KR200222421Y1 - 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기를 제공하기 위한 것으로, 이러한 본 고안은 입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 1 아이솔레이터와; 입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체에서의 밀도반전이 발생되도록 하는 제 1 펌핑 광원과; 상기 제 1 아이솔레이터와 상기 제 1 펌핑 광원의 출력을 결합시키는 제 1 광결합부와; 상기 제 1 광결합부로부터 입력되는 신호를 증폭시키는 증폭매체와; 펌핑 광을 발생시키는 제 2 펌핑 광원과; 상기 증폭매체와 상기 제 2 펌핑 광원의 출력을 결합시키는 제 2 광결합부와; 상기 제 2 광결합부의 출력을 입력받아 필터링하는 필터와; 상기 필터의 출력을 입력받아 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 2 아이솔레이터를 포함하여 구성함으로서, 광증폭부의 후단에 단파장용 반사필터를 사용함으로써 광증폭기의 이득과 잡음지수를 개선하고 1560nm~1610nm 대역의 입력 광신호를 증폭시킬 수 있게 되는 것이다.

Description

장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기{Erbium doped fiber amplifier for long wavelength}

본 고안은 광전송장치(Optical Transmission System)에 사용되는 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 특히 광증폭부의 후단에 단파장용 반사필터를 사용함으로써 광증폭기의 이득과 잡음지수를 개선하고 1560nm~1610nm 대역의 입력 광신호의 증폭에 적당하도록 한 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 광통신 시스템에는 신호의 손실을 보상하기 위해 광증폭기(Optical Amplifier)가 사용된다. 이러한 광증폭기는 장거리 광통신에 따른 광신호의 감쇠를 보완하기 위하여 광신호를 증폭하는 장치이다.

이러한 광증폭기는 미래의 통신 시스템에서 널리 사용될 것이 예측되고 있다. 특히 어븀첨가 광섬유증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)는 대량의 데이터가 한 가닥의 광섬유를 통해, 외부장치를 통한 인위적인 재생(regeneration) 없이, 장거리에 걸쳐 전송될 때 장거리 전송에 따르는 광신호의 감쇠를 막기 위하여 자체적이고도 주기적으로 광신호를 증폭해 주는데 사용된다. 그래서 어븀첨가 광증폭기는 전송되는 광신호 자체를 증폭시키기 때문에 증폭효율이 뛰어나고, 노이즈 발생을 억제할 수 있다.

그러나 이러한 장거리 전송에 따른 광신호의 주기적인 증폭시 분산(dispersion)과 같은 문제점이 발생한다. 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)는 분산의 문제점 일부를 해결하여, 대량의 데이터를 서로 다른 파장을 가진 여러 개의 캐리어(carrier)에 실어 전송하기 때문에 전송 속도 및 용량이 증가하게 된다.

하나의 광캐리어가 하나의 채널을 나타낸다고 가정하면, 신호의 강도를 나타내는 광파워는 채널이 다르면 다르게 전개될 수 있다. 이러한 파워 차이는 광증폭 시스템에서 신호가 감쇠되거나 반복적으로 재증폭될 때, 또는 신호가 광네트워크에서 다른 경로로 진행될 때 심하게 커질 수 있다.

이러한 파워 차이는 다음과 같은 이유로 인해 일어날 수 있다.

첫째, 채널이 다르면 이득이 달라질 수 있다. 만일 EDFA와 같은 균일하게 확장된(homogeneously broadened) 광증폭기의 이득레벨이 변하게 되면, 파장의 변화에 따라 이득레벨의 크기도 다르게 변하게 된다. 더구나 이득수준은 시간에 따라 변하기 때문에 광증폭기가 어떤 이득수준에서 동작되는가를 알기는 어려우며 경우에 따라서는 불가능할 수도 있다. 동작조건에 독립적으로 이득이 평탄화되거나 균일화된 EDFA를 포함해서, 파장에 상관없이 이득이 평탄화되고, 채널이 달라져도 이득이 같게 되는 균일화된 EDFA는 존재하고 있다. 그러나 이득이 완벽하게 평탄화되거나 같게 되지는 않는다. 다수의 광증폭기가 연결되고 설치되어 있는 시스템에서는 채널간 이득차이가 비록 작더라도 시스템에 손실을 줄 수 있으며 중대한 파워 차이를 초래할 수 있다.

둘째, 증폭기 간의 손실 등으로 인한 신호감쇠는 채널에 따라 달라질 수 있다. 이 역시 중대한 파워차이를 초래한다. 증폭과 관련해서 감쇠도 시간에 따라 변할 수 있으며, 감쇠의 시간에 따른 변화는 예측할 수 없는 방법으로 채널 또는 파장에 따라 서로 다르게 나타난다.

이처럼 다양한 동작조건 하에서 몇 개의 서로 다른 파장에서의 이득과 감쇠가 동시에 매칭되기는 매우 어렵다. 이는 접속감소(splice degradation), 전송경로 상에서 파워분배기 또는 다른 광소자의 결합, 분산보상 광섬유의 결합, 증가된 마이크로-벤딩(micro-bending) 손실 등의 원인에 의해 증폭기 간의 감쇠가 파장에 따라 서로 다르게 나타나기 때문에 그러하다. 그리고 신호파워의 손실이 파장에 따라 달라져 신호파워를 예측하는 것이 불확실하게 된다. 이러한 불확실성을 고려해 볼 때, 증폭기 간의 손실이 변하면 EDFA와 같은 균일하게 확장된 증폭기를 가지고 이득의 평탄화를 확실하게 한다는 것은 사실상 불가능하게 된다.

이득과 손실이 항상 모든 채널에 대하여 균형을 이룬다 할지라도, 즉 모든 채널에 대해 이득과 손실의 합이 0 dB로 된다 할지라도 이것이 모든 채널에서 파워가 같다는 것을 보장하는 것은 아니다.

이처럼 파워가 동일하지 않은 것은 다음과 같은 이유 때문이다.

(1) 시스템에 인가되는 신호 파워는 파장이 다르면 달라질 수 있다.

(2) 복잡한 네트워크에서 라우팅(routing)을 할 때, 서로 다른 각각의 채널은 각각 다른 경로를 지나간다. 그래서 각 채널에 대해 어떤 형태로든 파워제어가 이루어지지 않는 한 채널이 다시 결합될 때 채널들의 파워는 대부분 다르게 된다.

(3) 동조 가능한 광학 탭(tap)을 사용하면, 예측할 수 없는 방식에 의해 선택적으로 채널들의 파워를 감쇠시킨다.

많은 응용 예에 있어서, 광증폭기에서 서로 다른 채널 간의 이득을 같게 하는 것보다는 파워를 같도록 하는 자동파워평탄화(Automatic Power Equalizer, APE)를 수행하는 것이 더 낫다. 적어도 파워 차이는 어떤 범위 내에서 유지되어야 한다. 이는 범위 밖의 낮은 입력 파워를 가진 한 채널의 이득이 범주내의 파워를 가진 채널들보다도 더 높아야 함을 요구한다. 이러한 효과를 다중채널 자동 파워조절(Multichannel Automatic Power Control, MAPC)이라 한다. 만약 MAPC가 주기적으로 증폭되는 전송 시스템에서 얻어진다면, 이득은 적정 채널 파워에 대한 각각의 채널과 모든 채널에 대한 손실을 없애는 것을 의미하며, 이것이 MAGC(Multichannel Automatic Gain Control)이다. 따라서 비록 평형신호 파워가 변한다 할지라도 시스템은 증폭기 간의 손실변화에 대해 안정하게 된다.

MAPC는 불균일하게 확장된(inhomogeneously broadened) 증폭기에서 달성될 수 있다고 잘 알려져 있다. 그러나 상업적으로 이용 가능한 EDFA는 상온에서 지배적으로 균일하게 확장된(homogeneously broadened) 증폭기이다. 그 결과, 하나의 파장에서의 이득은 모든 다른 파장에서의 이득과 관련해서 거의 같게 되어, 이득은 채널의 파장에 의존적이 된다.

불균일하게 확장된 증폭기에 있어서는, 어떤 한 파장에서의 이득은 다른 파장에서의 이득과 부분적으로 독립적이다. 장거리 WDM에서, 다른 파장에서의 신호파워 이득이 적어도 어느 정도까지 영향받지 않는다고 가정할 때, 어떤 한 파장에서 신호파워가 커진다면 그 파장에서의 신호이득은 감소될 것이다. 이를 이득압축(gain compression) 또는 이득포화(gain saturation)이라고 말한다.

상기한 파장 대신 다른 파장에서의 이득을 압축하는 강한 신호가 있다면, 이득은 첫 번째 파장에서의 높은 이득을 그대로 유지한다.

일반적으로 EDFA에서 MAPC 또는 다중채널 자동 이득조절(MAGC)을 얻기 위해 다음과 같은 방법들이 사용되고 있다.

(1) 이득매체, 즉 어븀첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber, EDF)를 매우 낮은 온도로 냉각한다. 이는 MAPC 또는 MAGC를 잘 얻을 수 있지만, 냉각을 하기 위해 필요한 부가적인 장치가 복잡하다는 것이 결점이다.

(2) 이중코아(twin-core) EDFA를 사용한다. 이는 이득 매체의 각각의 점 또는 모든 점이 지배적으로 균일하게 확장되어있다 할지라도, 다른 파장이 지나가는 경로를 공간적으로 분리시킴으로써, 전체로서 이득매체는 효과적으로 불균일하게 확장되어지게 하는 것이다. 그러나 이중코아 EDFA는 단일코아 EDFA보다 더 많은 잡음을 발생시키고, 바람직하지 않은 편광(polarization) 의존성을 일으키며, 파워의 상당량이 손실되는 약점이 있다. 또한 이중코아 광섬유는 제조하기가 어렵다.

(3) 다중 파장이 파장선택커플러(Wavelength Selective Coupler, WSC)에서 나누어져서 다른 어븀첨가 광섬유(EDF)에 의해 증폭한다. 따라서 채널들의 이득이 서로 분리될 수 있으며, 이는 불균일한 확장에 해당한다. 그러나 이 역시 증폭기가 훨씬 더 복잡하게 되고, 펌프 파워가 효율적으로 사용되지 않는 결점이 있다.

한편 WDM 네트워크에서는 네트워크 구성의 변경, 구성요소의 고장과 채널의 빈번한 애드/드롭(Add/Drop) 등으로 채널수의 변화가 발생한다. 이에 따른 입력 신호 세기의 변화는 남은 채널의 광출력에 과도현상이 발생되도록 하고, 이득의 변동으로 인하여 전송오류가 순간적으로 증가하게 된다. 따라서 WDM 네트워크에서는 입력신호의 크기 변화에 따른 이득변화를 최소로 하여야 한다.

도 1은 종래 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기의 블록 구성도 이다.

이에 도시된 바와 같이, 입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 1 아이솔레이터(Isolator)(11)와; 입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체(EDF)(14)에서의 밀도반전이 발생되도록 하는 제 1 펌핑 광원(pump Laser Diode, LD)(12)과; 상기 제 1 아이솔레이터(11)와 상기 제 1 펌핑 광원(12)의 출력을 결합시키는 제 1 광결합부(Wavelength Division Multiplexer, WDM)(13)와; 상기 제 1 광결합부(13)로부터 입력되는 신호를 증폭시키는 증폭매체(14)와; 펌핑 광을 발생시키는 제 2 펌핑 광원(15)과; 상기 증폭매체(14)와 상기 제 2 펌핑 광원(15)의 출력을 결합시키는 제 2 광결합부(16)와; 상기 제 2 광결합부(16)의 출력을 입력받아 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 2 아이솔레이터(17)로 구성된다.

그래서 제 1 및 제 2 아이솔레이터(11)(17)는 입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시킨다. 그래서 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(14)에서 나오는 자연방출광(ASE, Amplified Spontaneous Emission)이 광신호의 입력 또는 출력 단자에서 반사되어 다시 증폭매체(EDF)(14)로 들어가서 증폭효율을 떨어트리는 것을 막는다.

제 1 및 제 2 펌핑 광원(12)은 펌핑광을 발생시켜 입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체(EDF)(14)에서의 밀도반전이 발생되도록 한다.

제 1 및 제 2 광결합부(13)(16)는 펌핑광과 신호광을 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(14)로 보낸다.

그리고 자연방출광은 신호광과는 관계없이 어븀첨가 광섬유에서 발생하는 것으로, 자연방출광과 신호광과의 차이를 광학적 잡음지수라 한다.

광결합기(13)(16)를 통해서 펌핑 광원(12)(15)에 의해 만들어진 펌핑광은 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(14)를 지나면서 어븀이온을 들뜬 상태로 여기시킨다. 이때 약해진 신호광을 입력단을 통해서 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(14)로 보내주면, 어븀이온이 들뜬 상태에서 바닥상태로 내려오면서 유도방출현상(Stimulated Emission)에 의해 광증폭되고, 이렇게 광증폭된 광신호는 출력단에 있는 제 2 아이솔레이터(17)를 지나면서 출력된다.

어븀첨가 광섬유는 1550nm 대역이 이득이 크고, 1590 대역이 이득이 작기 때문에 어븀첨가 광섬유의 길이를 길게 함으로써 장파장 대역 즉, 1560nm~1610nm 대역의 광신호를 증폭하는데 사용한다.

그러나 어븀첨가 광섬유는 유도방출에 의한 신호광의 증폭 이외에도 자연방출광(ASE, Amplified Spontaneous Emission)이 존재한다.

도 2는 이러한 종래 어븀첨가 광섬유 증폭기의 자연방출광을 보인 것으로, 자연방출광의 출력파워대 장파장간의 관계를 보인 도면이다.

도 2를 보면, 자연방출광으로 인해 잡음지수가 높게 나타남을 알 수 있다. 또한 1530nm 대역과 1550nm의 높은 ASE 파워로 인해 신호광의 이득이 줄어들게 되고, 잡음지수가 높게 나타난다.

따라서 이러한 종래의 장파장용 광섬유증폭기는 장파장 대역의 광신호를 증폭할 수 있으나, 어븀첨가 광섬유증폭기의 발광대역이 넓기 때문에 단파장 대역에서의 ASE가 방출되고, 이로 인하여 종래의 광증폭기는 이득이 작고 잡음 지수가 나쁜 문제점이 있었다.

이에 본 고안은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 고안의 목적은 광증폭부의 후단에 단파장용 반사필터를 사용함으로써 광증폭기의 이득과 잡음지수를 개선하고 1560nm~1610nm 대역의 입력 광신호를 증폭할 수 있는 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 일실시예에 의한 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기는,

입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 1 아이솔레이터와; 입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체에서의 밀도반전이 발생되도록 하는 제 1 펌핑 광원과; 상기 제 1 아이솔레이터와 상기 제 1 펌핑 광원의 출력을 결합시키는 제 1 광결합부와; 상기 제 1 광결합부로부터 입력되는 신호를 증폭시키는 증폭매체와; 펌핑 광을 발생시키는 제 2 펌핑 광원과; 상기 증폭매체와 상기 제 2 펌핑 광원의 출력을 결합시키는 제 2 광결합부와; 상기 제 2 광결합부의 출력을 입력받아 필터링하는 필터와; 상기 필터의 출력을 입력받아 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 2 아이솔레이터를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

도 1은 종래 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기의 블록 구성도 이고,

도 2는 종래 어븀첨가 광섬유 증폭기의 자연방출광의 출력파워대 장파장간의 그래프이며,

도 3은 본 고안에 의한 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기의 블록 구성도 이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

21, 28 : 아이솔레이터 22, 25 : 펌핑 광원

23, 26 : 광결합부 24 : 증폭매체

27 : 필터

이하, 상기와 같은 본 고안, 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 고안에 의한 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기의 블록 구성도 이다.

이에 도시된 바와 같이, 입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 1 아이솔레이터(21)와; 입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체(EDF)(24)에서의 밀도반전이 발생되도록 하는 제 1 펌핑 광원(22)과; 상기 제 1 아이솔레이터(21)와 상기 제 1 펌핑 광원(22)의 출력을 결합시키는 제 1 광결합부(23)와; 상기 제 1 광결합부(23)로부터 입력되는 신호를 증폭시키는 증폭매체(24)와; 펌핑 광을 발생시키는 제 2 펌핑 광원(25)과; 상기 증폭매체(24)와 상기 제 2 펌핑 광원(25)의 출력을 결합시키는 제 2 광결합부(26)와; 상기 제 2 광결합부(26)의 출력을 입력받아 필터링하는 필터(27)와; 상기 필터(27)의 출력을 입력받아 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 2 아이솔레이터(28)를 포함하여 구성된다.

상기에서 필터(27)는, 상기 제 2 광결합부(26)의 출력을 입력받아 상기 증폭매체(24)에서 발생한 단파장 대역의 자연방출광을 다시 상기 증폭매체(24)로 보내기 위한 단파장대역 반사필터로 구성한다.

이와 같이 구성된 본 고안에 의한 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 제 1 및 제 2 아이솔레이터(21)(28)는 입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시킨다. 그래서 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)에서 나오는 자연방출광(ASE, Amplified Spontaneous Emission)이 광신호의 입력 또는 출력 단자에서 반사되어 다시 증폭매체(EDF)(24)로 들어가서 증폭효율을 떨어트리는 것을 막는다.

제 1 및 제 2 펌핑 광원(22)(25)은 펌핑광을 발생시켜 입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체(EDF)(24)에서의 밀도반전이 발생되도록 한다.

제 1 및 제 2 광결합부(23)(26)는 펌핑광과 신호광을 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)로 보낸다.

광결합기(23)(26)를 통해서 펌핑 광원(22)(25)에 의해 만들어진 펌핑광은 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)를 지나면서 어븀이온을 들뜬 상태로 여기 시킨다. 이때 약해진 신호광을 입력단을 통해서 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)로 보내주면, 어븀이온이 들뜬 상태에서 바닥상태로 내려오면서 유도방출현상(Stimulated Emission)에 의해 광증폭되고, 이렇게 광증폭된 광신호는 출력단에 있는 제 2 아이솔레이터(28)를 지나면서 출력된다.

이때 단파장대역 반사필터인 필터(27)는 제 2 광결합부(26)의 출력을 입력받아 증폭매체(24)에서 발생한 단파장 대역의 자연방출광을 다시 증폭매체(24)로 보낸다.

이러한 본 고안의 동작을 좀더 상세히 설명한다.

펌프 광원으로 사용되는 LD는 980nm 또는 1480nm의 펌프광을 발생시키며 이 펌프광은 광결합부(23)(26)를 통해 신호광과 같이 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)로 입력된다.

입력된 펌프광은 어븀이온을 들뜬 상태로 만들고, 그때 신호광이 입력되면 유도방출 현상에 의해 신호광을 증폭시킨다.

신호광과 상관없이 어븀첨가 광섬유의 어븀이온이 바닥상태로 내려오면서 발생시킨 1530nm 대역과 1550nm 대역의 높은 자연방출광은 광섬유격자에 의해 다시 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)로 입사되어 장파장 대역의 신호광을 증폭시켜 어븀첨가 광섬유인 증폭매체(24)의 증폭효율을 극대화시킨다.

즉, 1530nm와 1550nm의 ASE를 제거하지 않고 다시 어븀첨가 광섬유로 입사시킴으로서 신호광의 증폭에 기여하도록 한다.

이처럼 본 고안은 단파장용 반사필터를 사용하여 광증폭기의 이득과 잡음지수를 개선하고 장파장 대역의 입력 광신호를 증폭하게 되는 것이다.

이상에서 본 고안의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 고안은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 고안은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 고안의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 고안에 의한 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기는 광증폭부의 후단에 단파장용 반사필터를 사용함으로써 단파장, 즉 1530nm 대역과 1550nm 대역의 ASE를 다시 어븀첨가 광섬유에 입사시키고, 이 ASE를 장파장 대역의 신호광의 증폭에 이용함으로써 광증폭기의 이득과 증폭효율 및 잡음지수를 개선할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 입력되는 신호광에 대해 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 1 아이솔레이터와;

   입력된 신호의 파워를 증가시켜 증폭매체에서의 밀도반전이 발생되도록 하는 제 1 펌핑 광원과;

   상기 제 1 아이솔레이터와 상기 제 1 펌핑 광원의 출력을 결합시키는 제 1 광결합부와;

   상기 제 1 광결합부로부터 입력되는 신호를 증폭시키는 증폭매체와;

   펌핑 광을 발생시키는 제 2 펌핑 광원과;

   상기 증폭매체와 상기 제 2 펌핑 광원의 출력을 결합시키는 제 2 광결합부와;

   상기 제 2 광결합부의 출력을 입력받아 필터링하는 필터와;

   상기 필터의 출력을 입력받아 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛은 통과시키는 제 2 아이솔레이터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 필터는,

   상기 제 2 광결합부의 출력을 입력받아 상기 증폭매체에서 발생한 단파장 대역의 자연방출광을 다시 상기 증폭매체로 보내기 위한 단파장대역 반사필터로 구성하는 것을 특징으로 하는 장파장용 어븀첨가 광섬유 증폭기.