KR0138960B1 - 고효율 광섬유 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광출력 변환요율을 높일 수 있는 고효율 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 고효율 광섬유 증폭기를 경제적으로 제공하기 위하여, 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 이득매질로 하고, 광 아이솔레이터(4, 11), 파장선별결합기(6), 여기용 반도체레이저(2, 3)를 구비한 광섬유 증폭기에 있어서, 이득매질을 2단으로 분리시켜 전단 광섬유 증폭기(1)는 고이득, 후단 광섬유 증폭기(10)는 저이득을 갖도록 하여 출력단(9)의 광 아이솔레이터와 파장선별결합기를 제거하여 경제적으로 고효율 광섬유 증폭기를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

고효율 광섬유 증폭기

제1도는 종래의 광섬유 증폭기의 구성도

제2도는 종래의 2단 광섬유 증폭기의 구성도

제3도는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 일실시예 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 10: 희토류 첨가 광섬유 2, 3: 여기용 반도체 레이저

4, 5, 11: 광 아이솔레이터 6, 7: 파장선별결합기

8: 입력단 9: 출력단

본 발명은 종래의 희토류 첨가 광섬유 증폭기의 구성 방법인 역방향 여기 방식이나 양방향 여기 방식에 비해 광출력 변환 효율을 높일 수 있는 고효율 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

최근 광통신 시스템에서는 일반 석영계 광섬유의 최저손실 대역인 1,550nm영역에서 무중계 장거리 전송을 위해 희토류 원소인 에르븀이 첨가된 광섬유 증폭기의 사용이 매우 활발하다.

광섬유 증폭기는 사용 목적에 따라 송신단의 출력을 높여주는 광전력 증폭기, 수신단의 수신감도를 높여주는 광전치 증폭기, 및 전송로의 손실을 보상해 주는 광선로 증폭기로 구분되며, 구조적으로는 제1도에 도시한 바와 같이 순방향 여기, 역방향 여기, 및 양방향 여기 구조를 가진다.

제1A도에 도시한 순방향 여기 구조는 전류로 구동되는 여기용 반도체 레이저(2)의 출력이 파장선별결합기(6)를 통해 입력 신호광과 같은 방향으로 전파되어 이득매질인 에르븀이 첨가된 광섬유(1)의 에르븀 원자들을 여기 상태로 여기시킨 후, 입력광에 의해 에르븀 원자들이 기저 상태로 천이되면서 일어나는 유도 방출에 의해 증폭된 신호광을 얻을 수 있다. 그리고 입,출력단(8,9)에는 광 아이솔레이터(4, 5)를 설치하여 불필요한 발진을 제거시켜 준다.

제1B도에 도시한 역방향 여기 구조는 신호광과 여기광의 진행방향이 반대라는 점과 제1C도에 도시한 양방향 여기 구조에서는 순방향과 역방향 여기를 동시에 구현한다는 차이만 있을 뿐 동작원리는 모두 제1A도와 동일하다.

이러한, 광섬유 증폭기에서 고려해야 할 가장 중요한 점은 에르븀 광섬유로 공급되는 여기광 출력이 증폭된 신호광으로 얼마나 변환되었는가를 나타내는 광출력 변환 효율이다.

광섬유 증폭기에서 광출력 변환 효율이 높을 경우에 보다 적은 여기광 출력으로도 동일한 광출력을 얻을 수 있으므로 여기 광원이 수명을 높일 수 있으며, 또한 여기광 출력이 줄어든 만큼 구동 전류도 줄어들기 때문에 경제적으로도 유리한 점이 있다.

광출력 변환 효율을 높이기 위해서는 고효율 특성을 가지는 에르븀 광섬유를 사용하여야 한다. 그리고, 출력단 부근에서 여기광의 세기가 최대가 되어야 하기 때문에 구성 방법상으로는 역방향 여기 방식과 양방향 여기 방식이 주로 사용되었다.

그런데, 이러한 구조에서는 제1도에 나타난 바와 같이 파장선별결합기(7)와 광아이솔레이터(5)가 광섬유 증폭기의 출력단(9)에 위치하고 있어 이들의 삽입손실(일반적으로 각각 1dB만큼 실제로 얻을 수 있는 광출력 변환 효율이 감소하게 되는 문제점과 이로 인하여 경제성이 떨어지는 문제점이 있었다.

반면에 출력단(9)의 광 아이솔레이터(5)를 단순하게 제거하면 에르븀 광섬유(1)에서의 높은 이득으로 인해 불필요한 발진이 발생되어 광섬유 증폭기의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 출력단(9)의 파장선별결합기(7)에 의한 삽입손실을 제거하기 위해 제1A도와 같이 파장선별결합기(6)를 입력단(8)에 위치하도록 하고 순방향 여기를 할 경우에 여기광이 에르븀 광섬유(1)에서 대부분 흡수되어 출력단(9) 부근에서는 여기광 세기가 미약해져서 높은 광출력 변화 효율을 기대할 수 없는 문제점이 있었다.

제2도는 종래의 광전치 증폭기용 2단 광섬유 증폭기의 구성도이다.

먼저, 1단 광섬유 증폭기에서는 전류로 구동되는 여기용 반도체 레이져(2)의 출력이 파장선별결합기(6)를 통해 입력 신호광과 같은 순방향으로 전파되어 이득매질인 에르븀이 첨가된 광섬유(1)의 에르븀 원자들을 여기 상태로 여기시킨 후, 입력광에 의해 에르븀 원자들이 기저 상태로 천이되면서 일어나는 유도 방출에 의해 증폭된 신호광을 얻을 수 있다.

다음으로, 2단 광섬유 증폭기에서는 전류로 구동되는 여기용 반도체 레이저(3)의 출력이 파장선별결합기(6)를 통해 1단 광섬유 증폭기의 출력광과 같은 순방향으로 전파되어 이득매질인 에르븀이 첨가된 광섬유(10)의 에르븀 원자들을 여기 상태로 여기시킨 후, 1단 광섬유 증폭기의 출력광에 의해 에르븀 원자들이 기저 상태로 천이되면서 일어나는 유도 방출에 의해 증폭된 신호광을 얻을 수 있다.

그리고, 1단과 2단 광섬유 증폭기 사이 및 입, 출력단(8,9)에는 광 아이솔레이터(11, 4, 5)를 설치하여 불필요한 발진을 제거시켜 준다.

따라서, 제2도와 같은 종래의 광섬유 증폭기에서는 실질적인 광출력 변환 효율을 높이기 위해 출력단(9)의 광 아이솔레이터(5)를 제거할 경우에 후단의 이득이 전단의 이득보다 높기 때문에 발진이 일어나서 광섬유 증폭기로서의 사용이 불가능하므로 출력단(9)의 광 아이솔레이터(5)를 제거할 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 파장성별 결합기(6)를 입력단에 위치하도록 하고 순방향 여기를 할 경우에 여기광이 에르븀 광섬유(10)에서 대부분 흡수되어 출력단(9) 부근에서는 여기광 세기가 미약해져서 높은 광출력 변환 효율을 기대할 수 없는 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 전단을 고이득, 후단을 저이득으로 구성하여 출력단의 광 아이솔레이터와 파장선별결합기를 제거하므로써 높은 광섬유 증폭 효율을 얻을 수 있는 고효율 광섬유 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 입력단으로부터 입력되는 신호광을 순방향으로 전달하고 역방향의 발진을 방지하기 위한 제1발진 방지 수단; 상기 제1발진 방지 수단으로부터 입력되는 신호광을 고이득을 가지도록 증폭하기 위한 전단 광섬유 증폭 수단; 상기 전단 광섬유 증폭 수단으로부터 입력되는 증폭된 신호광을 순방향으로 전달하고 역방향의 발진을 방지하기 위한 제2발진 방지 수단; 및 상기 제2발진 방지 수단으로부터 입력되는 신호광을 저이득을 가지도록 순방향으로 여기시켜 증폭하기 위한 후단 광섬유 증폭 수단을 포함한다.

이하, 첨부된 제3도를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명에 따른 고효율 광섬유 증폭기의 일실시예 구성도이다.

본 발명은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기와 광 아이솔레이터를 다단으로 연결하여 구성할 수도 있다. 그러나, 제3도에서는 에르븀 광섬유(1, 10)의 중간에 광 아이솔레이터(11)를 삽입하여 2단으로 분리된 구조를 일예로 설명하고 있다.

먼저, 1단 광섬유 증폭기에서는 전류로 구동되는 여기용 반도체 레이져(2)의 출력이 입력단(8)으로부터 광 아이솔레이터(4)를 통해 입력되는 신호광과 같은 순방향으로 파장선별결합기(6)를 통해 전파되어 이득매질인 에르븀이 첨가된 광섬유(1)의 에르븀 원자들을 여기 상태로 여기시킨 후, 입력 신호광에 의해 에르븀 원자들이 기저 상태로 천이되면서 일어나는 유도 방출에 의해 증폭된 고이득의 신호광을 얻을 수 있다.

다음으로, 2단 광섬유 증폭기에서는 전류로 구동되는 여기용 반도체 레이져(3)의 출력이 1단계 광섬유 증폭기로부터 광 아이솔레이터(11)를 통해 입력되는 증폭된 신호광과 같은 순방향으로 파장선별결합기(6)를 통해 전파되어 이득매질인 에르븀이 첨가된 광섬유(10)의 에르븀 원자들을 여기 상태로 여기시킨 후, 1단 광섬유 증폭기로부터 입력되는 신호광에 의해 에르븀 원자들이 기저 상태로 천이되면서 일어나는 유도 방출에 의해 증폭된 저이득의 신호광을 얻어 출력단(9)으로 출력한다.

여기서, 1단과 2단 광섬유 증폭기 사이 및 입력단(8)에 설치된 광 아이솔레이터(11, 4)는 불필요한 발진을 제거시켜 주며, 2단의 출력단에는 광 아이솔레이터를 사용하지 않는다.

본 발명에 따른 고효율 광섬유 증폭기의 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

전단은 광전력 증폭기나 광선로 증폭기의 입력신호레벨인 0∼-10dBm에 대해 최적화되어 비교적 길이가 긴 에르븀 광섬유(1)와 입력단(8)의 광 아이솔레이터(4) 및 파장선별결합기(6)로 구성되어 순방향 여기로서 입력 신호광을 적절한 세기로 증폭시키는 역할을 한다.

후단에서는 전단에서 적절한 세기로 증폭된 신호를 대신호로 증폭하는 역할을 하게 되며, 이때 대신호에 의한 에르븀 광섬유(10)의 포화를 고려하면 그 길이는 전단의 1/2정도가 된다.

그러므로, 전단에서는 15dB의 비교적 높은 이득을 얻는데 비해 후단에서는 5dB정도의 낮은 이득을 얻게 된다. 따라서, 후단의 이득이 작기 때문에 출력단(9)의 광 아이솔레이터를 제거하여도 발진이 일어나지 않게 된다. 만약, 제2도에 도시된 2단 광섬유 증폭기의 전단과 후단을 역전시킬 경우에는 전단이 고이득, 후단이 저이득이 되기는 하지만 발진이 존재할 수 있으며, 반드시 전단과 후단의 이득을 15dB와 5dB수준으로 조절해 주어야 한다.

또한, 후단에 에르븀 광섬유(10)의 길이가 짧기 때문에 순방향 여기를 하더라도 출력단(9) 부근에서는 여기광 세기가 충분하다. 그러므로, 출력단(9)에 있던 파장선별결합기(7)와 광 아이솔레이터(5)가 제거되어 이들의 삽입손실로 인해 출력단에서 실제로 얻는 광출력 변환 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에서는 출력단의 광 아이솔레이터와 파장선별결합기를 제거할 수 있으며, 이에 따라 광 아이솔레이터와 파장선별결합기의 사용 개수를 획기적으로 줄일 수 있어 경제적이며, 또한 광 아이솔레이터와 파장선별결합기로 인한 삽입손실이 없으므로 높은 광출력 변환 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 입력단으로부터 입력되는 신호광을 순방향으로 전달하고 역방향의 발진을 방지하기 위한 제1발진 방지 수단; 상기 제1발진 방지 수단으로부터 입력되는 신호광을 고이득을 가지도록 증폭하기 위한 전단 광섬유 증폭수단; 상기 전단 광섬유 증폭 수단으로부터 입력되는 증폭된 신호광을 순방향으로 전달하고 역방향의 발진을 방지하기 위한 제2 발진 방지 수단; 및 상기 제2발진 방지 수단으로부터 입력되는 신호광을 저이득을 가지도록 순방향으로 여기시켜 증폭하기 위한 후단 광섬유 증폭 수단을 포함하여 이루어진 고효율 광섬유 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2발진 방지 수단과 상기 후단 광섬유 증폭 수단 사이에, 입력 신호광을 증폭하기 위한 광섬유 증폭 수단과 상기 광섬유 증폭 수단으로부터 입력되는 증폭된 신호광을 순방향으로 전달하고 역방향의 발진을 방지하기 위한 발진 방지 수단을 적어도 하나 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 증폭기.
3. 제1항에 있어서, 상기 전단 광섬유 증폭 수단의 이득은 실질적으로 15dB가 되도록 하고, 상기 후단 광섬유 증폭 수단의 이득은 실질적으로 5dB가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 증폭기.
4. 제1항에 있어서, 상기 후단 광섬유 증폭 수단의 광섬유 길이는, 실질적으로 상기 전단 광섬유 증폭 수단의 1/2인 것을 특징으로 하는 고효율 광섬유 증폭기.