광대역 2 × 2 광학 분할기 document_id A220623108401

최근에는 점점 더 많은 사람들에게 인터넷 및 다른 전자 정보 소스들에 대한 광대역 접근을 제공하는 활동이 세계적으로 크게 확대되어 왔다. 현존의 전화기 및 케이블 텔레비전 네트워크들은 특권을 받는 소수에게 초당 수 메가비트 또는 수백 킬로비트로 디지털 정보를 검색하는 능력을 제공하도록 성능 개선(hot-rodded)되어 왔다. 그러나, 널리 인정되는 바로서, 진정으로 흥미있고, 신뢰성 있으며, 가장 중요하게는 상업적으로 존속될 수 있는 서비스를 전달할 수 있는 정보 네크워크를 만들기 위하여, 보다 많은 소비자들에게 훨씬 높은 대역폭으로써 도달할 필요가 있다. 케이블 텔레비전 및 유선 또는 무선 전화 서비스를 위해서 설계된 현존의 액세스 네트워크들은 이러한 레벨들에 도달하는데 실제로 적합하지 않다. 예상되는 요구를 해결하도록, 액세스 제공자들(통상적으로 전화 또는 케이블 회사)은 중앙의 사무실로부터 소비자의 건물에 도달하거나 또는 소비자의 건물에 매우 근접하게 도달하는 광섬유를 가지고 신규의 광섬유 액세스 네트워크를 계획하고 설치하기 시작하였다. 현저한 차이를 가지는 이들 최근의 광섬유 네트워크의 우세한 구조는 패시브-옵티컬-네크워크(Passive-Optical-Network) 또는 PON 이다. 여기에서 '패시브'라는 용어가 지칭하는 것은, 액세스 제공자의 중앙 사무실(central office, CO)에 있는 옵티컬 라인 터미네이션(Optical Line Termination, OLT)와, 예를 들면 소비자 건물측에 있는 옵티컬 네트워크 유니트(Optical Network Unit, ONU) 사이에, 광섬유 네트워크가 동력화된 구성 요소나 또는 동적인 구성 요소를 가지고 있지 않다는 사실이다. 현재의 통상적인 용도에서, PON 은 CO 와 소비자 사이에서 2 또는 3 의 데이터 스트림(stream)을 전송한다. CO 로부터 소비자로 가는 디지털 데이터 스트림('다운스트림(downstream) 데이터), 소비자로부터 CO 로 가는 디지털 데이터 스트림 (업스트림(upstream)), 및 일부의 경우에 멀티 채널 비디오(즉, 케이블 TV 신호)를 운반하는 혼성 아날로그/디지털 다운스트림이 있다. 공통적으로, 이들 스트림들 각각은 상이한 파장에서 전송됨으로써 이들은 OLT 들 및 ONU 들에 의해서 보다 용이하게 구별될 수 있다. 전형적으로 다운스트림(OLT 로부터 ONU 로의) 데이터는 약 1490 mm (S-밴드)에서 송신될 것이고, 업스트림(ONU 로부터 OLT 로의) 데이트는 약 1310 nm (O-밴드)에서 송신될 것이며, 비디오 다운스트림은 약 1550 nm (C-밴드)에서 송신될 것이다. 또한 디지털 스트림을 전송하는 네트워크의 용량을 더욱 증가시키도록 약 1250 nm 내지 1625 nm 범위의 추가적인 파장을 포함하려는 고려도 진행중이다. PON 의 세그먼트(segments)들은 반드시 공유됨으로써 각각의 OLT 는 몇 개의 ONU 들에 서비스를 제공한다. OLT 는 각각의 디지털 스트림에 대해서 한번에 하나의 ONU 에 서비스할 수 있을 뿐이다 (다운스트림 디지털 방송이 가능하지만, 공통의 작동은 아니다). 비디오 스트림은 통상적으로 OLT 로부터 모든 ONU 들로의 자유-가동 방송이다. ONU 들은 네트워크내 신호들에 동기화됨으로써 그 어떤 주어진 시간에도 단지 하나만이 OLT 로 통신된다. 오직 의도된 ONU 만이 데이터를 소비자 부동산의 네트워크로 전송하도록 다운스트림 데이터에 태그(tag)가 붙여진다. 공유는 광학적 분할기(optical splitter)를 이용하여 섬유 네트워크를 PON 안의 몇 개의 브랜치(branches)들로 분리함으로써 이루어지며, 이는 그러한 단편의 모든 다운스트림 브랜치들중에 광학적 파워를 균일하게 수동적으로(passively) 분리시킨다. 분할기를 통과하는 업스트림 신호들은 평균 비율(balance ratio)에 의해 파워가 감소되지만, 단지OLT를 향해 상류로 운반될 뿐이며, 다른 ONU 들을 향해 하류로 복귀되지 않는다. PON 들을 위한 광학 분할기들은 통상적으로 브랜치들의 적당한 수(즉, 32)를 서비스하며, 하나의 입력 (1 x N 분할기) 또는 2 개의 입력(2 x N 분할기)을 가질 수 있다. 분할기의 기능과 파장-애그노스틱 서비스 멀티플렉서(wavelength-agnostic service multiplexer)를 조합시키거나 (즉, 디지털 다운스트림 및 비디오를 그들의 개별 파장들에 무관하게 조합시키거나) 또는 미래의 다른 서비스의 추가 가능성을 단순히 수용하도록 소망되었을 때, 분할기의 2 x N 변형이 이용된다. 새로운 광 섬유 액세스 네트워크를 설치하는데 드는 비용은 매설(trenching) 비용이거나, 또는 전송 구성 요소(주로 광섬유 및 분할기)를 지점-A(즉, OLT) 로부터 모든 지점-B(즉, ONU 들)까지 설치하는 것이다. 따라서, 설치된 전송 네트워크를 가능한 한 개조 가능하게 하고, 그것이 아직 특정화되지 않은 미래의 네트워크 필요를 위해서 이용될 수 있는 것을 보장하도록 하는 강한 동기가 있다. 섬유-광학 네트워크 자체의 용량은 현재의 방식(scheme)에 의해서 이용되는 것보다 훨씬 크며, 적절하게 포괄적으로(generic) 유지되는 한, 새로운 네트워크를 매설할 필요 없이 다른 고-대역폭 방식을 위해서 이용될 수 있다. 여기에서 '적절하게 포괄적"이라는 한정은, 송신 거동이 1.25μ(1250 nm) 내지 1.65μ(1650 nm)의 범위에 걸친 파장에 독립적이라는 점을 주로 의미한다. 이것은 OLT 와 ONU 들 사이의 광섬유 및 다른 광학적 구성 요소들이 약 30 % 의 부분적인 대역폭에 걸쳐 파장에 영향을 받지 않는 것이 매우 소망스럽다는 것을 의미한다. 여기에서, 편의를 위해서이기는 하지만 그 어떤 확립된 약정에 기초하지 않은 것으로서, 이것은 "초-광역(ultra-broad)" 파장 범위로서 지칭된다. N 이 8, 16, 32, 64 또는 128 인 경우에 1 x N 및 2 x N 분할기들에 대하여, 바람직한 분할기 기술은 평탄 광파 회로(Planar Lightwave Circuit)이다. N 이 2 또는 4 와 같은 경우에, 비용/성능 요건들에 따라서 퓨즈 바이코닉 섬유 분할기(fused biconic fiber splitter)도 경쟁력이 있을 수 있다. 128 보다 크거나 또는 2 의 배수가 아닌 N 에 대하여, 분할기 기술은 잘 조사되지 않았으며, 따라서 그러한 N 의 값들은 요구되지 않는다. 평탄 광파 회로 또는 바꿔 말하면 인쇄 광파 회로(Printed Lightwave Circuit, PLC)는, 집적 전자 회로들의 제조에서 이용되는 모사 공정(replication process)에 근사하게 비교될 수 있는 수단에 의해, 공통적으로 기판의 표면상에 제조된 광학적 도파관 시스템이다. PLC 들이 점증적으로 복잡해지고 정교해질지라도, 이들은 전자 집적 회로에서와 같이 근본적으로 한줌의 기초 회로로 구성된다. 기본적인 도파관 회로 요소들중 하나는 4 포트 믹서(mixer)이다. 그러한 장치의 각각의 포트들은 기본적으로, 결과적으로 다양한 거동들과 함께, 믹서 안으로 지향되거나 또는 믹서 밖으로 추출되거나, 또는 동시에 양방향으로 가는 광학 신호들을 위해서 이용될 수 있다. 그러나, 4 포트 광학 믹서는 거의 반드시 2 개의 '입력' 포트들 및 2 개의 '출력' 포트들을 가진 장치인 것을 특징으로 하며, 표현되지 않은 지식으로서 다른 모드의 거동들이 이러한 명세로부터 추출될 수 있다. 4-포트 믹서의 거동이 이러한 방식으로 지정되었을 때, 공통적으로 2 x 2 결합기(coupler) 또는 2 x 2 분할기(splitter)로 지칭된다. 각각의 결합기 '출력'이 1 x (N/2) 분할기 회로 요소의 입력 포트에 연결되었을 때, 복합 회로는 2 x N 분할기의 기능을 제공한다. N 이 2 의 배수인 경우에, 1 x N 분할기들은 1 x 2 분할기들 또는 2 x 2 분할기들을 직렬로 함으로써 만들어질 수 있다. 초 광역 파장 범위에 걸쳐 파워의 충분히 균일한 분리를 제공하는 3 포트 1 x 2 분할기들은 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 사소하지 않지만 잘 증명된 방법들의 변형으로 제조될 수 있다. 2 x N 분할기의 제 1 단계는 4 포트의 2 x 2 장치이어야 한다. 따라서, 파장에 영향을 받지 않는 2 x 2 분기기를 생산하는 능력을 가지려면, 파장에 영향을 받지 않는 2 x N 분할기를 제조하는 능력을 제공할 필요가 있으며 또한 그렇게 하기에 일반적으로 충분하다. 2 x 2 광학적 분할기에서, 2 개의 입력 포트들중 어느 곳으로 진입하는 광은 2 개의 출력 포트로부터 나온다. 여기에서, 입력 및 출력은 특정한 포트들을 식별하도록 사용되는 용어들이며, 특정한 광의 전달 방향을 의미하도록 사용되지 않는다. 예를 들면, 2 x 2 광학 분할기에서, 광은 출력 포트로 진입할 수 있고 입력 포트들로부터 나올 수 있다. 대안으로서, 광은 양쪽 입력 포트들로 동시에 진입할 수 있다. 가장 흔한 2 x 2 도파관 분할기 회로 요소는 공명 방향성 결합기이다. 이러한 단순한 방향성 결합기 단독으로는 그것의 파장 종속성 때문에 2 x N 분할기를 위한 입력 스테이지로서 적절하지 않다. 공명 방향성 결합기는 통상적으로 단지 약 3 % 의 부분적인 대역폭에 걸쳐서 ± 1/2­dB 의 안정적인 균형 비율을 나타낸다. 단열적인(adiabatic) 2 x 2 분할기로서 공지된 다른 유형의 2 x 2 분할기는, 그것이 충분히 길다면, 훨씬 큰 파장 범위에 걸쳐서 파장에 영향을 받지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 유형의 분할기는 전체적으로 PON 들을 위한 2 x N 분할기로 적절하지 않은데, 이는 필요한 극히 얕은 수렴 테이퍼들이 일관되게 제조하는 것이 곤란하고, 30 % 의 부분적인 대역폭을 얻는데 필요한 충분한 장치 길이가 공명 방향서 결합기보다 몇배 길며, 전체적인 2 x N 분할기의 크기가 소망의 패키지 크기 안에 맞기에는 너무 커지고 제조하기에는 너무 비싸기 때문이다. 더욱이, 표준적인 광학적-도파관 회로 요소들의 크기를 감소시키는 공지의 방법들은 단열적 장치(adiabatic devices)들의 크기 감소를 제공하지 않고, 사실상 종종 단열 장치들의 크기 증가를 필요로 한다. 상업적인 크기의 PON 네트워크의 전개를 위한 상품으로서 실용적인 단열 2 x 2 분할기를 용이하게 이용할 수 있는 그 어떤 전망도 보이는 것 같지는 않다.