KR20040090516A - 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 입력되는 광신호의 크기를 일정 범위내로 조정함으로서 증폭된 광 신호의 파장별 편차를 최소화하고자 한 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치에 관한 것으로서, 입력된 광신호의 크기를 소정 범위내에서 감쇠시키며, 제1제어전압의 변화에 따라서 감쇠 크기가 변화되는 가변 광감쇠부와, 상기 가변 광감쇠부로부터 출력된 광신호의 크기를 검출하는 입력검출수단과 상기 입력검출수단에 연결되어 입력된 광신호를 증폭하는 광증폭수단을 포함하는 광증폭부와, 상기 입력검출수단으로부터 광신호의 크기검출값을 입력받아 광신호의 크기가 상기 광증폭수단의 입력범위에 도달하도록 상기 제1제어전압을 조정출력하는 제어부로 이루어져, 증폭할 광신호의 크기를 일정하게 조절하고, 그 결과 입력크기에 따라 달라지는 파장별 입력편차의 발생을 감소시킨다.

Description

입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치{Optical amplifier with automatic input level control function}

본 발명은 광신호를 증폭하는 광 증폭장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입력되는 광신호의 크기를 일정 범위내로 조정함으로서 증폭된 광 신호의 파장별 편차를 최소화하고자 한 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광증폭장치는 약한 세기의 빛을 전기신호로 바꾸지 않고 바로 광 대 광으로 증폭하는 장치를 말하는 것으로서, 도 1에 보인 바와 같아 광을 통해 신호를 전달하는 광통신시스템에서 사용된다.

도 1은 선형 광통신 시스템에서 광링크의 구성예를 도시한 것으로서, 1은 N(여기서, N≥1이다.)개의 송신기를 나타내고, 2는 N개의 수신기를 나타내며, 5a는 상기 다수의 송신기(1)에서 송출된 N 개의 서로 다른 파장을 갖는 신호를 하나의 광섬유로 묶어 송출하는 다중화기를 나타내고, 5b는 역으로 하나의 광섬유를 통해 입력된 각기 다른 파장을 갖는 다수의 신호를 다수의 광섬유로 각각 전달하는 역다중화기를 나타낸다. 그리고, 4는 상기 다중화기(5a)에서 역다중화기(5b)까지 신호를 전송하는 선로인 광섬유로서, ITU-T 국제 표준에서는 예를 들어 단일모드 광섬유의 경우 0.275dB/km의 선로 손실을 기준으로 제시하고 있으며, 이는 80Km의 전송거리에 22dB의 손실이 나타남을 의미한다. 따라서, 광통신시스템에서는 선로로 이용된 광섬유의 특성에 따라서 광섬유(4)의 일정 거리마다 손실분을 보상해주는 광증폭기(3)를 구비하게 된다.

즉, 광선로(4)에서 22dB의 손실이 발생하면, 광증폭기(3)에서 22dB의 이득을 얻음으로서, 송신기(1)에서 송출된 고속의 신호를 최종 수신기(2)에서 에러없이 검출할 수 있도록 한다.

그리고, 상기에서 광 증폭기(3)는 보통 광선로(4)에서 발생하는 손실보다 큰 이득을 얻도록 설계되기 때문에, 실제로 3dB 이상의 마진을 갖는 것이 보통이다.

이렇게 구성된 광통신시스템에 있어서, 광전송되는 신호의 크기가 변하는 경우는 두가지가 있다. 첫번째는 사용하는 채널의 수가 바뀌는 경우로, 예를 들어, 4채널만 사용되다가, 수요가 증가하여 전송채널이 4채널 더 증가되는 경우, 채널의 수가 두배로 증가하는데 비례하여 전송되는 신호도 커지며, 이 경우, 채널당 일정한 증폭율을 유지하도록 상기 광증폭기(3)의 펌핑용 레이저 출력레벨을 조정하여야 한다. 두번째는 선로의 구간별 손실 차이로 인하여, 광증폭기(3)의 입력값이 설계값과는 달라지는 경우로서, 이 경우 종래에는 광증폭기의 출력단에서 광섬유로 광신호를 넣기 전, 혹은 광섬유에서 광증폭기 입력단으로 광신호를 넣기 전, 혹은 두 가지 경우 모두에서 고정 광 감쇠기를 이용하여, 실제 광증폭기의 사이에서 발생하는 손실 차를 맞추도록 하고 있다.

그런데, 고정 광감쇠기는 통상 +/-0.5dB의 정확도를 갖고 있기 때문에, 종래에는 감쇄율이 서로 다른 여러개의 고정 광감쇠기를 구비시킨 후, 전송되는 광의 크기를 측정하여 구비된 다수의 고정 광감쇠기 중 하나를 선택 이용하는 방식으로 적절한 입력레벨을 맞추어 왔다. 따라서, 그 처리과정이 번거로울 뿐만 아니라, 정확하게 입력레벨을 맞추기가 어려웠다.

특히, 도 2에 도시한 바와 같이, 적정 광신호의 입력이 -2dBm인 통상의 광증폭기에, -2dBm, -1dBm, 0dBm, +1dBm의 크기를 갖는 광신호가 입력된 경우, 적정 크기인 -2dBm의 입력신호에 대해서는 파장에 따른 이득편차가 0.4dB 이내인 반면에, 입력신호의 크기가 적정 크기인 -2dBm보다 더 커질 수록 그 파장에 따른 이득편차가 커지게 된다.

따라서, 고정감쇠기를 이용하던 종래의 방법으로는 입력신호의 레벨을 광증폭기의 최적 입력레벨로 맞추기 어려웠으며, 그에 따라 적정범위보다 큰 신호가 광증폭기로 입력됨으로서, 증폭신호에 대한 파장별 이득 편차가 발생하여, 장거리 전송에 불리하였다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 입력되는 광신호의 크기를 일정 범위내로 조정함으로서 증폭된 광 신호의 파장별 편차를 최소화하고자 한 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치를 제공하는 것이다.

도 1은 선형 광 통신 시스템의 기본적인 광링크 구조를 보인 도면이다.

도 2는 일반적인 광 증폭소자의 입력레벨에 따른 증폭특성을 보인 그래프이다.

도 3은 본 발명에 의한 광 증폭장치의 기본 구조를 나타낸 블럭구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭장치의 상세 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 적용된 가변 광 감쇠기의 제어전압에 따른 감쇠 특성을 나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 의한 광 증폭장치의 제어부에서 이루어지는 제어절차를 보인 플로우챠트이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 가변 광 감쇠부

20 : 광증폭부

30 : 제어부

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 입력된 광신호의 크기를 소정 범위내에서 감쇠시키며, 제1제어전압의 변화에 따라서 감쇠 크기가 변화되는 가변 광감쇠부; 상기 가변 광감쇠부로부터 출력된 광신호의 크기를 검출하는 입력검출수단과, 상기 입력검출수단에 연결되어 입력된 광신호를 증폭하는 광증폭수단을 포함하는 광증폭부; 및 상기 입력검출수단으로부터 광신호의 크기검출값을 입력받아 광신호의 크기가 상기 광증폭수단의 입력범위에 도달하도록 상기 제1제어전압을 조정출력하는 제어부로 이루어진 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치를 제시한다.

그리고, 본 발명의 광증폭장치에 있어서, 가변 광감쇠부는 입력된 광신호의 레벨을 0~30dB 범위에서 감쇠할 수 있는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 광증폭장치에 있어서, 상기 입력검출수단은 상기 가변 광감쇠부로부터 출력된 광신호를 일정한 비율로 분기하여 제1,2 출력경로로 출력하는 광커플러; 및 상기 광커플러의 제1출력 경로에 연결되어 분기된 광신호를 전기신호로 변환하는 포토다이오드로 구현될 수 있다.

그리고, 본 발명의 광증폭장치에 있어서, 상기 광증폭수단은 상기 광커플러의 제2출력경로에 연결되어 역방향으로의 광 전달을 차단하는 광고립기; 소정의 에너지를 갖으며 상기 광신호와는 다른 파장의 펌핑용 빛을 발광하는 레이저다이오드; 상기 광고립기와 레이저다이오드로부터 출사되는 두 빛을 하나로 결합하는 파장결합기; 상기 파장결합기의 출력측에 연결되며, 입사되는 빛중에서 펌핑용 레이저의 에너지를 광신호의 에너지로 전이시켜 광신호의 크기를 증폭시키는 이득매질; 및 상기 이득매질을 통과한 광신호를 출력하며 역방향 진행을 차단하는 광고립기로 구현될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 광증폭장치에 대하여 더 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 광증폭장치의 기본적인 구조를 보인 블럭구성도로서, 상기 광증폭장치는 입력된 광신호의 크기를 소정 범위내에서 감쇠시키며, 제1제어전압에 따라서 감쇠 크기가 변화되는 가변 광감쇠부(10)와, 상기 가변 광감쇠부(10)로부터 출력된 광신호의 크기를 검출하며, 입력된 광신호를 증폭하여 출력하는 광증폭부(20)와, 상기 광증폭부(20)의 입력측에서 검출된 광신호의 크기검출값을 입력받아, 설정된 기준크기와 비교하여 기준크기보다 큰 경우 상기 제1제어전압을 제어하여 광신호를 감쇠시키는 제어부(30)로 이루어진다.

상기에서, 가변 광감쇠부(10)는 외부에서 인가된 제1제어전압에 따라 통과하는 광신호의 이득을 감쇠시키는 것으로서, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 구조로 구현된 감쇠기로 구현 가능하다. 이러한 MEMS 가변 광감쇠기는 미국특허번호 6,173,105호(특허 등록일 2001년 6월 9일)에 상세하게 설명되어 있으며, 이를 참고함으로서 그 구성 및 원리를 이해할 수 있다.

또한, 상기 가변 광감쇠부(10)는 도 1에 도시된 바와 같은 광통신시스템에서 다수의 광증폭장치를 통과하면서 증폭되어 광증폭부(20)의 최적 입력레벨을 벗어난 세기를 갖는 광신호를 벗어난 오차만큼 감쇠시켜 광증폭부(20)에 최적의 레벨을 갖는 광신호가 입력되도록 하기 위하여, 대략 0~30dB 의 감쇠범위를 갖는다.

그리고, 상기 가변 광감쇠부(10)는 제어부(30)에서 인가되는 제1제어전압에 따라 통과하는 광신호에 대한 감쇠크기가 가변된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 감쇠크기가 제1제어전압에 비례하여, 증가할 수 록 감쇠크기는 최소 0dB에서 커진다. 이와 달리, 감쇠 크기가 제어전압과 반비례할 수 도 있다. 제어부(30)에서는 이러한 가변 광감쇠부(10)의 제어전압에 대한 감쇠특성에 맞추어 광신호가 목표하는 입력레벨을 갖도록 제어전압을 발생시킨다.

다음으로, 광증폭부(20)는 상기 가변 광감쇠부(10)를 통해 전달된 광신호를 증폭시키는 것으로서, 기존에 광신호를 증폭하는 수단으로서 잘 알려져 있는 어븀-첨가 파이버 증폭장치(EDFA : Erbium-Doped Fiber Amplifier)로 구현할 수 도 있고, 그외 광신호를 전기신호로 변환할 필요 없이 직접 증폭할 수 있는 디스크리트 라만 광증폭장치, 또는 반도체 광증폭장치를 이용할 수 있다. 그외 여러가지 구조의 광증폭장치를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 1995년 7월 4일자로 특허등록된 미국특허 5,430,572에는 2단 구조를 갖는 광증폭장치가 설명되어 있다.

그리고, 이러한 광증폭기들의 입력단에는 일반적으로 증폭제어를 위하여 입력되는 광신호의 세기를 검출할 수 있는 입력검출수단이 구비된다. 상기 입력검출수단은 일반적으로 전달되는 광신호의 일부(예를 들어, 1%)를 분기시키는 광커플러와, 상기 광커플러로부터 분기된 부분광신호를 전기신호로 변환하는 포토다이오드로 이루어지며, 상기 포토다이오드로부터 출력된 전기신호의 세기가 광신호의 세기에 대응하게 된다.

그리고, 제어부(30)는 상기와 같이 광증폭부(20)에서 검출된 광세기 검출값을 이용하여 가변 광감쇠부(10)의 감쇠크기를 조절한다.

도 6의 플로우챠트는 상기 제어부(30)에서의 동작수순을 보인 플로우챠트로서, 제어부(30)는 상기 광증폭부(20)로부터 입력광의 크기검출값(A)이 입력되면(601), 입력된 입력광 크기(A)를 목표값, 즉, 광증폭부(20)에서 요구되는 적정입력레벨과 비교하여(602), 목표입력레벨과 동일하면 현재 가변 광감쇠부(10)로 인가되는 제1제어전압(vc1)의 레벨을 유지시킨다(603). 반대로, 검출된 입력광의 크기(A)가 목표값과 일치하지 않으면, 입력광의 크기(A)가 목표값보다 큰지, 아니면 작은지를 판단한다(604). 여기서, 목표값보다 작다면, 감쇠크기가 줄도록 제1제어전압(vc1)을 감소시키고, 반대로 목표값보다 크다면, 감쇠크기가 커지도록 제1제어전압(vc1)를 증가시킨다(605, 606). 이때, 상기 단계 605,606에서의 제1제어전압(vc1)의 조정은 도 5에 도시된 감쇠특성을 갖는 가변 광감쇠기의 경우에 대한 것으로서, 감쇠특성이 제어전압에 반비례한다면 상기와는 반대로 목표값보다 검출값이 크면 제1제어전압(vc1)의 레벨을 감소시키고, 목표값보다 검출값이 작으면 레벨을 증가시키면 된다.

동시에, 상기 제어부(30)는 채널당 설정된 증폭율을 유지하도록 상기 광증폭부(20)를 제어한다(607,608). 예를 들어, 소정의 증폭율이 설정되면, 입력채널수의 변화에 따라서 광증폭부(20)의 펌핑용 레이저 출력을 제어한다. 즉, 입력 채널수가 증가하면 설정된 고정 증폭율이 되도록 펌핑용 레이저 출력을 높히고, 반대로 입력 채널수가 감소하면 펌핑용 레이저의 출력을 낮춘다.

도 3은 앞서 설명한 여러가지 종류의 광증폭기중에서 어븀-첨가 파이버 증폭기를 이용하여 구성된 본 발명에 따른 광증폭장치의 구체적인 실시예를 보인 구성도로서, 앞서 설명된 바와 같이, 광증폭장치는 가변 광감쇠부(10)와, 광증폭부(20)와, 제어부(30)로 구성되고, 상기 광증폭부(20)는 상기 가변 광감쇠부(10)의 출력에 연결되어 가변 광감쇠부(10)로부터 입사된 광신호를 제1,2광경로로 분기시키는 광커플러(21)와, 상기 광커플러(21)의 제2광경로에 연결되어 분기 입사된 광신호를 전기신호로 변환하여 제어부(30)로 출력하는 포토다이오드(22)와, 상기 광커플러(21)의 제1광경로에 연결되어 출력에서 입력받향으로의 역방향 광인입을 차단하면서 상기 제1광경로로 분기된 광신호를 후단으로 전달하는 광고립기(23)와, 소정의 펌핑에너지를 갖는 상기 광신호와는 다른 파장의 빛을 발광하는 레이저다이오드(24)와, 상기 광고립기(23)를 거쳐 인입된 광신호와 상기 레이저다이오드(24)로부터 방사된 펌핑용 빛을 하나의 경로로 결합시키는 파장결합기(25)와, 상기 파장결합기(25)로부터 출력된 광신호와 펌핑용 레이저신호를 입력받아 펌핑용 레이저신호의 에너지를 광신호의 에너지로 전이시켜 광신호를 증폭시키는 이득매질(26)과, 상기 이득매질(26)을 통과하면서 증폭된 광신호를 출력단(output)으로 전달하며 역방향 광입사를 저지하는 광고립기(27)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 광증폭장치로 입사되는 광신호의 크기는 광증폭부(20)의 입력단에 위치한 광커플러(21) 및 포토다이오드(22)에 의해서 검출된다. 즉, 광커플러(21)는 입사되는 광신호의 대부분(예를 들어, 99%)을 제1경로를 통하여 통과시키면서, 그 나머지 부분(예를 들어, 1%)을 제2경로를 통해 포토다이오드(22)로 분기시킨다. 그리고, 포토다이오드(22)는 입사된 1%의 광신호를 전기신호로 변환하여 제어부(30)로 출력한다. 따라서, 제어부(30)에서는 상기 포토다이오드(22)로부터 입력된 전기신호는 광커플러(21)에서 분기된 1%의 광신호를 그대로 전기신호로 변환한 것으로서, 상기 전기신호의 세기로부터 상기 증폭할 광신호의 세기를 알 수 있으며, 이렇게 검출된 상기 증폭할 광신호의 세기를 상기 광증폭부(26)에서 요구되는 적정 입력레벨과 비교하여, 적정 입력레벨보다 큰지를 판단한다. 상기 판단결과, 설정된 적정 입력레벨보다 검출된 광신호의 세기가 크다면 적정 입력레벨로 감쇠되도록 제1제어전압의 전압레벨을 증가시킨다. 이러한 제어부(30)에서의 제1제어전압의 조정은 도 5에 보인 가변 감쇠부(10)의 동작특성을 따른 것이며, 반대로 감쇠크기가 제어전압에 반비례한다면, 검출된 광신호의 세기가 적정 입력레벨보다 클때 제1제어전압을 반대로 감소시켜야 한다.

또한, 상기 제어부(30)는 상기 광증폭부(20)에 의한 채널당 증폭율이 설정된 증폭율을 유지하도록, 채널수의 변화에 따라서 상기 제2제어전압(vc2)를 가변시켜, 광증폭부(20)의 펌핑용 레이저 출력레벨을 조정한다. 이러한, 광증폭부(20)의 증폭 제어동작은 일반적인 광증폭기의 제어와 동일하다.

상술한 바에 의하면, 본 발명의 광증폭장치에서는 증폭될 광신호가 항상 광증폭부에서 요구되는 적정레벨로 맞춰지고, 따라서 너무 큰 신호를 증폭하는 경우의 파장별 이득편차 발생이 감소시킬 수 있으며, 그 결과 다단으로 광증폭장치를 이용하는 광통신시스템에 있어서 통신 품질을 증가시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 입력된 광신호의 크기를 소정 범위내에서 감쇠시키며, 제1제어전압에 따라서 감쇠 크기가 변화되는 가변 광감쇠부;

   상기 가변 광감쇠부로부터 출력된 광신호의 크기를 검출하는 입력검출수단과, 상기 입력검출부에 연결된 입력된 광신호를 증폭하는 광증폭수단를 포함하는 광증폭부; 및

   상기 입력검출수단으로부터 광신호의 크기검출값을 입력받아 광신호의 크기가 상기 광증폭부의 적정 입력레벨에 도달하도록 감쇠율을 결정하여 상기 제1제어전압을 출력하는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가변 광감쇠부는

   입력된 광신호의 레벨을 0~30dB의 범위에서 감쇠가능한 것을 특징으로 하는입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 입력검출기는

   상기 가변 광감쇠부로부터 출력된 광신호를 일정한 비율로 분기하여 제1,2 출력경로로 출력하는 광커플러; 및

   상기 광커플러의 제1출력 경로에 연결되어 분기된 광신호를 전기신호로 변환하는 포토다이오드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 광증폭장치는

   상기 광커플러의 제2출력경로에 연결되어 역방향으로의 광입사를 차단하는 광고립기;

   소정의 에너지를 갖으며 상기 광신호와는 다른 파장의 펌핑용 빛을 발광하는 레이저다이오드;

   상기 광고립기와 레이저다이오드로부터 출사되는 두 빛을 하나로 결합하는 파장결합기;

   상기 파장결합기의 출력측에 연결되며, 입사되는 빛중에서 펌핑용 레이저의 에너지를 광신호의 에너지로 전이시켜 광신호의 크기를 증폭시키는 이득매질; 및

   상기 이득매질을 통과한 광신호를 출력하며 역방향 진행을 차단하는 광고립기를 포함하는 것을 특징으로 하는 입력레벨 자동 조절기능을 구비한 광 증폭장치.