KR20000026692A - 신호대 잡음비가 개선된 잡음 광원을 이용한 광전송장치 - Google Patents

신호대 잡음비가 개선된 잡음 광원을 이용한 광전송장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잡음 광원을 이용한 광전송장치에 관한 것으로서, 스펙트럼 분할된 잡음 광원을 이용하여 광신호를 전송하는 광전송장치에 있어서, 반도체 광 증폭기의 이득 포화효과에 의해 상기 스펙트럼 분할된 잡음광을 전광신호처리(All-Optical Signal Processing)하여, 신호대 잡음비(SNR)를 획기적으로 개선하고, 상기 신호를 변조하여 전송함으로써, 보다 간편하게 초고속 다채널 광전송장치에 사용 가능한 잡음 광원을 확보할 수 있는 장점이 있다.

Description

신호대 잡음비가 개선된 잡음 광원을 이용한 광전송장치
본 발명은 잡음 광원을 이용한 광전송장치에 관한 것으로서, 특히, 고출력 잡음 광원의 넓은 광스펙트럼을 광학 필터에 의해 분할(slicing)하여 그 분할된 광 스펙트럼을 통신용 광원으로 사용하고자 할 때 반도체 광증폭기에서의 이득포화 특성을 이용함으로써 채널의 신호대 잡음비(SNR: Signal-to-noise ratio)를 향상시키도록 하는 광 섬유 증폭 잡음 광원을 이용한 광전송장치에 관한 것이다.
파장 분할 다중화(WDM:Wave Division Multiplexing) 방식에 기초한 광통신 시스템이 최근 활발히 연구 개발되고 있으며, 이러한 파장 분할 다중화(WDM) 방식을 이용한 광통신은 여러 가지 광파장을 사용하여 전송하게 되므로 각 채널들의 주파수를 안정하게 배열하여 송신 광원을 구성해야 한다.
따라서, 종래에는 반도체 레이저의 출력 파장을 측정하여 필요한 파장의 광원을 송신 광원으로 선택하였는데, 이 때, 상기 반도체 레이저는 발진 파장을 정확하게 제어하기 곤란한 단점이 있으며, 발진 파장이 경년효과(aging)에 의해 불규칙적으로 변동하는 문제점을 안고 있다. 따라서 안정하고 경제적으로 송신 광원을 구성할 수 있는 대안을 모색하고 있다.
한편, 최근에는 에르븀 광섬유 증폭기(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier)에서 발생된 자연 증폭 방출(ASE:Amplified Spontaneous Emission)의 넓은 광 스펙트럼을 광학 필터에 의해 분할(Spectrum Slicing)하여 여러 채널의 광원으로 사용하는 방안이 제안되었다.
이러한 방법은 광섬유 증폭기 하나만으로도 여러개의 파장 분할 다중화(WDM) 용 광원인 반도체 레이저를 대체할 수 있고, 각 채널의 중심 주파수를 광학 필터에 의해 규격에 맞게 쉽게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 이러한 광원은 간섭성이 없어서, 기존의 반도체 레이저와 달리 광수신 회로에서 과잉강도잡음(Excess Intensity Noise)이 광출력에 비례하여 크게 나타난다. 따라서, 광수신기에서의 신호대 잡음비(SNR)는 스펙트럼 저미어진 광신호의 대역폭에 비례하고, 수신기 선형 채널의 전기적 신호 대역폭에 반비례하는 것으로 알려져 있다.
주어진 전송속도에서 신호대 잡음비(SNR)를 개선하기 위해서는 광신호의 대역폭을 증가시켜야 하지만, 이와 같이 대역폭을 증가시키면 광섬유의 색분산에 의한 전송 페널티를 증가시키게 되므로 장거리 전송 수행에 장애 요인이 되고 있다.
따라서, 이러한 잡음 광원을 사용하는 새로운 방식의 광통신 시스템에 있어서 송신 광원의 신호대 잡음비(SNR)를 개선하는 방법이 필요하다.
현재까지 이러한 신호대 잡음비(SNR)를 개선하기 위하여 다음과 같은 방법이 제안되었다.
① 첫째로, 비선형 루프 거울의 특성을 이용하여 신호광의 첨두치 부분을 반사시키고 루프 거울 내부에 설치된 분산 천이 광섬유(DSF:Dispersion Shifted Fiber)에서 4광파 혼합 현상에 의해 생성된 넓은 대역폭의 신호만을 검출하고자 하였다. 그러나, 이 방법은 선폭 확장 효율이 약 1.84배로 낮았고, 비선형 루프 거울 내부를 반대 방향으로 진행하는 두 광파의 위상 변화에 매우 민감하게 반응하여 실용성이 떨어지는 문제점이 있다.
② 둘째로, 분산천이 광섬유에서 채널 내의 4광파 혼합(intra-channel four-wave mixing) 현상을 이용하여 선폭을 확장하는 방법을 제안하였다. 이 방법을 이용한 결과 채널 선폭을 0.1 nm 까지 줄일 수 있었으나, 이와같이 비선형 매질 내에서 intra-channel FWM 현상을 일으키기 위해서는 높은 광출력을 갖는 광증폭기가 필요하였다.
③ 셋째로, 잡음 광원의 신호 채널 내부에 존재하는 과잉 강도 잡음을 피드 포워드(feed-forward) 방식으로 제거한 후 전송하는 방법이 있다. 그러나 이 방법은 광/전 변환의 복잡한 신호 처리 과정과 정확한 타이밍 제어가 요구되고 있다.
상기와 같은 종래의 방법들은 광섬유 증폭 잡음 광원에 존재하는 과잉 강도 잡음을 제거하는 목적은 달성하였지만, 실용성이나 경제성이 떨어져 광전송장치에 실제로 적용하기에 적합하지 못하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고출력 잡음 광원의 넓은 광스펙트럼을 광학 필터에 의해 분할(slicing)하여 그 분할된 광 스펙트럼을 통신용 광원으로 사용하고자 할 때 반도체 광증폭기에서의 이득포화 특성을 이용함으로써 채널의 신호대 잡음비(SNR: Signal-to-noise ratio)를 향상시키도록 하는 잡음 광원을 이용한 광전송장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 본 발명의 장치는 스펙트럼 분할된 광 섬유 증폭 잡음 광원을 이용하여 광신호를 전송하는 광전송장치에 있어서, 반도체 광 증폭기의 이득 포화효과에 의해 상기 스펙트럼 분할된 광섬유 증폭 광원을 전광신호처리(All-Optical Signal Processing)하여, 신호대 잡음비(SNR)를 획기적으로 개선하고, 상기 신호를 변조하여 전송함으로써, 보다 간편하게 초고속 다채널 광전송장치에 사용 가능한 잡음 광원을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 광섬유 증폭 광원의 SNR 개선을 위한 광전송장치의 구성도,
도 2는 2.5Gbps로 변조된 광신호에 대한 아이패턴,
도 3은 본 발명에 따른 광전송장치의 수신감도 개선을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 의한 잡음광원을 이용한 다채널 광전송장치 구성도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
11,15 : 에르븀 광섬유 증폭기 12 : 광학 필터
13 : 이득 포화 모듈 14 : 광 변조기
16 : 광섬유 17 : 광 수신기
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 장치 및 방법을 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 의한 광섬유 증폭 광원의 SNR 개선을 위한 광전송장치의 구성도로서, 도 1을 참조하면, 증폭된 잡음광 신호를 발생하는 제 1 증폭기(11)와, 상기 증폭기(11)에 의해 발생된 잡음광 신호의 스펙트럼을 다수개로 분할(slicing)하여 광섬유 증폭 잡음 광원을 발생하는 광학 필터(OBPF:Optical Band Pass Filter)(12)와, 이득 포화효과에 의해 상기 광학 필터(OBPF)(12)에서 발생된 광섬유 증폭 잡음 광원의 과잉 강도 잡음을 감소시키는 이득 포화 모듈(13)과, 상기 이득 포화 모듈(13)에서 과잉 강도 잡음이 최소로 감소되어 출력된 광섬유 증폭 광원을 제로 비복귀(NRZ:Non Return-to-Zero) 신호로 강도 변조(intensity modulation)하는 광변조기(14)와, 상기 광변조기(14)에서 변조된 신호를 증폭한 후 광섬유(16)를 통해 전송하는 제 2 증폭기(15)와, 상기 광섬유(16)를 통해 전송된 광신호로부터 새로운 데이터와 클럭 신호를 추출하는 광수신기(ORX:Optical Receiver)(17)로 구성되며, 상기 이득 포화 모듈(13)은 상기 광학 필터(12)에서 스펙트럼이 분할된 후 입사된 잡음 광신호의 편광 상태를 조절하는 편광 조절기(131)와, 외부에서 인가되는 구동 전류 및 광세기에 의해 상기 편광 조절기(131)를 통과한 신호가 이득 포화영역에서 동작하도록 제어하는 반도체 광 증폭기(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)(132)로 구성되고, 상기 광수신기(ORX)(17)는 광검출기(171), 전치증폭기 및 주증폭기(172), 그리고 클럭 발생기(173)로 구성된다.
이 때, 상기 제 1 및 제 2 증폭기(11, 15)는 에르븀 광섬유 증폭기(EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)로 구성되었으며, 반도체 광증폭기와 같은 다른 잡음 광원으로 대체 가능하다. 특히 상기 제 1 증폭기(11)에는 입력신호가 인가되지 않아 자연 증폭 방출(ASE:Amplified Spontaneous Emission) 잡음 광원으로 사용되는데, 상기 잡음광원으로 사용되는 제 1 증폭기(11)에서 광섬유 증폭 잡음 광원을 발생시키면, 상기 광학 필터(OBPF)(12)에서 그 ASE 신호의 스펙트럼을 적당한 선폭으로 분할(slicing)하고, 상기 분할된 잡음 광원의 편광 상태는 매우 불규칙적이므로 상기 이득 포화 모듈(13)의 편광기(131)를 이용하여 특정 편광상태의 광신호 만 상기 반도체 광증폭기(SOA)(132)에 입력시킨다.
한편, 구동전류 약 200 mA, 입력 광세기 -5∼+5 dBm 에 의해 동작되는 상기 반도체 광 증폭기(SOA)(132)는 이득이 포화된 상태에 놓이게 되므로, 상기 이득 포화 모듈(13)을 통과한 잡음광 신호는 과잉 강도 잡음이 현저히 감소된 특성을 보이게 된다.
이 때, 상기 이득포화 모듈(13)은 광학 필터(12)와 광변조기(14) 사이 뿐만 아니라 광수신기(17) 앞에 위치하여도 신호대 잡음비 개선 효과가 있다.
도 2는 2.5 Gbps의 NRZ 신호로 변조된 광신호를 대역폭 1.7 GHz인 광 수신기로 측정한 아이패턴으로서, 도 2a는 상기 이득 포화 모듈없이 대역폭이 0.1nm인 종래의 광전송장치에 의해 스펙트럼이 분할되어 발생된 광섬유 증폭 광원의 아이 패턴을 나타내며, 도 2b는 상기 이득 포화 모듈을 포함한 본 발명의 광전송장치에 의해 스펙트럼이 분할되어 발생된 광섬유 증폭 광원의 아이패턴을 나타내는데, 상기 도 2a 및 도 2b를 비교하여 보면 상기 이득 포화 모듈을 포함한 도 2b의 경우에 과잉 강도 잡음이 휠씬 감소되어 신호대 잡음비 특성이 개선된 것을 볼 수 있다.
즉, 상기 도 2a의 경우 상기 아이패턴으로부터 측정된 신호대 잡음비(SNR)값은 11.5이며, 상기 도 2b의 경우 측정된 신호대 잡음비(SNR)값은 170이다.
도 3은 본 발명에 따른 광전송장치의 수신감도 개선을 비트 에러율(BER:Bit Error Rate)에 의해 나타낸 그래프로서, 도 3을 참조하면, 이득 포화 모듈을 통과하지 않은 0.1nm 선폭의 잡음 광원(31)은 BER 2x10-5에서 에러율이 고정되는 현상을 나타내는 반면, 이득 포화 모듈을 사용하고 전송 매체인 광섬유를 사용하지 않은 경우(32)의 수신 광전력 -30dBm에서 BER이 1x10-13이하 임을 확인하였다. 그리고, 상기 후자의 경우(32)를 단일모드 광섬유 10 km로 전송한 경우(33) 광섬유의 분산에 의한 광경로 페널티는 약 0.5 dB 였다.
도 4는 본 발명에 의한 잡음 광원을 이용한 다채널 광전송장치 구성도로서, 본 발명에서 제안한 잡음 광원의 신호대 잡음비 개선 방법을 적용한 다채널 광전송장치의 실시예가 나타나 있다.
도 4를 참조하면, 상기 다채널 광전송장치는 증폭된 잡음광 신호를 발생시키는 잡음광 발생 장치(41)와, 상기 잡음광 신호 발생 장치(41)로부터 입력된 잡음광 신호의 스펙트럼을 다수개로 분할(slicing)하여 다채널의 잡음 광원을 발생하는 역다중화기(1xN)로 구성된 스펙트럼 분할 장치(42)와, 상기 스펙트럼 분할 장치(42)에서 발생된 다채널 잡음 광원 각각에 대하여 편광 상태를 조절하여 출력하도록 다수개로 구성된 편광 조절기(403)와, 상기 다수개의 편광 조절기(403)에서 출력된 각 채널의 광신호를 이득 포화효과를 이용하여 과잉 강도 잡음을 감소시키는 다수개의 반도체 광 증폭기(SOA)(43)와, 상기 다수개의 반도체 광 증폭 기(SOA)(43)에서 잡음이 감소된 후 출력된 각 채널의 잡음 광원을 제로 비복귀(NRZ) 방식으로 강도 변조하는 다수개의 광 변조기(MOD)(44)와, 상기 다수개의 광 변조기(MOD)(44)로부터 입력된 각각의 채널 신호(λ1,λ2,…,λN-1,λN)를 한가닥의 광섬유로 결합시키는 광 다중화기(Nx1)(45)와, 상기 광 다중화기(Nx1) (45)에서 결합되어 출력된 다채널의 광신호 레벨을 반복하여 증폭하도록 다단으로 구성된 증폭기(46, 48, 49)와, 상기 증폭기(46, 48, 49)에 의해 증폭된 다채널의 광신호를 각각의 신호 채널로 분리하는 역 다중화기(401)와, 상기 역다중화기(401)로부터 분리된 각각의 광신호(λ1,λ2,…,λN-1,λN)에서 새로운 데이터와 클럭 신호를 추출하는 다수의 광수신단(ORX1, ORX2, …, ORXN-1, ORXN)(402)으로 구성된다.
상기 증폭기로 구성된 잡음광 발생장치(EDFA)(41)에서 나온 고출력 잡음 광원은 배열 도파로 격자(AWG:Arrayed Waveguide Gratings)와 같은 상기 스펙트럼 분할 장치(DMUX)(42)를 이용하여 WDM 전송장치의 각 채널 광원으로 분리되며, 분리된 각각의 채널은 편광조절기(403)를 통하여 반도체 광증폭기(SOA)(43)에서 신호대 잡음비(SNR)가 개선되고, 광변조기(MOD)(44)에서 광변조된 후 다시 광채널 다중화기 (MUX)(45)에서 한가닥의 광섬유로 결합된다.
한편, 상기 다단의 광섬유 증폭기(46, 48, 49)들 중 첫째단과 둘째단의 광섬유 증폭기(46, 48)은 그 뒤에 연결되는 광섬유(47, 50)의 손실을 보상해 주기 위해서 사용되었으며, 마지막 단의 광섬유 증폭기(49)는 상기 역다중화기(DMUX)(401)의 삽입 손실을 보상해 주기 위해 사용되었다. 그리고, 상기 다단의 광섬유 증폭기 및 광섬유에 의해 전송되어 상기 역다중화기(DMUX)(401)에서 역 다중화된 각각의 신호 채널은 광수신기(402)에서 새로운 데이터와 클럭 신호를 추출하게 된다.
한편, 상기 잡음광 발생 장치(41)와, 스펙트럼 분할 장치(42)와, 다수개의 편광 조절기(403)와, 다수개의 반도체 광 증폭기(SOA)(43)와, 다수개의 광 변조기(MOD)(44)와, 광 다중화기(45)는 수단은 집적하여 하나의 모듈로 구성한다면 광섬유증폭기 하나만으로도 많은 전송 채널을 확보할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 본 발명은 송신 광원의 과잉 강도 잡음을 줄이기 위해 에브륨 광섬유 증폭기(EDFA)에서 발생되는 고출력 자연 증폭 방출(ASE)의 넓은 광 스펙트럼을 광학 필터로 좁게 분할함으로써 광섬유 증폭 잡음광원의 신호대 잡음비 특성을 개선하기 위한 방법으로서, 광/전 변환의 복잡한 신호 처리 과정이 필요없고, 별도의 비선형 매질 및 20 dBm 이상의 높은 광출력을 갖는 광증폭기가 요구되지 않으며, 단지 반도체 광증폭기(SOA)에서의 이득 포화 현상을 이용함으로써 간단하게 신호대 잡음비 특성을 개선할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 잡음광 신호 발생수단에 의해 발생된 잡음광 신호의 스펙트럼을 다수개로 분할(slicing)하여 광섬유 증폭 잡음 광원을 발생하는 광학 필터링 수단과, 상기 잡음 광원을 광변조하는 광 변조 수단과, 그 변조된 신호를 증폭한 후 광섬유를 통해 전송하는 광전송 수단과, 상기 광전송 수단에서 전송되어온 광신호로부터 새로운 데이터와 클럭 신호를 추출하는 광 수신 수단으로 구성된 광전송장치에 있어서,
    상기 광학 필터링 수단과 광변조 수단 사이 혹은 광변조 수단 뒤에 연결되며, 이득 포화효과에 의해 상기 광학 필터링 수단에서 발생된 광섬유 증폭 잡음 광원의 과잉 강도 잡음을 감소시키는 이득 포화 수단을 더 포함하여, 신호대 잡음비 특성을 개선한 것을 특징으로 하는 잡음 광원을 이용한 광전송장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 이득 포화수단은
    상기 광학 필터링 수단으로부터 입사된 스펙트럼 저미어진 잡음 광신호의 편광 상태를 조절하는 편광 조절 장치와,
    외부에서 인가되는 구동 전류 및 광세기에 의해 상기 편광 조절 장치를 통과한 신호가 이득 포화영역에서 동작하도록 제어하는 반도체 광 증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 잡음 광원을 이용한 광전송장치.
  3. 잡음광 신호 발생수단에 의해 발생된 잡음광 신호의 스펙트럼을 다수개로 분할(slicing)하여 잡음 광원을 발생하는 광학 필터링 수단과, 상기 잡음 광원을 광변조하는 광 변조 수단과, 그 변조된 신호를 증폭한 후 광섬유를 통해 전송하는 광전송 수단과, 상기 광전송 수단에서 전송되어온 광신호로부터 새로운 데이터와 클럭 신호를 추출하는 광 수신 수단으로 구성된 광전송장치에 있어서,
    상기 광전송 수단과 광 수신 수단 사이에 연결되며, 이득 포화효과에 의해 상기 광전송 수단에서 발생된 잡음 광원의 과잉 강도 잡음을 감소시키는 이득 포화 수단을 더 포함하여, 신호대 잡음비 특성을 개선한 것을 특징으로 하는 잡음 광원을 이용한 광전송장치.
  4. 증폭된 잡음광 신호를 발생시키는 잡음광 발생수단과,
    상기 잡음광 신호 발생수단으로부터 입력된 잡음광 신호의 스펙트럼을 다수개로 분할(slicing)하여 다채널의 잡음 광원을 발생하는 스펙트럼 분할 수단과,
    상기 스펙트럼 분할 수단에서 발생된 다채널 잡음 광원 각각에 대하여 편광 상태를 조절하여 출력하도록 다수개로 구성된 편광 조절 수단과,
    상기 다수개의 편광 조절 수단에서 출력된 각 채널의 광신호를 이득 포화효과를 이용하여 과잉 강도 잡음을 감소시키는 다수개의 반도체 광 증폭 수단과,
    상기 다수개의 반도체 광 증폭 수단에서 잡음이 감소된 후 출력된 각 채널의 잡음 광원을 강도 변조하는 다수개의 광 변조 수단과,
    상기 다수개의 광 변조 수단으로부터 입력된 각각의 채널 신호를 한가닥의 광섬유로 결합시키는 광 다중화 수단과,
    상기 광 다중화 수단에서 결합되어 출력된 다채널의 광신호 레벨을 반복하여 증폭하도록 다단으로 구성된 증폭수단과,
    상기 증폭 수단에 의해 증폭된 다채널의 광신호를 각각의 신호 채널로 분리하는 역다중화 수단과,
    상기 역다중화 수단으로부터 분리된 각각의 광신호에서 새로운 데이터와 클럭 신호를 추출하는 다수의 광수신단으로 구성된 것을 특징으로 하는 잡음 광원을 이용한 다채널 광전송장치.
  5. 제 5 항에 있어서,
    상기 잡음광 발생수단과, 스펙트럼 분할 수단과, 다수개의 편광 조절 수단과, 다수개의 반도체 광 증폭 수단과, 다수개의 광 변조 수단과, 광 다중화 수단을 집적하여 하나의 집적회로 또는 모듈로 구성한 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭 잡음 광원을 이용한 다채널 광전송장치.
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