KR0164606B1 - 광대역 신호 파장을 가지는 이중코어 능동 섬유 광증폭기 - Google Patents

광대역 신호 파장을 가지는 이중코어 능동 섬유 광증폭기 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

광대역 신호 파장을 가지는 이중코어 능동 섬유 광증폭기
제1도는 능동 섬유(active fiber)를 사용하는 광증폭기의 개략도.
제2도는 제1도에 도시된 개략도에 따른 증폭기에 사용되는 형태의 섬유에서의 형광성 도핑 물질의 에너지 전이의 개략도로서 그 에너지 전이는 전송 신호에서 유도(레이저) 방출을 발생시키기에 적합하다.
제3도는 Er3+가 도핑된 실리카 기초 광섬유의 유도방출 곡선도.
제4도는 본 발명에 따른 광증폭기의 개략적인 확대도.
제5도는 제4도의 선 V-V를 따라 취한 증폭기의 능동 섬유의 단면도.
제6도는 본 발명에 따른 능동 섬유 코어들의 파장에 종속한 광전파 상수의 그래프.
제7도는 2개의 코어사이의 광출력(luminous power)의 주기적 변동 곡선을 보여주는 본 발명에 따른 섬유 부분의 개략도.
제8도는 공통의 피복내에 다른 직경의 증폭용 코어 및 감쇠용 코어를 가지는 변형예의 광섬유 구조의 단면도.
제9도는 제8도의 섬유의 2개의 코어의 굴절률 분포(refractive index profile)를 개략적으로 보여주는 도면.
제10도는 제8도의 섬유의 증폭용 코어의 스펙트럼 이득 분포를 보여주는 단면.
제11도는 제8도의 섬유의 감쇠용 코어의 감쇠 분포를 보여주는 도면.
제12도는 2개의 코어의 광결합 분포(coupling profile)를 보여주는 도면.
제13도는 출력 전달 본포도(power transfer profile).
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 광섬유 2 : 신호 방출 레이져
3 : 다이크로익 커플러 11, 12, 101, 102 : 코어
본 발명은, 형광성 도핑 물질을 함유하여 송달된 광 전송신호의 증폭을 수행하고, 자연 방출(spontaneous emission)에 의해 내부에서 발생된 바람직하지 못한 파장을 가지는 방사를 제거하는데 적합한 광섬유에 관한 것이다.
희토류가 도핑된 코어를 가지는 광섬유가 광증폭기에 사용될 수 있음은 알려져 있다. 예를들어, 적절한 파장(예컨대 532, 670, 807, 980 또는 1490nm)의 펌프 소스(pump source)가 펌핑되는 에르븀 도핑 코어는 1550nm 통신 파장 영역의 광신호를 위한 진행파 증폭기로서 사용될 수 있다.
이들 섬유에는 실제로 특별한 파장을 가지는 광 소스가 공급될 수 있는바 그 특별한 파장을 도핑 물질 원자들을 여기 에너지 상태(excited energetic state) 또는 펌핑 대역으로 이동시킬 수 있으며, 그로부터 원자는 매우 짧은 시간내에 레이져 방출 상태로 자연적으로 감쇠하며, 그 상태에서 원자들은 비교적 더 긴 시간동안 지속한다.
방출 레벨의 여기 상태에 있는 대단히 많은 수의 원자를 가지는 섬유를 그러한 방출 레이저 상태에 상응하는 파장을 가지는 발광 신호가 교차하면, 그 신호는 여기된 전자들을 그 신호와 같은 파장을 지니는 더 낮은 광 방출 레벨로 전이시킨다. 그러므로, 이 종류의 섬유는 광신호 증폭을 성취하기 위하여 사용될 수 있다.
원자의 감쇠는 여기 상태에서 시작해 역시 자연적으로 발생할 수 있는바, 이는, 유도 방출과 오버랩하여 증폭 신호에 상응하는 백그라운드 노이즈를 형성하는 불규칙 방출(random emission)을 발생시킨다.
광 펌핑 에너지는 도핑 또는 능동 섬유내로 주입함으로써 발생되는 광방출은, 섬유의 형광 스펙트럼에 대한 기원(origin)을 제공하기 위하여 도핑 물질의 특성을 나타내는 몇가지의 파장에서 나타낸다.
높은 신호대 노이즈비와 함께 상기 형태의 섬유로 최대 신호 증폭을 성취하기 위하여, 광 통신에 있어서, 사용된 도핑 물질을 합체하는 섬유의 형광 스펙트럼 곡선의 최대치에 해당하는 파장을 가지는 레이저 방출기에 의해 발생된 신호가 보통 사용된다.
특히, 광통신 신호 증폭과 관련된 경우, 에르븀(Er3+)이 도핑된 코어를 가지는 능동 섬유를 사용하는 것이 편리하다.
그러나, 전술된 형태의 증폭기에서의 에르븀 도핑 코어의 스펙트럼 이득 분포는 2개의 이득 대역(gain band)을 특징으로 한다. 하나의 좁은 이득 대역의 중심은 1530nm 근처이고 제2의 더 넓지만 더 낮은 레벨의 중심은 1550nm 근처이다.
이득 대역들의 피크(peak)파장 및 스펙트럼 폭은 코어의 호스트 유리(host glass)의 조성에 종족한다.
예컨대, 에르븀과 게르마니아가 도핑된 실리카 코어는 1536nm에서 더 높은 이득 대역 피크 파장을 가지며, 에르븀과 알루미나가 도핑된 실리카 코어는 1532nm에서 더 높은 이득 대역 피크 파장을 가진다.
두 경우에 있어서, 더 높은 이득 대역은 약 3 내지 4nm의 3dB 라인폭(linewidth)을 가지며, 더 낮은 레벨의 이득 밴드는 호스트 유리 조성에따라, 약 30nm의 3dB 라인폭으로 더 넓다. 전자의 이득 대역은 후자보다 더 큰 이득을 나타내지만 신호가 매우 안정하고 엄밀하게 지정된 중심 파장을 가지도록 증폭될 필요가 있다.
이는, 한정된 공차로 잘 한정된 파장으로 작동하는 레이저 방출기를 전송 신호 소스로서 사용할 것을 지시하는 바, 그러한 공차 한계를 초과하는 신호는 적절히 증폭되지 않으며, 동시에, 이 피크 파장에서 강한 자연 방출이 발생하게 되는바, 이는 전송질을 상당히 손상시킬 수 있는 백그라운드 노이즈를 발생시킨다.
에르븀 방출 피크에서 작동하는 상기 특징을 가지는 레이저 방출기는 그러나 제조하기가 어렵고 비싼 반면에 현재의 산업적 생산으로 반도체 레이저(In, Ga, As)같은 레이저 방출기를 제공하는 바, 그 방출기는 통신용으로 적합하게 하는 몇가지 특징을 나타내지만 방출 파장과 관련하여 오히려 더 큰 공차를 가지는 바, 그러므로 적은 수의 이러한 종류의 레이저 방출기만이 상기 피크 파장에서 방출한다.
가령 해저 통신과 같은 몇가지 용도에 있어서, 증폭기 섬유의 레이저 방출 피크에 엄격하게 근접해서 방출하는 것들만 사용하기 위하여, 예컨대 상업적 품질의 레이저로부터의 정밀한 선택을 통해서 얻어진 잘 한정된 파장 값에서 작동하는 전송 신호 방출기를 선택적으로 사용하는 것을 받아들일 수 있지만, 이러한 과정은, 가령 예를들어 설비 비용을 한정하는 것이 매우 중요한 지방 통신 회선 같은 다른 종류의 회선들이 관련되는 경우 경제적 관점에서 받아 들일 수 있다.
예를들어, 레이저 방출을 허용하기에 적합한 에르븀 도핑 섬유는 약 1536nm에서 방출 피크를 가지며, 그 값으로부터 ±5nm 초과 범위에서 높은 강도를 가지며, 상기 파장 영역내에서 신호를 증폭하기 위해 사용될 수 있으나, 전송을 위해 사용되는 상업적으로 사용가능한 반도체 레이저들은 대개 1520 내지 1570nm 범위의 방출 파장값으로 만들어진다.
결과적으로, 대다수의 상업적으로 사용 가능한 레이저들은 에르븀을 기초로한 증폭을 위해 적합한 범위에서 벗어나 있으며, 그러므로, 전술된 형태의 에르븀 기초 증폭기가 제공된 회선내에서 통신 신호를 발생시키기 위해 채용될 수 없다.
다른 한편으로, 에르븀 도핑 섬유들은 전술된 좁은 이득 피크에 근접하고 전술된 상업적으로 이용 가능한 레이저의 방출범위를 포함할만큼 충분히 넓은 파장 범위내에서 비교적 높고 실질적으로 일정한 강도를 가지는 전술된 제2 이득 대역을 방출 스펙트럼내에 가진다.
그러나, 이러한 형태의 광섬유에 있어서, 제2 이득 대역내의 파장을 가지는 신호는 감소된 측정치로 증폭되는 반면에 1536nm에서의 좁은 이득 대역 파장의 방출과 함께 섬유내에서 레이저 방출 상태로부터의 자연적인 전이가 주로 발생하므로 능동 섬유 길이를 통해 더욱 증폭되어 유용한 신호와 오버랩하는 백그라운드 노이즈를 발생시킨다.
능동 섬유의 단부에 적절한 여과기를 제공할 목적으로, 증폭기 섬유의 단부에서 노이즈를 형성하는 광방출을 여과하여 전송 신호 파장만을 회선에 보내는 것을 상상할 수 있다.
그러나, 주로 섬유의 최대 증폭 파장에서 섬유내에 자연방출이 존재함은 펌핑 에너지를 다른 파장을 가지는 전송 신호 증폭으로 감산하여 신호 자체의 증폭과 관련하여 섬유를 실제로 부동화되게 한다.
그러므로, 상업적으로 사용가능한 방출기에 심대한 품질적 제한을 부과하지 않고 전송 신호를 방출하기 위하여 상기 레이저 방출기와 함께 사용되기에 적합한 광증폭기에 채용될 능동 광섬유를 제공하는 문제가 발생한다.
본 발명은, 상업적으로 사용가능한 레이저 방출기가 사용될 수 있도록 허용하기 위하여 충분히 넓은 파장 범위내에서 만족스런 증폭을 제공할 수 있는 한편 그 재료의 바람직하지 못한 파장으로의 자연 방출이 섬유의 증폭능을 손상시키며 전송신호에 대하여 큰 강도의 백그라운드 노이즈를 형성하는 것을 방지할 수 있는 도핑된 광섬유를 제공하는 것이다.
이러한 결과는 첨부된 특허 청구의 범위에 따른 광증폭기에 의해 성취된다.
좀더 세부적인 사항은 첨부 도면을 참고로한 본 발명의 후술의 설명으로부터 분명해진다.
광통신 신호를 증폭하기 위하여 섬유로 만든 증폭기들을 적합하게 사용할 수 있다. 이들 증폭기들의 구조가 제1도에 개략적으로 도시되어 있는바 도번(1)으로 도시된 광통신 섬유에는 파장 λs를 가지며 신호 방출 레이저(2)에 의해 발생되는 전송 신호가 보내진다.
특정 회선 길이 이후에 감쇠하는 상기 신호는 다이크로익 커플러(3; dichroic coupler)로 보내져 단일의 출중계 섬유(outgoing fiber)상에서 파장이 λp이고 펌핑 레이저 방출기(3)에 의해 발생된 펌핑신호와 만난다.
커플러로부터 나오는 섬유(4)에 접속된 능동 섬유(6)는 신호 증폭 요소를 형성하고, 다시 목표를 향하도록 회선 섬유(7)에 도입된다.
유니트내에서 증폭 요소를 구성하는 능동 섬유(6)를 성취하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, Er2o3가 도핑된 실리카 기초 광섬유를 사용하는 것이 편리한 바, 이는 에르븀의 레이저 전이를 이용함으로써 전송 신호의 유리한 증폭이 성취될 수 있도록 허용한다.
섬유내에서의 바람직한 굴절률은 분포된 게르마니아 또는 알루미나로 도핑함으로써 편리하게 성취된다.
특정 형태의 섬유와 관련하여 섬유의 실리카 기초 매트릭스내에 녹아있는 에르븀 이온에 대한 이용 가능한 에너지 상태를 도식적으로 보여주는 제2도에 개략적으로 도시된 바와같이, 전송 신호 파장 λs보다 더 낮은 펌핑 파장 λp의 광출력의 능능 섬유를 도입함으로써 섬유 유리 매트릭스내에 도핑 물질로서 존재하는 특정수의 Er3+이온들이, 펌핑 대역으로 후술되는 여기 에너지 상태(8)로 되며, 이온들은 그 상태로부터 레이저 방출 레벨을 구성하는 에너지 레벨(9)로 자연적으로 감쇠한다.
레이저 방출 레벨(9)에서, Er3+이온들은 기저 레벨(10)로 자연적으로 전이되기전에 비교적 긴 시간동안 유지할 수 있다.
대역(8)으로부터 레벨(9)로의 전이가 섬유의 외측면에 분산되는 열형태 방출(또는 방사(phonon radiation))과 관련되지만, 레벨(9)로부터 기저 레벨(10)로의 전이는 레이저 방출 레벨(9)의 에너지 값에 상응하는 파장에서 광 방출을 발생시키는 것으로 알려져 있다.
레이저 방출 레벨의 대량의 이온을 함유하는 섬유를 그러한 방출 레벨에 상응하는 파장을 가지는 신호가 통과하면, 그 신호는 능동 섬유의 아웃풋에서 크게 증폭된 전송 신호의 방출을 초래하는 캐스케이드 현상(cascade phenomenon)을 통해서 관련 이온들의 자연 감쇠전에 그 이온들의 방출 상태로부터 기저 상태로의 유도 전이를 야기시킨다.
전송 신호가 없는 경우에, 각각의 물질에 대해 전형적인 구별된 함수를 나타내는 레이저 방출 상태로부터의 자연적 감쇠는 사용 가능한 레벨들에 상응하는 여러 주파수에서 피크를 가지는 광도를 발생시킨다.
특히, 제3도 또는 제10도에 도시된 바와같이, 광증폭기에 사용하기에 적합한 Er3+가 도핑된 Si/Al 또는 Si/Ge형 섬유는 1536nm 파장에서 큰 강도의 좁은 방출 피크를 나타내는 반면에 약 1560nm까지의 더 높은 파장에서는, 그 방출이 피크 지역의 강도보다는 더 낮지만 큰 강도를 지녀서 넓은 방출 피크를 형성한다.
1536nm에서의 Er3+방출 피크에 상응하는 파장에서 섬유에 도입된 발광 신호가 존재하는 경우 매우 강한 신호 증폭이 발생하는 반면에 에르븀의 자연 방출에 의해 제공된 백그라운드 노이즈가 제한되어 유지되는 바, 이는 그 섬유를 이 파장의 신호를 위한 광증폭기에 사용하기에 적합하게 한다.
신호 발생을 위하여 1.52 내지 1.57㎛ 범위의 전형적인 방출 대역을 가지는 반도체형(In, Ga, As)의 레이저들이 상업적으로 사용가능하고 편리하게 이용될 수 있다. 전기내용은, 제조된 모든 제품에 대해서, 증폭기로서 사용된 에르븀 도핑 섬유의 좁은 방출 피크에 상응하는 정확한 주파수 값에서의 전송 신호의 방출을 보장할 수 없어서, 반대로, 전술된 더 낮고 넓은 방출 피크에 상응하여 상기 좁은 방출 피크에 인접한 섬유 방출 곡선 지역에 신호가 국부화되는 큰 비율의 제품을 제공함을 의미한다.
활성 섬유에 도입된 펌핑 출력이 1536nm의 파장에서의 에르븀의 자연 방출과 관련하여 증폭기 자체의 확성 섬유내에서 발생된 백그라운드 노이즈를 증폭하기 위하여 대개 사용되기 때문에, 상기 레이저 방출기에 의해 발생된 신호는 증폭될 수 없어서 전술된 형태의 Er3+도핑 광섬유 증폭기에서 충분한 이득에 도달할 수 없다.
그러므로, 에르븀 도핑 광섬유 증폭기와 함께 상기 형태의 레이저 방출기를 사용하고 그것들을 전체 제조 공차내에서 허용하는 관점에서, 즉, 레이저 상태로부터의 자연적 전이의 결과로서 강한 백그라운드 노이즈를 가지는 형광성 도판트와 함께 특별한 형태의 레이저 신호 방출기가 이용될 수 있도록 허용한다는 관점에서, 본 발명에 따라 동일 피복(13)에 의해 에워싸인 2개의 코어(11, 12)를 각기 지니는 제4도 및 제5도에 단면으로 도시된 형태의 능동 섬유가 제공된다.
제4도에 개략적으로 도시된 바와같이, 능동 섬유 코어(11)는 한 단부에서는 다이크로익 커플러로부터 나오는 섬유(4)에, 다단부에서는, 회선 섬유(7)에 접속되는 반면에, 섬유 코어(12)는 능동 섬유(6)의 양단부에서 절단되어 다른 접속부들을 가지지 않는다.
코어(11)의 도판트 방출 피크의 파장이 최대치(에르븀의 경우에 1536nm에서)를 가지며, λ1과 λ2사이에 포함된 범위내에서 그 진폭이 곡선 β1과 β2의 경사로 주어져, 제3도에 도시된 바와같이, 백그라운드 노이즈를 자체적으로 발생시키는 좁은 방출 피크의 진폭에 상응할 때, 파장에 종족하여 제6도에 도식적으로 도시된 변동 곡선 및 섬유내의 광전파 상수 β1및 β2가 2개의 코어(11, 12) 사이의 광결합을 성취할 수 있도록 2개의 코어(11, 12)가 만들어진다.
상수 β1,β2는 코어들의 개구수(numerical aperture), 직경 및 거리의 상응한 선택에 따라 소기의 결합을 위해 선택될 수 있다.
설명을 목적으로, 단일 피복내의 2개의 비유사 코어(1, 2) 사이의 광출력 결합 P1및 P2는 다음에 의해 특정지워질 수 있다.
Figure kpo00002
Figure kpo00003
식중,
Figure kpo00004
Figure kpo00005
Figure kpo00006
Figure kpo00007
Figure kpo00008
식중, 첨자 1 및 2는 각기 코어(1) 및 코어(2)에 관련되며, C는 결합 개수이고, ai는 코어(i)의 코어 반경이고, Si는 코어(i)의 개구수이며, β1은 코어(i)의 전파 상수이고, nci및 nci은 각기 섬유의 코어(i) 및 피복의 굴절들이며, d는 코어 중심간 거리이고, ViDi및 Wi는 코어(1)의 특성 변수이다.
상기 변수들에 대한 값을 주의깊게 고려하면, 광출력 결합이 예정된 파장에 중심이 맞춰지고 예정된 좁은 대역에 걸쳐 발생하는 2개의 코어를 갖는 섬유를 설계 및 제조할 수 있다.
직설적으로, 코어(11)용 도핑 물질로서 에르븀을 사용하는 경우에 2개의 코어(11, 12) 사이의 바람직한 결합 대역은 λ1=1530과 λ2=1540nm의 범위내에 있을 수 있다.
전기 내용은, 능동 코어(11)내에서 전파하고 에르븀의 자연 방출에 의해 주어진 백그라운드 노이즈를 실질적으로 형성하는 약 1536nm 파장의 광이, 예컨대 1985년 1월에 발간된 Journal of Optical Society of America A/vol. 2, No. 1의 84면 및 90면에 기재된 바와같이 공지의 광결합 법칙을 기초로 코어(11)로부터 코어(12)를 주기적으로 이동함을 의미한다..
결합된 파장에서의 완전한 광통과가 한 코어로부터 타코어로 발생하는 제7도에 도시된 섬유 길이(LB)는 비트 길이로서 언급되며 2개의 코어의 특성, 특히, 직경, 굴절률, 구경수 및 상대 거리에 종족된다.
코어(11)에 존재하는 전송 신호는 2개의 코어(11, 12) 사이의 광결합이 발생되는 파장과는 다르고, 예컨대, 1550nm와 같은 파장 λs를 가지며, 그러므로, 상기 신호는 코어(12)로 전달되지 않고 코어(11)내에 한정되며, 같은 방법으로, 예컨대 980 또는 540nm의 파장 λp에서 커플러(12)에 의해 코어(11)에 공급된 펌핑 광은 코어(12)로의 통과를 배제하는 코어(11)내에서의 전파 특성을 가지는 바, 그러므로, 코어(12)에서는 펌핑 에너지의 부재(不在)가 보장된다.
두 코어(11, 12)는 모두 도핑물질을 함유하고 있는바, 특히, 능동 또는 증폭용 코어로서도 후술될 코어(11)에는 에르븀이 도핑되어 있는 반면에, 수동 코어로서도 언급될 코어(12)에는, 특히, 에르븀이 사용될 때 약 1536nm의 피크가 존재하는 경우 전술된 바와같이 노이즈의 소스인 코어(11)의 최소한 도판트 방출 피크에서 또는 전체 스펙트럼에 걸쳐 높은 광흡수성을 가지는 물질이 도포된다.
결국, 스펙트럼내에서 높은 광흡수성을 가지는 적합한 물질은 예를들어 유럽 특허 출원 제88 30 4182.1호에 기재되어 있고, 일반적으로 Ti, V, Cr, Fe 같은 가변 평형 원소를 최저 평형상태(TiIII, VIII, CrII, FeII)로 포함한다.
특정 파장, 즉, 제거하고 싶은 능동 코어(11)의 도판트 방출 피크의 파장에서 높은 광흡수성을 가지는 물질중에서 상기 능동 코어의 것과 같은 도판트를 사용하는 것이 편리하다. 사실, 충분한 양의 펌핑 에너지가 공급된 형광 물질은 특정 파장에서 어떤 방출을 보이는 반면에, 그 물질은 펌핑 에너지가 공급되지 않으면 펌핑 존재시에 방출하는 것과 같은 파장에서 광을 흡수한다.
특히, 에르븀이 도핑된 능동 코어(11)가 존재하는 경우에, 제2코어도 물론 에르븀으로 편리하게 도핑될 수 있다.
이 방법으로, 에르븀 흡수 국선이 제3도에 도시된 바와 같이 형광 또는 레이저 방출 곡선과 상응하게 전개되는 경우 유도방출 피크에서, 즉 1536nm에 같은 파장의 유사한 흡수 피크가 존재한다.
결과적으로, 상부 레이저 값(9)로부터 활성 도판트(에르븀)의 자연적 감쇠 때문에 코어(11)내에서 펌핑 광의 존재시에 발생되며 코어들 사이의 결합 파장, 즉, 1536nm의 형광은 발생됨에 따라 코어(12)로 자동적으로 전달된다. 그러나, 코어(12)로부터 코어(11)로는 다시 전달되지 않으며, 코어(11)내에는 전송 신호가 안내되는 바, 이는 상기 코어(12)에서 실질적으로 완전한 인풋 광의 감쇠가 발생하기 때문이며, 그 광은 그 코어내에 존재하는 도판트에 의해 흡수된다.
그러므로, 바람직하지 않은 파장에서의 방출은 연속적으로 코어(11)로 공제되고 코어(12)내에서 분산되므로, 그것은 다시 코어(11)로 귀환할 수 없고 코어(11)내에서 증폭될 수 없으며, 이로써, 펌핑 에너지를 전송 신호 배율로 감산하고 그것을 중첩한다.
그러므로, 본 발명에 따른 섬유는 전체 능동 섬유 길이에 걸쳐 코어(11)에 존재하는 광을 연속적으로 여과하고, Er3+이온의 레이저 방출 레벨로부터의 자연적 감쇠에 의해 광자가 발생하는 즉시 1536nm에서 방출된 광자를 흡수하므로 그 광자들이 섬유내에서 진행하는 것을 방지하는 바, 이는 그 파장에서 추가 감쇠를 일으키고, 그러므로 상기 섬유는 단일의 파장 및 펌핑 파장의 코어(11)내에 실질적으로 확산되도록 허용한다.
그러므로, 전송 파장 λs는, 예컨대 제3도에 도시된 값들 λ2와 λ3(직설적으로 말하면 약 1540-1570nm에 해당함) 사이에서 에르븀이 중요한 방출값을 갖는 전체 범위에 걸쳐 선택될 수 있는바, 이는 상업적으로 사용 가능한 반도체 레이저(In, Ga, As)의 대부분을 수용할 만큼 충분히 넓은 공차 범위내에 포함된 여러 가지 파장을 가지는 신호 방출기의 증폭과 관련하여 성능의 차에 있어서의 어떤 위험에 부딪히지도 않고 전송 신호 방출용 레이저 방출기가 자유로이 선택될 수 있도록 허용한다.
소기의 파장 범위내에서 2개의 코어의 결합이 수행될 수 있도록 허용하는 이중 코어 섬유의 특성은 전술된 내용으로부터 도출될수 있다.
섬유의 능동 코어(11)내에 존재하는 에르븀의 양은 사용된 증폭용 섬유 길이에 대한 소망의 이득을 기초로 선택된다.
다시말해서, 능동 섬유 길이는 그 안에 존재하는 에르븀의 양을 기초로 주어진 이득을 성취하기 위하여 선택된다. 대개 섬유의 능동 코어(11)내에 산화물(Er2O3)로서 존재하는 에르븀의 총량은 중량으로 10 내지 1000ppm 사이에서 변경할 수 있다.
수동 또는 감쇠 코어(12) 내에서 높은 광흡수성을 가지는 도판트의 양은, 후에 광 섬유에너지가 인자 1/e [감쇠 매질내에서의 광출력의 전파와 관련하여 공지된 법칙 : P=Poe-αL에 따라서]에 의해 감소되는 길이로서 규정되는 코어(12)의 소광(消光)길이(L)가 최소한 비트 파장(LB) (제7도에 도시된 바와같이, 광결합파장에서 한 코어로부터 다른것으로의 광출력의 완전 통과에 해당함)보다 등급상 더 낮도록, 비트 파장과 관련되야하며, 코어(12)의 특성 및 광흡수 도판트의 양은, 비트길이보다 2등급(100배)까지 더 낮은 소광 길이가 결정되도록 선택되는 것이 바람직하다.
수동 또는 감쇠 코어(12) 내의 도판트 양은 증폭용 코어(11)내의 양과 같거나 더 높을수 있고 전술된 특정 한계를 충족시키기 위하여 10,000ppm 이상까지 도달할 수 있다.
도핑 물질은, 예컨대 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 만족스런 품질 결과를 보장하는 소위 용액도핑 기술을 통해서 또는 특정 조건을 기초로하여 역시 본 기술 분야에서 잘 알려진 타기술을 통해서 섬유내로 주입될 수 있다.
제5도에 도시된 바와같이, 섬유(6)는 광신호를 안내하고 펌핑광을 수납하도록 설계되고 섬유 피복(13)내에 동축으로 배치된 코어(11)를 가지는 반면에, 제2코어(12)는 편심 위치에 배치되어 있다.
이러한 방법으로, 제4도에 도시된 개략도에 따라, 능동 섬유(6)와 섬유들(4, 7) 사이의 접속은 특별한 수단을 채택하지 않고 단순히 섬유 단부들을 상호 마주하게 배치하고 통상의 연결 장치를 사용하여 통상의 방법으로 수행될 수 있는 바, 상기 장치는 섬유들의 의표면 제어함으로써 섬유들을 정렬시키므로 축방향 위치에 배치된 코어(11)는 어떤 심각한 접속 손실없이 섬유(4, 7)의 코어와 적정하게 정렬된다. 편심 위치에 있는 코어(12)는 타코어에 접속되지 말아야 하며, 그러므로, 별도의 작업없이 이중 코어 섬유(6)의 단부에서 절단된다.
최대 증폭 효율을 지니기 위하여, 신호 파장 및 펌핑 파장 모두에서 단일 모드 코어이고 또한 코어(12)는 최소한 λs에서 단일 모두 코어인 것이 바람직하다.
실례로서, 증폭기는 제1도에 도시된 개략도에 따라서 제조되며, 중량으로 Er2O3의 80ppm의 총량을 지니며 2개의 코어(11, 12) 내에 균등 분포되는 Er3+가 도핑된 Si/Al 형태의 이중 코어 능동 섬유(6)를 포함한다.
코어(11, 12)는 모두 다음 값을 가졌다.
a=3.1㎛(반경)
s=0.105(구경수)
n1=1.462(굴절률)
d/a=3.5(2개의 코어(11, 12)의 간격(d)과 코어들의 반경(a) 사이의 비; 제5도)
코어(11)는 섬유의 의경부와 동축이다. 능동 섬유 길이는 30m였다.
펌핑 레이저 방출기(5)로서, 528nm에서 작동하여 150㎽의 출력을 가지는 아르곤 이온 레이저를 사용한 반면에, 신호 레이저 방출기(2)로서, 1㎽의 출력 및 방출 파장이 1560nm로 측정된 상업적으로 사용가능한 반도체 레이저(In, Ga, As)를 사용했다.
상기 실험용 형태로서, 증폭기의 하류에서 0.5㎼의 값으로 감쇠된 인풋 신호에 대한 27dB의 이득을 성취했다.
실사용 조건을 모방하기 위하여 사용된 증폭기 인풋에서의 신호 감쇠는 가변 감쇠기에 의해 성취됐다.
신호가 없는 경우에, 증폭기의 하류에서 10㎼의 자연 방출이 측정됐다. 증폭기에 의하여 발생된 백그라운드 노이즈를 구성하는 그러한 방출은 훨씬더 높은 레벨(약 250㎼)로 증폭되는 신호에 중대한 노이즈를 부여하지 않는다.
비교를 위하여, 전기 실례에서와 같은 구조를 가지지만 코어내에 중량으로 40ppm의 Er3+를 함유하는 Er3+가 도핑된 스텝인덱스형의 Si/Al단일 코어를 가지는 능동 섬유(6)를 사용하는 중폭기와 함께 같은 전송 레이저 방출기(2)를 사용했다.
1560nm 파장의 전속신호를 가지는 상기 증폭기는 15dB 미만의 이득을 나타냈으며, 자연 방출된 출력 신호의 것과 비교가능한 레벨이었다.
제8 내지 13도에 도시된 변형에 있어서, 광섬유 구조는 다음과 같다.
a1=2㎛
s1=0.196
a2=4.45㎛
s2=0.135
d/a1=9
여기서, 코어(101)는 150ppm의 Er2O3를 함유하는 증폭용 코어이고, 코어(102)는 공통 피복(103)내에 삽입된 10,000ppm의 Er2O3를 함유하는 감쇠용 코어이다.
코어에는 게르마니아도 도핑되는 것이 바람직하다.
결과적인 섬유는 125㎛의 전형적인 외경으로 인발된다. 코어(1)의 변수들은 절단된 제2 모드가 980nm이도록 보장하여 980nm의 선택된 펌핑 파장에서 단일 모드화 될 수 있도록 한다.
제10도는 제3도의 피크보다 더 좁은 주 피크를 갖는 섬유의 증폭용 코어의 스펙트럼 이득 분포를 보여주며, 제11도는 감쇠용 코어의 감쇠 분포를 보여준다.
제12도는 방정식(5)에 사용된 파장(즉, β1-β2)에 대한 코어들의 전파 상수의 차를 보여주며 전파 상수가 동일한 동기화 파장이 1536nm, 즉, 좁은 대역의 피크 파장에서 발생함을 나타낸다.
제13도는 코어들 사이의 출력 전달 호율(즉, 방정식(3)의 F)를 보여주고, 또한 1536nm에서의 피크 결합을 보여주는 바, 1550nm 근처에서 중심이 맞춰진 더 넓은 이득 대역내의 파장에서는 상당히 적게 결합한다.
제8도의 섬유의 구조(즉, 다른 직경의 코어들을 가지는 섬유)는 좁은 대역내에서 여과할 수 있다.
이는, 코어(101)로부터 코어(102)로 전달된 파장 대역이 매우 좁고 통과 대역(감쇠되지 않은)의 폭과 정지 대역(감쇠된) 폭 사이의 비가 2개의 코어의 상대적인 직경을 선택하여 소망에 따라 설정될 수 있다는 사실 때문이다.
이는 증폭을 위해 유용한 대역을 좁히지 않고 노이즈의 소스가 완전히 배제될 수 있도록 정지 대역의 폭이 증폭용 코어의 에르븀의 이득 피크의 폭과 정합하는 섬유를 설계할 수 있도록 한다.
게르마니아가 도핑된 섬유의 경우에 그러한 케이블이 바람직한바, 이는 이 섬유가 제10도에 도시된 바와 같이 매우 좁은 이득 피크를 가지기 때문인데, 그 피크는 전송 신호의 대역내에서의 이득을 감소시키지 않고 제거될 수 있다.
제5도의 구조(같은 직경의 코어를 가지는 섬유)는 유사폭의 통과 대역(감쇠되지 않은) 및 정지 대역(감쇠된)을 가지는 넓은 대역내에서 여과할 수 있다.
제5도의 구조 형태를 가지는 섬유는 다른 직경의 코어를 가지는 섬유보다 더욱 용이하게 제조될 수 있다. 그러한 섬유는 알루미나가 도핑된 코어들을 가지는 섬유와 함께 바람직하게 사용될 수 있는바, 그 알루미나가 도핑된 섬유들은 제3도에 도시된 바와같이 게르마니아가 도핑된 섬유보다 더 넓은 에르븀의 주 이득 피크를 가진다.
이들 섬유에 있어서, 감쇠용 코어의 정지 대역의 폭은 에르븀의 주 피크의 폭과 유사하여 노이즈를 유발한다.
본 발명의 광섬유 구조는 그 순도의 실리카 또는 다른 유연한 유리 피복 로드내의 초음파 천공 구멍에 코어 코드를 삽입함으로써 제조된다.
증폭용 코어 로드를 위한 천공 구멍은 피복 로드의 외부와 동심이며, 감쇠용 로드를 위한 천공 구멍은 증폭용 코어를 위한 천공 홀과 평행하지만 피복 로드의 중심 축으로부터 예정된 거리만큼 편이되어 있다.
코어 로드들은 용액 도핑 기술에 의해 또는 적절히 도핑된 유연한 유리의 용융물로부터 봉상화된(caned) 유연한 유리 로드로부터 형성될 수 있다. 코어들을 용액 도핑 기술을 사용하여 만드는 경우 코어 로드들의 지경을 애칭 또는 기계 가공에 의해 조절할 수 있다.
선택적인 방법으로서, 증폭용 코어를 에워싸는 피복 유리를 포함하는 예비 성형물이 제공될 수 있으며 감쇠용 코어는 예비 성형물의 피복 유리내의 초음파 천공 구멍내에 삽입된다.
전술된 실례들로부터 알수 있는 바와같이, 단일 코어 섬유를 가지는 증폭기는 1560nm 파장 신호의 존재시에 감소된 이득을 나타냈지만 또한 신호 수납이 어렵도록 노이즈를 주입하므로 상기 증폭기들은 실질적으로 쓸모가 없으며, 본 발명에 따른 능동 섬유를 사용하는 증폭기는, 첫 번째로 언급된 실례로부터 알 수 있는 바와같이, 같은 1560nm파장 신호의 존재시에 높은 증폭 이득을 공급할 수 있는 능력을 입증했는 바, 그 신호와 함께 주입된 백그라운드 노이즈는 무시할 수 있다.
그러므로, 통신 회선에 본 발명에 따른 증폭기를 사용하면 상기 회선이 상업적으로 사용가능한 레이저 방출기에 의해 발생된 신호들을 전송할 수 있으며, 그 증포기에 대해서 넓은 제조 공차가 허용되며, 동시에, 사용되는 방출기의 실제 방출값에 독립하여 실질적으로 일정한 증폭 성능이 보장된다.
본 발명의 전체 특징에서 취해진 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도 많은 변형물을 만들 수 있다.

Claims (27)

  1. 예정된 파장 대역내의 전송 신호로 작동하는 광 통신 회선 섬유(7)용의 광대역 신호의 광증폭기로서, 단일의 출중계 섬유내에서 전송 신호 및 광 펌핑 에너지를 멀티플렉스(multiplex)하도록된 다이크로익 커플러, 형광성 도핑 물질을 함유하고 다이크로익 커플러로부터 나오는 섬유 및 증폭된 신호를 수납 전송하도록된 통신 회선 섬유에 접속된 능동 광섬유를 포함하는 광대역 신호의 광증폭기에 있어서, 능동 광섬유(6)가 공통 피복물(13, 103)내에 균일하게 이격된 2개의 코어(11, 12 ; 101, 102)에 의해 완전히 형성되어 있으며, 제1코어(11, 101)는 전송 신호의 파장 대역을 포함하는 파장 범위를 이루는 형광 레이저 방출 도판트를 함유하는 능동 또는 증폭용 코어로서 한 단부가 다이크로익 커플러로부터 나온 섬유의 한 단부에 광접속되고, 타단부는 상기 통신 회선 섬유에 접속되며, 능동 광섬유의 제2코어(12, 102)는 감쇠용 코어로서 광에너지를 흡수하도록된 물질을 함유하고 양단부가 절단되어 있으며, 두 개의 코어들은 제1코어의 레이저 방출 파장의 범위내에 포함되고 전송 신호 파장 대역과는 다른 파장 대역내에서 서로 광 접속됨을 특징으로하는 광대역 신호의 광증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 능동 광섬유(6)내의 제2코어(12, 102)는 제1코어의 도판트의 레이저 방출 범위에서의 높은 광흡수성을 가지는 도판트를 함유함을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 제2코어(12, 102)에서 높은 광흡수성을 가지는 도판트가 제1코어(11, 101)에 존재하는 것과 같은 형광성 물질로 이루어짐을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 제2코어(12, 102)내의 도핑 물질이 최소한 부분적으로 최저 평형상태로 존재하는 티타늄 바나듐, 크롬 또는 철로부터 선택되어 전체 스펙트럼에 걸쳐 높은 광흡수성을 가지는 물질임을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 제2코어(12, 102)에서 높은 광흡수성을 가지는 도판트의 양 및 섬유 코어들(11, 12 ; 101, 102)의 결합 특징은, 선택된 코어 결합 대역에서 결합 코어들 사이의 비트 길이의 1/10 미만의 감쇠 길이를 제2코어 내에서 야기시키도록 관련됨을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 제1코어(11, 101)내에 존재하는 형광성 도핑 물질이 에르븀인 것을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  7. 제5항에 있어서, 2개의 코어(11, 12 ; 101, 102)가 1530 내지 1540nm의 파장 범위내에서 상호 광접속됨을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  8. 제1항에 있어서, 제1코어(11, 101)가 공통피복물(13, 103)의 외표면과 동축 관계로 배치되고, 다이크로익 커플러로부터 나온 단일의 출중계 섬유(4)의 코어 및 증폭기가 접속되는 통신 회선 섬유(7)의 코어와 정렬되며, 제2코어(12, 102)의 양 단부들이 상기 단일의 출중계 섬유(4) 및 상기 통신 회선 섬유(7)의 피복물에 면함을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  9. 제1항에 있어서, 2개의 섬유코어(11, 101 ; 12, 102)중 최소한 능동 코어(11, 101)가 전송 파장 및 펌핑 파장에서의 단일 모드의 광 전파를 허용하도록 되어있음을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  10. 제1항에 있어서, 능동 섬유(6)가 선택된 광 코어 결합 대역에서 2개의 결합된 코어(11, 12 ; 101, 102)의 비트 거리의 1/2보다 더 긴 것을 특징으로 하는 광대역 신호의 광증폭기.
  11. 예정된 파장 대역내의 전송신호로 작동하는 광통신 회선 섬유(7)용의 광섬유 증폭기에 사용하며 형광성 도핑 물질을 포함하는 이중코어 능동 광섬유(6)에 있어서, 공통 피복물(13, 103)내에 균일하게 이격된 2개의 광결합 코어(11, 12 ; 101, 102)를 가지며, 제1코어(11, 101)는 증폭용 코어로서 임의의 파장 범위내에서 유도방출하는 형광성 레이저 방출 도판트를 함유하고, 같은 회선내에서 멀티플렉스된 전송신호 및 광펌핑에너지를 운반하는 단일의 출중계 섬유(4)에 한단부가, 상기 광통신 회선 섬유(7)에 타단부가 광접속되도록 되어 있으며, 제2코어(12, 102)는 감쇠용 코어로서 높은 광흡수성을 가지는 도핑 물질을 함유하며, 2개의 코어의 최대광결합은 상기 제1코어의 유도 방출 범위내에 포함되며 전송 신호의 파장 대역과는 다른 파장 대역에서 발생하는 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  12. 제11항에 있어서, 제2코어(12, 102)내에서 높은 광흡수성을 가지는 도판트가 제1코어(11, 101)내에 존재하는 것과같은 형광성 물질로 이루어짐을 특징으로하는 이중코어 능동 광섬유.
  13. 제11항에 있어서, 제2코어(12, 102)내의 도핑 물질의 최소한 부분적으로 최저 평형상태로 존재하는 티타늄, 바나듐, 크롬 또는 철로부터 선택되어 전체 스펙트럼에 걸쳐 높은 광흡수성을 가지는 물질임을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  14. 제11항에 있어서, 제2코어(12, 102)에서 높은 광흡수성을 가지는 도판트의 양 및 섬유 코어들의 결합 특징은, 선택된 코어 결합 대역내에서 결합 코어들 사이의 비트 길이의 1/10 미만의 감쇠 길이를 제2코어(12, 102)내에서 야기시도록 관련됨을 특정으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  15. 제11항에 있어서, 제1코어(11, 101)에 존재하는 형광성 도핑 물질은 희토류(rare-earth) 도판트인 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  16. 제15항에 있어서, 상기 증폭용 코어에 에르븀이 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  17. 제16항에 있어서, 상기 증폭용 코어는 10 내지 1000ppm의 Er2O3를 함유하는 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  18. 제11항에 있어서, 상기 감쇠용 코어가 5000ppm이상, 바람직하기로는 약 10,000ppm의 Er2O3를 함유하는 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  19. 제11항에 있어서, 증폭용 코어의 직경이 감쇠용 코어의 직경과 같은 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  20. 제11항에 있어서, 증폭용 코어(101)의 직경이 감쇠용 코어(102)의 직경보다 더 작은 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  21. 제16항에 있어서, 2개의 코어(11, 12)가 1530 내지 1540nm 사이에서 상호 광결합되는 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  22. 제11항에 있어서, 제1코어(11, 101)가 공통피복(13, 103)의 외표면과 동축 관계로 배치되어 있음을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  23. 제11항에 있어서, 2개의 섬유 코어(11, 12 ; 101, 102)중 최소한 증폭용 코어가 전송신호 파장 및 펌핑 파장에서 단일 모드 광전파를 허용하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 이중코어 능동 광섬유.
  24. 능동 광섬유(6)용으로 예비 성형물을 형성하도록 각각의 코어 로드를 피복물 로드내의 초음파 천공구멍내로 삽입하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 광 대역신호의 광증폭기의 제조방법.
  25. 능동 광섬유(6)용으로 예비 성형물을 형성하도록 각각의 코어 로드를 피복물 로드내의 초음파 천공구멍내로 삽입하는 단계를 포함하는 제11항에 따른 이중코어 능동 광섬유의 제조방법.
  26. 증폭코어용으로 유리로 에워싸인 피복물유리를 포함하는 예비 성형물을 형성하고, 감쇠코어용 코어로드를 능동 광섬유(6)용 예비성형물의 피복물 유리내에 있는 초음파 천공구멍내에 삽입하는 단계를 포함하는 제1항에 따른 광대역 신호의 광증폭기의 제조방법.
  27. 증폭코어용으로 유리로 에워싸인 피복물유리를 포함하는 예비 성형물을 형성하고, 감쇠코어용 코어로드를 능동 광섬유(6)용 예비성형물의 피복물 유리내에 있는 초음파 천공구멍내에 삽입하는 단계를 포함하는 제11항에 따른 이중코어 능동 광섬유의 제조방법.
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