KR100380217B1 - 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고정이득 평탄화필터와 가변 감쇄기 대신에 능동이득 평탄화필터를 사용하고 이를 제어하기 위하여 광감시부와 제어 회로로 부궤환 회로를 구성하여 넓은 범위에서 평탄화된 능동 이득을 얻을 수 있는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법에 관한 것이다.

본 발명은 광증폭하는 과정과, 펌프원을 이용하여 펌핑에 의해 이득을 제공하는 과정과, 능동이득 평탄화필터를 통과하는 광신호를 검출하는 과정과, 검출된 광신호로부터 광스펙트럼을 얻는 과정과, 상기 광스펙트럼으로부터 능동이득 평탄화필터와 펌프원을 조정하는 제어 신호를 발생시키는 과정과, 상기 제어신호가 광증폭기의 출력 광스펙트럼을 항상 일정하게 만드는 과정으로 이루어진다.

Description

파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법 {adjust method of optical amplifier for WDM transmission systems}

본 발명은 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고정이득 평탄화필터와 가변 감쇄기 대신에 능동이득 평탄화필터를 사용하고 이를 제어하기 위하여 광감시부와 제어 회로로 부궤환 회로를 구성하여 넓은 범위에서 평탄화된 능동 이득을 얻을 수 있는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법에 관한 것이다.

파장분할 다중방식(Wavelength Division Multiplexing : WDM) 광전송망에서는 채널당 일정한 광파워가 요구된다.

따라서 광증폭기에서의 자동이득조정(Automatic Gain Control : AGC) 기능은 넓은 대역에서 평탄한 증폭율을 얻기 위해 필수적인 기능이다.

종래 AGC 광증폭기는 입력 파워의 변화가 큰 경우에도 일정한 출력 파워를 제공하지만 증폭기 내부에서 발생하는 잡음이 크다는 결점이 있다.

이를 살펴보면, 일반적으로 사용되는 광증폭기는 광스펙트럼에 대하여 다른 이득을 갖기 때문에 이를 등화해야 하는 문제가 있었다.

고정 증폭 모드에서 동작하는 광증폭기의 경우는 고정이득 평탄화필터(Static Gain Flattering Filter)를 사용하여 평탄화된 이득 프로필을 얻을 수 있으나, 입력 파워에 관계없이 이득이 고정되므로 채널당 출력 파워는 입력 파워에 비례하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 AGC 증폭기는 가변 감쇄기(Variable Optical Attenuator)를 사용하여 채널당 일정한 출력 파워를 유지하였다.

도 1은 광전송 시스템에서 사용하는 보편적인 AGC 증폭기의 구조를 도시한 것으로, 2단으로 구성된 광증폭부(10,20) 사이에 고정이득 평탄화필터(12)와 가변 감쇄기(14)의 중간단 소자(16,Mid stage device)를 위치시킨 것이다.

각 단의 증폭부(10,20)는 입력 파워에 무관하게 고정된 이득율을 제공한다.

따라서 가변 감쇄기(14)의 감쇄 레벨을 입력 파워에 비례하여 증감시킴으로서 채널당 출력 파워를 일정하게 유지시킬 수 있다.

미설명 부호 10a 및 20a는 증폭에 필요한 파워를 제어하는 펌프원이고, 10b,20b은 이득 매체이다.

또한 18a는 가변 감쇄기(14)와 펌프원(10a,20a)의 제어 신호를 발생하는 제어 회로이다.

그러나 상술한 종래 증폭기의 경우는, 입력 파워의 변화가 클 때 AGC 증폭기 내부에서 발생하는 잡음이 커져 높은 잡음 지수를 갖는 결점이 있다.

예를 들어, 16dB에서 최대 28dB의 이득률을 갖는 증폭기가 있다고 할 때, 제1증폭부(10)의 이득은 15dB, 고정이득 평탄화필터(12)의 삽입 손실은 1dB, 가변 감쇄기(14)에서 발생하는 손실은 2dB, 제2증폭부(20)의 이득은 16dB이다.

이때 16dB 이득은 0.2dB/km의 감쇄 단위를 갖는 80km 광섬유의 신호 감쇄를 보상할 수 있으며, 28dB 이득은 0.28dB/km의 감쇄 단위를 갖는 100km 광섬유의 신호 감쇄 보상이 가능한 이득이다.

이렇게 증폭기 내부를 진행하면서 발생하는 파워의 변화를 도 2에 도시하였다.

만일 채널 당 출력 파워를 0dBm으로 가정한다면, 제1증폭부(10)의 입력 파워는 -28dBm이고 제2증폭부(20)의 입력 파워는 -16dBm이 된다.

따라서 출력 잡음은 주로 제1증폭부(10)에서 발생한다.

이 증폭기를 16dB 이득을 갖도록 동작시키면 가변 감쇄기(14)에서 14dB로 파워를 감쇄시켜야 하며, 이때 제1증폭부(10), 제2증폭부(20)의 입력 파워가 모두 -16dBm이 된다.

따라서 전체 증폭기의 출력 잡음은 두 증폭부(10,20)의 잡음 지수가 같다고 하면 제1증폭부(10)에서 발생하는 잡음의 2배가 된다.

즉, 제2증폭부(20)에서 발생하는 잡음이 제1증폭부(10)에서 발생하는 잡음과 동일하게 전체 출력 잡음에 기여한다.

상기 AGC 증폭기는 동적 이득 변화가 큰 경우, 가변 감쇄기(14)의 감쇄 정도가 더 커지므로 높은 잡음 지수를 갖게 된다.

따라서, 광증폭기에서 잡음 지수를 중요한 요소로 명시할 경우, AGC 증폭기의 동적 이득 범위는 크게 줄어든다.

즉 28dB이득에 맞추어 설계한 AGC 광증폭기가 12dB의 동적 이득 범위를 가진다 해도, 잡음 지수의 요구 조건이 엄격해지면 16dB 이득에 맞춰 설계한 다른 광증폭기를 사용해야 한다.

이를 일반화하면 다른 이득률이 필요한 경우 엄격한 잡음 지수 조건하에서는각각 다른 AGC 증폭기를 설계해야 한다는 의미가 된다.

이는 광전송망을 꾸미는 데 있어서 막대한 시간과 비용 손실을 가져오게 되며, 전송 시스템의 유연성을 크게 제한하게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광전송 시스템과 광전송망을 위한 자동파워조정(Automatic Power Control) 방식의 새로운 광증폭기를 제안하여 종래 AGC 증폭기와는 달리 부가적인 잡음의 증가 없이 넓은 동적 이득 범위에 대하여 전송 손실을 보상할 수 있고 따라서 광전송망에서 이 APC 증폭기를 범용 증폭기로 사용할 경우 광증폭기의 제작 단가를 낮출 수 있으며 요구사항을 단순화시킬 수 있는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명은 광증폭하는 과정과, 펌프원을 이용하여 펌핑에 의해 이득을 제공하는 과정과, 능동이득 평탄화필터를 통과하는 광신호를 검출하는 과정과, 검출된 광신호로부터 광스펙트럼을 얻는 과정과, 상기 광스펙트럼으로부터 능동이득 평탄화필터와 펌프원을 조정하는 제어 신호를 발생시키는 과정과, 상기 제어신호가 광증폭기의 출력 광스펙트럼을 항상 일정하게 만드는 과정으로 이루어진다.

도 1은 종래 자동이득조정 광증폭기의 구조도이다.

도 2는 종래 자동이동조정 광증폭기 내부의 광파 진행에 따른 파워 변화도이다.

도 3은 본 발명에 따른 자동파워조정 광증폭기의 구조도이다.

도 4는 본 발명에 따른 자동파워조정 광증폭기 내부의 광파 진행에 따른 파워 변화도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동파워조정 광증폭기의 구조도이다.

<도명의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 제1증폭부 12 : 고정이득 평탄화필터

14 : 가변 감쇄기 16 : 중간단 소자

18a,18b : 제어 회로 20 : 제2증폭부

10a,20a : 펌프원 10b,20b : 이득 매체

22 : 능동이득 평탄화필터 24 : 광감시부

본 발명에 따른 APC 광증폭기는 능동이득 평탄화필터(Dynamic Gain Flattering Filter)와 광감시부를 사용하여 각 채널의 파워를 조정하게 된다.

따라서 가변 광감쇄기를 필요로 하지 않고 증폭부의 이득을 변화시킴으로써 넓은 동적 이득 범위에서 일정한 출력 파워를 얻을 수 있다.

증폭부의 이득이 변화하면 증폭부의 이득 프로필도 변화하게 되는데 이는 동적이득 평탄화필터로 보상할 수 있다.

이때 둘째 단 제2증폭부의 입력 파워를 높게 유지시킬 수 있으므로 제2증폭부에서 추가되는 잡음은 무시할 수 있을 정도의 수준이 된다.

이하 본 발명을 첨부된 도면 도 3 및 도 5를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 자동파워조정 광증폭기의 구조도이다.

도 4는 본 발명에 따른 자동파워조정 광증폭기 내부의 광파 진행에 따른 파워 변화도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자동파워조정 광증폭기의 구조도이다.

첫째 단으로 광신호에 이득을 제공하고, 증폭에 필요한 파워를 제어하는 펌프원(10a)과 이득 매체(10b)로 구성되는 제1증폭부(10)와,

상기 제1증폭부(10)의 출력에 위치하며 통과되는 광신호의 스펙트럼을 임의의 형태로 바꾸는 능동이득 평탄화필터(22)와,

둘째 단으로 광신호에 이득을 제공하고, 증폭에 필요한 파워를 제어하는 펌프원(20a)과 이득 매체(20b)로 구성되는 제2증폭부(20)와,

상기 제2증폭부(20)의 출력에 탭핑되는 광감시부(24)와,

상기 광감시부(24)로부터 얻어진 광스펙트럼으로 능동이득 평탄화필터(22)와 펌프원(10a,20a)의 제어 신호를 발생하는 제어 회로(18b)를 포함하여 구성된다.

상기 광감시부(24)는 광스펙트럼을 감시한다.

상기 광감시부(24)는 광파워를 파장에 대한 함수로 측정하여 출력한다.

상기 능동이득 평탄화필터(22)는 가변할 수 있으며 다단으로 구성할 수도 있다.

상기 능동이득 평탄화필터(22)는 광섬유로 되어 있고 단일 모드 광섬유이다.

상기 능동이득 평탄화필터(22)는 음향파 발생기를 포함하고 최소한 하나 이상의 음향혼을 포함한다.

상기 음향파 발생기는 압전 변환 소자(piezo electric transducer)이다.

상기 펌프원(10a,20a)은 전기적 펌프원이거나 광펌프원이다.

이때 광펌프원은 레이저이다.

상기 이득 매체(10b,20b)는 광섬유로서 특히 어븀이 첨가된 광섬유이다.

상기 이득 매체(10b,20b)는 최소한 하나 이상의 라만 능동 매질을 포함하거나, 반도체로 분류되는 물질을 포함한다.

본 발명에 따른 APC 광증폭기는 종래 AGC 증폭기와 같이 2단의 증폭부(10,20)로 구성된다.

2단의 증폭부(10,20)를 사용하면 큰 이득과 낮은 잡음 지수를 동시에 구현할 수 있으며, 이때 제1증폭부(10)는 낮은 잡음 지수를 갖도록 하고 제2증폭부(20)는큰 이득과 출력 파워를 갖도록 설계하여 전체 광증폭기의 성능을 높일 수 있다.

한편, AGC 광증폭기와 달리 APC 광증폭기의 경우 능동이득 평탄화필터(22)와 이를 제어하기 위한 제어회로(18b), 그리고 출력 스펙트럼을 감시하기 위한 광감시부(24)가 추가된다.

도 3은 이러한 APC 증폭기의 구조를 도시한 것이다.

출력 파워의 일부를 탭핑하여 광감시부(24)로부터 얻어진 광증폭기의 출력 스펙트럼은 A/D 변환을 거쳐 디지털 정보로 제어 회로(18b)에 입력된다.

상기 제어 회로(18b)는 얻어진 출력 스펙트럼으로부터 광출력 평탄화를 위한 정보를 획득, 가공하여 능동이득 평탄화필터(22)를 구동하기 위한 신호 레벨을 발생시키고 이를 D/A 변환을 거쳐 능동이득 평탄화필터(22)에 인가한다.

이로써 능동이득 평탄화필터(22)의 평탄화를 위한 궤환(feedback) 회로가 완성된다.

구동된 능동이득 평탄화필터(22)의 상태에 따라 출력 스펙트럼이 변화하게 되고, 목적으로 하는 이득 평탄화 레벨과 스펙트럼과의 오차가 줄어드는 방향으로 제어 알고리즘을 구성함으로서 부궤환(negative feedback) 제어를 수행하도록 한다.

광증폭기의 이득은 광펌핑 파워와 능동이득 평탄화필터(22)의 감쇄 레벨을 변화시킴으로써 조정할 수 있다.

이를 위하여 제어 회로(18b)가 광펌핑 출력 레벨을 제어하는 기능까지 맡고 있다.

광펌핑 파워가 변화하면 광증폭기의 이득 프로필 역시 변화하게 되는데, 이를 능동이득 평탄화필터(22)로 보상한다.

이렇게 하여 광증폭기의 채널당 출력 파워를 일정하게 유지할 수 있으며, 이때 출력은 입력 신호의 파워와 입력 스펙트럼과는 무관하다.

즉, 본 발명에 따른 APC 광증폭기의 조정방법은, 광증폭하는 과정과, 펌프원(10a,20a)을 이용하여 펌핑에 의해 이득을 제공하는 과정과, 능동이득 평탄화필터(22)를 통과하는 광신호를 검출하는 과정과, 검출된 광신호로부터 광스펙트럼을 얻는 과정과, 상기 광스펙트럼으로부터 능동이득 평탄화필터(22)와 펌프원(10a,20a)을 조정하는 제어 신호를 발생시키는 과정으로 이루어진다.

이때 상기 능동이득 평탄화필터(22)는 광섬유내에 존재하는 공간적인 모드들을 포함한다.

상기 능동이득 평탄화필터(22)는 그 내부의 공간적인 모드들을 통해 발산되는 에너지를 포함한다.

상기 제어 신호는 원하는 증폭 이득을 유지시키는 제어 명령을 포함한다.

상기 제어 신호는 원하는 광파워 스펙트럼 분포를 유지시키는 제어 명령을 포함한다.

본 발명에 따른 APC 증폭기의 원리를 쉽게 이해하기 위해 종래의 기술에서 상술한 AGC 증폭기의 경우와 동일한 설계 파라미터를 생각한다.

APC 증폭기의 이득이 28dB일때, 첫째 단 제1증폭부(10)의 이득과 동적이득 평탄화필터(22)의 손실, 그리고 둘째 단 제2증폭부(20)의 이득은 각각 15dB, 3dB,16dB이다.

도 4에 나타난 대로 종래 AGC 증폭기와 APC 증폭기의 성능은 동일하다.

만일 이득이 16dB로 변하게 되면 첫째 단 제1증폭부(10)의 이득과 동적이득 평탄화필터(22)의 손실 및 둘째 단 제2증폭부(20)의 이득은 각각 15dB, 3dB, 4dB로 변화한다.

이때 첫째 단 제1증폭부(10)의 입력 파워는 -16dBm이고 둘째 단 제2증폭부(20)의 입력 파워는 -4dBm이다.

따라서, 둘째 단 제2증폭부(20)의 입력 파워는 종래 AGC 증폭기의 경우와 비교해 큰 파워를 유지하게 된다.

APC 증폭기의 둘째 단 제2증폭부(20)의 입력은 결국 이득 변화에 상관없이 큰 파워를 유지하므로 증폭기의 잡음 특성은 대부분 첫째 단 제1증폭부(10)에 의해 결정되고 둘째 단 제2증폭부(20)에서 발생하는 잡음은 거의 무시된다.

따라서 APC 증폭기는 이득이 16dB일 때나 28dB일 때나 무리없이 사용할 수 있으며, 이때 잡음 지수의 요구 조건에 거의 영향받지 않는다.

도 5는 도 4의 구조에서 또 다른 광감시부(34)를 제1증폭부(10) 입력단에 위치시킨 구조로서, 이 경우에 제어 회로(18b)의 제어 기준 신호로는 또 다른 광감시부(34)의 출력도 사용된다.

도 5에서 APC 광증폭기의 조정방법은, 광증폭하는 과정과, 펌프원(10a,20a)을 이용하여 펌핑에 의해 이득을 제공하는 과정과, 제1증폭부(10)의 입력 광신호를 검출하는 과정과, 검출된 광신호로부터 광스펙트럼을 얻는 과정과, 상기 광스펙트럼으로부터 능동이득 평탄화필터(22)와 펌프원(10a,20a)을 조정하는 제어 신호를 발생시키는 과정으로 이루어진다.

이 경우에도 상기 능동이득 평탄화필터(22)는 광섬유내에 존재하는 공간적인 모드들을 포함한다.

상기 능동이득 평탄화필터(22)는 그 내부의 공간적인 모드들을 통해 발산되는 에너지를 포함한다.

상기 제어 신호는 원하는 증폭 이득을 유지시키는 제어 명령을 포함한다.

상기 제어 신호는 원하는 광파워 스펙트럼 분포를 유지시키는 제어 명령을 포함한다.

이상에서는 2단의 복수 증폭부(10,20)를 갖는 APC 광증폭기를 예를 들었으나, 하나의 제1증폭부(10)로 APC 광증폭기를 구성하여 광증폭기 출력에서 광스펙트럼을 얻어 능동이득 평탄화필터(22)와, 펌프원(10a)을 조정할 수도 있는 것으로 이 역시 본 발명의 청구범위에 속한다고 할 것이다.

또한 제1증폭부(10)의 후단에 다수개의 증폭부를 두는 APC 광증폭기를 구성하여 상기 광증폭기 출력에서 광스펙트럼을 얻어 능동이득 평탄화필터(22)와, 펌프원(10a)을 조정할 수도 있는 것으로 이 역시 본 발명의 청구범위에 속한다고 할 것이다.

이상과 같은 특징으로 인해 본 발명에 따른 자동파워조정(APC) 광증폭기는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에 따른 APC 광증폭기는 능동이득 평탄화필터를 사용하여 출력 스펙트럼의 국지적 파워를 효과적으로 제어함에 따라 우수한 이득 평탄화 특성을 얻을 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 APC 광증폭기는 둘째 단 제2증폭부의 입력 파워를 높게 유지하여 대부분의 잡음 특성을 첫째 단 제1증폭부의 성능에 국한시킴으로써 종래의 AGC 광증폭기에 비해 월등히 개선된 잡음 지수를 갖는다.

셋째, 본 발명에 따른 APC 광증폭기는 종래의 AGC 광증폭기에 비해 매우 넓은 동적 이득 범위를 가지므로 광전송 시스템에 적용시 요구 조건을 크게 완화시킬 수 있으며 전체적인 제작 단가를 낮출 수 있고 광전송 시스템의 유연성을 최대한 확보할 수 있다.

Claims (25)

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20. 광증폭하는 과정과,

    펌프원을 이용하여 펌핑에 의해 이득을 제공하는 과정과,

    능동이득 평탄화필터를 통과하는 광신호를 검출하는 과정과,

    검출된 광신호로부터 광스펙트럼을 얻는 과정과,

    상기 광스펙트럼으로부터 능동이득 평탄화필터와 펌프원을 조정하는 제어 신호를 발생시키는 과정을,

    상기 제어신호가 광증폭기의 출력 광스펙트럼을 항상 일정하게 만드는 과정을,

    포함하는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법.
21. 삭제
22. 청구항 20에 있어서, 상기 능동이득 평탄화필터는 광섬유내에 존재하는 공간적인 모드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법.
23. 청구항 20에 있어서, 상기 능동이득 평탄화필터는 그 내부의 공간적인 모드들을 통해 발산되는 에너지를 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법.
24. 청구항 20에 있어서, 상기 제어 신호는 원하는 증폭 이득을 유지시키는 제어 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법.
25. 청구항 20에 있어서, 상기 제어 신호는 원하는 광파워 스펙트럼 분포를 유지시키는 제어 명령을 포함하는 것을 특징으로 하는 파장분할다중방식 광전송시스템을 위한 광증폭기의 조정방법.