초광대역 광증폭기술 동향 ::: bcpark.net

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초광대역 광증폭기술 동향

김승관* 주무정**

테라비트급의 파장분할 다중화 방식의 광전송 시스템을 위한 광증폭 기술의 최근 동향에 대하여 살펴보았다. 최근의 폭발적인 전송용량 수요의 증가로 말미암아 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 이미 그 대역폭의 한계에 도달하게 되었으며, 100nm 이상의 초광대역 광증폭을 위하여 광섬유 라만 증폭기와 같은 비선형 광증폭기의 도입이 불가피하게 되었다. 그러나 향후 지속적인 전송 용량의 확대를 위해서는 광증폭기의 대역폭의 한계를 극복하기 위하여 채널 간격을 줄이고 채널당 전송 속도를 증가시키는 방향의 연구가 요구된다. ▒

I. 서 론

파장분할 다중화(WDM) 광 전송 시스템의 용량이 폭발적으로 증가됨에 따라 이를 뒷받침해야 할 광 증폭기의 대역폭 역시 날로 커지고 있다. 채널 당 20Gb/s를 넘는 속도의 전송 기술을 확보하고 있는 통신 회사들은 이미 채널 전체의 용량 1Tb/s를 쉽게 능가하고 있는 실정이다[1]. 현재 채널 당 10Gb/s의 전송 속도를 확보하고 있는 국내의 기술 현실에서 1Tb/s의 전송 용량에 도달하기 위해서는 WDM 채널의 개수를 늘이는 것이 현실적인 방안이다. 즉, 예를 들어 100 채널을 수용할 수 있는 WDM 시스템의 경우, 10Gb/s×100 채널이 되어 1Tb/s의 전체 용량을 갖게 되는 것이다. 이 경우 현재 국제 표준으로 삼고 있는 채널 간격 100GHz를 채택한다면 필요한 대역폭은 약 80nm에 육박한다. 실제로 Lucent Technologies사에서는 C/L-band 사이의 transition band를 0.5nm로 줄인 구성을 채택하여 실리카 EDFA만으로 84.3nm의 증폭 대역을 갖는 광 증폭기를 개발하였고, 이를 사용하여 400km 전송 가능한 10Gb/s×100채널(C-band 50GHz 간격 60채널, L-band 100GHz 간격 40채널) WDM 시스템을 발표하였다[2]. 전체를 50GHz 간격으로 할 경우 대역 폭은 40nm가 되므로 채널 간 crosstalk이 문제되지 않을 경우 현재 ETRI에서 확보하고 있는 64nm 대역폭의 EDFA를 적용하여 1Tb/s 급의 WDM 광링크 장치를 구현하는 것이 가능하다. 일본의 NTT 등에서는 tellurite-based EDF를 개발하여 C/L-band를 분리하지 않고 대역폭 확장을 꾀하기도 하였다[3].

채널 간격 100GHz를 유지하면서 전송용량을 1.28Tb/s로 확장하기 위해서는 100nm 이상의 대역폭을 갖는 광 증폭기의 개발이 필요하게 된다. 현재까지 알려진 방법으로 100nm 이상의 대역폭을 갖는 광 증폭기를 구현하기 위해서는 광섬유 라만 증폭기(FRA: Fiber Raman Amplifier)의 사용이 불가피하게 된다. 광섬유 라만 증폭 기술은 과거 1970년대 초에 연구가 시작되어 1980년대에 이르러 광통신에 증폭기의 필요성이 대두되면서 활발한 연구가 진행되었으나 1980년대 중반 이후 EDFA의 출현으로 빛을 잃는 듯 하였다. 가장 큰 단점으로 지적된 것은 고출력 펌프 광원의 필요성이었다. 그러나 1990년대 초반 고출력 광섬유 라만 레이저가 등장하면서 보다 실제적인 FRA가 가능하게 되었고 이에 힘입어 다시금 FRA에 대한 관심이 증가하게 되었다[4]. 게다가 WDM 시스템의 용량 증대로 인하여 EDFA의 한계가 드러나면서 FRA의 역할이 본격적으로 가시화 되었다. FRA의 가장 큰 장점은 적당한 펌프 광원만 존재할 경우 특별한 광섬유의 설치 없이 기존의 전송용 광섬유를 사용하여 어느 대역에서나 광 증폭이 가능하다는 것이다. 이러한 점은 광 신호를 기존의 포설된 광 선로를 따라 손실 없이 진행하게 해주는 distributed amplifier를 가능하게 하여 EDFA 출력에 여유 분을 제공함으로써 광 링크의 설계를 용이하게 하거나 증폭기 사이의 간격을 크게 하여 증폭기의 개수를 줄임으로써 그 비용을 절감시킬 수 있게 한다[5].

본 기술 동향 분석에서는 현재까지 개발되어온 이러한 초광대역 광증폭 기술의 내면을 살펴봄으로써 세계적 기술 동향을 이해하고 앞으로의 발전 방향을 예측하는데 미약하나마 도움이 되도록 하였다.

II. 실리카 EDFA의 한계

1980년대 중반 이후 본격적으로 등장한 희토류 첨가 실리카 광섬유, 특히 에르븀 첨가 광섬유(EDF)는 1550nm 대역의 광통신 대역과 일치하는 이득 대역폭으로 말미암아 1990년대의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA) 연구 개발 붐을 일으켰다. 그 뿐만 아니라 EDFA에 힘입은 광통신 분야에서는 WDM 기술의 도입으로 전송 용량의 확대에 박차를 가하여, 인터넷의 보급으로 말미암아 전송 용량의 수요가 폭발적으로 증가한 1990년대 말에 이르러서는 급기야 1Tb/s를 넘는 전송 시스템이 출현하게 되었다. 그러나 전송 시스템 용량의 확장은 그대로 가속도가 붙어 그동안 충분하다고 인식되었던 EDFA의 이득 대역폭도 오히려 그 한계를 느끼게 하였으며 결국 기존의 EDFA 대역 외의 새로운 증폭 대역의 개발을 요구하게 되었다. 상황이 이렇게 되자, 본래 DSF(Dispersion Shifted Fiber)가 보급된 일본에서의 WDM 시스템 도입을 위해서 개발되고 있었던 1580nm 대역의 L(long)-band EDFA가 새로운 관심을 불러 일으키게 되었다. 또한 실리카 광섬유와 다른 광섬유, 예를 들어 fluoride 광섬유나 tellurite 광섬유에 에르븀을 첨가하여 기존의 에르븀 첨가 실리카 광섬유에서 보다 넓은 대역폭을 얻고자 하는 노력들도 진행되고 있다.

그러나 실리카 광섬유의 이득 대역폭 제한에 의해 무엇보다도 크게 주목을 받게 된 것은 광섬유 라만 증폭기라고 할 수 있다. 사실상 광섬유 라만 증폭기는 에르븀 첨가 광섬유의 등장과 함께 관심을 거의 잃게 된 상황이었으나 새로운 대역에 대한 수요와 함께 제 2의 전성기를 맞이하게 된 것이다.

본론으로 들어가기에 앞서 일반 통신용 광섬유의 저손실 전송 파장 영역 및 밴드 구분과 함께 지금까지 논문으로 소개된 초광대역 증폭기술의 발전 상황을 그림으로 나타내보면 (그림 1)과 같다.

III. 새로운 광증폭 기술

1. Dual C/L-band EDFA

이 방법은 기존의 C-band(conventional band) EDFA와 1997년 이후 새로이 개발된 L-band EDFA를 WDM 광 결합기를 써서 합쳐준 것이다. 이 방법이 처음 소개된 것은 NTT의 M. Yamada 등에 의해서 였다[6]. 본래 L-band EDFA는 이보다 훨씬 앞선 1990년 Massicott에 의해서 소개되었으나[7], 실용적인 측면에서는 C-band EDFA에서 사용하는 보통의 1480nm pump LD로 고출력 증폭이 가능해지면서부터 관심을 끌게 되었다[8]. Dual C/L-band EDFA는 (그림 2)와 같이 1.55/1.58㎛ WDM 광 커플러를 사용하여 1,530~1,560nm 파장 대역과 1,570~1,600nm 파장 대역을 공간적으로 구분한 후 각각 C-band EDFA와 L-band EDFA를 통하여 증폭시킨 다음 다시 1.55/1.58㎛ WDM 광 커플러를 사용하여 두 파장 대역을 하나의 광선로로 합치는 구조로 되어 있다. Yamada 등은 C-band의 경우 이득 등화 필터를 사용하지 않는 대신 fluoride-based EDF를 사용함으로써 평탄 이득을 얻었으며, L-band의 경우 밀도 반전을 이용하여 평탄 이득을 얻었다. 이렇게 함으로써 얻은 대역폭은 이득 편차 1.7dB 이내에서 C-band 30nm, L-band 24nm였다(그림 3). 잡음 지수는 소신호 입력 범위에 대하여 C-band에서 6dB 이하, L-band에서 7dB 이하로 측정되었다. L-band 대역에서 대역폭이 상대적으로 좁게 된 것은 사용한 1.55/1.58㎛ WDM 광 커플러의 삽입손실 특성 때문이었다.

한편 Lucent Technologies의 Sun 등은 이러한 문제점을 극복하기 위해 C-band와 L-band사이의 transition band를 최소화하는 방법으로 광순환기와 chirped FBG(Fiber Bragg Grating)을 사용하였다[9](그림 4). Chirped FBG의 반사 포트로 사용한 C-band와 투과 포트로 사용한 L-band 사이의 transition band는 이 경우 0.5nm로 줄일 수 있었으며, LPG(Long Period Grating)을 써서 이득 평탄화 시킨 결과 이득 편차 3dB 이내에서 C-band 40.8nm, L-band 43.5nm를 얻었다[10](그림 5). 잡음지수 또한 6dB 이하로 뛰어난 성능을 가졌다. Lucent의 Srivastava 등은 곧바로 이 증폭기를 사용하여 10Gb/s, 100개의 WDM 신호를 NZ-DSF 400km를 통하여 전송하는데 성공하기도 하였다[2].

현재 ETRI에서 개발 중인 10Gb/s×64채널 WDM 시스템의 광 증폭기의 경우에도 이와 같이 C/L-band 평행 구조를 채택하고 있으며, 미세 광소자 형태의 C/L-band WDM 결합기를 사용, 4~5nm의 transition band를 허용하여 전체 64nm의 이득 대역폭을 확보하고 있는 실정이다. 이와 같은 구조의 EDFA는 이미 보편화되어 있는 형편이며 이를 사용하여 많은 WDM 전송 실험이 수행되고 있고, 이미 상용 시스템도 선보이고 있다[11~14].

2. Tellurite-based EDFA

Silica-based EDF나 fluoride-based EDF에서 보다 더 넓은 대역폭을 얻고자 하는 노력으로 tellurite-based EDF에 대한 연구가 1996년 이후로 일본을 중심으로 활발해지기 시작하였다. 일반적으로 희토류 이온의 전기 쌍극자 전이에 의한 stimulated emission cross section(σ)은 유리의 굴절률 (n)과 다음과 같은 관계식이 성립한다[15].

(1)

따라서 호스트 물질의 굴절률이 높으면 σ도 커지게 되어 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 호스트에서보다 더 넓은 이득 대역을 얻을 수 있는 가능성이 있게 된다. 굴절률이 2가 넘는 Tellurite 유리가 관심을 끌게 된 것은 바로 이러한 이유 때문이다. Al이 첨가된 실리카 광섬유, fluoride 광섬유, 그리고 tellurite 광섬유에서의 에르븀 이온의 emission cross section은 (그림 6)과 같다.

이러한 tellurite 광섬유를 이용하여 처음으로 WDM용 광대역 증폭기가 소개된 것은 OFC’97에서 NTT 연구 그룹에 의해서 였다[17]. Mori등은 이 논문에서 소신호 이득 20dB를 넘는 대역폭이 80nm에 육박함을 보였으며 단지 입력 신호의 증가에 의한 이득의 포화 현상에 의해 이득 편차 1.5dB 이하의 평탄 이득 대역폭 75nm를 1,535~1,610nm 사이에서 얻을 수 있음을 보였다. 잡음 지수는 1,580nm에서 최소값 6dB를 가졌으며 전체적으로 7~8dB 이내의 양호한 값을 가졌다. 같은 그룹의 Yamada 등은 여기에 네가지 서로 다른 FSR을 갖는 Mach-Zehnder 필터를 이득 평탄화 필터로 사용하여 3dB 선폭 76nm (1,532~1,608nm)의 tellurite-based EDFA를 발표하였다[3](그림 7). 이득 평탄화 시킨 후의 소신호 이득은 약 21dB 였으며 잡음 지수는 4.8~7.0dB 수준으로 낮았다. 이러한 저 잡음의 증폭기가 가능하게 된 것은 낮은 배경 손실을 가지는 tellurite-based EDF를 제작한 데다가, 저 잡음 silica EDFA에서와 같이 1단에 1,480nm 순방향 펌핑되는 짧은 길이(4m)의 EDFA를 설치하고 그 뒤에 광분리기를 설치한 후 비교적 긴 길이(10m)의 1,480nm 역방향 펌핑되는 2단 EDFA를 설치하였기 때문이다. Yamada 등은 여기에 1,450nm 대역에서 37nm의 이득 대역폭을 갖는 fluoride 계열의 Tm3+-doped 광섬유 증폭기를 tellurite-based EDF와 평행하게 연결하여 최대 113nm의 대역폭을 갖는 증폭기를 발표하였다[3]. 또한 1,480nm 펌프 LD로 양방향 펌핑한 tellurite-based EDF 앞단에 980nm 펌프 LD로 순방향 펌핑한 silica-EDF를 광분리기와 함께 연결한 복합 증폭기 구조를 통해 5dB 이하의 저 잡음지수를 갖는 증폭기를 선보이기도 하였다[18]. 이 때 이득 대역폭은 역시 Mach-Zehnder 필터를 사용하여 이득 평탄화 시킨 후 68nm(1,540~1,608nm)였다. 한편, KDD의 Nakai 등은 980nm를 펌핑 파장으로 사용하여 고 이득, 저 잡음을 갖는 tellurite-based EDFA를 시도하였으며, tellurite-based EDF의 재료적 관점에서의 기초 실험을 통하여 향후 발전 가능성을 제시하기도 하였다[19]. 또한 보다 최근의 WDM 응용면에서는 Mori 등이 1480nm에서 양방향 펌핑시킨 L-band 대역에서의 tellurite-based EDFA의 성능을 실리카 EDFA와 비교하였는데, PCE(power conversion efficiency)면에서는 비슷하나 대역폭 면에서 tellurite-based EDFA 쪽이 12nm 정도 더 넓어, 평행구조의 dual band EDFA에서도 tellurite-based EDFA가 장점을 가짐을 보였다. FBG를 이용한 이득 평탄화 필터 사용 후 이득 대역폭 50nm(1,560~1,610nm), 이득 25.3dB, 잡음지수 6dB 이하, 이득평탄도 0.6dB, 최대출력 20.5dBm(PCE=32.8%)을 얻었다[20].

현재 tellurite-based EDF는 상용화되어 판매되고 있기는 하지만, 실리카 EDF에 비하여 10배 이상 고가이며, 코어의 굴절률이 높아 일반 통신용 광섬유와의 저손실, 저 반사율 접속을 위해 NA가 큰 광섬유를 버퍼로 사용하고 TEC(Thermally-diffused Expanded Core) 방법, tilted V-groove connection 방법 등을 사용하여야 하는 단점이 있다[18, 21]. 따라서 현재로서는 기초 연구 단계 수준이라고 볼 수 있으며, 아쉽게도 3~4절에 언급할 광섬유 라만 증폭기에 비하여 큰 주목을 받고 있지는 못한 형편이다. 참고로 올해 개최된 OFC2000 학회에서는 tellurite-based EDFA에 대한 논문이 발표되지 않았다.

3. Praseodymium-DFA와 Thulium-DFA

에르븀 외의 다른 희토류 이온을 광섬유에 첨가함으로써 1.5㎛ 이외의 다른 대역에서의 증폭기 개발 연구도 진행되고 있는 가운데, 현재 가장 유력시 되고 있는 두가지 물질이 Pr (praseodymium)과 Tm(thulium)이다. (그림 8)은 1.3~1.7㎛ 대역에서 이들 희토류 첨가 광섬유 증폭기에서의 소신호 이득을 비교한 것인데, 그림에서 알 수 있는 바와 같이 PDFA(Pr-doped fiber amplifier)는 주로 1.3㎛, TDFA(Tm-doped fiber amplifier)는 1.46㎛와 1.65㎛ 대역의 광신호를 증폭시킬 수 있다.

잘 알려진 바와 같이 WDM 시스템 기술이 오늘날과 같이 현실화되기 이전에 이미 일반 통신용 광섬유의 영분산 영역인 1.3㎛ 대역이 지상 광통신망에 보편화 되었다. 그러나 적당한 증폭기의 부재로 말미암아, EDFA에 힘입은 1.5㎛ 대역의 빠른 성장에 그동안 뒤쳐지고 말았다. 그러나 서론에서도 언급한 바와 같이 EDFA가 담당하지 못하는 통신 대역의 관심이 새롭게 부각됨에 따라 1.3㎛ 대역의 증폭기 개발 역시 다시금 관심을 끌게 되었다. 1.3㎛ 대역의 증폭기로서 가장 유력시 되는 후보인 PDFA는 1990년대 초부터 일본의 NTT에서 연구되었다. Pr의 에너지 준위는 (그림 9)와 같으며, 여기서 1.3㎛ 대역의 증폭에 관여하는 전자 천이는 1G4 → 3H5이다. 그런데 그림에서도 알 수 있는 바와 같이 윗준위의 전자들은 multiphonon relaxation 과정을 통해 3F4 준위로 천이하기 때문에 효율적인 광증폭이 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 따라서 주 관심사는 광섬유의 호스트 물질로서 phonon 에너지가 낮은 것을 사용하는 것이었다. 그 결과 실리카 광섬유 보다는 fluoride 계열의 광섬유를 사용하여야 하며, 현재 가장 적합한 것은 InF3-based fluoride 광섬유인 것으로 알려져 있다[22, 23]. 펌핑에는 (그림 9)에서 보듯이 파장 1.02㎛ 부근의 레이저가 필요하므로 그동안은 Nd:YLF 레이저나 MOPA 구조의 고출력 레이저를 사용하였다. 따라서 시스템 응용시 모듈의 크기가 문제가 되었다. 이 문제점 역시 같은 그룹의 Sugo, Tommyo 등에 의하여 이 파장 대역에서 동작하는 고출력 LD가 개발되면서 해결되었다[24, 25]. PDFA의 전형적인 이득 및 잡음지수 특성은 (그림 10)과 같다. 소신호 이득의 경우, 증폭 대역폭은 3dB 기준으로 약 26nm(1,290~1,316nm) 이며 이득 포화가 일어나면서 대역폭이 증가하여 ?3dBm 입력일 때 약 33nm 임을 볼 수 있다. 잡음지수가 파장에 따라 증가하는 것은 PDF의 ground sate absorption 때문인 것으로 알려져 있다. PDF에 관한 가장 최근의 결과는 프랑스의 니스에서 있었던 ECOC’99에서 Mori 등에 의해 발표되었는데, FBG 형태의 이득 평탄화 필터를 사용하여 20nm(1,290~1,310nm)의 증폭 대역폭을 얻었으며, 소신호 이득 28dB, 잡음지수 7.5dB 이하, 이득 편차 1dB 이하의 값을 얻었다[22].

한편, TDFA는 1.46㎛ 대역의 S+-band의 증폭기로서 개발되어 왔으며 이 또한 실리카 광섬유에서보다는 fluoride 계열의 광섬유에서 효과적인 것으로 알려져 있다. Tm 이온의 에너지 준위는 (그림 11)과 같다. 여기서의 문제점은 증폭 대역 천이의 위 준위인 3H4 준위의 lifetime이 1.7ms 정도로, 아래 준위인 3F4 준위의 lifetime 11ms 보다 짧아 밀도 반전이 이루어지기 어렵다는 사실이다[29]. 따라서 아래 준위의 전자들을 효과적으로 없앨 수 있는 방법이 요구된다. 또다른 문제점은 펌핑 대역인 3H4와 3H6 사이의 천이에 의한 0.8㎛ 대역의 ASE (Amplified Spontaneous Emission)가 효율을 감쇄 시킨다는 사실이다[29]. 이 가운데 첫번째 문제점은 광섬유에 다른 이온을 첨가 시켜 각 에너지 준위의 lifetime을 변화시켜 주거나 (그림 11)과 같이 1.04~1.06㎛ 파장 대역의 upconversion 펌핑(또는 2-stage 펌핑)으로 해결할 수 있다[29]. 이 가운데 upconversion 펌핑 방법을 사용한 경우가 0.8㎛ 대역의 ASE를 작게 유지시킬 수 있어 PCE 면에서 보다 효율적인 것으로 결론 지어졌다[29]. Sakamoto 등은 이러한 upconversion 펌핑 방법을 적용하여, LD로 펌핑한 Nd:YLF 레이저를 펌핑 광원으로 사용한 ZBLAN 광섬유 TDFA를 선보였다[28]. FBG 형태의 이득 평탄화 필터를 중간에 삽입하는 형태의 2단 증폭구조에서 (그림 12)와 같이 평탄 이득 대역폭 34nm(1,451~1,485nm)를 얻었으며, -13dBm의 입력 신호 세기에서 평탄 이득 22dB, 이득 평탄도 1dB 이하, 그리고 잡음지수 6dB 이하의 성능을 얻을 수 있었다.

한편, 프랑스 Alcatel의 Roy 등은 1,064nm 양방향 펌핑을 통해 효율을 5dB 정도 증가시킬 수 있으며, 1,117nm와의 복합 펌핑을 통해 대역폭을 5nm 정도 넓히고 또한 이득 중심 파장을 16nm 정도 이동시킬 수 있음을 보고하였다[30].

NTT의 Yamada 등은 이러한 1,460nm 대역의 TDFA를 tellurite-based EDFA와 평행 구조로 연결하여 3dB 대역폭이 무려 113nm에 이르는 초광대역 증폭기를 발표하기도 하였다[3]. 이때 TDFA의 선폭은 37nm(1,446~1,483nm), tellurite-based EDFA는 76nm(1,532~ 1,608nm)였으며, 소신호 이득 20dB에 잡음지수 7.5dB 이하를 얻었다. 또한 Kani 등은 TDFA, C-band EDFA, 그리고 L-band EDFA, 세 밴드를 하나로 묶어 이들 세 영역의 WDM 신호가 전송될 때 일어나는 interband 비선형 현상을 분석하기도 하였다[31].

TDFA는 앞서 언급한 것처럼 1,460nm 대역의 증폭 뿐만 아니라 1,650nm 대역의 신호 또한 증폭 시킬 수 있다. 이 경우에는 1.2㎛ 대역(3H6 → 3H5)의 펌핑을 통해 1.6~2.0㎛ 대역(3F4 → 3H6)에서 이득이 생기게 된다. 이 대역 역시 ASE의 증가로 말미암아 효율적인 증폭을 얻기 위해서는 Tb(terbium)과 같은 이온을 첨가해 주어야 한다[29].

4. Fiber Raman Amplifier

광섬유 라만 증폭기(FRA, fiber Raman amplifier)는 실리카 광섬유의 경우 펌핑 광원의 파장에 대하여 13.5THz의 이동된 주파수 위치에서 40THz에 이르는 매우 넓은 범위에서 이득을 갖게 된다. 1,550nm에서 3dB 이득 대역폭은 40~60nm에 이르며 이득 평탄화 필터를 사용하지 않고도 10~20nm의 넓은 대역폭을 1dB 이내에서 얻을 수 있다[32]. 현재까지 초광대역 광증폭에 있어서 라만 증폭 기술은 크게 미국의 Lucent Technologies, 일본의 NTT, 영국의 Imperial College, 러시아의 General Physical Institute 등에서 주도적으로 개발해왔으나, 라만 펌핑에 사용할 수 있는 고출력 펌프 LD의 제작 및 보급과 더불어 라만 증폭기의 용도가 증폭 대역의 확장으로부터 전송 거리의 확장 개념으로 옮겨가기 시작하면서 급속히 보편화 되기 시작하였다. 이러한 사정은 최근 개최된 OFC2000에서도 여실히 드러나 라만 증폭기와 관련된 발표 논문이 20여 편에 육박하였으며, 특히 EDFA/FRA의 복합 구조를 가지는 증폭기를 채택한 전송 실험이 눈에 띄게 증가하였다. 상용 WDM 시스템에도 FRA를 이미 적용하고 있으며 광섬유 라만 레이저, 라만 펌프 LD 등의 상용품이 이미 시판되고 있는 실정이다[33]. FRA의 장점으로는 EDFA에서와 같이 이득을 얻기 위해 특수한 광섬유가 필요치 않고, 특정 파장의 펌핑 광원이 존재할 경우 어떠한 신호 대역에서도 이득을 얻을 수 있고, 이득 대역폭이 넓고, 입력 펌프가 없을 경우에도 부가적인 손실이 없으며, 분포형 이득이 가능하고 이 경우 잡음이 작다는 점 등을 들 수 있다. 단점으로는 충분한 이득을 얻기 위해 필요한 광섬유의 길이가 EDF에 비하여 100배 이상 길어야 하고, 고출력 펌핑 광원이 필요하며, 펌핑광과 신호광 사이의 crosstalk, double Rayleigh 산란에 의한 잡음 등을 지적할 수 있다.

FRA의 이득이 어느 정도 되는지 감을 잡기 위해 계산을 해 본다면, 단일 파장 펌프에 대하여 유효단면적 50㎛2(mode field diameter ~8㎛에 해당)인 실리카 광섬유 1km의 경우, 파장 1.55㎛에서 최대 라만 이득 계수를 6×10-14m/W로 가정할 때 펌핑광 1W에 대하여 ON/OFF 이득은 약 5dB 정도이다[32]. 여기서 ON/OFF 이득은 신호가 1km의 광섬유를 지나는 동안 감쇄된 것을 고려하는 것으로 펌프를 껐다가 켰을 때 출력단에서 신호가 얼마나 커지는 가를 의미한다. 즉, 광섬유의 감쇄율이 0.2dB/km인 경우, EDFA와 같은 discrete 증폭기 개념의 입출력에 대한 이득은 약 4.8dB가 되는 것이다.

미국 Tyco submarine의 Rottwitt 등은 200mW 대의 1,453, 1,495nm 두 가지 파장을 역방향 펌핑 광원으로 사용하여 45km DSF로부터 92nm(1,516~1,608nm)에 이르는 대역폭에서 무손실 전송이 가능함을 처음으로 보였다(그림 13). 일반적으로 FRA에서는 펌프광과 신호광 사이의 crosstalk을 줄이기 위해 역방향 펌핑을 사용하는 것이 유리한 것으로 알려져 있다[34]. 이 때 사용한 펌핑 광원은 고출력 LD로 펌핑한 double cladding Yb 첨가 광섬유 레이저를 사용하여 펌핑시킨 cascade 광섬유 라만 레이저 였다[35]. 참고로 cladding-pumped Yb-doped 광섬유 레이저는 820~1,060nm 대역의 수 W 이상의 고출력 LD로 펌핑이 가능하며 레이저의 경사효율이 80%에 육박하기 때문에 975~1,150nm의 고출력 광원을 얻을 수 있다. 이 광원으로부터 1,550nm 대역의 라만 이득을 얻기 위한 1,450nm 대역의 펌핑광원을 얻기 위해서는 FBG나 WDM 광결합기로 라만 레이저 공진기를 구성하여 순차적으로 라만 레이저를 발생시킨다. 이것을 cascaded 광섬유 라만 레이저라고 한다. 이 경우 1,117nm의 Yb 광섬유 레이저 펌핑으로부터 얻을 수 있는 1,480nm의 광섬유 라만 레이저 출력의 경사효율은 46%에 달하는 것으로 보고되었다[36]. 사실상 FRA 기술의 난제 중 하나로 여겨졌던 고출력 펌핑 광원의 부재 문제가 이로써 해결이 된 셈이었다. 이러한 고출력 cascaded 광섬유 라만 레이저를 이용한 FRA는 미국의 Lucent Technologies, Tyco Submarine Systems, 러시아의 General Physical Institute, 그리고 영국의 Imperial College 등에서 선두적으로 개발하여 이미 FRA을 이용한 1.3㎛와 1.5㎛ 대역의 단일 채널 또는 다채널 WDM 전송 실험을 수행되고 있으며[37~43], 다중 펌핑에 의한 1,550nm 대역의 초광대역 FRA의 개발도 본격화되고 있다[44-46]. 현재 이러한 고출력 펌핑 광원은 SDL과 IRE POLUS 등에서 상용품을 판매하고 있다.

한편, 일본에서는 고출력 펌핑용 광원의 개발보다는 넓은 증폭 대역을 얻기 위한 다파장 펌프 LD의 다중화에 중점을 두었다. Furukawa의 Tanaka 등은 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기술을 이용한 MZI(Mach-Zehnder interferometer)를 사용하여 파장이 7.5nm 간격으로 떨어져 있는 FBG로 안정화된 좁은 선폭의 펌프 LD 8개를 묶을 수 있는 장치를 고안하였다[47]. 같은 그룹의 Emori 등은 같은 방법으로 각각 편광 결합된 12개의 펌프 파장을 다중화 시켜 총 2.2W의 출력을 갖는 라만 펌프 모듈을 개발하였고[48], 이를 통해 100nm의 대역폭을 갖는 FRA를 발표하였다. 이득은 SMF 25km에서 약 2dB, RDF(reverse dispersion fiber) 20km와 DSF 25km에서 6~7dB였다(그림 14). 여기서 한가지 흥미로운 사실은 이와 같은 WDM 펌핑시 펌프 파장 상호간의 라만 증폭 효과 때문에 1,550nm 대역의 평탄한 이득을 얻기 위한 개별 펌프의 세기가 단파장일수록 커야 한다는 사실이다.

NTT의 Masuda 등은 FRA를 EDFA와 병행하여 사용함으로써 보다 넓은 대역폭을 갖는 혼합형 광증폭기를 개발하였고 그동안 발표한 결과들을 OFC2000에서 정리 발표하였다[49]. Masuda 등은 주로 1,470~1,505nm 사이의 펌프 LD 두 개를 편광 결합한 후 역방향 또는 순방향으로 펌프/신호 WDM 결합기나 광순환기 등을 사용하여 펌핑하였다. 이러한 방법을 사용하여 얻은 대역폭은 82.8nm로(그림 15), 1.51㎛에서 200mW로 역방향 펌핑한 DSF 50km, 1.48㎛에서 100mW로 순방향 펌핑한 fluoride EDFA 2.0m, 1.48㎛와 1.51㎛에서 각각 100mW, 200mW로 양방향 펌핑한 DSF 50km, 그리고 1.48㎛에서 100mW로 순방향 펌핑한 실리카 EDFA 2.5m를 사용하였다[50]. 또한 1,530nm 이하의 대역과 1,540nm 대역을 나눈 두 밴드의 평행 구조를 사용하여 132nm의 전체 증폭 대역폭을 얻기도 하였다[51].

FRA의 응용은 지금까지 언급한 전송로의 손실을 보상하기 위한 증폭기로써의 역할 뿐 아니라 분산 보상 광섬유(DCF, dispersion compensating fiber)의 손실을 보상하기 위한 역할에도 사용되고 있다. DCF는 코어의 직경이 작기 때문에 작은 펌프 출력으로도 큰 라만 이득을 얻을 수 있는 장점이 있다. DCF는 손실이 크기 때문에 전송에 있어서는 이러한 DCF의 위치를 2단계로 나누어진 EDFA의 중간에 둠으로써 손실을 보상하는 기법을 많이 사용한다. 손실이 없는 DCF를 사용할 경우 EDFA의 구조가 간단해 지며 저가의 EDFA를 만들 수 있는 가능성이 있다. 이러한 무손실 DCF에 대한 연구에 대하여는 여기서는 더 이상 언급하지 않고 참고 문헌 [52~54]을 소개하는 것으로 대신한다.

마지막으로 최근의 FRA을 이용한 다채널 WDM 전송의 동향을 살펴보면, 우선 Lucent Technologies의 Neilsen 등은 증폭기로써 DCF와 이득 평탄화 필터를 포함하는 dual C/L-band EDFA와 1,447nm 600mW, 1,485nm 220mW로 역방향 라만 펌핑한 NZ-DSF(nonzero-DSF)를 사용하여 100GHz 간격의 40Gb/s, 40(C-band) + 42(L-band) 채널을 NZ-DSF를 통해 총 300km 전송한 결과를 발표하였다[11]. 이 때 FRA와 EDFA에 의한 최대 이득은 C-band에서 25dB, L-band에서 24dB였다. 신호 채널의 대역폭은 C-band의 경우 31.1nm(1,530.7~1,561.8nm), L-band의 경우 34.5nm(1,570.42~1604.88nm)였고 총 전송용량은 3.28Tb/s였다. Lucent Technologies의 Srivastava 등은 1,480nm 펌프 LD 두 개를 편광 결합기로 결합하여 NZ-DSF 100km 이상을 역방향 라만 펌핑하고 다시 L-band EDFA를 통해 신호를 증폭하여 25GHz 채널 간격의 10Gb/s 100채널을 400 km 전송하였다[55]. 그는 이미 이러한 상용 1,480nm 펌프 LD를 사용한 라만 펌핑을 통해 4~5dB의 OSNR 향상이 있음을 보고한 바 있다[5]. 이것은 스팬 거리를 증가시킬 수 있어 보다 장거리 전송 또는 같은 전송 거리 내의 증폭기 수의 감소 효과를 가져다 주는 이점이 있다. 펌프 세기 22dBm에 대하여 최대 라만 증폭 이득은 1,585nm에서 10dB 였으며, EDFA의 경우 최대 출력 18.6dBm, 이득 25dB, 잡음지수 6.8dB, 이득 편차 1.5dB 이내에 대역폭 29nm였다. 그리고 전송에 사용한 신호의 대역은 20.7nm(1,570.9~1,591.6nm)였다.

일본 Fujitsu lab.의 Terahara 등은 역시 dual band C/L-band EDFA와 함께 1.44㎛ (170mW)와 1.48㎛(120mW) 펌프 파장을 편광 결합하여 역방향 펌핑한 FRA을 증폭기로 사용하여 50GHz 채널 간격의 10.66Gb/s 128 채널을 SMF를 통해 840km(6×140km) 전송하였다[13]. 이 때 FRA의 평균 이득은 5.8dB(C-band), 5.4dB(L-band)였다. 그 밖에도 C-band 대역에서도 전송로를 라만 펌핑하여 시스템의 성능을 개선한 결과들이 보고되었다[56~59].

IV. 결 론

지금까지 기존의 EDFA의 성능을 능가하는 초광대역 광증폭 기술에 대한 세계적 동향을 주로 최근에 개최된 광통신 관련 학회와 저널 논문들을 통하여 살펴보았으며, 그 가운데는 dual C/L-band EDFA, tellurite-based EDFA, Tm-DFA, Pr-DFA, 그리고 FRA 등이 있었다. 이 가운데 WDM 시스템의 측면에서 앞으로 계속해서 주목을 받을 것은 dual C/L-band EDFA와 또한 이와 결합된 FRA가 될 것으로 보인다. 100nm 이상의 광증폭 대역을 얻기 위해서는 FRA의 도입이 불가피하며, 100nm를 훨씬 뛰어 넘는 증폭 대역을 필요로 할 경우, 다른 밴드와의 밴드 다중화를 통한 평행 구조로 가는 것이 가능할 것이다. 그러나 현재의 기술적 동향으로 볼 때 대역폭의 확장 보다는 기존의 EDFA와 C/L-band EDFA의 대역폭 안에서 채널 간격을 줄여 DWDM으로 향하는 것과 함께 distributed FRA를 함께 채택하여 링크 마진을 확장시켜 나가는 것이 경제성과 함께 기술적 난이도를 해쳐가는 주된 방향이 될 것으로 보인다.

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