KR20030032291A - 이득 고정형 광섬유 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광통신 시스템에서의 이득 고정형 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

입력되는 여러 파장의 광신호들을 단일 광섬유(fiber)를 통해 출력하며 상기 광신호의 입력 파워를 조절하는 광신호 입력 수단을 포함하는 이득 고정형 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 광신호 입력기로부터 입력되는 광신호와 서로 다른 파장의 광을 전광 귀환한 후 소정 레벨로 증폭하여 상기 광신호의 이득을 고정하는 이득 고정 수단 및; 상기 이득 고정 수단으로부터 인가되는 광신호의 이득 특성을 소정의 감쇠 기능을 수행하여 평탄화하는 이득 평탄화 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기가 제공된다.

이를 통해, 고정된 이득(gain)의 평탄한 이득 특성을 갖는 광신호의 파장 대역을 C-band 30nm 대역(1530nm∼1560nm)까지 넓힐 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

이득 고정형 광섬유 증폭기 {Gain-Locked Optical Fiber Amplifier}

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광통신 시스템에서의 이득 고정형 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로, 광통신 시스템은 하나의 전송 선로를 통해 파장이 각기 다른 광신호를 동시에 전송함으로써, 선로의 전송 효율을 높일 수 있는 파장분할다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing, 이하 WDM 이라 함)방법을 이용하여 소정 대역의 신호광을 소정의 간격을 두고 전송하도록 구성된다.

이때, 상기 WDM 전송에 있어, 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier, 이하 EDFA 라 함)는 중요한 요소 중의 하나로서, 외부로부터 입력되는 에너지 공급원에 의해, 상기 EDF에 도핑(doping)되어 있는 희토류(rare-earth)이온을 여기시켜 신호광과 같은 파장의 유도광자를 발생시키며, 이때 발생된 유도광자가 입력된 광에 유입됨으로써, 상기 광이 증폭되어 출력되도록 하는 장치이다.

그러나, 일반적으로, 상기와 같은 EDFA는 입력되는 광신호의 입력 파워가 변화하거나 또는 전송 채널의 여러 신호광 중, 일부가 추출되거나 추가됨에 따라서 증폭기에 출력되는 광신호의 이득 특성이 달라지게 된다. 이로 인해, 상기 EDFA가 포함되는 전송 시스템에 영향을 주게 되는 문제점이 발생한다.

따라서, 위와 같은 상황에서 기존의 EDFA를 거쳐 출력되는 광신호의 이득을 고정하기 위한 여러 기술들이 개발 진행되고 있는데, 그 중, 몇몇 방법들에 대해 알아보면 다음과 같다.

첫 번째는, 입력 파워를 측정한 후, 그 차이만큼을 펌핑 광원을 이용하여 이득을 일정하게 유지하는 방법이다. 하지만 이는, 이득을 일정하게 유지하기 위해 상기 펌핑 광원을 빠르게 변조시켜주어야 하므로, 그를 위한 빠른 속도의 변조 회로가 필요할 뿐만 아니라, 상기 변조 과정 수행으로 인한 펌핑 광원의 신뢰성이 떨어지게 된다는 문제점이 있다.

두 번째는, 입력파워를 측정한 후, 줄어든 파워만큼을 부가적인 광원을 이용하여 이를 보상함으로써, 전체 입력파워를 일정하게 유지시켜 이득을 일정하게 유지하는 방법이다. 하지만 이는, 부가적인 광원이 별도로 필요하기 때문에 제조 단가가 상승된다는 단점이 있다.

세 번째는, 전광 귀환 방식으로 증폭기에 잔존하는 ASE(Amplified Spontaneous Emission : 광신호 증폭시 자연적으로 방출되는 광으로서 일종의 잡음, 이하 ASE 라 함)를 이용하여 레이저를 구성한 후, 입력 파워의 변화량을 레이저가 보상하여 해당 신호의 이득을 일정하게 유지하는 방식이다. 하지만 이는, 평탄한 이득 대역폭이 16nm∼18nm 정도로 협소하다는 특징이 있다.

네 번째는, EDFA에 동적(Dynamic)으로 변하는 AOTF(Acousto Optic Tunable Filter : 음영 광학 가변 필터, 이하 AOTF 라 함)를 동적 이득 평탄화 필터로 이용하여 이득을 일정하게 유지시켜 주는 방법이다. 하지만 이는, 증폭기에 상기 AOTF, 구동회로 및 전원 등이 부가적으로 필요하다는 단점이 있다.

마지막으로, 다른 종래 기술에 대해 알아보면 다음과 같다. 도 1a는 종래 기술에 따른 광섬유 증폭기의 내부 구조를 도시한 블록 구성도이며, 도 1b는 도 1a에 따른 광섬유 증폭기의 증폭특성 실험 결과치를 도시한 그래프이다.

도 1a를 보면, 기존의 광섬유 증폭기는 1단 증폭기로서, 제1 아이솔레이터 (11), 파장분할 다중화기(12), 펌핑광 레이저 다이오드(13), EDF(14), 제2 아이솔레이터(15)를 포함한다.

도 1b는 상기 도 1a에 따른 광섬유 증폭기의 증폭특성을 도시한 그래프로서, 도 1b를 보면, 입력되는 신호의 파장에 따라서 그 이득 특성이 가변됨을 알 수 있다. 이와 같이, 입력되는 신호의 이득 특성이 파장별로 다름으로 인해, 전송 시스템에는 부적합하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이득이 일정하게 유지되며 평탄한 이득을 갖는 대역을 C-band 30nm 대역(1530nm∼1560nm)까지 넓힐 수 있는 이득 고정형 광섬유 증폭기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 별도의 추가 부품이 없어도, 일부 채널이 추출되거나 추가되는 전송 시스템 내에서도 시스템의 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 이득 고정형 광섬유 증폭기를 제공하기 위한 것이다.

도 1a는 종래 기술에 따른 광섬유 증폭기의 내부 구조를 도시한 블록 구성도이다.

도 1b는 도 1a에 따른 광섬유 증폭기의 증폭특성 실험 결과치를 도시한 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 고정형(Gain-Locked) 광섬유 증폭기의 내부 구조를 도시한 블록 구성도이다.

도 3은 도 2에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기에 이용되는 이득 고정 블록(Gain-Locked Block)의 내부 구조를 도시한 블록 구성도이다.

도 4는 도 2에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기의 이득과 잡음지수를 도시한 그래프이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 상세한 설명 ※

20 : 광신호 입력기

30 : 제1 이득 고정부(Gain Locked Block)

31, 39 : 제1 및 제2 아이솔레이터

32, 38 : 제1 및 제2 FBG(Fiber Bragg Grating) 반사 필터

33, 37 : 제1 및 제2 순환기

34 : 파장 분할 다중화기

35 : 펌핑광 레이저 다이오드

36 : 어븀 첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber)

30' : 가변 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator)

40 : 이득 평탄화 필터

50 : 제2 이득 고정부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기는,

입력되는 여러 파장의 광신호들을 단일 광섬유(fiber)를 통해 출력하며, 상기 광신호의 입력 파워를 조절하는 광신호 입력기 포함하는 이득 고정형 광섬유 증폭기에 있어서,

상기 광신호 입력기로부터 입력되는 신호광과 서로 다른 파장의 광을 전광 귀환한 후 소정 레벨로 증폭하여 상기 광신호의 이득을 고정하는 이득 고정 수단; 및

상기 이득 고정 수단으로부터 인가되는 광신호의 이득 특성을 소정의 감쇠 기능을 수행하여 이득을 고정하고 채널간의 이득을 등화하는 이득 평탄화 필터

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기에 대해 알아본다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기의 내부 구조를 도시한 블록 구성도이다.

도 2를 보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기(70)는 제1 이득 고정부(30), 이득 평탄화 필터(Gain Equaling Filter : GEF, 40) 및 제2이득 고정부(50)를 포함한다.

제1 이득 고정부(30) 및 제2 이득 고정부(50)는 입력되는 광신호의 채널이 추가되거나 또는 추출에 의해서 입력되는 광신호의 파워에 무관하게 증폭기의 이득을 일정하게 고정시킨다.

이득 평탄화 필터(40)는 제1 이득 고정 블록(30)으로부터 출력되는 광신호의 이득 특성을 제2 이득 고정 블록(50)의 이득을 고려하여 소정의 이득감쇠기능을 통해 증폭기의 최종 출력이 평탄한 특성을 갖게 한다.

상기와 같은 구조를 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기의 동작 과정은 다음과 같다.

먼저, 세츄레이팅 톤(Saturating Tone)이 인가된 1533nm, 1540nm, 1522nm, 1560nm 대역의 광신호(21)가 4X1 결합기(22)에 입력되면, 상기 4X1 결합기(22)는 서로 다른 파장의 광신호를 단일 전송 선로인 광섬유(fiber)를 통해 2X1 결합기 (23)로 출력한다. 이후, 2X1 결합기(23)는 4X1 결합기(22)로부터 입력되는 4개의 세츄레이팅 톤과 프로브(24)로부터 입력되는 특정 파장의 광신호를 단일 광섬유를 통해 이득 고정형 증폭기(70)의 제1 이득 고정부(30)로 출력한다. 이때, 상기 프로브(24) 신호의 파장을 변화시켜가며 이득 특성을 얻을 수 있게 된다.

이후, 본 발명에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기(70) 내의 제1 이득 고정 부(30)로 입력되는 4개의 세츄레이팅 톤과 프로브 신호는 파장 다중화된 후, 소정 레벨로 증폭되어 이득 평탄화 필터(40)로 출력된다.

이후, 상기 이득 평탄화 필터(40)는 제2 이득 고정부(50)의 이득을 고려하여입력되는 특정 파장의 광신호의 최종 출력 단에서의 이득을 평탄화시키기 위해, 소정의 이득감쇠기능을 수행한다. 즉, 특정 파장의 신호 레벨을 근거로 다른 단파장의 신호레벨을 감쇠시키거나, 또는 맞추고자 하는 대역의 신호 레벨이 기 설정된 신호 레벨이 될 수 있도록 증폭 이득을 감쇠시킨다. 이로 인해, 소정 레벨로 증폭된 광신호의 이득 특성은 상기 이득 평탄화 필터(40)로 인해 평탄하게 유지된다.

이후, 상기 이득 평탄화 필터(40)로부터 출력되는 신호는 제2 이득 고정부 (50)로 출력된다.

이와 같이, 상기와 같은 과정을 수행하는 이득 고정형 광섬유 증폭기 내의 제1 및 제2 이득 고정부(30, 50)는, 입력되는 광신호의 파워 변화 및 채널의 추가 추출에 따라 민감하게 반응하는 이득특성의 광신호를 출력하는 기존의 EDFA에 반해, 평탄한 이득특성 및 고정된 이득뿐만 아니라, 상기 평탄한 이득특성을 갖는 유효 대역폭을 1530nm∼1560nm까지 확장시킨 광신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2 이득 고정부(30, 50)로부터 출력되는 광신호의 이득 스펙트럼이 일정하게 유지되기만 한다면, 출력단에서의 이득 특성은 상기 이득 평탄화 필터(40)를 통해 평탄하게 유지 또는 제어할 수 있게 된다.

이로 인해, 본 발명에서는 이와 같은 특성을 이용한 이득 평탄화 필터(40)와 제1 및 제2 이득 고정부(30, 50)를 포함하는 이득 고정형 광섬유 증폭기를 구성한다.

따라서, 위와 같은 구조를 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기는 기존의 EDFA를 통해 얻게 되는 평탄한 이득특성의 대역폭이 일반적으로 1550nm 기준시, ±10nm인데 반해, 본 발명에서는, 평탄한 이득특성을 갖는 광신호의 대역폭을 1530nm∼1560nm(30nm)까지 확장한다.

여기서, 상기와 같은 특징을 포함하는 제1 및 제2 이득 고정부(30, 50)에 대해 알아보면 다음과 같다.

도 3은 도 2에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기에 이용되는 제1 및 제2 이득 고정부의 내부 구조를 도시한 블록 구성도이다.

도 3을 보면, 제1 및 제2 이득 고정부(도 2의 30, 50)는 제1 아이솔레이터 (isolator, 31), 제1 FBG 필터(Fiber Bragg Grating Filter, 32), 제1 순환기(circulator, 33), 파장분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexer, 34), 펌핑용 레이저 다이오드(35), EDF(36), 제2 순환기(37), 제2 FBG 필터(38), 제2 아이솔레이터(39) 및 가변 광 감쇄기(Variable Optical Attenuator : VOA, 30)를 포함한다.

제1 아이솔레이터(31) 및 제2 아이솔레이터(39)는 입력되는 광신호를 단일 방향으로만 전송한다.

제1 FBG 필터(32) 및 제2 FBG 필터(38)는 입력되는 여러 파장의 광신호 중 특정 파장의 광신호만을 선택하여 반사시킨다.

제1 순환기(33) 및 제2 순환기(37)는 3포트 광소자로서, 포트 1를 통해 입력된 광신호는 포트 2로 출력하고, 포트 2로 입력되는 광신호는 포트 1로 출력한다.

파장분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexer, 34)는 여러 파장의 광신호를 파장 다중화하여 출력한다.

EDF(Erbium Doped Fiber, 36)는 파장 다중화된 광신호를 에너지 공급원인 펌핑광 레이저 다이오드(35)로부터 입력된 펌핑광을 통해 소정 레벨 증폭하여 출력한다.

이 때, EDF(36)를 통해 소정 레벨 증폭된 광신호에는 증폭된 광신호외에 잡음인 ASE(Amplified Spontaneous Emission)가 포함된다.

가변 광 감쇄기(30)는 입력되는 광신호의 광량의 세기를 조절한다.

이와 같은 구조를 특징으로 하는 이득 고정형 EDFA의 동작 과정에 대해 알아보면 다음과 같다.

먼저, 입력되는 여러 파장의 광신호(λ1∼λN)는 제1 아이솔레이터(31)를 통해 제1 FBG 필터(32)로 입력된 후, 제1 FBG 필터(32)에 의해 일부 파장만이 반사되고 나머지는 투과된다. 이때, 반사된 파장의 광신호는 다시 제1 아이솔레이터(31)의 출력으로 입력되어 소멸된다.

이후, 선택 파장 외의 광신호는 제1 순환기(33)의 포트 3을 통해 파장분할 다중화기(34)에 입력된 후, 상기 파장분할 다중화기(34)에 의해 펌프광과 같이 EDF(36)로 입력된다.

이후, 상기 EDF(36)는 입력된 광신호에 대해 펌핑광 레이저 다이오드(35)로부터 입력되는 펌핑광을 이용하여, 소정 레벨로 증폭한 후 제2 순환기(37)의 포트 1로 출력한다.

이후, 상기 제2 순환기(37)로 입력된 광신호(증폭광)는 제2 FBG 필터(38)에서 일부 파장의 광만을 반사시키고, 제2 아이솔레이터(39)로 출력되는 반면, 반사된 파장의 광은 다시 제2 순환기(37)의 포트 2로 재 입력된다. 이때, 제2 아이솔레이터(39)는 상기 제2 FBG 필터(38)로부터 신호광들을 최종 출력하게 된다.

한편, 제2 순환기(37)의 포트 2로 입력되는 선택 파장의 광신호는 포트 3을 통해 가변 광 감쇄기(30)로 입력된 후, 상기 가변 광 감쇄기(30)를 통해 광량의 세기가 일부 조정되어 다시 제1 순환기(33)의 포트 1로 입력된 후, 포트 2를 거쳐 제1 FBG 필터(32)로 입력된다.

이후, 제2 FBG 필터(38)로부터 선택 파장의 광을 입력받은 제1 FBG(32)필터는 다시 이 광을 반사 시켜서 신호광들과 같이 제1 순환기(33)로 입력된다.

이러한 구조로 링형 공진기가 형성되어, 입력광의 변화를 보상 할 수 있는 레이저 구조를 갖추게 되며, 이때 반사되는 광은 앞서 수행한 동작 과정을 반복 수행하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기는 FBG 필터(출력 파워가 비교적 안정적임)를 이용하여 입력되는 여러 파장의 광신호 중 비선택 파장의 광신호에 대해서 귀환시키는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 사용되는 제1 및 제2 이득 고정부(30, 50)는 전광 귀환형 EDFA인 것을 특징으로 하며, 이로 인해, 이득 특성이 일정하게 유지된다.

도 4는 도 2에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기의 이득 특성을 도시한 그래프로서, 1533nm, 1540nm, 1522nm, 1560nm 대역의 광신호에 세츄레이팅 톤(Saturating Tone)을 인가한 후, 프로브를 통해 입력되는 광신호의 파장을 계속 바꾸어 입력시킴으로써, 그로 인한 광신호의 입력 파워를 -6dBm부터 -17dBm까지 변화시켰을 경우의 이득 특성을 도시한 그래프이다.

도 4를 보면, 본 발명에 따른 이득 고정형 광섬유 증폭기는 입력광에 대한 파장별 평균 이득이 24dB 근처로 안정됨을 보이고 있으며, 1530nm에서 1560nm대역에 이르기까지 평탄한 이득 특성을 나타낸다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 이득 고정형 EDFA와 이득 평탄화 필터로 구성된 이득 고정형 광섬유 증폭기를 이용함으로써, 입력되는 광신호의 이득을 고정시키고, 평탄한 이득 특성을 갖는 광신호의 대역폭을 C-band 30nm 대역 (1530nm∼1560nm)까지 넓힐 수 있는 효과가 있다.

또한, 고정된 이득과 평탄한 이득특성을 갖는 대역폭의 확장으로 인해, 여타의 다른 전자 부품이나 음영 광학 가변 필터, 빠른 변조 회로 및 부가적인 광원이 없어도, 채널이 추가 및 추출이 발생하는 시스템에서도 시스템의 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 입력되는 여러 파장의 광신호들을 단일 광섬유(fiber)를 통해 출력하며, 상기 광신호의 입력 파워를 조절하는 광신호 입력기 포함하는 이득 고정형 광섬유 증폭기에 있어서,

   상기 광신호 입력기로부터 입력되는 신호광과 서로 다른 파장의 광을 전광 귀환한 후 소정 레벨로 증폭하여 상기 광신호의 이득을 고정하는 이득 고정 수단; 및

   상기 이득 고정 수단으로부터 인가되는 광신호의 이득 특성을 소정의 감쇠 기능을 수행하여 이득을 고정하고 채널간의 이득을 등화하는 이득 평탄화 필터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 이득 평탄화 필터로부터 인가되는 광신호를 전광 귀환한 후 소정 레벨로 증폭하여 상기 광신호의 이득을 고정하는 서브 이득고정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 이득 고정 수단은,

   입력되는 여러 파장의 광신호를 일정 방향으로 전송하는 제1 아이솔레이터;

   상기 제1 아이솔레이터 부로부터 인가되는 여러 파장의 광신호 중 특정 파장의 광신호를 선택하여 투과하는 제1 FBG 필터;

   상기 제1 FBG 필터로부터 인가되는 선택 파장의 광신호를 특정 포트로 출력하는 제1 순환기;

   상기 제1 순환기로부터 인가되는 선택 파장의 광신호를 파장 다중화하여 출력하는 파장분할 다중화기;

   상기 파장분할 다중화기로부터 인가되는 파장 다중화된 광신호를 에너지 공급원을 통해 소정 레벨로 증폭하여 출력하는 어븀 첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber);

   상기 EDF로부터 출력되는 증폭된 광신호를 특정 포트로 출력하는 제2 순환기;

   상기 제2 순환기로부터 출력되는 증폭된 광신호 중 특정 파장의 광신호를 선택하여 투과하는 제2 FBG 필터 및;

   상기 제2 FGB 필터로부터 출력되는 광신호를 일정 방향으로 전송하는 제2 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 에너지 공급원은,

   펌핑광 레이저 다이오드로부터 인가되는 펌핑광인 것을 특징으로 하는 이득 고정형 광섬유 증폭기.