KR20000049868A

KR20000049868A - 비대칭 마하젠더 간섭계를 이용한 광신호대잡음비모니터링 및 광섬유 절단 검출

Info

Publication number: KR20000049868A
Application number: KR1020000023817A
Authority: KR
Inventors: 이재승
Original assignee: 이재승; 이진섭; 인오시스템 주식회사
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2000-08-05

Abstract

본 발명품은 광 파장 분할 다중화 (WDM: Wavelength Division Multiplexing) 네트워크 노드에서 비대칭 마하젠더 간섭계 (AMZI: Asymmetric Mach - Zehnder Interferometer) 를 사용하여, 전송된 신호들의 광신호대잡음비 (OSNR: Optical Signal - to - Noise Ratio) 를 검출 할 수 있도록 고안된 것이다. 이 간섭계를 사용하여 코히어런트(coherent) 한 광원과 인코히어런트 (incoherent) 한 광원을 분리하여 광신호대잡음비를 모니터링 할 수 있으며, 광섬유 절단을 빠르고 정확하게 검출 할 수 있다. 또한 기존의 방법과 비교하여 간단하고 저렴하게 구현 할 수 있다.

Description

비대칭 마하젠더 간섭계를 이용한 광신호대잡음비 모니터링 및 광섬유 절단 검출{Monitoring of the optical signal to noise ratio and detection of the fiber cut using the asymmetric Mach-Zehnder interferometer}

(1) 산업상 응용분야 : 광증폭기를 사용하는 통신 전분야 (채널 모니터링, 선로감시 부분)

(2) 종래 기술 : 광 파장 분할 다중화 네트워크에서 광신호대잡음비를 모니터링하고 광섬유 절단을 검출하는 것은 광원과 광증폭기의 성능 저하와 채널의 오류 성능을 알 수 있으므로 상당히 중요하다. 기존에 광신호대잡음비를 모니터링 방법으로는 광학 대역 반사 필터(optical band-rejection filter) 를 사용하는 방법[1]과 편광 소광 (Polarization extinction)을 이용하는 방법[2] 등이 있으며, 광섬유 절단을 검출하는 방법으로는 노드에 입력되는 광 파워를 사용하는 방법, 차동 파워비를 이용하는 방법[3] 그리고 광섬유 브래그 격자[4]를 사용하는 방법 등이 제시되었다.

광학 대역 반사 필터를 사용하는 방법은 입사되는 광신호를 광 써큘레이터와 광학대역 반사 필터를 사용하여 광신호를 반사시켜 써큘레이터를 통해 신호성분의 파워와 광학대역 반사 필터를 통과한 잡음성분의 파워를 측정하므로써 광신호대잡음비를 측정하는 방법으로 광학 대역 반사 필터와 써큘레이터의 손실과 광학 대역 반사 필터의 완전하지 못한 반사특성으로 적은 값의 광신호대잡음비 모니터링에 문제점이 있다. 편광 소광을 이용하는 방법은 실시간으로 광신호대잡음비를 모니터링하기가 어렵고 광 스펙트럼 분석기 (Optical spectrum analyzer) 가 필요한 문제점이 있다. 또한 광섬유 절단을 검출하는 방법으로 수신 광파워를 사용하는 방법은 파장 분할 다중화 방식의 네트워크에서 광신호는 각 노드들사이에 여러 단의 어븀첨가광섬유증폭기를 거치면서 증폭된 자기 방출광을 포함하게 되므로 광섬유 절단 시에도 광 파워는 존재할 수 있다. 따라서 광섬유 절단을 검출하는데 어려움이 있다. 또한 차동 파워비를 사용하는 방법은 모니터링 파장과 신호가 없는 인접한 파장 영역과의 파워를 비교해야 하므로 별도의 파장이 필요하며, 파장 분할 다중화 방식의 링(Ring) 네트워크에서 보호 링 (protection ring) 네트워크로 전환 (switching) 되었을 경우, 각 노드에서 모니터링 파장을 추가 및 분기해야 하는 문제점이 있다. 광섬유 브래그 회절격자를 사용하는 방법은 분기된 각 선로마다 별도의 모니터링 파장을 할당하여 사용해야 하는 단점 이외에 광섬유 절단을 검출 할 수 있는 거리의 제한을 받는 문제점이 있다.

[참고문헌]

1) Dong-Ho Lee, Sang-Rok Lee, Byung-Ho Yoon, Moo-Jung Chu, Jae-Keun Kim, "In -service performance monitoring of optical amplifiers utilizing band-rejection filter", in CLEO Pacific Rim '99 , pp.718-719.

2) M. Rasztovvits-Wiech, M.Danner, W.R.Leeb, "Optical signal-to-noise measurement in WDM networks using polarization extinction", in ECOC '98 pp 549-550.

3) D. Richards, J. Jackel, I. Roudas, W. Xin, N. Antoniades, and M. Ali, "Method for detecting fiber cuts in a WDM ring with saturated EDFAs", in Proc. OFC '99, paper FJ4.

4) Chun-Kit Chan, Frank Tong, Lian-Kuan Chen, Keang-Po Ho, and Dennis Lam, "Fiber-fault identification for branched access networks using a wavelength-sweeping monitoring source", IEEE Photon, Technol. Lett., vol.11, pp.614-616, 1999.

본 발명품은 파장 분할 다중화 방식의 네트워크에서 광신호대잡음비를 모니터링하고, 광섬유 절단을 검출하고자 하는 목적으로 제안된 것으로, 기존의 방법들에 비하여 별도 모니터링 파장을 사용하지 않고, 거리의 제한을 받지 않으며, 또한 코히어런트 광원과 인코히어런트한 광원의 세기를 분리하여 측정이 가능하므로 정확하고 신속하게 광신호대잡음비를 모니터링하고 광섬유 절단을 검출할 수 있다.

도 1 : 비대칭 마하젠더 간섭계의 구성과 광신호대잡음비 모니터링 및 광섬유 절단 검출 원리도

도 2 : 비대칭 마하젠더 간섭계의 출력을 광 검출기를 통해 신호 처리 장치로 측정한 파형

도 3 : 광신호대잡음비 모니터링 및 광섬유 절단 검출 실험에 대한 전체 구성도

도 4 : 비대칭 마하젠더 간섭계를 사용하여 측정된 연속 광 (continuous waye) 의 광신호대잡음비 측정도

도 5 : 비대칭 마하젠더 간섭계를 사용하여 측정된 155Mb/s 로 변조된 신호의 광신호대잡음비 측정도

도 6 : 비대칭 마하젠더 간섭계를 사용하여 측정된 10Gb/s 16 비트로 변조된 신호의 광신호대잡음비 측정도

부호의 설명 :

1: 증폭된 자기 방출광(amplified spontaneous emission)이 포함된 신호광, 2: 편광 유지 결합기 A, 3: 편광 유지 결합기 B, 4:위상변조기, 5: 교류 신호 발생기, 6: 광 검출기, 7: 단일 모드 광섬유, 8: 편광 유지 광섬유, 9: 신호 처리 장치, 10: 교류진폭, 11: 직류진폭, 12: 레이저 다이오드, 13: 편광 조절기, 14: 광 다중화기, 15: 가변 감쇠기, 16: 강도 변조기, 17: 신호발생기, 18: 광증폭기 A, 19: 광 역다중화기, 20: 피에조 전계효과 변환기, 21: 광증폭기 B, 22: 광대역통과필터, 23: 아날로그-디지털 변환기, 24: 컴퓨터, 25: 비대칭 마하젠더 간섭계, 26: 광 검출기, 27: 교류 신호 발생기

도 1은 발명의 구성 및 광신호대잡음비와 광섬유 절단 검출의 원리도를 나타낸다. 먼저 본 발명의 구성은 길이가 서로 다른 두개의 편광 유지 결합기(2,3)를 연결하여 비대칭 마하젠더 간섭계를 구성하며, 간섭계의 한쪽 경로를 위상변조기(4)를 사용하여 교류신호발생기(5)로 위상변조를 할 수 있도록 되어 있다. 두개의 편광 유지 결합기로 구성된 비대칭 마하젠더 간섭계에서 편광 유지 결합기 사이의 광섬유(8)는 편광 유지 광섬유(8)로 구성된다. 그리고 비대칭 마하젠더 간섭계의 입력과 출력 단자의 광섬유(7)는 단일 모드 광섬유(7) 혹은 편광 유지 광섬유로 구성된다. 다음은 광신호대잡음비와 광섬유 절단 검출의 원리로서 광 전송시스템에서 광섬유를 통해 전송되어온 신호는 전송 선로상의 어븀첨가광섬유 증폭기를 거치면서 신호광인 레이저 다이오드 성분 외에 증폭된 자기 방출광을 포함하게 되며(1), 코히어런트(coherent)한 레이저 다이오드 광신호와 인코히어런트(incoherent)한 증폭된 자기 방출광은 서로 다른 코히어런스 길이(coherence length)를 가진다. 이렇게 서로 다른 코히어런스 특성을 지닌 광원들이 함께 포함되어 전송되어온 광신호는 비대칭 마하젠더 간섭계에 입사되며, 입사된 광신호는 입력단의 편광 유지 결합기(2)에서 분기되고, 분기된 신호들은 서로 다른 길이의 경로를 거치게 된다. 이때 한쪽의 경로에서는 위상 변조기(4)에 교류 신호 발생기(5)의 저주파 교류 신호를 인가하여 위상 변조를 한다. 이는 광학적으로 경로의 길이가 변조됨을 의미하여, 출력측의 편광 유지 결합기(3)를 통하여 서로 다른 길이의 경로를 거친 광신호가 결합 될 때 위상의 보강 및 상쇄 간섭이 일어난다. 여기서 서로 다른 경로를 통과한 성분간의 경로차를 레이저 다이오드 신호광의 코히어런스 길이보다 적게 설정하고 증폭된 자기 방출광의 코히어런스 길이(coherence length)보다 크게 설정한다. 그러면 편광 유지 결합기(3)의 출력을 광 검출기(6)를 통해 신호처리장치(9)를 사용하여 측정하면 도 2와 같이 된다. 즉 코히어런트한 광원인 레이저 다이오드 신호광은 상호 간섭에 의해 교류 성분을 가지게 되며, 인코히어런트한 광원인 증폭된 자기 방출광(amplified spontaneous emission)은 간섭효과가 없고 주로 직류 성분을 가지게 된다.

도 2는 출력측 편광 유지 결합기(3)의 출력을 광 검출기(6)를 사용하여 검출한 파형을 나타낸다. 도 2에서 가로축의 t 는 시간축을 나타내며 세로축의 V 는 전압을 나타낸다. Va(10) 는 레이저 다이오드 신호광에 의한 교류 성분 진폭을 표시하며, Vb(11) 는 증폭된 자기 방출광에 의한 직류 성분을 나타낸다. 그러므로 신호광인 레이저 다이오드와 잡음광인 증폭된 자기 방출광의 파워의 비 즉 광신호대잡음비(OSNR: optical signal to noise ratio)는 Va / Vb 로 얻을 수 있으며, 광섬유 절단 시 이 값이 급격히 감소하므로 이를 쉽게 감지해낼 수 있다. 이러한 측정은 비대칭 마하젠더 간섭계를 비대칭 마이켈슨 간섭계를 사용하여도 마찬가지 원리로 가능하다. 또한 같은 위상 변조에 대해 느끼는 경로차는 파장의 함수이므로, N 개의 서로 다른 파장의 빛이 비대칭 간섭계에 입사하면 도 2의 파형에 N 가지 주기가 나타나게 된다. 따라서 도 2의 파형을 주파수 영역에서 분석하면 입력파장의 분포를 알아낼 수 있으며 광주파수 분석기 (OSA: Optical Spectrum Analyzer)를 제작할 수 있다. 마찬가지로 대칭형 간섭계를 사용해도 광주파수 분석기의 제작이 가능하다.

도 3은 본 발명을 실제 광전송 시스템으로 구현하여 광신호대잡음비 및 광섬유 절단 검출을 실험한 전체 구성도를 나타낸다. 구현된 광전송 시스템은 송신단에서 4채널의 레이저 다이오드 광신호(12)를 광 다중화기(14)를 통해 다중화하여 신호발생기(17)의 발생신호로 강도 변조기(16)를 통해 변조된 광신호를 광증폭기(18)로 증폭하여 전송하고, 수신단에서 수신된 광신호를 광 역다중화기(19)를 통하여 역다중화 한 후에, 역다중화된 4채널중 한 채널을 비대칭 마하젠더 간섭계(25)로 입사시킨다. 비대칭 마하젠더 간섭계(25)의 한쪽경로는 교류 신호 발생기(27)의 저주파 교류 신호로 변조된 피에조 전계효과 변환기(20)에 의해 위상 변조를 겪게 된다. 이 결과 비대칭 마하젠더 간섭계(25)의 출력을 광학필터와 광검출기(26), 아날로그-디지털 변환기(23)를 통과시켜 컴퓨터(24) 로 관측한 광신호대잡음비를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 OSNR_OSA는 광스펙트럼 분석기의 광신호대잡음비로서 해상도 0.07 nm 인 광 스펙트럼 분석기 (OSA : Optical Spectrum Analyzer) 로 측정한 신호 광채널 스펙트럼의 최고치 레벨과 증폭된 자기 방출광의 최고치 레벨간의 차이를 나타낸다. 측정된 결과, 광스펙트럼 분석기의 광신호대잡음비 1dB 변화에 대한 측정된 광신호대잡음비도 거의 1dB의 변화를 나타낸다.

도 5는 155Mb/s 로 강도 변조한 신호 4채널을 전송 전, 120km 그리고 200km 전송한 후의 각각에 대하여 수신단에서 역다중화하여 4채널중 한 채널을 전술한 비대칭 마하젠더 간섭계를 사용하여 광신호대잡음비를 측정한 걸과를 나타낸 도면이다. 전송거리에 따른 변화가 매우 적음을 알 수 있다.

도 6은 16 비트 (bit) 10Gb/s 신호를 주기적으로 강도 변조한 신호 4채널을 전송한 후 수신단에 배열 도파로 격자를 사용하여 역다중화하여 4채널중 한 채널에 대하여 비대칭 마하젠더 간섭계를 사용하여 광신호대잡음비를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 제안된 비대칭 마하젠더 간섭계를 구성함으로써, 파장 분할 다중화 네트워크의 각 노드에서 코히어런트한 광원과 인코히어런트한 광원을 분리하여 광신호대잡음비를 모니터링 할 수 있으며, 또한 광섬유 절단을 빠르고 정확히 검출 할 수 있다. 또한 구현이 간단하면서도 저가로 구현이 가능하므로 파장 분할 다중화 네트워크 각 노드에서 경제적으로 구현이 가능하다.

Claims

비대칭 구조의 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계에서 한쪽 경로를 위상변조하는 방법으로 경로차를 변조하여 광통신 시스템에서 광 신호대잡음비를 모니터링(monitoring) 하는 방법.
비대칭 구조의 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계에서 한쪽 경로를 위상변조하는 방법으로 경로차를 변조하여 광통신 시스템에서 광섬유 절단을 검출하는 방법.
마하젠더 간섭계에서 한쪽 경로를 위상변조하는 방법으로 경로차를 변조하여 광통신 시스템에서 광 스펙트럼을 측정하는 방법.
청구항 1, 2, 3 에서 비대칭 구조의 마하젠더 간섭계 대신 비대칭 구조의 마이켈슨 간섭계를 사용하는 방법.