KR0179024B1 - 2중 코어부분을 사용하며 폭넓은 신호 파장 대역을 지니는 활성 섬유용 광 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미리 결정된 파장의 전송 신호로 동작하는 광 증폭기, 특히 광섬유의 원격통신 회선용 광 증폭기에 관한 것으로, 상기 광 증폭기는 에르븀으로 도우핑되어 있으며 2개의 코어(12, 13)로 제공된 한정길이의 부분(11)을 지니는 활성 레이저 방출 광섬유(6)를 포함하고, 상기 2개의 코어중 한 코어(12)는 상기 증폭기의 입력 및 출력을 구성하도록 활성섬유(6) 및 상기 회선 섬유(7)의 잔류 부분의 코어(16)에 접속되는데 비하여, 상기 제2코어(13)는 전송 신호의 파장과 상이한 특수 파장에서 상기 제1코어(12)와 광학적으로 결합된다.
상기 제2코어(13)는 잡음원을 구성하는 에르븀의 자연 방출 광 신호를 제1코어(12)로부터 재거할 수 있으므로, 상업용 형태의 레이저 신호 방출기(2)의 허용범위의 파장에 대체로 해당하는 파장 범위에서 전송 신호를 증폭할 수 있다.

Description

2중 코어부분을 사용하며 폭넓은 신호 파장 대역을 지니는 활성 섬유용 광 증폭기
제1도는 활성 섬유를 사용하는 광 증폭기의 도면.
제2도는 유도 방출을 발생시키는데 적합하며, 제1도에 따른 증폭기용으로 사용될 수 있는 섬유 형태의 에너지 전이 도면.
제3도는 실리콘으로 만들어지며 Er3+로 도우핑된 광 섬유의 유도 방출 곡선에 대한 도면.
제4도는 본 발명을 실시하는 광 증폭기의 확대된 개략도.
제5도는 제4도의 라인 V-V를 따라 증폭기의 활성 섬유를 단면으로 도시한 도면.
제6도는 활성섬유의 코어에 내재하는 광 전파상수를 파장에 대하여 그래프로 도시한 도면.
제7도는 2개의 코어를 지니며, 파장 결합시 한 코어 및 타코어사이의 광 전력 전이 곡선을 나타내도록 2개의 코어상에 증복되어 있는 부분을 포함하고, 본 발명을 실시하는 증폭기의 활성 광섬유 일부를 도시하는 도면.
제8도는 한 비트(beat) 길이와 동일한 길이를 지니는 2개의 코어를 지닌 부분을 포함하며 본 발명을 실시하는 증폭기의 활성 광섬유 일부를 도시하는 도면.
제9도는 2개의 코어를 지닌 부분이 한정된 곡율을 지니며 본 발명을 실시하는 증폭기의 활성 광섬유 일부를 도시한 도면.
본 발명은 미리 결정된 파장 대역의 전송신호로 동작하는 광섬유 회선용의 폭넓은 신호 대역 광 증폭기에 관한 것으로, 특히, 그리고 전반적으로 원격 통신의 광섬유 회선용의 그러한 증폭기에 관한 것이다.
특수한 물질, 이를테면, 희토류 이온으로 도우핑된 코어를 지니는 광섬유는 레이저원 및 광 증폭기로서 사용하기에 적합한 유도 방출 특성을 지닌다고 알려져 있다.
실제로, 그러한 섬유는 광원을 사용하여 특수한 파장으로 공급될 수 있는데, 이러한 파장은 도우펀트 물질의 이온을 여기된 에너지 상태나 혹은 펌핑 대역으로 초래시킬 수 있으며, 이로부터 상기 이온은 매우 짧은 시간 내에, 비교적 긴 시간동안 남아있는 레이저 방출 상태로 자연 붕괴한다.
레이저 방출 레벨로 여기된 상태에 있는 매우 많은 이온을 지니는 섬유가 그러한 레이저 방출 상태에 해당하는 파장을 지닌 광신호를 통과시킬 경우, 그러한 신호로 인해, 광 방출이 상기 신호와 동일한 파장을 지니고서 여기된 원자가 보다 낮은 레벨로 전이된다. 따라서 이러한 형태의 섬유가 광 신호를 증폭하는데 사용될 수 있다.
상기 여기 상태에서 개시할 경우, 이온의 붕괴는 또한 자연적으로 생기며 이는 상기 유도 방출에 중복되는 배경잡음을 구성하며 상기 증폭 신호에 해당하는 무작위 방출을 발생시킨다.
도우펀트 물질로 도우핑된 것이 전형적인 활성 섬유내에 광 펌핑 에너지를 도입시킴으로써 발생되는 광 방출은 여러 파장으로 생김으로써 상기 섬유의 형광 스펙트럼을 생기게 할 수 있다.
높은 신호대 잡음비와 연관지어 원격 통신용 광섬유 형태에 의하여 광신호를 최대로 증폭하기 위하여는, 상기 도우펀트 물질을 합체한 섬유의 형광 스펙트럼 곡선의 첨두치에 해당하는 파장을 지니며 레이저 방출기에 의하여 발생되는 신호를 사용하는 것이 통상적이다.
특히, 원격 통신용 광신호를 증폭하기 위하여는, 에르븀 이온(Er3+)으로 도우핑된 코어를 지닌 활성 섬유를 사용하는 것이 편리하지만, 관심사로 대두대는 파장 범위에 있는 에르븀의 형광 스펙트럼은 특히 좁은 방출 첨두치를 지닌다.
그러므로, 이는 특수한 파장으로 동작하여 제한된 허용범위를 지니는 레이저 방출기의 전송 신호원으로서 사용되는데, 그 이유는 이러한 허용 범위에 속하지 않는 신호가 충분히 증폭되지 못하는 반면에, 강력한 자연 방출이 전송의 질을 매우 떨어뜨리는 배경 잡음을 구성하도록 그러한 첨두 파장 상태로 되게 하기 때문이다.
반면에, 상기 특성, 즉 에르븀의 방출 첨두치에서 동작하는 특성을 지니는 레이저 방출기는 제조하는 데 난점이 있으며 비용이 많이 드는데 반하여, 통상적인 산업 제품은 원격 통신용으로 적합하게 하는 여러 특성을 지니며 상기 방출 파장에 대하여 꽤 폭넓은 허용 범위를 지닌, 이를테면, 반도체 레이저(In, Ga, As)와 같은 레이저 방출기를 제공한다. 따라서, 그러한 종류의 제한된 수의 레이저 방출기만이 상기 첨두파장에서 방출한다.
이를테면, 해저용 원격 통신 회선과 같은 어떤 용도에 대하여, 이를테면, 상업적으로 생산된 레이저 중에서 신중히 선택함으로써 얻어지며 특수한 파장 값에서 동작하는 전송 신호용 방출기를 사용하므로 그러한 방출 기가 증폭기 섬유의 레이저 방출 첨두치의 좁은 영역 내에서 방출하는 것이 허용될 수 있지만, 그러한 프로세스는 설치비용의 억제가 특히 중요한, 이를테면 지역 통신 회선과 같은 다른 종류의 회선용으로 재정상 허용할 수 없다.
예를 들면, 에르븀으로 도우핑된 레이저 방출용 섬유는 대략 1536nm의 첨두치로 방출하며, 이러한 첨두치로부터의 5nm 범위에 대하여 상기 방출은 높은 강도를 지니고 동일한 파장 범위의 신호를 증폭하는데 사용될 수 있다. 그러나, 상업용으로 생산되었으며 전송용으로 사용될 수 있는 반도체 레이저는 1520~1570nm의 범위에 걸쳐있는 방출 파장치로 실현되는 것이 통상적이다.
따라서, 이러한 종류로 산업상 생산된 상당수의 레이저가 에르븀으로 증폭하는데 적합한 범위에 있지 않으므로 해서 상기 기술된 형태의 에르븀 증폭기로 장착된 회선에 원격통신 신호를 발생시키도록 사용될 수 없다는 것을 알 수 있다.
그러나, 에르븀으로 도우핑된 섬유가 상기 관심사로 대두된 상업용 레이저의 방출 범위 대부분을 포함하기에 충분히 폭이 넓으며 상기 언급한 첨두치에 인접한 파장 범위에서 대체로 일정한 높은 강도의 방출 스펙트럼 영역을 지닌다고 알려져 있다.
그렇지만, 이러한 형태의 섬유에서, 최대 방출 첨두치에서 거리가 먼 파장으로 제공된 신호가 한정된 범위로 증폭되지만, 상기 섬유에서 레이저 방출 상태로부터 야기된 자연 전이는 상기 섬유부분을 따라 이동하는 동안에 더욱이 증폭되는 배경 잡음을 발생시켜서 이 자체를 유용한 신호상에 중복시키며 1536nm에 있는 스펙트럼의 첨두 파장상태로 유효하게 방출되게 한다.
상업용 형태의 반도체 레이저 방출기에 의하여 발생된 원격 통신 신호를 증폭하도록 에르븀으로 도우핑된 활성 섬유를 사용하기 위하여는, 상기 기술된 바와같이 에르븀의 자연적인 첨두 방출을 여과할 필요성이 생기므로 바람직하지 못한 파장 상태의 그러한 방출은 상기 신호의 증폭으로부터 거리가 먼 펌핑 에너지를 취하지 못하게하여 이 자체를 상기 신호상에 중복시키지 못하게 한다.
이러한 목적을 위하여, 활성 섬유는 2개의 코어를 지니도록 사용될 수 있으며, 이들중 한 코어에는 전송 신호 및 펌핑 에너지가 전송되고 반면에, 다른 코어에는 광 흡수 도우펀트가 있다. 상기 2개의 코어가 자연 방출의 첨두 파장에서 광학적으로 결합되는 경우, 그러한 파장은 이 자체를 전송 파장상에 중복하도록 복귀됨이 없이 흡수되는 제2 코어에 전송된다.
본원의 동일 출원인의 이름으로 출원된 이탈리아공화국 특허 출원 제22654A/89호에 기술된 그러한 활성 섬유는 바람직하지 못한 파장을 효과적으로 여과시키는 동작을 수행하지만 기계적 혹은 열적 응력, 특히 꼬인 상태에 종속되어야 하는 어떤 용도에서, 상기 코어 사이에 광 결합 특성이 엇갈릴 수 있으므로 제2의 흡수 코어에 전달되는 파장값은 변경된다.
따라서, 상기 문제점은 상당한 특성 제한을 광 증폭기에 부과하지 않고서도, 광 증폭기를 구성하는 동안 레이저 방출기에 부가되거나 혹은 회선 증폭기가 꼬여서 작동하는 단계 동안 생기는 변형 응력 및 상태에 대체로 영향을 받지않고 전송 신호를 방출하는 상업용 형태의 레이저 방출기와 결합하여 사용될 수 있는 광 증폭기용 활성 광섬유를 사용가능하게 한다는 점에서 야기된다.
본 발명의 목적은 상업용 레이저 방출기의 사용이 전송 신호에 대하여 높은 강도의 배경 잡음을 구성하는 바람직하지 못한 파장에서 도우펀드의 자연 방출을 제거하고 동작상태 동안 그러한 특성을 안정하게 유지하는 것을 허용할 정도로 충분히 확장된 범위의 파장에서 만족스러운 증폭을 제공할 수 있는 도우핑된 광섬유 증폭기를 제공하는 것이다.
본 발명은 미리 결정된 파장 대역의 전송 신호로 동작하며, 신호 출력 섬유에서 광 펌핑 에너지 및 전송 신호를 다중화시키는 데 적합한 다이크로(dichro) 결합기, 및 증폭된 신호를 수신하고 전송하기에 적합하도록 원격 통신회선 섬유에 접속가능하며 상기 다이크로 결합기의 신호 출력 섬유에 접속되어 있고 형광 도우펀트를 포함하는 활성 광섬유를 구비한 광섬유 회선용의 폭넓은 신호 대역 광증폭기를 제공하는데, 여기서 상기 활성 광섬유는 제1코어 및 제2코어를 지니는 각각의 광섬유 길이에 의하여 각기 구성된 제1부분, 및 상기 형광 도우펀트를 포함하는 코어를 지니는 각각의 광섬유 길이에 의하여 각기 구성된 제2부분을 구비하며, 상기 제1부분의 제1코어는 상기 제2부분의 코어에 광학적으로 접속되어 있고 상기 제1부분의 제2코어는 상기 제1부분의 단부에서 중단되어 있으며, 상기 제1부분의 제1 및 제2코어는 상기 제1코어의 레이저 방출의 파장 범위에 포함되어 있고 상기 전송 신호 대역과는 상이한 파장 대역에서 모두 광학적으로 결합되어 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 활성 광섬유의 제1부분을 각각 이루는 부분의 제2코어는 상기 형광 도우펀트의 레이저 방출 범위에서 높은 광 흡수를 지니는 도우펀트를 포함한다. 편리하게는, 상기 활성 광섬유의 제1부분 각각에 있는 제2코어에 포함된 도우펀트는 상기 활성 섬유에 존재하는 동일한 형광 도우펀트에 의하여 구성될 수 있다.
각각의 제1부분의 제1코어는 형광 도우펀트를 포함할 수 있고, 또한, 변형예로서 각각의 제1부분의 제1코어는 어떠한 형광 도우펀트라도 지니지 않을 수 있다.
어느 경우에서는, 상기 활성 섬유, 적어도 상기 호라성 섬유의 제2부분에 존재하는 형광 도우펀트가 에르븀인 것이 편리하다.
또다른 실시예에 따르면, 상기 제2코어에 존재하는 도우펀트는 적어도 부분적으로는, 낮은 원자가 상태로 존재하는 티타늄, 바나듐, 크로뮴 또는 철을 포함한다.
각각의 제1부분의 길이는 상기 제1부분의 제1 및 제2코어 사이에 선택된 결합 대역으로 결합되는 코어들 사이의 비트 길이와 같거나 크다.
상기 제2코어의 도우펀트량 및 상기 제1부분의 제1 및 제2코어의 결합 특성은 상기 결합된 코어들 사이에 있는 비트 길이의 1/10배 이하의 퀀칭(quenching) 길이를 상기 제2코어용으로 결정하도록 상관된다.
본 발명의 특수한 실시예에 있어서, 각각의 제1부분은 비트 길이 자체가 10%의 허용 범위를 지님으로써, 한 비트 길이 전체와 동일한 길이를 지니며, 상기 제1부분의 제2코어에 어떠한 광흡수 도우펀트라도 지니지 않는다.
상기 활성 섬유의 형광 도우펀트가 에르븀인 경우에, 제1부분의 제1 및 제2코어는 1530 및 1540nm 사이에서 모두 광학적으로 결합된다.
각각의 제1부분의 제1코어는 그러한 제1부분을 형성하는 활성 섬유의 외부표면을 지니고서 동축으로 배치되어 있으며 상기 활성 섬유의 적어도 하나의 제2부분의 코어와 정렬하여 배치되어 있는 반면에 상기 제1부분의 적어도 한 단부의 제2코어는 상기 제2부분의 클래딩 재료와 직면해 있다.
상기 제1부분의 적어도 제1코어는 전송 파장 및 펌핑 파장에서 단일 모드의 광신호를 전파할 수 있는데 적합하다.
상기 활성 섬유의 연속적인 2개의 제1부분 사이에 있는 활성 섬유의 제2부분은 상기 제1부분의 제1 및 제2코어 사이의 결합 파장에서 최대로 얻을 수 있는 이득이 15dB, 바람직하게는 1~5dB인 것에 해당하는 것보다 크지 않은 길이를 지니는 것이 유리하다.
상기 활성 섬유의 적어도 한 단부는 상기 활성 섬유의 제1부분에 의하여 구성되는 것이 바람직하다.
2중 코어 섬유의 제1부분은 제1부분의 제1 및 제2코어 사이에서 결합 파장 대역을 미세하게 조정하도록 기계적으로 만곡될 수 있다.
각각의 제1부분은 동작 상태하에서 실질적으로 변형되지 않도록 각각의 지지판에 견고하게 한정될 수 있는 것이 편리하다.
부가하여, 각각의 제1부분은 제1부분의 제1 및 제2코어 사이에서 바람직한 결합 파장에 해당하는 곡률 상태로 각각의 지지판에 견고하게 한정될 수 있다.
본 발명을 양호하게 이해하기 위하여, 단지 예를들어 제공된 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 지금부터 기술된다.
원격 통신용 광섬유에서 신호를 증폭하기 위하여는, 광섬유를 사용하는 증폭기가 편리하게 사용될 수 있다. 그러한 증폭기의 구조가 제1도에 개략적으로 예시되어 있는데, 여기에는 원격 통신용 광섬유(1)가 도시되어 있으며 상기 광섬유(1)를 따라 레이저 신호 방출기(2)에 의하여 발생되고 파장(λs)를 지닌 전송 신호가 전송된다. 상당한 길이의 회선을 거친 후에 감쇠된 전송 신호는 다이크로 결합기(3)에 전송되고, 상기 다이크로 결합기(3)에서는 상기 전송신호가 펌핑 레이저 방출기(5)에 의하여 발생되며 파장(λp)을 지니는 펌핑 신호와 함께 단일 출력 섬유(4) 상에서 결합된다. 일반적으로 도면 번호 (6)로 나타나 있으며 상기 결합기와 관련된 섬유(4)에 접속되어 있는 활성 섬유는 상기 결합된 신호를 증폭하는 요소를 구성함으로써, 상기 신호를 수신할 장소로 계속 향하게 하도록 회선 섬유(7) 내에 도입된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유니트인 증폭요소를 구성하는 활성 섬유(6)를 형성하기 위하여는, 전송 신호의 유리한 증폭이 에르븀의 레이저 전이를 이용하는 것을 허용하는 Er2O3용액으로 코어가 도우핑되어 있으며 실리콘으로 만들어진 활성 섬유를 사용하는 것이 편리하다.
지시된 형태의 도우펀트를 합체한 섬유에 관련하여 상기 섬유의 실리카 매트릭스 용액에 있는 에르븀 이온으로 이용될 수 있는 에너지 상태를 기호로 표시한 제2도에 있어서, 전송 신호의 파장(λs)보다 낮은 펌핑 파장(λp)을 지니는 광 전력 신호를 활성 섬유내에 도입시킴으로 인해, 상기 섬유의 도우펀트 물지로서 존재하는 상당한 Er3+이온이 이하, 펌핑 대역으로서 한정된 여기된 에너지 상태(8)로 되는데, 이로부터 상기 이온이 레이저 방출 레벨을 구성하는 에너지 레벨(9)로 자연 붕괴한다.
상기 레이저 방출 레벨(9)에서, Er3+이온은 기저 레벨(10)로 자연 전이하기 전에 비교적 장시간동안 남아있을 수 있다.
공지된 바와같이, 대역(8)으로부터 레벨(9)로의 전이가 섬유외부로 분산되는 열적(thermal) 형태의 방출(또는 방사(phonoic radiation))과 관련되어 있지만, 레벨(9)로부터 기저 레벨(10)로의 전이는 레이저 방출 레벨(9)의 에너지 값에 해당하는 파장으로 광 방출을 발생시킨다. 상기 레이저 방출 레벨로부터 많은 이온을 포함하는 섬유가 이를 통과하여 그러한 방출에 해당하는 파장을 지닌 신호를 지니는 경우, 상기 신호는 상기 활성 섬유의 출력에서 강력하게 증폭된 전이 신호의 방출을 야기시키는 종속효과를 받기 때문에, 상기 방출 상태에서 기저 상태까지 포함된 이온을 유도 전이시킨 다음에 상기 유도 전이된 이온이 자연붕괴된다.
전송 신호가 없는 경우에, 각각의 물질에 대해 전형적인 이산(離散) 수로 되어 있는 레이저 방출 상태의 자연 붕괴는 사용 가능한 레벨에 해당하며 여러 주파수에서 첨두값을 지닌 광 신호를 발생시킨다. 특히, 제3도에 예시된 바와 같이, 광 증폭기에서 사용하기에 적합하며 Er3+로 도우핑된 Si/Al 또는 Si/Ge 섬유는 1536nm의 파장에서 높은 강도의 방출 첨두 값을 지니지만, 대략 1560nm에 이르는 보다 큰 파장에서는 상기 방출이 여전히 높은 강도를 지니는 영역이 있는 반면에 상기 첨두 영역보다 낮은 강도를 지니는 영역이 있다.
Er3+의 방출 첨두치에 해당하며 1536nm의 파장 상태로 상기 섬유내에 도입되는 광신호가 존재하는 경우, 상기 신호가 매우 강력하게 증폭되지만 에르븀의 자연 방출로 인한 배경잡음은 제한된 상태로 되므로, 이는 그러한 파장의 신호용 광 증폭기에서 사용하기에 적합한 섬유를 만든다.
상기 신호를 발생시키기 위하여는, 1.52~1.57㎛의 전형적인 방출 대역을 지니는 반도체 형태의 레이저(In, Ga, As)를 사용하는 것이 상업적으로 사용가능하며 편리하다.
그러한 레이저 생산 기술로 인해, 그러한 모든 레이저가 증폭기로서 사용되며 에르븀으로 도우핑된 섬유의 방사 첨두값에 해당하도록 특정한 주파수 값에서 전송 신호를 발생시키는 것을 보장하는 것이 가능하지 않다. 이와는 반대로, 상기 상업용으로 사용 가능한 레이저 대부분은 상기 방출 첨두치에 인접한 섬유의 방출 곡선 부분에서 신호를 발생시킨다.
그러한 레이저 방출기에 의하여 발생된 신호는 상기 기술된 형태이며 Er3+로 도우핑된 광 증폭기에서 충분한 이득을 지니면서 증폭될 수 없는데, 그 이유는 대략 1536nm의 파장에서 에르븀이 자연 방출될 때 상기 활성 섬유내에 도입되는 펌핑 전력신호가 상기 증폭기 자체의 활성 섬유내부에 발생되는 배경 잡음을 증폭하는 데 대부분 사용되기 때문이다.
그러므로, 레이저 방출기의 사용이 많은 비용을 들이지 않게 할 정도로 충분히 폭넓은 생산 허용 범위에서 레이저 방출기를 허용하도록 에르븀으로 도우핑된 섬유를 사용하는 증폭기와 결합하여 상기 형태의 레이저 방출기를 사용하기 위하여(혹은 보다 일반적으로, 레이저 상태로부터의 자연 전이로 인한 높은 배경 잡음을 지니는 형광 도우펀트와 결합하여 특수한 형태의 레이저 신호 방출기를 사용할 수 있도록 하기 위하여), 본 발명은 제4도에 예시된 것과 같은 활성섬유를 사용하는데, 상기 활성섬유는 2개의 코어(12, 13)를 지닌 섬유의 제1부분(11)을 포함하며, 상기 코어(12, 13) 각각은 단일 코어 섬유의 제2부분(15)과 서로 엇갈려 있으며 동일한 외부 클래딩(14) 내에 둘러싸여 있다.
2중 코어 섬유의 각각의 제1부분(11)에서, 코어(12)는 단일 코어 섬유의 인접부분(15)의 코어(16)에 접속되어 있으며, 활성 섬유의 단부에서 다이크로 결합기와 관련된 섬유(4) 및 회선 섬유(7)에 각각 접속되어 있다. 따라서, 이러한 코어(12)는 전송 신호를 전도시킨다. 코어(13) 또는 2차 코어는 2개의 코어 섬유의 각각의 제1부분(11)의 2개의 단부로 중단되어 있으므로 또다른 어떠한 접속도 지니지 않는다.
섬유부분(11)의 2개의 코어(12, 13)는 파장에 따른 변화 곡선이 제6도에 나타나 있으며 상기 섬유에 내재하는 각각의 광 전파 상수(B1, B2)가 특히, 에르븀에 대하여 1536nm에 있고 λ1및 λ2사이의 범위에 있는 최대 방출 첨두 파장에서 상기 2개의 코어(12, 13) 사이에 광결합을 달성할 정도이며, 상기 최대 방출 첨두 진폭이 교차 영역에 있는 기울기 곡선(λ1, λ2)에 의하여 결정되고 제3도에 나타낸 바와 같이 상기 방출 첨두 진폭 자체에 대체로 해당하여 배경잡음을 발생시키도록 제공된다.
예를들면, 에르븀이 제2부분(15)의 코어(16)용 도우펀트로서 사용되는 경우에, 2개의 코어(12, 13) 사이의 바람직한 범위는 λ1=1530nm에서 λ2=1540nm에 있을 수 있다.
이는 전송 신호와 함께 코어(12)에 전파되며 에르븀의 자연 방출로 인한 배경 잡음을 대체로 구성하고 대략 1536nm의 파장을 지니는 광 신호가 예를 들면, “pages 84 and 90 of the Journal of The Optical Society of America, A/Vol. 2, No. 1, January 1985”에 기술되어 있는 공지된 광 결합법칙에 따라, 코어(12)로부터 코어(13)에 주기적으로 전송된다는 것을 의미한다.
제7도에 나타난 바와 같이, 2개의 코어 사이에서 광결합 파장 상태에 있는 광전력 신호는 섬유의 한 지점에서 한 코어의 적용 범위가 100%에 이르며 비트 길이로서 공지된 거리(LB)만큼 떨어진 다음에 타코어의 적용 범위가 100%에 이르는 실질적인 정형 곡선에 따라 상기 코어 사이로 분산되지만, 다른 경우에서도 상기 광전력 신호가 2개의 코어 사이로 분산된다.
반면에, 코어(12)에 있는 전송 신호는 결합이 2개의 코어(12, 13) 사이에 생기는 것과 상이하며 이를테면, 1550nm와 동일한 파장(λs)을 지닌다. 따라서, 이는 코어(13)에 전달됨이 없이 코어(12)에서 제한된 상태에 있다.
동일한 방식으로, 결합기(3)에 의하여 코어(16)에 제공되며, 이를테면, 파장(λp)이 980 또는 540nm인 펌핑 광신호는 전파상수를 지님으로써, 섬유 부분(11) 내에서는 코어(13)에의 펌핑 광신호의 통과가 배재된다. 따라서, 상기 섬유부분(11) 내에 펌핑 에너지가 존재하지 않음을 보장한다.
코어(13)는 바람직한 굴절율 프로필을 결정하는 도우펀트에 부가하여, 전체의 스펙트럼에 걸쳐, 또는 적어도 코어(16)의 도우펀트의 방출 첨두치에서 높은 광흡수를 지니며, 특히 레이저 도우펀트로서 에르븀을 사용하는 경우에 대략 1536nm의 첨두값에서 앞서 기술된 바와 같은 잡음원을 지니는 재료에 의하여 구성되는 도우펀트를 포함하는 것이 바람직하다.
그러한 목적에 적합하며 전체의 스펙트럼에 걸쳐 높은 광흡수를 지니는 물질은 예로, 유럽 특허출원 제 0294037호에 기술되어 있으며, 일반적으로 Ti, V, Cr, Fe와 같은 가변 원자가 원소를 보다 낮은 원자가 상태(TiⅢ, VⅢ, CrⅢ, FeⅢ)로 포함한다.
특수한 파장, 즉, 증폭섬유(15)의 코어(16) 도우펀트의 방출 첨두 파장에서 제거하는데 필요한 높은 광흡수를 지닌 물질 중에서, 상기 활성섬유의 동일한 도우펀트를 사용하는 것이 특히 편리하다. 실제로, 충분한 펌핑 에너지양과 함께 제공된 형광 물질이 특수한 파장에서 상당한 방출을 나타내지만, 동일한 물질은 펌핑 에너지와 함께 제공되지 않은 경우, 펌핑 에너지가 존재하는 때에 방출이 발생된 것과 동일한 파장에서 광신호를 흡수한다.
특히, 에르븀으로 도우핑된 코어(16)가 존재하는 경우, 상기 제1부분(11)의 제2코어(13)는 또한 에르븀으로 도우핑 될 수 있는 것이 편리하다.
이러한 방식으로, 에르븀 흡수 곡선이 제3도에 예시되어 있는 형광 또는 레이저 방출 곡선과 유사하기 때문에, 1536nm의 유도 방출 첨두값에서 동일한 파장의 유사 흡수 첨두값이 있다.
따라서, 상기 코어사이에 있는 1536nm의 결합 파장의 형광 신호는 전송 신호가 유도되는 코어(12)에 다시 전달되지 않는데, 그 이유는 코어(13) 내부에서 상기 현존하는 도우펀트에 의한 흡수의 덕택으로 도입된 광 신호의 실질적인 완전 감쇠가 있을 수 있기 때문이다.
그리하여, 코어(16)에 존재하는 바람직하지 못한 파장의 방출은 과잉 강도가 되기전에 제1부분(11) 내에 도입될 수 있으며 상기 제1부분(11) 내에 도입된 그러한 파장의 방출은 펌핑 에너지가 코어(12)에 의하여 후속하는 제2부분(15)의 코어(16) 내에 도입되는 전송 신호를 증폭하는 것을 허용하고 그 신호 자체상에 중복되지 않도록 코어(12)로부터 추출되고 코어(13) 내에 분산될 수 있다.
이러한 목적으로, 제4도에 예시된 바와 같이 부분(14) 바로 앞에 있는 부분(15)은 배경 잡음의 지나친 증가를 방지하도록 제한된 길이인 것이 바람직하다. 이러한 길이는 상기 섬유 자체의 특성에 의존 하며, 결국 상기 섬유 자체의 이득에 의존한다. 증폭기는 15dB 이하의 최대 이득을 제공하며, 바람직하게는, 상기 코어 사이의 결합 파장, 특히 1536nm의 결합 파장에서 1~5dB 범위에 걸쳐 있는 정도로 길이(F)의 부분(15)을 지닐 수 있다.
부분(11)의 코어(12)가 어떠한 형광 도우펀트도 지니지 않을 수 있으므로, 전체의 증폭이득은 활성섬유(6)의 부분(15)에 일임되거나, 또는 코어(16)와 동일한 도우펀트를 포함할 수 있다.
다시, 2개의 코어 섬유의 각각의 부분(11)의 길이(La)는 상기 언급된 비트 길이(LB)보다 크다. 부가해서, 2개의 코어 섬유의 각각의 부분(11)에 존재하는 높은 광흡수를 지니는 도우펀트량은 상기 비트 파장(LB)보다 적어도 한 등급의 크기만큼 낮은 섬유 코어(13)용 퀀칭 길이(L)(즉, L 1/10LB(감쇠 매질(P)=P0e-αL인 광전력의 전파법칙으로부터 알 수 있는 바와 같이, 여기서 상기 섬유의 광 에너지가 인자(1/e)에 의하여 환산된 섬유의 길이(L) 다음에 있는 α는 상기 섬유의 감쇠 특성에 의존하며 실질적으로 상기 코어에 존재하는 감쇠 도우펀트량에 의존하는 계수임을 결정할 정도의 량일 수 있다. 코어(13)의 특성은 비트 파장(LB)보다 두 등급의 크기만큼 낮은 퀀칭 길이(L)를 지닐 정도인 것이 바람직하다.
또한, 코어(13)는 어떠한 감쇠 도우펀트라도 지니지 않을 수 있다. 이러한 경우에, 제8도에 나타낸 바와 같이 2개의 코어 섬유의 부분(11)이 길이(La=LB)를 지님으로써 제2코어(13)의 단부에서 제거될 파장의 광전력 신호가 코어(13)에 완전하게 전달되므로, 섬유(15)와 접한 부분에서 상기 광전력 신호는 섬유(15)의 클래딩 내에 분사된다.
2개의 코어 섬유의 굴절율 프로필을 결정하는 도우펀트에 부가하여 상기 2개의 코어 섬유내에 도우펀트를 도입시키는 것을 방지하는 것이 가능하므로 그러한 배치는 편리하지만, 그 반면에 상기 배치는 부분(15)과 접한 부분에서 코어(12)에 잡음파장이 실질적으로 존재하지 않는 것을 보장하도록 대략 LB의 10% 이하의 비트 파장(LB) 값에 대하여 플러스(+) 또는 마이너스(-)의 허용범위(t)를 지닌 필요한 길이로 절단되는 부분을 필요로 한다.
그러한 허용 범위는 비트 길이가 수 cm 이하임에 따라 실제로 난해하게 실현될 수 있지만, 상기 기술된 바와 같이 코어(13)에 감쇠 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
섬유부분(11)의 치수 결정은 2개의 코어에 있는 전파 상수에 의하여 첨두 방출파장(이를테면, 1536nm) 주변의 중심에 있는 대역 결합이 야기되지만, 불가피한 제조 허용범위에 의하여 바람직한 값으로부터의 이탈이 야기될 수 있을 정도이다.
이때, 결합 파장의 미세 조정을 실현하기 위하여, 2중 코어 섬유의 부분(11)은 호(弧) 형태의 곡선을 이룸으로써, 광전파 특성을 변화시키며 상기 섬유에 내재하는 내부 장력을 유도하여 상기 부과된 곡률이 변함에 따른 결합 파장값은 바람직한 파장값과 일치될 때까지 측정된다. 그리고 나서, 그러한 부분(11)의 구성은 제9도에 예시된 바와 같이, 이를테면 부착물에 의하여 각각의 지지판(17)에 상기 부분(11)을 한정시킴으로써 유지된다.
2중 코어 섬유의 부분(11) 사이에 포함된 단일 코어 섬유의 부분(15)은 이것이 잡음을 구성하는 파장을 분리시킨다는 관점으로부터 증폭기의 작동에 어떠한 영향도 미치지 않고서도, 이를테면 상기 섬유부분(15)을 선회하는 상태로 권선함으로써 증폭기를 둘러싸는 케이싱내에 필요에 따라 배치될 수 있지만, 2중 코어 섬유는 상기 기술된 바와 같이 이들에 가장 적합한 곡률에서 엄밀하게 한정되어 또 다른 용력에 대하여 보호받는다.
편리한 점으로는, 증폭기로부터 하향 방향인 회선(7)의 다음 부분에 잡음이 전혀 없는 전송신호를 전송하기 위하여, 증폭기인 활성 섬유(6)의 최종 부분은 상기 전송 신호에 의하여 추종되는 방향으로 2중 코어 섬유의 부분(11)에 의하여 구성된다. 회선이 쌍방향 방식으로 사용되기 위하여는, 활성섬유(6)의 단부 모두가 2중 코어 섬유의 부분(11)에 의하여 구성된다.
따라서, 상기 섬유(6)는 이 섬유 자체내에 유도된 광신호를 여과하는 동작을 수행하여 Er3+이온의 레이저 방출 레벨로부터 자연 붕괴함으로써 발생되는 광양자(phonton)를 1536nm에서 분리시키고 흡수시킴으로써, 펌핑 에너지가 존재할 경우 활성 코어의 긴 부분에 대해 진행하는 그러한 광양자가 그러한 파장에서 또다른 붕괴를 야기시키며, 실질적으로는 전송 파장 및 펌핑 파장을 코어(12)만에 전송시킬 수 잇다. 이때, 전송 파장(λs)은 에르븀이 이를테면, 제3도에 나타난 값(λ2, λ2) 사이에서 상당한 레이저 방출값(대략 1540~1560nm에 해당함)을 지니는 전체의 범위로부터 선택될 수 있다. 이는 증폭 작용을 차이나게 하지 않고서도, 전송 신호용 레이저 방출기에 대하여 자유로운 폭을 선택할 수 있으며, 대다수의 상업용으로 생산된 반도체 레이저(In, Ga, As)를 허용하도록 충분한 폭 범위에 포함되고 여러 파장을 지닌 신호를 방출기에 사용할 수 있다.
동시에, 단일 코어 섬유의 부분(15)보다 작은 길이의 2중 코어 섬유의 부분을 준비함으로써 결합 파장이 정확하게 조정될 수 있으며 상기 부분(11)이 실질적으로 기계적 응력으로부터 분리되게 할 수 있다.
제5도에 도시된 바와 같이, 2중 코어 섬유의 각 부분(11)이 광신호를 유도하도록 사용되며 상기 섬유의 클레딩 내부에 동축으로 배치되어 있는 반면에 제2코어(13)는 중심을 달리하는 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 상기 섬유(4, 7, 15)의 단일 코어는 각각의 클래딩 내부에 동축으로 배치되어 있다.
따라서, 제4도, 제7도 및 제8도에 예시된 바와 같이, 2중 코어 섬유의 부분(11) 및 단일 코어 섬유의 부분(4, 7, 15) 사이의 접속은 상기 섬유의 외부 표면을 정렬시킴으로써 상기 섬유 사이의 정렬을 달성하는 종래의 접합 디바이스를 통해 정면으로 상기 섬유의 단부에 배치함으로써, 특수한 측정을 필요로 하지 않고서도 종래의 방식으로 수행될 수 있고, 그럼으로 해서 실질적으로 어떠한 접합 손실도 없이, 상기 2개의 코어 섬유의 코어(12)를 이것의 축 방향으로 상기 단일 코어 섬유의 코어와 정렬시킨다. 중심을 달리하는 위치에 있는 코어(13)는 다른 코어에 접속될 필요가 없으므로 어떠한 또 다른 동작을 필요로 하지 않고서도 2중 코어 섬유(11)의 각 부분의 단부에서 중단된 상태에 있다.
가장 높은 증폭 효율을 지니도록 하기 위하여는 코어(12)는 단일 파장에서 몇 펌핑 파장에서 단일 모드이며 코어(13)는 또한 적어도 단일 파장에서 단일 모드인 것이 바람직하다.
예로서, 2중 코어 부분으로 제공되며 Er3+로 도우핑된 Si/Al 형태의 활성섬유(6)를 포함하는 증폭기는 제1도에 따라 만들어 졌으며, 상기 섬유의 단일 코어 부분에 있는 Er2O3의 중량 당 함유량은 40ppm이었다.
2개의 코어 섬유의 각 부분(11)에서, 코어(12, 13) 모두는 반경(a)=3.1㎛, 개구수(NA)=0.105, 굴절률(n1)=1.462을 지녔으며 제5도에 나타난 2개의 코어(12, 13)의 분리는 d=3.5㎛이었고, 코어(12)는 상기 섬유의 외부 지름과 동축이었다.
각각의 부분(11)은 길이(La)=100mm를 지녔고 5m의 증폭 섬유 길이(F)와 인접해 있었다.
2개의 코어 섬유의 각 부분(11)의 코어(12)가 에르븀을 전혀 포함하지 않은 데 비하여 코어(13)는 Er2O3의 중량당 함유량이 2500ppm인 것을 지녔다.
활성 섬유(6)의 전체 길이는 30m이었다.
펌핑 레이저(5)로서 150mW의 전력을 지니고서 528nm에서 동작하는 아르곤 이온의 레이저가 사용된 데 비하여, 신호방출 레이저(2)로서 방출 파장이 1550nm에서 측정되었고 1mW의 전력을 지니는 상업용 형태의 반도체 레이저(In, Ga, As)가 사용되었다.
상기 실험용 구성을 사용한 증폭기로 부터의 하향 흐름에서, 20dB의 이득이 0.5㎛의 값으로 감쇠된 입력 신호상에서 얻어졌다.
회선내에서 증폭기를 실제 상태로 사용하는 것을 모의 실험하는데 적합한 증폭기 입력 신호의 감쇠는 가변 감쇠기에 의하여 얻어졌다.
신호가 존재하지 않을 경우, 자연 방출 레벨은 상기 증폭기로부터의 하향 흐름에서, 10㎼로 측정되었다.
상기 증폭기에 의하여 발생된 배경 잡음을 구성하는 그러한 방출은 훨씬 높은 레벨(대략 250㎼)로 증폭되는 신호에 대하여 상당한 잡음을 나타내지 않는다.
비교해 볼 때, 상기 기술된 동일한 전송 레이저 방출기(2)는 앞서 기술한 예의 증폭기와 동일한 구조를 지니지만, 코어에서 중량당 Er3+의 40ppm을 함유하는 Er3+로 도우핑되며 30m의 길이를 지니는 계단형 굴절율 Si/Al의 단일 코어 활성섬유(6)를 사용하는 증폭기와 결합하여 사용되었다.
1560nm의 파장에서의 전송 신호를 사용하는 그러한 증폭기는 출력 신호와 비교될 수 있는 자연 방출 레벨을 사용하여 15dB 이하의 이득을 나타내었다.
주어진 예로부터 알 수 있는 바와 같이, 단일 코어 섬유 증폭기는 1560nm에서 신호가 존재할 경우, 감소된 이득을 나타내었고, 그와 아울러 상기 신호 자체를 수신하는 것을 어렵게 할 정도로 잡음을 도입시키므로, 상기 증폭기가 실제 용도에 사용될 수 없음이 입증되었지만, 2중 코어 섬유의 부분으로 제공된 활성 섬유를 사용하고 2개의 코어가 배경 잡음의 방출 첨두값에 해당하는 파장에서 모두 결합되는 본 발명의 실시예에 따른 증폭기는 1560nm에서 동일한 신호를 지니고서, 무시할 수 있는 도입 잡음과 함께 높은 증폭 이득을 자체적으로 제공할 수 있었다.
따라서, 원격 통신 회선에서 본 발명에 따른 증폭을 사용함으로써 그러한 회선이 상업용 형태의 레이저 방출기에 의하여 발생된 신호를 전송하기에 적합할 수 있으므로, 상기 레이저 방출기용으로 폭넓은 생산 허용 범위를 허용함과 동시에, 증폭 성능이 대체로 일정하며 사용된 신호 방출기의 실제 방출값에 영향을 받지 않는다.
본 발명의 범위를 이탈하지 않고서도 일반적인 특징의 여러 변형예를 도입하는 것이 가능할 것이다.

Claims (19)

  1. 단일 출력 섬유(4)에서 전송 신호 및 광 펌핑 에너지를 다중화시키는 데 적합한 다이크로 결합기(3), 및 형광 도우펀트를 포함하며 상기 다이크로 결합기(3)의 출력 섬유에 접속되고 증폭된 신호를 송·수신하는데 적합하도록 원격 통신 회선 섬유(7)에 접속가능한 활성 광섬유(6)를 포함하여 미리 결정된 파장 대역의 전송 신호로 동작하는 광섬유 회선용의 폭넓은 신호 대역 광 증폭기에 있어서, 상기 활성 광섬유(6)는 제1코어(12) 및 제2코어(13)를 지닌 광섬유의 각 길이에 의하여 각기 구성되는 제1부분(11), 및 상기 형광 도우펀트를 포함하는 코어(16)를 지닌 광섬유의 각 길이에 의하여 각기 구성되는 제2부분(15)을 포함하며, 상기 제1부분의 제1코어(12)는 상기 제2부분의 코어(16)에 광학적으로 접속되어 있고 상기 제1부분의 제2코어(13)는 상기 제1부분의 단부에서 중단되어 있으며, 상기 제1부분의 제1 및 제2코어(12, 13)는 상기 제1코어(12)의 레이저 방출의 파장 범위에 포함되고 전송 신호대역과 상이한 파장 대역에서 서로 광학적으로 결합되어 있는 광 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 활성 광섬유(6)의 각각의 제1부분(11)의 제2코어(13)는 상기 형광 도우펀트의 레이저 방출 범위에서 높은 광 흡수를 지니는 도우펀트를 포함하는 광증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 활성 광섬유(6)의 각각의 제1부분(11)의 제2코어(13)에 포함된 도우펀트는 상기 활성 섬유(6)에 존재하는 동일한 형광 도우펀트에 의하여 구성되는 광 증폭기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2코어(13)에 존재하는 도우펀트는 적어도 부분적으로는 낮은 원자가 상태로 존재하는 티타늄, 바나듐, 크로뮴 또는 철을 포함하는 광 증폭기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2코어(13)내에 있는 도우펀트량 및 상기 제1부분의 제1 및 제2코어(12, 13)의 결합 특성이 상기 결합된 코어 사이에 있는 비트 길이의 1/10배 이하의 퀀칭(quenching) 길이를 상기 제2코어(13) 용으로 결정하도록 서로 관련되어 있는 광 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 제1부분(11)의 제1코어(12)는 형광 도우펀트를 포함하는 광 증폭기.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 제1부분(11)의 제1코어(12)는 형광 도우펀트를 전혀 지니지 않는 광 증폭기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 활성 섬유(6), 적어도 상기 활성 섬유(6)의 제2부분(15)에 존재하는 형광 도우펀트는 에르븀인 광 증폭기.
  9. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코어(12, 13)는 1530 및 1540nm 사이에서 서로 광학적으로 결합되어 있는 광 즉폭기.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 제1부분(11)의 길이(LA)는 상기 제1부분(11)의 제1 및 제2코어(12, 13) 사이에서 선택된 결합 대역으로 결합된 제1 및 제2코어(12, 13) 사이의 비트 길이(LB)와 같거나 큰 광 증폭기.
  11. 제10항에 있어서, 각각의 제1부분(11)은 한 비트 길이(LB) 전체와 동일하며 상기 비트길이 자체에서 10%의 허용 범위를 지닌 길이(LA)를 지니는 광 증폭기.
  12. 제1항에 있어서, 각각의 제1부분(11)의 제1코어(12)는 그러한 제1부분을 형성하는 섬유 길이의 외부표면과 동 축으로 배치되어 있으며 상기 활성 섬유(6)의 제2부분(15)중 적어도 한 제2부분의 코어(16)와 정렬하여 배치되어 있는데 비하여 상기 제2코어(13)는 상기 제1부분의 적어도 한 단부에서 상기 제2부분의 클래딩 재료에 직면하는 광 증폭기.
  13. 제1항에 있어서, 적어도 상기 제1부분(11)의 제1코어(12)는 전송 파장 및 펌핑 파장에서 단일 모드 광 신호를 전파할 수 있는데 적합한 광 증폭기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 활성 섬유(6)의 2개의 연속적인 제1부분(11) 사이에 있는 활성 섬유(6)의 제2부분(15)은 상기 제1부분(11)의 제1 및 제2코어(12, 13) 사이의 결합 파장에서 최대로 얻을 수 있는 이득이 15dB인 것에 해당하는 길이 이하인 길이(F)를 지니는 광 증폭기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2부분(15)은 상기 제1부분(11)의 제1 및 제2코어 사이의 결합 파장에서 1 및 5dB 사이의 이득에 해당하는 길이 이하인 길이(F)를 지니는 광 증폭기.
  16. 제1항에 있어서, 상기 활성 섬유(6)의 적어도 한 단부가 상기 활성 섬유(6)의 제1부분(11)에 의하여 구성되는 광 증폭기.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1부분(11)은 상기 제1부분(11)의 제1 및 제2코어 사이의 결합 파장을 미세하게 조정하도록 기계적으로 만곡될 수 있는 광 증폭기.
  18. 제1항에 있어서, 각각의 제1부분(11)은 동작 상태에서 실질적으로 변형될 수 없도록 각각의 지지판(17)에 견고하게 한정되어 있는 광 증폭기 .
  19. 제18항에 있어서, 각각의 제1부분(11)은 이 제1부분(11)의 제1 및 제2코어 사이의 바람직한 결합 파장 대역에 해당하는 곡률 상태에서 각각의 지지판(17)에 견고하게 한정되어 있는 광 증폭기.
KR1019910002083A 1990-02-07 1991-02-07 2중 코어부분을 사용하며 폭넓은 신호 파장 대역을 지니는 활성 섬유용 광 증폭기 KR0179024B1 (ko)

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