KR101058345B1

KR101058345B1 - 조절 가능한 슬루 레이트 제한기를 구비한 광증폭기 및 이로부터 광출력을 제어하는 방법

Info

Publication number: KR101058345B1
Application number: KR1020047011845A
Authority: KR
Inventors: 컨버스에릭제임스; 시아파데이비드; 도날드슨찰스존
Original assignee: 제너럴 인스트루먼트 코포레이션
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2011-08-22
Also published as: CA2474664A1; JP2005516422A; US20040027650A1; EP1506600A2; US20030142396A1; WO2003065518A3; CN1630966A; KR20040094680A; AU2003207720A1; MXPA04007281A; US6611374B2; US6885500B2; WO2003065518A2

Abstract

광증폭기 장치로부터 광출력을 제어하는 방법 및 장치가 제공된다. 상기 광증폭기 장치는 전달되는 광입력 신호에 이득을 주는 희토류 도핑 섬유와, 상기 희토류 도핑 섬유에 펌프 전력을 공급하는 펌프 소스와, 상기 희토류 도핑 섬유에 의해 발생된 출력의 일부를 수신하고 상기 출력의 일부를 제어 신호로 변환시키는 탭을 포함한다. 또한, 상기 제어 신호를 수신하고 거기에 응답하여 바이어스 전류를 발생시켜 펌프 소스를 구동하는 제어기가 제공된다. 상기 방법은 규정된 주파수에서 진폭이 변조되는 광입력 신호를 수신함으로써 시작한다. 제어기의 슬루 레이트는 바이어스 전류가 펌프 소스를 구동하여 제어기에 의해 달성된 슬루 레이트 제한보다 큰 레이트로 변할 수 없는 펌프 전력을 발생시키도록 조절된다. 이 방식으로, 입력 신호와 피드백 제어 루프의 주파수 간에 동조가 방지된다.

광증폭기 장치, 펌프 소스, 제어 신호, 슬루 레이트

Description

조절 가능한 슬루 레이트 제한기를 구비한 광증폭기 및 이로부터 광출력을 제어하는 방법{Optical amplifier arrangement having adjustable slew-rate limiter, and Method for controlling the optical output power therefrom}

본 발명은 일반적으로 광증폭기, 보다 구체적으로는 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기를 갖춘 제어기를 구비한 광증폭기 장치에 관한 것이다.

현재, 케이블 텔레비전 산업에 채택된 송신 시스템들은 헤드엔드(headend)와 복수 개의 가입자들 사이에 2방향 정보 송신(예컨대, 비디오, 멀티미디어 및/또는 데이터)을 제공하고 있다. 통상적으로, 헤드엔드(headend)는 개별 가입자들에 대해 예정된 광학 포맷의 정보를 하나 이상의 광섬유 링크들을 경유하여 하나 이상의 광학 노드들에 송신한다. 각 노드는 광학적으로 포맷된 다운스트림의 정보를 전기 신호들로 변환하여 일반적으로 하이브리드 섬유/동축케이블(HFC)이 있는 케이블 플랜트를 경유하여 개별 가입자들에게 분배한다. 다운스트림 정보를 수신하는 것 외에, 각 개별 가입자는 헤드엔드(headend)에 대해 예정된 음성, 데이터 또는 그 조합 형태로 정보를 발생시킬 수 있다. 다른 가입자들 또는 서비스 제공자들을 향한 도중에, 가입자 발생 정보는 동축 케이블 플랜트에 의해 분할되어 헤드엔드(headend)로의 송신을 위한 광학 포맷으로 변환하기 위해 노드로 보내진다.

그러한 송신 시스템들은 통상적으로 광섬유 링크들을 따라 광증폭기를 채택하여 송신되는 광신호들을 증폭시킨다. 종래의 광증폭기의 일례로는 활성 원소로서 희토류 이온을 사용하는 희토류 도핑 광증폭기가 있다. 상기 희토류 이온은 섬유 코어에 도핑되어 광학적으로 펌핑(pumped)됨으로써 이득(gain)을 제공한다. 실리카 섬유 코어는 상기 이온을 위한 호스트 매체로서의 역할을 한다. 상이한 많은 희토류 이온, 예컨대 네오디뮴(neodymium), 프라세오디뮴(praseodymium), 이테르븀(ytterbium) 등을 사용하여 스펙트럼의 여러 부분들에 이득을 제공할 수 있지만, 에르븀 도핑 섬유 증폭기(EDFA)가 섬유의 광학적 손실이 최소인 스펙트럼 영역에서 작동할 수 있기 때문에 특히 인기가 있는 것으로 입증되었다. 또한, 에르븀 도핑 섬유 증폭기는 이득 압축(gain compression)시 지나치게 작동하더라도 누화 페널티(crosstalk penalty) 없이 다중 파장 채널을 증폭시키는 그 능력 때문에 특히 유용하다. EDFA는 또한 섬유 디바이스들이어서 낮은 손실로 다른 섬유 링크들에 쉽게 접속될 수 있기 때문에 인기가 있다.

광증폭기는 증폭기로부터의 출력을 제어하도록 전자 피드백 장치를 흔히 사용한다. 예컨대, 피드백 장치는 일정한 이득 또는 일정한 출력을 제공하도록 사용될 수도 있다. 출력을 제어하는데 피드백 장치를 사용하는 종래의 광증폭기의 한가지 제한은 통상적으로 고정된 주파수 응답을 제공한다는 것이다. 이것은 입력 신호의 변조 주파수가 피드백 제어 루프의 주파수와 동조하면 문제가 된다. 이 경우에, 증폭기로부터의 출력은 바람직하지 못한 추가 증폭을 받을 수 있다. 이 문제를 피하기 위해서, 제작자들은 통상적으로 입력 신호가 변조를 받기 쉬운 대부분의 주파수들이 동조 상태를 발생시키지 않을 정도로 충분히 낮은 고정값으로 주파수 응답을 설정하고 있다. 이것은 흔히 만족스러운 방안이지만, 광증폭기의 응답 시간을 방해한다.

따라서, 주파수 응답을 제어하여 신속한 응답 시간과 적절한 환경 하에서 저주파수 변조 입력 신호를 적당히 처리하는 능력을 제공하는 보다 융통성 있는 광증폭기 장치에 대한 요구가 있다.

본 발명에 따르면, 광증폭기 장치로부터 광출력을 제어하는 방법 및 장치가 제공된다. 상기 광증폭기 장치는 전달되는 광입력 신호에 이득을 첨가하는 희토류 도핑 섬유와, 상기 희토류 도핑 섬유에 펌프 전력을 공급하는 펌프 소스와, 상기 희토류 도핑 섬유에 의해 발생된 출력의 일부를 수신하고 상기 출력의 일부를 제어 신호로 변환시키는 탭을 포함한다. 또한, 상기 제어 신호를 수신하고 거기에 응답하여 바이어스 전류를 발생시켜 펌프 소스를 구동하는 제어기가 제공된다. 상기 방법은 규정된 주파수로 진폭이 변조된 광입력 신호를 수신함으로써 시작한다. 제어기의 슬루 레이트는 바이어스 전류가 펌프 소스를 구동하여 제어기에 의해 달성된 슬루 레이트 제한보다 큰 레이트로 변할 수 없는 펌프 전력을 발생시키도록 조절된다. 이 방식으로, 입력 신호와 피드백 제어 루프의 주파수 간에 동조가 방지된다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 광증폭기로부터의 광출력이 모니터링되고 거기에 따라 슬루 레이트가 자동적으로 조절된다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 광입력 신호의 전력이 모니터링되고 거기에 따라 슬루 레이트가 자동적으로 조절된다. 몇몇 경우에, 입력 신호의 전력이 예정된 값보다 큰 레이트로 변동하면 슬루 레이트가 자동적으로 저하된다. 더욱이, 슬루 레이트는 입력 신호의 전력이 예정된 값보다 큰 레이트로 더 이상 변동되지 않으면 그 이전 값으로 자동적으로 증가될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 전달되는 광입력 신호에 이득을 주는 희토류 도핑 섬유를 포함하는 광증폭기 장치가 제공된다. 펌프 소스는 상기 희토류 도핑 섬유에 펌프 전력을 공급한다. 상기 장치는 또한 상기 희토류 도핑 섬유에 의해 발생된 출력의 일부를 수신하고 상기 출력의 일부를 제어 신호로 변환시키는 탭을 포함한다. 제어기는 상기 제어 신호를 수신하고 거기에 응답하여 바이어스 전류를 발생시켜 펌프 소스를 구동한다. 상기 제어기는 이 제어기의 슬루 레이트를 선택적으로 조절하는 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기는 하드웨어 조절식이다. 별법으로서, 상기 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기는 소프트웨어로 제어가능하다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 피드백 제어 장치를 갖는 광증폭기를 도시하는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 광증폭기의 주파수 응답을 도시하는 도면.

도 3은 제어 신호가 슬루 레이트 제한보다 더 신속하게 변하는 것을 방지하도록 제어기의 슬루 레이트를 조절한 후에 도 1에 도시된 광증폭기의 주파수 응답을 도시하는 도면.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 피드백 제어 장치를 갖는 광증폭기를 도시하고 있다. 도 1의 장치는 에르븀 도핑 섬유(1), 펌프 레이저(2), 펌프 레이저의 출력을 증폭될 입력 광신호에 연결하는 연결기(3)와, 입력 신호의 작은 부분을 도핑 섬유(1)로 분할하는 역할을 하는 입력 신호 탭(12)과, 출력 신호의 작은 부분을 분할하는 역할을 하는 출력 신호 탭(5)과, 증폭된 광신호를 수신하는 출력 포트(6)와, 검출기(8, 14)들과, 전자 증폭기(9, 16)들 및 제어기(10)를 구비한다. 상기 제어기(10)는 임의의 필요한 광학 대 전기 변환 요소들을 통합하여, 검출기(8, 14)와 전자 증폭기(9, 16)들의 필요성을 제거할 수도 있다.

동작시, 증폭될 광신호는 포트(4)를 경유하여 입력되고 레이저(2)로부터의 광학 펌프 신호 출력과 조합되어 신호가 종래의 방식으로 에르븀 도핑 섬유(1)에서 증폭된다. 융합 섬유 연결기(fused fiber couple)일 수 있는 탭(12)은, 예컨대 섬유(1)로 입력되는 신호의 작은 부분을 분할한다. 필요에 따라 입력 제어 신호로서 사용될 수 있는 상기 입력 신호의 작은 부분은 검출기(14)에 의해 검출되고, 전자 증폭기(16)에 의해 증폭되어 제어기(10)로 인가된다. 마찬가지로, 또한 융합 섬유 연결기일 수 있는 탭(5)은 섬유(1)로부터 출력되는 증폭된 신호의 작은 부분을 분할한다. 출력 제어 신호로서 작용하는 상기 증폭된 신호의 작은 부분은 검출기(8)에 의해 검출되고, 증폭기(9)에 의해 증폭되어 피드백 회로(10)에 인가된다. 제어기(10)는 출력 제어 신호, 그리고 입력 제어 신호도 기초로 하여 증폭기 이득을 결정한다. 피드백 회로(10)로부터의 출력은 펌프 레이저(2)로 인가되어, 예컨대 일정한 이득 또는 일정한 출력을 유지하도록 펌프 레이저(2)의 출력을 변화시키는 역할을 한다.

제어기(10)는 펌프 레이저(2)에 인가되는 바이어스 전류를 결정하는 다양한 다른 방안들을 사용할 수도 있다. 예컨대, 제어기(10)는 그 본질이 비례, 비례-적분, 또는 비례-적분-미분일 수 있다. 제어기(10)가 비례-적분-미분(PID) 제어기이면, 이를 테면 바이어스 전류는 비례, 적분 및 미분 제어 항들의 합일 수 있다. 제어기(10)는 당업자들에 공지된 임의의 방식으로 구성될 수도 있다. 예컨대, 디지털 또는 아나로그 전자 기기에 의해 그리고 하드웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수도 있다.

입력 신호의 전력이 제어 루프의 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 변조되면, 도 1에 도시된 EDFA 장치에서는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 환경 하에서, 제어기는 출력 주파수에서 바람직하지 못하게 큰 변동을 야기하여, 그 입력 주파수에서 증폭기의 성능 특성을 저하시킬 수 있다. 이것은 입력 신호와 출력 신호 간에 90도 상 변위, 즉 공진 주파수의 감응도를 나타낸다. 이 거동은 일정한 출력을 유지하는 제어기를 위해 도 2에 도시되어 있는데, 이 도면은 변조 주파수의 함수로서 입력 신호(곡선 24)와 출력 신호(곡선 22)의 크기(dB)의 그래프를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 입력 신호가 공진 주파수보다 낮은 주파수에서 변조되면, 출력은 일정하게 유지된다. 제어 루프의 공진 주파수에서 출력은 날카롭게 증가하는 반면에, 공진 주파수 위에서 신호는 감소된다.

본 발명은 제어 루프의 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 발생되는 바람직하지 못한 출력 변동이 제어기의 제어 신호에 슬루 레이트 제한을 추가함으로써 제거될 수 있다는 점을 인식하였다. 제어 신호의 슬루 레이트 제한은 제어 신호가 슬루 레이트 제한보다 급속하게 변하는 것을 방지한다. 제어 신호의 슬루 레이트 제한의 추가에 의해 제어기의 동조 조건을 제거하면, 상이한 입력 신호들을 제어하는 증폭기의 능력이 크게 향상된다.

다시 도 2를 참조하면, 슬루 레이트 제한은 제어 루프의 공진 주파수 근처에 설정된다. 따라서, 제어기의 슬루 레이트 제한은 출력에서의 바람직하지 못한 변동을 발생시키기에 충분히 높은 레이트로 그 출력을 변화시킨다. 도 3은 제어 루프의 공진 주파수가 제어기의 주파수 대역폭에서 낮은 값으로 이동되도록 슬루 레이트 제한이 도 2보다 감소된다는 점을 제외하고는 도 2와 유사한 그래프이다. 이 방식으로 증폭기의 응답 시간을 감소시킨 결과로서, 입력 신호는 더 이상 제어 루프의 공진 주파수에 있지 않게 된다.

사용자가 광증폭기 장치의 슬루 레이트를 조절하게 함으로써, 사용자는 그 용례에 따른 요구에 대해 변조 주파수 응답을 맞게 할 수 있다. 즉, 고정된 주파수 응답으로 광증폭기를 제한하는 대신에, 사용자는 이제 조절 가능한 변조 주파수 응답을 갖는 광증폭기를 갖게 된다.

본 발명에 다른 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기는 당업자들에게 공지된 다수의 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 원하는 증폭기 주파수 응답에 대해 여러 구현들을 부분적으로 선택할 수 있다. 예컨대, 하드웨어로 제어가능한 슬루 레이트 제한기는 매우 광범위한 변조 주파수들에 걸쳐 조절될 수 있는 출력 응답이 가능하게 하지만, 낮은 주파수 변조를 처리할 수는 없다. 그러한 주파수들에서 요구되는 적분 캐패시터의 크기( 및 그 관련 누설 전류)는 1 Hz에 접근하는 낮은 주파수 응답에 대해 낮은 반동을 생성한다. 다른 한편으로, 소프트웨어로 제어가능한 슬루 레이트 제한기는 하드웨어로 구현된 것보다 훨씬 더 낮은 주파수로 주파수 응답이 가도록 해준다. 별법으로서, 조절 가능한 슬루 레이트 제한기가 디지털 신호 프로세서(DSP)에서 구현되면, 주파수 응답은 하드웨어 구현 및 소프트웨어 구현 사이에 절충을 달성할 수 있다. 즉, DSP는 제어기의 주파수 응답이 넓은 범위를 포함하게 하지만 여전히 매우 낮은 주파수에서 사용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 조절 가능한 슬루 레이트 제한기는 소프트웨어의 활성 제어 하에 있을 수 있다. 이 방식으로 슬루 레이트 제한기는 임의의 소정 용례를 위해 최적의 응답을 제공하도록 소프트웨어에 의해 실시간 조절될 수 있다. 활성 제어는 출력 변경을 모니터링하고 출력이 실질적으로 일정한 값으로 복구할 때까지 슬루 레이트 제한을 증가시킴으로써 수행될 수 있다. 별법(또는 추가)으로서, 능동 제어(active control)는 광입력 신호를 모니터링함으로써 수행될 수 있고, 상기 입력 신호가 어떤 예정된 값보다 큰 레이트로 변동하면, 입력 신호가 상기 값 이상으로 변동되는 시간 동안 슬루 레이트 제한이 저하될 수 있다. 입력 신호가 더 이상 급속히 변동되지 않으면, 슬루 레이트 제한은 이전 설정으로 복구될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 입력 신호가 전술한 방식으로 모니터링되면, 슬루 레이트 제한이 최상의 전체 응답을 제공하지만 여전히 제어 루프의 공진 주파수보다 낮은 정확한 값으로 설정될 수 있도록 FFT(Fast-Fourier-Transform)을 계산하는 것이 유리할 수도 있다. 예컨대, FFT는 DSP에서 수행될 수 있다. 대부분의 용례는 그 응답에서 즉각적인 변화를 제공하는 데 광증폭기를 필요로 하지 않기 때문에, FFT는 제어 루프의 응답 시간보다 실질적으로 긴 시간에 걸쳐 처리될 수 있다. 이 방안의 한가지 특정한 이점은 일단 원하는 주파수 응답이 알려지면 전체 주파수 제어를 비교적 쉽게 실행하도록 제어기를 변화시킬 필요가 없다는 것이다.

Claims

전달되는 광입력 신호에 이득을 주는 희토류 도핑 섬유와, 상기 희토류 도핑 섬유에 펌프 전력을 공급하는 펌프 소스와, 상기 희토류 도핑 섬유에 의해 발생된 출력의 일부를 수신하고 상기 출력의 일부를 제어 신호로 변환시키는 탭(tap)과, 상기 제어 신호를 수신하고 그것에 응답하여 바이어스 전류를 발생시켜 상기 펌프 소스를 구동하는 제어기를 포함하는 광증폭기 장치로부터 광출력을 제어하는 방법에 있어서,

규정된 주파수에서 진폭이 변조되는 광입력 신호를 수신하는 단계; 및

제어 루프 공진 주파수가, 상기 광입력 신호가 변조되는 규정된 주파수로부터 옵셋(offset)되도록 상기 제어기를 사용하는 출력의 슬루 레이트(slew rate)를 조절하는 단계를 포함하는, 광출력 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 출력을 모니터링하고 그에 따라 상기 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 단계를 더 포함하는, 광출력 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 광입력 신호의 전력을 모니터링하고 그에 따라 상기 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 단계를 더 포함하는, 광출력 제어 방법.
삭제
삭제
삭제
제3항에 있어서,

상기 슬루 레이트를 조절하는 단계는 상기 입력 신호의 전력이 규정된 값보다 큰 레이트로 변동되면 상기 슬루 레이트를 자동적으로 저하시키는 단계를 포함하는, 광출력 제어 방법.
제7항에 있어서,

상기 입력 신호의 전력이 규정된 값보다 큰 레이트로 더 이상 변동하지 않으면 상기 슬루 레이트를 이전 값으로 자동적으로 증가시키는 단계를 더 포함하는, 광출력 제어 방법.
제3항에 있어서,

상기 광입력 신호의 전력을 모니터링하는 단계는 광입력 신호의 고속 퓨리에 변환을 계산하고 거기에 따라 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 단계를 포함하는, 광출력 제어 방법.
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광증폭기 장치에 있어서,

전달되는 광입력 신호에 이득을 주는 희토류 도핑 섬유;

상기 희토류 도핑 섬유에 펌프 전력을 공급하는 펌프 소스;

상기 희토류 도핑 섬유에 의해 발생된 출력의 일부를 수신하고 상기 출력의 일부를 제어 신호로 변환시키는 탭; 및

상기 제어 신호를 수신하고 그것에 응답하여 바이어스 전류를 발생시켜 상기 펌프 소스를 구동하는 제어기를 포함하고,

상기 제어기는 상기 출력의 슬루 레이트를 선택적으로 조절하는 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기(user-adjustable slew rate limiter)를 포함하는, 광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 희토류 도핑 섬유는 에르븀(erbium)으로 도핑되는, 광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기는 하드웨어로 제어가능한, 광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 사용자가 조절가능한 슬루 레이트 제한기는 소프트웨어로 제어가능한, 광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 출력을 모니터링하고 그것에 따라 상기 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 수단을 더 포함하는, 광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 광입력 신호의 전력을 모니터링하고 그것에 따라 상기 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 수단을 더 포함하는, 광증폭기 장치.
제1항에 있어서,

상기 광출력을 일정한 값으로 유지하는 단계를 더 포함하는, 광출력 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 장치를 일정한 이득으로 유지하는 단계를 더 포함하는, 광출력 제어 방법.
제22항에 있어서,

상기 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 수단은 상기 입력 신호의 전력이 규정된 값보다 큰 레이트로 변동되면 상기 슬루 레이트를 자동적으로 저하시키는 수단을 포함하는, 광증폭기 장치.
제25항에 있어서,

상기 입력 신호의 전력이 규정된 값보다 큰 레이트로 더 이상 변동하지 않으면 상기 슬루 레이트를 이전 값으로 자동적으로 증가시키는 수단을 더 포함하는, 광증폭기 장치.
제22항에 있어서,

상기 광입력 신호의 전력을 모니터링하는 수단은 광입력 신호의 고속 퓨리에 변환을 계산하고 거기에 따라 슬루 레이트를 자동적으로 조절하는 단계를 포함하는, 광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 제어기는 상기 광출력을 일정한 값으로 유지하도록 구성된,광증폭기 장치.
제17항에 있어서,

상기 제어기는 상기 장치를 일정한 이득으로 유지하도록 구성된,광증폭기 장치.