KR20050028733A

KR20050028733A - 광섬유 증폭기

Info

Publication number: KR20050028733A
Application number: KR1020030065253A
Authority: KR
Inventors: 장순혁; 한진수; 정지성; 박혁; 이원경; 이현재; 정희상
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-03-23
Also published as: JP2005093982A; US20050078354A1; KR100581058B1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 광섬유 증폭기에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 중간단의 광섬유에서의 라만 이득의 기울기를 조절하여 전체적으로 평탄한 출력 이득 스펙트럼을 얻음으로써, 넓은 입력 파워 동적 영역을 가지는 광섬유 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 넓은 입력 파워 동적 영역을 실현하기 위한 광섬유 증폭기에 있어서, 이득 매질과 적어도 하나 이상의 펌프를 포함하는 제 1 및 제 2이득부; 상기 제 1 및 제 2이득부의 사이에 배치된 광섬유; 상기 광섬유에 펌프광을 인가하기 위한 라만 펌프; 및 상기 라만 펌프로부터 출력된 펌프광을 상기 광섬유에 결합시키기 위한 결합 수단을 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 파장 분할 다중 방식(WDM) 광전송 시스템에 이용됨.

Description

광섬유 증폭기{Fiber Amplifier}

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파장 분할 다중 방식(Wavelength Division Multiplex; 이하, 간단히, 'WDM'이라 함) 광전송 시스템에서 넓은 입력 파워 동적 영역(wide input power dynamic range)을 가지는 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

최근, 인터넷의 급속한 발전에 힘입어 전송 용량의 수요가 급격히 증가하였다. WDM 광전송 시스템은 대용량 전송에 적절한 기술로서 이러한 수요를 충족시킬 만한 해결책으로 대두되고 있다.

어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; 이하, 간단히 'EDFA'라 함)나 광섬유 라만 증폭기(Fiber Raman Amplifier; FRA)등의 광섬유 증폭기는 넓은 이득 밴드(gain bandwidth)를 가지고 있어, WDM 광전송 시스템에서의 증폭기로 유용하게 이용될 수 있는 중요한 기술이다.

대부분의 WDM 광전송 시스템에서는 전송로의 한 구간이 끝난 후 작아진 신호광의 광파워를 다시 증폭시켜 다음 구간으로 연결시켜주는 선로 증폭기(line amplifier)로 EDFA를 주로 이용하고 있다.

채널 수의 변동이나 전송로에서의 손실 변화에 의하여 EDFA의 입력 파워는 변화할 수 있는데, 이러한 경우에도 EDFA는 일정한 이득(constant gain) 또는 일정한 채널 출력 파워(constant channel power)를 유지하는 자동제어 기능이 요구된다.

일반적으로 EDFA의 입력이 변화하면 출력의 이득 스펙트럼은 기울기를 가지게 되는데, 펌프 파워의 조절, 중간단의 손실 조절, 광 피드백(optical feedback) 등의 제어 방법에 의하여 평탄한 출력 이득 스펙트럼을 얻도록 하고 있다.

분배형 라만 증폭기(Distributed Raman Amplifier; 이하, 간단히 'DRA'라 함)는 전송로를 직접 라만 펌프를 이용하여 펌핑함으로써 전송로에서의 신호광의 손실을 감소시키고, 따라서 전송로를 지난 후의 신호광의 광신호대 잡음비(Optical Signal to Noise Ratio; OSNR)를 증가시킴으로써 전송 성능의 향상을 위하여 이용되고 있다.

그러나, EDFA를 선로 증폭기로 이용하는 기존의 WDM 전송 시스템에서 DRA를 도입하는 경우 광선로에서 라만 증폭기에 의해 증폭된 광신호가 EDFA로 입력하게 되므로, EDFA의 입력이 너무 커서 자동 이득 제어(Automatic Gain Control; 이하, 간단히 'AGC'라 함)가 동작할 수 있는 입력 파워의 동적 영역(input power dynamic range)을 벗어나, AGC의 기능이 동작할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점으로 인하여 기존의 광선로에서 DRA를 도입하는 경우, EDFA 역시 그 입력 파워에 맞도록 재설계하여 도입하여야 하는 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 입력 파워의 동적 영역(input power dynamic range)이 매우 넓은 광섬유 증폭기가 요구된다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 중간단의 광섬유에서의 라만 이득의 기울기를 조절하여 전체적으로 평탄한 출력 이득 스펙트럼을 얻음으로써, 넓은 입력 파워 동적 영역을 가지는 광섬유 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 넓은 입력 파워 동적 영역을 실현하기 위한 광섬유 증폭기에 있어서, 이득 매질과 적어도 하나 이상의 펌프를 포함하는 제 1 및 제 2이득부; 상기 제 1 및 제 2이득부의 사이에 배치된 광섬유; 상기 광섬유에 펌프광을 인가하기 위한 라만 펌프; 및 상기 라만 펌프로부터 출력된 펌프광을 상기 광섬유에 결합시키기 위한 결합 수단을 포함하는 광섬유 증폭기를 제공한다.

본 발명에 따른 광섬유 증폭기는, 입력 파워의 동적 영역이 매우 넓어 DRA를 이용하여 전송 성능을 향상시키고자 할 때 교체 없이 그대로 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유 증폭기는 라만 증폭이 없는 경우와 있는 경우 모두 사용이 가능하므로, 본 발명의 광섬유 증폭기를 이용하는 WDM 광전송 시스템에서는 구간 손실, 전송 거리, 전송 성능 등의 필요에 의하여 라만 증폭기 설치 여부를 선택할 수 있게 된다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 WDM 광전송 시스템의 한 구간(span)의 구조도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 신호광(signal)은 전송로(transmission line) (101)를 지나며, 상기 전송로(101)를 지나면서 손실을 겪은 후 선로 증폭기(line amplifier)(102)에서 다시 증폭되어, 다음 구간으로 진행하게 되며, '107'은 신호광의 경로(path)를 나타내고 있다.

상기 전송로(101)는 단일 모드 광섬유(Single-Mode Fiber; SMF), 분산 편이 광섬유(Dispersion Shifted Fiber; DSF), NZ-DSF 등의 광섬유 특성에 따라 달라질 수 있으며, 그 길이 또한 전체 전송 거리 등에 따라 다르게 구성될 수 있다.

장거리 전송 시스템에서는 한 구간(span)의 전송 거리는 80 ~ 100 km 정도가 일반적이며, 상기 선로 증폭기(102)로는 EDFA가 많이 이용되고 있다. WDM 광전송 시스템의 전송 채널 수는 40 ~ 160개 정도로서, 모든 채널이 동시에 전송될 때 선로 증폭기인 EDFA의 전체 입력 파워는 -5 ~ 0 dBm 정도가 일반적이다.

WDM 광전송 시스템에서는 전송 성능 또는 전송 거리를 향상시키기 위하여 DRA를 이용할 수 있다. 즉, 상기 도 1과 같이 WDM 결합기(coupler)(103, 104)를 이용하여 라만 펌프(105, 106)의 출력을 상기 전송로(101)로 입사하도록 하여, 신호광이 펌프광에 의하여 유도되는 라만 이득을 얻을 수 있도록 구성된다.

이 경우 라만 이득은 펌프 파워에 따라 달라지며, 일반적으로 5 ~ 15 dB 정도의 이득을 얻도록 설계된다. 따라서 상기 선로 증폭기(102)의 전체 입력 파워는 +5 ~ +15 dBm 정도의 값으로 커지게 된다.

DRA가 도입되지 않은 경우 상기 선로 증폭기(102)로 많이 이용되는 EDFA가 입력 파워 -5 ~ 0 dBm에서 동작한다 할 때, DRA를 도입하게 되면 입력 파워는 +5 ~ +15 dBm정도로 증가하게 되고, 그 결과로 EDFA는 평탄한 이득 스펙트럼을 얻을 수가 없다.

즉, 입력 파워의 동적 영역(input p;ower dynamic range)의 한계 때문에 +5 ~ +15 dBm 영역에서 동작하려면, EDFA는 재설계되어 새로 도입되어야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 제 1실시예 구조도로서, 상기와 같은 입력 파워의 동적 영역(input power dynamic range)의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 증폭기는, 제 1 및 제 2이득 블록(201, 202), 이득 평탄화 필터(203), 광섬유(204), 라만 펌프(205) 및 WDM 결합기(206)를 포함한다.

상기 제 1 및 제 2이득 블록(201, 202)은 각각 입력되는 광신호를 증폭하도록 설계되는 것으로, 이득 매질(gain medium)과 적어도 1개 이상의 펌프에 의해 구성되어 이득(optical gain)이 발생하도록 구성된다.

이때, 상기 이득 매질은 희토류 첨가 광섬유(rare earth doped fiber) 또는 희토류 첨가 도파관(rare earth doped waveguide)일 수 있다.

상기 제 1 및 제 2이득 블록(201, 202)의 사이에 상기 광섬유(204)를 배치하고, 라만 이득을 얻기 위하여 상기 라만 펌프(205)를 상기 WDM 결합기(206)를 이용하여 광섬유(204)에 결합되도록 한다.

상기 광섬유(204)는 분산 보상 광섬유(Dispersion Compensated Fiber; 이하, 간단히 'DCF'라 함), 고비선형 광섬유(Highly Non-Linear Fiber; 이하, 간단히 'HNLF'라 함), SMF 또는 이들의 조합 등일 수 있으며, 라만 이득을 충분히 얻을 수 있는 매질이면 가능하다.

상기 이득 평탄화 필터(203)는 광섬유 증폭기를 통과한 후의 이득 평탄도를 개선하기 위하여 광의 진행 경로에 배치될 수도 있다.

도 3a 및 도 3b는 상기 도 2의 광섬유 증폭기에서 입력 광파워가 커졌을 때 출력의 이득 스펙트럼을 평탄하게 할 수 있는 기본 원리를 설명하기 위한 일예시도로서, 도 3a는 입력 파워가 작을 때 출력의 이득 스펙트럼을 나타낸 것이며, 도 3b는 입력 파워가 클 때 출력의 이득 스펙트럼을 나타낸 것이다.

λi와 λf는 각각 WDM 신호광 밴드의 시작 파장과 끝 파장을 나타낸다. 입력 파워가 작을 때(즉, 전송로에 DRA가 없을 때), 상기 제 1이득 블록(201)은 "A"와 같은 이득 기울기(slope)를 가지도록 디자인된다.

상기 광섬유(204)에서 발생하는 라만 이득의 모양은 상기 라만 펌프(205)의 파장에 의하여 결정된다. 라만 이득의 최대값(peak)을 λf 근처가 되도록 해주면, 신호광 밴드 내에서의 라만 이득은 "B"와 같은 이득 기울기를 가지게 된다.

따라서, 상기 제 1이득 블록(201)의 이득 기울기 A와 상기 광섬유(204)에서 얻어지는 라만 이득의 기울기 B는 서로 반대 방향이며, 이를 잘 조절하면 제 2이득 블록(202)을 지난 후 평탄한 출력 스펙트럼을 얻을 수 있다.

상기 도 3a에 도시된 기울기는 개략적인 방향만을 나타내며, 실제의 이득 값은 선형에서 벗어난 모양을 가질 수 있다.

이의 개선을 위하여 상기 이득 평탄화 필터(203)가 요구된다. 상기 제 2이득 블록(202)은 대체적으로 평탄한 입력 스펙트럼이 들어와서 평탄한 출력 스펙트럼을 얻을 수 있도록 구성된다. 또한 상기 제 2이득 블록(202)은 출력 파워를 충분히 크게 하도록 설계될 수 있다.

상기 도 2와 같은 구조의 광섬유 증폭기에서 입력 파워가 클 때(즉, 전송로에 DRA가 있을 때) 각 단에서의 이득 기울기는 상기 도 3b와 같이 변하게 된다.

상기 제 1이득 블록(201)을 지난 후의 이득 기울기는 "C"와 같이 이득 기울기가 작아지고, 또한 이득값 또한 작아진다. 이것은 입력 파워가 커짐에 따라 상기 제 1이득 블록(201)의 이득이 많이 포화(saturation)되었기 때문이다. 이 경우에는 라만 펌프를 낮추어 주면 라만 이득이 줄어들며 "D"와 같이 라만 이득의 기울기가 작아진다. 따라서 C 및 D의 조합에 의하여 평탄한 출력을 얻을 수 있다.

이와 같은 설명은 개략적인 것으로서 실제 구현에서는 상기 제 1이득 블록(201)과 상기 광섬유(204)에서의 이득 특성과 함께 상기 이득 평탄화 필터(203)와 상기 제 2이득 블록(202)의 설계 또한 중요하다 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 제 2실시예 구조도로서, 상기 도 2의 광섬유 증폭기에 구체적인 예를 설명하기 위한 것이다.

본 발명의 광섬유 증폭기는, 광고립기(isolator)(413), 짧은 길이의 EDF(412), WDM 결합기(414, 422, 431 및 432), DCF(421), 라만 펌프(423), 펌프 LD (415, 434 및 435), 이득 평탄화 필터(404) 및 긴 길이의 EDF(433)를 포함하고 있다.

상기 제 1이득 블록(201)으로서, 본 발명의 일실시예에서는 짧은 길이의 EDF(412)를 사용하였으며, 이를 후방향 펌핑하는 구조로 만들어졌다.

상기 펌프 LD(415)로부터 출력되는 펌프광은 상기 WDM 결합기(414)에 의해 상기 EDF(412)로 입사된다. 본 발명의 일실시예에서는 상기 짧은 길이의 EDF(412)를 이용함으로써 상기 도 3에서 설명한 이득 기울기를 얻을 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명에서는 라만 이득을 얻을 수 있는 광섬유로서, 상기 DCF(421)를 이용하였으며, 라만 펌프(423)로부터 출력되는 펌프광이 상기 WDM 결합기(422)를 통하여 상기 DCF(421)에 입사될 수 있다. 상기 라만 펌프(423)의 파장은 상기 도 3에서 설명한 바와 같이 신호광 파장 밴드의 끝쪽에서 최고의 이득값(peak)을 가지도록 선택되었다.

한편, 본 발명에서, 제 2이득 블록(202)으로서 상기 긴 길이의 EDF(433)를 사용하여 양방향 펌핑하여 큰 출력 파워를 얻을 수 있도록 구성되었다.

도 5는 상기 도 2의 광섬유 증폭기의 입력 파워의 변화에 따른 이득 스펙트럼의 변화를 설명하기 위한 일실시예 그래프로서, 입력 채널 수가 40개일 때 그 예이다.

도면에 도시된 바와 같이, 입력 파워가 -2dBm일 때는 출력이 완전히 평탄한 이득 스펙트럼을 이루었으며 이득이 25dB로 출력 파워는 +23dBm이었다.

입력 파워가 +5dBm으로 올라갔을 때 415, 434 및 435의 상기 펌프 LD의 펌프광 파워는 그대로 두고, 423의 라만 펌프의 펌프광을 조절하여 상기 도 3b와 같은 방식으로 조건을 맞추어 주었다. 이 때의 이득 스펙트럼을 도 5에서 확인할 수 있으며, 이 때의 출력 역시 +23dBm이었다.

이와 같은 방법으로 입력이 +10dBm, +15dBm으로 변화하였을 때 423의 펌프광 만을 조절하여 도 5에서와 같이 평탄한 이득 스펙트럼을 얻을 수 있었다.

이 때 출력값을 일정하게 얻기 위하여 434 및 435의 펌프광을 조절할 수도 있다. 입력 파워가 커짐에 따라 이득 스펙트럼의 기울기는 대체적으로 평탄하지만, 약간의 편이(deviation)가 있음을 볼 수 있다.

입력 파워가 클수록 이득 편이는 커졌으나, 입력 파워가 +15dBm일 때에도 이득 편이는 +/- 1 dB 이하를 유지할 수 있어 큰 문제가 되지 않았다.

이상에서 상기 도 2 와 같은 구조의 광섬유 증폭기에서 상기 도 3과 같은 방법으로 이득 스펙트럼을 평탄하게 만들 수 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 상기 도 2와 같은 구조의 광섬유 증폭기를 선로 증폭기로 사용할 경우, 광선로에 DRA를 도입할 때 선로 증폭기의 교체 없이 그대로 이 광섬유 증폭기를 사용할 수 있음을 볼 수 있다.

한편, 상기 도 4의 광섬유 증폭기의 경우, 전채널이 전송될 경우 광섬유 증폭기의 입력 파워는 광선로에서의 DRA의 이득에 따라 -2 ~ +15 dBm의 값을 가진다. 또한, DRA가 없을 때, 채널이 애드-드랍(add-drop)되어 입력 파워가 변화하는 경우를 고려하면 -21 ~ -2 dBm의 값을 가진다.

이와 같이 넓은 영역의 입력값에서 평탄한 이득 스펙트럼을 얻을 수 있으므로 입력 파워의 동적 영역은 36dB에 이를 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 두 단의 증폭기 중간에 라만 이득을 얻을 수 있도록 광섬유를 배치하고, 첫번째 이득단의 이득 기울기와 라만 이득의 기울기를 적절히 조절하여 평탄한 이득 스펙트럼을 얻을 수 있게 함으로써, 입력 파워가 매우 큰 경우에도 평탄한 이득 스펙트럼을 얻을 수 있어 매우 큰 입력 파워 동적 영역(input power dynamic range)을 실현할 수 있도록 하는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 광선로에서 DRA를 새로이 도입하여 선로 증폭기의 입력이 상당히 커질 경우에도, 교체 없이 사용할 수 있는 선로 증폭기로 이용될 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 WDM 광전송 시스템의 한 구간(span)의 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 제 1실시예 구조도,

도 3a 및 도 3b는 상기 도 2의 광섬유 증폭기에서 입력 광파워가 커졌을 때 출력의 이득 스펙트럼을 평탄하게 할 수 있는 기본 원리를 설명하기 위한 일예시도,

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 제 2실시예 구조도,

도 5는 상기 도 2의 광섬유 증폭기의 입력 파워의 변화에 따른 이득 스펙트럼의 변화를 설명하기 위한 일실시예 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101 : 전송로 102 : 선로 증폭기

103, 104, 206, 414, 422, 431, 432 : WDM 결합기

105, 106, 205, 423 : 라만 펌프 415, 434, 435 : 펌프 LD

107 : 경로 201, 202 : 이득 블록

203, 404 : 이득 평탄화 필터 204 : 광섬유

413 : 광고립기 412, 433 : EDF

421 : DCF

Claims

넓은 입력 파워 동적 영역을 실현하기 위한 광섬유 증폭기에 있어서,

이득 매질과 적어도 하나 이상의 펌프를 포함하는 제 1 및 제 2이득부;

상기 제 1 및 제 2이득부의 사이에 배치된 광섬유;

상기 광섬유에 펌프광을 인가하기 위한 라만 펌프; 및

상기 라만 펌프로부터 출력된 펌프광을 상기 광섬유에 결합시키기 위한 결합 수단

을 포함하는 광섬유 증폭기.
제 1항에 있어서,

이득 평탄도를 개선하기 위한 이득 평탄화 필터

를 더 포함하는 광섬유 증폭기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 제 1이득부의 이득 매질은,

희토류 첨가 광섬유와 희토류 첨가 도파관 중 어느 하나인 것

을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 제 2이득부의 이득 매질은,

희토류 첨가 광섬유와 희토류 첨가 도파관 중 어느 하나인 것

을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 제 1이득부 및 상기 광섬유는,

상기 제 1이득부의 이득 기울기와 상기 광섬유의 라만 이득의 기울기를 조절하여 평탄한 이득 스펙트럼을 얻을 수 있도록 설계되는 것

을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 광섬유는,

분산 보상 광섬유(DCF), 고비선형 광섬유(HNLF), 단일 모드 광섬유(SMF) 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것

을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.