KR19990048644A - 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기 - Google Patents

동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기 Download PDF

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Abstract

높은 이득과 낮은 잡음지수를 동시에 갖는 광섬유 증폭기는 장거리 광전송 시스템 및 광네트워크에서 폭 넓게 사용되고 있다. 이와 같이 이득과 잡음지수가 동시에 향상된 증폭기는 일반적으로 2단 이상의 다단 구성으로 제작되며, 각 단 사이에 분리기, 필터, 순환기, 펌프, 반사기, 감쇄기 등을 삽입하여 보다 향상된 성능을 얻는다. 분리기와 필터와 같은 소자들은 증폭기 사이에 삽입되어 ASE 잡음을 제거하게 되고, 이에 의해 펌프광의 효율이 향상되므로 결과적으로, 증폭기의 이득과 잡음지수 등의 성능이 향상된다.
본 발명에서는 동기화된 에탈론 필터를 증폭기 사이에 삽입하여 ASE 잡음을 줄이고, 이에 의해 보다 향상된 성능의 증폭기를 얻을 수 있도록 하였다. 상기 에탈론 필터는 WDM 신호들의 동작 주파수와 일치하는 공진주파수를 사용하여 WDM 신호는 손실 없이 통과시키고 ASE 잡음은 필터의 특성에 따라 제거할 수 있도록 하였다. 이와 같이 동기화된 에탈론 필터는 기존의 대역통과필터와 비교해 볼 때, 증폭기의 이득 대역을 제한하지 않게 되므로 WDM 시스템에서 널리 사용할 수 있게 된다.

Description

동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기
본 발명은 장거리 광전송 시스템과 광네트워크에서 이득 대역폭을 제한하지 않으면서 증폭기의 성능을 향상시키는 기술에 관한 것으로, 특히 동기화된 에탈론 필터를 증폭기 사이에 접속하여 파장 분할 다중화 처리된 신호는 손실없이 통과시키고, ASE 잡음은 필터의 특성에 따라 제거시킬 수 있도록한 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기에 관한 것이다.
어븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA : Erbium-doped Fiber Amplifier)는 광섬유의 저손실 영역인 1.5 μm 대역의 광신호를 광의 영역에서 직접 증폭하는 증폭기로서 이러한 특성으로 인하여 광통신 시스템에서 폭 넓게 사용되고 있다. 특히 높은 이득과 낮은 잡음 지수를 동시에 갖는 EDFA는 장거리 광전송 시스템에서 증폭기 사이의 전송거리를 늘려주는 역할을 하고, 광네트워크에서는 스위칭, 분배 등에 의한 손실을 보상해 줌으로 경제적이고, 효율적인 광통신 시스템을 구성하는데 필수적인 요소라 할 수 있다.
그러나, EDFA의 일반적인 구성방식인 1단 구성으로는 어븀 첨가 광섬유(EDF : Erbium-doped Fiber)의 특성상 높은 이득과 낮은 잡음지수를 동시에 갖도록 제작하는데 어려움이 있다. 따라서, 최근들어 EDFA를 2단 이상으로 구성하여 높은 이득과 낮은 잡음지수를 동시에 갖도록 제작하는 방법에 관한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로, 광통신 시스템에서 다단 증폭기는 첫 번째 단에서 낮은 잡음지수를 갖도록 하고, 두 번째 단 이상에서는 높은 이득과 출력 파워를 갖도록 제작한다. 또한, 펌프광의 효율을 향상시키기 위해 각 단 사이에 분리기(isolator), 대역통과필터, 순환기(circulator), 펌프 반사기(pump reflector), 감쇄기 등을 구비하여 EDF내에서 발생하는 ASE(ASE: Amplified Spontaneous Emission) 잡음을 줄이고 있다.
그러나, 이와 같은 종래기술에 의한 광섬유 증폭기 중에서 대역통과필터를 증폭기내에 설치하여 그 증폭기의 성능을 향상시키는 경우에는 대역통과필터의 대역폭에 의해 증폭기의 이득 대역폭이 제한되는 결함이 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 증폭기내에 동기화된 에탈론 필터를 추가하고, 그 필터를 사용하여 이득 대역폭을 제한하지 않으면서 높은 이득과 출력을 얻고 낮은 잡음지수를 얻을 수 있도록한 광섬유 증폭기를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기의 블록도.
도 2는 도 1에서 에탈론 필터의 전달 특성 곡선도.
도 3은 증폭기 입력 파워의 변화에 따른 출력 파워와 잡음지수의 그래프.
도 4는 증폭기의 파장 분할 다중화된 입력신호에 대한 출력 스펙트럼.
도 5는 파장 분할 다중화된 입력신호 파워의 변화에 따른 출력 파워 그래프.
도 6은 수신 파워에 따라 측정한 본 발명 증폭기의 비트 오율 그래프.
도 7은 본 발명에서 동기화된 에탈론 필터를 이용한 양방향 광섬유 증폭기의 다른 구현예를 보인 블록도.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***
1,4 : 파장 분할 다중화기 2,5 : 어븀 첨가 광섬유 증폭기
3 : 에탈론 필터
도 1은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 동기화된 에탈론 필터가 적용되는 2단 광섬유 증폭기의 일실시 예시 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 입력신호(Signal)를 펌프 레이저(980nm pump Laser)와 파장 분할방식으로 다중화 처리하는 파장 분할 다중화기(1)와; 상기 다중화 처리된 신호를 전송하는데 적당한 수준으로 증폭하는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(2)와; 상기 광섬유 증폭기(2)의 출력신호를 필터링함에 있어서, 파장 분할 다중화된 신호의 동작 주파수와 일치하는 공진주파수 특성을 갖는 동기화된 에탈론 필터(3)와; 상기 에탈론 필터(3)의 출력신호를 펌프 레이저신호(980nm pump Laser)와 파장 분할방식으로 다중화 처리하는 파장 분할 다중화기(4)와; 상기 파장 분할 다중화기(4)의 출력신호를 전송하는데 적당한 수준으로 증폭하는 어븀 첨가 광섬유 증폭기(5)와; 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 2 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고체 에탈론 필터는 일정한 FSR(FSR : Free-Spectral-Range)을 간격으로 주기적인 공진 주파수를 갖는 필터이다. 이러한 고체 에탈론 필터의 공진주파수를 표준 주파수와 일치시킨 것을 동기화된 에탈론 필터라고 한다.
따라서, 본 발명에 적용되는 동기화된 에탈론 필터(3)는 표준 주파수들과 일치하는 통과 대역들을 갖게 된다. 이와 같은 동기화된 에탈론 필터(3)를 2단 EDFA의 사이 즉, 어븀 첨가 광섬유 증폭기(2),(5)의 사이에 삽입함으로써 ASE 잡음을 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 향상된 EDFA를 제작할 수 있게 된다. 또한, 동기화된 에탈론 필터(3)를 이용한 EDFA는 파장 분할 다중화된(WDM : Wavelength Division Multiplexed) 시스템에서도 쉽게 이용할 수 있다. WDM 시스템은 광섬유를 통해 서로 다른 파장의 빛을 동시에 전송하여, 광통신 시스템의 용량을 극대화 시킨 시스템이다.
이와 같은 WDM 시스템의 신뢰성을 보장하고, 유지 보수 및 관리를 용이하게 하기 위해서는 각 채널의 광원인 레이저가 국제통신연합(ITU : International Tele -communication Union)에서 정한 표준 주파수에서 정확하게 동작하여야 한다. 동기화된 에탈론 필터(3)의 공진 주파수들은 비교적 간단한 과정을 통해 ITU에서 정한 레이저의 표준 주파수들과 일치하도록 제작할 수 있다.
따라서, 파장이 안정화된 WDM 시스템에서 각 레이저의 주파수와 EDFA내의 에탈론의 공진주파수를 일치시킴으로써, 신호는 손실없이 통과시키고, ASE 잡음은 필터의 전달 특성에 따라 감소시킬 수 있게 된다. 이와 같이 동기화된 에탈론 필터(3)를 이용하는 EDFA는 기존의 대역통과필터에 비하여 이득 대역(gain-bandwidth)을 제한하지 않으면서 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1에 있어서, 입력신호(Signal)가 파장 분할 다중화기(1)에서 펌프 레이저(980nm pump Laser)와 다중화 처리된 후 어븀 첨가 광섬유 증폭기(2)에서 증폭된다. 상기 광섬유 증폭기(2)의 출력신호는 표준 주파수들과 일치하는 통과 대역들을 갖는 동기화된 에탈론 필터(3)를 통해 필터링된다. 또한, 상기 에탈론 필터(3)의 출력신호는 다시 파장분할 다중화기(4)에서 펌프 레이저(980nm pump Laser)와 다중화 처리된 후 어븀 첨가 광섬유 증폭기(5)에서 증폭된다.
즉, 본 발명에 의해 제안된 증폭기는 2단으로 구성되어 있으며, 첫 번째와 두 번째 단의 EDF 길이는 각각 14m 와 22m 이다. 각 단의 입력신호는 펌프 레이저(980nm pump Laser)에 의해 30mW 로 전방 펌핑된다.
첫째 단과 두 번째 단 사이에 동기화된 에탈론 필터(3)와 분리기를 삽입하여 ASE 잡음을 줄이게 되므로 이에 의해 증폭기의 성능이 향상된다.
증폭기내에 분리기를 삽입하여 후방 진행(backward-traveling) ASE를 제거함으로써 증폭기의 성능을 향상시키는 방법은 널리 사용되고 있다.
상기 에탈론 필터(3)에 삽입된 분리기는 후방 진행 ASE 잡음을 제거할 뿐만 아니라 필터에 의한 반사를 억제하는 역할도 수행한다. 상기 에탈론 필터(3)는 분리기 다음에 위치하여 필터의 전달 특성에 따라 첫 번째 단에서 발생한 ASE 잡음을 줄여준다.
이와 같은 방법으로 첫 단 증폭기에서 발생하는 ASE를 줄이면 두 번째 단의 펌프광이 신호의 증폭에 좀 더 효율적으로 사용되어 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 2는 상기 동기화된 에탈론 필터(3)의 전달 특성 곡선을 나타낸 것이다. 상기의 설명에서와 같이 일정한 간격(FSR)을 갖는 공진 주파수들을 볼 수 있으며, 이 공진 주파수들을 레이저의 표준 주파수들과 일치시킴으로써 안정화된 WDM 시스템에서 쉽게 사용할 수 있게 된다. 즉, 필터의 통과 대역들과 일치하는 WDM 신호들은 통과시키고, 전달 특성에 따라 ASE 잡음을 제거시킨다. 본 발명에 적용된 에탈론 필터(3)의 FSR은 100 GHz 이고, 피네스(finesse)는 대략 5이며, 삽입 손실은 2.4 dB 이다.
도 3은 본 발명에 의해 제안된 증폭기와의 성능 비교를 위하여, 제안된 증폭기("●" 로 표기)와, 각 단 사이에 분리기만을 사용한 증폭기("▲" 로 표기)와, 동기화된 에탈론 필터(3)만을 사용한 증폭기("■"로 표기)의 성능을 각기 측정하여 나타낸 것이다. 즉, 상기 세가지 증폭기의 입력신호 (@1549.1mm)의 파워를 변화시켜 가면서 출력 파워와 잡음 지수를 측정하여 나타낸 것이다. -40 dBm의 입력신호에서, 제안된 증폭기의 소신호 이득(small signal gain)과 잡음지수는 각각 42.1dB 와 3.8dB 로 측정되었다.
이 결과로 부터 제안된 증폭기는 분리기만을 이용하여 제작된 증폭기보다 소신호 이득과 잡음지수가 각각 3.2dB 와 0.6dB 향상되었음을 알 수 있다. 증폭기의 성능을 나타내는 파라미터 중에 동적범위(dynamic range)는 입력 파워의 변화에 따른 증폭기의 출력 파워의 변화를 나타내며, 포화 출력 파워가 3dB 감소되는 입력 파워에 의해 정의된다. 넓은 동적 범위를 갖는 증폭기는 입력 파워의 변화에도 일정한 출력 파워를 제공하여 시스템의 신뢰성을 향상시킨다.
상기 제안된 증폭기의 동적 범위는 다른 증폭기들과 비교해 볼 때 약 5dB 정도 향상되었음을 알 수 있다. 제안된 증폭기의 포화 출력 파워는 13.5 dBm 으로, 분리기만 사용한 경우와 거의 동일하다. 즉, 증폭기 사이에 동기화된 에탈론 필터(3)를 하나 더 사용하여도 출력 파워는 감소하지 않는다. 동기화된 에탈론 필터(3)만을 이용하여 제작된 증폭기는 분리기만을 이용한 증폭기에 비해 소신호 이득은 3.2dB 감소하고, 잡음지수는 1.4dB 증가하였다. 이는 잔존하는 후방 진행 ASE가 첫 단 증폭기의 어븀의 밀도 반전을 줄이기 때문이다.
그러나, 입력신호가 큰 경우( > -20dBm)에는 ASE 잡음이 신호 자체에 의해 억제되므로, 후방 진행 ASE 잡음에 의한 성능 감소의 영향이 적다. 따라서, 사용 용도에 따라 분리기 대신에 동기화된 에탈론 필터(3)를 이용하여 2단 광섬유 증폭기를 제작할 수도 있다.
도 4는 제안된 증폭기의 WDM 신호에 대한 출력 스펙트럼을 나타낸 것이다. WDM 신호들의 파장은 1549.1nm, 1550.7nm, 1552.3nm, 1553.9nm로, 채널간의 간격은 200GHz 이다. 이 신호의 파장들은 동기화된 에탈론 필터(3)의 공진 주파수들과 잘 일치한다. WDM 입력 신호들이 채널당 -22 dBm 인 경우 각 채널의 출력 파워는 6.9±0.2dBm 으로, 거의 유사함을 알 수 있다. 또한, ASE 잡음은 필터의 전달 특성에 따라 제거되었음을 알 수 있다.
도 5는 제안된 증폭기와 분리기만을 사용한 증폭기의 WDM신호들의 입력 파워 변화에 따른 출력 파워를 나타낸 것이다. 채널당 입력파워가 -42dBm에서 -17dBm까지 변할 때, 제안된 증폭기의 동적 범위(~20dB)는 분리기만을 이용한 경우(~15dB)에 비하여 약 5dB 정도 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 입력 파워 변화(-42dBm ~ -17dBm)에 대하여 제안된 증폭기는 채널간의 최대 파워 변화량이 0.8dB로, 분리기만 사용한 경우(1.4dB)에 비해 적은 변화량을 갖는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과로 부터 제안된 증폭기는 WDM 시스템에서 사용하기에 적합하다는 것을 알 수 있다.
제안된 증폭기에 사용된 동기화된 에탈론 필터(3)의 3dB 대역폭은 20GHz로, 2.5Gb/s급 신호의 전송에는 충분하게 넓은 대역폭이다. 따라서, WDM 신호들의 파장이 필터의 공진주파수들과 잘 일치하면, 필터에 의한 수신감도의 페널티는 무시할 수 있다. 이를 확인하기 위하여 제안된 증폭기의 성능을 측정하였다. 4개의 파장분할 다중화된 광원을 LiNbO3변조기를 이용하여 동시에 변조한 후, 13Km의 단일모드 광섬유를 통해 전송하였다. 이 신호를 제안된 증폭기를 이용하여 증폭하고, 감쇄기를 거친후 대역통과필터를 이용하여 복조시켰다. 복조된 신호는 APD 수신기를 통해 수신되어 비트 오율을 측정하였다. 도 6은 수신 파워에 따라 측정된 비트오율을 나타낸 것이다. 4 채널의 수신감도는 10-9의 비트 오율에서 -34±0.1 dBm 으로 측정되었다. 도 6에서 알 수 있듯이 제안된 증폭기의 필터에 의한 수신감도의 페널티는 무시할 수 있을 정도이다.
제안된 증폭기를 장거리 전송시스템이나 광네트워크 등에서 여러개 연결하여 사용하는 경우에 필터의 등가 대역폭은 현저하게 감소한다. 따라서, 필터의 3dB 대역폭은 전송 속도보다 충분히 넓도록 제작되어야 한다. 예를 들어 2.5Gb/s급 광신호를 페널티 없이 전송하기 위해서는 약 4배의 등가 대역폭(10GHz)이 요구된다고 가정하면, 제안된 증폭기 10개를 사용하기 위해서는 각 증폭기에 사용된 필터의 대역폭은 최소 37GHz보다 넓어야 한다. 그러나, 필터의 대역폭과 소신호 이득의 증가량은 반비례 관계가 있으므로, 시스템 설계자가 사용 목적에 따라 가장 적절한 3dB 대역폭을 결정하는 것이 중요하다.
한편, 도 7은 본 발명에서 동기화된 에탈론 필터를 이용한 양방향 광섬유 증폭기의 구현예를 보인 블록도로서 이의 작용을 설명하면 다음과 같다.
양방향 증폭기에서는 신호가 양방향으로 진행하면서 증폭되므로, 증폭기내에 분리기(11),(16)를 사용할 수 없다. 따라서, 레일리 백스캐터링(Rayleigh back scatter -ing)과 반사에 의해 발생하는 역방향 신호들에 의해 증폭기의 이득이 제한되며, 위상 잡음(phase noise)이 강도잡음(intensity noise)으로 변환되어 수신 감도의 페널티를 발생시킨다. 이를 방지하기 위하여 순환기(12),(15)를 이용하여 서로 다른 방향으로 진행하는 신호들의 경로를 분리한 다음 분리된 경로내에 분리기나 광섬유그레이팅(grating)을 사용하는 방법이 사용되어 왔다.
그런데, 동기화된 에탈론 필터(13),(14)를 사용하여도 역방향 신호들을 억제시킬 수 있다. 즉, 서로 다른 경로내에 사용된 에탈론 필터(13),(14)의 공진주파수를 다르게 조정함으로써 한 방향의 신호는 그대로 통과시키고, 다른 방향의 신호는 제거시킬 수 있다.
예를 들어, 한 방향으로는 f1과 f3의 신호만을 통과시키는 에탈론 필터(13)를 사용하고, 다른 방향으로는 f2와 f4의 신호만을 통과시키는 에탈론 필터(14)를 사용함으로써 역방향으로 진행하는 신호들을 제거시킬 수 있게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 광통신 시스템에서 다단의 광섬유 증폭기내에 동기화된 에탈론 필터를 추가함으로써 증폭기의 이득 대역폭을 제한하지 않으면서 높은 이득과 출력 파워, 낮은 잡음지수를 동시에 얻을 수 있는 효과가 있다. 따라서, 이와 같이 제안된 증폭기를 파장 분할 다중 시스템에서 폭 넓게 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 광섬유 증폭기내에서 발생되는 ASE 잡음을 제거하기 위하여 광섬유 증폭기의 사이에 동기화된 에탈론 필터를 포함시켜 구성한 것을 특징으로 하는 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 에탈론 필터는 증폭기의 대역폭을 제한하지 않고 여러개의 파장 분할 다중화된 신호를 증폭하기 위하여, 파장 분할 다중화된 신호의 동작 주파수와 일치하는 공진 주파수 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 에탈론 필터는 다단으로 구성된 증폭기에서 두 째단 이상의 증폭기가 ASE에 의해 포화되는 것을 방지할 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 동기화된 에탈론 필터를 이용한 다단 광섬유 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 광섬유 증폭기로써 Er 첨가 광섬유 증폭기나 Pr 첨가 광섬유 증폭기를 사용하는 것을 특징으로 하는 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기.
  5. 양방향 광섬유 증폭기에 있어서, 두 개의 순환기를 사용하여 서로 다른 방향으로 진행하는 신호의 경로를 분리하고, 그 분리된 각 방향의 신호들의 경로에 해당하는 신호들만 통과시키고 반대 방향으로 진행하는 신호들은 차단하는 에탈론 필터를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 동기화된 에탈론 필터를 이용한 2단 광섬유 증폭기.
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