KR100305106B1 - 이득평탄도모니터링및제어장치를구비한광섬유증폭기 - Google Patents

Abstract

이득 평탄도 모니터링 장치를 구비하여 다채널 이득 평탄화 EDFA의 제어를 행하는 기술을 개시하고 있다. 본 발명에 의하면, 이득 평탄화된 대역폭의 양단으로부터 탐사광을 추출하여 이득 평탄도 모니터링, 이득 등화, 이득 과도현상의 억제를 EDFA의 동작조건에 무관하게 수행할 수 있기 때문에, 종래기술과는 달리 제어 파라미터의 측정 및 결정에 많은 노력이 소모되지 않는다.

Description

이득 평탄도 모니터링 및 제어장치를 구비한 광섬유 증폭기

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 특히 이득 평탄도 모니터링, 이득 등화, 이득 과도현상의 억제를 광섬유 증폭기의 동작조건에 무관하게 수행할 수 있는 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

어븀이 도핑된 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; 이하 "EDFA"라 함) 기술의 발전은, 신호 전송거리의 증가 및 네트워크 소자에서 발생한 손실의 보상이라는 장점 때문에 파장분할 다중(Wavelength Division Multiplexed; 이하 "WDM"이라 함) 전송 시스템 및 네트워크의 확산을 가속시키고 있다. 그러나, 네트워크 재구성 또는 예기치 않은 전송선로의 고장에 의해 EDFA들을 지나는 채널의 수가 변화할 경우, 한정된 응답시간 및 이득포화 때문에 EDFA가 WDM 시스템의 성능을 저하시키는 요인이 되기도 한다.

한편, 전광교환(all-optical switching)을 구현하는 데 대한 관심이 높아지면서, WDM 네트워크 내에 있는 EDFA들에서의 과도응답의 전파(propagation)를 방지하려는 노력도 상응하게 높아가고 있다. 그러나, 지금까지 알려진 이득 고정(clamping) 방법은 미리 정해진 이득 수준에서 유효하며, 이를 위해서는 정밀 계측을 통해 얻어진 궤환(feedback) 파라미터에 대한 사전 지식이 필요하다. 이러한 방법은 무엇보다도 각기 다른 사양을 가진 각 증폭기를 개별적으로 조절해야 하므로, 전송장비 제조업자의 입장에서는 불편한 문제가 아닐 수 없다. 예를 들어, 광학장치만을 사용하는 이득 고정은 통상 정해진 이득/루프 손실 수준에서 이루어지며, 스펙트럼 홀 버닝(spectral hole burning) 또는 완화진동(relaxation oscillation)에서 야기되는 문제를 피하기 위해 적당한 궤환 파장을 선정하는데 주의를 기울여야만 한다.

제어신호 입력방법에서는 이득반전의 수준을 정해진 값으로 유지하기 위해 제어신호세기 및 파장에 대해 사전 데이터가 필요하며, 통상적으로 잡음지수 또는 출력변환효율 면에서 손실을 겪게 된다.

펌프 제어방법에 의하면 다른 방법에서 나타나는 문제점들의 일부를 피할 수 있으나, 각 EDFA의 특성에 따라 궤환/전방(feed forward) 루프에서의 제어 파라미터를 미리 맞추어 놓을 필요가 여전히 존재한다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 광 증폭기의 작동조건에 무관하게 적용할 수 있는 이득 평탄화 모니터링 및 제어장치를 구비한 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 EDFA 궤환 루프를 나타낸 구성도;

도 2a는 입력 신호의 세기를 변화시켜 가며 광 스펙트럼 분석기에서 측정한 EDFA의 개방 루프 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 2b는, 도 2a와 동일한 조건을 적용하되 본 발명의 실시예에 따른 궤환루프를 작동시킨 상태에서 측정을 행한 경우의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 3은 개방/폐쇄 루프 조건에서 디지털 샘플링 오실로스코우프에 의해 얻어진 광 출력 세기 파형 및 정규화된 이득 곡선을 나타낸 그래프;

도 4는 제어 파라미터를 고정한 상태에서 인가/추출 채널의 수를 달리한 경우에 대해 잔존하는 채널의 출력 편위를 확대하여 도시한 그래프이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 증폭기는,

여기 가능한 원소로 도핑되어 있으며, 증폭될 광신호를 전송하는 광섬유와; 상기 원소를 여기시키기 위해 상기 광섬유에 펌핑광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단과; 상기 광섬유에 다파장 신호를 입력시키기 위한 입력수단과; 상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 출력수단에서 얻어진 이득 평탄화된 신호 대역폭의 양단으로부터 서로 다른 파장의 탐사광들을 얻기 위한 수단과; 상기 탐사광들을 증폭하는 수단과; 상기 증폭된 탐사광들의 세기를 차분하는 수단과; 상기 차분된 양을 상기 펌핑수단의 제어 파라미터로 제공하는 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 탐사광은 광섬유로부터 나오는 증폭 자발 방출광(Amplified Spontaneous Emission; 이하 "ASE"라 한다)이나, 외부에서 인가되어 증폭된 광으로부터 얻어진다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 여기가능한 원소는 어븀인 것이 바람직하다. 또한, 상기 탐사광을 얻기 위한 수단은, 도파로 열 격자 역다중화기, 광학필터들 및 광섬유 브래그 격자로 구성된 광학소자 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다. 여기서, 상기 제어수단이 비례 적분미분 제어기인 것이 더욱 더 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서 이에 관련한 이론을 약술하기로 한다.

EDFA에서의 ASE 및 출력신호 각각의 세기는 간단히 다음 수학식 1 및 2와 같이 표현된다.

P_ASE(ν)= NF(ν)[G(ν)-1]hνΔν

P_OUT(ν)= G(ν)P_IN(ν)

여기서, NF(ν), G(ν) 및 Δν는 각각 잡음지수, 신호이득 및 광 분해능 대역폭을 나타낸다.

상기 수학식에 의하면, EDFA의 일반적인 동작조건에서와 같이 G(ν)가 1보다 아주 크고, 적절히 고안된 이득 평탄화 필터에 의해 잡음지수의 스펙트럼 편차가 무시할 수 있을 정도가 된다면, 동일 광 분해능 대역폭 내의 ASE 세기는 대응 파장에서 EDFA의 채널 이득에 비례하게 됨을 알 수 있다. 또한, 상기 수학식을 통하여, 잡음지수에서 어느 정도의 스펙트럼 편차가 있더라도, 주어진 EDFA에 대한 잡음지수의 분포 및 ASE 세기의 스펙트럼 밀도를 아는 한, 특정 파장에서의 채널 이득에 대한 추정이 가능함을 알 수 있다. 동적 이득 경사(dynamic gain tilt)는 이득반전의 함수이므로, 역으로, 신호 대역폭의 양단에서 얻어진 ASE 등의 탐사 신호 세기들의 차이는 상기 반전 상태 또는 주어진 EDFA의 이득경사에 밀접 관련된 파라미터로 간주될 수 있다. 더욱이, 모든 WDM 채널들의 입력 신호 세기가 동일한 경우(대부분의 광 인가-추출 다중화기(add-drop multiplexer)에서도 마찬가지)에, 잡음지수/이득에 대한 스펙트럼 편차가 적절히 고안된 필터에 의해 억제된다면, ASE 등의 탐사 신호 세기들의 차분(差分)량은 그 자체로서 이득 평탄화 파라미터가 될 수 있다. 펌프 궤환 루프에 대한 제어 파라미터로써 ASE 등의 탐사 신호 세기들의 차분량을 사용하면, 증폭기의 동작 조건에 관계없이 반전수준/이득 평탄도를 일정한 값으로 유지할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 EDFA 궤환 루프를 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, EDFA(10)가 980㎚ 파장의 레이저 다이오드(20)에 의해 전방 펌핑된다. 다파장 광원의 효과를 시뮬레이션하기 위한 포화 톤(saturating tone)은 중심파장이 1552.7㎚인 파장가변 레이저(30)에 의해 제공된다. 파장가변 레이저(30)는 신호발생기(32)의 신호에 따라 변조되며, 1552.7㎚의 파장은 본 실시예 장치의 이득 대역폭의 대략 중간에 위치하는 것이다.

본 실시예의 장치에서, 이득 평탄화 필터 없이 ASE 프로파일을 관찰하면서, 포화 톤의 세기를 변화시킴으로써 1㏈-다채널 이득 대역폭 및 이득 평탄도를 조절하여 -13㏈m의 입력 세기에서 각각 20.6㎚ 및 0.01㏈/10㎚의 측정값을 얻었다. 이러한 이득 평탄화 조건에 대해 포화 톤 파장에서의 이득은 19.54㏈이었다. 편의상, 이득 평탄도 모니터링용의 탐사광으로 외부에서 레이저 등으로 인가하여 증폭된 광 대신에 저미어진 ASE을 사용하였는데, 이는 EDFA(10)의 다음에 위치시킨 16-채널 도파로 열 격자(Arrayed waveguide Grating; 이하 "AWG"라 한다) 역다중화기(40)의 제1 및 제15 포트에서 각각 추출한 것이다. 이 때, 제1 포트로부터는 1547.1㎚, 제15 포트로부터는 1558.3㎚에 해당하는 ASE가 추출되었다. 장치의 구성에 따라, 이러한 AWG 역다중화기(40)는 광학필터들 혹은 광섬유 브래그 격자들로 대치할 수 있다. 이러한 저미어진 ASE는 피그테일된(pigtailed) pin(positive- intrinsic-negative) 광 다이오드들에 이어진 저잡음 연산증폭기들(52, 54)에 의해 증폭되었다. 그 다음 증폭된 이 신호가 비교기(60)로 입력되었다. 그 후, 평탄화 조건이 만족될 때까지 비교기(60)의 출력이 펌프 전류 제어 루프에 대한 오류(error) 신호로써 사용되었다. 즉, 비교기(60)의 출력이 PID(Proportional- Integral-Derivative) 제어기(70)를 거쳐 EDFA(10)를 펌핑하는 레이저 다이오드(20)의 제어신호로서 입력되었다.

이 때, 이 궤환루프를 활성화시키는 데 있어서 이득세기 대 펌프 세기에 대한 측정 등은 불필요하였으며, 단지 필터 대역폭 부정합(mismatch) 및 pin 광 다이오드의 응답성을 보상하기 위해 증폭기 회로들에서 가변 저항기를 미세하게 조절할 필요만 있었다.

한편, 신호광이 일방향으로 전파될 수 있도록 EDFA(10)의 입력단 및 출력단에는 각각 광 고립기들(82, 84)이 설치되었다.

정상상태에서 궤환루프의 특성을 측정하기 위해, EDFA로 입력되는 신호의 세기를 변화시키면서 광 스펙트럼 분석기(90)를 사용하여 출력 스펙트럼을 관찰하였다.

도 2a는, 입력 신호의 세기가 각각 -13㏈m, -10㏈m 및 -16㏈m일 때, 0.2㎚의 분해능 대역폭을 갖는 광 스펙트럼 분석기에서 측정한 EDFA의 개방 루프 출력 스펙트럼을 나타낸다. 도 2a를 참조하면, ±0.4㏈/10㎚ 이상의 이득 평탄도 편차와 ±2㏈ 이상의 이득 편위(gain excursion)가 관찰되는데, 이는 반전 수준 및 포화도에 있어서 변화가 있음을 나타낸다.

도 2b는, 도 2a와 동일한 조건을 적용하되 본 발명의 실시예에 따른 궤환루프를 작동시킨 상태에서 측정을 행한 경우의 출력 스펙트럼을 나타낸다.

도 2b를 참조하면, 이득 평탄도 편차 및 이득 편위가 각각 ±0.03㏈/10㎚ 및 ±0.2㏈ 이내로서 그 제어성에 있어서 대단한 향상이 있음을 확인할 수 있었다.

한편, 궤환루프의 동적 응답특성을 조사하기 위해 다음과 같은 측정을 행하였다. 우선, -10㏈m의 입력 신호세기에서 가장 좋은 이득 평탄도를 나타내도록 EDFA를 조절하였다. 그 다음, 입력 채널들의 반이 EDFA에 대해 인가/추출되는 상황을 시뮬레이션하기 위해, 포화 톤의 세기가 500㎐의 반복률로 -10㏈m에서 -13㏈m 사이에서 사각파형으로 변조되었다.

도 3은 개방/폐쇄 루프 조건에서 디지털 샘플링 오실로스코우프에 의해 얻어진 광 출력 세기 파형 및 정규화된 이득 곡선을 나타낸 그래프이다. 개방 루프 조건에서는, 수 백 밀리초의 과도 시간과 더불어 대략 2㏈의 이득 편위가 관찰되었다. 그러나, 궤환루프가 작동될 경우에는, 무시할만한 과도 특성을 나타내며 이득 편위가 0.2㏈ 이하로 억제되어 본 발명의 효과를 입증할 수 있었다.

직렬 연결된 EDFA 연결에 대해 이 방법을 적용할 수 있는지 알아보기 위해,수치해석도 행하였다. 이 시스템은 1552.4㎚ 및 1557.9㎚에서 입력세기가 각각 -18.71㏈m 및 -18.71+10log₁₀7㏈m인 두 개의 입력 채널을 갖도록 모델링되어, 8-채널 시스템을 시뮬레이션하도록 하였다. 궤환루프는, 0.5㎒의 궤환루프를 제어회로의 응답시간으로 하여, 일반적인 PID 제어기로 처리하였다. 주입된 외부 광/대역 에지에서 추출된 저미어진 ASE로써 행해진 수치해석 시뮬레이션의 결과는, 오류 신호 추출의 두 방법, 즉 주입되어 증폭된 외부 광 또는 저미어진 ASE에서 탐사광을 각각 얻는 방법 사이에 현저한 차이를 나타내지 않고, 실험결과와 잘 일치하였다.

도 4는 제어 파라미터를 고정한 상태에서 인가/추출 채널의 수를 달리한 경우에 대해 잔존하는 채널의 출력 편위를 확대하여 도시한 그래프이다.

도 4를 참조하면, 출력 편위가 스위칭 채널의 수에 비례하지만 출력 편위의 최대값이 0.2㏈ 이내에 머물러 있어서, 시스템에 적용하기에 충분한 성능을 가진다는 것을 알 수 있다.

10단 EDFA 연결에 대해 행한 수치해석 시뮬레이션 결과도, 이어지는 증폭단에서의 궤환회로 설치여부에 관계없이, 이어지는 증폭단에서 과도현상을 훌륭하게 억제하는 것으로 나타났다.

본 발명에 의하면, 간단히 EDFA의 이득 평탄도를 모니터링하는 수단이 제공되며, 이를 EDFA의 이득 평탄도 뿐만 아니라 과도 동작을 제어하는 데에도 적용할 수 있다. 본 발명을 이용하여, -7㏈m에서 -30㏈m까지에 이르는 입력 세기 편차에 대해 이득 평탄도 편차를 0.03㏈/10㎚ 이하로 유지할 수 있었으며, 이와 동시에 출력의 동적 이득 편위도 0.2㏈ 이하로 억제할 수 있었다. 본 발명의 장치가 고 출력 펌핑 모듈이나 적절한 이득 평탄화 필터와 함께 사용된다면, 더 넓은 파장대역에서도 동작할 수 있을 것이다. 한편, 전송 파장 및 입력 세기에 대해 엄격한 조건을 만족해야 하는 아나로그 EDFA에도 본 발명의 개념을 응용할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 여기가능한 원소로 도핑되어 있으며, 증폭될 광신호를 전송하는 광섬유와;

   상기 원소를 여기시키기 위해 상기 광섬유에 펌핑광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단과;

   상기 광섬유에 다파장 신호를 입력시키기 위한 입력수단과;

   상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 광섬유 증폭기에 있어서,

   상기 출력수단에서 얻어진 이득 평탄화된 신호 대역폭의 중간부분을 필터링하여 상기 신호 대역폭의 양단의 서로 다른 탐사광들을 얻게 해주는 필터링 수단과;

   상기 필터링 수단을 거쳐 얻어진 탐사광들을 전기적 신호들로 검출하는 광전변환기와;

   상기 변환된 전기적 신호들을 증폭하는 증폭기와;

   상기 증폭된 신호들의 세기를 차분하는 비교기와;

   상기 비교기에 의해 차분된 신호세기를 상기 광 펌핑수단의 제어 파라미터로 제공하기 위한 적분미분 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 여기가능한 원소는 어븀인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
3. 제2항에 있어서, 상기 탐사광을 얻기 위한 필터링 수단은:

   도파로 열 격자 역다중화기, 광학필터 및 광섬유 브래그 격자로 구성된 광학소자 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.