KR20010028166A - 다파장 채널 광신호 증폭용 양방향 광섬유 광증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양방향 광통신에서 광신호 증폭에 사용되는 양방향 광섬유 광증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 다파장 채널 투과형 광필터의 하나인 마하 젠더 간섭계 광필터의 두 출력단에서 나오는 스펙트럼의 대칭적 출력 특성을 이용함으로써 광써큘레이터와 마하젠더 간섭계 광필터를 각각 하나씩만 사용하여 두 개의 광경로를 형성하여 다채널 반사광의 진행을 억제시키고, 또 양방향 광섬유 광증폭기를 구성하는데 필요한 광 부품의 수를 최소화 함으로써 광 부품으로 인해 발생하는 광손실을 줄여 증폭기의 이득 및 잡음 특성을 향상시킴과 동시에 경제적으로 광증폭기를 구성할 수 있는 다파장 채널 광신호 증폭용 양방향 광섬유 광증폭기 이다.

Description

다파장 채널 광신호 증폭용 양방향 광섬유 광증폭기{Bidirectional optical amplifier for multi-channel WDM signals}

본 발명은 양방향 광통신에서 광신호 증폭에 사용될 수 있는 양방향 광섬유 광증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 마하젠더 간섭계 광필터와 광써큘레이터를 각각 하나만으로 두 개의 광경로를 형성하여 다채널 반사광의 진행을 억제함으로써 이득 및 잡음 특성을 향상시킨 다파장 채널 광신호 증폭용 광증폭기에 관한 것이다.

현재 상용화된 광통신 시스템은 대부분 단방향 광전송 기술을 이용한 것이다. 한편, 광섬유 선로의 효율적 이용과 시스템 구성에 사용되는 광소자의 수를 줄일 수 있는 장점으로 인해 양방향 광통신에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.

도 1은 종래의 광섬유 광증폭기의 일반적인 구성도의 한 예이다. 동도에서 종래의 광증폭기가 양방향 광통신용 광증폭기로서 사용될 수 없는 이유는 광증폭기를 구성하고 있는 광 고립기(ISO) 때문이다. 따라서 걸림돌이 되었던 광 고립기를 제거하고서 양방향 광증폭기로 사용하려는 노력이 있었으나 레일레이 후방산란 (Rayleigh backscattering) 등의 반사광으로 인하여 최대 이득이 19 dB로 제한되었다. 따라서 최대 이득을 향상시키기 위하여 광써큘레이터 (optical circulator)와 광필터를 사용하여 양방향 광증폭기를 구성하게 되었다.

도 2는 광써큘레이터와 광필터를 사용하여 구성한 종래의 일반적인 양방향 광섬유 광증폭기 구성도의 한 예이다. 광필터로는 투과형 광필터, 광섬유 브래그 격자 필터 (fiber Bragg grating filter) 등이 이용되었다. 이런 광필터를 사용하여 구성된 양방향 광증폭기를 파장분할다중(WDM : wavelength division multiplexing) 방식의 양방향 광전송에 사용할 경우 증폭 가능한 채널의 수가 광필터의 3 dB 대역폭 (bandwidth)에 의해 제한되는 단점이 있다.

양방향 광섬유 증폭기에 대한 다른 종래 기술로는 2.5 Gb/s의 속도로 양방향 두 채널 WDM 광전송을 위한 양방향 광섬유 광증폭기에서 양방향 광증폭기의 이득을 제한하는 반사광의 진행을 억제하기 위한 구도에 대한 미국특허 us5815308가 있다.

이 특허는 두개의 광섬유 증폭기 사이에 3 dB 커플러 두개를 사용하여 두개의 광경로를 만들고, 각 경로에 빛이 진행하는 방향으로 광고립기와 대역투과 광필터를 각각 두고, 대역투과 광필터의 중심 파장은 양방향으로 진행하는 신호광의 파장인 1552 및 1545 nm와 일치하도록 하였다.

따라서 한 쪽 방향으로 진행하던 신호광이 반사되어 반대로 진행하게 될 때 원래 진행하던 광경로에서는 광고립기에 의해, 다른 광경로에 의해서는 광필터에 의해 진행이 방지된다.

이와 같은 방법의 양방향 광섬유 증폭기를 사용하여 양방향 WDM 광전송을 한 경우 비트 에러율 패널티( BER penalty)는 거의 동일하게 유지하면서 증폭기의 이득을 향상시킨 실험결과도 보고하고 있다. 그러나, 필터의 대역폭에 따라 양방향으로 증폭가능한 신호채널수가 제한되는 문제점이 있다.

또 다른 종래 기술로는 여러 채널 WDM 광신호의 양방향 전송 기술에 대한 미국 특허 US5742416이 있다.

이 특허의 내용중 양방향 광증폭기 부분만을 살펴보면, 양방향 광신호의 진행 및 증폭을 위한 두 개의 광경로는 두 개의 광써큘레이터로 구성되며, 각 광경로에는 빛의 진행 방향을 따라 광써큘레이터, 다수의 브래그 격자, 광고립기, 광증폭기, 그리고 광써큘레이터를 순서대로 배열한다.

브래그 격자의 중심 파장은 증폭하고자 하는 WDM 광신호들의 중심파장과 일치시켜, 두 광써큘레이터 사이의 두 광경로 중에서 원래의 광신호들이 진행하는 반대편 광경로에 위치시킨다. 각 광경로에 위치시킬 브래그 격자의 수는 전송하고자 하는 WDM 채널 수와 같게 해야 한다.

이 특허에서 반사광의 진행이 억제되는 원리를 살펴보면, 원래의 진행 방향에서 반사된 파장 성분은 광써큘레이터에서 처음과 다른 광경로로 입사되고 광써큘레이터에 연결된 브래그 격자에서 다시 반사되어 광써큘레이터로 되돌아오게 되면 반사광의 진행 방향이 광써큘레이터의 방향과 반대가 되어 결국 소멸되어 더 이상 진행하지 못하게 되는 것이다.

이와 같이 상기한 특허는 다채널 반사광의 진행을 억제함으로써 이득 및 잡음 특성을 향상시키나 반사광의 진행을 억제하고자 하는 채널 수만큼의 브래그 격자를 필요로 하므로 공간적인 제한이 따르고, 경제적이지 못한 단점이 있다.

상술한 바와 같이 종래 대부분의 양방향 광증폭기는 반사광으로 나빠지는 증폭특성을 향상시키기 위해서 반드시 두 개 이상의 광써큘레이터 및 광필터를 포함하는 다수개의 광 부품이 사용되었다. 또한 다파장 채널을 증폭하기 위해 최소한 두 개의 다파장 채널 투과형 광필더가 사용되었다.

따라서, 양방향 광섬유 광증폭기를 구성하는데 필요한 광 부품의 수를 최소화하여 부품으로 인해 발생하는 광손실을 줄임으로써 증폭기의 이득 특성 및 잡음 특성을 향상시키는 동시에 경제적인 양방향 광섬유 광증폭기의 개발이 절실히 요구되었다.

상기와 같은 요구에 따라 제안된 본 발명은 양방향 광섬유 광증폭기를 구성하는데 필요한 광 부품의 수를 최소화하고, 다채널 반사광의 진행을 억제함으로써 이득 및 잡음 특성을 향상시킨 증폭기의 이득 및 잡음 특성을 향상시킨 다파장 채널용 양방향 광섬유 광증폭기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 단방향 광섬유 광증폭기 구성도

도 2는 종래의 일반적인 양방향 광섬유 광증폭기 구성도

도 3은 광섬유 마하젠더 간섭계 필터 구성도

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양방향 광섬유 광증폭기 구성도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

EDF1, 2 : 어븀 첨가 광섬유 (erbium-doped fiber)

Pump1, 2 : 광펌핑용 광원

WDM1, 2 : 파장다중분할 결합기

ISO : 광고립기 (isolator)

CIR1, 2: 광써큘레이터(optical circulator)

3 dB DC 1, 2 : 50 % 광섬유 결합기

Δl : 간섭계 두 광통로의 길이차

MZIF : 마하젠더 간섭계 광필터 (Mach-Zehnder Interferometer Filter)

AMP1, 2 : 광증폭기(amplifier)

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양방향 광섬유 광증폭기는 다파장 채널 투과형 광필터의 하나인 마하젠더 간섭계 광필터와 광써큘레이터를 각각 하나씩 사용하여 두 개의 광경로를 형성하여 다채널 반사광의 진행을 억제시키고, 또 광 부품의 수를 최소화하여 광 부품으로 인한 광손실을 줄여 광증폭기의 이득 및 잡음 특성을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 사용될 다파장 채널 투과형 광필터의 하나인 마하젠더 간섭계 광필터의 주기적인 투과특성을 설명하기 위한 것으로, 특히 광섬유로 구성된 마하젠더 간섭계 광필터의 구성도이다.

백색광원을 입력단에 입사시켰을 경우, 마하젠더 간섭계 광필터의 두 출력단에서 나오는 출력와 투과파장간격는 각각 수학식 1, 2와 같다.

위 수학식들에서은 광섬유 코아의 굴절율이고,은 간섭계 두 광통로의 길이차 이다. 파장에 따라 두 출력은 주기적으로 변하며, 코사인항의 부호가 서로 다르기 때문에 서로 대칭적이다. 즉, 임의 파장 성분의 세기가 한쪽 출력에서 최대이면 다른쪽 출력에서는 최소이고, 반대로 한쪽에서 최소이면 다른 쪽에서는 최대이다. 위 수학식들로부터 마하젠더 간섭계 광필터의 광경로차()를 조절하면 원하는 투과 파장 및 파장 간격을 선택할 수 있음을 알 수 있다.

투과파장 간격이인 마하젠더 간섭계 광필터의 입력단(1)에 파장간격이인의 다파장 채널 신호가 입사될 경우 두 출력단을 통해 홀수 채널과 짝수 채널로 분리되어 나온다. 즉, 한 쪽 출력단(3)에서이 나오면, 다른 쪽 출력단(4)에서이 나오므로 파장 성분에 따라서 두개의 광경로가 존재하는 것 처럼 된다.

파장 성분에 따라 직선 광경로, 즉 (1)↔(3) 및 (2)↔(4)를 진행하거나 또는 교차광경로, 즉 (1)↔(4) 및 (2)↔(3)을 진행한다. 그러므로 이와 같은 마하젠더 간섭계 광필터 출력의 주기적이면서도 대칭적인 출력 특성을 이용하면 한 개의 광필터와 한 개의 광써큘레이터를 사용하여 양방향 광증폭기를 구성할 수 있다.

도 3에서는 광섬유로 구성된 마하젠더 간섭계를 예로 들었지만 실리카 기판, 반도체 기판, 또는 유기재료 기판 위에 도파로를 새겨 만든 평판 광 회로(PLC:planar lightwave circuit)형 마하젠더 간섭계를 사용할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 양방향 광섬유 광증폭기는 도 4에 나타낸 바와 같이 광신호를 증폭하는 광증폭기1, 2(AMP1, 2)와, 다파장 채널을 동시에 분리하는마하젠더 간섭계 광필터(MZIF) 및 광서큘레이터(CIR)로 구성된다.

여기서, 광증폭기1(AMP1)은 증폭될 광신호를 전송하는 어븀 첨가 광섬유1(EDF1), 상기 어븀 첨가 광섬유1(EDF1)에 펌프광을 조사하도록 상기 어븀 첨가 광섬유1(EDF1)에 광학적으로 접속된 광펌핑용 광원1(Pump1), 입력단 및 상기 광펌핑용 광원1(Pump1)에서 공급되는 입사신호광과 펌프광을 결합하여 상기 어븀 첨가 광섬유1(EDF1)에 전달하는 파장다중분할 결합기1(Wavelength Division Multipexing coupler : WDM1)로 이루어진다.

그리고, 광증폭기2(AMP2)는 상기 광증폭기1(AMP1)과 동일한 구성요소를 포함하여 이루어진다. 즉 어븀 첨가 광섬유2(EDF2), 광펌핑용 광원2(Pump2), 파장다중분할 결합기2(WDM2)로 이루어진다.

본 실시예에서는 상기 광증폭기1, 2(AMP1, 2)는 어븀이온이 첨가된 광섬유 증폭기를 예로 들었지만, 다른 희토류 이온이 첨가된 광섬유 증폭기, 비선형 현상을 이용한 광증폭기 그리고 반도체 광증폭기 등을 비롯한 모든 종류의 광증폭기를 사용할 수 있다.

상기 광써큘레이터(CIR)는 입출력단자가 3개인 것을 사용하는데, 화살표 방향으로는 빛이 단자사이를 진행하는 반면 화살표 반대 방향으로는 빛이 단자사이를 진행하지 못한다.

도시된 바와 같이 양방향 광섬유 광증폭기의 광증폭기1(AMP1)의 입력단으로의 채널이 입사되고, 광증폭기2(AMP2)의 입력단으로의 채널이 입사되었다 하자.

는 광증폭기1(AMP1)에서 1차 증폭되고, 마하젠더 간섭계 필터(MZIF)의 직선광경로 (1)→(3)과 광써큘레이터(CIR)를 지나 광증폭기2(AMP2)에서 2차 증폭된다. 한편,는 광증폭기2(AMP2)에서 1차 증폭되고 광써큘레이터(CIR)와 마하젠더 간섭계 필터(MZIF)의 교차광경로 (4)→(1)을 지나 광증폭기1(AMP1)에서 2차로 증폭된다.

그런데, 빛이 광섬유를 진행할 때 레일레이 후방산란이나 되반사 등으로 인해서 반사광이 생겨 반대방향으로 진행하게 되고, 이런 반사광으로 인해 양방향 광증폭기의 증폭 성능이 제한되기 때문에 반사광의 진행을 최대한 억제해야 한다.

본 실시예에서 제안하는 양방향 광증폭기에서의 반사광의 진행이 방지되는 원리를 설명한다.

만약 광증폭기1(AMP1)로 입사되어 광증폭기2(AMP2)로 진행하는 빛에이 섞여 있는 경우 간섭계 필터의 교차 광경로 (1)→(4)를 진행하게 되므로 광써큘레이터(CIR)에 의해서 진행이 차단된다. 또한 반대로 광증폭기2(AMP2)로 입사되어 광증폭기1(AMP1)로 진행하는 빛에이 섞여 있는 경우 광써큘레이터(CIR)는 통과하지만 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF)의 직선광경로 (4)→(2)를 진행하여 어븀 첨가 광섬유1(EDF1)에 연결되지 않은 (2)번 단자를 통해 빠져나가게 되어 더 이상 진행하지 못한다.

따라서 본발명에서 제안하는 양방향 광증폭기 구도는 소요 부품의 수를 줄이면서도 반사광을 차단할 수 있기 때문에 좋은 증폭 특성을 얻을 수 있게 된다.

또한 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF)의 광경로차를 조절하여 증폭되는 채널 신호의 간격을 조절할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예로는 도시하지는 않았지만 광써큘레이터(CIR)가 광증폭기1(AMP1)과 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF) 사이에 위치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 광써큘레이터(CIR)를 광증폭기1(AMP1)과 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF) 사이에 위치시켜 광증폭기1(AMP1)의 출력단을 광써큘레이터(CIR)에 연결시키고, 광써큘레이터(CIR)의 두 단자를 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF)의 두 입력단자와 연결시키며, 상기 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF)의 나머지 두 출력단자 중 한 개만 광증폭기2(AMP2)에 연결시켜 양??향 광섬유 광증폭기를 구성하여도 반사광 차단과 좋은 이득 및 증폭특성을 얻을 수 있다.

그리고, 필요에 따라 광증폭기1, 2(AMP1, 2) 중에서 어느 하나만 사용할 수 도 있으며, 마하젠더 간섭계 광필터(MZIF)와 광써큘레이터(CIR)를 연결하는 두 광통로의 일측 또는 양측에 광증폭기를 위치시켜 각 방향으로 진행하는 신호를 증폭할 수도 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 다파장 채널 광신호 증폭용 양방향 광섬유 광증폭기는 마하젠더 간섭계 광필터의 주기적이고 대칭적인 여과 특성을 이용함으로써 반사광의 계속적인 진행을 방지할 수 있고, 또 종래의 양방향 광증폭기에 비해 필요한 광써큘레이터 수가 줄어들었기 때문에 광써큘레이터에 의해 발생되는 광손실이 작아지므로 증폭기의 이득 및 잡음 특성이 향상되는 효과가 있다.

또한 양방향 광섬유 증폭기를 구성하는 광 부품의 수가 줄어듦으로써 경제적으로 양방향 광섬유 증폭기를 제작할 수 있어 가격 경쟁력을 제고할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

1. 다파장 채널 광신호를 증폭하기 위한 양방향 광섬유 광증폭기에 있어서,

   광신호를 증폭하는 광증폭수단과, 다파장 채널을 동시에 분리하는 마하젠더 간섭계 광필터 및 광써큘레이터를 포함하여, 일측 또는 타측으로 빛이 입사되어 진행하도록 함으로써 진행중인 빛에서 발생되는 되반사광 및 다중반사광의 계속적인 진행을 제거하는 것을 특징으로 하는 양방향 광섬유 광증폭기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광증폭수단의 출력단에 상기 마하젠더 간섭계 광필터의 두 입력단자 중 하나가 연결되고, 마하젠더 간섭계 광필터의 나머지 입력단자는 개방상태로 두며, 또 상기 마하젠더 간섭계 광필터의 두 출력단자는 상기 광써큘레이터에 두 단자에 연결되고, 광써큘레이터의 나머지 한 단자는 광신호의 일측 진행방향에 대해 출력단에 연결되는 것을 특징으로 하는 양방향 광섬유 증폭기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 광증폭수단의 출력단에 상기 광써큘레이터를 연결하고, 광써큘레이터의 나머지 두 단자를 상기 마하젠더 간섭계 광필터의 두 입력단자에 연결하며, 마하젠더 간섭계 광필터의 두 출력단자 중 하나만 광신호의 일측 진행방향 출력단에 연결되고 나머지 출력단자는 개방상태로 두는 것을 특징으로 하는 양방향 광섬유 증폭기.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 마하젠더 간섭계 광필터와 광써큘레이터를 연결하는 두 광통로의 일측 또는 양측에 광증폭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 광섬유 증폭기.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   광신호의 입력단 또는 출력단에 연결 배치되는 광증폭수단을 하나 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 광섬유 증폭기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 마하젠더 간섭계 광필터와 광써큘레이터를 연결하는 두 광통로의 일측 또는 양측에 광증폭수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양방향 광섬유 증폭기.