KR20000055046A - 신호 대 잡음비 성능이 향상된 라만 광섬유 증폭기 및 그 사용방법 - Google Patents

신호 대 잡음비 성능이 향상된 라만 광섬유 증폭기 및 그 사용방법 Download PDF

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Abstract

입력 광신호에 대해 유도 라만 산란을 일으켜 신호 대 잡음비 성능을 향상시킨 라만 광섬유 증폭기 및 그 사용방법에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 기본적인 특징은 광섬유 증폭기에 입력된 신호의 잡음 출력을 유도 라만 산란에 의해 다른 장파장대로 전환하여 신호 대 잡음비(SNR)를 줄이는 것이다. 본 발명에 의하면, 라만 광섬유 증폭기에서 증폭되는 신호의 SNR값을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 이를 사용하면 장거리 광전송에서도 신호강도가 낮은 데이터를 원활하게 수신할 수 있다.

Description

신호 대 잡음비 성능이 향상된 라만 광섬유 증폭기 및 그 사용방법 {Raman fiber amplifier with enhanced signal-to-noise ratio and method for the use thereof}
본 발명은 광증폭기 및 그 사용방법에 대한 것으로, 특히 입력 광신호에 대해 유도 라만 산란을 일으켜 신호 대 잡음비 성능을 향상시킨 라만 광섬유 증폭기 및 그 사용방법에 관한 것이다.
1970년대에서 1980년대에 걸쳐, 고출력 라만 광섬유 레이저 및 증폭기가 여러 연구 그룹에 의해 활발히 연구되어 왔으나, 어븀 도핑 광섬유 증폭기(Er-Doped Fiber Amplifier; 이하 "EDFA")의 등장과 더불어 그 연구가 거의 중단되었다. 그런데, 최근의 연구에서 고출력 레이저 다이오드 펌핑을 이용함으로써 수 와트(Watt)에서 수십 와트에 이르는 출력을 가지는 이중 클래드 광섬유 레이저가 보고되었는 바, 이는 종래의 단일 모드 광섬유 레이저에 의해서는 구현하기 힘든 성능에 해당한다. 이러한 고출력 광섬유 레이저가 등장하고 고밀도 파장분할 다중(Wavelength-Division Multiplexing; "WDM") 광섬유 통신의 상업화가 활발해짐에 따라, 광섬유 통신에서 EDFA의 폭넓은 사용에도 불구하고 라만 광섬유 증폭기가 광대역 광 증폭기의 후보로서 최근 각광받고 있다. 라만 광섬유 증폭기에 대한 물리적 기초는 광섬유 내에서 발생하는 유도 라만 산란(Stimulated Raman Scattering; "SRS")으로서, 이는 1972년 최초 발표된 후에 라만 광섬유 레이저 및 증폭기, 전 광학적(all-optical) 신호처리, 고출력 광섬유 레이저용 비선형 광 변조기에 널리 응용되었다. 최근에는 EDFA와 라만 광섬유 증폭기를 함께 사용하여 3㏈의 이득평탄도와 75㎚의 넓은 이득평탄 대역 특성을 가지는 혼성 광 증폭기에도 응용되고 있다.
한편, 고속 광통신에 있어서 양질의 데이터 전송 및 낮은 비트 에러율(bit error rate)을 실현하기 위해서는 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio; "SNR")이 커야만 한다. 그러나, 장거리 광전송에서는 레일리이 산란(Rayleigh scattering) 및 기타 비선형 작용 때문에 SNR과 신호수준이 낮아지게 된다. 신호강도가 낮은 데이터를 원활하게 수신하기 위해서는 신호에 대한 광증폭이 필요한데, 이 때 필요한 이득은 약 30㏈ 정도이다. 이러한 증폭과정에서 잡음은 주로 증폭 자발광(amplified spontaneous emission; "ASE") 및 기타 비선형 상호작용에 의해 증폭되게 된다. 특히, DWDM(Dense WDM)과 같이 많은 채널을 채용하는 장거리 광 전송시스템의 성능은 광 증폭기 잡음에 의해 제한받는 경우가 많다. 따라서, 잡음수준을 낮추기 위해, 어떤 광 증폭기에서는 중간단 차단기, 감쇠기 또는 광섬유 브래그 격자를 이용하기도 한다. 그러나, 이들은 정해진 스펙트럼 영역에서만 효과가 있을 뿐이다.
또한, EDFA와 같은 3준위 레이저 구성은 ASE를 완전히 제거할 수 없으므로 입력 SNR에 비해 SNR이 2배 이상 감소하게 된다. 이는 잡음지수 특성 파라미터가 3㏈ 이상이라는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 증폭되는 신호의 SNR값을 획기적으로 향상시킬 수 있는 라만 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 라만 광섬유 증폭기를 유효하게 사용하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 그래프들;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게르마늄 도핑 라만 광섬유 증폭기의 구성도;
도 3a 내지 3d는 도 2의 증폭기에 신호들을 입사시킨 후, 광섬유 길이방향으로 신호변화를 관찰한 결과를 나타낸 그래프들;
도 4a 및 4b는, 50m 길이의 라만 광섬유를 사용할 경우 여러 가지 2차 스토크스 제어 펄스신호에 대하여 1차 스토크스 신호가 어떻게 증폭되는지를 관찰한 그래프들;
도 5는 광섬유 길이방향으로 나타나는 신호 대 잡음비의 변화를 나타낸 그래프이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 라만 광섬유 증폭기는, 자신의 내부를 통과하는 광신호를 증폭하도록, 여기가능한 원소로 도핑된 일정 길이의 광섬유와; 상기 도핑 원소를 광펌핑하기 위한 수단을 구비한 종래의 라만 광섬유 증폭기에서, 상기 광섬유에서 증폭될 1차 스토크스 신호를 도입하는 수단과; 상기 광섬유를 따라 전파하는 펌핑광 및 1차 스토크스 신호와 더불어 유도 라만 산란에 의한 증폭을 일으키기 위한 2차 스토크스 제어신호를 상기 광섬유에 도입하는 수단과; 상기 광섬유 내에서 증폭된 1차 스토크스 신호를 분리하는 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 광섬유의 코어부가 게르마늄으로 도핑된 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 이를 위해 GeO2가 코어부에 10몰%~30몰%로 함유된 것이 좋다.
상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 방법은, 상기한 라만 광섬유 증폭기를 사용하되, 상기 1차 스토크스 신호로서 펄스신호를, 상기 2차 스토크스 제어신호로서 상기 1차 스토크스 신호에 대해 반전된 모양을 갖는 펄스신호, 반전되는 동시에 확장된 펄스폭을 갖는 펄스신호 및 연속파 신호로 구성된 신호군으로부터 선택된 어느 하나를 각각 도입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 시간영역(temporal domain)에서 게르마늄 도핑 라만 광섬유 증폭기(Ge-Doped Raman fiber Amplifier; "GDRA")의 잡음수준을 낮추는 방법을 제안하고, 광섬유 길이방향으로 펌프광, 1차 스토크스(Stokes) 및 2차 스토크스 신호가 시간에 따라 어떻게 변화하는가에 대해 제시하였다. 광통신에서 주요 잡음은 신호 펄스간의 시간간격 동안에 증폭된다. NRZ(Non-Return to Zero)신호와 RZ(Return to Zero)신호에는 신호 펄스간 시간간격이 있다. 여기에 신호가 일정 세기로 존재한다면, ASE는 충분히 증폭되지 않으며 꽤 작게 유지된다. 만약 여기에 신호가 일정 세기로 존재하지 않는다면, ASE는 꽤 크게 증가한다. 본 발명에서 신호세기의 추이에 따라 시간영역에서 신호 펄스의 양단 사이에서의 전체 세기를 통합하는 역할을 하는 검출기로서 광 다이오드가 사용된다. 이런한 광 스펙트럼 분석기를 통해 광범위한 ASE와 더불어 WDM 스펙트럼을 관찰할 수 있다. 그러므로, 신호 펄스 간의 잡음 출력을 감소시키거나 다른 장파장으로 전환함으로써 잡음을 줄일 수 있다. 즉, 본 기술의 요점은 1차 스토크스 파장의 신호 펄스 간의 잡음 출력을 2차 스토크스 파장의 출력으로 전환하는 것이다. 따라서, 이와 같은 기능을 하는 장치를 라만 광 잡음 필터(Raman Optical Noise Filter; "RONF")라고 칭할 수 있다. 이에 대한 개념을 도 1a 내지 도 1e에 나타내었다. 라만 증폭기를 펌핑하는 수단으로 1064㎚ 파장의 니오디뮴(Nd) 도핑 이중 클래드 고출력 광섬유 레이저의 출력광(Ip)을 이용하였다. 도 1a는 이 출력광(Ip)을 시간에 대해 나타낸 그래프이다. 그 다음 디지털 전송 데이터를 가지는 1120㎚의 1차 스토크스 신호(IS1)를 증폭을 위해 입사시켰다. 도 1b는 1차 스토크스 신호(IS1)를 시간에 대해 나타낸 그래프이다. 다음에, 잡음 수준을 낮추기 위해 도 1c에 도시된 1180㎚ 파장의 2차 스토크스 펄스(IS2)를 사용하였다. 이론상, 펌핑광(Ip), 신호광(IS1), 제어 펄스광(IS2)의 파장들은 라만 증폭조건을 만족하는 파장이라면 어느 것이든 선택될 수 있다. 예컨대, 13㎔와 5㎔를 라만 시프트(shift)와 이득 대역폭으로 각각 이용할 경우, 1420㎚, 1507±20㎚ 및 1615±22㎚, 또는 1453㎚, 1555㎚ 및 1665㎚ 파장대역을 각각 펌핑광, 1차 및 2차 스토크스 신호광의 파장으로 이용할 수 있다. 제어 펄스가 없다면, 1차 스토크스 신호는 각각 높고 낮은 신호수준인 "온" 및 "오프"에서 모두 증폭된다. 신호에서 "오프" 펄스인 동안에, 제어신호의 "온" 펄스가 인가되면, 증폭된 "오프" 신호 펄스의 출력이 라만 증폭에 의한 펌핑광과의 상호작용에 따라 제어 펄스의 "온" 펄스 중의 하나로 전환된다. 신호에서 "온" 펄스인 동안에, 제어 펄스의 "오프" 펄스가 인가되면, 증폭된 "온" 신호 펄스의 출력은 주어진 광섬유의 길이에서 그다지 많이 변화하지 않는다. 따라서, 1차 스토크스 "오프" 펄스에 의한 잡음 수준이 감소되며, 도 1d 및 1e는 2차 스토크스 펄스(IS2)의 인가 유무에 따라 달리 증폭된 1차 스토크스 신호(IS1')를 각각 나타낸다. 도 1d 및 1e를 참조하면, 2차 스토크스 펄스(IS2)가 인가될 때 높은 SNR값을 보임을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GDRA의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 레이저 다이오드(210)에 의해 펌핑되는 광섬유 레이저(220)에서 게르마늄 도핑 라만 광섬유(230)에 대한 펌핑광(Ip)이 출력된다. 본 실시예에서 레이저 다이오드(210)의 출력은 40W, 출력광의 파장은 810㎚였다. 또한, 광섬유 레이저(220)로서, 출력되는 광(Ip)의 파장이 1064㎚, 출력이 10W인 Nd 도핑 이중 클래드 CW(Continuous Wave) 광섬유 레이저가 사용되었다. 한편, 라만 변환효율이 낮기 때문에 펌핑출력이 낮은 경우를 대비하여 충분한 길이의 게르마늄 도핑 라만 광섬유(230)를 사용하였다. 게르마늄 도핑 라만 광섬유(230)에 펌핑광(Ip)는 직접 입사되는 반면에 신호(Is1)와 제어 펄스(Is2)는 제1 WDM결합기(240)에 의해 결합되어 입사된다. 결합된 펌핑광(Ip), 신호(Is1)와 제어 펄스(Is2)는 게르마늄 도핑 라만 광섬유(230)를 따라서 전파되면서 라만 증폭을 위해 상호작용을 하게 된다. 그 다음, 증폭된 신호(Is1')가 제2 WDM결합기(250)에 의해 분리된다. 본 실시예에서, 펄스의 워크-오프(walk-off)효과 및 기타 비선형 현상을 무시할 수 있도록, 나노초(nanoseconds) 범위의 펄스 길이를 사용하였다. 이에 대한 예를 들자면, 1064㎚ 펌핑 파장에서 워크-오프 파라미터가 대략 2㎰/㎚이므로, 펄스 지속시간 7㎱을 이 파라미터로 나누면 워크-오프 길이가 대략 35㎞에 이른다. 그런데, 본 실시예에서는 35㎞보다 훨씬 짧은 길이인 수십 미터의 게르마늄 도핑 라만 광섬유(230)를 사용하였으므로 워크-오프 효과를 무시할 수 있다.
상기한 본 실시예의 장치의 작동을 수식에 의해 설명하면 다음과 같다. 펌핑광(Ip), 1차 스토크스 신호(Is1)와 2차 스토크스 제어 펄스(Is2) 세기들이 게르마늄 도핑 라만 광섬유(230)에서 일으키는 상호작용은 광섬유 길이방향(z)에 대한 미분방정식으로서 다음 수학식 1 내지 3과 같이 표현될 수 있다.
여기서, gR은 1064㎚의 펌핑광 파장(λP)에서의 라만 이득계수를, αP, αS1및 αS2는 펌프광, 1차 스토크스 신호, 2차 스토크스 신호에 대한 광섬유 손실계수들을 각각 나타낸다. 또한, ωP, ωS1및 ωS2는 펌프광, 1차 스토크스 신호, 2차 스토크스 신호의 주파수를 각각 나타낸다.
한편, 일반적인 비편광 유지(non-polarization maintaining) 실리카 단일모드 광섬유의 라만 이득계수는 1064㎚의 파장에서 대략 4.43×10-12㎝/W의 값을 갖는데, 게르마늄이 도핑된 광섬유에서 이 값은 (1+80Δ)에 비례하여 증가된다는 것이 알려져 있다. 여기서, Δ는 상대 굴절지수의 차이를 나타낸다. 본 실시예의 장치에서 라만 증폭을 위한 매질로서 GeO2가 20몰 %로 함유된 고농도 게르마늄 도핑 단일모드 광섬유(미쓰비시 케이블 공업사 제품; 모델번호 DX-C617-0A)를 사용하였는데, 이 때 Δ는 0.0181의 값을 가졌으며, 이에 의해 환산된 라만 이득계수는 1.084×10-11㎝/W였다. 또한, 코어 직경이 2.6㎛, 차단파장(cutoff wavelength)이 980㎚, 모드 필드 직경이 1064㎚ 파장에 대해 3.17㎛였다. 한편, 광섬유 손실계수 파라미터에 대해서는, 파장의 4제곱에 반비례하는 성질을 가지는 레일리이 산란이 주된 손실요인으로 작용한다. 본 실시예에 사용된 게르마늄 도핑 광섬유의 광섬유 손실계수(αP)는 1064㎚ 파장에서 2.68㏈/㎞이므로, 1차 스토크스 및 2차 스토크스 파장에서의 광섬유 손실계수들(αS1, αS2)도 쉽게 계산할 수 있다.
한편, 본 실시예의 장치의 성능을 분석하기 위해 펌핑광, 1차 스토크스의 "온" 신호 및 2차 스토크스의 "온" 신호의 파워를 각각 10W, 1㎽ 및 1W로 설정하였다. 그리고, "온" 신호와 "오프" 신호의 파워에 대한 콘트라스트 비(contrast ratio)가 모두 100이 되도록 설정한 펄스신호들을 1차 스토크스 및 2차 스토크스 신호로서 사용하였다. 또한, 콘트라스트 비를 향상시키기 위해, 1차 스토크스 및 2차 스토크스 신호에 대한 "온" 신호와 "오프" 신호의 파워수준이 서로에 대해 반전된(inverted) 모양을 갖게 하였다. 경우에 따라서, 2차 스토크스 신호로서 1차 스토크스 신호에 대해 반전되도록 하고 그 펄스폭을 확장하게 한 것을 사용하거나, 아예 연속파 신호를 사용할 수도 있다.
상기와 같이 각각의 신호를 입사시킨 후, 광섬유 길이방향으로 신호변화를 관찰한 결과를 도 3a 내지 3d에 도시하였다. 명확한 이해를 위해 출력세기가 아닌 출력 파워를 사용하여 나타내었다. 또한, 본 실시예에 사용되는 게르마늄 도핑 라만 광섬유의 길이는 대략 수십 m 정도면 족하나, 파워 변화추이를 더 잘 관찰하기 위해 200m 길이의 것을 사용하였다. 도 3a 내지 3d에서, 펌핑광, 1차 스토크스 신호 및 2차 스토크스 신호의 파워를 각각 Pp, PS1, PS2로 표시하였다. 또한, 각 스토크스 신호가 "온"일 때 파워를 각각 PS1(ON)과 PS2(ON)으로, 각 스토크스 신호가 "오프"일 때 파워를 각각 PS1(OFF)과 PS2(OFF)으로 표시하였다. 도 3a와 3b를 참조하면, PS2(ON)와 PS2(OFF)가 모두 0일 때, 각각 63m 및 83m를 전파하고 난 후에 1차 스토크스 신호의 "온" 및 "오프" 파워에 대해 펌핑광의 파워(Pp)의 90% 이상이 1차 스토크스 신호 파워로 전환됨을 알 수 있다. 또한, 광섬유 손실에 의한 감쇠를 제외하고는 증폭된 1차 스토크스 신호의 파워가 200m까지 유지됨을 확인할 수 있다.
한편, PS2(ON)가 1W, PS2(OFF)가 10㎽일 때, 1차 스토크스 신호의 파워는 증폭되지만, 도 3c 및 3d에 도시한 바와 같이 그 주된 파워가 2차 스토크스 신호의 파워로 변환된다. 증폭된 1차 스토크스 신호의 파워는 광섬유를 따라 전파되는 동안에 최대치에 이르렀다가 다시 감소하여 0이 된다. 이 경우에, 각각 113m 및 103m를 전파하고 난 후에 2차 스토크스 신호의 "온" 및 "오프" 파워에 대해 펌핑광의 파워의 90% 이상이 2차 스토크스 신호 파워로 전환됨을 알 수 있다. 광섬유를 통해 전파되는 과정에서 PS1(ON)이 PS1(OFF)보다 더 빨리 증가하고 PS2(OFF)가 더 큰 이득을 겪기 때문에 PS2(OFF)가 PS2(ON)보다 더 빨리 증가하게 된다. 정해진 광섬유 길이에서, PS2가 없는 경우와 비교하면 PS2가 있는 경우에 PS1(ON)이 적게 감소하고 PS1(OFF)가 많이 감소한다. 따라서, PS2가 있는 경우의 SNR이 PS2가 없는 경우의 SNR보다 더 크다.
그 다음, 50m 길이의 라만 광섬유를 사용할 경우 2차 스토크스 제어 펄스신호의 인가여부에 대하여 1차 스토크스 신호가 어떻게 증폭되는지를 관찰한 그래프를 도 4a 및 4b에 나타내었다. 전체의 경우에 대해, 입력 SNR은 100, PS1(ON)은 1.0㎽였다.
도 4a와 같이 PS2가 없는 경우, PS1(OFF)와 PS1(ON)은 각각 0.222W와 6.432W로서 SNR값은 28.97이 된다. 한편, 1차 스토크스 신호에 대해 반전된(inverted) 모양을 갖는 2차 스토크스 제어 펄스신호를 인가한 경우를 도 4b에 나타내었다. 도 4b와 같이 PS2가 있는 경우에는, PS1(OFF)와 PS1(ON)은 각각 0.078W와 6.328W로서 SNR값은 81.13이 되는데 이 값은 PS2가 없는 경우의 값보다 2.8배 이상 큰 것이다.
도 5는 광섬유 길이방향으로 나타나는 신호 대 잡음비의 변화를 나타낸 그래프이다. 2차 스토크스 제어 펄스신호(IS2)가 인가된 경우와 그렇지 않는 경우를 대비하여 나타내었다. 도 5를 참조하면, 인가된 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 더 큰 SNR값을 가짐을 알 수 있다. 또한, 2차 스토크스 제어 펄스신호(IS2)가 인가되지 않은 경우에 SNR값은 광섬유의 길이가 증가함에 따라 단순 감소하는 반면에, 2차 스토크스 제어 펄스신호(IS2)가 인가된 경우에는 35m의 광섬유 길이에서 SNR값이 최대값을 가진 후 점차 감소함을 알 수 있다. 이 최대값은 186.1로서, 이는 2차 스토크스 제어 펄스신호(IS2)가 인가되지 않은 경우의 SNR값의 2.2배에 이르는 것이다. 이 길이에서 1차 스토크스 신호의 파워인 PS1(ON)은 입력신호의 파워에 대해 30㏈의 이득을 얻어 1.02W의 값을 나타내었다. 이 결과를 얻을 때, GDRA에서의 ASE 및 이중 레일리이 산란에 의한 잡음은 고려하지 않았는데, 그 이유는 실시예에서 사용된 게르마늄 도핑 광섬유의 길이가 수십 미터정도이고 펌핑 파워가 컸기 때문이다. 그러나, 사용할 수 있는 펌핑 파워가 1W 이하로 제한되고 필요한 광섬유의 길이가 수십 킬로미터인 1550㎚ 파장대역의 실제 광통신에서라면 이들이 고려되어야 한다.
본 발명에 의하면 라만 광섬유 증폭기에서 증폭되는 신호의 SNR값을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 이를 사용하면 장거리 광전송에서도 신호강도가 낮은 데이터를 원활하게 수신할 수 있다.

Claims (5)

  1. 자신의 내부를 통과하는 광신호를 증폭하도록, 여기가능한 원소로 도핑된 일정 길이의 광섬유와;
    상기 도핑 원소를 광펌핑하기 위한 수단과;
    상기 광섬유에서 증폭될 1차 스토크스 신호를 도입하는 수단과;
    상기 광섬유를 따라 전파하는 펌핑광 및 1차 스토크스 신호와 더불어 유도 라만 산란에 의한 증폭을 일으키기 위한 2차 스토크스 제어신호를 상기 광섬유에 도입하는 수단과;
    상기 광섬유 내에서 증폭된 1차 스토크스 신호를 분리하는 수단을 구비하는 라만 광섬유 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 코어부가 게르마늄으로 도핑된 것을 특징으로 하는 라만 광섬유 증폭기.
  3. 제2항에 있어서, GeO2가 코어부에 10몰%~30몰%로 함유된 것을 특징으로 하는 라만 광섬유 증폭기.
  4. 자신의 내부를 통과하는 광신호를 증폭하도록, 여기가능한 원소로 도핑된 일정 길이의 광섬유를 준비하는 단계와;
    상기 도핑 원소를 광펌핑하는 펌핑광을 상기 광섬유에 입사시키는 단계와;
    상기 광섬유에서 증폭될 1차 스토크스 신호를 도입하는 단계와;
    상기 광섬유를 따라 전파하는 펌핑광 및 1차 스토크스 신호와 더불어 유도 라만 산란에 의한 증폭을 일으키기 위한 2차 스토크스 제어신호를 상기 광섬유에 도입하는 단계와;
    상기 광섬유 내에서 증폭된 1차 스토크스 신호를 분리하는 단계를 구비하는 라만 광섬유 증폭기의 사용방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 1차 스토크스 신호가 펄스신호이며, 상기 2차 스토크스 제어신호가 상기 1차 스토크스 신호에 대해 반전된 모양을 갖는 펄스신호, 반전되는 동시에 확장된 펄스폭을 갖는 펄스신호 및 연속파 신호로 구성된 신호군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라만 광섬유 증폭기의 사용방법.
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