KR100282775B1

KR100282775B1 - 광섬유 편광스크램블러 및 그 구동 파라미터 입력방법

Info

Publication number: KR100282775B1
Application number: KR1019980005470A
Authority: KR
Inventors: 이봉완; 고연완; 여영배; 김병윤
Original assignee: 서원석; 도남시스템주식회사
Priority date: 1998-02-21
Filing date: 1998-02-21
Publication date: 2001-03-02
Anticipated expiration: 2018-02-21
Also published as: CN1170185C; WO1999042891A1; CN1252872A; JP2001522481A; JP3784422B2; US6266456B1; CA2287377C; CA2287377A1; EP0990192A1; KR19990070552A

Abstract

적어도 2개 이상의 광섬유 복굴절 변조기들을 이용하여 효율적으로 출력광의 편광도를 낮추어 주는 광섬유 편광스크램블러 및 그 구동파라미터 입력방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명에서는 광섬유 편광스크램블러를 구성하는 복굴절변조기 사이의 각도가 원형복굴절의 영향을 보상할 수 있도록 설정되며, 이러한 광섬유 편광스크램블러를 구동함에 있어서, 복굴절 변조주파수 및 복굴절 변조진폭을 정확히 설정하는 방법을 제시함으로써 효율적인 편광스크램블링 효과를 얻을 수 있다.

Description

광섬유 편광스크램블러 및 그 구동 파라미터 입력방법

본 발명은 편광스크램블러에 관한 것으로, 특히 적어도 2개 이상의 광섬유 복굴절 변조기들을 이용하여 효율적으로 출력광의 편광도를 낮추어 주는 광섬유 편광스크램블러에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 광섬유 편광스크램블러를 효율적으로 구동시키기 위해 파라미터인 변조주파수 및 변조진폭 등을 실험에 의해 미리 설정한 값으로 입력시키는, 구동 파라미터 입력방법에 관한 것이기도 하다.

편광스크램블러는 일정한 입력광의 편광상태를 변조시켜서 출력광의 편광상태가 모든 가능한 경우를 경험하게 함으로써, 출력광을 일정시간 동안 관찰할 때 상기 출력광이 마치 편광이 되어 있지않는 것처럼 변환시켜주는 장치이다.

빛의 편광이 얼마나 잘 이루어져 있는지를 나타내는 지수를 편광도라고 한다. 완전히 편광되어 있는 빛의 편광도는 100%이고 전혀 편광되어 있지 않은 빛의 편광도는 0%이다. 편광스크램블러는 이러한 편광도를 낮추어 주는 역할을 한다. 이상적인 편광스크램블러는 100%의 편광도를 갖는 입력광을 변환시켜서 출력광의 편광도가 0%가 되도록 하는 것이다. 편광상태에 따라 광출력이 변하는 소자나 광 시스템에서 이러한 편광스크램블러를 이용하면 안정된 광출력을 얻을 수 있기 때문에, 광섬유소자의 측정시스템, 광섬유 센서 그리고 장거리 광통신에서 편광스크램블러를 이용하여 잡음 대 신호비를 향상시킬 수 있다.

일정하게 편광되어 있는 입력광은 복굴절 매질, 특히 광섬유를 따라 진행할 경우 복굴절의 크기와 복굴절축의 각도에 의해 출력광의 편광상태가 결정된다. 그러나 수 미터 이상의 긴 광섬유를 전파한 빛은 광섬유에 가해진 복굴절의 유동 때문에 출력광의 편광상태가 일정하지 않으며 그 예측이나 조정도 어렵다. 그러나, 복굴절의 크기나 복굴절축의 각도를 변화 또는 변조시킴으로 해서 출력광의 편광상태를 변화 또는 변조시킬 수도 있다. 따라서, 인위적으로 편광상태를 일정하게 변조시켜서 출력광의 편광도를 0에 가깝게 만들어 줌으로써 출력광의 요동을 방지할 수 있다. 만일 입력광의 편광방향이 복굴절 변조기의 복굴절축 방향과 일치하는 경우는 복굴절의 크기만으로 출력광의 편광상태의 변화를 유도할 수 없게 된다. 그러므로, 복굴절의 진폭 변조를 이용하여 입력편광의 상태에 무관하게 출력광의 편광변조를 유도하기 위해서는, 적어도 편광변조기 2개를 서로의 복굴절축이 45도를 이루도록 하여야 가장 큰 편광변조 효과를 기대할 수 있다.

종래에는 직접광학회로, 예컨대 리튬 니오베이트(LiNbO₃) 광도파로에 복굴절변조를 유도하여 편광스크램블러를 구현하였지만, 이와 같은 편광 스크럼블러에는 효율이 낮고 2개 이상의 복굴절변조기를 연결하기가 어려울뿐만 아니라 연결시 광손실이 큰 단점이 있었다.

광섬유를 사용한 편광스크램블러에 관한 기술은 미국 특허 제 4,923,290호에 그 기본개념이 개시되어 있다. 그러나, 이를 실시하는 장치를 구현함에 있어서, 광섬유에 직접 압력을 가해주는 방법으로 스크램블러를 구현하기 때문에 복굴절을 유도할 수 있는 장치의 효율이 매우 낮으며 또한 스크램블링하는 주파수도 수백 ㎐ 이하로 너무 낮을 뿐만 아니라 복굴절축이 변하기 쉬워서 좋은 성능의 편광스크램블러를 구현하기가 어려웠다. 또한, 광섬유의 비틀림에 의해 유발되는 원형복굴절에 대한 영향을 방지하려는 어떠한 고려도 이루어지지 않았다.

한편, 대한민국 특허출원 제94-36432호에는 중공 원통체 압전소자를 이용한 광섬유 복굴절변조기에 의해 입력광의 편광의 상태에 무관하게 출력광의 편광변조를 행하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 여기서도, 인접한 광섬유 복굴절변조기들 사이의 비틀림 각도를 45°로 규정하고 있어서, 광섬유의 비틀림에 의해 유발되는 원형복굴절의 영향을 보상하기 위한 수단이 전혀 고려되어 있지 않음을 알 수 있다. 또한, 광섬유 편광스크램블러를 구동함에 있어서 반드시 필요한 구동 파라미터의 조절, 예컨대 상기 광섬유 복굴절변조기에 대한 변조주파수 및 변조진폭을 어떻게 입력시켜야 하는지에 대한 구체적인 설명이 없었기 때문에 효율적으로 광섬유 편광스크램블러를 구동하기 어렵다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 입력광의 편광의 상태에 무관하게 출력광의 편광변조가 효율적으로 이루어질 수 있도록 하는 광섬유 편광스크램블러 및 그 구동 파라미터 입력방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 수백 ㎑에서 수 ㎒대의 변조주파수를 갖는 향상된 광섬유 복굴절변조기를 이용하여 손실이 작고 입력편광에 무관하게 안정된 성능을 갖는 광섬유 편광스크램블러 및 그 구동 파라미터 입력방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 인접한 복굴절 변조기 사이에 있는 광섬유의 비틀림에 의해 유발되는 원형복굴절의 영향을 상쇄시킬 수 있는 구조를 가지는 광섬유 편광스크램블러를 제공하는 동시에, 이를 가장 효율적으로 구동하기 위한 구동 파라미터의 입력방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 편광스크램블러의 구성에 핵심적인 소자인 광섬유 복굴절변조기의 기본구성도,

도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 중공 원통체형 압전소자의 주파수에 대한 임피던스 측정결과를 나타낸 그래프,

도 3은 1단형 편광스크램블러의 특성을 조사하기 위한 장치의 구성도,

도 4는 1단형 편광스크램블러의 구동주파수에 따른 인가전압의 온도의존성을 측정한 그래프,

도 5는 1단형 편광스크램블러의 온도에 따른 편광도 변화를 나타낸 그래프,

도 6은 다른 크기의 중공 원통체형 압전소자의 두께모드에 대해 공명주파수 근처에서 측정한 임피던스를 나타낸 그래프,

도 7은 공명주파수와 반공명주파수사이의 몇가지 주파수에 대하여 편광스크램블러로 동작시키기 위해 필요한 전압을 온도에 대하여 측정한 결과그래프,

도 8은 두 개의 복굴절변조기로 이루어진 2단형 편광스크램블러의 기본 구성도,

도 9는 입사편광에 무관하게 편광스크램블러로 동작하기 위해서 필요로 하는 복굴절변조기들 사이의 각도를 측정한 그래프이다.

상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 편광스크램블러는, 적어도 두 개 이상의 중공 원통체 형상의 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과; 상기 광섬유 복굴절 변조기마다 교류전압을 인가함으로써 복굴절 변조를 유도하는 교류전압원들을 구비한 광섬유 편광스크램블러에 있어서, 상기 압전소자들의 외벽둘레에 권선된 광섬유 부분은 그 부분에서의 원형복굴절의 유도를 방지하도록 상기 광섬유 축방향에 대한 비틀림이 없이 권선되며, 입력광의 편광면이 인접 복굴절변조기 중 앞의 것의 주축방향과 나란한 경우, 상기 편광면이 뒤의 복굴절변조기의 주축방향에 대해 45±90n도(n은 정수)로 입력되기 위해서, 인접한 복굴절 변조기끼리의 비틀림에 의해 유도되는 원형복굴절의 영향에 대한 보상수단이 마련된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 각각의 압전소자의 두께모드 공명주파수가 서로 다르게 되도록 상기 중공 원통체 형상의 압전소자들 각각의 내벽과 외벽 사이의 두께들이 서로 다르도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 원형복굴절의 영향에 대한 보상수단은 인접한 상기 복굴절 변조기들의 복굴절축들 사이의 각도의 8%에 해당하는 각도로 인접한 상기 복굴절 변조기에 비틀림을 더 주는 것으로서, 인접한 상기 복굴절 변조기 사이의 비틀림은 1.08×(45±90n)의 각도(n은 정수)를 이루는 것이 바람직하다.

상기 광섬유에는 선형 고유복굴절의 양이 5×10^-6이하인 단일모드 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 압전소자에 권선할 때의 광섬유 장력 및 상기 압전소자의 외벽곡률반경에 의한 광섬유의 구부러짐에 의해 유도되는 선형 복굴절의 양이 상기 광섬유의 고유복굴절의 크기보다 30배 이상을 유지하도록 하며, 상기 권선된 광섬유는 원형복굴절의 영향을 제거하도록 열처리하는 것이 더욱 바람직하다.

그리고, 상기 압전소자의 외벽둘레에 상기 광섬유 축방향에 대한 비틀림이 없이 권선되도록 하기 위해, 상기 광섬유는 단면 D형이며, 상기 광섬유의 편평한 면을 상기 압전소자의 외벽둘레에 맞대게 하여 권선할 수도 있다.

한편, 본 발명의 광섬유 편광스크램블러는, 상기 복굴절변조기의 온도를 측정하는 온도측정수단과; 상기 온도측정수단에 의해 감지된 온도에 해당하는 변조진폭을 결정하는 수단을 더 구비할 수 있으며, 상기 복굴절 변조기들의 온도를 일정하게 유지하는 항온유지수단을 더 구비할 수도 있다.

본 발명의 광섬유 편광스크램블러의 다른 구성은, 적어도 두 개 이상의 중공 원통체 형상의 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과; 상기 광섬유 복굴절 변조기마다 교류전압을 인가함으로써 복굴절 변조를 유도하는 교류전압원들을 구비한 광섬유 편광스크램블러에 있어서, 상기 복굴절 변조기의 인접한 것들 사이에 편광조절기를 삽입한 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 있어서도, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 각각의 압전소자의 두께모드 공명주파수가 서로 다르게 되도록 상기 중공 원통체 형상의 압전소자들 각각의 내벽과 외벽 사이의 두께들이 서로 다르게 할 수 있다.

상기 편광조절기로는 전광섬유 인라인 편광조절기를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 구성에 있어서도, 상기 복굴절변조기의 온도를 측정하는 온도측정수단과; 상기 온도측정수단에 의해 감지된 온도에 해당하는 변조진폭을 결정하는 수단을 더 구비할 수 있으며, 상기 복굴절 변조기들의 온도를 일정하게 유지하는 항온유지수단을 더 구비할 수도 있다.

본 발명의 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법은, 적어도 두 개 이상의 중공 원통체 형상의 압전소자들과, 단절없이 또한 원형복굴절의 유도를 방지하도록 상기 광섬유 축방향에 대한 비틀림이 없이 상기 압전소자들의 외벽 둘레에 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과; 상기 광섬유 복굴절 변조기마다 교류전압을 인가함으로써 복굴절 변조를 유도하는 교류전압원들을 구비한 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법에 있어서, 상기 각각의 복굴절변조기에 인가되는 교류전압은 서로 다른 주파수의 정현파전압이 되도록하며, 상기 교류전압의 진폭은, 광원에서 나온 빛이 입력 편광조절기, 상기 광섬유 편광스크램블러, 출력 편광조절기 및 편광에 따른 손실이 큰 광학소자를 차례로 거친 후 광검출기에서 검지된 출력 광신호로부터 측정되는 편광도가 최소가 되는 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 복굴절변조기의 복굴절변조량을 효과적으로 발생시키기 위해, 상기 편광도가 5% 이내의 값을 나타내도록 하는, 상기 압전소자의 두께모드 공명주파수 부근의 값을 복굴절 변조주파수로 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 각각의 복굴절 변조진폭을 제1차 베셀함수의 해가 되는 값으로부터 선택된 어느 하나로 구동하도록 할 수 있다.

또한, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 중의 어느 하나의 복굴절 변조진폭을 제1차 베셀함수의 해가 되는 값으로부터 선택된 어느 하나보다 10% 이내로 작게 구동하고, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 중의 다른 하나의 복굴절 변조진폭을 제1차 베셀함수의 해가 되는 값으로부터 선택된 어느 하나보다 10% 이내로 크게 구동하도록 함으로써 입력광의 파장에 따른 편광도의 의존성을 크게 줄일 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 편광스크램블러의 구성에 핵심적인 소자인 광섬유 복굴절변조기를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, PZT(Piezoelectric transducer) 등의 중공 원통체 형상의 압전소자(10)의 외벽 둘레에 단일모드 광섬유(30)가, 원형복굴절의 유도를 방지하도록, 광섬유(30)의 축방향에 대한 비틀림이 없이 권선되어 있다. 이러한 비틀림을 방지하기 위해 광섬유(30)의 단면형상이 D형인 것을 사용하고, 그 편평한 면을 압전소자(10)의 외벽 둘레에 맞대게 하여 권선해도 좋다. 한편, 교류전압원(40)으로부터 압전소자(30)에 특정한 진폭의 전압신호가 정현파형으로 인가되면, 광섬유(30)를 진행하는 광에 대해 위상변조 뿐만 아니라 복굴절변조까지 유도된다. 이 때, 원통의 축에 평행한 방향(21)과 이에 수직, 즉 원통면에 수직인 방향(22)이 복굴절축이 되며, 복굴절변조의 크기는 수학식 1과 같이 표현된다.

φ_m= V_mα sin(ω_mt)

수학식 1에서,

V_m

과

ω_m

은 각각 압전소자에 인가해 주는 전압신호의 진폭과 각주파수(angular frequency)에 해당하고,

α

는 광섬유에 대한 압전소자의 복굴절변조계수를 의미한다. 이 계수는 압전소자의 크기와 광섬유의 종류뿐만 아니라 특히 인가 전압신호의 주파수에도 크게 의존한다.

이러한 복굴절 유도는 상기 인가한 전압신호의 주파수의 제곱에 비례한다고 알려져 있다. 그러나, 임의의 주파수에서는 충분한 크기의 복굴절변조가 어렵기 때문에, 본 발명의 방법에서는 원통형 압전소자의 벽두께에 해당하는 공명주파수 근처에서 복굴절변조를 실시함으로써 상기 복굴절변조기의 인가전압에 대한 효율을 향상시킬 수 있었다. 상기 공명주파수는 대개 압전소자의 물질계에 따라 다르나 대체로 다음 수학식 2와 같이 표현된다.

f·T = 200 [㎑·㎝]

따라서, 벽두께가 1mm∼5mm 정도인 중공 원통체 형상의 압전소자를 이용하면 400㎑∼2㎒ 사이의 공명주파수를 복굴절변조 주파수로 활용할 수 있다.

한편, 도 1의 구성을 갖는 복굴절변조기가 편광스크램블러로 작동하기 위해서는 입력편광이 직선편광이어야 하며, 편광면은 복굴절축(21 및 22)에 대해서 45도의 각도로 맞춰 주어야 한다. 수학식 1과 같이 변조되고 있는 복굴절변조기의 복굴절축에 45도 기울어진 방향의 선형편광을 갖는 입력광에 대해서 변조주기보다 충분히 긴 시간동안 평균한 출력광의 편광도가 0이 되기 위해서는 다음 수학식 3을 만족해야 한다.

J₀(V_mα) = 0

여기서

J₀

는 제1차 베셀함수를 의미한다. 따라서, 복굴절 변조진폭

V_mα

가 제1차 베셀함수의 해가 되어야 하며 이러한 해에는 2.405, 4.55, ... 등이 있다. 복굴절 변조계수가 큰 주파수를 전압신호의 주파수로 설정하고 변조진폭은

V_mα

가 2.405 또는 4.55 등이 되도록 조정해 주면 된다.

한편, 일반적인 통신용 단일모드 광섬유를 상기 압전소자에 감을 때 되도록 선형성의 복굴절이 상기 광섬유에 유도되도록 하여야 하는데 이를 위해서 본 실시예는 광섬유 자체의 복굴절이 가능한 작은 광섬유를 이용하기 위해, 단일모드 광섬유로서, 스판광섬유(spun optical fiber)를 사용하였다. 그리고 선형성의 복굴절축이 잘 조정되도록 인장감기를 실시한 후 약 100℃에서 열처리를 하였다.

상기 인장감기는, 압전소자에 권선할 때의 광섬유 장력 및 상기 압전소자의 외벽곡률반경에 의한 광섬유의 구부러짐에 의해 유도되는 선형 복굴절의 양이 상기 광섬유의 고유복굴절의 크기보다 30배 이상을 유지하도록 하는 조건에서 행해졌다.

도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 중공 원통체형 압전소자(직경:1.8", 두께:0.1", 길이 0.9")의 주파수에 대한 임피던스 측정결과를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 약 770㎑의 공명주파수(45) 부근에서 임피던스가 가장 낮고, 약 875㎑의 반공명주파수(46) 부근에서 임피던스가 가장 높다는 것을 알 수 있다.

이러한 주파수에 대한 임피던스 특성을 압전소자에 광섬유를 약 40회 인장감기를 한 복굴절변조기 한 개로 이루어진 1단형 편광스크램블러의 특성을 조사하였다.

도 3은 이와 같은 1단형 편광스크램블러의 특성을 조사하기 위한 장치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 광원(51)은 1.55㎛ 파장의 편광된 광출력을 갖는 레이저 다이오드이다. 입력편광조절기(52)는 입력광의 편광상태를 조절하기 위한 것으로서, 복굴절변조기의 주축방향에 대해 입력광의 편광상태를 0도, 90도 또는 45도의 직선편광을 만들기 위한 것이다. 복굴절변조기의 주축방향에 대해 0도 또는 90도인 직선편광을 갖는 입력광을 입사할 경우 복굴절변조 효과는 없게 된다. 복굴절변조 효과가 가장 크게 주축방향에 대해서 45도의 기울기가 되도록 직선편광을 만들어서 복굴절 변조기에 입력시킨다. 출편광의 편광도는 출력편광조절기(53)와 편광기(54)를 통과한 빛을 광검출기(55)에서 전기신호로 변환시켜서 직류성분을 오실로스코프(56)로 측정한다. 이 때, 출력편광조절기(53)를 조절함에 따라서 직류성분의 크기 변화의 최대값으로부터 편광도를 측정한다. 따라서, 출력광의 편광도를 최소가 되도록 복굴절 변조기에 인가해 주는 정현파형의 전압진폭을 조절함으로써 최적 전압진폭을 결정할 수 있다. 이와 같은 방법을 통하여, 광섬유 편광스크램블러의 최적화된 구동 파라미터를 입력할 수 있다.

그 다음, 도 3에 따른 실험장치로 출력광의 편광도가 최소가 되도록 복굴절변조기에 인가해 주어야 할 정현파형 전압신호의 진폭을 알아내기 위해 온도를 변화시켜가며 공명주파수(약 770㎑)와 반공명주파수(약 875㎑) 부근의 몇가지 주파수인 800.8, 808.6, 835.9, 855.5, 871.1, 890.6㎑에 대해서 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4는 1단형 편광스크램블러의 구동주파수에 따른 인가전압의 온도의존성을 측정한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 공명주파수 부근에 근접할수록 전압신호의 진폭이 최소가 되고 반공명주파수에 근접할수록 진폭은 증가하여야 함을 보여준다. 그리고, 이러한 범위의 주파수 밖에서는 복굴절변조량이 작아서 출력편광도를 5%미만으로 유지하기가 어려웠다. 또한 복굴절변조기의 외부온도가 증가하면 전압신호의 진폭은 감소시켜야 함을 알 수 있었다.

따라서, 도 4에 나타낸 결과로부터, 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터를 입력함에 있어서, 압전소자의 두께모드 공명주파수를 복굴절 변조주파수로 이용하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 그러나, 복굴절 변조주파수가 반드시 하나의 공명주파수값에 한정되는 것은 아니고, 공명주파수 부근의 값을 선택하되 출력편광도가 5% 이내의 값을 유지하는 범위의 값이 이용될 수 있다.

도 5는 1단형 편광스크램블러의 온도에 따른 편광도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5의 결과를 얻기 위해서, 상온에서 편광도가 최소가 되도록 각각의 주파수에서 전압신호의 진폭을 조정한 후 복굴절변조기의 온도를 변화시키면서 편광도를 측정하였다. 도 4에서 알 수 있듯이 인가 전압이 일정할 경우 온도가 증가할수록 복굴절변조량이 2.405보다 크지게 되어서 편광도가 증가하였다. 0℃에서 60℃까지의 범위에서 편광도를 10% 미만으로 유지시켜주기 위해서는 상기 인가 전압신호의 진폭을 온도에 대해 보상해 줄 필요가 있다. 이를 선형으로 근사시켜서 온도에 대해 보상함으로써 넓은 온도 범위에서 낮은 편광도를 유지할 수 있었다.

한편 구동 전압을 온도에 대해 보상을 하지 않을 경우에는 공명주파수에서 구동하는 것이 반공명주파수에서보다 구동하는 것보다 더 넓은 온도에서 편광도를 낮게 유지할 수 있다. 이러한 온도의 보상은, 상기 복굴절변조기의 온도를 측정하는 온도측정수단과 상기 온도측정수단에 의해 감지된 온도에 해당하는 변조진폭을 결정하는 수단을 통하여 구현할 수 있다.

이러한 온도 보상 외에도, 상기 복굴절 변조기의 온도를 일정하게 유지하는 항온유지수단을 통하여 온도변화에 따른 편광도의 열화를 방지할 수 있다.

도 6은 다른 크기의 중공 원통체형 압전소자(직경:1", 두께:0.06", 길이 0.5")의 두께모드에 대해 공명주파수 근처에서 측정한 임피던스 결과를 나타낸 그래프이다.

도 7은 공명주파수와 반공명주파수사이의 몇가지 주파수 1.2, 1.25, 1.3, 1.35, 1.4, 145, 1.5, 1.55, 1.6㎒에 대하여 편광스크램블러로 동작시키기 위해 필요한 전압을 온도에 대하여 측정한 결과이다. 여기에서도 알 수 있듯이 공명주파수 1.25㎒에서 편광스크램블러로 동작시킬 때가 온도에 대한 성능저하를 방지할 수 있다. 공명주파수는 원통형 압전소자의 두께에 의해 결정되며 이러한 특성을 이용하여 온도보상이 없더라도 온도에 대해 안정하고 전기적 효율이 높은 편광스크램블러를 제작할 수 있다.

한편, 1단형 편광스크램블러는 입력편광의 상태에 따라서 그 성능이 크게 열화되는 단점이 있기 때문에 입력편광 상태에 무관한 편광스크램블러를 제작하기 위해서는 복굴절 변조기를 두 개 이상 이용할 필요가 있다. 각각의 복굴절변조기의 복굴절축은 서로 45도의 각도가 이루어져야 한다. 즉 1차 복굴절변조기의 복굴절축과 나란한 방향의 직선편광을 갖는 입력광이 들어올 경우에 상기 1차 복굴절변조기는 상기 입력광에 아무런 효과를 주지 못하기 때문에 상기 직선편광에 대하여 복굴절축이 45도의 각도를 이루는 2차 복굴절변조기를 통과하면서 편광스크램블링의 효과를 가진다.

정현파형의 전압신호로 복굴절변조를 발생시키면 입력편광의 상태에 관계없이 출력광의 편광도를 0으로 유지하기 위해서는 각각의 복굴절변조 진폭은 다음 수학식 4를 만족하여야 한다.

J₀(V_m1α₁) = J₀(V_m2α₂) = 0

여기서

J₀

는 제1차 베셀함수이며, 복굴절 변조진폭

V_m1α₁

와

V_m2α₂

는 제1차 베셀함수의 해가 되어야 하며 이러한 해는 2.405, 4.55, ... 등이 있다. 복굴절 변조계수가 큰 두께모드의 공명주파수를 전압신호의 주파수로 설정하되 두 주파수의 차이는 출력신호의 대역폭보다 충분히 작아야 하며 진폭은

V_mα

가 제1차 베셀함수의 해인, 예컨대 2.405 또는 4.55의 값을 갖도록 조정해 주면 된다.

도 8은 두 개의 복굴절변조기로 이루어진 2단형 편광스크램블러의 기본 구성도를 나타낸 것이다. 두 개의 복굴절변조기를 잇는 광섬유는 단절없이 일체로 이루어지게 구성하고 그들 사이의 각도는 광섬유를 비틀어줌으로써 각도를 조정하였다. 한편, 광섬유를 비틀어 준 경우에는 광섬유에 원형복굴절이 유도되어 편광면은 비틀린 각도(22와 24사이의 각도)의 약 8%정도를 회전한다. 물론, 이러한 회전도가 성립하기 위해서는, 각각의 복굴절변조기에 권선된 광섬유부분은 광섬유 축방향에 대한 자체의 비틀림이 없어야 한다.

따라서, 인접한 두 개의 복굴절변조기에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 편광스크램블러에서, 입력광의 편광면이 1차 복굴절변조기의 주축방향과 나란한 경우 2차 복굴절변조기의 주축방향에 대해 45도로 입력되기 위해서는, 두 개의 복굴절변조기 사이의 비틀림은, 45도의 각도에 원형복굴절의 유도에 의한 편광면의 회전효과를 보상하기 위한 각도를 가산하여 이루어져야 한다.

즉, 1차 복굴절변조기의 복굴절축에 나란한 편광면이 2차 복굴절변조기에 45도로 입사하기 위해서는 두 개의 복굴절변조기가 약 49도의 각도(45+45×0.08)를 이루어야 한다.

도 9는 이러한 조건을 검사한 결과로서 입사편광에 무관하게 편광스크램블러로 동작하기 위해서 필요로 하는 복굴절변조기들 사이의 각도(도 8의 22와 24사이의 각도)를 측정한 것이다. 이 결과를 선형함수로 나타내면 다음 수학식 5와 같이 표현된다.

Y =X + 0.08X = 1.08X

여기서, X는 45±90n을 의미하며, 이는 2차 복굴절변조기에 입사되는 직선편광의 상기 조건을 나타낸다. Y는 인접한 두 복굴절변조기 사이의 실제각도, 즉 비틀린 광섬유의 각도를 나타낸다. 따라서, ±49, ±146, ±243, ±340 … 등의 각도를 이용할 수 있다. 특히, ±340의 각도를 이용한다면, 비틀린 상태로 있는 두 복굴절 변조기의 높이가 줄어들게 되므로, 전체적으로 소형화된 편광스크램블러를 구현할 수 있다.

그리고, 원형복굴절 외에 별도의 편광조절기를 인접한 두 복굴절변조기 사이에 둠으로써 복굴절변조기의 각도를 임의적으로 설정할 수도 있다. 여기에 사용하는 편광조절기로는, 대한민국 특허출원 제97-20056호에 개시된, 전 광섬유 인라인 편광조절기를 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 광섬유 편광스크램블러는 원통형 압전소자의 두께에 대한 진동모드 공명주파수를 이용하여 복굴절변조를 효율적으로 인가할 수 있었다.

본 발명에 따르면, 광섬유 편광스크램블러를 구성하는 인접 복굴절 변조기 사이에 있는 광섬유의 비틀림에 의해 유발되는 원형복굴절의 영향을 보상할 수 있는 구조를 가지는 광섬유 편광스크램블러가 제공하는 동시에, 이를 가장 효율적으로 구동하기 위한 구동 파라미터의 입력방법이 제공된다.

Claims

적어도 두 개 이상의 중공 원통체 형상의 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 단절없이 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과;

상기 광섬유 복굴절 변조기마다 교류전압을 인가함으로써 복굴절 변조를 유도하는 교류전압원들을 구비한 광섬유 편광스크램블러에 있어서,

상기 압전소자들의 외벽둘레에 권선된 광섬유 부분은 그 부분에서의 원형복굴절의 유도를 방지하도록 상기 광섬유 축방향에 대한 비틀림이 없이 권선되며,

입력광의 편광면이 인접 복굴절변조기 중 앞의 것의 주축방향과 나란한 경우, 상기 편광면이 뒤의 복굴절변조기의 주축방향에 대해 45±90n도(n은 정수)로 입력되기 위해서, 인접한 복굴절 변조기끼리의 비틀림에 의해 유도되는 원형복굴절의 영향에 대한 보상수단이 마련된 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항에 있어서, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 각각의 압전소자의 두께모드 공명주파수가 서로 다르게 되도록 상기 중공 원통체 형상의 압전소자들 각각의 내벽과 외벽 사이의 두께들이 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항에 있어서, 상기 원형복굴절의 영향에 대한 보상수단은 인접한 상기 복굴절 변조기들의 복굴절축들 사이의 각도의 8%에 해당하는 각도로 인접한 상기 복굴절 변조기에 비틀림을 더 주는 것으로서, 인접한 상기 복굴절 변조기 사이의 비틀림은 1.08×(45±90n)의 각도(n은 정수)를 이루는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항에 있어서, 상기 광섬유는 선형 고유복굴절의 양이 5×10^-6이하인 단일모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압전소자에 권선할 때의 광섬유 장력 및 상기 압전소자의 외벽곡률반경에 의한 광섬유의 구부러짐에 의해 유도되는 선형 복굴절의 양이 상기 광섬유의 고유복굴절의 크기보다 30배 이상을 유지하도록 하며, 상기 권선된 광섬유는 원형복굴절의 영향을 제거하도록 열처리한 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항에 있어서, 상기 광섬유는 단면 D형이며, 상기 압전소자의 외벽둘레에 상기 광섬유 축방향에 대한 비틀림이 없이 권선되도록 하기 위해 상기 광섬유의 편평한 면을 상기 압전소자의 외벽둘레에 맞대게 하여 권선한 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항에 있어서, 상기 복굴절변조기의 온도를 측정하는 온도측정수단과; 상기 온도측정수단에 의해 감지된 온도에 해당하는 변조진폭을 결정하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제1항에 있어서, 상기 복굴절 변조기들의 온도를 일정하게 유지하는 항온유지수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
적어도 두 개 이상의 중공 원통체 형상의 압전소자들과, 이들의 외벽 둘레에 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과;

상기 광섬유 복굴절 변조기마다 교류전압을 인가함으로써 복굴절 변조를 유도하는 교류전압원들을 구비한 광섬유 편광스크램블러에 있어서,

상기 광섬유 복굴절 변조기들 각각의 압전소자의 두께모드 공명주파수가 서로 다르게 되도록 상기 중공 원통체 형상의 압전소자들 각각의 내벽과 외벽 사이의 두께들이 서로 다르며;

상기 복굴절 변조기의 인접한 것들 사이에 편광조절기를 삽입한 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제9항에 있어서, 상기 편광조절기는 전광섬유 인라인 편광조절기인 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제9항에 있어서, 상기 복굴절변조기의 온도를 측정하는 온도측정수단과; 상기 온도측정수단에 의해 감지된 온도에 해당하는 변조진폭을 결정하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
제9항에 있어서, 상기 복굴절 변조기들의 온도를 일정하게 유지하는 항온유지수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러.
적어도 두 개 이상의 중공 원통체 형상의 압전소자들과, 단절없이 또한 원형복굴절의 유도를 방지하도록 상기 광섬유 축방향에 대한 비틀림이 없이 상기 압전소자들의 외벽 둘레에 각각 권선된 광섬유로 이루어진 광섬유 복굴절 변조기들과; 상기 광섬유 복굴절 변조기마다 교류전압을 인가함으로써 복굴절 변조를 유도하는 교류전압원들을 구비한 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법에 있어서,

상기 각각의 복굴절변조기에 인가되는 교류전압은 서로 다른 주파수의 정현파전압이 되도록하며,

상기 교류전압의 진폭은, 광원에서 나온 빛이 입력 편광조절기, 상기 광섬유 편광스크램블러, 출력 편광조절기 및 편광에 따른 손실이 큰 광학소자를 차례로 거친 후 광검출기에서 검지된 출력 광신호로부터 측정되는 편광도가 최소가 되는 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법.
제13항에 있어서, 상기 압전소자의 두께모드 공명주파수를 각각 복굴절 변조주파수로 이용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법.
제13항에 있어서, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 각각의 복굴절 변조진폭을 제1차 베셀함수의 해가 되는 값으로부터 선택된 어느 하나로 구동하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법.
제13항에 있어서, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 중의 어느 하나의 복굴절 변조진폭을 제1차 베셀함수의 해가 되는 값으로부터 선택된 어느 하나보다 10% 이내로 작게 구동하고, 상기 광섬유 복굴절 변조기들 중의 다른 하나의 복굴절 변조진폭을 제1차 베셀함수의 해가 되는 값으로부터 선택된 어느 하나보다 10% 이내로 크게 구동하는 것을 특징으로 하는 광섬유 편광스크램블러의 구동 파라미터 입력방법.