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전송 선로 내의 잡음과 비선형 현상을 고려한 라만 증폭기의 최적화 디자인 (Optimal design of fiber Raman amplifier under the consideration of noise figure and nonlinear penalty in transmission line)
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00029
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2006년 08월 18일
Year type 결과보고
Year(final report) 2006년
Research result report
  • Abstract
  • There have been a significant number of studies done to increase the transmission capacity of optical system to cover the increasing traffic problem resulting from the exploding diffusion of the internet. The most efficient method to increase the capacity is wavelength division multiplexing (WDM). With WDM, the conventional transmission band have been extended to S and S+ bands toward the shorter wavelength, and L and L+ band in the longer wavelength. To enable broadband transmission over long distances, optical amplifiers must be able to amplify broadband channels simultaneously, and fiber Raman amplifier (FRA) is one of the most efficient optical amplifiers to be required in broadband transmission network to support the increased traffic, because it can support a flexible and wide gain bandwidth only by adding pump sources to the deployed transmission fibers. However, the most common techniques for FRAs modeling based on the coupled ordinary differential equation (ODE) require exhaustive computational efforts to achieve reasonable accuracies in the gain profile design of FRAs - as the interactions of pump waves inside the fiber make it difficult to predict the required pump power sets for the target gain profile.
    In this dissertation, we propose a simple algorithm for the precise engineering of multi-channel gain profile of Raman amplifier. By employing a linear approximation in the pump interaction calculation, together with a semi-empirical pump power correction using the simplistic output signal spectrum measurement, excellent gain engineering capability has been demonstrated for various target gain profiles.
    The above semi-empirical design method has limitations in terms of accuracy, because the iterative feedback by solving the Raman propagation equations is not used. Therefore, for more accurate and faster design, we introduced a closed integral form of coupled Raman equation set that can reduce the complex, multi-pump Raman gain design problem into a series of matrix calculations. By simultaneously implementing signal SRS (Stimulated Raman Scattering) effect and Raman integration in a single iteration step, we were able to achieve faster convergence with excellent accuracy.
    Furthermore, using the degree of freedom that various pump combinations can make the same gain profiles in bidirectional pumping condition, FRA design method enabling the simultaneous control of the gain and Noise Figure (NF) spectra, is proposed. By constructing the FRA with predetermined target forward / backward gain spectra, the spectral error function of NF is calculated, to determine the pump power combination satisfying both the targeting gain and NF spectra. The FRA gain / NF design in distributed FRA and discrete FRA within 0.1dB of accuracy is demonstrated for various shapes of target spectra in 10s’ seconds.
  • Research result and Utilization method
  • 본 연구에서는 전송 선로에 필요한 라만 증폭기의 이득 디자인에 대한 연구를 수행하였다. 라만 증폭기는 여러 개의 펌프를 이용해서 다양한 이득의 디자인 구현이 가능하다는 장점이 있지만, 긴 전송 선로 내에서의 복잡한 펌프들 간의 비선형 현상으로 인해 넓은 대역에 대한 원하는 이득 파형을 얻는 것은 복잡한 시뮬레이션을 풀어야 하고, 오랜 시간이 걸리게 된다. 게다가, 전송 선로의 입력단과 출력단에 두 방향에서의 펌프 입력을 통해서 증폭을 할 수 있기 때문에, 같은 이득 파형에 대해 다양한 펌프 조합 또한 가능하다. 본 연구에서는 기존의 다른 비슷한 선행 연구들에서 사용한 라만 전송 선로를 따라 가면서 결합된 ordinary differential equation을 직접 푸는 방법과는 다르게, 닫힌 적분 형태의 결합된 방정식을 도출해내고, 이의 행렬식 형태의 변형을 통해 빠른 디자인 시간을 얻을 수 있었다. 또한, 양방향 펌핑을 통해 다양한 조합으로 디자인 가능하다는 자유도를 이용하여, 라만 증폭기가 도입된 전송 선로에서의 잡음 및 비선형 현상의 분석을 이 디자인에 도입함으로써, 광대역 전송 선로에서의 시스템의 특성을 최적화 시키는 방향으로 이득 디자인을 수행하였다.
    이러한 빠른 계산이 가능한 새로운 시뮬레이션 기법의 개발을 바탕으로 한 디자인 방법을 통해서, 실제 시스템에 적용할 수 있는 디자인 알고리즘의 개발을 하였고, 이의 개선을 통해 설계된 증폭기를 이용해서 광전송로에서의 실험을 통해서 알고리즘의 검증과 실제 선로에의 적용 가능성에 대해 모색할 수 있다. 또한, 기존에 미흡했던 다채널 광대역 라만 증폭기 선로의 디자인에 대한 미비한 점들을 보완하고 단일 채널에서 만이 아니라 다채널에서 보다 효율적인 시스템을 디자인 하는 데에 도움을 줄 수 있을 것이다.
  • Index terms
  • Optical amplifier, fiber Raman amplifier, optimization method, gain design, noise figure design, Waveform relaxation method
  • List of digital content of this reports
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