laser)와 고속의 오실로스코프(oscilloscope)를 가지고 측정한 도 8에서 사용한 450 m 광섬유 의 DMD 결과이다.

제일 빠른 모드는 0.72 ps/m이고 제일 느린 모드는 2.10 ps/m로서 두 값의 차이는 약 1.38 ps/m가 된다.

이 값은 본 발명에서 제시한 장치를 이용하여 구한 1.36 ps/m와 거의 동일한 값임을 알 수 있다.

본 발명 장치로 측정한 도 8과 기존 방법으로 측정한 도 9를 비교하면 측정한 광섬유 길이가 각각 50 m와 450 m이다. 도 8, 9에서 보는 바와 같이 본 발명은 길이가 짧아서 충분히 측정이 가능하고, 길이가 길어져도 서로 지연 시간이 늘어나기 때문에 역시 측정을 쉽게 할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명 파장가변레이저와 다중모드광섬유 안에서 발생하는 자체적인 모드 간섭을 이용하여 이 광섬유의 모드 간 지연 시간(differential mode delay)를 측정하는 방법은 기존 방법의 구성의 복잡성과 경제성에서 획기적인 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

파장가변레이저를 이용하는 OFDR(optical frequency domain reflectometer)의 특성상 분해능을 높이기 용이하고, 측정하는 빛의 세기가 작아도 측정이 가능하기 때문에 기존 방법의 측정 길이 한계를 극복하는 방법으로 효과적이다.

Claims (5)

1. 특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저와, 다중모드광섬유 전단에 설치되어 파장가변 레이저로부터 발진된 레이저 빛을 다중모드광섬유에 전달하여 발생 가능한 모든 모드를 만들어주기 위한 모드 분해기와, 다중모드광섬유를 통과한 빛을 평행광으로 변환하여 검출하는 광검출기와, 광검출기를 통해 생성되는 간섭신호를 이용하여 모드간의 지연시간을 산출하고 모드간 지연시간으로부터 다중모드 광섬유의 지연시간(DMD)값을 구하는 지연시간 산출수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   지연시간 산출수단은

   발생한 간섭신호를 퓨리에 변환시켜 주파수로 변환하는 과정과, 변환된 주파수대 파장가변 레이저의 광주파수 변환율 비에 따라 모드간 지연시간을 산출하는 과정을 통해 모드간의 지연시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 시스템.
3. 특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 모드 분해기를 통해 다중모드 광섬유에 전달하는 과정과,

   다중모드 광섬유를 통과한 빛이 광검출기를 통해 검출되면서 발생되는 간섭신호에 대하여 퓨리에 변환시켜 주파수성분으로 변환시키는 과정과,

   변환된 각 모드간 간섭신호 주파수와 미리 설정된 레이저의 광주파수 변환율을 이용하여 모드간 지연시간을 산출하는 과정과,

   산출된 모드간 지연시간으로부터 다중모드 광섬유의 지연시간(DMD)값을 구하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   모드간 지연시간을 산출하는 과정에 있어서,

   변환된 주파수대 파장가변 레이저의 광주파수 변환율 비에 따라 모드간 지연시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 방법.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,

   산출된 모드간 지연시간으로부터 다중모드 광섬유의 지연시간(DMD)값을 구하는 과정에 있어서,

   다중모드 광섬유의 지연시간(DMD)값은 제일 빠른 모드와 제일 느린모드의 도달시간 차이(모드간 지연시간)로 구하는 것을 특징으로 하는 모드 사이 간섭현상을 이용한 다중모드 광섬유의 모드간 지연시간 측정 방법.

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