KR20040009215A

KR20040009215A - 고출력 광 패킷 발생 장치

Info

Publication number: KR20040009215A
Application number: KR1020020043069A
Authority: KR
Inventors: 이재승; 서경희
Original assignee: 이재승; 서경희
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-01-31

Abstract

본 발명은 광통신 시스템에서, 이득포화 된 광증폭기로 입력되는 광 패킷 (packet) 신호의 패킷 길이 및 패킷율을 조절하여 광증폭기의 이득을 제어함으로써, 광섬유를 통한 전송의 경우 무중계 전송거리를 늘리거나, 광 성형결합기 (star coupler) 의 삽입 손실을 극복하거나, 대기를 통한 자유공간 광통신 (optical free space communication)의 경우에 발생하는 대기 손실의 시간에 대한 변화를 보상하여, 안정적으로 통신이 이루어지도록 하는 장치이다. 본 발명은 파장분할다중화된 광신호의 경우 채널별로 이득포화 된 광증폭기를 사용한다. 또한 본 발명을 이용하면 패킷으로 통신하는 광통신 시스템에서 더미(dumy) 패킷을 이용하여 광증폭기의 각 패킷 신호에 대한 이득을 안정하게 유지시킬 수 있다.

Description

고출력 광 패킷 발생 장치{HIGH POWER OPTICAL PACKET GENERATOR}

본 발명은 패킷으로 통신하는 광통신 시스템에서, 광신호를 이득포화 된 광증폭기로 증폭할 때, 광증폭기에 대한 평균 입력 파워를 능동적으로 제어하여, 이득포화 된 광증폭기의 각 패킷에 대한 이득을 변화시킨다. 이는, 전송로로서 광섬유를 이용한 광통신 시스템의 경우, 무중계 전송 거리의 연장에 사용되거나, 가입자용 네트워크에서 분기 포트(port) 수가 많은 광 성형결합기 등의 삽입 손실을 극복할 수 있게 하며, 전송로로서 대기를 이용하는 자유공간 광통신 시스템의 경우,기상 변화에 따라 급격히 변화하는 전송 손실을 보상하여 안정적으로 통신할 수 있게 해준다. 또한 패킷을 사용하는 광통신 시스템에서 이득포화 된 광증폭기의 이득이 안정적으로 유지되도록 해준다.

본 발명은, 광통신 시스템 분야에 속하며, 광신호에 대한 전송로의 전송손실이 클 경우 이득포화 된 광증폭기에 대한 입력 광 패킷 신호의 평균 파워를 제어하여 상기 이득포화 된 광증폭기의 광 패킷 신호에 대한 이득을 변화시키고 그 결과 전송로의 전송손실을 극복할 수 있게 해준다. 이러한 기술은 아직 사용된 바 없다. 따라서, 기존의 광통신 시스템에서는, 전송로 전송손실의 영향을 줄이기 위해 광증폭기들을 서로 가까운 거리에 배치하여 광중계 구간을 줄이거나, 고출력 광증폭기들을 사용하거나, 그렇지 않으면 전체 전송거리를 줄이는 수 밖에 없었다.

광섬유를 전송로로 사용하는 광통신 시스템에서 도서지방이나 산악지형과 같이 광중계 구간을 임의로 줄이기 어렵거나 무중계 광전송이 필요한 경우, 분기 포트 수가 많아 손실이 큰 광 성형결합기 등을 사용해야 하는 경우, 또한 대기를 전송로로 사용하는 자유공간 광통신시스템에서 전송 손실이 기상변화에 따라 1 ㎞ 당 10 ∼ 60 dB로 급격히 증가하는 경우, 고출력 광증폭기를 송신부 혹은 광중계기에서 사용해야 할 필요성이 높아진다. 그러나, 최대출력이 30 dBm 부근이며 값비싼 기존의 고출력 광증폭기를 사용함은 만족스러운 해결책이 될 수 없다. 게다가, 최근 광 패킷 신호를 장거리 광전송하는 연구가 활발한 데, 광증폭기의 광 패킷에 대한 이득이 각각의 패킷에 대해 일정하질 않아 문제가 되고 있다. 이러한 점은 다음참고문헌에 잘 서술되어 있다. R. Gaudino, A. Carena, and V. Ferrero, System impact of EDFA gain fluctuation in WDM optical packet networks, Optical Fiber Communication Conference 2002, paper ThGG104. 이는 광 패킷 신호의 광증폭기 입력시간이 불규칙하기 때문이다.

본 발명은 이득포화 된 광증폭기가 입력 광신호의 단위시간 당 평균 파워가 다소 변화하더라도 광출력을 일정하게 유지하는데 착안하여, 입력 광 패킷 신호에서 단위 시간당 발생하는 패킷의 수인 패킷율 및 패킷 길이를 변화시켜 광 패킷 신호에 대한 광증폭기의 이득을 제어하는 방법으로 전송선로의 손실 및 손실의 시간에 대한 변화를 극복할 수 있게 한다. 물론 고출력 광증폭기에 적용하여 더욱 높은 순간 파워를 갖는 광 패킷 신호를 얻을 수도 있다.

도 1은 단일 파장 광 신호를 발생하는 고출력 광 패킷 발생 장치.

도 2는 입력 광 패킷 신호에 대한 이득이 안정되도록 하는 광 패킷 증폭 장치.

도 3은 파장분할 다중화된 광 신호를 발생하는 고출력 광 패킷 발생 장치.

부호의 설명 :

1: 광신호발생부, 2: 제어부, 3: 광증폭부, 3a: 광증폭기, 4: 광결합부

11: coupler, 12:광검출부, 14: 광원, 15: 광결합기,

광신호를 증폭하는 광증폭기에 디지털 방식으로 변조된 광 패킷 신호가 입력한다고 생각해 보자. 상기 광증폭기의 이득회복시간 (gain recovery time) 이 통상 패킷 하나가 차지하는 시간과 패킷간의 시간 간격 (packet interval) 에 비해 충분히 크다고 가정하자. 참고로, 가장 널리 사용되는 에르븀첨가 광섬유증폭기의 경우 이득회복시간이 대략 0.1 ~ 1 ms 정도로서, 100 Mbps 이상의 속도를 갖는 이더넷 (Ethernet) 패킷과 비교하더라도 앞서의 가정은 잘 만족된다. 그러면, 상기 광증폭기의 이득은 광 패킷 입력 신호의 자세한 모양보다는 여러 광 패킷 입력 신호의 평균 파워에 의해 결정된다. 여기서, 상기 평균 파워를 산출하는 시간은 일정치 않으나, 다수의 광 패킷 들을 포함할 수 있는 시간으로 상기 광증폭기의 이득회복시간보다 작게 잡는다. 나아가, 상기 광증폭기가 이득포화 영역에서 동작한다고 가정하자. 그러면, 상기 광증폭기의 평균 출력 파워가 일정하게 유지되므로, 입력 광 패킷 신호의 평균 패킷 길이 및 평균 패킷율이 각각 혹은 동시에 증가하면, 광 패킷 입력 신호의 평균 파워가 증가하고, 각 패킷에 대한 상기 광증폭기의 이득은 감소한다. 반대로, 입력 광 패킷 신호의 평균 패킷 길이 및 평균 패킷율이 각각 혹은 동시에 감소하면 각 패킷에 대한 상기 광증폭기의 이득은 증가하게 된다. 이러한 사실을 이용하면, 광 패킷 신호에 대한 상기 광증폭기의 이득을 제어할 수 있다.

도 1에서는 이러한 방법을 이용한 고출력 광 패킷 발생 장치를 보이고 있다. 광신호 발생부(1)는 외부로부터 전기신호 혹은 광신호를 받아 제어부(2)의 제어 하에 이를 신호처리하여 그 출력단에서 단일 파장 혹은 파장분할 다중화된 광 패킷 신호를 발생하되 상기 광신호발생부(1)의 입력신호는 연속신호이거나 패킷 신호 모두 가능하다. 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호는 이득포화 된 광증폭기를 내장한 광증폭부(3)에 의해 증폭이 되어 전송로를 통해 전송된다. 상기 제어부(2)는 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호의 패킷 길이 및 패킷율을 결정하여, 그 결과 상기 광증폭부(3)의 광 패킷 신호에 대한 이득 값을 제어한다.

상기 제어부(2)는 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호들을 매 패킷 마다 제어하거나, 그 중 일부만을 선택하여 제어하고 나머지 패킷들은 상기 광신호발생부(1)가 자율적으로 발생할 수도 있다. 중요한 것은, 앞서 설명한 바와 같이, 여러 패킷 신호들을 평균한 광 파워 값이 상기 광증폭부(3)의 광 패킷 신호에 대한 이득 값을 결정한다는 것이다. 따라서, 패킷 길이 및 패킷율은 동시에 제어되어야하며, 둘 중 하나만 제어하면 상기 광증폭부(3)의 이득은 불규칙해진다. 만일 상기 광신호발생부(1)가 출력 광 패킷 신호의 패킷 길이 및 패킷율 중 어느 하나를 일정하게 하거나 그 평균값을 일정하게 하여 동작한다면, 상기 제어부(2)는 둘 중 나머지 파라메터 (parameter) 만을 제어하여 상기 광증폭부(3)의 광 패킷 신호에 대한 이득 값을 제어해도 된다.

상기 광증폭부(3)의 출력 신호가 광섬유 혹은 광 성형결합기와 연결된 광섬유를 통해 상대 노드로 전송되고 전송로의 손실값이 시간에 대해 일정하다면, 상기 제어부(2)는 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷 길이를 그 평균 값이 일정하게 유지되도록 제어하면 된다. 그러나, 상기 광증폭부(3)의 출력 신호가 자유공간을 통해 상대 노드로 전송되는 경우, 전송로의 손실 값이 시간에 대해 일정하질 않게 된다. 이 경우, 상기 제어부(2)는 상기 고출력 광 패킷 발생 장치의 출력 광 패킷이 겪는 전송로 상의 전송손실의 변화, 전송된 패킷의 패킷 손실 (packet loss) 의 변화, 및 전송된 패킷의 비트 에러의 변화 등에 대한 정보를 상대 노드로부터 전송되어온 응답신호로부터 유추하거나 직접 정보를 받아 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷 길이를 제어하여 통신이 차질없이 이루어지도록 한다. 상대 노드에서 일정시간 동안 응답이 없는 경우, 상기 제어부(2)는 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷 길이를 허용 한계치들까지 단계적으로 낮춘다. 반대로, 다시 전송로의 손실이 감소하고 따라서 전송 된 광 패킷 신호가 상대편 노드로 잘 전송되면, 상기 제어부(2)는 상기 광증폭부(3)의 광 패킷 신호에 대한 이득을 줄여서 전송용량을 늘리게 된다. 그 외에도, 상기 제어부(2)는상기 고출력 광 패킷 발생 장치와 네트워크로 연결된 다른 임의의 노드로부터 제어신호를 받아 원격제어 상태로 동작할 수도 있다.

광증폭부(3)가 이득포화영역에서 동작하건 안 하건, 광 패킷 간의 거리가 매우 넓어 광증폭부(3)의 이득회복시간에 근접할수록, 광증폭기의 과도응답 (transient response) 특성 때문에 또한 큰 이득을 얻을 수 있다. 이러한 사실은 다음 참고문헌에 잘 설명되어 있다. E. Desurvire, Erbium Doped Fiber Amplifiers, Principles and Applications, John Wiley and Sons, 1994.

상기 제어부(2)가 패킷 길이를 제어하는 것은 일례로 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷에 부가되는 연장 (extension) 신호의 길이를 조절함으로써 가능하다. 연장신호는 일반적으로 통신용 데이터를 포함하지 않으며 미리 서로 교신하는 쌍방간의 합의에 의해 정해져 있다. 그러나, 패킷 길이를 제어하는 것은 빠른 신호처리를 요구하므로 패킷율을 제어하는 것이 보다 손쉬운 방법이다. 패킷율을 제어하는 것에는 여러 가지 방법이 있겠으나, 그 중 한 방법으로, 패킷 간의 거리가 너무 멀어질 때, 통신용 데이터를 포함하지 않는 더미(dummy) 패킷을 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호들 사이에 제어부(2)의 제어하에 삽입하는 것도 손쉬우면서 효율적인 방법이다. 더미 패킷의 디지털 신호 구조는 서로 교신하는 쌍방간의 합의에 의해 미리 정하면 된다. 더미 패킷은 상기 광 패킷 신호와 비트율 (bit rate) 및 파장이 다를 수도 있으며, 파장이 다를 경우, 수신단에서는 광학필터를 사용하여 더미 패킷을 손쉽게 제거할 수 있으므로, 더미 패킷의 자세한 데이터 구조나 변조파형은 매우 자유롭게 결정될 수 있으며, 심지어 아날로그방식으로변조된 매우 긴 파형의 모양이 될 수도 있다. 패킷율을 낮출 경우에는, 상기 광신호발생부(1)의 입력 신호중에서 우선 순위가 높은 신호들만 먼저 신호처리하여 출력한다. 우선순위가 낮은 신호들은 저장하여 나중에 출력하거나 폐기한다. 이 과정에서도 패킷율이 불규칙해지면, 더미 패킷을 사용할 수 있다.

상기 광증폭부(3)의 광 패킷 신호에 대한 이득이 안정하도록 하기 위하여, 도 1의 구조를 도 2처럼 응용하여 광 패킷 증폭 장치를 구성할 수도 있다. 도 2에서는 상기 광신호발생부(1)로 입력되는 광 패킷 신호를 광결합기(11)를 사용하여 두 경로로 나누고, 상기 광결합기(11)의 한 출력광을 광검출부(12)로 광검출하여 전기신호로 변환하여 상기 제어부(2)로 보내어 광원(14)의 출력 광파워를 제어한다. 상기 광원(14)은 반도체 레이저 혹은 발광다이오드를 내장하며 그 출력광의 변조여부는 중요하지 않다. 상기 광원(14)의 출력과 상기 광결합기(11)의 나머지 한 출력광을 광결합기(15)를 사용하여 하나의 경로로 결합하여 상기 광증폭부(3)로 증폭하게 되는데, 상기 제어부(2)는 상기 광원(14)의 출력 파워를 제어하여 상기 광증폭부(3)의 상기 입력 광 패킷 신호에 대한 이득이 안정하도록 해준다. 이를 위하여, 상기 제어부(2)는 상기 광원(14)에서 더미 패킷이 발생되도록 할 수도 있다. 상기 광원(14)은 광신호발생부(1)로 입력되는 광 패킷 신호와 다소 다른 파장을 가질 수도 있으며, 그러면 수신단 혹은 전송중에 있는 다른 노드에서는 광학필터를 사용하여 원래의 광 패킷 신호를 상기 광원(14)의 출력과 분리해 낼 수 있다.

도 3에 상기 광신호발생부(1)가 파장분할다중화된 광 패킷 신호를 발생할 경우에 적용 가능한 고출력 광 패킷 발생 장치의 확장된 구조를 나타내었다.제어부(2)는 채널별로 광신호발생부(1)의 출력을 제어한다. 또한 상기 광증폭부(3) 내에 채널 수대로 이득포화영역에서 동작하는 복수의 광증폭기(3a)를 두어, 하나의 광증폭기(3a)가 한 채널만을 증폭하도록 하여 전술한 단일 채널의 경우와 같은 효과를 얻는다. 상기 광증폭기(3a)의 출력들은 파장분할 다중화기 혹은 광 성형결합기로 이루어진 광결합부(4)를 거쳐 동일한 광섬유 혹은 자유공간 전송로로 결합된다. 파장분할다중화된 각 광 패킷 신호들의 평균 파워가 일정한 수준으로 유지된다면, 파장분할다중화 된 광 채널 수보다 적은 수의 광증폭기를 사용하여 하나의 광증폭기가 복수의 광채널을 안정적으로 증폭할 수 있다. 만일 상기 광증폭기(3a)를 하나만 사용하면 도 1의 구조로 환원된다. 또한 상기 광증폭기(3a)들이 입력 광 패킷 신호들에 대해 안정된 이득 값을 갖도록 도 2의 구조를 적용할 수도 있다.

도 3의 구조에서, 광결합부(4)로서 광 성형결합기를 사용하여, 상기 광증폭기(3a)들의 출력을 복수의 입력단을 갖는 광 성형결합기로 입력하는 구조도 생각할 수도 있으며, 이 경우 점대 다점 (Point to multi point) 통신이 가능해진다. 나아가서, 상기 복수의 광증폭기(3a)에 입력되는 광 패킷들의 광파장이 동일하고, 상기 광 성형결합기를 통과한 광패킷들이 전송로 상에서 서로 공간적으로 겹치지 않도록 상기 광신호발생부(1)가 상기 제어부(2)의 제어하에 상기 광 패킷들을 발생할 수도 있다. 그러면 이러한 구조를 갖춘 송신단에서는 하나의 광원만을 사용하여 전송용량을 높게 하면서도 광 성형결합기의 높은 삽입손실을 극복하여 많은 상대편 노드들에게 신호를 전송할 수 있으며, 이러한 기술을 수동광 네트워크 (passive optical network) 에 적용하면 보다 많은 가입자를 확보할 수 있다.

본 발명은 광섬유를 이용하는 광통신 시스템의 경우, 광섬유의 길이를 기존 경우보다 길게 하여 광신호를 전송할 수 있게 해준다. 예를 들어, 송신단 부스터 광증폭기의 이득을 10 dB 향상시킬 수 있다면 약 50 km 정도 더 멀리 있는 지점까지 추가적인 광증폭기의 사용 없이도 전송이 가능해진다. 그 외에도, 광 분배망에서, 광 성형결합기의 높은 손실을 극복하여 보다 많은 가입자 수를 확보할 수 있게도 해준다. 또 광섬유를 이용하지 않는 자유공간 광통신 시스템의 경우에도 이를 적용하면, 기상 변화에 의한 전송손실의 유동적 변화를 보상하여 안정적으로 통신할 수 있다. 전송손실이 높아 패킷율을 줄이거나 패킷길이를 줄이게 되면 전송 용량이 줄어들게 되지만, 이는 전송로의 손실이 높아 통신이 두절되는 것에 비하면 월등히 좋은 대안이며 도 3에서 보인 바와 같이 복수의 광증폭기를 사용하여 극복할 수 있다.

제안된 도 2의 구조는 특히 파장분할 다중화 된 광통신 시스템에서, 광 채널이 첨가되거나 추출되면 발생하는 패킷 파워의 불안정 문제의 해결에도 적용 가능한데 이러한 문제점은 다음 참고문헌에 잘 기술되어 있다. M. Karasek and M. Menif, " Output power excursions in a cascade of EDFAs fed by multichannel burst-mode packet traffic: experimentation and modeling," J. Lightwave Technol., pp. 933-940, 2001.

Claims

광 패킷 신호를 발생하는 광신호발생부(1), 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호를 제어하는 제어부(2), 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호를 증폭하는 이득포화 된 광증폭부(3)로 구성된 고출력 광 패킷 발생 장치에 있어서, 상기 제어부(2)로써 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷 길이를 제어하고, 그 결과 상기 광증폭부(3)의 광 패킷 신호에 대한 이득을 제어하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 패킷 발생장치.
청구항 1에서, 상기 제어부(2)가 상기 고출력 광 패킷 발생 장치의 출력 광 패킷이 겪는 전송로 상의 전송손실, 패킷 손실, 및 비트 에러의 변화를 일부 혹은 전부 감지하여 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷 길이를 제어하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 패킷 발생 장치.
청구항 1에서, 상기 제어부(2)가 상기 광신호발생부(1) 출력의 패킷율을 제어하려는 목적으로 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷 신호에 통신용 데이터를 포함하지 않는 더미패킷이 포함되도록 하는 고출력 광 패킷 발생 장치.
청구항 1에서, 상기 광신호발생부(1)가 파장분할 다중화된 광 패킷 신호를 발생하고, 상기 제어부(2)가 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷 길이를 채널별로 제어하고, 상기 광증폭부(3)는 복수의 이득포화 된 광증폭기(3a)들로 구성되어 있어 상기 파장분할 다중화된 광 패킷 신호들을 상기 광증폭기(3a)를 사용하여 증폭하고, 광결합부(4)를 추가하여 상기 광증폭기(3a)의 출력들을 광결합부(4)를 통하여 광섬유로 모으는 고출력 광 패킷 발생 장치.
청구항 4에서, 상기 광결합부(4)가 광 파장분할 다중화기로 구성되어 상기 광증폭기(3a)의 출력들을 하나의 광섬유로 모으는 고출력 광 패킷 발생 장치.
청구항 1에서, 상기 광신호발생부(1)가 동일한 파장의 광 패킷 신호를 복수의 출력단자로 발생하고, 상기 제어부(2)로써 상기 광신호발생부(1)의 출력 패킷율 및 출력 패킷길이를 출력 단자별로 제어하고, 상기 광증폭부(3)는 복수의 이득포화 된 광증폭기(3a)들로 구성되어 있어 상기 광신호발생부(1)의 출력 광 패킷 신호들을 출력 단자별로 상기 광증폭기(3a)를 사용하여 증폭하고, 광결합부(4)를 추가하여 상기 광증폭기(3a)의 출력들을 상기 광결합부(4)를 사용하여 광섬유로 모으는 고출력 광 패킷 발생 장치.
청구항 4 및 6 에서, 상기 광결합부(4)가 광 성형결합기로 구성되어, 상기 광증폭기(3a)의 출력들이 상기 광 성형결합기의 복수의 입력단자들로 입력되고 복수의 출력단자로 출력되는 고출력 광 패킷 발생 장치.
청구항 1의 고출력 광 패킷 발생 장치를 응용하여, 상기 광신호발생부(1)가 입력 광패킷 신호를 두 경로로 나누는 광결합기(11), 상기 광결합기(11)의 한 출력광을 광검출하여 전기신호로 변환하는 광검출기(12), 빛을 발생하는 광원(14), 상기 광원(14)의 출력과 상기 광결합기(11)의 다른 한 출력광을 하나의 광섬유로 결합하는 광결합기(15)로 이루어지고, 상기 광증폭부(3)에서는 상기 광결합기(15)의 출력을 증폭하고, 상기 제어부(2)는 상기 광검출기(12)의 출력을 받아 상기 광원(14)의 출력파워를 제어하는 광 패킷 증폭 장치.
청구항 8에서, 상기 제어부(2)는 상기 광검출부(12)의 출력을 받아 상기 광원(14)에서 더미 패킷이 발생토록 변조하여, 상기 광증폭부(3)의 상기 입력 광 패킷 신호에 대한 이득이 안정되도록 하는 광 패킷 증폭 장치.
청구항 1의 고출력 광 패킷 발생 장치를 사용하여 대기의 손실변화에 따라 광 패킷 신호의 출력 파워를 제어하여 송신하는 자유공간 광통신 방법.
청구항 1의 고출력 광 패킷 발생 장치를 사용하여 광 성형결합기의 손실을 극복하여 통신하는 광통신 시스템.