KR100745749B1

KR100745749B1 - 광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100745749B1
Application number: KR1020020022704A
Authority: KR
Inventors: 김아정
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2007-08-02
Also published as: US20080232799A1; EP1357683A3; EP1357683B1; KR20030084155A; JP2004007522A; JP3981337B2; CN1453945A; US7379669B2; CN1266851C; US20030231601A1; DE60327575D1; EP1357683A2

Abstract

본 발명은 광섬유 - 라디오 혼합 통신 시스템을 구현하여, 광 밀리터리 신호를 발생시킴으로서 양방향 통신을 가능하게 하는 장치와 방법에 관한 것으로, 마스터 레이저(master laser)로 쓰이는 레이저에서 나온 강한 빛을 인가시켜 다른 레이저의 신호를 락킹(locking)시키고 중간 주파수 로컬 오실레이터로 시프팅(shifting)시킨 후 발생된 신호들 중 비데이터 모드의 신호를 원거리 기지국에서 다이플렉싱(diplexing)시켜 고주파 로컬 오실레이터 없이 업링크(uplink) 신호 전송의 신호원으로 재 사용하는 광대역 광섬유-라디오 시스템의 양방향 통신 시스템에 대한 특허이다.

본 발명에 따르면, 광섬유-라디오 전송 시스템에 있어서 광 밀리미터/마이크로파를 전송할 때 두개의 레이저와 저가의 중간 주파수 로컬 오실레이터를 사용하여 발생한 신호들 중 근접 위성 사이드 모드(satellite side mode)를 다이플렉싱(diplexing)시켜 업스트림(upstream) 신호로 변조시켜 사용하므로 인하여 양방향으로 통신할 수 있는 효과가 있다. 다이플렉서(diplexer)를 사용함으로써 값비싼 고주파 대역의 믹서나 로컬 오실레이터의 사용을 배제한 경제적인 효과도 있다.

Description

광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 장치 및 방법 {Method and apparatus for duplex communication in optical fiber-radio hybrid system}

도 1은 중앙 기지국 장치의 구성도이다.

도 2는 원거리 기지국 장치의 구성도이다.

도 3은 송신 방법에 대한 흐름도이다.

도 4는 수신 방법에 대한 흐름도이다.

도 5는 본 발명에 따른 광신호들의 스펙트럼도이다.

도 6은 본 발명에 따른 무선 주파수 신호들의 스펙트럼도이다.

도 7은 본 발명에 따른 무선 주파수 신호들에 대한 시험 결과로서 F-P 인페로미터의 출력도이다.

도 8은 본 발명에 따른 무선 주파수 신호들에 대한 시험 결과로서 스펙트럼 애널라이저의 출력도이다.

본 발명은 광섬유 - 라디오 혼합 통신 시스템에 있어서, 광 밀리터리 신호를 발생시켜서 양방향 통신을 가능하게 하는 장치와 방법에 관한 것이다.

동영상 서비스가 가능한 무선인터넷 등 인터넷 사용의 폭주와 무선 접속의 증가 추세에서 기존의 무선 주파수 자원이 고갈되고 있는 상황 하에, 보다 향상된 광대역 서비스할 수 있는 제 4 세대 무선 통신에 필요성이 급증하고 있다. 따라서 이에 적합한 30~300GHz대역의 주파수 자원을 이용하는 밀리미터파 통신이 종래 위성, 군사용 등 한정된 특정 분야에서의 관심에서 벗어나 광대역 통신 시스템으로서 관심을 모아 다각도의 연구가 진행되고 있다.

밀리미터파 신호를 이용한 통신도 기간 망은 광섬유를 통한 유선통신의 형태가 바람직하다. 기간 통신망은 외부의 변화에 관계없이 통신 선로로서의 기능을 수행하여야 하기 때문이며, 광대역, 저 손실 광섬유를 통한 유선 통신이 기존의 광섬유 기간 통신망을 활용할 수 있다는 부가적인 장점도 가진다. 기술적인 측면에서도 광섬유 증폭기의 상용화로 광대역 광신호의 증폭이 손쉽게 이루어질 수 있을 뿐만 아니라 전기적인 증폭에 비하여 경제적이다.

더욱이 광 증폭기의 출현으로 광 손실이 최소인 1550 nm 파장대역에서 다수의 광 채널을 통해 전송하는 파장분할 다중 전송방식인 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 방식 통신이 실용화되면서, 획기적으로 전송용량이 증가하게 되어 광섬유를 이용한 통신 방식과 통신망의 경제성과 유용성이 제고되고 있다. 이러한 기술 발전 추세에 비추어, 광섬유를 통한 밀리미터파 신호의 전송에 WDM 방식을 결합하는 것은 밀리미터파 기술과 광통신 방식의 장점을 동시에 구현할 수 있는 중요한 계기가 될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같이 밀리미터파를 이용한 무선 통신 기술은 IMT-2000 이후 광 대역 통신을 가능하게 하는 4세대 무선 통신의 기반 기술인데, 고주파 무선 시스템에서 전송거리 제한 등의 한계와 광대역 요구 등을 극복하기 위해 기존의 광대역 유선 통신망과의 연계가 필요하다고 보여지는 바, 광섬유와 밀리미터파 무선 장치와의 접속 기술과 광 밀리미터파의 발생 기술 등이 요소 기술로 필요시 되고 있다.

이러한 광섬유-라디오 혼합 시스템에서 광 밀리미터파를 발생시켜 전송하는 방식은 탁월한 이점을 가지고 있다. 이는 중앙 기지국(Central Station)에서 광을 이용해서 원하는 밀리미터파 소스(source)를 만들고, 그 광원을 변조를 하여 신호를 보내면 원거리 기지국(Remote Base Station)에서는 단순히 광전(O/E)변환과 안테나만 있는 방식으로서, 피코 셀(pico-cell)개념의 통신망상 수많은 원거리 기지국의 로드를 줄이게 되어 경제적이고 효율적이다. 채널 할당 제어 기능 등의 로드를 어느 정도 중앙 기지국에 부과하여 중앙화된 시스템을 설치할 수 있다. 일단 변복조하지 않고 전파대로 전송하므로 무선 기지국이 여러 가지 전파형식에 대한 범용성을 대비하기 쉽게 되어 전파 형식 변경과 신설에 대해서 유연성을 가지게 된다. 또한 채널 할당 제어가 가능하게 될 뿐 아니라 핸드-오버(hand-over) 제어의 간이화, 고도화도 가능해지고, 가입자 수용 능력의 향상을 기대할 수 있다. 이동 통신용 안테나 제어에 필요한 많은 기능을 중앙 기지국에 집결시키므로 안테나 위치 선정, 관리 보수 등의 문제를 해결할 수 있다.

상기한 바와 같이 설비의 중앙 집중화를 통한 시스템 구축 비용 절감과 시스템의 효율적인 구축 및 관리라는 이점 때문에 광 밀리미터파 발진 전송방식은 이동 통신이나 B-WLL(Broad-Wireless Local Loop, 광 무선 가입자 회선)과 같은 무선 가 입자 망에 적용시키고자 하고 있다.

종래의 고주파 광섬유-라디오 전송 시스템에서 가장 큰 문제는 반송 주파수로의 변환이다. 무선 주파수(Radio Frequency) 반송 주파수로 상승/하강 변환(up/down conversion)하는데 있어 고가 장비를 필요로 한다. 이에 대한 시스템 옵션은 광 반송 주파수에 따라 베이스밴드 신호 전송, 중간 주파수(Intermediate Frequency, IF) 신호 전송, 광 밀리미터파 전송이 있다.

즉, (a) 베이스밴드 자체를 IMDD(Intensity Modulation Direct Detection, 진폭 변조 직접 검출)방식으로 직접 원거리 기지국에 전송, 원거리 기지국에서 기존의 방식처럼 밀리미터파를 발생시켜 처리하는 방식, (b) 낮은 주파수대의 무선 주파수 신호에 전기적으로 변조시킨 신호를 레이저에 직접 변조를 하여 전송한 뒤 원거리 기지국에서 광전(O/E)변환만을 하고 변조 없이 상승 변환(up conversion)만을 하여서 처리하는 방식, (c) 중앙 기지국에서 광을 이용해서 원하는 밀리미터파 소스를 만들고, 그 광원에 변조를 하여 보내서 원거리 기지국에서는 단순히 광전(O/E)변환과 안테나만 있는 방식이 있다.

(a)와 (b)는 현재 개인 무선 이동통신에 사용되고 있는 방법으로서 저주파 무선 주파수에서는 간단한 방법이나 고주파의 경우 무선 주파수 상승/하강 변환(up/down conversion)시 다수의 서브 무선 주파수 오실레이터가 필요로 하다. 따라서 복잡해지고, 또한 원거리 기지국에 full SDH(Synchronous Digital Hierarchy, 동기 디지털 계층)에 적정한 장비가 요구된다. 고주파수로 갈수록 직접 변조 방식의 효율도 떨어지게 된다. 또한 무선 고주파 통신에 있어서, 원거리 기지 국에 고가의 고주파 믹서와 로컬 오실레이터가 필요로 하는데, 셀의 크기가 작아 다수의 원거리 기지국이 존재한다는 것을 고려하면 비경제적인 시스템 구축이 될 수 있다.

(c)는 중앙 기지국과 제 1 원거리 기지국간에 광섬유로 접속되고, 원거리 기지국에서 수신된 무선신호가 그 전파 형식을 보존한 채로 중앙 기지국에 전송된다. 그리고 채널 할당 제어 기능 등의 로드를 어느 정도 중앙 기지국에 부과하여 중앙화된 시스템을 설치하는 것이다. 일단 변복조하지 않고 전파대로 전송하므로 무선기지국이 여러 가지 전파형식에 대한 범용성을 대비하기 쉽게 되어, 전파 형식 변경과 신설에 대해서 유연성을 가지게 된다. 또한 채널 할당 제어가 가능하게 될 뿐 아니라 핸드-오버(hand-over) 제어의 간이화·고도화도 가능해지고, 가입자 수용 능력의 향상을 기대할 수 있다.

이러한 장점들에 반해 (c)의 광 밀리미터파에 대해 업스트림(upstream) 전송의 경우, 원거리 기지국에 광 밀리미터파 발생이 필요하다는 점으로 인해, 양방향 통신에 적용하기 어렵다는 문제가 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상기한 광섬유 - 라디오 혼합 시스템에 있어서, 광 밀리미터파 발진 전송방식에서 광 밀리미터 신호를 발생시켜서 양방향 통신시키는 장치와 방법을 제공하는데 있다.

특히, 무선 주파수 주파수 변환이 가능하며 발생된 모드(mode, 광 펄스가 클래드 벽에 어떤 특정한 각도로 부딪쳤을 때 위상이 일치하는 파가 생겨서 소멸하 지 않고 전송되는 펄스의 그룹)중, 하나를 다이플렉서(diplexer)를 사용하여 주파수 분리하여 반대 방향 통신의 하강 변환(down conversion)시 사용하여서, 값비싼 고주파 대역의 믹서(mixer)나 로컬 오실레이터(local oscillator)의 사용을 배제한 효율적인 방법을 제공하는데 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 마스터 레이저(master laser)로 쓰이는 레이저에서 나온 강한 빛을 인가시켜 다른 레이저의 신호를 락킹(locking)시키고 중간 주파수 로컬 오실레이터로 시프팅(shifting)시킨 후 발생된 신호들 중 비데이터 모드의 신호를 원거리 기지국에서 다이플렉싱(diplexing)시켜 고주파 로컬 오실레이터 없이 업링크(uplink) 신호 전송의 신호원으로 재 사용하는 광대역 광섬유-라디오 시스템의 양방향 통신 시스템에 대한 특허이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 광섬유 - 라디오 양방향 통신 시스템 중 중앙 기지국 장치의 구성도이다.

마스터 레이저(Master Laser)와 슬레이브 레이저(Slave Laser)로 구성되어 있다. 중간 주파수대의 무선 주파수(Radio Frequency)를 발생시키는 무선 주파수 소스부(11)는 마스터 레이저부(12)에 연결되어 직접 변조 방식에 의해 마스터 레이저 다이오드를 변조시킨다. 이때 마스터 레이저에서 나온 광 신호를 슬레이브 레이저부(16)에 인가시켜 슬레이브 레이저 다이오드를 변조시킨다. 상기의 인가는 광 서큘레이터부(17)의 라우팅에 의하여 이루어진다.

QPSK 변조부(14)의 변조 신호와 로컬 오실레이터부(13)의 발생 신호를 믹서부(15)에서 혼합한다. 상기 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, 직교 위상 천이 변조)는 일종의 디지털 주파수 변조 기술로서 두 값의 디지털 신호의 0과 1의 2비트를 모아서 반송파의 4위상에 대응시켜 전송하는 방식으로서, 본 발명에서는 사용자가 광섬유-라디오 시스템을 통하여 전송하고자 하는 소스 데이터를 본 발명에 적용할 수 있는 형식의 데이터로 변조시키는 역할을 한다.

베이스밴드의 상기 혼합 신호도 슬레이브 레이저부(16)에 인가시켜 슬레이브 레이저 다이오드를 변조시킨다. 상기 레이저 다이오드를 변조시킴으로서 슬레이브 레이저부(16)에서 발생된 신호는 무선 데이터 소스 신호로부터 기인된 비데이터 모드 신호와 사용자 소스 데이터로부터 기인된 데이터 모드 신호로 구성되고, 이것들은 광서큘레이터(17)의 라우팅을 거쳐 광섬유로 전송된다. 즉, 마스터 레이저에서 발생한 광 신호는 광 서큘레이터(optical circulator)를 통해 슬레이브 레이저로 되 먹임(backward feeding)되도록 설치되어 있는 구조이다.

마스터 레이저에서 발생한 광 신호는 슬레이브 레이저로 인가되는데 인가 장치로 광 서큘레이터외에 아이소레이터(isolator)를 단 커플러(coupler)를 사용할 수 있다. 상기한 구조의 작동을 위해 슬레이브 레이저로는 내부 아이소레이터(internal isolator)가 없이 패키징(packaging)된 FP-LD나 DFB-LD로서 외부로부터의 광신호의 인가가 가능하도록 제작되었다. 마스터 레이저로부터 내부적으로 고립된 DFB-LD를 사용하거나 선택적 FP-LD를 사용한다. 특히 인터넷 등의 부가서비스를 실현시키기 위해서는 필히 양방향 장비를 설비해야 하는데 송신기에 는 상향신호를 송신할 수 있는 상향 송신 모듈을 장착해야 한다. 상향 송신 모듈에는 레이저 다이오드(LD)가 사용되는데 일반적으로 FP와 DFB 타입이 있다. 인터넷 등 디지털 신호만 송출하는 경우에는 FP LD을 사용하는데 현장 생중계 등 아날로그 방송신호 등을 송출할 경우에는 DFB LD를 사용해야 한다.

이 밖에 중앙 기지국 장치의 구성 요소에는 광섬유로부터 전송된 수신 신호를 검출하는 수신 광검출부(18)가 있다.

도 2는 광섬유 - 라디오 양방향 통신 시스템 중 원거리 기지국 장치의 구성도이다.

상기 슬레이브 레이저부(16)에서 발생한 광신호들은 광섬유를 지나 원거리 기지국에서 광전 변환부(21)를 거쳐 전기적 송신 신호로 된 후, 일종의 주파수 분리기인 다이플렉서(diplexer, 22)를 이용해 무선 주파수 소스 신호가 포함된 비데이터 모드 신호와 사용자의 소스 데이터가 포함된 데이터 모드 신호로 주파수 분리하고, 상기 데이터 모드의 신호는 무선 송신부(23)로 보내 무선 송신 신호로 변환해 준 후, 전파를 브로드캐스트(broadcast)한다.

업링크(uplink)의 통신은 안테나에서 수신한 신호를 무선 수신부(24)에서 전기적 수신 신호로 바꿔 준 후, 상기 다이플렉서(22)를 이용해 주파수 분리한 비데이터 모드의 신호를 로컬 오실레이터 대신 하강 변환(down conversion)시 주파수 천이 혼합(frequency shifting mixing) 신호로 이용하여 믹서부(25)에서 상기 전기적 수신 신호와 혼합한다. 상기 혼합된 중간 주파수 신호는 Tx(송신기)에 해당하는 송신 레이저(26)로 인가, 변조시켜 광섬유로 전송한다.

이후 중앙 기지국의 Rx(수신부)에 해당하는 수신 광검출부(18)에서 수신한다. 업링크와 다운링크의 광신호 분리는 WDM coupler(하나의 광섬유에 서로 다른 여러 파장의 광신호를 동시에 전송시켜 전송 용량을 확대한 것을 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing, WDM)이라하고, 상기 WDM 커플러는 광 신호를 여러 개의 분기수로 나누어 출력 단의 광섬유로 분배하여 주거나 결합하는 기능을 하는 부품으로 주로 광 증폭기나 WDM 전송 시스템에 활용되고 있다)를 이용해 가능하다.

구성 요소 중 가장 앞단의 전기적 무선 주파수 소스부(11)는 발생 신호의 안정화를 위한 장치이다. 제곱 법칙을 따르는 직접 검출 방식의 수신 광검출기(18)에서는 입력 신호인 마스터 레이저, 슬레이브 레이저, FWM(Four-Wave Mixing,다수의 광 신호들이 하나의 광 섬유를 통해 전파할 때 광 신호들 사이의 혼합에 의해 원하지 않는 광 신호들이 생겨나는 것) 신호들 외에 이 신호들이 비팅(beating)을 일으켜 발생하는 비트(beat) 신호가 측정되는데, 이 비트 신호들은 서로 다른 소스에서 기인되어 연관성(coherency)이 미약함으로 인해 안정성이나 순수성이 떨어진다. 이러한 비트 신호의 안정화와 위상 잡음 감소을 위해 마스터 레이저부(12)는 무선 주파수 소스부(11)로 연결되어 있어 동시에 전기적으로 직접 변조되도록 장치하였다. 이러한 단계로 인해 마스터 레이저에서는 주파수 변조(frequency modulation)에 의해 레이징 주파수(lasing frequency)를 중심으로 사이드 밴드(side band)들이 형성되고 이 모드들이 슬레이브 레이저의 공동(cavity)속으로 주입되면서 슬레이브 레이저와 결합되어 락킹(locking, 연관성으로 인하여 안정화되는) 효과를 나타내게 된다. 그 결과 슬레이브 레이저의 기본 모드뿐만 아니라 FWM 등의 위성 모드들도 마스터 레이저의 사이드 밴드에 중첩되게 이동하면서 보다 파동과 위상 잡음이 적은 신호를 얻을 수 있다.

본 발명은 무선 주파수 소스 신호로 직접 변조시 레이저에 발생하는 FM 사이드 밴드를 이용해 다른 레이저를 락킹(locking)시켜 고주파수를 발생시키고 중간 주파수의 로컬 오실레이터와 사용자 소스 데이터가 포함된 QPSK 변조 신호를 혼합해 밴드가 천이된 신호는 다운링크(downlink) 전송 신호로 전송하고, 무선 주파수 소스로부터 변조된 신호는 다이플렉스(diplex)시켜 업링크(uplink) 신호 전송 시에, 로컬 오실레이터를 대신해 신호의 하강 변환(down conversion)용으로 쓰일 수 있음을 토대로 한다.

도 3은 광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 방법 중 중앙 기지국, 광섬유, 원거리 기지국을 거치는 송신 방법에 대한 흐름도이다.

우선 중앙 기지국에서 안정된 가이드 주파수 역할을 하는 무선 주파수 소스 신호를 발생시키고(301), 상기 무선 주파수 소스 신호를 마스터 레이저에서 광신호로 변환하고(302), 이와는 별도로 로컬 오실레이터에서 중간 주파수 신호를 발생시키고(303), 사용자의 소스 데이터를 QPSK 변조된 신호로 변환하고(304), 상기 중간 주파수 신호와 상기 QPSK 변조된 신호를 혼합하고(305), 그 다음으로 슬레이브 레이저에서 상기 광 신호를 비데이터 모드 광신호로 변환하고, 상기 혼합된 신호를 데이터 모드 광신호로 변환한다.(306)

상기 비데이터 모드 광신호와 상기 데이터 모드 광신호를 광 서큘레이터의 라우팅을 통해 광섬유로 전송하고(307), 상기 광섬유로부터 전송 받은 광신호를 전기적 송신 신호로 변환하고(308), 상기 변환된 전기적 송신 신호를 다이플렉서를 이용하여 사용자의 소스 데이터가 포함된 데이터 모드 신호와 무선 주파수 소스 신호가 포함된 비데이터 모드 신호로 분리하고(309), 상기 데이터 모드 신호를 무선 송신 신호로 변환하여 무선으로 송신한다.(310)

도 4는 광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 방법 중 수신 방법에 대한 흐름도이다.

안테나에서 무선으로 수신된 신호를 전기적 수신 신호로 변환하고(401), 다이플렉서를 이용하여 분리되어 남아 있는 기존의 무선 주파수 소스 신호가 포함된 비데이터 모드 신호와 상기 전기적 수신 신호를 혼합하고(402), 상기 혼합된 신호를 송신 레이저에서 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하고(403), 상기 광섬유로부터 상기 광신호를 광검출기를 이용하여 수신한다.(404)

도 5는 본 발명에 따른 광 신호들의 스펙트럼도이다.

상기에 설명한 바와 같이 무선 주파수 소스로(fm) 연결되어 있어 전기적으로 직접 변조된 마스터 레이저에서는 주파수 변조에 의해 레이징 주파수를 중심으로 FM 사이드 밴드들이 fm 간격으로 형성된다. 이러한 모드들 중 하나에 타겟을 둔 슬레이브 레이저에 마스터 레이저의 신호를 인가하면 슬레이브 레이저의 레이징 주파수가 이러한 모드의 락킹(locking) 범위안에 들 경우, 이 모드들이 슬레이브 레이저의 공동속으로 주입되면서 슬레이브 레이저와 결합되어 락킹(locking) 효과를 나 타내게 된다.

이 때 QPSK로 변조된 데이터를 중간 주파수의 로컬 오실레이터에 혼합해 슬레이브 레이저를 변조시키면 슬레이브 레이저의 주파수 {f}_{SL} 에서 {f}_{LO} 만큼 천이된 영역에 데이터의 정보를 실은 모드가 발생하게 된다. 이 신호들이 Rx로 전송되었을 때 광 검출기에서는 비팅(beating)을 일으켜 발생하는 비트(beat) 신호가 측정되는데, 이 비트 신호들은 서로 다른 소스에서 기인되었지만 락킹(locking)으로 연관성(coherency)이 성립해 안정성이나 순수성이 향상된다. 이때 검출된 무선 주파수 신호들 중에는 {f}_{ML} - {f}_{SL} 에 해당하는 비데이터 모드의 신호가 있고 QPSK로 변조된 {f}_{ML} - {f}_{LO} 의 데이터 모드의 주파수 신호가 있다. 이 신호들 중 후자는 무선 송신부로 보내 무선 송신 신호로 변환되어 배분되고, 전자는 다이플렉서(diplexer)를 통해 주파수 분리되어 남아 있게 된다.

업링크(uplink) 통신에 대해서는 안테나에서 수신되어 전기적 수신 신호로 전환된 신호는 상기 주파수 분리된 {f}_{ML} - {f}_{SL} 에 해당하는 비데이터 모드 신호와 혼합되어 밴드가 하강 변환(down conversion)된다. 이 후 상기 하강 변환된 신호는 downlink Tx에 해당하는 송신 레이저를 변조시켜, 이때 발생한 광신호는 광섬유를 통해 전송된 후 downlink Rx에 해당하는 광 검출기에 의해 수신되어 진다.

이렇듯 기본 모드간의 비팅(beating)으로 고주파 무선 주파수 신호를 발생시킬 수도 있지만 FWM 등 위성 모드와의 비팅을 이용해 좀 더 고주파의 무선 주파수 신호를 발생시킬 수도 있다.

마스터 레이저의 레이징 주파수를 슬레이브 레이저의 레이징 주파수보다 충분히 높아 파저티브 디튜닝(positive detuning)되도록( {f}_{ML} > {f}_{SL} ), 작동 온도나 레이저 다이오드 바이어스를 조절하여 연속 파를 발생시켜, 슬레이브 레이저에 인가하면 반도체레이저의 비선형성으로 인해 {f}_{ML} , {f}_{SL} 의 여러 조합의 주파수들을 가진 거의 변질되지 않은 FWM 켤레(conjugate) 신호들이 유기된다. 이 때 앞서 말한 바와 같이 슬레이브 레이저 공동(cavity)내의 광자 밀도(photon density)가 마스터 레이저와 슬레이브 레이저의 레이징 주파수 차 정도의 주파수로 진동하기 때문에 제곱 법칙를 따르는 직접 검출기에 이 신호들 간의 비트 신호들이 관측된다.

도 7은 상기한 방법으로 마스터 레이저로부터 나온 연속 파를 슬레이브 레이저의 연속파와 상호 작용시켰을 때 발생한 대응 FWM 켤레 피크(corresponding FWM conjugate peak)들의 그래프이다.

이 때 FWM 켤레간의 주파수 간격은 마스터 레이저와 슬레이브 레이저 간의 주파수 차와 같다. 마스터 레이저의 빛이 슬레이브 레이저의 공동(cavity)에 인가되면 슬레이브 레이저의 반송파 밀도(carrier density)가 감소되어 {f}_{SL} 가 낮은 주파수로 이동하는 적색 천이 현상을 보인다.

여기서 슬레이브 레이저에 주입되는 마스터 레이저는 락킹(locking)을 위한 마스터 레이저라기 보다는 FWM을 일으키는 펌프(pump) 레이저의 역할을 하므로, 이렇게 서로 다른 두 광원으로부터 유기된 비트(beat) 신호는 파동이나 위상 잡음이 심한 불안정한 신호이다. 실험상에서는 수십 MHz 정도의 비트(beat) 신호 주파수 파동이 관측되었다. 따라서 변질되지 않은 FWM 모드간의 락킹(locking)을 통한 안정화를 위해 마스터 레이저를 전기적으로 무선 주파수 변조시켜 생긴 사이드 밴드로 락킹(locking)을 하면 사이드 밴드의 연장선상에 있지 않았던 {f}_{SL} 가 마스터 레이저의 사이드 밴드들이 주입됨에 따라 적색 천이되면서, {f}_{ML} 을 중심으로 applied 무선 주파수 변조 주파수의 배수가 되는 위치( {f}_{SL} ')로 이동하여 락킹(locking)되는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 무선 주파수 변조 파워, Pm 이 증가할수록 더욱 더 적색 천이되면서 사이드 밴드 결합에 의한 락킹(locking)의 강도 또한 향상되었다.

{f}_{SL} 가 {f}_{SL} ' 락킹(locking) 이동하면서 그에 상응하는 대응 FWM 켤레(corresponding FWM conjugate)들도 {f}_{I} ', {f}_{J} ' 등으로 이동할 뿐만 아니라 서로 락킹(locking)된다. {f}_{SL} 가 이동함에 따라, 유기되는 FWM 켤레(conjugate)간의 간격도 변조 주파수의 배수( {f}_{b} ')로 조정되어, 전체 FWM 켤레(conjugate) 들이 서로 락킹(locking) 됨으로써, 위상 잡음(phase noise)이 적고 주파수가 안정화된 비트(beat) 신호를 발생시킬 수 있다.

이때 QPSK로 변조된 데이터를 중간 주파수의 로컬 오실레이터에 혼합해 슬레이브 레이저를 변조시키면 FWM 모드의 주파수 {f}_{I} 에서 {f}_{LO} 만큼 천이된 영역에 데이터의 정보를 실은 모드가 발생하게 된다. 따라서 {f}_{I} - {f}_{ML} 에 해당하는 비변조된 무선 주파수 신호는 다이플렉서(diplexer)를 통해 주파수 분리시켜 업링크(uplink) 전송 신호와 혼합되어 반송 주파수를 하강 변환(down conversion)때 쓰고 QPSK로 변조된 {f}_{I} + {f}_{LO} - {f}_{ML} 의 무선 주파수 신호는 안테나 모듈로 보내 무선 신호로 변환되어 배분한다. 이러한 방식은 더욱 높은 주파수의 양방향 통신 시스템의 구축하는데 가능하다.

도 7, 도 8은 상기 FWM 모드 등 방식으로 나온 무선 주파수 신호의 신호품질 향상을 검증한 실험 결과에 대한 실시 예이다.

마스터 레이저 주입 하에 슬레이브 레이저 출력을 F-P 인터페로미터(interferometer)로 잰 결과는 도 7에서 보여주고 있고, 이것을 무선 주파수 스펙트럼 애널라이저로 측정한 결과가 도 8이다. (a)는 무선 주파수 변조가 없을 경우이고, 변조 파워 Pm이 (b) 5 dBm, (c) 8 dBm, (d) 10 dBm, (e) 12 dBm, (f) 16 dBm 일 때의 결과를 보여 주고 있다.

마스터 레이저로부터 연속 파를 인가했을 때 슬레이브 레이저의 연속 파 출력의 스펙트럼인 도 7, 도 8의 (a)에서, 마스터 레이저, 슬레이브 레이저, 대응 FWM 켤레 피크(corresponding FWM conjugate peak)들과 13.8GHz 부근에서 비트(beat) 신호가 관측되었다.

변조 주파수(modulation frequency) fm 이 3GHz인 무선 주파수 변조를 연결시켜 변조 파워를 증가시킬 경우 도 7의 (b), (c)에서 보듯이 Pm이 증가함에 따라 {f}_{SL} 가 낮은 주파수쪽으로 더욱 이동함을 알 수 있다.

이러한 Pm의 증가에 따른 슬레이브 레이저의 레이징 주파수의 심한 적색 천이 현상은 도 8의 (b), (c)에서의 비트 신호 주파수의 증가로도 검증될 수 있다. 이러한 전기적 변조로 인해, 15GHz 주파수대상의 비트 신호와 어긋나게 fm 3GHz만 큼 간격으로 떨어져 또 다른 비트 주파수들도 관측되는데, 이 15GHz대의 신호는 fm의 고차 고조파(higher order harmonics)에 해당한다. (b), (c), (f)에서의 이러한 비트 주파수 모드들이 15GHz의 신호 모드와 겹쳐지지 않은 채 등장한 것으로 보아 이 경우들의 15GHz대의 비트 신호는 락킹(locking)이 이루어지지 않은 채 단순히 fm의 배수에 해당하는 고차 고조파임을 알 수 있다.

도 8의 (c), (f)에서 비트 신호 주위에 보이는 사이드 모드들은 내부 아이소레이터(internal isolator)가 없는 슬레이브 레이저내의 파이버 피그테일(fiber pigtail) 표면에서 발생한 역 반사로 인한 것으로 해석된다.

Pm을 더욱 증가시키면 도 7의 (d), (e)에서 보듯, 슬레이브 레이저 사이드 밴드 모드들은 적색 천이되고 마스터 레이저의 사이드 밴드 모드에 주입 락킹(injection locking)되어 {f}_{SL} 은 fm 3GHz의 배수인 15GHz상에 위치하게 된다.

도 8의 (d), (e)는 얻고자 하는 비트 신호 주위에 다른 사이드 모드 없이 안정되고 위상 잡음도 적은 샤프한 주입 락킹(injection locking)된 FWM 비트 신호의 생성을 보여 주고 있다. 도 8의 (e)의 신호의 경우 15GHz로부터 100kHz 오프셋(offset)이 있는 스펙트럼 위치 상에서 위상 잡음이 -96dBc/Hz로 측정되어서 상당히 좋은 수준의 결과를 얻을 수 있다. 또한 도 8의 (a)의 락킹(locking)되지 않은 FWM 비트 신호의 라인 폭이 4MHz인데 비해 락킹된 비트 신호의 라인 폭은 무선 주파수 스펙트럼 애낼라이저의 해상도에 의해서만 제한되어 이 방법이 신호의 라인 폭을 줄이는데도 기여함을 알 수 있다. 비트 신호 세기가 현저하게 증가된 것 으로 보아 이 비트 신호는 단순히 fm의 고차 고조파가 아닌 락킹(locking)이 이루어진 결과임을 보여준다. 슬레이브 레이저 사이드 밴드가 락킹(locking)되어 있는 한 Pm이 증가하여도 {f}_{SL} 은 천이 되지 않음을 볼 수 있는데, Pm이 10 dBm ~ 13.5 dBm 의 영역에서 슬레이브 레이저는 락킹(locking) 행동을 그대로 유지한 양상을 보여 주었다. Pm이 13.5 dBm을 넘어 증가하자 도 7, 도 8의 (f)에서 보듯이 슬레이브 레이저는 락킹(locking)되지 않고 다시금 적색 편이 되었다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.

상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 씨디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 광섬유-라디오 전송 시스템에 있어서 광 밀리미터/마이크로파를 전송할 때 두개의 레이저와 저가의 중간 주파수 로컬 오실레이터를 사용하여 발생한 신호들 중 근접 위성 사이드 모드(satellite side mode)를 다이플렉싱(diplexing)시켜 업스트림(upstream) 신호로 변조시켜 사용하므로 인하여 양방향으로 통신할 수 있는 효과가 있다. 다이플렉서(diplexer)를 사용함으로써 값비싼 고주파 대역의 믹서나 로컬 오실레이터의 사용을 배제한 경제적인 효과도 있다. 또한, 본 발명은 광원의 안정화를 이룰 수 있고, 비선형성을 줄여 신호 변질을 감소시키며 주파수 가변 레이저를 쓸 경우 무선 주파수 주파수 변환이 가능한 점 등 부가적인 효과도 얻을 수 있다.

상기의 기본적 효과외에도, 원거리 기지국에 고주파수/다수의 서브 중간 주파수 오실레이터가 필요 없는 간단하고도, 효율적인 양방향 전송시스템으로 B-WLL등 광대역 무선 통신 시스템의 가변성을 향상시켜 주고 산업 응용 범위가 광범위하고, FWM 모드 등 위성 모드를 이용할 경우 발생 밀리미터파의 주파수에 대해 광대역의 고주파 무선 주파수 신호가 가능하므로 안정된 초고주파 전송시스템이 구현 가능하고, 강한 파워의 마스터 레이저를 피딩(feeding)시 안정적인 락킹(locking) 범위가 넓어(30 GHz 오프셋) 제어, 튜닝이 용이하며, 광원의 위상 잡음을 줄이고 발생 주파수 파동(fluctuation)을 줄일 수 있는 등 광원의 안정화에 기여할 수 있고, 3 차 IMD(Inter Modulation Distortion, 내부 변조 왜곡)을 향상시켜 SFDR (Spurious-Free Dynamic Range)가 향상되어 고품질의 통신이 가능하고, 광원의 첩(chirp)이 줄어들어 전송 분산(transmission dispersion)이 감소하므로 전송시 신호의 변질이 적고, 무선 기지국(Remote Base Station)의 안테나의 로드를 줄이게 되어서 피코 셀 개념의 통신망상 수많은 기지국이나 휴대장치의 소형화, 단순화에 기여하며, 그에 따른 경제적 효과도 발생하고, 무선기지국이 여러 가지 전파형식에 대한 범용성을 대비하기 쉽게 되어 전파 형식 변경과 신설에 대해서 유연성을 가지게 되고, 이동 통신용 안테나 제어에 필요한 많은 기능과 설비를 중앙 기지국에 집결시킨 중앙화된 시스템을 구축할 수 있어, 안테나 위치 선정, 관리 보수 등의 문제를 해결할 수 있고, 채널 할당 제어가 가능하게 될 뿐 아니라 핸드-오버(hand-over) 제어의 간이화, 고도화도 가능해지고, 가입자 수용능력의 향상도 기대된다.

Claims

광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 장치에 있어서,

무선 주파수 소스 신호를 발생시키는 무선 주파수 소스부;

상기 무선 주파수 소스 신호를 광신호로 변환하는 마스터 레이저부;

중간 주파수 신호를 발생시키는 로컬 오실레이터부;

사용자의 소스 데이터를 QPSK 변조된 신호로 변환하는 QPSK 변조부;

상기 중간 주파수 신호와 상기 QPSK 변조된 신호를 혼합하는 믹서부;

상기 광 신호를 비데이터 모드 광신호로 변환하고, 상기 혼합된 신호를 데이터 모드 광신호로 변환하는 슬레이브 레이저부;

상기 비데이터 모드 광신호와 데이터 모드 광신호를 광섬유로 전송하는 광서큘레이터부; 및

광섬유로부터 광신호를 수신하는 수신 광검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 장치에 있어서,

광섬유로부터 전송 받은 광신호를 전기적 송신 신호로 변환하는 광전 변환부;

상기 변환된 전기적 송신 신호를 사용자의 소스 데이터가 포함된 데이터 모드 신호와 무선 주파수 소스 신호가 포함된 비데이터 모드 신호로 분리하는 다이플렉서부;

상기 데이터 모드 신호를 무선 송신 신호로 변환하여 무선으로 송신하는 무선 송신부;

무선으로 수신된 신호를 전기적 수신 신호로 변환하는 무선 수신부;

상기 비데이터 모드 신호와 상기 전기적 수신 신호를 혼합하는 믹서부; 및

상기 혼합된 신호를 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하는 송신 레이저부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 방법에 있어서,

(a)무선 주파수 소스 신호를 발생시키는 단계;

(b) 상기 무선 주파수 소스 신호를 광신호로 변환하는 단계;

(c) 중간 주파수 신호를 발생시키는 단계;

(d) 사용자의 소스 데이터를 QPSK 변조된 신호로 변환하는 단계;

(e) 상기 중간 주파수 신호와 상기 QPSK 변조된 신호를 혼합하는 단계;

(f) 상기 광 신호를 비데이터 모드 광신호로 변환하고, 상기 혼합된 신호를 데이터 모드 광신호로 변환하는 단계;

(g) 상기 비데이터 모드 광신호와 상기 데이터 모드 광신호를 광섬유로 전송하는 단계;

(h) 광섬유로부터 전송 받은 광신호를 전기적 송신 신호로 변환하는 단계;

(i) 상기 변환된 전기적 송신 신호를 사용자의 소스 데이터가 포함된 데이터 모드 신호와 무선 주파수 소스 신호가 포함된 비데이터 모드 신호로 분리하는 단계; 및

(j) 상기 데이터 모드 신호를 무선 송신 신호로 변환하여 무선으로 송신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
광섬유-라디오 혼합 양방향 통신 방법에 있어서,

(a) 무선으로 수신된 신호를 전기적 수신 신호로 변환하는 단계;

(b) 무선 주파수 소스 신호가 포함된 비데이터 모드 신호와 상기 전기적 수신 신호를 혼합하는 단계;

(c) 상기 혼합된 신호를 광신호로 변환하여 광섬유로 전송하는 단계; 및

(d) 광섬유로부터 상기 광신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항 또는 제4항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.