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KR100766187B1 - Nonlinear Frequency Variation Measurement System of Tunable Laser - Google Patents

Nonlinear Frequency Variation Measurement System of Tunable Laser Download PDF

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KR100766187B1
KR100766187B1 KR1020060010354A KR20060010354A KR100766187B1 KR 100766187 B1 KR100766187 B1 KR 100766187B1 KR 1020060010354 A KR1020060010354 A KR 1020060010354A KR 20060010354 A KR20060010354 A KR 20060010354A KR 100766187 B1 KR100766187 B1 KR 100766187B1
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Abstract

본 발명은 단일모드광섬유의 길이, 절단 위치(fault position), 색분산(chromatic dispersion), 편광모드분산(polarization mode dispersion) 등 광섬유 특성 평가에 이용되는 광주파수영역 반사광 분석 방법인 OFDR(optical frequency domain reflectometry)에서 사용되는 파장 가변 레이저의 연속적인 광주파수 변화를 측정하는 방법을 제공하고자 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템에 관한 것이다. The present invention is an optical frequency domain of the optical frequency domain reflected light analysis method used in the evaluation of optical fiber characteristics, such as the length, fault position, chromatic dispersion, polarization mode dispersion of the single mode optical fiber A nonlinear frequency change measurement system of a tunable laser is provided to provide a method for measuring a continuous optical frequency change of a tunable laser used in reflectometry.

본 발명에서는 저렴하게 제작가능한 Michelson 간섭계(interferometer)로 구성하여 얻어진 간섭 신호의 위상 정보를 Hilbert 변환을 통해 분석하여 파장 가변 레이저의 연속적인 광주파수 변화를 측정할 수 있도록 하여 기존의 방법보다 용이하고, 경제성있으면서 동일한 특성을 측정할 수 있도록 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템을 제안하고자 한다.In the present invention, it is easier than the conventional method by analyzing the phase information of the interference signal obtained by constructing a low-cost Michelson interferometer to analyze the continuous optical frequency change of the wavelength tunable laser by Hilbert transform, We propose a system for measuring the nonlinear frequency change of a tunable laser that is economical and can measure the same characteristics.

파장가변, 파장가변레이저, 비선형주파수, 광주파수, 광섬유 Wavelength variable, wavelength variable laser, nonlinear frequency, optical frequency, optical fiber

Description

파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템{Measurement system of nonlinear frequency chirp in a wavelength sweeping laser with a simple self-homodyne method and Hilbert transformation}Measurement system of nonlinear frequency chirp in a wavelength sweeping laser with a simple self-homodyne method and Hilbert transformation

도 1은 본 발명 파장가변레이저의 광주파수 변화를 측정하기 위한 간섭계의 구성을 나타낸 도면.1 is a view showing the configuration of an interferometer for measuring the optical frequency change of the wavelength tunable laser of the present invention.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 있어서, Hilbert 변환 방법 및 파장 가변 레이저의 광주파수 변화 측정 방법의 개략도.2A to 2D are schematic views of the Hilbert conversion method and the optical frequency change measuring method of the tunable laser in the present invention.

도 3은 본 발명에 있어서, 파형 생성 장치로부터 발생된 전압파형의 서로 다른 전압 크기에서 간섭 신호의 시간에 따른 위상과 그 계산된 광주파수 변화 값을 나타낸 파형도.FIG. 3 is a waveform diagram illustrating a phase with respect to time of an interference signal at a different voltage magnitude of a voltage waveform generated from a waveform generating device and a calculated optical frequency change value thereof.

도 4는 본 발명에 있어서, 파형발생기로부터 발생된 전압파형의 서로 다른 주파수에서 간섭 신호의 시간에 따른 위상과 그 계산된 광주파수 변화 값을 나타낸 파형도. Figure 4 is a waveform diagram showing the phase and the calculated optical frequency change value of the interference signal over time at different frequencies of the voltage waveform generated from the waveform generator.

본 발명은 단일모드광섬유의 길이, 절단 위치(fault position), 색분산 (chromatic dispersion), 편광모드분산(polarization mode dispersion) 등 광섬유 특성 평가에 이용되는 광주파수영역 반사광 분석 방법인 OFDR(optical frequency domain reflectometry)에서 사용되는 파장 가변 레이저의 연속적인 광주파수 변화를 측정하는 방법을 제공하고자 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템에 관한 것이다.The present invention is an optical frequency domain of the optical frequency domain reflected light analysis method used in the evaluation of optical fiber characteristics, such as the length, fault position, chromatic dispersion, polarization mode dispersion of the single mode optical fiber A nonlinear frequency change measurement system of a tunable laser is provided to provide a method for measuring a continuous optical frequency change of a tunable laser used in reflectometry.

근래에는 군사적목적이나 의료장비에 파장 가변 레이저를 이용한 광주파수 영역 반사광 분석(optical frequency domain reflectometer) 기술이 응용되고 있다.Recently, optical frequency domain reflectometer technology using a tunable laser has been applied to military or medical equipment.

이와 같은 기술은 파장 가변된 레이저의 빛이 수 km의 광섬유를 지나는 동안 외부의 어떤 작용이 이 광섬유에 주어지면 그 빛이 반사되어 돌아오게 되는 데, 이 돌아온 빛을 분석하여 작용점의 위치와 작용 정도를 측정하는 목적으로 사용된다. In this technique, while the light of the tunable laser passes through the optical fiber of several kilometers, when an external action is given to the optical fiber, the light is reflected and returned. By analyzing the returned light, the position and the degree of action point are analyzed. It is used for the purpose of measuring.

이것은 실시간으로 군사적 방어체계나 화재 경보 시스템 등에 응용되고 있다. This is applied to military defense system or fire alarm system in real time.

단일모드광섬유의 길이, 절단 위치(fault position), 색분산(chromatic dispersion), 편광모드분산(polarization mode dispersion) 등 광섬유 특성 평가에도 이용되고 있으며, 또한 최근 MRI, CT와 같은 의료용 분석 장비로서 FD-OCT(frequency domain optical coherence tomograhy)가 개발이 되었는데, 이 시스템에도 파장 가변 레이저가 필수적이다. It is also used for the evaluation of optical fiber characteristics such as length, fault position, chromatic dispersion and polarization mode dispersion of single mode optical fiber. OCT (frequency domain optical coherence tomograhy) has been developed, and the tunable laser is essential for this system.

이외에도 파장 가변 레이저를 이용한 많은 시스템이 있으며, 이러한 시스템의 성능 향상을 위해서는 파장 가변 레이저의 연속적 광주파수 변화를 측정하는 것 이 중요하다. In addition, there are many systems using tunable lasers. In order to improve the performance of these systems, it is important to measure the continuous optical frequency change of the tunable lasers.

이것은 연속적 광주파수 변화가 시스템의 성능에 직접적인 영향을 주기 때문이다. This is because continuous optical frequency changes directly affect the performance of the system.

그러나, 기존에는 다양한 파장 가변 레이저의 연속적인 광주파수 변화 측정이 있지만, 그 사용법이 복잡하고 큰 광주파수 변화 또는 변화율이 큰 경우에는 사용이 힘든 것으로 알려져 있다. However, although there are conventional measurements of continuous optical frequency change of various tunable lasers, it is known to be difficult to use when its usage is complicated and large optical frequency change or change rate is large.

본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 가격이 저렴하게 제작가능한 Michelson 간섭계(interferometer)로 구성하여 얻어진 간섭 신호의 위상 정보를 Hilbert 변환을 통해 분석하여 파장 가변 레이저의 연속적인 광주파수 변화를 측정할 수 있도록 하여 기존의 방법보다 용이하고, 경제성있으면서 동일한 특성을 측정할 수 있도록 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템을 제안하고자 하는 것이다. In the present invention, in order to solve such a problem, it is possible to measure the continuous optical frequency change of the tunable laser by analyzing the phase information of the interference signal obtained by constructing a Michelson interferometer which can be manufactured at low cost through Hilbert transform. It is to propose a system for measuring the nonlinear frequency change of a tunable laser, which is easier than the conventional method and economical and can measure the same characteristics.

특히 본 발명은 단일모드광섬유의 길이, 절단 위치(fault position), 색분산(chromatic dispersion), 편광모드분산(polarization mode dispersion) 등 광섬유 특성 평가에 이용되던 광주파수영역 반사광 분석 방법인 OFDR(optical frequency domain reflectometry)에 사용되는 파장 가변 레이저의 연속적인 광주파수 변화를 측정하는 방법을 개발하고자 한 것이다. In particular, the present invention is the optical frequency domain reflected light analysis method OFDR (optical frequency) used in the evaluation of optical fiber characteristics, such as the length, fault position, chromatic dispersion, polarization mode dispersion of the single mode optical fiber The aim of this study was to develop a method for measuring the continuous optical frequency change of a tunable laser used in domain reflectometry.

이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면 서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 측정을 위한 간섭계를 나타낸 것이다. 1 shows an interferometer for continuous optical frequency measurement of a tunable laser over time.

특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저(10)와, 간섭계로부터 반사되는 빛이 파장가변 레이저에 영향을 주지않도록 하기 위한 반사광 차폐를 위한 반사광 차단기(optical isolator)(20)와, 반사광차단기를 거친 빛의 세기를 나눠 각 팔에 구성된 광섬유(ref)(Lo)로 분배하는 광분배기(optical fiber coupler)(30)와, 광섬유(ref)(Lo)로 지나는 빛의 상태를 편광상태를 조절하여 주는 편광조절기(polarization controller, PC)(40)와, 광섬유(ref)(Lo)을 진행하여 끝단에서 반사되어 되돌아온 빛에 의해 간섭된 빛을 전기적인 신호로 검출하는 광검출기(D)(50)와, 파형가변레이저(10)로부터 레이저의 파형이 생성되는 타임에 광검출기(D)에 검출된 간섭신호를 수집하여 컴퓨터(70)로 전송하는 데이터 수집보드(DAQ)(60)와, 데이터 수집보드(60)로부터 전송된 간섭신호 데이터로부터 간섭신호 위상정보를 연산하고, 이로부터 파장가변레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화율을 연산하는 연산프로세스를 포함하는 프로그램이 탑재된 컴퓨터(70)를 포함하여 구성된다.A wavelength tunable laser 10 for oscillating laser light having a repeatedly variable wavelength within a specific frequency region, and an optical light shield for shielding the reflected light so that the light reflected from the interferometer does not affect the tunable laser. isolator (20), optical fiber coupler (30) for dividing the intensity of the light passing through the reflective light blocker to the optical fiber (ref) (Lo) configured in each arm, and the optical fiber (ref) (Lo) Polarization controller (PC) 40, which controls the state of light passing through, and the optical fiber (ref) (Lo) through the light reflected from the end of the interference interfered by the light as an electrical signal Data acquisition board for collecting the detected interference signal to the photodetector (D) at the time of generating the laser waveform from the photodetector (D) 50 and the waveform variable laser (10) to detect and transmit to the computer 70 (DAQ) 60, day Computer (70) equipped with a program including an arithmetic process for calculating interfering signal phase information from interfering signal data transmitted from collection board (60), and for calculating a continuous rate of optical frequency change over time of the tunable laser. It is configured to include.

그리고 상기 파장가변 레이저(10)는 실제 빛이 방출되는 이득 물질(11a)와, 이득물질의 온도를 변화시킬 TEC(thermo electric cooler) 장치(11b)를 포함하는 빛을 방출시키기 위한 DFB-LD(distributed feedback laser diode)(11)와, DFB-LD(11)의 TEC 장치(11b)에 전압을 인가해주기 위한 온도 조절 장치(12)및 선형적으 로 온도를 변화시켜주기 위한 파형 생성 장치(function generator)(13)을 포함하여 구성된다. In addition, the wavelength tunable laser 10 includes a gain material 11a through which light is actually emitted, and a DFB-LD for emitting light including a thermo electric cooler (TEC) device 11b to change the temperature of the gain material. a distributed feedback laser diode 11, a temperature control device 12 for applying a voltage to the TEC device 11b of the DFB-LD 11, and a waveform generator for linearly varying the temperature. 13).

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 실시예를 참조하여 그 동작과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the embodiment of the present invention having such a configuration in detail the operation process as follows.

도 1은 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 측정을 위한 간섭계를 나타낸 것으로 일반적으로 알려진 Michelson 간섭계를 광섬유로 나타낸 것이다. FIG. 1 shows an optical fiber of a Michelson interferometer generally known as an interferometer for continuous optical frequency measurement of a tunable laser over time.

여기서 본 발명에서는 간섭계를 반드시 구성해야 하므로, 본 발명 실시예에서와 같이 Michelson 간섭계가 아니더라도 Mach-Zehander 간섭계로 구성해도 무방하다. In the present invention, since the interferometer must be configured, the Mach-Zehander interferometer may be configured even if not the Michelson interferometer as in the embodiment of the present invention.

또한 본 발명 실시예에 있어서는 간섭계를 광섬유로 구성하였으나, 광섬유를 이용하지 않고, 광학계(렌즈, beam, splitter)를 이용해서도 구성할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the interferometer is composed of an optical fiber, but an optical system (lens, beam, splitter) can be used without using an optical fiber.

여기서 하나의 예로써, 광통신에 범용으로 많이 사용되는 DFB-LD(11)를 이용하여 이득 물질(gain medium)의 온도 변화에 의한 파장 변화로 유도된 연속적인 광주파수 변화를 측정하기 위한 구성도이다. Here, as an example, it is a configuration diagram for measuring the continuous optical frequency change induced by the wavelength change by the temperature change of the gain medium using the DFB-LD (11), which is widely used for optical communication. .

DFB-LD(11)는 실제 빛이 방출되는 이득 물질(11a)이고, 이것의 온도를 변화시킬 TEC(thermo electric cooler) 장치(11b)를 포함하는 구성을 갖는다.The DFB-LD 11 is a gain material 11a to which light is actually emitted and has a configuration including a thermo electric cooler (TEC) device 11b that will change its temperature.

이 장치에 인가해주는 전압에 의해서 열전자들이 이동하는 원리를 이용하여 장치 표면의 온도를 조절하게 되는 바, 이 표면에 이득 물질(11a)을 부착하고 TEC 장치(11b)에 전압을 인가하면 이득 물질의 온도가 변하게 되고, 이 변화에 의해서 이득 물질의 굴절률 변화를 유도하여 방출되는 빛의 파장을 변화시킬 수 있다.  The temperature of the surface of the device is controlled using the principle of moving the hot electrons by the voltage applied to the device. By attaching the gain material 11a to the surface and applying a voltage to the TEC device 11b, The temperature changes, and this change induces a change in the refractive index of the gain material to change the wavelength of the emitted light.

TEC 장치(11b)에 전압을 인가해주기 위해서 온도 조절 장치(12)와 선형적으로 온도를 변화시켜주기 위해서 파형 생성 장치(function generator)(13)를 구성한다. 이 두 장치를 이용하여 도면에 도시된 바와 같이, 'P1'과 같은 톱니 모양의 전압 파형을 생성하여 TEC 장치(11b)에 인가하면 동일한 형태의 온도 변화를 유도하고, 이것으로부터 레이저에서 방출되는 빛의 광주파수를 시간에 따라서 선형적으로 증가시킬 수 있다. In order to change the temperature linearly with the temperature control device 12 to apply a voltage to the TEC device 11b, a waveform generator 13 is configured. Using these two devices, as shown in the figure, generating a serrated voltage waveform such as 'P1' and applying it to the TEC device 11b induces a temperature change of the same shape, from which the light emitted from the laser is emitted. The optical frequency of can be increased linearly with time.

하지만 실제적으로 이득 매질의 비선형 특성으로 인하여 'P2'의 파형에서 보는 바와 같이, 시간에 따라서 비선형적으로 광주파수가 변하게 된다. In practice, however, the nonlinear nature of the gain medium causes the optical frequency to change nonlinearly over time, as seen in the waveform of P2.

이상에서와 같은 과정을 통해 파장 가변 레이저(10)에서 빛을 방출하게 되는 바, 이와 같은 파장 가변 레이저(10)의 구성은 단 실시예일 뿐 제한적이지 않다. Since the light is emitted from the tunable laser 10 through the same process as described above, the configuration of the tunable laser 10 is not limited thereto.

파장가변 레이저(10)로부터 방출된 빛은 간섭계로부터 반사되는 빛이 레이저에 영향을 주지 않게 하기 위한 반사광 차단기(20)를거친 'P2'에서와 같은 광주파수 변화를 가지는 빛이 광분배기(30)에 입력된다.The light emitted from the wavelength tunable laser 10 is a light splitter 30 having a light frequency change as in 'P2' through the reflected light blocker 20 to prevent the light reflected from the interferometer does not affect the laser. Is entered.

광분배기(30)를 통해서 빛의 세기가 절반씩 나누어져서 광섬유(Ref)(Lo)로 들어가게 된다. Through the optical splitter 30, the light intensity is divided by half into the optical fiber Ref Lo.

이때 편광조절기(PC)(40)에 의해 광섬유(ref)(Lo)를 지나는 빛의 편광상태가 동일하게 조절시켜, 광검출기(50)에서 얻어지는 간섭 신호의 인지도(visibility)를 최대로 맞춰준다. In this case, the polarization state of the light passing through the optical fiber (ref) Lo is equally adjusted by the polarization controller (PC) 40 to maximize the visibility of the interference signal obtained from the photodetector 50.

광섬유(ref)(Lo)를 통해 진행한 빛은 광섬유 끝단에서 반사되어 다시 광분배 기(30)를 통해서 만나게 되며, 이는 광검출기(50)에서 시간에 따른 간섭 신호의 형태로 검출된다. Light propagated through the optical fiber (ref) (Lo) is reflected at the end of the optical fiber and meets again through the optical splitter 30, which is detected in the form of an interference signal over time in the photodetector 50.

파형 생성 장치(13)에서는 파형이 생성되는 시간에만 전압을 인가하는 'P3'와 같은 trigger 신호를 생성하고 이를 데이터 수집보드(DAQ)(60)에 입력한다.The waveform generator 13 generates a trigger signal such as 'P3' which applies a voltage only at the time when the waveform is generated and inputs it to the data acquisition board (DAQ) 60.

데이터 수집보드(60)에서는 파형생성장치(13)에서 trigger 신호가 들어올 때마다 광검출기(50)에서 얻어지는 간섭 신호의 데이터를 디지털 신호를 수집하여 컴퓨터(70)를 통해 이 신호를 분석하게 된다.In the data collection board 60, whenever the trigger signal is input from the waveform generator 13, the digital signal is collected from the data of the interference signal obtained from the photodetector 50, and the signal is analyzed by the computer 70.

컴퓨터(70)에서는 상기에서와 같이, 얻어진 간섭 신호의 위상 정보를 연산하고, 이를 이용하여 측정하고자 하는 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화,

Figure 112006008105015-pat00001
를 구한다. As described above, the computer 70 calculates the phase information of the obtained interference signal, and uses it to continuously change the optical frequency with time of the tunable laser to be measured,
Figure 112006008105015-pat00001
Obtain

또한 이를 미분하여 시간에 따른 광주파수 변화율,

Figure 112006008105015-pat00002
를 얻는다. In addition, by differentiating the optical frequency change rate with time,
Figure 112006008105015-pat00002
Get

이와 같은 과정을 수학식을 통해 설명하면 다음과 같다. This process is explained through the following equation.

시간에 따라 변하는 위상,

Figure 112006008105015-pat00003
를 가지는 파장 가변 레이저(10)의 빛이 간섭계를 통과한 후 나타나는 간섭 신호는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Phase changes over time,
Figure 112006008105015-pat00003
An interference signal that appears after the light of the tunable laser 10 has passed through the interferometer may be represented by Equation 1 below.

Figure 112006008105015-pat00004
Figure 112006008105015-pat00004

여기서,here,

Figure 112007035465969-pat00005
Figure 112007035465969-pat00006
는 각각 간섭 신호의 크기와 위상 상수.
Figure 112007035465969-pat00005
Figure 112007035465969-pat00006
Are the magnitude and phase constant of the interfering signal, respectively.

Figure 112007035465969-pat00007
간섭계의 두 팔의 길이 차이에 해당하는 빛이 진행하는 시간.
Figure 112007035465969-pat00007
The time the light travels, which corresponds to the difference in the length of the two arms of the interferometer.

Figure 112007035465969-pat00008
1 nsec (
Figure 112007035465969-pat00009
초) 이내의 값을 가질 경우 다음의 수학식 2와 같이 근사할 수 있다.
Figure 112007035465969-pat00008
1 nsec (
Figure 112007035465969-pat00009
If the value is within seconds), it can be approximated as in Equation 2 below.

Figure 112006008105015-pat00010
Figure 112006008105015-pat00010

Figure 112007035465969-pat00011
대한 테일러 전개 후 2차항 이상은 이 값이 작기 때문에 무시한다.
Figure 112007035465969-pat00011
After Taylor expansion for the quadratic term, the value is ignored because it is small.

여기서,here,

Figure 112007035465969-pat00012
우리가 측정하고자 하는 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 주파수 변화.
Figure 112007035465969-pat00012
The continuous frequency change over time of the tunable laser we want to measure.

수학식 2를 수학식 1에 적용하여 간섭 신호를 연속적인 광주파수 변화에 대한 다음의 수학식 3으로 간단하게 정리할 수 있다.By applying Equation 2 to Equation 1, the interference signal can be simply summarized as the following Equation 3 for the continuous optical frequency change.

Figure 112006008105015-pat00013
Figure 112006008105015-pat00013

위의 식을 Hilbert 변환을 통해 신호의 위상을

Figure 112006008105015-pat00014
만큼 변화시키는데, 이것을 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.The above equation phases the signal through the Hilbert transform.
Figure 112006008105015-pat00014
By changing, this can be expressed as Equation 4 below.

여기서

Figure 112006008105015-pat00015
는 신호
Figure 112006008105015-pat00016
의 Hilbert 변환을 나타낸다.here
Figure 112006008105015-pat00015
Signal
Figure 112006008105015-pat00016
Hilbert transform.

Figure 112007035465969-pat00017
Figure 112007035465969-pat00017

간섭 신호(서로 다른 경로를 진행한 빛의 위상차에 해당하는)의 위상,

Figure 112006008105015-pat00018
는 수학식 3과 수학식 4로부터 쉽게 구할 수 있으며, 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. Phase of the interference signal (corresponding to the phase difference of the light traveling through different paths),
Figure 112006008105015-pat00018
Can be easily obtained from Equations 3 and 4, and can be expressed as Equation 5 below.

Figure 112007035465969-pat00019
Figure 112007035465969-pat00019

상기 수학식 5로부터 파장 가변 레이저의 연속적 광주파수 변화를 나타내는 값인

Figure 112006008105015-pat00020
를 다음의 수학식 6와 같이 구할 수 있다.It is a value indicating the continuous optical frequency change of the wavelength tunable laser from Equation 5
Figure 112006008105015-pat00020
Can be obtained as in Equation 6 below.

Figure 112006008105015-pat00021
Figure 112006008105015-pat00021

여기서,here,

Figure 112007035465969-pat00022
간섭계의 두 팔의 길이 차이이고,
Figure 112007035465969-pat00022
Is the difference in the length of the two arms of the interferometer,

Figure 112007035465969-pat00023
진공상태에서 빛의 속도.
Figure 112007035465969-pat00023
Speed of light in a vacuum.

Figure 112007035465969-pat00024
빛이 진행하는 매질인 광섬유의 굴절률.
Figure 112007035465969-pat00024
Refractive index of optical fiber, the medium through which light travels.

이와 같이, 연속적인 광주파수 변화를 측정하고자 하는 파장 가변 레이저(10)를 간섭계에 연결하여 간섭계의 경로차에 의한 시간에 따른 간섭 신호를 얻어 낸다 (수학식 3). In this way, the tunable laser 10 to measure the continuous optical frequency change is connected to the interferometer to obtain an interference signal over time by the path difference of the interferometer (Equation 3).

그리고 얻어진 신호를 컴퓨터(70)를 이용하여 Hilbert 변환하여 임의의 신호를 얻어낸다(수학식 4). The obtained signal is then Hilbert transformed using a computer 70 to obtain an arbitrary signal (Equation 4).

이렇게 얻어진 두 신호로부터 간섭 신호의 위상을 얻어내고 이것으로부터 수학식 6을 이용하여 파장 가변 레이저(10)의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화 값을 계산한다. The phase of the interference signal is obtained from the two signals thus obtained, and from this, Equation 6 is used to calculate the continuous optical frequency change over time of the tunable laser 10.

또한 파장 가변 레이저(10)의 중요한 변수인 시간에 따른 광주파수 변화율,

Figure 112006008105015-pat00025
를 수학식 6을 다음과 같이 시간에 따라 미분하여 구할 수 있다. In addition, the optical frequency change rate with time, which is an important variable of the tunable laser 10,
Figure 112006008105015-pat00025
The equation 6 can be obtained by differentiating with time as follows.

Figure 112007035465969-pat00026
Figure 112007035465969-pat00026

도 2는 Hilbert 변환 방법 및 파장 가변 레이저의 광주파수 변화 측정 방법의 개략도를 나타낸다. 2 shows a schematic diagram of the Hilbert conversion method and the optical frequency change measuring method of the tunable laser.

먼저 도 2a는 간섭계에서 얻은 간섭 신호를 나타내고 이것은 수학식 1을 나 타낸 것이다. First, FIG. 2A illustrates an interference signal obtained from an interferometer, which represents Equation 1.

이 간섭 신호를 수학식 4의 Hilbert 변환을 통해서 도 2b의 점선과 같이 위상이

Figure 112006008105015-pat00027
만큼 움직인 파형을 얻는다. This interference signal is phased out as shown by the dotted line of FIG. 2B through the Hilbert transform of Equation 4.
Figure 112006008105015-pat00027
Get the waveform moved by

도 2b에 있는 두 파형을 수학식 5에 넣어주면 간섭 신호의 위상을 도2c와 같이 얻게 되고, 이것을 수학식 6을 통해서 파장 가변 레이저의 광주파수 변화를 도2d와 같이 얻을 수 있다. When the two waveforms of FIG. 2B are put into Equation 5, the phase of the interference signal is obtained as shown in FIG. 2C, and the change in the optical frequency of the wavelength tunable laser can be obtained as shown in FIG.

도 3은 파형 생성 장치에서 생성되는 전압 파형의 크기 변화에 따른 간섭 신호의 시간에 따른 위상과 광주파수 변화를 나타낸 것이다. 3 illustrates phase and optical frequency changes with respect to time of an interference signal according to a change in magnitude of a voltage waveform generated by a waveform generator.

전압 크기를 400 mV에서부터 2000 mV까지 200 mV 간격으로 변화시키면서 측정한 것이다. Measured with varying voltage magnitudes from 400 mV to 2000 mV in 200 mV increments.

우선 400 mV에서는 광주파수가 비선형적으로 증가하면서 포화곡선을 그리는 것을 알 수 있다. First, it can be seen that at 400 mV, the saturation curve is drawn while the optical frequency increases nonlinearly.

그리고 점점 전압 크기를 증가시키면 선형에 가까이 변하게 되는데 2000 mV에 가까이 가면 그 변화도 포화가 되는 것을 알 수 있다. Increasing the voltage magnitude gradually changes the linearity, and when it approaches 2000 mV, the change is saturated.

최대 광주파수 변화량은 0.4초에서 약 13 GHz인 것을 보여준다. The maximum optical frequency variation is shown to be about 13 GHz at 0.4 seconds.

또한 도 2에서 얻어진 연속적인 광주파수 변화를 시간에 대해 미분하여, 광주파수 변화율(

Figure 112006008105015-pat00028
)을 구하면 약 300 GHz/s가 된다. Further, the continuous optical frequency change obtained in FIG. 2 is differentiated with respect to time, so that the optical frequency change rate (
Figure 112006008105015-pat00028
) Is approximately 300 GHz / s.

이러한 광주파수 변화와 변화율을 직접 측정하므로 써 가장 최적의 전압 크기를 예측 적용할 수 있고, 레이저의 성능향상에도 도움이 된다.By directly measuring the optical frequency change and the rate of change, it is possible to predict and apply the most optimal voltage level and to help improve the laser performance.

도 4는 파형 생성 장치에서 생성되는 전압 파형의 주파수에 따른 간섭 신호의 시간에 따른 위상과 광주파수 변화를 나타낸 것이다. 4 illustrates phase and optical frequency changes with respect to time of an interference signal according to a frequency of a voltage waveform generated by a waveform generator.

전압 파형의 주파수를 200, 250, 340, 500 mHz와 같이 변화 시키면서 간섭 신호를 얻어 온도 변화에 의한 DFB-LD의 연속적 광주파수 변화를 측정한 것이다. The frequency of the voltage waveform is changed to 200, 250, 340, 500 mHz and the interference signal is obtained to measure the continuous optical frequency change of the DFB-LD due to the temperature change.

전압 파형의 주파수가 증가하면 주기가 짧아지기 때문에 얻어지는 광주파수 변화의 시간 주기도 보는 바와 같이 짧아진다. 그리고 주파수가 200 mHz에서 최대 광주파수 변화와 변화율인 110 GHz와 375 GHz/s를 얻었다. As the frequency of the voltage waveform increases, the period is shortened, so the time period of the resulting optical frequency change is also shortened as shown. The maximum optical frequency variation and the rate of change at 110 mHz were obtained at 110 GHz and 375 GHz / s.

이와 같이 임의의 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화와 그 변화율을 측정하기 위한 방법으로 간단한 간섭계를 구성하고 얻어진 간섭 신호의 위상 정보를 Hilbert 변환을 통해 얻는다. As described above, a simple interferometer is constructed as a method for measuring the continuous optical frequency change and the rate of change of an arbitrary wavelength tunable laser, and the phase information of the obtained interference signal is obtained through Hilbert transform.

이렇게 얻어진 간섭 신호의 위상 정보로부터 원하는 광주파수 변화와 그 변화율을 계산 할 수 있다. The desired optical frequency change and its rate of change can be calculated from the phase information of the interference signal thus obtained.

이와 같은 본 발명은 간단하면서도 경제성있는 장치를 제안한 것으로, 파장 가변 레이저를 이용한 모든 시스템의 성능향상과 이 레이저의 최적의 조건을 얻어내는 방법을 용이하게 구현할 수 있다. The present invention proposes a simple and economical device, it is possible to easily implement a method for improving the performance of all systems using a tunable laser and obtaining the optimum conditions of the laser.

또한 파장 가변 레이저의 개발에 그 편리 및 신뢰성을 더 할 수 있다. In addition, the convenience and reliability can be added to the development of the tunable laser.

Claims (12)

특정 주파수 영역안에서 반복적으로 선형으로 가변되는 파장을 갖는 레이저 빛을 발진하는 파장가변 레이저와, 상기 파장가변레이저로부터 출력되는 빛을 나눠 간섭계에 구성된 각 팔에 분배하는 광분배기(optical fiber)와, 간섭계로부터 얻은 파장가변 레이저의 간섭된 빛을 전기적인 신호로 검출하는 광검출기와, 파형가변레이저로부터 레이저의 파형이 생성되는 타임에 광검출기에 검출된 간섭신호를 수집하여 연산처리수단으로 전송하는 데이터 수집수단과, 데이터 수집수단으로 수집된 간섭신호 위상정보를 연산하고, 이로부터 파장가변레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화를 연산하는 연산프로스세를 포함하는 연산처리수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템.A wavelength tunable laser that oscillates laser light having a wavelength that is repeatedly linearly changed in a specific frequency region, an optical fiber that distributes the light output from the wavelength tunable laser to each arm of the interferometer, and an interferometer A photodetector for detecting the interfering light of the wavelength tunable laser as an electrical signal, and data collection for collecting the interference signal detected by the photodetector at a time when the waveform of the laser is generated from the tunable laser Means, and arithmetic processing means including arithmetic processing means for computing the interference signal phase information collected by the data collection means, and calculating a continuous optical frequency change over time of the wavelength tunable laser. Nonlinear frequency change measurement system of a tunable laser. 제 1항에 있어서, 파장가변 레이저와 상기 광분배기 사이에는 간섭계로부터 반사되는 빛이 파장가변 레이저에 영향을 주지 않도록 하기 위한 반사광 차폐를 위한 반사광 차단기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템. The nonlinear type of tunable laser according to claim 1, further comprising a reflected light blocker for shielding the reflected light between the wavelength tunable laser and the optical splitter so that the light reflected from the interferometer does not affect the tunable laser. Measurement system of frequency change. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 간섭계는 광섬유(ref)(Lo)로 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템. 3. The system of claim 1 or 2, wherein the interferometer is comprised of an optical fiber (Lo). 제 3항에 있어서, 상기 광섬유(ref)(Lo)로 지나는 빛의 상태를 편광상태를 조절하여 주는 편광조절기(polarization controller, PC)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템.4. The nonlinear frequency of a tunable laser according to claim 3, further comprising a polarization controller (PC) for controlling the polarization state of the light passing through the optical fiber (Lo). Measurement system of change. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 간섭계는 광학계로 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템.The system of claim 1 or 2, wherein the interferometer comprises an optical system. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 파장가변 레이저는 실제 빛이 방출되는 이득 물질(11a)과, 이득물질(11a)의 온도를 변화시킬 TEC(thermo electric cooler) 장치(11b)를 포함하는 빛을 방출시키기 위한 DFB-LD(distributed feedback laser diode)(11)와, DFB-LD(11)의 TEC 장치(11b)에 전압을 인가해주기 위한 온도 조절 장치(12)및 선형적으로 온도를 변화시켜주기 위한 파형 생성 장치(function generator)(13)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템. The laser of claim 1 or 2, wherein the wavelength tunable laser includes a gain material (11a) from which light is actually emitted and a thermo electric cooler (TEC) device (11b) to change the temperature of the gain material (11a). A temperature control device 12 for applying a voltage to a distributed feedback laser diode (DFB-LD) 11 for emitting light, a TEC device 11b of the DFB-LD 11, and a linear change in temperature Nonlinear frequency change measurement system of a tunable laser, characterized in that it comprises a waveform generator (function generator) (13) for the purpose. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연산처리수단에 있어서, 광주파수 변화를 연산하는 과정은,The process of claim 1 or 2, wherein in the arithmetic processing means, a step of calculating the optical frequency change is performed. 시간에 따라 변하는 위상
Figure 112006008105015-pat00029
을 가지는 파장 가변 레이저의 빛이 간섭계 를 통과한 후 나타나는 간섭 신호
Figure 112006008105015-pat00030
를 검출하는 과정과, Phase changes with time
Figure 112006008105015-pat00029
Interference signal that appears after the light of the wavelength tunable laser having passed through the interferometer
Figure 112006008105015-pat00030
Detecting the process, 간섭계의 경로차에 의한 파장 가변 레이저의 간섭 신호
Figure 112006008105015-pat00031
를 Hilbert 변환하여 임의의 신호를 구하는 과정과, Interference signal of tunable laser due to path difference of interferometer
Figure 112006008105015-pat00031
Hilbert transforms to obtain a random signal, 간섭신호
Figure 112006008105015-pat00032
와 상기 과정을 통해 얻어진 임의의 신호로부터 간섭 신호의 위상
Figure 112006008105015-pat00033
을 구하는 과정과, Interference signal
Figure 112006008105015-pat00032
And phase of the interference signal from any signal obtained through the above process.
Figure 112006008105015-pat00033
The process of obtaining 상기 과정을 통해 얻어진 간섭신호의 위상으로부터 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화값
Figure 112006008105015-pat00034
을 연산하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템.Continuous change of optical frequency with time of tunable laser from phase of interference signal obtained through the above process
Figure 112006008105015-pat00034
Nonlinear frequency change measurement system of a tunable laser, characterized in that comprising the step of calculating the. 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 간섭신호
Figure 112007035465969-pat00081
는 다음의 수학식을 통해 구하고, The interference signal
Figure 112007035465969-pat00081
Is obtained from the following equation,
Figure 112007035465969-pat00035
3)
Figure 112007035465969-pat00035
3)
Figure 112007035465969-pat00036
Figure 112007035465969-pat00037
는 각각 간섭 신호의 크기와 위상 상수.
Figure 112007035465969-pat00036
Figure 112007035465969-pat00037
Are the magnitude and phase constant of the interfering signal, respectively.
Figure 112007035465969-pat00038
간섭계의 두 팔의 길이 차이에 해당하는 빛이 진행하는 시간.
Figure 112007035465969-pat00038
The time the light travels, which corresponds to the difference in the length of the two arms of the interferometer.
Figure 112007035465969-pat00039
파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 주파수 변화.
Figure 112007035465969-pat00039
Continuous frequency change with tunable laser over time. 상기 간섭 신호
Figure 112007035465969-pat00040
를 Hilbert 변환하여 임의의 신호를 구하는 과정에 있어서, 다음의 수학식과 같이 구하며, The interference signal
Figure 112007035465969-pat00040
In the process of obtaining an arbitrary signal by Hilbert transforming, it is obtained by the following equation,
Figure 112007035465969-pat00041
(;수학식 4)
Figure 112007035465969-pat00041
(Equation 4) 간섭 신호의 위상
Figure 112007035465969-pat00042
을 구하는 과정에 있어서, Phase of interfering signal
Figure 112007035465969-pat00042
In the process of finding 간섭 신호의 위상
Figure 112007035465969-pat00043
은 다음의 수학식Phase of interfering signal
Figure 112007035465969-pat00043
Is the following equation
Figure 112007035465969-pat00044
5)
Figure 112007035465969-pat00044
5) 으로부터 구하며, From 광주파수 변화값
Figure 112007035465969-pat00045
을 연산하는 과정에 있어서, Optical frequency change
Figure 112007035465969-pat00045
In the process of calculating 파장 가변 레이저의 연속적 광주파수 변화를 나타내는 값
Figure 112007035465969-pat00046
은 Value indicating continuous optical frequency change of tunable laser
Figure 112007035465969-pat00046
silver 다음의 수학식을 통해 Through the following equation
Figure 112007035465969-pat00047
6)
Figure 112007035465969-pat00047
6)
Figure 112007035465969-pat00048
간섭계의 두 팔의 길이 차이이고,
Figure 112007035465969-pat00048
Is the difference in the length of the two arms of the interferometer,
Figure 112007035465969-pat00049
진공상태에서 빛의 속도.
Figure 112007035465969-pat00049
Speed of light in a vacuum.
Figure 112007035465969-pat00050
빛이 진행하는 매질인 광섬유의 굴절률.
Figure 112007035465969-pat00050
Refractive index of optical fiber, the medium through which light travels. 구하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템.A system for measuring the nonlinear frequency change of a tunable laser, which is obtained. 제 7항 또는 8항에 있어서, 상기 광주파수 변화값을 연산하는 과정을 통해 얻어진 광주파수 변환값을 미분(
Figure 112006008105015-pat00051
)하여 광주파수 변환율
Figure 112006008105015-pat00052
을 구하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 시스템. The method of claim 7 or 8, wherein the derivative of the optical frequency conversion value obtained by calculating the optical frequency change value
Figure 112006008105015-pat00051
By optical frequency conversion rate
Figure 112006008105015-pat00052
Measuring system for non-linear frequency change of the tunable laser, characterized in that further comprising the step of obtaining. 연속적인 광주파수 변화를 측정하고자 하는 파장 가변 레이저(10)를 간섭계에 연결하여 간섭계의 경로차에 의한 시간에 따른 간섭 신호
Figure 112007035465969-pat00053
를 얻어 내는 과정과, Interference signal with time due to the path difference of the interferometer by connecting the tunable laser 10 to measure the continuous optical frequency change to the interferometer
Figure 112007035465969-pat00053
The process of obtaining 간섭신호를 Hilbert 변환하여 임의의 신호를 구하는 과정과, (수학식 4) Hilbert transform the interference signal to obtain a random signal, and (Equation 4) 상기 간섭신호
Figure 112007035465969-pat00082
와 상기 Hilbert 변환으로 얻어진 임의의 신호로부터 간섭 신호의 위상
Figure 112007035465969-pat00054
을 얻어내고 이것으로부터 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화 값을 연산하는 과정과, The interference signal
Figure 112007035465969-pat00082
And the phase of the interfering signal from any signal obtained by the Hilbert transform
Figure 112007035465969-pat00054
Calculating the value of the continuous optical frequency change over time of the tunable laser, 상기 간섭신호의 위상으로부터 파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 광주파수 변화값
Figure 112007035465969-pat00055
을 연산하는 과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 방법.Continuous change of optical frequency with time of the tunable laser from the phase of the interference signal
Figure 112007035465969-pat00055
Method for measuring the non-linear frequency change of the tunable laser, characterized in that it comprises a step of calculating a. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 간섭신호
Figure 112007035465969-pat00083
는 다음의 수학식을 통해 구하고, The interference signal
Figure 112007035465969-pat00083
Is obtained from the following equation,
Figure 112007035465969-pat00056
3)
Figure 112007035465969-pat00056
3)
Figure 112007035465969-pat00057
Figure 112007035465969-pat00058
는 각각 간섭 신호의 크기와 위상 상수.
Figure 112007035465969-pat00057
Figure 112007035465969-pat00058
Are the magnitude and phase constant of the interfering signal, respectively.
Figure 112007035465969-pat00059
간섭계의 두 팔의 길이 차이에 해당하는 빛이 진행하는 시간.
Figure 112007035465969-pat00059
The time the light travels, which corresponds to the difference in the length of the two arms of the interferometer.
Figure 112007035465969-pat00060
파장 가변 레이저의 시간에 따른 연속적인 주파수 변화.
Figure 112007035465969-pat00060
Continuous frequency change with tunable laser over time. 상기 간섭 신호
Figure 112007035465969-pat00061
를 Hilbert 변환하여 임의의 신호를 구하는 과정에 있어서, 다음의 수학식과 같이 구하며, The interference signal
Figure 112007035465969-pat00061
In the process of obtaining an arbitrary signal by Hilbert transforming, it is obtained by the following equation,
Figure 112007035465969-pat00062
(;수학식 4)
Figure 112007035465969-pat00062
(Equation 4) 간섭 신호의 위상
Figure 112007035465969-pat00063
을 구하는 과정에 있어서, Phase of interfering signal
Figure 112007035465969-pat00063
In the process of finding 간섭 신호의 위상
Figure 112007035465969-pat00064
은 다음의 수학식Phase of interfering signal
Figure 112007035465969-pat00064
Is the following equation
Figure 112007035465969-pat00065
5)
Figure 112007035465969-pat00065
5) 으로부터 구하며, From 광주파수 변화값
Figure 112007035465969-pat00066
을 연산하는 과정에 있어서, Optical frequency change
Figure 112007035465969-pat00066
In the process of calculating 파장 가변 레이저의 연속적 광주파수 변화를 나타내는 값
Figure 112007035465969-pat00067
은 Value indicating continuous optical frequency change of tunable laser
Figure 112007035465969-pat00067
silver 다음의 수학식을 통해 Through the following equation
Figure 112007035465969-pat00068
6)
Figure 112007035465969-pat00068
6)
Figure 112007035465969-pat00069
간섭계의 두 팔의 길이 차이이고,
Figure 112007035465969-pat00069
Is the difference in the length of the two arms of the interferometer,
Figure 112007035465969-pat00070
진공상태에서 빛의 속도.
Figure 112007035465969-pat00070
Speed of light in a vacuum.
Figure 112007035465969-pat00071
빛이 진행하는 매질인 광섬유의 굴절률.
Figure 112007035465969-pat00071
Refractive index of optical fiber, the medium through which light travels. 구하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 방법.The measurement method of the nonlinear frequency change of a tunable laser characterized by the above-mentioned. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 광주파수 변화값을 연산하는 과정을 통해 얻어진 광주파수 변환값을 미분(
Figure 112006008105015-pat00072
)하여 광주파수 변환율
Figure 112006008105015-pat00073
을 구하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 레이저의 비선형 주파수 변화의 측정 방법.12. The method of claim 10 or 11, wherein the optical frequency conversion value obtained through the process of calculating the optical frequency change value is differentiated (
Figure 112006008105015-pat00072
By optical frequency conversion rate
Figure 112006008105015-pat00073
Method for measuring the non-linear frequency change of the tunable laser, characterized in that it further comprises the step of obtaining.
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