PLC와 TFF를 이용, 다채널화하여 채널당의 크기를 소형화한 1심 3파 다중 FTTH용 WDM 필터를 개발한 내역을 소개한다. 모듈 크기는 6채널로 46.0 7.5 4.5mm이며, 채널당 크기로서는 현재까지 보고된 최소의 사이즈이다. 본고에서는 WDM 구조를 설명한 다음, 가공 조립의 정밀도에 기인한 광학 특성의 손실 및 시험제작하여 얻어진 여러 특성과 신뢰성 평가 결과에 대해 보고한다.
자료제공: 스미토모전기공업(주) 광통신연구소 광부품연구부
개요
브로드밴드 이용이 계속 증가하는 가운데, FTTH(Fiber To The Home)의 가입자수는 급증하고 있다. FTTH를 채용하는 큰 이점의 하나는 음성, 데이터, 영상의 서비스를 하나의 파이버상에서 제공하는 트리플 플레이 서비스를 고속으로 제공할 수 있다는 점이다. 한편, 지역에 특화된 통신 사업인 여러 CATV 사업자도 FTTH를 채용하고 있어 CATV에 대한 가입자수도 꾸준히 증가하고 있다.
CATV 등의 아날로그 전송방식에 의한 영상 전달 서비스에서는 1심 3파 다중으로 불리는 방식이 많이 사용된다. 이 방식에서는 헤드엔드나 미디어 컨버터로부터 보내진 각 신호는 WDM 필터를 통해 다중화 된다. 영상신호는 1550nm, 상향 데이터 신호는 1310nm, 하향 데이터 신호는 1490nm의 파장 신호로 되어, 국과 가입자 사이를 전달한다. 이 때문에 본 방식에서는 이들 3개의 파장 신호를 합분파하는 WDM 필터가 필요 불가피하다.
또, 가입자수의 급격한 증가에 따라 기지국내에 충분한 스페이스가 얻어지지 않아 설치되는 부품의 소형화가 요구되고 있다.
그래서 이 회사에서는 평면 광도파로(Planar Lightwave Circuit: PLC)와 다층의 박막 필터(Thin Film Filter: TFF)를 이용하여 다채널화함으로써 채널당 사이즈의 소형화를 꾀한 1심 3파 다중 FTTH용 WDM 필터(이후, 본고에서는 단지 WDM 필터로 기재)를 개발했다. 본고에서는 그 구조에 대해 설명한 후, 가공이나 조립의 정밀도에 기인한 광학 특성에 있어서 손실에 대해 논의하고, 마지막으로 시제하여 얻어진 여러 특성과 신뢰성 평가 결과에 대해 보고한다.
WDM 필터의 기능
그림 1에 FTTH에서 주류로 되어 있는 PON(Passive Optical Network) 시스템의 개요를 나타낸다. 이 구성 예에서는 1490nm의 광신호로 변환된 하향 음성/데이터 신호와 헤드엔드로부터 송신되어 증폭된 파장 1550nm의 영상신호가 OLT(Optical Line Terminal)에서 WDM 필터에 의해 합파되어 가입자측에 보내진다. 또, 이 WDM 필터는 가입자측에서 기지국측으로 보내져 오는 파장 1310nm의 신호를 국내의 음성/데이터측의 전송로에 분파한다. 한편 기지국측으로부터 다중화되어 송출된 영상 및 음성/데이터 신호는 스플리터(splitter)에 의해 균등하게 파워 분기되어 각 가입자택에 도달한다. 가입자측에 설치되어 있는 ONU(Optical Network Unit) 내의 WDM 필터에서는 기지국내와 마찬가지로, 각 신호가 합분파된다.
그림 1에 나타낸 바와 같이, 통상 기지국내에는 복수의 WDM 필터가 설치되고, 많은 경우 그 수는 수십 개가 되는 경우도 있다. 이 때문에 기지국내에서 각 부품의 설치 스페이스를 확보할 수 없게 되어, 소형의 WDM 필터를 필요로 하고 있다.
본고의 WDM 필터는 이와 같은 기지국내에서의 사용을 목적으로 개발된 것이다.
구조
TFF와 2개의 PLC를 이용하여 WDM 필터를 실현했다.
이와 같은 PLC와 TFF를 이용하는 타입의 WDM 필터의 광학 특성은 TFF와 그 양측의 PLC 코어의 서브미크론 급에서의 상대 위치 관계에 크게 의존한다. 이 때문에 최선의 광학 특성을 주는 위치 조정을 할 수 있도록 3자를 개별적으로 제조 가공하여 조립하는 구조를 새로이 채택했다.
그림 2에 6채널품의 구조를 나타낸다.
PLC-1상에서는 6조의 대칭 코어가 단부에서 교차하고 있으며, PLC-2는 그들 각 코어의 한쪽이 6개 배치된 구조로 되어 있다. 양 PLC의 사이에는 TFF가 접착 고정되어 있다.
사용하고 있는 TFF는 1550nm대의 빛을 반사, 1310/1490nm대의 빛을 투과하도록 설계되어 있으며 PLC-1의 각 조의 코어 중에서 하측 코어인 반사 포트로부터 입사된 파장 1550nm의 영상신호는 TFF에서 반사되어 같은 상측 코어인 공통 포트에 전달된다. 또, PLC-2의 코어인 투과 포트로부터 입사된, 파장 1490nm의 하향 음성/데이터 신호는 TFF를 투과하여 공통 포트에서 파장 1550nm의 영상신호와 합파되어 가입자측으로 송출된다. 한편, 공통 포트로부터 입사되는 파장 1310nm의 상향 음성/데이터 신호는 TFF를 투과하여 영상신호측에 누설되는 일없이 투과 포트로 전달한다.
그리고, 같은 구조로 일체형 PLC의 중앙에 형성된 홈에 TFF를 삽입하는 방식이 알려져 있지만, 이 구조에서는 앞서 언급한 위치 조정에서의 우위성에 더하여 TFF 취급이 비교적 용이하고, 조립시 TFF의 손상, 접착제 고정시의 TFF 주변에 대한 기포 혼입이라고 하는 문제가 쉽게 발생하지 않는다고 하는 특징도 있다.
조립에 의한 손실 발생의 해석
앞서 언급한 바와 같이 PLC와 TFF를 사용하는 구성에서는 삽입손실이 그러한 상대 위치 정밀도에 의존한다. 여기서는 그 크기를 이론적으로 검토했다.
PLC 설계시에는 가공이나 조립의 정밀도를 충분히 확인할 수 없기 때문에 그림 3에 나타낸 접착층이 존재하지 않는 경우, 손실이 최소가 되도록 최적화했다.
실제의 조립에서는 접착제가 삽입되기 때문에 이 그림의 아래와 같이 접착층의 두께분 PLC-1의 단면을 연마하여, PLC의 코어와 TFF의 상대 위치가 설계와 동일하게 되도록 조정하는 것으로 했다.
이 연마량 dz가 변화했을 때의 반사 포트로부터 공통 포트에 전달하는 파장 1550nm 빛의 삽입손실과 접착층 두께 관계의 해석 결과를 그림 4에 나타내었다.
해석에서는 빛이 PLC-1의 교차 코어의 한쪽으로부터 TFF에 입사, 반사되어 교차 코어의 다른 한쪽과 결합할 때의 손실을 계산하고 있으며, 파이버 어레이와 접합 부분에서의 손실은 고려되어 있지 않다. 또 접착제의 굴절률은 PLC 코어와 정합하고 있는 것으로 가정해서 계산하고 있다.
그림 4에서는 각 dz에 대한 삽입손실의 최소치는 거의 같고 연마량의 과부족에 의해 발생하는 손실의 증가는 접착제 두께를 조정함으로써 보상 가능함과 동시에 연마량의 톨레런서(tolerance)도 넓게 취해진다는 것을 알 수 있다.
그림 5의 그래프는 공통 포트로부터 투과 포트, 또는 그 역을 전달하는 파장 1310nm대와 1490nm대내의 각 3파장에서 빛의 삽입손실에 대한 해석 결과를 나타내고 있다.
TFF 양단의 접착제 두께는 2 m로 계산하고 있다. 파라미터의 dx는 그림 6에 나타낸 바와 같이 양 PLC의 코어 배열 방향에서의 상대 위치로 정의되어 있으며 PLC-1의 교차 코어 상측의 코어와 PLC-2 코어와의 축이 일치하는 경우를 dx=0으로 하고 있다.
또한, 통상 TFF에서는 내부에서의 다중 간섭에 의하여 투과광의 광축은 입사광에 대해 시프트하며, 이 양이 파장 의존성을 가진다. 이 때문에 그림 5에 나타낸 바와 같이, 삽입손실 최소가 되는 dx의 값은 파장마다 다르다.
이와 같이, 공통 포트와 투과 포트간의 삽입손실 및 그 파장 특성은 2개의 PLC 코어 상대 위치에 따라 변화한다. 게다가 양 PLC간의 거리에 따라서도 삽입손실이 최소가 되는 dx는 변화하기 때문에 각 부재의 제조오차, 가공 정밀도가 삽입손실의 변화에 크게 영향을 준다고 추측할 수 있다. 따라서 공통 포트로부터 투과 포트에 전달하는 빛의 파워를 모니터하면서 PLC의 위치를 조정하여 최적화를 꾀할 필요가 있다.
여러 특성
여기서는 실제로 제작한 6채널 WDM 필터의 특성에 대해 보고한다.
제작할 때에는 위에서 언급한 검토에 기인하여 PLC를 연마해서 파이버 어레이를 접속한 후, 양 PLC에 접착제를 도포하고 공통 포트와 투과 포트간의 삽입손실을 모니터하면서 TFF와 신중하게 고정했다. 또한 여기서는 PLC와 파이버 어레이의 접합에 사용되는 일반적인 유의기술과 설비를 이용하고 있다.
크기
사진 1에 모듈의 외관 사진을 나타낸다. 케이스의 치수는 46.0 7.5 4.5mm이며 1채널당 용적은 이전 제품(5.5 43mm )인 단일 채널품의 1/4 이하로 되어 있다.
광학 특성
그림 7에 제작한 WDM 필터의 파장 특성의 예를 나타낸다. 그림 7(a)은 삽입손실의, (b)는 아이솔레이션의 파장 의존성이며, 모두 전 6채널의 특성을 싣고 있다. 저삽입손실로 채널간의 균일성도 0.1dB 이하이며 안정된 결과가 얻어지고 있다. 또, 아이솔레이션도 20dB 이상이며 기지국내에서 이용하기에는 충분한 특성으로 되어 있다.
표 1에 시제품 36대에서의 광학 특성을 사양과 함께 나타낸다. 특성의 편차가 작고 안정된 제작 결과로 되어 있다.
그림 8에는 그림 7의 측정에 사용한 WDM 필터 삽입손실의 온도 의존성을 나타낸다. 가로축에 채널을 잡고 각 파장 대역에서의 최대 삽입손실을 그림 8(a)~(c)에 각 온도로 플롯했다. -40~85 의 범위에서 손실의 변동이 0.12dB 이하이며 매우 안정된 특성을 나타내고 있다.
신뢰성 시험 결과
Telcordia GR-1209-CORE, GR-1221-CORE에 준거한 신뢰성 시험을 했다. 시험 조건을 표 2에, 시험 전후에서의 광학 특성 변화를 그림 9~11에 히스토그램으로 나타낸다. 광학 특성의 평가는 삽입손실과 PDL을 1310, 1490, 1550nm의 3파장으로 아이솔레이션을 각 파장 대역에서 측정했다. 또한 1310/1490nm대의 아이솔레이션은 초기값이 크면 변동량이 커지는 경우가 있기 때문에 변동량을 사양인 20dB로 규격화하고 있다. 또 아이솔레이션은 부호가 음인 경우의 특성 열화를 나타내고 있다.
기계 시험의 결과는 표 2에 나타낸 전체 3항목을 실시한 전후에서의 특성 비교에 의한 것이다.
그림 9에 나타낸 바와 같이 내구시험에서는 삽입손실의 증가는 0.1dB 이하, 최대라도 0.2dB 정도로 양호한 결과가 얻어지고 있다. 그림 10의 PDL에 대해서는 변동량은 대체로 측정오차의 범위내이며 변동량은 매우 작다고 생각된다. 또, 그림 11의 아이솔레이션도 초기값 20dB에 대해서는 1dB 이하의 열화로 되어 있다. 게다가 기계 시험에 들어가서는 특성 변동은 볼 수 없고 어느 시험에서도 양호한 결과가 얻어졌다.
맺음말
1심 3파 다중 FTTH용으로 WDM 필터를 개발했다. 모듈 사이즈는 6채널로 46.0 7.5 4.5mm이며 채널당 크기로서는 지금까지 보고된 최소의 사이즈를 달성했다. 또 각 부품의 위치 조정을 최적화함으로써 저손실의 광학 특성을 갖는 WDM 필터를 안정하게 제작할 수 있었다. 마지막으로 신뢰성 평가도 실시하여 안정된 특성이 얻어지고 있다는 것을 확인했다.
[출처] 1심 3파 다중 FTTH 용 다채널 WDM 필터|작성자 donga70