광통신 전송 기술의 폭발적인 성장은 파장다중화(wavelength multiplexing) 기술에 크게 의존하고 있다. 광신호 채널당 전송속도는 10 Gpbs에서 40 Gpbs로 향상되고 있으며 최근에는 100 Gpbs이상의 초고속 전송도 시도되고 있다. 이 같은 고속의 광신호들의 채널 수가 파장 다중화 기술에 의해 증대됨으로 광선로 회선당 전송속도는 획기적으로 증가된다. 파장다중화 채널의 수는 상업적으로는 32채널이나 64채널이 기간망에서 많이 사용되나 현재 기술적으로는 200 채널 이상도 가능한 상황이다. 대용량의 광신호 파장 다중화 전송을 위해서는 광선로의 전송 특성의 향상과 함께 여러 기능의 소자들의 성능 향상에 크게 영향을 받고 있는데 그 중에는 광신호 변조 기술, 분산보상 기술, 광증폭 기술, 광신호 다중화 기술, 광수신 기술, FEC (forward error correcting) 기술들이 있고 이들이 복합화 되어 적용되고 있다[1]. 이 중에서 광증폭 기술은 광선로의 손실을 극복하고 수천 km 이상의 장거리를 전송하기 위한 기술의 핵심이 된다. 파장다중화기술이 적용된 전송로에서 사용되는 광증폭기는 이득을 보장하는 대역폭과 이 대역폭에서 안정된 잡음지수 확보, 이득 평탄화 등의 주제들이 연구되고 있다[2]. 파장다중화 광통신 전송 실험은 많은 장비와 부품을 요구하므로 실험에 제약을 받는 경우가 많아 다양한 근사 실험 방법이 개발되고 있다. 장거리 전송에서는 circulating loop을 이용하여 반복되는 전송 링크를 최소한으로 구현하는 방법이 많이 이용된다[3]. 많은 파장다중화 채널들을 위해서는 주로 포화이득 광신호들을 사용하는 방법이 적용된다. 포화이득 광신호 실험 방법은 모든 파장다중화 광신호들을 다 사용하는 대신 소수의 파장 다중화 신호들을 사용한다. 대신 포화이득 광신호들의 총 광세기는 실제로 사용된 전 파장다중화 광신호들의 광세기와 같게 하는 것이다[4].

본 논문에서는, 포화이득 광신호 적용 방법을 세 가지로 세분화하였다. 즉, 여덟 개의 증폭되지 않은 광원들을 모두 포화이득 광원으로만 사용하는 경우, 여덟개의 증폭된 광원들을 모두 포화 이득 광원으로 사용하는 경우, 그리고 한 개의 포화이득 광원과 여덟 개의 파장다중화 광원을 사용하는 경우들이 비교 적용되었다. 그리고 한 개의 포화이득 광원이 사용된 경우는 이 광원의 파장의존성에 대한 특성이 분석되었다.

이득 포화 신호의 입력조건에 따른 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 출력 특성을 조사하기 위한 실험 구조가 그림 1에 주어져 있다. 파장다중화 채널을 위해 모두 8 개의 광신호들이 사용되었고, 광원으로 DFB (distributed feedback) LD(laser diode)가 이용되었다. 각 LD의 파장은 1530.3, 1534.2, 1539.0, 1543.7, 1547.7, 1552.5, 1556.5, 1561.4 nm, 로 이 파장 값들은 국제표준 (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector: ITU-T) 에 의해 파장다중화 전송을 위한 표준화 값을 선택했다. 이 광원들이 파장분할 다중화기 (wavelength multiplexer)에 의해 하나의 전송선에 결합되었다. 또 다른 광원으로 파장가변 광원(Tunable light source)이 사용되었고, 이 광원이 8 개의 파장다중화 광원들과 3 dB 커플러에 의해 결합되어 에르븀 첨가 광섬유증폭기에 입사되는 입력으로 사용되었다. 파장가변 광원의 출력단에는 광세기 가변감쇄기가 설치되어 가변광원의 세기를 조정 가능하게 했다. 광증폭기의 증폭 매질인 에르븀 첨가 광섬유(Erbiumdoped fiber; EDF) 의 개구수는 0.233이며 단일모드 단락파장은 895nm 이다. 1200nm에서 4.08 dB/km 감쇄값을 갖는다. 이득을 위한 흡수 계수는 980nm와 1530nm 에서 각각 4.05 dB/m 와 5.53 dB/m를 가진다. -3 ~ +3 dBm 입력신호 세기를 고려하여 EDF의 길이는 20 m로 선택하였다. EDF를 위한 펌프로 980 nm 펌프 LD가 순방향 펌핑 구조로 연결되고 1480 nm 펌프 LD가 역방향 펌핑 구조로 연결되어 결과적으로 양방향 펌핑 구조를 가진다. 이는 순방향의 980nm 펌핑 구조가 저잡음에 유리하고 역방향의 1480 nm 펌핑 구조가 고출력에 유리한 사실을 고려하여 선택된 구조다.

각 펌프 LD들은 파장다중화 커플러를 통해 EDF에 입사되었고 입사되는 펌프의 세기는 170 mW (980 nm pump LD)과 200mW(1480 nm pump LD) 였다. EDFA에 의해 출력된 증폭 신호는 광스펙트럼 분석기를 통해 스펙트럼이 분석되었다.

첫 번째 실험은 8 개의 파장다중화 광원만을 사용하였고 총 입력광의 세기는 –3 dBm 이었다. 이 값은 개별 채널당 –21 dBm 입력신호를 갖는 파장다중화 32 채널에 해당된다. 따라서 32 채널을 사용한 효과를 시뮬레이션하기 위해서, 8 채널들의 채널 당 EDFA 입력세기는 -12 dBm 이 된다. 이 값은 광원의 출력값이 EDFA 입력단까지 도착하는 과정에서 겪는 수동 부품들의 삽입 손실들을 고려하면 큰 출력세기가 요구되므로 이를 위해 각 DFB LD의 출력을 최대로 조정하여 얻을 수 있었다. 이 입력신호의 광스펙트럼이 그림 2에 주어져 있는데 여기에 있는 두 개의 곡선 중 아래쪽이 입력 신호의 스펙트럼이고 위 쪽은 EDFA의 출력 스펙트럼이다. 이 스펙트럼들은 모두 분해능 0.5 nm 조건에서 측정되었다. EDFA에 의해 이득이 각 채널 별로 20 dB이상 증폭되었으며 채널 별 출력 광의 세기에는 편차가 있음을 알 수 있다. 이러한 입력 신호와 출력 신호의 관계가 이득과 잡음지수로 그림 3에 정리되어 있으며 이들을 위해 사용한 식은 식 (1)과 (2)에 의해 주어져 있다.

이득은 식 (1) 처럼 출력 광세기와 그 잡음인 증폭자발방출 (amplified spontaneous emission; ASE)의 차이와 입력 광세기와 잡음인 광원자발방출 (source spontaneous emission; SSE)의 차이의 비로 구해졌다. 반면 잡음지수는 식 (2)에서 구해지는데 여기서 P_ASE, 는 대역폭 B 내의 ASE 세기, h 는 Plank’s constant, ν 는 optical frequency, G 는 증폭기 이득, B 는 Hz 단위로 주어지는 대역폭, 그리고 P_SSE 는 SSE의 광세기다.

식 (1)과 (2)를 사용하여 얻은 이득과 잡음지수 값이 그림 3에 그래프로 정리되어 있다. 또한 +3 dBm의 조건에서 동일한 실험을 통해 얻은 출력 스펙트럼을 구하고 역시 이득과 잡음지수를 얻어 그림 3에 함께 나타내었다. +3 dBm 입력 세기를 적용한 이유는 주어진 EDFA는 파장다중화 채널을 128채널 이상으로 적용시키는 가능성을 고려하였기 때문이다. -3 dBm 입력세기 조건에서 이득 최소 22 dB이상이며 EDFA의 증폭 특성상 파장에 따라 이득변화가 있지만 단파장 쪽과 장파장쪽에서 이득의 차이가 거의 없음을 알 수 있고 이는 EDF의 길이나 펌핑 조건들이 –3 dBm 입력 조건에 대해 최적화 되어 있음을 알 수 있다. + 3 dBm 입력조건에서는 파장에 따른 이득 편차가 큼을 알 수 있으며 특히 장파장 쪽의 이득이 단파장 쪽보다 크다는 것은 EDF의 밀도반전이 충분히 일어나지 않았다는 것을 의미한다. 이는 입력신호가 EDF의 조건에 비해 과도하게 큰 것을 의미한다. 따라서 잡음지수도 –3 dBm 조건에 비해 +3 dBm에서 더 악화된 결과를 확인 할 수 있었다.

+3 dBm 입력 조건의 사용 가능성을 좀 더 확인하기 위해 그림 3의 출력 결과에 이득 평탄화 장치를 적용시켜 2단 증폭기의 첫 번째 단으로서의 특성을 조사하였다. 이득평탄화 필터는 음향광학 필터들의 결합으로 작동하며 파장에 의존하는 손실 스펙트럼을 자유롭게 설계할 수 있다. 그림 4는 그 결과를 보여주는데 (a)는 입력과 출력 스펙트럼 측정 결과다. 개별 채널의 입력신호 세기가 –6 dBm 로 그림 2의 입력 조건 보다 6 dB 증가했음을 알 수 있다. 출력 스펙트럼은 파장에 따른 편차 없이 모두 균일한 세기를 가지고 있다. 이는 EDFA의 출력 신호를 이득 평탄화 장치를 통해 세기 균등화 했기 때문이다. 이 같은 평탄화는 다중화 채널 간에 출력신호 차이를 없애 줌으로써 장거리 전송 후에 채널간의 신호 세기 차이를 줄이는 역할을 하게 된다. 그림 4의 (b)는 (a)의 스펙트럼을 이용하여 얻어진 이득과 잡음지수 값인데 이득은 채널에 상관없이 아주 균등하게 13 dB 값을 보여준다. 하지만 이득 평탄화 필터 사용의 결과로 잡음지수가 크게 증가하였으며 심지어 장파장쪽에서는 18 dB 까지 악화되는 것을 알 수 있다.

이 같은 잡음지수의 악화 이유는 이득평탄화 장치가 파장 다중화 채널 별로 다른 세기 감쇄를 가지게 했고, 이 감쇄 정도의 차이가 커지면 잡음지수의 급격한 악화를 유발하기 때문이다. 특히 그림 3의 EDFA 출력 스펙트럼에서 장파장 쪽의 세기가 더 크므로 이득 평탄화를 위해서 감쇄가 이 파장 영역에서 더 크게 적용되었기 때문이다. 이 같은 사실은 그림 4에서 이득 평탄화 장치가 적용된 출력 스펙트럼에서 장파장 쪽 신호의 OSNR이 단 파장쪽의 채널들 보다 많이 줄어들어 있음을 출력 스펙트럼을 통해 확인 할 수 있다. 그림 3과 4의 결과 는 실험에 사용되는 증폭기에는–3 dBm 입력신호 조건은 적용시키기 적절하지만 +3 dBm 입력 신호 세기를 적용시키기에는 어려움이 있음을 의미한다.

두 번째 비교실험으로 8개의 파장다중화 광원들의 개별 신호 세기는 –21 dBm 로 하고 이들을 증폭기를 이용하여 9 dB 증폭시켜 모든 신호들의 총세기가 –3 dBm 이 되도록 하였다. 이는 그림 2의 실험 조건에서 총 입력 신호 세기를 –3 dBm에 맞추기 위해서 개별 신호의 세기를 DFB LD의 출력을 증가시킨 경우와 대비된다. 이를 통해 실제 32채널 시뮬레이션을 위해 사용되는 8 개의 파장다중화 신호를 광증폭기를 사용하여 신호를 증폭시켜 사용한 경우와 각 DFB LD의 신호 세기를 크게 하여 사용한 경우를 비교하였다. 일반적인 경우 파장다중화 채널수가 급격히 늘어나게 되면 시뮬레이션용으로 사용되는 DFB LD 는 보다 큰 출력을 요구 받게 되지만 자체의 출력만으로 충분한 광세기를 얻을 수 없게 되어 증폭기를 이용하게 된다. 이 경우 증폭기의 ASE 잡음에 의한 왜곡이 부분적으로 예상될 수 있다. 이 두 입력 조건에 대한 EDFA 출력 결과가 그림 5에 주어져 있다. 그림에서 원형 점은 광증폭된 신호를 입력신호로 사용한 경우고 삼각형 점은 증폭기를 사용하지 않고 DFB LD의 큰 출력값을 사용한 경우다. 두 경우 다 평균 이득은 24 dB이고 파장에 따른 차이를 가지지만 입력신호를 증폭시켜서 사용한 경우나 그렇지 않은 경우를 비교하였을 때 차이가 거의 없음을 알 수 있다. 특히 잡음지수도 유사한 경향을 보이고 있다. 증폭기로 증폭된 입력신호를 사용하는 경우 입력신호 내에 포함되는 ASE 잡음에 의한 영향이 있을 수 있지만 실험 5의 결과는 그 영향이 미미함을 의미한다. 세 번째 비교실험은 입력신호로 소수의 파장 다중화 신호와 하나의 이득포화 신호를 사용하는 경우다. 이 때 입력조건은 8개의 파장 다중화 신호는 –21 dBm의 입력세기를 가지고 32 채널을 위한 총 입력세기 –3 dBm에 부족한 세기는 한 개의 이득포화 신호가 보충하게 된다. 이러한 조건에 대한 입력신호의 광스펙트럼이 그림 6의 아래쪽 그래프에 있다. 이 때 이득포화 신호의 파장 위치는 1532.3 nm 였고 그림에서 이 위치에 입력세기가 큰 신호가 있음을 확인할 수 있다.

그 결과로 얻은 출력 스펙트럼이 그림 6에 함께 주어져 있다. 이 실험에서 이득포화 신호의 파장 위치에 따른 영향을 조사하기 위해 파장 위치가 다른 세 경우 즉, 1532.3 nm, 1545.7 nm, 그리고 1558.2 nm 의 포화이득 신호의 경우들이 비교되었다. 이 파장들의 선택은 증폭기인 EDFA의 증폭대역에서 단파장, 중간파장, 그리고 장파장 영역을 대표하여 선택하였다. 각각의 입력조건에 따른 출력특성인 이득과 잡음지수 스펙트럼이 그림 7에 계산되어 주어져 있다. 이득의 경우, 포화이득 신호의 파장 위치가 1532.3 nm와 1545.7 nm인 경우는 차이는 없으나 1558.2 nm의 경우는 1 dB 적게 얻어졌다. 잡음지수는 세 경우가 실험 오차 범위 내에서 같았다. 이 같은 결과는 이득 포화 신호의 파장이 1560 nm에 가까이 갈수록 EDF에 다시 흡수되는 흡수계수가 커지고 흡수된 광에너지는 1570nm 영역에서 증폭자발방출 (amplified spontaneous emission; ASE) 로 손실되기 때문이다[5]. 이 과정에서 EDF의 전체 밀도반전 정도는 낮아지게 되는데 그 사실이 그림 8에 나타나 있다. 그림 8은 세 가지 다른 파장의 이득포화 광신호들이 사용되었을 때 EDFA의 출력 광스펙트럼을 보여주고 있다. 세 개의 그래프에서 광세기가 가장 큰 피크의 위치가 이득포화 광원의 파장 위치임을 알 수 있다. 그림에서 보다 짧은 파장의 이득포화 신호를 사용했을 때보다 1558.2 nm의 이득포화 신호를 사용했을 때 C-band 대역 (1530 nm ~ 1560 nm) 의 ASE 세기가 상대적으로 줄어들었고 그 정도가 단파장에서 더 큰 경향은 광증폭기 내부에 사용된 EDF의 밀도 반전이 줄어들었음을 의미한다.

이와 같은 비교 실험을 통해, 증폭 없이 복수의 파장 다중화 채널들을 이득포화 광원으로 사용하는 경우, 증폭된 복수의 파장 다중화 채널들을 이득포화 광원으로 사용하는 경우, 그리고 다수의 파장다중화 신호들과 함께 하나의 이득포화 광원을 단파장이나 중간파장 대역에 사용하는 경우의 결과들이 함께 그림 9에 정리되었으며 이들의 결과는 실험오차 범위 내에서 유사함을 알 수 있다.

파장다중화 광신호 전송에서 적용 가능한 이득포화 광신호 사용법을 위한 세 가지 실험 조건 조건들이 비교되었다. 고출력 DFB LD 들만을 사용하는 경우, 광증폭기와 증폭된 입력광원들을 사용하는 경우, 하나의 이득포화 광원과 소수의 파장다중화 광원들을 사용하는 경우들이 비교되었다. 하나의 이득포화 광원을 이용한 경우는 다시 이 이득포화 광원의 파장 의존성을 확인하기 위해 1532.3 nm, 1545.7 nm, 그리고 1558.2 nm 의 세 가지 경우가 비교하였다. 그 결과 입력광원이 증폭기로 증폭되더라도 ASE에 의한 잡음은 영향이 미미하였고 이득포화 광원의 파장위치는 장파장인 1558.2nm 의 경우 이득이 1 dB 이상 감소하였다.