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광통신용 수동소자기술 동향
2001.9.10
전자부품연구원
임 영 민
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
21세기 유망핵심부품 기술 세미나
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
목차
§ WDM 전송시스템에서의 수동광부품
§ 수동광부품의 기술별 분류
§ 단위 부품 개요
§ 결언
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
* 적용 예
Er+ Doped Fiber
WDM Coupler
Isolator
1.48 um LD
GFFIsolator
1.48 um LD
EDFA
OADM
MUX/DEMUX
Transmitter
Switch
Receiver
MUX
EDFA
OADM DEMUX
WDM 전송시스템에서의 수동광부품
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
구분 Fiber Optics Micro Optics Waveguide Optics
Isolator, Circulator,Collimator
O
DWDM O O O
OADM O O O
Attenuator O O O
Interleaver O O O
Wavelength Locker O O O
Tunable Filter O O O
Switch O O
Power Splitter(Coupler)
O O
PM Compensator O O
Modulator O O
수동광부품의 기술별 분류
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
Collimator & 광아이솔레이터
* 광섬유에서 나온 광을 평행광으로 만들거나
평행광으로 입사한 빛을 광섬유로 집속 시키
는 광부품으로 광감쇠기, 광아이솔레이터, 광
서큘레이터등의 광섬유 소자의 핵심부품
* 대표기업 -국내:삼성 SCM, 한요 텔레콤
-국외: Casix
Fiber
Glass orCeramic Ferrule
GRINLens
Tube
* 광전송시스템의 각종부품 및 경계면에서 반사되어 전
송 광신호와 간섭을 유발 시킴 으로서 광전송시스템 전
체의 성능을 저하시키는 역반사 잡음 광신호를 제거하
기 위한 소자
* 대표기업 -국내:삼성 SCM, 한국단자
-국외: JDS uniphase, FDK, Oyokoden
Faraday Rotator
Collimator복굴절판 Collimator
Magnet
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DWDM Devices
Thin Film Waveguide Fiber Grating
Performance-used for WB and NB-Good for low channel count
-50 GHz application with high channelcount
-Great for low channel count applications
Reliability
-passive-Reliability only Dependnt on Packaging
-requires heater or temperature stabilizer package
-requires heater or temperature stabilizer package
Cost / UnitTo manufacture
-Effective for low Channel counts
-Great for high Channel counts
-provides a hybrid solution for low channel counts
Application-MUX/DEMUX-Fixed OADM-Wideband EDFA
-MUX/DEMUX -MUX/DEMUX-Tunable OADM
* Key Network component : DWDM Filter
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• Ge이 도핑된 감광성 광섬유에 Mask를 대고
Laser 광을 조사하여 주기적인 격자형태의 굴
절율 변화를 주어 특수파장에서 반사되는 성질
을 이용함.
• 신뢰성(온도 안정성) 확보 필요함
Drop λ2
λ1, λ2, λ3 λ2
λ2
Fiber Bragg Grating
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• 유리 기판 위에 박막 간섭형 필터를 형성
하여 특수 파장은 통과시키고 나머지 파장
은 반사 시키는 기능 소자
• 삽입손실이 큼
Input Signalλ1∼ λ8
Dual FerruleGRIN Lens
DWDM Filter at λ4
Transmitted Signal λ4
Single Ferrule
Reflected Signalλ1, λ2, λ3, λ5, λ6, λ7, λ8
박막간섭형 Dense WDM 광필터
F-100-1: Transmittance
Wavelength
Tr
an
sm
it
ta
nc
e
(%
)
1549.01549.21549.41549.61549.81550.01550.21550.41550.61550.81551.0
0
25
50
75
100
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Arryed Waveguide Grating (AWG)
1xN AWG Mux/Demux
• Si 기판 위에 Arrayed Waveguide를 배열하여
입사 되는 광신호를 각각의 채널로 MUX/DEMUX 시키는
반도체 공정을 이용한 기능성 소자
• 신뢰성(온도 안정성) 확보 필요함
• 채널간 Crosstalk 해결 필요
• 패키징 안정성 필요
• Athermal AWG와 256채널이상의 AWG와 폴리머를
이용한 AWG에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
• 대표기업 -국외: NEL
-국내: 피피아이, 우리로 광통신
휘라 포토닉스
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Fused Region
Up TaperDown Taper
Fused Fiber Coupler
All-Fiber Mach-Zehnder Interferometer
Two coupler combined
λ1λ9λ5λ13λ3λ11λ7λ15λ2λ10λ6λ14λ4λ12λ8λ16
λ1,λ2,λ3,...
...,λ14,λ15,λ16
λ1,λ3,λ5,...λ13,λ15
λ2,λ4,λ6,...λ14,λ16
λ1,λ5,λ9,λ13
λ3,λ7,λ11,λ15
λ2,λ6,λ10,λ14
λ4,λ8,λ12,λ16
λ1,λ9
λ5,λ13λ3,λ11
λ7, λ15λ2, λ10
λ6, λ14λ4, λ12
λ8, λ16
Example of 1x16 Multiplex
For N wavelength, N-1 coupler needed
Fused Fiber Coupler type DWDM Device
• Fused fiber Mach-Zhender interferometers(MZI)를 cascade 형태로 연결하여 입력된
광신호를 각각의 채널로 DEMUX 시키거나 각각의 채널로 입사된 광신호를 하나의
광섬유로 MUX 시키는 광소자.
• Wave splitter, SLT
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
TYPE1996 2000 2005
$Mil % $Mil % $Mil %
Thin film interferometer 11.85 22 91.2 35 287 36
Bragg Fiber Grating 3.60 7 44.9 17 182 23
Array WaveguideGrating
36.35 67 116.5 45 307 39
Other Thechnology 2.45 5 6.7 3 16 2
Total 54.25 100 259.3 100 792 100
Source:Electroniccast Corp.
세계 DWDM Device 시장현황
* 국내 : 2000년 - 150억원, 2005년 - 500억원
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Drop Add Drop Add
λ1 ������ λn λ1 λn������circulator
• Mach-zehnder형태의 arm에 동일한 격자를 형성하여 광신호를 추출
혹은 추가할 수 있는 OADM(Optical Add-Drop Multiplexer)을 구성함.
• 캐스케이드 형태의 광섬유격자와 광서큘레이터를 이용하여 광신호를추출 혹은 추가함.
Fiber Optics type OADM
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• 박막 간섭 필터를 사용하여 구현.
• 신뢰성이 우수.
• 대표 기업 -국외: JDS uniphase, Dicon
-국내: 한국단자, Fibernett
Inputλ1
A, λ2, λ3, λ4
Drop portλ1
A
Outputλ1
B, λ2, λ3, λ4
Add portλ1
B
Micro Optics type OADM
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DROPADD
DEMUX MUX
Transponder( Rx + Tx)
2x2 switches
...
Waveguide type OADM
* ADM (add/drop multiplexer)은 WDM (파장 다중화) 광통신을 실현시키기 위해 반드시
필요 되는 소자로서 기능성 부품 중에서 시장 규모가 가장 큰 소자임.
* 임의의 WDM 채널 파장을 Add 또는 Drop 할 수 있는 Multiplexer
• 신뢰성(온도 안정성) 확보 필요함
• 채널간 Crosstalk 해결 필요
• 패키징 안정성 필요
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국내외 기술동향
-국내
* 단일 채널 필터가 상용화되어 FBG, AWG 등을
이용한 고정형 다채널 ADM에 관한 연구 중이나
아직 신뢰성 확보가 되지 않았으며, 비교적 신
뢰성이 우수한 박막형의 경우 연구초기 단계
-국외
* 현재 fixed multi-channel (고정형 다채널) Add/Drop filter 또는 multiplexer가 상용화 단계에 이르렀으며 파장 가변형 ADM 구현을 위해 박막형, FBG, AWG등을 이용한 방식 연구중
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1997 1998 1999 2000 2001 2002
5691
127
198
258
361Million $
Yr.
IGI Consulting, 1998.
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• 가변 광 감쇠기는 입력되는 광 파워 레벨를 조절하는 역할을 하며 주로 EDFA를 통과한 광의
세기를 조절하거나 OADM에서 각 채널의 광 파워 레벨를 조절한다.
•신뢰성(온도 안정성) 필요
•패키징 안정성 필요
- Variable Optical Attenuator
DROPADD
DEMUX MUX
EDFAEDFA
Transponder( Rx + Tx)
2x2 switches
VOA
VOA...
- OADM에서 VOA의 사용 예
Variable Optical Attenuator(VOA)
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국내외 기술동향
-국내
* 한국단자,포앤티를 중심으로 감쇠필터를 사용
한 가변광감쇠기가 상용화되었으며 실리카 PLC
를 이용한 전압 가변형은 전자부품연구원에서 연
구중에 있다
-국외
* 영국의 Nortel사는 Mach-Zehnder형 실리카
광도파로를 cascade로 연결하여 가변광감쇠기연구를 수행하고 있으며, 현재 기능샘플을 제작중에 있다. 그러나 파장범위가 한정되어 있고 소비전력이 커 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.* JDS Uniphase사는 Faraday Rotator를 사용한 가변광감쇠기 연구를 수행하고 있다98 IGI consulting inc. 자료 인용
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Fiber Bragg Grating type Wave Locker
•사용하는 파장대의 광원의 출력부분에 광섬유격자를 형성하여 파장locking기능을 수행함.
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• LD에서 나오는 신호의 일부를 추출하여 간섭 필터를 지나게 한 후 두 개의 PD로 각각의 신호를
검사하여 PD(a)와 PD(b)의 값이 다를 경우 같아 질 때까지 LD의 온도를 변화 시켜 파장을 일정하
게 유지함.
Optical
output
Frequency [GHz]
PD (a)PD
(b)
Locking frequency
Micro Optics type Wavelength Locker
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국내외 기술동향
-국내
* 전자부품연구원에서 etalon filter를 이용한 외장형 다채널 wavelength locker에 관한 연구를 수행중.
-국외
* Santec 社, JDS Uniphase 社 등에서 외장형 단채널wavelength locker를 상품화
* JDS Uniphase 社 등에서 외장형 다채널wavelength locker를 상품화
* Nortel 사 등에서 내장형을 상품화
<내장형>
<외장형>
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Fig. 1. Schematic of the package
micrometer spring k1spring k2
aluminiumInvar
Ferrulegratingsoptical fiber pusher
-75
-70
-65
-60
-55
-50
-45
-40
1552 1553 1554 1555 1556 1557
Bragg w avelength (nm)
pow
er
(dB
m)
Tunable Filter(Fiber Bragg Grating type)
• 일정한 중심파장을 갖는 광섬유를 제작한 후에 물리적인 tension을 가하여
비례적으로 중심파장을 움직이게 함으로서 파장가변을 시킴.
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Acousto-Optic Tunable Filter
λ1, λ2, λ3 , λ4 , λ5
input
λ2, λ4 , λ5
output
λ1, λ3
Drop signal
Tilted thin-film SAW guide
PBS
IDT(Inter digital transducer) f1,f3
Control signal(RF)(170~180MHz)
TETM TE
TE
TM
TM TMTE
LiNbO3
PBS : Polarization Beam Splitter
Fujitsu
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Optical switch
8x8 Optical Matrix Switch
8-Arrayed 2x2 Optical Switch
Logical Arrangement Switching Unit Configuration
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• 스위치는 광 네트워크 상에서 광신호 경로를 변화 시키는데 주로 사용되어진다.
특히 OADM 에서 광신호를 Add하거나 Drop하는데 있어서 필수적인 소자이다.
• 신뢰성(온도 안정성) 필요
• 패키징 안정성 필요
• Power 소비가 크고 동작속도가 늦은 단점을 갖고 있어 이를
개선하기위한 연구가 진행중이다
• 저가격화를 위해 폴리머를 이용한 스위치 연구중
Thermo-optic Switch
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국내외 기술동향
-국내
* 피피아이, 우리로 광통신에서 실리카를 이용한
thermo-optic switch에 대한 연구가 진행 중이며 전자
부품연구원에서는 Lithium Niobate switch에 대한 연구
중에 있다.
국외
* JDS Uniphase사에서 Mach-Zehnder interferometer를 이용한 1x2, 2x2, 1x4 그리고 1x8 optical switch와4 array를 가지는 2x2 thermo-optic switch를, NEL 사는 8x8 switch 와 8 array를 가지는 2x2 switch를 판매하고 있다
*MEMS를 이용한 switch와 LiNbO3를 이용한 switch에대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Optcial Components Markets: 2000-2004 자료인용
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Dispersion Compensation
• 장파장은 광섬유격자의 앞부분에서 반사 시키고 단파장은 뒷부분에서 반사 시킴
으로서 출력파장의 속도가 같게 하여 분산을 보상함.
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PM Compensation
그림1. 편광위상 속도차에 의한 전송 후 편광모드분산
그림 2. 편광모드분산이 보상되지 않았을때(왼쪽 Eye-pattern)와 보상되었을 때(오른쪽 Eye-pattern)
• PMD란 서로 다른 편광모드의 속도차에 의한 신호파워의 분산으로 신호간 간격이 좁아지는 10Gbps이상에서 피할 수 없이 발생하는 문제로 반드시 극복되어야 함.
[email protected] Korea Electronics Technology InstituteKorea Electronics Technology Institute
LN wafer상에 mode converter와 phase shifter를 집적화한 개략도
국내외 기술동향
-국내
* 시스템차원의 연구는 진행되나 소자에 대한 연구는 진행되지 않고 있음. 주로 분산보상 알고리즘에 대한 연구가 진행됨.
-국외
* 미국,독일,스위스등에서 Half-Wave Plate 또는Quarter-Wave Plate를 이용하여 편광분산을 보상하고자 하며 Liquid Crystal를 이용하여 보상에 성공한 바가 있음.
* 독일을 중심으로 LiNbO3나 LiTaO3 같은 강복굴절물질을 이용,집적화된 편광분산보상기에 대한 연구가 활발히 진행됨.
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Optical Modulator
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• 외부로부터 전계를 인가하여 빛의 강도를 변환시키는 소자로서 초고속변조가 가능하며
광대역 신호전송에 사용함
• 광통신시스템에서 변조동작은 전송하고자 하는 정보는 송신부에서 적절한 형식으로 변조된
후에 정보채널을 통해 수신부로 전송되는데, 각종 메시지원인 전기적인 신호를 광신호로
바꾸어 주는 부분에 사용되는 핵심부품
•응용분야 : 초고속광 대역통신망, 광계측기기, 광LAN, 광CATV
RF PORT(SMA CONNECTOR) TERMINATION(SMA)
BIAS PORT(SMA CONNECTOR)
OUTPUT
SMFFIBER
Ti INDIFFUSEDWAVEGUIDETRAVELLING WAVE
ELECTRODE
Z-CutLiNbO3
PMFFIBER
INPUT
Optical Modulator
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GratingInGaAsPMultiquantum
Well Layers
TrenchElectroabsor
ption-
modulated
laser
p-InP/InGaAsCurrentBlockingLayers
Distributed
feedback
laser section
n-InP substrate
Low driving voltage(2~3V)
No polarization maintaining fiber
Compact, Cost-effective, Integrated with LD
Lucent tech, Alcatel, Samsung Elec.
•EA Modulated DFB laser(III-V) •LiNbO3 Modulator
High speed (2.5~40Gbps)
Polarization dependents(PMF required)
Adjustable chirp, Long distance transmission
Lucent tech, Sumitomo cemement,GEC …
Optical Modulator
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결언
§ 수동 광부품의 경우 JDS uniphase 와 NEL 등이 독주
§ 미국 경기 불황으로 광부품 업체가 위축된 상황이나
§ 경기 회복기간은 1년 정도로 내다 보임
§수동광부품의 핵심은 패키징 기술로서 cost를 줄이기 위한
§ 자동화 설비 개발 필요.
§기술 Infra 구축 필요(소재, 부품, 모듈, 시스템 연계 강화)
§기술 특화를 통한 경쟁력 강화