Although the optical amplifier is a key technology for the all-optical transmission system, it has a defective property of the spectral-dependent gain. In order to solve this problem, passive gain-flattening filters were incorporated between the amplifier stages in ordinary optical amplifiers under a constant gain. In addition, a variable optical attenuator was appended in the interstage to get a constant output power with the input power variation. These amplifiers were called as automatic gain controlled amplifier. However, this amplifier performance degrades seriously when the input power varies within a wide range, and furthermore, the input power level of the 2nd stage amplifier may be so attenuated that the effective 1st-stage gain would be reduced. In this case, the noise compensating effect by the 1st-stage gain is going to decrease, then total noise figure of the amplifiers increases considerably, which degrades the performance of the amplifier.
In this paper, we proposed and demonstrated an automatic power controlled amplifier. This new optical amplifier uses a dynamic gain-flattening filter as the interstage device instead of the passive gain-flattening filter and the variable optical attenuator. As the dynamic gain-flattening filter, Acousto-Optic Tunable Filter(AOTF) is strongly attractive with its wide wavelength tunablity, attenuation depth tunablity, and multiple notches assignability. For the control of AOTF`s, a negative feedback loop that consists of a spectral monitor at the output of amplifier and a processing unit, I/O circuits and AOTF driver is implemented. The spectral monitor which consists simply of two athermal-packaged FBG’s as the wavelength references, a tunable Fabry-Perot narrow band-pass filter and photo-detection circuit shows ±25 pm-wavelength resolution and ±0.5 dB power detection precision. Also a novel algorithm is developed to control this dynamic amplifier, which can serve the flat gain over a broad bandwidth and wide dynamic range with a large input power variation.
Especially, the input power of the 2nd stage optical amplifier can be maintained high level. Thus the total noise figure of the optical amplifier can be determined only by the noise performance of the 1st stage optical amplifier.
The nominal input total power of this amplifier is -15 dBm, while the output power of the amplifier should be maintained at 0 dBm/ch. It was assumed that 16 channels are nominal input to the amplifier. The steady-state flat-gain deviation achieved below 0.5 dB over 35 nm wavelength range with the effective single input saturation tone and ASE-referred flattening. The dynamic range was estimated 15 dB under the same flattening condition except the -25 ~ -10 dBm of input power variation.
A low-frequency modulation can be generated in the AOTF. The penalty from the modulation effect has been analyzed by Q-calculation. The result of numerical simulation shows an exponential increasing trend of the BER and OSNR penalties as the modulation index increases. It may be noted that the BER and OSNR penalties show a quadratic dependence on the modulation index, when the modulation index is small. It was proved that the additional penalty caused by low-frequency modulation is not critical with less than 10 % modulation index. Moreover, the cascading effect of this dynamic amplifier was emulated experimentally by recirculating loop technique. Under the worst case that the all amplifiers in the chain have the same AOTF notch positions and 20 dB amplifier gain, less than 5 dB flatness deviation can be achieved after 40 recirculations by adjusting the filter transfer profile dynamically.
For the enhancement of speed and precision in the feedback control, a new algorithm is proposed. This algorithm is based on the multi-dimensional nonlinear minima-searching problem. Moreover, as an alternative to extend the amplifier bandwidth, L-band EDFA is simulated with the dynamic control feedback and AOTF. Then we can extract the required characteristics of AOTF notches for L-band gain flattening.
In conclusion, this newly proposed amplifier can serve the maximized flexibility for an optical transmission system design with no additional penalty. The broad bandwidth and wide dynamic range under the large input power variation gives us the great cost-saving effect to make an all-optical transmission system.
최근 급속히 발전하고 있는 파장 분할 다중 방식 광전송 시스템은, 장거리 전송에 있어서 그동안 필수적으로 여겨졌던 광/전기 신호 변환 절차를 없앰과 동시에 광섬유의 매질 손실에 대한 의존도를 없앨 수 있는 광증폭기의 개발에 힘입은 바가 크다. 그러나 일반적으로 가장 널리 사용되는 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 그 물리적인 특성상 파장과 입력 파워에 따라 이득이 변화하는 문제점을 안고 있다. 또한 최근 전광 전송망에 대한 연구가 활발해지면서, 광전송망의 장애 복구 또는 전송량의 요구에 따라 지능적으로 재구성되는 전송망 등 전송 환경이 매우 복잡해지고 있다. 따라서, 넓은 대역에서 고른 이득을 얻음과 동시에 넓은 동적 이득 범위를 만족시키는 광증폭기의 요구가 점점 절실해지고 있다.
본 논문에서는, 이렇게 전광 전송망에 있어서 핵심적이고 보편적으로 널리 사용되는 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 이득 변화를 능동적으로 제어할 수 있는 동적 이득 등화 광증폭기를 구현하였다. 먼저 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 다양한 능동 이득 등화 필터 들을 비교해보고, 그 가운데 빠른 조정 속도와 복수의 대역 선택이 가능한 AOTF를 선택하여 능동 이득 등화 필터 및 그 제어 회로를 구성하였다. 또한 동적 이득 등화에 적합한 다단 EDFA를 모의 실험을 통해 설계, 제작하고 여기에 간단하면서도 우수한 성능을 갖는 스펙트럼 감시부를 추가하여, 광증폭기 자체로서 완전한 독립 시스템으로 동작하는 동적 이득 등화 광증폭기 모듈을 구현하였다. 덧붙여, 효과적인 능동 이득 제어를 위해서는 일반적인 다단 EDFA 설계와 함께 능동 이득 등화 필터의 특성이 함께 고려되어야 함을 보였다.
제작된 동적 이득 등화 광증폭기는 약 0.2 초의 부궤환 제어 주기를 가지며, 약 14 초 이내에 35 nm 의 파장 대역에서 0.5 dB 이하의 이득 등화도로 수렴하였다. 특히, 15 dB 의 입력 파워 변화에도 1 dB 이내의 이득 등화도를 유지하였다. 이 동적 이득 등화 광증폭기를 2.5 GHz PRBS 전송 시스템에 삽입하고 BER을 측정하였으며, 이에 의한 파워 penalty는 0.2 dB 이내로 측정되었다. 따라서, 구현된 동적 이득 등화 광증폭기는 부가적인 penalty 없이 넓은 동적 이득 범위 내에서 우수한 이득 등화 성능을 가지며, 파워 변화가 크고 복잡한 전광전송망을 설계하는데 있어서 높은 유연성을 제공할 수 있다.
한편, 능동 이득 등화 필터로 사용된 AOTF는 notch 대역을 만들기 위한 RF 구동 신호가 그 대역 외의 광신호에 대해 저주파 변조 현상을 일으킬 수 있다. 본 논문에서는 전송 패턴의 Q 값을 저주파 변조된 신호에 대해 유도하고 그 결과로부터 파워 penalty와 OSNR penalty를 구할 수 있음을 보임으로써 이러한 저주파 변조 현상을 정량적으로 분석하였다. 그리고 저속 광수신기를 사용하여 AOTF의 저주파 변조 지수를 정량적으로 측정하고 앞서의 분석 결과와 비교하였으며, 변조 지수가 증가함에 따라 penalty가 지수적으로 증가하는 경향이 잘 일치함을 보였다. 특히, 10 % 미만의 변조 지수에 대해서는 AOTF로 인한 전송 penalty가 크지 않음을 증명하였다.
구현된 동적 이득 등화 광증폭기가 전송 시스템에서 연속 연결된 경우 최대 전송 거리를 살펴보고 수동 이득 등화 필터를 사용한 경우와 비교해 보기 위하여 재귀 루프(recirculating loop) 실험을 행하였다. Span length를 40 km로 설정한 재귀 루프 실험에서, 새로 구현된 동적 이득 등화 광증폭기는 수동 이득 등화 필터를 사용한 광증폭기에 비해 4 배 이상 전송 거리를 확장시킬 수 있음을 보였다. 특히, 연속 연결된 모든 광증폭기의 AOTF 특성이 동일한 최악의 경우에도 약 3200 km의 전송이 가능함을 보일 수 있다.
마지막으로, 동적 이득 등화에 사용된 알고리즘의 수렴 속도를 개선시킬 수 있는 fitting 방법에 기초한 알고리즘의 가능성을 제안하였다. 특히 동적 이득 등화 과정이 일종의 다차원 비선형 최대 최소를 찾는 과정으로 귀결됨을 보이고 이를 가능하게 하는 least square method의 하나인 Marquardt method를 이용한 새로운 알고리즘을 소개하였다. 또, 전송 용량 증대의 방법으로 많은 연구가 이루어지고 있는, L-band 대역의 광증폭기에 대하여 동적 이득 등화 가능성을 모의 실험으로 검증하였다. 모의 실험 결과, C-band 에 비해 넓은 선폭을 가지고 적은 notch 개수를 인가한 AOTF를 이용하여, 입력 파워 변화 또는 온도 조건 변화 등에 의해 나타날 수 있는 약 5 ~ 7 dB의 이득 기울어짐을 등화시킬 수 있음을 증명하였다. 따라서, 구현된 동적 이득 등화 광증폭기의 수렴 속도와 이득 대역을 개선시킬 수 있는 방법을 모색하였으며, 차후 연구 방향을 제시하였다.
