KR100488195B1

KR100488195B1 - 광섬유 라만 증폭기

Info

Publication number: KR100488195B1
Application number: KR10-2002-0005629A
Authority: KR
Inventors: 김필한; 박재형; 박남규
Original assignee: 주식회사 럭스퍼트
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2005-05-10
Also published as: KR20030065144A

Abstract

OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)을 사용한 이득최적화 시스템을 이용하여 광섬유 라만 증폭기 내부에서의 펌프 파워의 변화추이를 알아낼 수 있는 광섬유 라만 증폭기에 대해 개시한다. 즉, 측정결과를 이용하여 라만 증폭기의 이득을 결정하는 내부 파라미터인 유효거리(effective length)를 정확히 계산할 수 있다. 또한 어떠한 파장과 펌프파워의 조합에 대해서도 다중 펌프에 대한 라만 증폭기의 이득을 다중으로 사용된 각 파장의 단일 펌프에 대한 라만 증폭기의 이득 측정결과만을 기준으로 하여 제시된 시스템으로 측정된 유효거리를 바탕으로 정확하게 예측할 수 있다. 본 장치를 사용하면, 기존의 알려진 방법과 달리 예측과정에서 증폭매질로 사용된 광섬유의 특성치를 전혀 요구하지 않으며, 계산과정이 단순하여 최단시간 내에 효율적으로 가장 최적의 광섬유 라만 증폭기를 설계할 수 있다. 또한 계속 실시간으로 유효거리를 측정함으로써 포설된 라만 증폭기의 성능을 지속적으로 감시함으로써 유지 보수를 용이하게 하며, 갑작스러운 장애로 인한 손실을 예방할 수 있다.

Description

광섬유 라만 증폭기 {Fiber Raman amplifier}

본 발명은 라만 증폭기에 관한 것으로서, 특히 다중 펌프를 사용하는 경우에 OTDR을 이용하여 이득최적화를 할 수 있는 시스템을 가진 광섬유 라만 증폭기에 관한 것이다.

최근 1.4㎛ 대역에서 높은 출력을 가지는 펌프광원의 개발과 함께, 라만 광섬유 증폭기(Raman Fiber Amplifier; RFA)는 급속히 증가하는 전송대역요구에 대응할 수 있는 차세대 증폭기로 주목받고 있다. 그러나, 다중 펌프광원을 사용하여 광대역 라만 증폭기를 구성하는 경우, 펌프간의 유도 라만산란으로 인한 상호작용, 이중 레일라이산란(double Rayleigh scattering), 펌프와 신호 간의 편광의존성 등과 같은 수많은 요인으로 인해 라만 증폭기의 정확한 동작원리 및 특성에 대한 해석이 매우 복잡하다. 특히 기존의 포설된 광섬유를 증폭 매질로 사용하는 광섬유 라만 증폭기의 경우는 긴 광섬유 내부에서 증폭이 이루어지기 때문에 내부 파라미터에 대한 정확한 측정이 매우 어려우며, 이는 라만 증폭기의 해석 및 최적화를 어렵게 하는 가장 큰 요인이 되고 있다.

종래에는 다중펌프를 사용하는 라만 증폭기의 이득 예측 및 최적화를 위해서 복잡한 결합미분방정식을 수치해석방법으로 풀이하였다. 그러나 이 방법의 경우 앞서 언급한 대로 광섬유의 정확한 내부 파라미터 값을 구하기 어렵다는 점 때문에 정확도에서 문제가 있었다. 또한 증폭대역의 확장을 위해 펌프의 수를 늘릴 경우, 계산해야 되는 방정식이 같이 증가하면서 계산에 매우 오랜 시간이 걸리는 단점이 있다. 그리하여 기존의 기술들은 정확도를 높이면서 계산시간을 단축할 수 있는 알고리즘의 개발에 치중해 왔다. 그러나, 이러한 알고리즘을 개발한다 하여도 근본적으로 결합미분방정식을 수치해석적인 방법으로 풀이하기 위해 취하는 근사와 여러 가지 가정에 의한 오류와 내부 파라미터 측정의 복잡성으로 로 인한 오류로 인해 정확도를 크게 향상시킬 수 없었다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 광섬유 라만증폭기의 이득예측을 빠르게 수행하여 이를 통한 최적화 과정의 속도향상을 이룸과 동시에 이 과정에서 광섬유 내부파라미터 측정 과정을 생략할 수 있도록 함으로써 정확도의 향상을 얻을 수 있는 이득최적화 시스템을 가진 광섬유 라만 증폭기를 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 광섬유 라만 증폭기는, 광신호의 입·출력단과, 상기 광신호를 증폭하기 위한 펌프광의 입력단을 가지며, 이득매질로 사용될 광섬유와; 상기 광섬유에 대한 펌프광을 제공하는 서로 다른 파장의 다중 펌프를 구비하는 기존의 광섬유 라만 증폭기를 개량한 것으로서, 기존의 광섬유 라만 증폭기에 대해,

상기 펌프와 이득매질 광섬유 사이에 위치하며, 상기 이득매질 광섬유에서 레일라이 후방산란된 빛을 입력받아 시간대별로 저장하여 상기 다중 펌프 각각에 대한 상기 광섬유 각 지점에서의 파워를 측정하는 OTDR과;

상기 이득매질 광섬유에서 레일라이 후방산란된 빛을 상기 OTDR로 보내는 OTDR 접속 역할을 수행함과 동시에 상기 펌프광을 상기 이득매질 광섬유로 입력시키고 또한 상기 펌프광을 상기 OTDR의 광원으로도 사용할 수 있도록 해주는 OTDR 접속수단과;

상기 OTDR 접속수단과 OTDR 사이에 삽입되어 측정파장 이외에 다른 파장을 제거하는 수단;

으로 이루어지며,

유효 거리는 상기 다중펌프 중의 각 펌프에 대해서 상기 OTDR에 의해 측정된 결과로부터 수학식 1로 구하며,

[수학식 1]

(여기서 L 은 전체 광섬유의 길이이며, 는 OTDR에서 측정되어진 신호광원이 입사된 지점에서 거리가 z 인 지점의 펌프파워)

다중 펌프를 사용할 경우의 광섬유 라만 증폭기의 이득 는 어떤 펌프파워의 조합에 대해서도 수학식 4에 의해 구하여,

[수학식 4]

(여기에서, , , 은 각각 기준값으로 단 한번 측정된 입력 펌프 파워, 계산된 유효거리, 측정된 이득)

이득을 예측함으로써 이득 최적화를 할 수 있도록 해주는 이득 최적화 시스템;

을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 OTDR 접속 수단은, 광회전기 또는 3dB 접속기로 구성할 수 있다.

또한 상기 다른 파장의 제거 수단은, 파브리-페로 공진기, 광섬유 브래그 격자, 광학미러, 광도파로, 3dB 접속기로 구성된 광학소자군에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 대역통과필터인 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 이득 최적화 시스템은:

상기 OTDR에서 측정된 개별 입력 펌프파워와, 계산된 유효거리 및 측정된 이득을 통해 다중 펌프의 어떠한 조합에 대해서도 이득을 계산해 내는 연산장치와;

상기 연산장치의 연산결과에 따라 파장에 따른 상기 이득의 곡선이 일정 범위 내로 평탄도를 유지하도록 상기 다중 펌프의 파워 또는 출력파장을 조절하는 제어장치로 이루어진 이득 평탄화 장치를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이득최적화 시스템을 가진 광섬유 라만 증폭기의 개략적 구성도이다. 도 1을 참조하면, 이득최적화 시스템(100)을 제외하고는 다중 펌프를 채용한 종래의 광섬유 라만 증폭기의 구성과 동일하다. 우선, 다중 펌프로서 1420㎚, 1435㎚, 1450㎚의 출력 파장을 가지는 펌프 LD(Laser Diode; 10)가 각각 2개씩 사용되었다. 이 때 편광의존성을 제거하기 위해서 편광조절기(Polarization Controller)(PC; 20)와 편광유지 접속기(Polarization Maintaining Beam Combiner)(PMBC; 30)를 사용하여 같은 파장의 LD 2개의 출력을 편광접속(Polarization Multiplexing)하여 사용하였다. 이와 같이 사용할 경우, 서로 직교하는 두 가지 편광상태에 같은 펌프파워를 인가함으로써 증폭과정에서의 편광의존성을 제거할 수 있다. 다음으로 펌프광원들의 출력은 펌프 파장분할접속기(Wavelength Division Multiplexer)(Pump WDM; 40)로 합쳐진 후, 광회전기(Circulor)(110)를 거치고 나서, 다시 1.4㎛/1.5㎛ 광대역파장분할접속기(WDM; 80)를 통해서 신호광원의 역방향으로 분산천이 광섬유(Dispersion Shifted Fiber)(DSF; 50)에 입력된다. 만약 본 발명의 실시예에 사용되는 이득최적화 시스템을 채택하지 않을 경우에는 펌프 광원들의 출력이 광회전기(110)를 거칠 필요가 없다. 사용된 분산천이 광섬유(50)의 길이는 총 40㎞로 각각 20㎞ 길이의 광섬유 스풀(spool) 두 개를 융착, 접속하여 구성하였다. 또한 각각의 펌프 LD(10)들은 상용 OTDR(130)에서 신호(A)를 받아 OTDR 광원으로도 사용될 수 있다. 광회전기(110)는 펌프출력을 분산천이 광섬유(50)로 입력시키고, 분산천이 광섬유(50)에서 레일라이 후방산란된(Rayleigh back scattered) 빛은 OTDR(130)로 입력시키는 역할을 한다. 이 때 OTDR 수신부 전단의 대역통과필터(Bandpass Filter)(120)는 OTDR 광원으로 사용되고 있는 펌프파장 이외의 신호가 OTDR로 입력되는 것을 차단하여 정확한 측정결과를 얻을 수 있게 해준다. OTDR에 입력된 레일라이 후방산란된 빛은 OTDR에서 시간대별로 저장되며, OTDR에서는 시간대별로 저장된 빛으로부터 광섬유 각 지점에서의 파워를 측정한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 라만 증폭기의 동작은 다음과 같다. 다중 펌프 중의 각 펌프(10)가 OTDR(130)의 광원으로도 사용되며, 이 때 측정된 결과로부터 유효거리 L _eff 는 다음 수학식 1로 나타내어진다.

여기서 L 은 전체 광섬유의 길이이며, 는 OTDR에서 측정되어진 신호광원이 입사된 지점에서 거리가 z 인 지점의 펌프파워를 나타낸다. 한편 펌프광원은 신호광원과 반대방향으로 광섬유에 접속되므로, 은 광섬유로 입력된 펌프파워를 의미한다.

한편, 라만 이득 추이에 대한 식은 수학식 2와 같이 주어진다.

여기서, 는 OTDR에서 측정되어진 파장 λ인 위치 z에서의 신호파워이며이며, 는 신호파장 λ에서의 광섬유 감쇠 계수이며,는 펌프에 의한 신호파장 λ에서의 라만 이득계수이며, 는 유효 면적이다.

수학식 2를 사용하여, 기준값으로 단 한번 측정된 입력 펌프파워, 계산된 유효거리, 측정 이득에 대한 식을 구하면 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

수학식 3에서 파장에 따라 변하는 계수 를 수학식 2에 치환하여 넣고 다시 정리하면 수학식 4를 얻는다.

여기에서 , , 은 각각 기준값으로 단 한번 측정된 입력 펌프 파워, 계산된 유효거리, 측정된 이득을 나타낸다.

이와 같이 각각의 펌프에 대해 OTDR을 통하여 측정한 이득값으로부터 다중 펌프를 사용할 경우의 상호작용에 대한 영향이 고려된 이득값을 얻을 수 있고, 이들을 전체적으로 합산하여 다중 펌프 전체에 의한 이득값을 정확하게 얻을 수 있다.

한편, 상기한 바와 같은 다중 펌프 전체에 의한 이득값은 연산장치(140)에 의해 계산되며, 계산결과 파장에 따른 상기 이득의 곡선을 구할 수 있다. 또한, 연산장치(140)는 이와 같은 이득곡선이 일정 범위 내로 평탄화되는지에 판단을 행한 후, 이 값이 일정범위에 들어갈 때의 펌프의 파워 또는 출력파장을 알아내는 기능을 수행한다.

연산장치(140)의 연산결과에 의해 주어지는 다중 펌프의 파워 또는 출력파장은 연산장치(140)에 연결된 제어장치(150)에 제공되며, 제어장치(150)는 이 정보에 기초하여 각각의 라만 펌프 LD(10)에 그 파워 또는 출력 파장을 조절하는 신호(B)를 보내어 광섬유 라만 증폭기의 평탄도를 조절한다.

물론 본 실시예에서 라만 펌프 LD(10)의 출력 파장이 고정되어 있는 경우에는 그 파워만을 조절하고, 가변 파장을 출력할 수 있는 라만 펌프를 사용할 경우에는 출력 파장까지 조절할 수도 있다.

도 2는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 단일펌프에 대한 OTDR 측정결과이다. 상기 수학식 1에서와 같이 광섬유 라만 증폭기의 유효거리는 입력된 펌프파워의 거리에 대한 변화비의 적분으로 나타내어지므로 도 2를 결과를 수학식 1에 대입하여 계산하면, 표 1에서와 같이 단일 펌프에서의 유효거리를 구할 수 있다. 도 2에서 곡선의 연속상태가 타원내부에서 약간 깨지는 것을 보이는 것은 융착접속(Fusion splicing)에 의한 손실이 측정된 것이다.

파장	다중펌프							단일펌프
1420㎚	1435㎚	145㎽			120㎽	100㎽	80㎽	-
	1450㎚	115㎽	100㎽	80㎽	115㎽			-
	유효거리	8.6㎞	9.1㎞	9.5㎞	9.0㎞	9.3㎞	9.6㎞	11.9㎞
1435㎚	1420㎚	145㎽			120㎽	100㎽	80㎽	-
	1450㎚	115㎽	100㎽	80㎽	115㎽			-
	유효거리	12.9㎞	13.1㎞	13.5㎞	13.1㎞	12.5㎞	12.5㎞	12.9㎞
1450㎚	1420㎚	145㎽			120㎽	100㎽	80㎽	-
	1435㎚	120㎽	100㎽	80㎽	145㎽			-
	유효거리	20.7㎞	20.3㎞	19.5㎞	20.5㎞	20.4㎞	20.0㎞	14.3㎞

도 3a 및 3b는, 역시 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 각각 펌프파장이 1450㎚, 1420㎚인 경우에 다중펌프에 대한 OTDR 측정결과이다. 일단 도 3a를 참조하면, 1420㎚와 1435㎚의 펌프가 1450㎚를 증폭시키는 광원으로 사용되어 실선으로 나타내어진 1450㎚ 단일 펌프의 경우보다 덜 감쇠됨을 알 수 있다. 한편 도3b를 참조하면 도 3a의 결과와는 반대로 1420㎚ 단일 펌프의 경우보다 더 감쇠됨을 알 수 있다. 이는 라만 증폭기의 원리인 유도 라만산란(Stimulated Raman Scttering)이 단파장에서 장파장으로 에너지를 전이하는 형태로만 이루어지기 때문이다. 즉, 1420㎚ 펌프의 경우는 1450㎚와 1435㎚로 에너지를 전이해 줄 뿐 넘겨받을 수는 없는 반면에 1450㎚ 펌프는 에너지를 전이받을 뿐, 1420㎚나 1435㎚로 에너지를 전이해 주지 않기 때문에 이와 같은 차이가 발생하게 된다. 마찬가지로 서로 다른 펌프파워의 조합에 대해서 각 파장의 유효거리를 계산한 결과를 표 1에 나타냈다. 앞서 언급한 대로 1420㎚는 단일파장의 경우보다 다중파장의 경우 유효거리가 감소함을 볼 수 있으며, 1450㎚는 반대로 증가함을 볼 수 있다. 한편 1435㎚의 경우는 두가지 효과가 서로 상쇄되어 상대적으로 단일파장의 경우와 다중파장의 경우모두 유효거리가 큰 차이가 없음을 볼 수 있다.

도 4a는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 각각 펌프파장이 1420㎚, 1435㎚, 1450㎚ 인 경우에 단일펌프에 대한 라만 이득 측정결과이다. 한편 도 4b는, 표1 및 도 4a의 결과를 수학식 2에 대입하여 얻은 다중펌프에 대한 1420㎚, 1435㎚, 1450㎚ 각 펌프의 라만 이득 계산결과이다. 앞서 설명한 바와 같이 1420㎚의 경우는 다중펌프로 동작할 경우 펌프가 단일펌프로 동작할 경우보다 빨리 감쇠되기 때문에, 도 4a와 도 4b의 결과를 비교하면 도 4b에서의 이득이 훨씬 감소되어 있음을 볼 수 있다. 반대로 1450㎚의 경우는 다중펌프로 동작할 경우가 단일 펌프로 동작할 경우보다 덜 감쇠되기 때문에, 도 4a와 도 4b의 결과를 비교하면 도 4b에서의 이득이 훨씬 증가되어 있음을 볼 수 있다.

도 5a는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 다중펌프에 대한 전체 라만 이득 측정결과이다. 다음으로 도 5b는, 표1 및 도 4a의 결과를 수학식 4에 대입하여 얻은 다중펌프에 대한 전체 라만 이득 계산결과이다. 두 결과를 비교하여 보면 도 5b에서 계산으로 예측된 전체 라만 이득이 실제로 측정된 도 5a의 결과와 매우 정확하게 일치함을 볼 수 있다.

도 6a는 위의 측정결과들로부터 1525㎚부터 1550㎚의 총 25㎚ 대역에서 이득값 10㏈를 유지하면서 전체 평탄도가 ±0.5㏈ 이내로 되도록 하는 다중펌프의 파장과 파워의 조합들을 계산해 낸 결과의 그래프이다. 도 6b는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 4.5㏈의 라만 이득과 ±0.5㏈의 평탄도를 얻기 위해 펌프 파장 및 파워가 실제로 제어된 측정결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명에서 제시한 상기 적용례와 같이 OTDR 기술을 광섬유 라만 증폭기에 도입함으로써, 어떤 파장과 파워의 다중펌프 조합에 대해서도 간단하게 정확한 이득예측을 할 수 있으며, 이를 통해 최적화 시간을 크게 단축할 수 있다. 또한 이와 같이 빠른 측정시간을 바탕으로 실시간 이득측정 및 예측을 실현함으로써 일단 포설된 광섬유 라만 증폭기의 유지보수를 용이하게 하며, 실시간 감시를 통해 장애발생요인을 사전에 제거함으로써 시스템 신뢰도를 크게 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이득최적화 시스템을 가진 광섬유 라만 증폭기의 개략적 구성도;

도 2는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 단일펌프에 대한 OTDR 측정결과;

도 3a 및 3b는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 각각 펌프파장이 1450㎚, 1420㎚인 경우에 다중펌프에 대한 OTDR 측정결과;

도 4a는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 각각 펌프파장이 1420㎚, 1435㎚, 1450㎚ 인 경우에 단일펌프에 대한 라만 이득 측정결과;

도 4b는, 표1 및 도 4a의 결과를 수학식 4에 대입하여 얻은 다중펌프에 대한 1420㎚, 1435㎚, 1450㎚ 각 펌프의 라만 이득 계산결과;

도 5a는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 다중펌프에 대한 전체 라만 이득 측정결과;

도 5b는, 표1 및 도 4a의 결과를 수학식 4에 대입하여 얻은 다중펌프에 대한 전체 라만 이득 계산결과를 나타낸 그래프;

도 6a는, 표1 및 도 4a, 4b의 결과를 이용하여 10㏈의 라만 이득과 ±0.5㏈의 평탄도를 얻기 위한 다중펌프 파장 및 파워조합 계산결과의 그래프; 및

도 6b는, 도 1의 구성도에서 측정된 것으로서, 4.5㏈의 라만 이득과 ±0.5㏈의 평탄도를 얻기 위해 펌프 파장 및 파워가 실제로 제어된 측정결과를 나타낸 그래프이다.

Claims

광신호의 입·출력단과, 상기 광신호를 증폭하기 위한 펌프광의 입력단을 가지며, 이득매질로 사용될 광섬유와;

상기 광섬유에 대한 펌프광을 제공하는 서로 다른 파장의 다중 펌프;

를 구비하는 광섬유 라만 증폭기에 있어서,

상기 펌프와 이득매질 광섬유 사이에 위치하며, 상기 이득매질 광섬유에서 레일라이 후방산란된 빛을 입력받아 입력받아 시간대별로 저장하여 상기 다중 펌프 각각에 대한 상기 광섬유 각 지점에서의 파워를 측정하는 OTDR과;

상기 이득매질 광섬유에서 레일라이 후방산란된 빛을 상기 OTDR로 보내는 OTDR 접속 역할을 수행함과 동시에 상기 펌프광을 상기 이득매질 광섬유로 입력시키고 또한 상기 펌프광을 상기 OTDR의 광원으로도 사용할 수 있도록 해주는 OTDR 접속수단과;

상기 OTDR 접속수단과 OTDR 사이에 삽입되어 측정파장 이외에 다른 파장을 제거하는 수단;

으로 이루어지며,

유효 거리는 상기 다중펌프 중의 각 펌프에 대해서 상기 OTDR에 의해 측정된 결과로부터 수학식 1로 구하며,

[수학식 1]

(여기서 L 은 전체 광섬유의 길이이며, 는 OTDR에서 측정되어진 신호광원이 입사된 지점에서 거리가 z 인 지점의 펌프파워)

다중 펌프를 사용할 경우의 광섬유 라만 증폭기의 이득 는 어떤 펌프파워의 조합에 대해서도 수학식 4에 의해 구하여,

[수학식 4]

(여기에서, , , 은 각각 기준값으로 단 한번 측정된 입력 펌프 파워, 계산된 유효거리, 측정된 이득)

이득을 예측함으로써 이득 최적화를 할 수 있도록 해주는 이득 최적화 시스템;

을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 OTDR 접속 수단이:

광회전기 또는 3dB 접속기인 것을 특징으로 하는 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 다른 파장의 제거 수단이:

파브리-페로 공진기, 광섬유 브래그 격자, 광학미러, 광도파로, 3dB 접속기로 구성된 광학소자군에서 선택된 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 대역통과필터인 것을 특징으로 하는 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 이득 최적화 시스템이:

상기 OTDR에서 측정된 개별 입력 펌프파워와, 계산된 유효거리 및 측정된 이득을 통해 다중 펌프의 어떠한 조합에 대해서도 이득을 계산해내고, 파장에 따른 상기 이득의 곡선이 일정 범위 내로 평탄화되도록 하는 상기 다중 펌프의 파워와 출력파장의 조합을 알아내는 연산장치와;

상기 연산장치의 연산결과에 따라 상기 다중 펌프의 파워와 출력파장을 조절하는 제어장치;

로 이루어진 이득 평탄화 장치,

를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 라만 증폭기.