KR100832505B1 - 광섬유 증폭기의 이득제어기 - Google Patents

Abstract

외란관측기법을 적용한 광섬유증폭기의 이득제어기에 관해 개시한다. 본 발명의 이득제어기는, 상기 광섬유 증폭기의 출력단으로부터 검출된 일부의 출력 광신호와, 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 가해지는 입력펌프 광신호가 모사된 광증폭기 모델을 거쳐서 나온 광증폭기 모사모델 출력 광신호의 차를 통해 입력신호의 변동량을 계산하고, 계산된 입력신호 변동량을 근거로 하여 입력신호 변동을 보상하게 해주는 입력신호 변동관측기와; 상기 광섬유 증폭기의 출력단으로부터 일부의 신호를 검출하여 신호의 이득을 검출한 후, 이를 설정이득과 비교하여 제어될 이득량을 알아내고 상기 제어될 이득량에 대해 상기 입력신호 변동관측기로부터 주어지는 입력신호 변동 보상량을 차감한 펌프입력을 발생시키는 제어기와; 상기 펌프입력을 상기 역방향 광펌핑 수단에는 일정 수준의 펌프입력으로, 상기 순방향 광펌핑 수단에는 상기 역방향 광펌핑 수단의 펌프입력을 제외한 펌프입력으로 각각 나누어 공급하는 입력 배분기;를 구비한다.

광섬유, 증폭기, 어븀, 외란관측, 순방향, 역방향, 입력 배분기, 펌프입력

Description

광섬유 증폭기의 이득제어기 {GAIN CONTROLLER OF OPTICAL FIBER AMPLIFIER}

도 1은 광통신 시스템에 어븀첨가 광섬유 증폭기를 적용한 종래의 예를 나타낸 구성도;

도 2는 종래 출원에 따른 광섬유증폭기장치의 이득제어기를 설명하기 위한 블록도;

도 3은 도 2에 도시된 입력신호 변동관측기의 구조를 나타낸 블록도;

도 4는 도 2에 도시된 제어부의 구조를 나타낸 블록도;

도 5는 광통신 시스템에 본 발명에 따른 이득제어기를 가지는 어븀첨가 광섬유 증폭기를 적용한 종래의 예를 나타낸 구성도;

도 6은 본 발명에 따른 광섬유증폭기의 이득제어기를 설명하기 위한 블록도;

도 7은 도 6에 도시된 입력신호 변동관측기의 구조를 나타낸 블록도;

도 8은 도 6에 도시된 제어기와 입력 배분기의 구조를 나타낸 블록도; 및

도 9a 내지 도 9i는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 이득제어기를 구성하는 구성요소들 각각에 대한 회로도이다.

본 발명은 광섬유 증폭기의 이득제어기에 관한 것으로, 특히 외란관측기법으로서 입력신호 변동관측기를 적용하여 채널의 첨가 또는 절취가 수시로 발생하거나 입력 광신호세기가 감쇄 등에 의하여 변동하는 경우에도 불구하고 광섬유증폭기의 출력 광파형에서의 요철을 극소화시킬 뿐만 아니라 각 채널당 이득이 항상 일정하게 유지하도록 한 광섬유증폭기의 이득제어기에 관한 것이다.

보통, 파장분할다중(WDM)망에 있어서는 능동적인 망의 재구성이라든지 파장분할 다중채널의 첨가 또는 절취 등에 의한 채널 개수의 변화에 상관없이 각 채널의 신호레벨을 항상 일정하게 유지하는 것이 수신단에서의 정확한 신호검출을 위해 매우 중요하도록 되어 있다. 상기 파장분할 다중망에서 채널 개수의 변화에 의해 각 채널의 신호레벨이 변하게 되는 가장 큰 원인은, 파장분할다중 신호들이 어븀첨가 광섬유증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; EDFA)를 통과하는 경우이다.

그런데, 어븀첨가 광섬유증폭기를 이용한 광증폭은 최근 가지(branch)가 많은 네트워크나 장거리 광섬유장치 안에서 신호 파워를 유지시키는 주요한 의미에서 광전자공학 중계기 중에서 각광받고 있는 실정이다. 이 어븀첨가 광섬유증폭기는 자연적으로 1530nm부터 1580nm사이의 넓은 영역의 많은 파장에서 매우 높은 비율의 이득을 제공하고 있는 바, 이는 고차원 다중 레이어 시스템(high order multi-layer system)에서 많은 다양한 손실들을 매우 편리하게 극복함으로써 많은 가지의 광 네트워크를 수행 가능하도록 되어 있다.

어븀첨가 광섬유증폭기에서 채널간의 이득 평탄화와 NF(noise figure) 문제가 발생하게 되었다. 따라서, 입력 채널수의 변화나 입력광 세기의 변화에 따라 각 채널의 이득을 자동으로 일정하게 유지시켜주는 이득제어장치가 요구되어 왔다. 광학소자를 이용한 이득 제어방법은 효과적이지만 어븀첨가 광섬유증폭기의 구조가 복잡해지며, 어븀첨가 광섬유증폭기의 위치에 따른 조건에 따라 동작 파라미터의 튜닝이 어렵다는 문제점이 있다. 이에 대하여, 펌핑 광원(pumping light source)에 공급되는 바이어스 전류의 제어를 통해 펌핑 광의 세기를 조절하는 방법이 구현하기가 용이하다. 그러나, 광신호의 채널수가 다양하게 변화하는 파장분할다중 시스템에 있어서 단순한 아날로그 회로를 이용하여 다양한 광신호의 세기에 따라 펌핑 광원을 제어하는 것이 힘들다는 문제점이 있다.

또한, 상기 이득제어장치는 채널의 증가/감소에 따른 출력 광신호의 일시 과도 현상을 억제하는 기능도 구비해야한다는 어려움이 있다.

도 1은 광통신 시스템에 어븀첨가 광섬유 증폭기를 적용한 종래의 예를 나타낸 구성도이다. 도 1을 참조하면, 외부의 입력신호는 커넥터(21)와 아이솔레이터(Isolator; 22)를 거친 후 어븀첨가 광섬유증폭기(23)에 입력된다. 그 다음, 입력신호는 어븀첨가 광섬유증폭기(23)에서 펌프 레이저 다이오드(26)와 같은 광펌핑 수단에 의해 적절히 증폭된 후, 다시 아이솔레이터(24)와 커넥터(25)를 통하여 출력으로서 나오게 된다. 그런데, 입력신호는 여러 채널들의 신호들로 이루어져 있으며, 이러한 입력신호는 통신망에서의 감쇄 등을 이유로 증폭되어야 할 필요가 있다. 어븀첨가 광섬유증폭기(23)에 의하여 증폭된 출력신호는 입력신호의 광량에 따 라 그 이득이 좌우되는 바, 만약 입력신호중 일부 채널신호가 없어진다면 이득에 변동을 유발할 수 있다. 따라서, 이러한 광량의 변화를 펌프 레이저 다이오드(26)와 같은 광펌핑 수단에 의해 다시 채워줌으로써 원하는 이득을 일정하게 유지할 수 있다.

그런데, 도 1에 도시된 어븀첨가 광섬유증폭기를 이용할 경우, 입력신호의 입력 채널수가 변하게 되면, 이 광섬유증폭기(23) 내에서 발생하는 교차이득 포화효과로 인해 광섬유증폭기(23)를 통과하는 채널들이 얻게 되는 이득에 변화가 생기게 된다. 따라서, 상기 어븀첨가 광섬유증폭기(23)로 입력되는 채널 개수의 변화에도 불구하고, 증폭기를 통과하는 각 채널이 항상 일정한 이득을 갖게 함으로써 파장분할 다중신호 레벨이 동일하게 유지되게 할 필요가 있다.

일반적으로 어븀첨가 광섬유증폭기의 이득을 일정하게 제어하는 방법으로는, 광섬유증폭기의 출력을 피드백신호로 이용하는 전광학적 방법과, 광섬유증폭기의 출력신호를 바탕으로 펌프레이저의 출력을 전기적으로 제어하는 방법 등이 있다. 상기 전광학적 방법은 어븀첨가 광섬유증폭기의 완화진동 주파수보다 채널의 첨가 또는 절취주파수(빈도수)가 낮아야만 광섬유증폭기의 이득을 제어할 수 있다는 문제점이 있는 반면에, 구현의 간편성 및 경제성을 고려할 때 펌프광의 세기를 전기적으로 제어하는 방법이 더 선호되고 있다.

그러나, 펌프광의 세기를 전기적으로 제어하는 종래의 방법에 있어서는, 먼저 채널의 첨가 또는 절취를 파악한 다음 펌프광의 세기를 제어하게 되는 바, 이 경우에는 펌프 레이저 다이오드 등의 광펌핑 수단의 반응속도 한계로 인해 어븀첨 가 광섬유증폭기의 출력 광파형에 요철이 생기게 된다. 이러한 출력 광파형의 요철은 다단의 어븀첨가 광섬유증폭기를 거치면서 증폭되어 신호를 왜곡시키게 되는 단점이 있었다.

본 발명자들은, 이와 같은 펌프 광제어 방법에서의 문제점을 해소하기 위해, 한국특허출원 제10-2003-28405호(이하, "종래 출원"이라 함)에서, 채널 증감이나 입력 광신호의 감쇄 등에 따른 광증폭 이득에서의 변동을 극소화하여 일정한 이득을 얻을 수 있고, 채널의 증감이나 광신호의 감쇄 등에 의한 입력신호의 변동요인을 외란으로 보고 외란관측기법을 이용한 외란관측기로서 입력신호 변동관측기를 구성함으로 채널 증감에 따른 이득변동을 제어하고 각 채널의 이득을 일정하게 유지시킬 수 있는 광섬유증폭기장치의 이득제어기에 대해 개시한 바 있다.

도 2는 종래 출원에 따른 광섬유증폭기장치의 이득제어기를 설명하기 위한 블록도이다. 종래 출원의 발명의 주제는, 외란관측기법을 이용한 외란관측기의 입력신호 변동관측기(3)를 적용한 어븀첨가 광섬유증폭기(1)의 이득제어로서, 광섬유증폭기(1)에서 입력 채널신호의 변동에 의한 이득변동 제어를 위한 것이다. 여기서는, 입력신호 변동관측기(3)를 적용하여 채널의 첨가 또는 절취가 수시로 발생하거나 입력 광신호의 세기가 감쇄 등에 의하여 변동하는 경우에도 불구하고 어븀첨가 광섬유증폭기의 출력 광파형에서의 요철을 극소화시킬 뿐만 아니라 각 채널당 이득이 항상 일정하게 유지하도록 되어 있다. 광섬유증폭기 이득 제어시스템의 구성은 설정이득이 제어기(2)를 통해 광섬유증폭기(1)로 공급되고 있는 광섬유 증폭기장치의 이득제어기인 데, 상기 제어기(2)와 광섬유증폭기(1) 사이에는 외란관측기법을 이용한 외란관측기의 입력신호 변동관측기(3)를 설치하여 구성되고 있다. 여기서, 채널의 증감이나 광신호의 감쇄 등에 의한 입력신호의 변동요인을 외란으로 보고 있다. 상기 제어기(2)로의 설정이득은 여기상태(EXCITED STATE)로서 저장소(RESERVOIR)이고. 이 저장소를 일정하게 제어함으로 각 채널의 이득을 일정하게 할 수 있다.

종래 출원에서는 출력 광파형에서의 요철을 극소화시키기 위하여 광섬유증폭기(1)로서 어븀첨가 광섬유증폭기를 포함하고, 2 LEVEL STATE RATE 방정식과 PHOTON FLUX 방정식을 이용하고 있고, 이를 기반으로 외란관측기법을 적용하고 있다. 각 채널의 이득을 일정하기 위해 변화하는 입력 광신호를 외란으로 보고, 이를 추정하는 외란관측기를 구성하여 펌프 입력에 추정값을 반영하여 채널의 첨가 또는 절취에 의한 변동을 제어할 수 있다. 즉, 상기 외란관측기법을 이용한 외란관측기로서 입력신호 변동관측기(3)는 상기 광섬유증폭기(1)의 출력단으로부터 임의의 한신호를 검출하여 이를 이용하여 입력신호 변동량을 계산하고, 이렇게 계산한 입력신호 변동량을 근거로 하여 입력신호 변동을 보상하기 위한 펌프광 입력을 광섬유증폭기(1)의 입력단으로 공급되게 하여 광증폭이득을 제어할 수 있다.

종래 출원의 이득제어 시스템에서는 도 1의 펌프 레이저 다이오드(26)를 이용한 광출력을 어떻게 제어하여 일정한 광증폭 이득을 얻느냐 하는 것을 주안점을 하고, 도 2는 이러한 광증폭기 이득 제어 시스템의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.

도 2에서 광섬유증폭기(1)는 제어기(2)를 통한 입력으로 채널 광신호와 레이 저 입력을 받고, 이를 증폭하여 증폭된 광신호를 발생시킨다. 이로부터 광증폭 이득을 구할 수 있는 데, 여기서 이를 광섬유증폭기의 출력으로 한다. 상기 제어기(2)는 광증폭 이득을 원하는 설정이득이 되도록 구성한 콘트롤러인 것이다. 이러한 제어기(2)는 제어이론을 이용하여 얼마든지 구성이 가능하고, 보편적으로는 비례적분미분(proportional, integral, derivative) 제어기로 구성할 수 있다.

종래 출원의 발명은 상기 제어기(2)가 입력 채널신호의 변동 등 외부 잡음에 대하여 적절히 빠르게 대응하지 못하는 단점을 보완하기 위하여, 입력신호 변동관측기(3)를 추가함에 따라 이 입력신호 변동관측기(3)에서 입력신호의 변동을 빠르게 추정하여 레이저 입력신호에 반영함으로써 실제 입력 채널신호의 변동에 능동적으로 대처할 수 있다.

입력신호변동 관측을 위한 외란 관측기의 구성으로서 도 3은 이러한 입력 신호의 변동에 의한 신호를 추정하는 입력신호 변동관측기의 블록도인 바, 세부적으로 출력 광신호중 임의의 한 신호를 입력으로 받아들이는 광검출부(11), 입력 펌프광신호를 입력으로 받아들이는 광검출부(13), 입력된 펌프광신호를 이용하여 입력 신호변동이 없다고 가정할 경우에 얻어지는 출력 광을 얻기 위한 광섬유증폭기 모사모델(14), 상기 광검출부(11)와 광섬유증폭기 모사모델(14)의 출력을 비교하여 그 차이를 출력으로 하는 오차검출부(13), 그리고 오차검출부(13)의 출력에 포함된 잡음을 적절히 없애주고 이를 이용하여 원하는 입력신호 변동량을 출력해주는 필터수단(15)으로 구성되어 있다. 상기 실제 광섬유증폭기 모사모델(14)의 입력단에서 u는 실제 입력 펌프 레이저의 출력이고, y는 출력신호들중 임의의 한 채널에 대한 실제 출력 신호이다. 종래 출원의 발명에서는 모든 채널의 출력신호를 알 필요가 없이 어느 한 신호의 출력만을 이용하여 나머지 신호들에 대한 변동을 추정하여 제어할 수 있다. 상기 광섬유증폭기 모사모델(14)은 실제 광섬유증폭기의 동역학을 모사한 시스템으로, 이의 입력은 외부 입력 신호의 변동신호를 제외한 실제 입력 레이저 출력만으로 구성되고 있다. 따라서, 광섬유증폭기 모사모델(14)이 실제 광섬유 증폭기(1)의 모델을 정확히 구현시킬 수 있다면, 광섬유증폭기 모사모델(14)의 출력 Y는 실제 광섬유증폭기(1)에서 입력 채널에 신호의 변동이 없을 때의 실제 출력과 같다. 즉, 광섬유증폭기(1)와 광섬유증폭기 모사모델(14)의 출력의 차인 y-Y 은 외부 입력신호의 변동에 의한 출력의 변동을 의미한다. 이 신호에는 잡음 등이 있으므로 입력신호의 변동을 최적으로 추정하기 위하여 필터수단(15)을 구성한다. 상기 필터수단(15)의 출력 D는 입력신호의 변동 d의 추정값이 되며, 이를 다시 레이저 펌프 일력에 되먹임하여 빼줌으로써 입력 변동신호 d의 영향을 없앨 수 있다 즉, 레이저 출력 u는 도 2에서 일반적인 제어기(2)에 의하여 구하여진 입력 레이저의 출력값 U에서 입력신호 변동관측기(3)의 출력 D를 뺀 값으로 구성된다.

도 4는 도 2에 도시된 제어부(2)의 구조를 나타낸 블록도로서, 출력 광신호로부터 전기적인 신호를 검출하기 위한 광검출부(16), 이렇게 검출된 신호를 이용하여 신호의 이득을 검출하는 이득검출부(17), 설정이득 G 와 검출된 이득 g 의 차를 검출하는 오차검출부(18), 이들 오차를 이용하여 이득을 제어하기 위한 이득제어부(19), 그리고 이 이득제어부(19)로부터 발생한 제어입력과 신호변동 출력신호 D 를 이용하여 실제 입력 펌프광신호를 만들기 위한 펌프입력 발생부(20)로 구성되 어 있다. 상기 이득검출부(17)와 오차검출부(18)는 간단한 OP Amp등의 증폭회로를 이용하면 구성할 수 있으며, 상기 이득제어부(19)는 설정이득 G와 검출이득 g의 오차를 이용하여 기존의 잘 알려진 제어방법들- 예를 들면 PID(비례 미분 적분) 제어알고리즘을 OP Amp 회로나 마이크로프로세서를 이용하여 구현할 수 있다. 상기 펌프입력 발생부(20)는 파워앰프 및 파워 트랜지스터등을 이용하여 레이저 펌프를 구동하는 부분이다.

그러나, WDM 시스템에서 인라인 증폭기로 어븀첨가 광섬유증폭기(EDFA)를사용할 경우, 순방향 펌프 레이저 다이오드와 역방향 펌프 레이저 다이오드를 포함한 최소한 2개 이상의 펌프 레이저 다이오드가 필요한데, 종래 출원의 발명에서는, 도 2를 참조하면 알 수 있듯이, 순방향 펌프 레이저 다이오드(26)만이 사용되는 광섬유 증폭기에 대한 분석을 하였기 때문에, 보다 현실에 가까운 결과를 얻기 어려웠다. 순방향 펌프 레이저 다이오드와 역방향 펌프 레이저 다이오드의 모두를 광섬유증폭기에 적용할 경우, 펌프 레이저 다이오드의 방향에 따라 펌핑효율이 다르기 때문에 이 펌프 레이저 다이오드들을 서로 다른 출력으로 제어할 필요가 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은, WDM망의 인라인 증폭기로 적용된 광섬유 증폭기의 이득이 채널의 가감(add/drop)에 입력 광신호의 감쇄 등에 따라 변동할 경우, 이 변동을 극소화하여 일정한 이득을 얻을 수 있고, 채널의 증감이나 광신호의 감쇄 등에 의한 입력신호의 변동요인을 외란으로 보고 외란관측기법을 이용한 외란관측기로 입력신호 변동관측기를 구성함으로 채널 증감에 따른 이득 변동을 제어하고 각 채널의 이득을 일정하게 유지시킬 수 있는 광섬유 증폭기의 이득제어기를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명의 다른 기술적 과제는, WDM망의 인라인 증폭기로 광섬유 증폭기가 순방향 및 역방향 광펌핑 수단들의 모두에 의해 광펌핑되는 경우에, 이 광펌핑 수단들의 출력을 적절히 제어함으로써 채널 증감에 따른 이득변동을 제어하고 각 채널의 이득을 일정하게 유지시킬 수 있는 광섬유 증폭기의 이득제어기를 제공하는 것이다.

본 발명은 WDM망에서 입력신호를 증폭하는 데 적용되며, 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 의해 광펌핑되는, 광섬유 증폭기에 대해 채널 증감 등에 따른 이득변동을 제어하고 각 채널의 이득을 일정하게 유지된 출력을 발생시킬 수 있는 상기 광섬유 증폭기의 이득제어기에 관한 것으로서,

상기 광섬유 증폭기의 출력단으로부터 검출된 일부의 출력 광신호와, 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 가해지는 입력펌프 광신호가 모사된 광증폭기 모델을 거쳐서 나온 광증폭기 모사모델 출력 광신호의 차를 통해 입력신호의 변동량을 계산하고, 계산된 입력신호 변동량을 근거로 하여 입력신호 변동을 보상하게 해주는 입력신호 변동관측기와;

상기 광섬유 증폭기의 출력단으로부터 일부의 신호를 검출하여 신호의 이득을 검출한 후, 이를 설정이득과 비교하여 제어될 이득량을 알아내고 상기 제어될 이득량에 대해 상기 입력신호 변동관측기로부터 주어지는 입력신호 변동 보상량을 차감한 펌프입력을 발생시키는 제어기와;

상기 펌프입력을 상기 역방향 광펌핑 수단에는 일정 수준의 펌프입력으로, 상기 순방향 광펌핑 수단에는 상기 역방향 광펌핑 수단의 펌프입력을 제외한 펌프입력으로 각각 나누어 공급하는 입력 배분기;

를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서,

(a) 상기 입력신호 변동관측기가:

(a-1) 상기 광섬유 증폭기의 출력 광신호 중 일부 신호를 입력으로 받아서 제1 검출신호(y)를 생성하는 제1 광검출부와;

(a-2) 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 가해지는 입력펌프 광신호를 입력으로 받아서 제2 검출신호(u)를 생성하는 제2 광검출부와;

(a-3) 상기 제2 광검출부를 통과한 입력펌프 광신호가 거치면서 입력신호 변동이 없을 때의 출력신호(Y)를 생성하는 상기 광섬유 증폭기의 모사 모델과;

(a-4) 상기 제1 검출신호(y)와 상기 광섬유 증폭기 모사 모델의 출력신호(Y)의 차이인 제1 차이신호(y-Y)를 출력하는 제1 오차검출부와;

(a-5) 상기 제1 차이신호(y-Y)에 포함된 잡음을 제거하여 신호변동 출력신호(D)를 내보내는 필터부;

를 구비하며,

(b) 상기 제어기가:

(b-1) 상기 광섬유 증폭기의 출력 광신호 중 일부 신호를 입력으로 받아서 제1 검출신호(y)와 동일한 제3 검출신호(y)를 생성하는 제3 광검출부와;

(b-2) 상기 제3 검출신호(y)로부터 검출이득(g)를 얻어내는 이득검출부와;

(b-3) 상기 광섬유 증폭기의 설정이득(G)와 상기 검출이득(g)와의 차이인 제2 차이신호(G-g)를 검출하는 제2 오차검출부와;

(b-4) 상기 제2 차이신호(G-g)를 이용하여 PID 제어 알고리즘을 포함한 제어방법으로 이득을 제어하는 제어입력을 발생시키는 이득제어부와;

(b-5) 상기 이득제어부에서 나온 제어입력과, 상기 입력신호 변동관측기의 필터부에서 나오는 신호변동 출력신호(D)의 차이를 이용하여 입력펌프 광신호를 만들어내는 펌프입력 발생부;

를 구비하며,

(c) 상기 입력 배분기가, 상기 펌프입력 발생부에서 나온 상기 입력펌프 광신호를, 상기 역방향 광펌핑 수단에는 일정한 DC값만큼 할당하고, 상기 순방향 광펌핑 수단에는 상기 입력펌프 광신호에서 상기 일정한 DC값을 뺀 나머지 값으로 할당하는 역할을 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광섬유 증폭기가 어븀첨가 광섬유증폭기이며, 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단이 모두 레이저 다이오드인 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이 다. 도면에서 동일 참조번호는 동일 구성요소를 나타내며 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.

도 5는 광통신 시스템에 본 발명에 따른 이득제어기를 가지는 어븀첨가 광섬유 증폭기를 적용한 종래의 예를 나타낸 구성도이다. 도 5를 참조하면, 커넥터(21)와 아이솔레이터(22)를 통해 입력신호를 받는 어븀첨가 광섬유 증폭기는 어븀첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber; EDF)(23)와 이에 대해 광펌핑을 제공하는 순방향 펌프 레이저 다이오드(26)와 역방향 펌프 레이저 다이오드(26')로 이루어진다. 순방향 펌프 레이저 다이오드(26)와 역방향 펌프 레이저 다이오드(26')의 각각에 대한 입력펌프 광신호는 본 발명의 광증폭기 이득제어기를 통해 공급된다.

도 6은 본 발명에 따른 광섬유증폭기의 이득제어기를 설명하기 위한 블록도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 광섬유증폭기 이득제어기(600)는 크게 세 부분인, 제어기(610), 입력신호 변동관측기(620) 및 입력 배분기(630)로 이루어진다. 광섬유증폭기(640)는 제어기(610)를 통해 입력신호로서의 채널 광신호와 펌프 레이저 다이오드 입력신호를 받아, 증폭된 광신호를 발생시키는 역할을 하는 것으로서, 대표적으로 도 5에 도시된 바와 같은 어븀첨가 광섬유 증폭기를 사용한다. 광섬유증폭기(640)에 의해 증폭된 광신호로부터 광증폭 이득을 구할 수 있는 데, 여기서 이를 광섬유증폭기의 출력으로 한다. 제어기(610)는 광증폭 이득을 원하는 설정이득이 되도록 구성한 컨트롤러로서, 제어이론을 이용하여 얼마든지 구성이 가능하고, 보편적으로는 비례적분미분(Proportional, Integral, Derivative; PID) 제어기로 구성할 수 있다. 본 발명의 광증폭기 이득제어기(600)는, 그에 포함된 제어 기(610)가 입력 채널신호의 변동 등 외부 잡음에 대하여 적절히 빠르게 대응하지 못하는 단점을 보완하기 위하여, 입력신호 변동관측기(620)를 추가함에 따라 이 입력신호 변동관측기(620)에서 입력신호의 변동을 빠르게 추정하여 펌프 레이저 다이오드 입력신호에 반영함으로써 실제 입력 채널신호의 변동에 능동적으로 대처할 수 있다. 입력 배분기(630)는 광섬유증폭기(640)가 순방향 펌프 레이저 다이오드와 역방향 펌프 레이저 다이오드를 광펌핑수단으로 채용하고 있기 때문에 적용된 것으로서, 역방향 펌프 레이저 다이오드에 대해서는 일정 수준의 DC값으로, 순방향 펌프 레이저 다이오드에 대해서는 전체 펌프입력값에서 역방향 펌프 레이저 다이오드의 펌프입력을 제외한 값으로, 각각 펌프입력을 배분하여 공급하는 역할을 한다.

도 7은 도 6에 도시된 입력신호 변동관측기(620)의 구조를 나타낸 블록도로서, 입력신호 변동관측기(620)는 입력 신호의 변동에 의한 신호를 추정하는 역할을 한다. 도 7을 참조하면, 입력신호 변동관측기(620)는, 제1 광검출부(710), 제2 광검출부(740), 광섬유 증폭기의 모사 모델(750), 제1 오차검출부(720) 및 필터부(730)로 구성되어 있다. 제1 광검출부(710)는 광섬유 증폭기의 출력 광신호 중 일부 신호를 입력으로 받아서 제1 검출신호(y)를 생성한다. 제2 광검출부(740)는 도 5의 순방향 펌프 레이저 다이오드(26)와 역방향 펌프 레이저 다이오드(26')에 가해지는 입력펌프 광신호를 입력으로 받아서 제2 검출신호(u)를 생성한다. 광섬유 증폭기의 모사 모델(750)은 제2 광검출부(740)를 통과한 입력펌프 광신호가 거치면서 입력신호 변동이 없을 때의 출력신호(Y)를 생성한다. 즉, 출력신호(Y)는 입력 신호변동이 없다고 가정할 경우에 얻어지는 출력 광신호를 의미한다. 제1 오차검출 부(720)는 제1 검출신호(y)와 상기 광섬유 증폭기 모사 모델의 출력신호(Y)의 차이인 제1 차이신호(y-Y)를 출력한다. 필터부(730)는 제1 차이신호(y-Y)에 포함된 잡음을 제거하여 신호변동 출력신호(D)를 내보낸다. 광섬유증폭기 모사모델(750)의 입력단으로 들어가는 제2 검출신호(u)는 실제 입력 펌프 레이저 다이오드의 출력이고, 제1 검출신호(y)는 출력 광신호들 중의 일부, 예컨대 임의의 한 채널에 대한 실제 출력 신호이다. 본 발명에서는 모든 채널의 출력신호를 알 필요가 없이 어느 한 신호의 출력만을 이용하여 나머지 신호들에 대한 변동을 추정하여 제어할 수 있다. 광섬유증폭기 모사모델(750)은 실제 광섬유증폭기의 동역학을 모사한 시스템으로, 이의 입력은 외부 입력 신호의 변동신호를 제외한 실제 입력 펌프 레이저 다이오드의 출력만으로 구성되고 있다. 따라서, 광섬유증폭기 모사모델(720)이 실제 광섬유 증폭기의 모델을 정확히 구현시킬 수 있다면, 광섬유증폭기 모사모델(750)의 출력신호(Y)는 실제 광섬유증폭기에서 입력 채널에 신호의 변동이 없을 때의 실제 출력과 같다. 즉, 광섬유증폭기와 광섬유증폭기 모사모델(750의 출력의 차이인 제1 차이신호(y-Y)는 외부 입력신호의 변동에 의한 출력의 변동을 의미한다. 이 신호에는 잡음 등이 있으므로 입력신호의 변동을 최적으로 추정하기 위하여 필터부(730)를 이용한다. 필터부(730)에서 나오는 신호변동 출력신호(D)는 입력신호의 변동(d)의 추정값이 되며, 이를 다시 펌프 레이저 다이오드의 입력에 되먹임하여 빼줌으로써 입력신호의 변동(d)의 영향을 없앨 수 있다. 즉, 입력 펌프 레이저 다이오드의 출력인 제2 검출신호(u)는 도 6의 제어기(610)에 의해 구해진 입력 레이저의 출력값에서 입력신호 변동관측기(620)의 신호변동 출력신호(D)의 값을 뺀 값으로 정해 진다.

도 8은 도 6에 도시된 제어기(610)와 입력 배분기(630)의 구조를 나타낸 블록도이다. 도 6을 참조하면, 제어기(610)는 제3 광검출부(810), 이득검출부(820), 제2 오차검출부(830), 이득제어부(840) 및 펌프입력 발생부(850)로 구성된다. 제3 광검출부(810)는 광섬유 증폭기의 출력 광신호 중 일부 신호를 입력으로 받아서 제1 검출신호(y)와 동일한 제3 검출신호(y)를 생성한다. 제3 검출신호(y)는 이득검출부(820)에 의해 검출이득(g)을 얻어내는 데 사용된다. 제2 오차검출부(830)는 광섬유 증폭기의 설정이득(G)와 검출이득(g)와의 차이인 제2 차이신호(G-g)를 검출하는 역학을 한다. 또한, 이득제어부(840)는 제2 차이신호(G-g)를 이용하여 PID 제어 알고리즘을 포함한 제어방법으로 이득을 제어하는 제어입력을 발생시킨다. 이득제어부(840)에서 나온 제어입력과, 입력신호 변동관측기의 필터부에서 나오는 신호변동 출력신호(D)의 차이를 이용하여 펌프입력 발생부(850)에서는 입력펌프 광신호를 만들어낸다. 한편, 펌프입력 발생부(850)에서 나온 입력펌프 광신호는, 입력 배분기(630)에 의해, 역방향 입력 펌프광신호에는 일정한 DC값만큼 할당하고, 순방향 입력 펌프광신호에는 상기 입력펌프 광신호에서 상기 일정한 DC값을 뺀 나머지 값으로 할당하도록 배분된다.

도 9a 내지 도 9i는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 이득제어기를 구성하는 구성요소들 각각에 대한 회로도를 나타낸 것이다. 각 구성요소의 작용에 대해서는 이미 설명하였으므로 중복을 피하기 위해 아래에서는 설명을 생략하기로 한다.

도 9a는 제1 광검출부(710)의 회로도이며, 도 9b는 제2 광검출부(740)의 회 로도이다. 도면을 참조하면, 광검출부는 간단한 연산증폭기(OP Amp) 등의 증폭회로를 이용하여 구성됨을 알 수 있다. 도 9c는 광섬유 증폭기의 모사 모델(750)의 회로도이다. 광섬유 증폭기의 모사 모델(750)은 일종의 필터와 같은 것으로, 연산 증폭기, 저항, 커패시터 및 인덕터 등을 조합하여 구성시킬 수 있는데, 도 도 9c에서는 연산 증폭기, 저항 및 커패시터를 조합하여 구성시켰음을 알 수 있다. 도 9d는 제1 오차검출부(720)의 회로도이다. 도 9e는 필터부(730)의 회로부인데, 이는 광섬유 증폭기의 모사 모델(750)과 동일한 회로구성을 가진다. 제3 광검출부(810)는 도 9a와 동일한 구조를 가지므로 별도의 도시는 생략한다. 도 9f는 이득검출부(820)의 구성을 나타내는 도면인데, 이득검출부(820)는 ADC(Analog-to-Digital Converter), DSP(Digital Signal Processor) 및 DAC(Digital-to-Analog Converter)를 차례로 거치는 구성에 의해 구현된다. 도 9g는 제2 오차검출부(830)의 회로도인데, 입출력 신호를 제외하고는 그 기본적인 구성이 제1 오차검출부(720)와 동일하다. 도 9h는 이득제어부(840)의 회로도인데, 입출력 신호를 제외하고는 그 기본적인 구성이 필터부(730)나 광섬유 증폭기의 모사 모델(750)과 동일하다. 펌프입력 발생부(850)는 파워 앰프나 파워 트랜지스터 등을 이용하여 펌프 레이저 다이오드를 구동하는 부분이다. 도 9i는 입력 배분기(630)의 회로도이다. 도 9i를 참조하면, 입력 펌프광신호 중 일정한 DC값을 변환하게 해주는 DSP에 의해 역방향 입력펌프 광신호가 배분되며, 나머지 입력 펌프광신호는 순방향 입력 펌프 광신호로 배정된다. 이 때, 역방향 입력펌프 광신호로 배분되는 일정한 DC값의 크기는 WDM 통신 시스템에서 채널의 추가/절취(add/drop)이 발생하여 광섬유에 잔류하는 채널이 최소 개수, 즉 한 개로 되었을 때, 이의 증폭을 위해 필요로 하는 최소한의 펌프 레이저 다이오드의 파워 이상의 일정한 값이면 된다. 순방향 펌프 레이저 다이오드와 역방향 펌프 레이저 다이오드를 모두 이용하여 광섬유증폭기에 대해 광펌핑을 하는 경우, 종래기술에서와 같이 순방향 펌프 레이저 다이오드만을 이용한 경우에 비해 증폭성능이 우수한데, 상기한 바와 같은 방법으로 입력 펌프광신호를 배분하여 공급하는 이유는, 순방향 펌프 레이저 다이오드에 가해지는 입력 펌프 광신호를 미세하게 조정할 수 있어서 광섬유 증폭기의 이득을 안정화시키는 데 도움을 줄 수 있기 때문이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 각 채널의 변화를 광섬유증폭기의 이득변동을 유발하는 외란으로 보고 외란관측기를 구성하여 각 채널의 변화를 추정하여 제거함으로써 광증폭기의 이득을 안정화시켜서 채널의 고정이득을 얻을 수 있다.

또한, 외란관측기로서 외란의 추정값을 이용하여 고정이득을 얻어서 채널의 유입에 의해 증가 또는 감소되는 신호들의 이득을 일정하게 할 수 있으며, 모든 채널 신호들을 측정하지 않고 임의의 한 신호만 이용하면 되기 때문에 커플러등 신호검출의 하드웨어를 추가하지 않아도 된다는 장점이 있다.

더욱이, WDM망의 인라인 증폭기로 광섬유 증폭기가 순방향 및 역방향 광펌핑 수단들의 모두에 의해 광펌핑되는 경우에, 이 광펌핑 수단들의 출력을 적절히 제어함으로써 채널 증감에 따른 이득변동을 제어하고 각 채널의 이득을 일정하게 유지시킬 수 있다.

Claims (3)

1. WDM망에서 입력신호를 증폭하는 데 적용되며, 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 의해 광펌핑되는, 광섬유 증폭기에 대해 채널 증감 등에 따른 이득변동을 제어하고 각 채널의 이득을 일정하게 유지된 출력을 발생시킬 수 있는 상기 광섬유 증폭기의 이득제어기에 있어서,

   상기 광섬유 증폭기의 출력단으로부터 검출된 일부의 출력 광신호와, 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 가해지는 입력펌프 광신호가 모사된 광증폭기 모델을 거쳐서 나온 광증폭기 모사모델 출력 광신호의 차를 통해 입력신호의 변동량을 계산하고, 계산된 입력신호 변동량을 근거로 하여 입력신호 변동을 보상하게 해주는 입력신호 변동관측기와;

   상기 광섬유 증폭기의 출력단으로부터 일부의 신호를 검출하여 신호의 이득을 검출한 후, 이를 설정이득과 비교하여 제어될 이득량을 알아내고 상기 제어될 이득량에 대해 상기 입력신호 변동관측기로부터 주어지는 입력신호 변동 보상량을 차감한 펌프입력을 발생시키는 제어기와;

   상기 펌프입력을 상기 역방향 광펌핑 수단에는 일정 수준의 펌프입력으로, 상기 순방향 광펌핑 수단에는 상기 역방향 광펌핑 수단의 펌프입력을 제외한 펌프입력으로 각각 나누어 공급하는 입력 배분기;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 이득제어기.
2. 제1항에 있어서,

   (a) 상기 입력신호 변동관측기가:

   (a-1) 상기 광섬유 증폭기의 출력 광신호 중 일부 신호를 입력으로 받아서 제1 검출신호(y)를 생성하는 제1 광검출부와;

   (a-2) 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단에 가해지는 입력펌프 광신호를 입력으로 받아서 제2 검출신호(u)를 생성하는 제2 광검출부와;

   (a-3) 상기 제2 광검출부를 통과한 입력펌프 광신호가 거치면서 입력신호 변동이 없을 때의 출력신호(Y)를 생성하는 상기 광섬유 증폭기의 모사 모델과;

   (a-4) 상기 제1 검출신호(y)와 상기 광섬유 증폭기 모사 모델의 출력신호(Y)의 차이인 제1 차이신호(y-Y)를 출력하는 제1 오차검출부와;

   (a-5) 상기 제1 차이신호(y-Y)에 포함된 잡음을 제거하여 신호변동 출력신호(D)를 내보내는 필터부;

   를 구비하며,

   (b) 상기 제어기가:

   (b-1) 상기 광섬유 증폭기의 출력 광신호 중 일부 신호를 입력으로 받아서 제1 검출신호(y)와 동일한 제3 검출신호(y)를 생성하는 제3 광검출부와;

   (b-2) 상기 제3 검출신호(y)로부터 검출이득(g)를 얻어내는 이득검출부와;

   (b-3) 상기 광섬유 증폭기의 설정이득(G)와 상기 검출이득(g)와의 차이인 제2 차이신호(G-g)를 검출하는 제2 오차검출부와;

   (b-4) 상기 제2 차이신호(G-g)를 이용하여 PID 제어 알고리즘을 포함한 제어방법으로 이득을 제어하는 제어입력을 발생시키는 이득제어부와;

   (b-5) 상기 이득제어부에서 나온 제어입력과, 상기 입력신호 변동관측기의 필터부에서 나오는 신호변동 출력신호(D)의 차이를 이용하여 입력펌프 광신호를 만들어내는 펌프입력 발생부와;

   (c) 상기 펌프입력 발생부에서 나온 상기 입력펌프 광신호를, 상기 역방향 광펌핑 수단에는 일정한 DC값만큼 할당하고, 상기 순방향 광펌핑 수단에는 상기 입력펌프 광신호에서 상기 일정한 DC값을 뺀 나머지 값으로 할당하는 입력 배분기;

   를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 이득제어기.
3. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 증폭기가 어븀첨가 광섬유증폭기이며, 상기 순방향 광펌핑 수단 및 역방향 광펌핑 수단이 모두 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 이득제어기.

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