[논문]LCoS 디스플레이를 이용한 파장선택스위치

이용민

doi:10.5762/kais.2014.15.8.5288

LCoS 디스플레이를 이용한 파장선택스위치
Wavelength Selective Switch using LCoS Display 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.8, 2014년, pp.5288 - 5293

초록
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본 논문은 차세대 ROADM을 구성하는 핵심기술인 파장선택스위치에서 기존에 사용되는 MEMS소자 기술대신에 LCOS 디스플레이 기술을 적용한 파장선택스위치의 특성을 고찰한 논문이다. LCOS소자를 이용한 5개의 포트를 갖는 파장선택 스위치 시스템을 구성하고 응답특성과 빔제어 특성, insertion loss와 channel isolation등 파장선택 스위치로서의 기본적인 특성들을 검토하였다. 본 파장선택스위치의 응답특성은 11.6 mS 로 양호하며 LCOS상에서의 grating 이미지 패턴에 따른 입사빔의 편향특성이 잘 구현되었다. C밴드내의 40개 채널에 대한 Insertion loss 측정에서 채널에 따라 5.5~12.7 dB 사이의 값이 측정되었으며 인접채널간의 channel isolation 측정은 16~18 dB 값이 측정되었다. 기존의 MEMS소자를 이용한 파장선택스위치 상용화된 제품에 비해 특성은 아직 다소 부족하지만 향후 보완연구에 의해 LCOS소자를 이용한 파장선택스위치 시스템의 기술경쟁력이 충분히 확보될 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the characterization of the wavelength selective switch using a LCOS display instead of a MEMS device, which is a core technology for the next generation ROADM. We constructed a five-port WSS, and examined the basic characteristics of the WSS, such as the response time, beam steering, insertion loss, and channel isolation. The response time of WSS was 11.6 mS and the beam steering characteristics of LCOS was well performed. The measured insertion loss at 40 channels in the c-band were 5.5~12.7 dB and channel isolation was 16~18 dB. Although the characteristics of LCOS-based WSS are inferior to the conventional MEMS-based WSS, it can be improved by additional experiments that secure the technology competitiveness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LCOS소자를 이용한 파장선택 스위치 시스템을 구성하고 응답특성과 빔제어 특성, insertion loss와 channel isolation등 파장선택 스위치로서의 기본적인 특성들을 검토한다.
본 연구에서는 LCOS모듈 기술을 응용한 파장선택 스위치 시스템을 구성하고 응답특성과 빔제어 특성, insertion loss와 channel isolation 특성 등을 검토하였다. 현재의 MEMS소자를 이용한 파장선택스위치 상용화된 제품에 비해 특성은 아직 부족하지만 LCOS모듈을 이용한 파장선택스위치 시스템의 실용화 가능성을 충분히 보였다.
이러한 차세대 ROADM에서 핵심이 되는 노드 스위칭 기술로 Wavelength Blocker (WB), Small Switch Array (SSA), Wavelength Selective Switch (WSS), Optical Cross-Conect (OXC) 등의 기술이 존재하는데 그중에 파장 선택 스위치 (Wavelength Selective Switch) 기술은 일반적으로 하나의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 갖는 소자로 여러 파장으로 구성된 입력신호에서 파장 선택 스위치의 상태에 따라 특정 파장의 신호를 임의의 출력 포트로 전달 할 수 있는 장점을 갖는 소자이다. 이 파장 선택 스위치를 구성하는 핵심소자로서 Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) 소자[3,4]를 이용한 파장선택 스위치는 이미 개발이 완료되어 시장을 선점하고 있으며 최근에 LCOS (Liquid Crystal on Silicon) 소자[5-7]를 이용한 파장선택 스위치 기술이 포트확장성이 뛰어나고 부품 얼라인먼트와 견고성 등에서 유리한 장점이 있는데 아직 실용화가 미흡한 단계여서 본 연구의 주제로 삼고자 한다.

제안 방법

Channel isolation 항목은 통상적으로 인접된 채널에서 crosstalk이 많이 일어나므로 임의의 채널로 광이 출력될 때 출력되지 않아야 할 인접채널에서의 광의 강도를 측정하여 channel isolation 특성을 파악한다. Fig.
2와 같이 응답특성 측정 장치를 구성하였다. LCOS 모듈에 특정포트로 나가도록 하는 이미지패턴을 인가하고 임의의 입력광신호를 인가하여 출력포트에 설치된 광검출기의 신호특성을 오실로스코프로 측정하도록 구성하였다. 이 측정 장치에서 LCOS의 모든 array에서 일정한 phase를 갖도록 초기조건을 설정하고 입력된 광신호가 출력포트에서 광신호가 검출 될 때까지의 시간을 측정하여 response time을 측정하였다.
4um이다. LCOS의 column line이 1920개 임으로 40개 채널을 담당하여 스위칭 할 경우 한 채널당 48개의 column이 한 개의 채널을 담당할 수 있어 fiber에서 나오는 입력신호를 collimation lens를 통하여 평행광을 만들었을 때 350 um 이상의 빔크기를 지원할 수 있도록 하였다.
5에 나타낸 바와 같이 전 파장대가 나오는 Broadband Light Source(BLS)를 입력소스로 사용하고 임의의 파장대를 어느 포트로 보낼지를 LCOS모듈이 내장된 파장선택스위치 시스템에서 전자적으로 제어한다. 그리고 Optical Spectrum Analyzer(OSA)를 이용하여 임의의 채널에서 스펙트럼을 확인할 수 있도록 하였다.
LCOS 모듈에 특정포트로 나가도록 하는 이미지패턴을 인가하고 임의의 입력광신호를 인가하여 출력포트에 설치된 광검출기의 신호특성을 오실로스코프로 측정하도록 구성하였다. 이 측정 장치에서 LCOS의 모든 array에서 일정한 phase를 갖도록 초기조건을 설정하고 입력된 광신호가 출력포트에서 광신호가 검출 될 때까지의 시간을 측정하여 response time을 측정하였다.
이상의 실험결과를 바탕으로 광통신에 사용되는 C-band의 적외선 광원을 가지고 LCOS상의 phase grating pattern에 따른 광신호의 steering각을 파악하여 시스템설계에 적용하였다.
5의 측정장치에서 파장선택스위치 시스템에 입력되는 40 channel의 광신호가 전부 express port와 1∼4번 port 중 하나의 포트로 스위칭 되어 출력되도록 스위칭조건을 설정한 뒤 입력되는 광의 강도와 Express 포트 및 1∼4번 port로 출력되는 광의 강도를 측정하여 Insertion Loss를 계산한다. 즉 Express 포트를 포함하여 총 5개의 출력포트에서 측정된 광의 강도를 입력광의 강도와 비교하여 가장 낮은 광의 강도를 가지는 포트의 insertion loss를 본 파장선택스위치 시스템의 insertion loss로 한다.
파장분할 다중화 광전송시스템에서 사용되는 파장대는 주로 C밴드(1528~1560nm)로 ITU표준채널의 21번채널인 1560.61nm부터 60번채널인 1529.55nm까지 40개의 파장(또는 채널이라함)을 대상으로 Insertion loss와 isolation test를 실시하였다.

대상 데이터

일반적으로 입력되는 광신호의 구경이 단일 픽셀의 크기보다 커서 다수의 픽셀를 통해 광신호가 반사된다. 본 연구에 사용한 사용한 LCOS 모듈은 1920 x 1080개의 화소를 갖고 있으며 화소의 피치는 8.4um이다. LCOS의 column line이 1920개 임으로 40개 채널을 담당하여 스위칭 할 경우 한 채널당 48개의 column이 한 개의 채널을 담당할 수 있어 fiber에서 나오는 입력신호를 collimation lens를 통하여 평행광을 만들었을 때 350 um 이상의 빔크기를 지원할 수 있도록 하였다.
본연구의 대상인 파장선택스위치 시스템을 Fig. 1과 같이 구성하였다. 입력부는 5포트를 갖는 fiber collimator array, LCOS모듈에서의 회절을 위한 편광처리부, 다중 파장으로 분리를 위한 grating lens부, 각 파장의 빔을 제어하는 LCOS모듈로 구성된다.
측정시스템 구성은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 전 파장대가 나오는 Broadband Light Source(BLS)를 입력소스로 사용하고 임의의 파장대를 어느 포트로 보낼지를 LCOS모듈이 내장된 파장선택스위치 시스템에서 전자적으로 제어한다. 그리고 Optical Spectrum Analyzer(OSA)를 이용하여 임의의 채널에서 스펙트럼을 확인할 수 있도록 하였다.
파장선택스위치 시스템의 빔제어특성을 테스트하기 위하여 Fig. 4(a)와 같이 광원이 LCOS panel에 입사되는 각도를 17.5° 로 고정하고, 파장선택 스위치의 동작을 가시화하기 위하여 적색 레이저 (632.8 nm)를 광원으로 사용하였다.

성능/효과

Fig. 6의 Insertion loss 측정결과를 보면 채널에 따라 5.5∼12.7 dB 사이의 값을 갖는 결과치를 얻었는데 기존의 상용화제품의 경우 6 dB 정도의 규격치에 비하면 좀 더 개선이 필요한 항목이다.
따라서 새로운 방식인 Reconfigurable OADM (ROADM) [2]에서는 원격으로 추가 파장의 추출/삽입할 수도 있고 기존 채널의 수정도 할 수 있는 장점을 갖추게 되었다. 또한 차세대 ROADM은 전송 신호의 colorless 추출/삽입을 가능하게 할 뿐만 아니라, 링과 링의 연결 또는 메쉬 구조의 네트워크 등 자유도 3 이상인 노드에서도 활용이 가능한 가장 진보된 유연성과 효율성을 가지고 있어 차세대 ROADM 시스템을 이용한 망 구축이 본격적으로 이루어 질 것으로 예측된다.
본 파장선택스위치 시스템의 응답속도는 11.6 mS 로 측정되었는데 시스템상의 신호전달 지연시간과 액정의 응답시간이 합쳐진 결과이다. 시스템상의 신호전달 지연 시간을 개선하기보다는 액정의 응답속도가 빠른 액정물질을 채용한 LCoS모듈을 입수하여 실험을 진행한다면 좀더 빠른 시스템의 응답속도를 기대할 수 있다.
측정된 결과가 16∼18 dB 로 파장선택스위치 상용화 제품의 통상적인 channel isolation기준치인 25 dB 보다는 아직 낮은 수준이지만 충분히 실용화 가능성이 있는 channel isolation특성을 확인하였다.
본 연구에서는 LCOS모듈 기술을 응용한 파장선택 스위치 시스템을 구성하고 응답특성과 빔제어 특성, insertion loss와 channel isolation 특성 등을 검토하였다. 현재의 MEMS소자를 이용한 파장선택스위치 상용화된 제품에 비해 특성은 아직 부족하지만 LCOS모듈을 이용한 파장선택스위치 시스템의 실용화 가능성을 충분히 보였다. 향후 추가적인 연구를 통해 부품간의 alignment개선, LCOS모듈의 향상된 anti-reflection 코팅처리, EDFA 도입실험 등을 통해 성능향상이 되면 파장선택 스위치 기술로 경쟁력을 충분히 확보할 것으로 기대한다.

후속연구

7 dB 사이의 값을 갖는 결과치를 얻었는데 기존의 상용화제품의 경우 6 dB 정도의 규격치에 비하면 좀 더 개선이 필요한 항목이다. Insertion loss값이 미흡한 원인으로 부품간의 일부 misalignment 가 영향을 줄 수 있으며 향후 부품간의 alignment를 좀 더 개선하고 LCOS모듈의 향상된 anti-reflection 코팅처리, Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA) 등을 도입하여 Insertion loss값을 좀 더 개선하는 실험이 가능할 것이다.
6mS로 측정되었는데 신호의 전달지연시간과 액정의 반응시간이 합쳐져서 나타난 응답특성이다. 당초 10mS정도의 응답특성을 기대하였고 이에 근접한 특성을 나타내어 향후 액정의 응답특성이 좀더 빠른 LCOS모듈을 사용시 충분히 10mS 이내로 달성할 것으로 사료된다.
시스템상의 신호전달 지연 시간을 개선하기보다는 액정의 응답속도가 빠른 액정물질을 채용한 LCoS모듈을 입수하여 실험을 진행한다면 좀더 빠른 시스템의 응답속도를 기대할 수 있다. 또한 본 파장선택스위치 시스템의 빔제어특성의 steering각 실험 결과는 적색 레이저광(632.8 nm) 입력을 사용하여 얻은 결과이며 실제 광통신에서 사용하는 C-band 파장의 광원사용시는 steering 회절각도가 본 실험의 결과치와 약간 달라진다는 사실을 인지하고 시스템설계를 하여야 한다.
6 mS 로 측정되었는데 시스템상의 신호전달 지연시간과 액정의 응답시간이 합쳐진 결과이다. 시스템상의 신호전달 지연 시간을 개선하기보다는 액정의 응답속도가 빠른 액정물질을 채용한 LCoS모듈을 입수하여 실험을 진행한다면 좀더 빠른 시스템의 응답속도를 기대할 수 있다. 또한 본 파장선택스위치 시스템의 빔제어특성의 steering각 실험 결과는 적색 레이저광(632.
현재의 MEMS소자를 이용한 파장선택스위치 상용화된 제품에 비해 특성은 아직 부족하지만 LCOS모듈을 이용한 파장선택스위치 시스템의 실용화 가능성을 충분히 보였다. 향후 추가적인 연구를 통해 부품간의 alignment개선, LCOS모듈의 향상된 anti-reflection 코팅처리, EDFA 도입실험 등을 통해 성능향상이 되면 파장선택 스위치 기술로 경쟁력을 충분히 확보할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Reconfigurable OADM의 장점은?	기존의 전달망에서는 특정 노드에서 추출/삽입될 신호에 특정 파장을 할당하는 Fixed OADM(FOADM) 고정형 방식임이므로 특정 노드에서 트래픽 증감에 따라 할당 파장을 증가 또는 감소 시켜야 할 경우 노드에 필요한 하드웨어를 직접 설치하고 조정해야 하므로 트래픽 양의 변화가 급격한 상황에서 망을 효율적으로 운용하는 것이 불가능하다. 따라서 새로운 방식인 Reconfigurable OADM (ROADM) [2]에서는 원격으로 추가 파장의 추출/삽입할 수도 있고 기존 채널의 수정도 할 수 있는 장점을 갖추게 되었다. 또한 차세대 ROADM은 전송 신호의 colorless 추출/삽입을 가능하게 할 뿐만 아니라, 링과 링의 연결 또는 메쉬 구조의 네트워크 등 자유도 3 이상인 노드에서도 활용이 가능한 가장 진보된 유연성과 효율성을 가지고 있어 차세대 ROADM 시스템을 이용한 망 구축이 본격적으로 이루어 질 것으로 예측된다.
	차세대 Reconfigurable OADM에서 핵심이 되는 노드 스위칭 기술에는 어떤 것들이 있는가?	이러한 차세대 ROADM에서 핵심이 되는 노드 스위칭 기술로 Wavelength Blocker (WB), Small Switch Array (SSA), Wavelength Selective Switch (WSS), Optical Cross-Conect (OXC) 등의 기술이 존재하는데 그중에 파장 선택 스위치 (Wavelength Selective Switch) 기술은 일반적으로 하나의 입력 포트와 N개의 출력 포트를 갖는 소자로 여러 파장으로 구성된 입력신호에서 파장 선택 스위치의 상태에 따라 특정 파장의 신호를 임의의 출력 포트로 전달 할 수 있는 장점을 갖는 소자이다. 이 파장 선택 스위치를 구성하는 핵심소자로서 Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) 소자[3,4]를 이용한 파장선택 스위치는 이미 개발이 완료되어 시장을 선점하고 있으며 최근에 LCOS (Liquid Crystal on Silicon) 소자[5-7]를 이용한 파장선택 스위치 기술이 포트확장성이 뛰어나고 부품 얼라인먼트와 견고성 등에서 유리한 장점이 있는데 아직 실용화가 미흡한 단계여서 본 연구의 주제로 삼고자 한다.
	Optical Add Drop Multiplexer란?	대량의 정보를 다중파장신호로 하나의 광섬유를 통해 전달하는 wavelength-division multiplexing (WDM) [1]전달망에서 대부분의 신호는 서로 다른 목적지를 갖고 전달되며 이 때 각 노드에서 필요한 신호를 추출(Drop) 하거나 생성된 신호를 삽입(Add) 하는 기능을 수행하는 기능이 필요한데 이런 역할을 해주는 장치를 Optical Add Drop Multiplexer (OADM) 라고 한다.기존의 전달망에서는 특정 노드에서 추출/삽입될 신호에 특정 파장을 할당하는 Fixed OADM(FOADM) 고정형 방식임이므로 특정 노드에서 트래픽 증감에 따라 할당 파장을 증가 또는 감소 시켜야 할 경우 노드에 필요한 하드웨어를 직접 설치하고 조정해야 하므로 트래픽 양의 변화가 급격한 상황에서 망을 효율적으로 운용하는 것이 불가능하다.

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상세보기
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M. Johansson, S. Hard, B. Robertson, I. Manolis, T. Wilkinson, and W. Crossland, "Adaptive beam steering implemented in a ferroelectric liquid crystal spatial-light-modulator free-space, fiber-optic switch," Appl. Opt., vol. 41, no. 23, pp. 4904-4911, 2002 DOI: http://dx.doi.org/10.1364/AO.41.004904

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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