본 논문에서는 라만 산란-기반 분포 온도 센서, 후방 산란 계수의 광학적 측정, 광 전송 시스템의 성능 향상을 위한 광섬유 라만 증폭기 (FRA)의 응용에 대한 연구를 수행하였다.
부호화된 광학적 시간 영역 반사계 (OTDR) 기술과 광학적 라만 증폭을 적용하여 성능이 ...

본 논문에서는 라만 산란-기반 분포 온도 센서, 후방 산란 계수의 광학적 측정, 광 전송 시스템의 성능 향상을 위한 광섬유 라만 증폭기 (FRA)의 응용에 대한 연구를 수행하였다.
부호화된 광학적 시간 영역 반사계 (OTDR) 기술과 광학적 라만 증폭을 적용하여 성능이 향상된 ‘자발광 라만 산란에 기반한 분포 온도 센서’를 구현한 후, 동작을 분석하였다. 특히, 측정가능거리 확장을 위한 심플렉스 부호화 기법과 순방향-펌핑 라만 증폭기의 적용 특성에 대하여 분석하였다. 255비트의 심플렉스 부호화를 적용하고 80mW의 낮은 출력을 갖는 레이져 다이오드를 사용하여, 분산-천이 광섬유 30km에 걸쳐서 17m의 거리 해상도와 5K의 온도 해상도를 갖는 효율적인 분포 온도 센서 시스템에 대해 분석하고 실험적으로 구현하였다. 또한 순방향-펌핑 라만증폭기를 사용한 고출력의 부호화된 펄스열을 적용하여 10km의 측정거리 향상을 이루어내어 총 40km의 측정 가능 거리를 갖는 고성능 광섬유 온도 분포 측정기를 개발하였다.
단일 포트 측정의 라만 증폭된 OTDR 신호 분석을 통하여 정확한 레일레이 후방 산란 계수를 측정하는 기법을 개발하였다. 레일레이 산란과 라만 증폭을 통해 측정이 가능해진 삼차 레일레이 산란을 측정한 후 그 둘의 상대적의 세기 비를 비교하여 기존 측정 기술에 존재하던 측정 오차를 없애고, 0.1dB 이내의 오차로 레일레이 산란 계수를 검출해낼 수 있음을 보였다. 또한 이 기술을 활용하여 대부분의 광섬유 라만 증폭기의 잡음 예측이 가능한 분석 기법을 개발하였다.
라만 증폭 전송 선로의 최적의 파라미터 설계와 그에 해당하는 Q 성능 지수를 효율적으로 찾는 알고리즘을 제시하였다. 비선형 위상 천이 (NPS)값을 디자인의 최우선 순위의 결정적인 파라미터로 여기고 이를 기반으로 나머지 파라미터를 결정하였다. 비선형 슈뢰딩거 방정식을 (NLSE) NPS의 값에 대하여 풀어내어 최적의 Q값을 찾았다. 따라서 다중 파라미터의 FRA 시스템 설계 문제를 매우 효율적이고 정확한 단일 차원 최적화 문제로 줄였다. 제시된 기법의 응용의 예로, 단일 채널 10Gb/s의 전송율을 갖는 2000km 전송 선로에서 설계 파라미터 (단일 모드 광섬유와 분산 보상 광섬유의 입력파워, 분산 라만 이득, 전방 라만 펌핑 비율)을 최적화 하는 과정을 보였다. 또한 펌핑 방향과 스팬 길이의 변화에 대한 펌프의 상대 세기 잡음(RIN) 요구조건 및 그에 해당하는 최적 설계 값의 변화에 대한 분석도 수행하였다. 기존의 최적화 기법에 비교하였을 때, 100km 스팬 길이에서는 1.16dB, 200km의 스팬 길이에서는 4.89dB의 Q 성능 지수 향상을 얻을 수 있었다. 이 기법을 파장 분할 다중화(WDM) 시스템에 적용하기 위한 라만 크로스토크 잡음의 영향에 대하여 분석하였고, WDM 시스템의 경우 실험치와 0.5dB이내의 오차를 갖는 정확도를 보여주었다.

연구결과:
부호화된 광학적 시간 영역 반사계 (OTDR) 기술과 광학적 라만 증폭을 적용하여 성능이 향상된 ‘자발광 라만 산란에 기반한 분포 온도 센서’를 구현한 후, 동작을 분석하였다. 특히, 측정가능거리 확장을 위한 심플렉스 부호화 기법과 순방향-펌핑 라만 증폭기 ...

연구결과:
부호화된 광학적 시간 영역 반사계 (OTDR) 기술과 광학적 라만 증폭을 적용하여 성능이 향상된 ‘자발광 라만 산란에 기반한 분포 온도 센서’를 구현한 후, 동작을 분석하였다. 특히, 측정가능거리 확장을 위한 심플렉스 부호화 기법과 순방향-펌핑 라만 증폭기의 적용 특성에 대하여 분석하였다. 255비트의 심플렉스 부호화를 적용하고 80mW의 낮은 출력을 갖는 레이져 다이오드를 사용하여, 분산-천이 광섬유 30km에 걸쳐서 17m의 거리 해상도와 5K의 온도 해상도를 갖는 효율적인 분포 온도 센서 시스템에 대해 분석하고 실험적으로 구현하였다. 또한 순방향-펌핑 라만증폭기를 사용한 고출력의 부호화된 펄스열을 적용하여 10km의 측정거리 향상을 이루어내어 총 40km의 측정 가능 거리를 갖는 고성능 광섬유 온도 분포 측정기를 개발하였다.
단일 포트 측정의 라만 증폭된 OTDR 신호 분석을 통하여 정확한 레일레이 후방 산란 계수를 측정하는 기법을 개발하였다. 레일레이 산란과 라만 증폭을 통해 측정이 가능해진 삼차 레일레이 산란을 측정한 후 그 둘의 상대적의 세기 비를 비교하여 기존 측정 기술에 존재하던 측정 오차를 없애고, 0.1dB 이내의 오차로 레일레이 산란 계수를 검출해낼 수 있음을 보였다. 또한 이 기술을 활용하여 대부분의 광섬유 라만 증폭기의 잡음 예측이 가능한 분석 기법을 개발하였다.
라만 증폭 전송 선로의 최적의 파라미터 설계와 그에 해당하는 Q 성능 지수를 효율적으로 찾는 알고리즘을 제시하였다. 비선형 위상 천이 (NPS)값을 디자인의 최우선 순위의 결정적인 파라미터로 여기고 이를 기반으로 나머지 파라미터를 결정하였다. 비선형 슈뢰딩거 방정식을 (NLSE) NPS의 값에 대하여 풀어내어 최적의 Q값을 찾았다. 따라서 다중 파라미터의 FRA 시스템 설계 문제를 매우 효율적이고 정확한 단일 차원 최적화 문제로 줄였다. 제시된 기법의 응용의 예로, 단일 채널 10Gb/s의 전송율을 갖는 2000km 전송 선로에서 설계 파라미터 (단일 모드 광섬유와 분산 보상 광섬유의 입력파워, 분산 라만 이득, 전방 라만 펌핑 비율)을 최적화 하는 과정을 보였다. 또한 펌핑 방향과 스팬 길이의 변화에 대한 펌프의 상대 세기 잡음(RIN) 요구조건 및 그에 해당하는 최적 설계 값의 변화에 대한 분석도 수행하였다. 기존의 최적화 기법에 비교하였을 때, 100km 스팬 길이에서는 1.16dB, 200km의 스팬 길이에서는 4.89dB의 Q 성능 지수 향상을 얻을 수 있었다. 이 기법을 파장 분할 다중화(WDM) 시스템에 적용하기 위한 라만 크로스토크 잡음의 영향에 대하여 분석하였고, WDM 시스템의 경우 실험치와 0.5dB이내의 오차를 갖는 정확도를 보여주었다.
활용방안:
라만온도센서관련해서는 대규모 교량, 오일파이프라인, 대규모 건축물의 분산센서로서 활용가능하다. 특히 코딩을 활용하여 광출력을 낮추었기에 저가로 구현이 가능하다. 후방 산란 수 측정은 이미 포설된 광선로에서 레일레인 산란 관련 특성등을 추출하기 위해 필요한 기술이다. 마지막으로 라만증폭 관전송시스템 설계 기술은 복잡한 수천km 라만 광전송로를 효율적으로 설계할 수 있는 기법을 제시한다.