KR0181420B1 - 평탄화된 동적 이득을 갖는 광증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사코팅 또는 반사형 광섬유 격자에 의해 평탄화된 동적 이득을 갖는 광증폭기에 관한 것으로서, 신호광과 펌프광을 결합시키는 파장선택 결합기; 대략 1%의 알루미늄을 갖는 알루미노-저매노실리게이트 어븀 도핑 광섬유이고, 끝면이 반사코팅되거나 반사형 광섬유 격자로 이루어진 이득매체; 및 반사된 신호광이 이득매체를 통과하여 최종 증폭된 신호를 입력되는 신호와 분리하는 광분리기를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 특별한 조성을 갖는 이득매체를 사용하므로써 동작조건의 변화에 대해서도 이득곡선이 일정하게 되고, 상기 이득매체의 끝면과 끝단을 반사코팅하거나 반사형 광섬유 격자를 사용하므로써 이득곡선이 평탄화되어 EDFA 동작대역을 넓히고, 필터를 사용하지 않으므로 EDFA의 소형화 및 안정화를 이룰 수 있다.

Description

평탄화된 동적 이들을 갖는 광증폭기

제1도는 특별한 조성을 가지면서 끝면이 반사코팅된 이득매체를 갖는 본 발명에 따른 평탄화된 동적이득을 갖는 EDFA의 구조를 도시한 것이다.

제2도는 특별한 조성을 가지면서 끝면이 반사광 격자로 된 이득매체를 갖는 본 발명에 따른 평탄화된 동적이득을 갖는 EDFA의 구조를 도시한 것이다.

본 발명은 광증폭기에 관한 것으로서, 특히 반사코팅 또는 반사형 광섬유 격자에 의해 평탄화된 동적 이득을 갖는 광증폭기에 관한 것이다.

광증폭기는 미래의 통신 시스템에서 널리 사용될 것이 예측되고 있으며 특히 어븀 도핑 광증폭기(Erbium Doping Fiber Amplifier : 이하 EDFA라 함)는 현재 통신 시스템에 설치되어 사용되고 있다. 상기 EDFA는 대량의 데이터가 한 가닥의 광섬유를 통해 장거리에 걸쳐 전송될 때 장거리 전송에 따르는 광신호의 감쇠를 막기 위하여 주기적으로 미약해진 광신호를 증폭해 주는 데 사용된다. 그러나 장거리 전송에 따른 광신호의 주기적인 증폭시 일어나는 문제(예를 들어 분산)가 발생하며, 이를 극복하기 위해 파장분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing : 이하 WDM이라 함) 전송방식이 이용된다.

일반적으로 상기 WDM 시스템에 사용되는 EDFA들은 서로 다른 채널(즉 파장)에 대하여 보통 이득(gain)이 다르게 전개되는 특성을 갖는다. 이것은 어떤 한 채널이 다른 채널에 비해 너무 작은 이득 특성을 갖게 되는 문제점을 초래하기도 한다. 이러한 이득의 차이는 광증폭 시스템에서 만약 신호가 감쇠되거나 또는 반복적으로 재증폭된다면 상기 이득 차이가 누적되어 심하게 커질 수 있다. 이렇게 심한 이득 차로 인해 시스템은 손상을 받을 수 있고, 채널간의 이득차가 크면 상기 채널은 더 이상 유용하지 못하게 되므로 서로 다른 채널(파장)에 대해 이득을 같게 하는 즉 이득 평탄화가 요구된다.

그리하여 평탄한 이득 스펙트럼을 얻기 위하여 몇가지 방법이 사용되어 왔다. 첫째로, EDFA를 구성하고 있는 이득매체(즉 어븀도팽 광섬유: EDF)의 조성을 변조하여 이득을 평탄하게 한다. 즉 고(高) 알루미늄(Al)이 함유된 조성(Er³⁺, Al, Ge, SiO₂)ㅇ 광섬유를 이득매체로 사용하거나 ZIBLAN(ZrF₄- BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)과 같은 플루오라이드계 광섬유를 사용하는 것이다. 둘째로는 이득 평탄용 필터를 사용하여 이득을 평탄하게 하기도 한다.

그런데 종래기술에 따른 WDM용 EDFA에서는 이득평탄도가 무시되거나 이득 평탄도가 부족하며, 특정 입력신호와 펌프파워에 대해서만 평탄화된다. 그리고 어떤 특정 이득에 대해서만 평탄화되거나, 이득을 평탄화 하기 위해서 필터를 사용하여 이득을 평탄화하는 것이 필요하며 아니면 적어도 가변감쇠기로 입력파워 조정이 필요하다.

이 모든 것들은 다음과 같은 한 두가지 이상의 문제점을 겪는다.

1. 평탄도를 포함하는 이득곡선 모양은 동작조건이 변하면 변한다.

2. 적어도 하나 이상의 펌프 소스가 고장이 나면, 이득곡선은 매우 좋지 않은 방향으로 변한다.

3. 종래 EDFA는 신호파워를 모니터할 필요가 있고 필터 또는 EDFA의 펌핑을 제어한다.

4. 종래 EDFA는 필터를 필요로 하며, 필터의 사용은 전송 손실을 증가시키며, EDFA의 소형화 및 안정화에 어려움을 준다.

5. 종래 EDFA는 이득곡선이 변하기 때문에 EDFA 고유특성인 자동파워 제어(Automatic Power Control : APC)를 제공할 수 없다.

따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 이득을 평탄화하기 위한 필터를 사용하지 않으면서, 이득변화의 동작 레벨에 따라 이득이 평탄해지거나 이득이 평탄 영역에 머물게 하고 이득곡선이 동작조건과 무관하게 하기 위해, 이득매체의 끝면을 파장에 따라 반사율을 다르게 코팅하거나 반사형 광섬유 격자를 사용하므로써 평탄한 동적이득을 갖는 광증폭기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평탄한 동적이득을 갖는 광증폭기는 신호광과 펌프광을 결합시키는 파장선택 결합기; 대략 1%의 알루미늄을 갖는 알루미노-저매노실리게이트 어븀 도핑 광섬유이고, 끝면이 반사코팅되거나 반사형 광섬유 격자로 이루어진 이득매체; 및 반사된 신호광이 상기 이득매체를 통과하여 최종 증폭된 신호를 입력되는 신호와 분리하는 광분리기를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 이득매체는 1520㎚에서 1554㎚ 파장 범위에서 파장에 따른 반사코팅의 반사율을 다르게 하여 평탄한 이득을 가짐을 특징으로 하며, 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 제1도 및 제2도는 본 발명에 따른 평탄화된 동적 이득을 갖는 EDFA의 구조를 도시한 것이다. 제1도는 특별한 조성을 가지면서 끝면이 반사코팅된 이득매체를 갖는 EDFA를 도시한 것으로서, 파장선택 결합기(Wavelength Selective Coupler : WSC, 110), 광분리기(Optical Circulator : OC, 100), 이득매체(EDF, 120), 반사코팅부(130)를 포함한다.

상기 파장선택 결합기(110)는 상기 신호광과 펌프 레이저 다이오드(Pump LD)로 부터의 펌프광을 결합시키는 역할을 한다. 상기 이득매체(120)는 대략 1%의 알루미늄을 갖는 알루미노-저매노 실리게이트(alumino-germanosilicate) 어븀(erbium) 도핑 광섬유이고, 1520㎚에서 1554㎚ 파장 범위에서 파장에 따른 반사코팅의 반사율을 달리 하므로써 평탄화된 동적이득을 갖는다. 또한 1532㎚에서 소신호(small signal) 이득을 낮추어 광증폭기 전체적으로 볼 때 평탄화된 동적이득을 얻기 위해, 상기 이득매체(120) 앞단에 알루미노실리게이트(Aluminosilicate) 어븀도핑 광섬유, 포스퍼실리게이트(Phosphosilicate) 어븀도핑 광섬유 또는 이터븀(Yb)이 공동 첨가된 포스퍼 실리게이트(Yb-sensitized phosphosilicate) 어븀도핑 광섬유가 추가로 삽입된다.

상기 반사코팅부(130)는 상기 이득매체(120)의 끝면에 해당하며, 잔여 펌프광을 재활용하고 신호광의 이득을 극대화하면서 EDFA의 이득을 평탄화하기 위해 펌프광과 신호광 파장대에서 각각 반사할 수 있도록 반사코팅되어 있다. 그리고 상기 광분리기(100)는 반사된 신호광(λs)이 상기 이득매체(120)를 통과하여 최종 증폭된 신호를 입력되는 신호와 분리한다.

제2도는 특별한 조성을 가지면서 끝단이 반사형 광섬유 격자를 갖는 이득매체를 갖는 EDFA를 도시한 것으로서, 상기 제1도와 동일한 구성을 가진다. 즉 파장선택 결합기(210)은 파장선택 결합기(110)에 상응하고, 마찬가지로 이득매체(220)은 이득매체(120)에, 광분리기(200)는 광분리기(100)에 상응한다. 다만 상기 이득매체(220)의 끝면이 제1도의 반사코팅부(130) 대신 광섬유 격자(230)로 이루어진다. 상기 광섬유 격자(230)는 특정한 파장에 대해서만 선택적으로 반사를 한다. 예를 들어 제1격자(232)는 파장(λs1)에 대해서만 반사하고, 마찬가지로 제2격자(234)는 파장(λs2)에 대해서만, 제3격자(236)는 파장(λs3)에 대해서만 반사한다.

본 발명의 동작을 설명하기로 한다. 어븀 도핑 광섬유(EDF)처럼 동차로 확장된(homogeneously broadened) 이득매체에 대하여 얻는 이득(Gain) G[dB]는

로 쓰여진다. 여기서 λ은 파장, L은 신호가 EDF를 통과하여 전파하는 거리, α(λ)는 미터당 데시벨(dB)로 표시되는 흡수 스펙트럼, g^*(λ)는 완전반전(complete inversion)에서 미터당 데시벨로 표시된 이득, f(λ)는 데시벨로 표시되는 광필터의 감쇠량, n₂는 여기정도 즉 Er³⁺이온 총수에 대한 여기된(준안정) 상태의 Er³⁺이온수의 비이다.

상기 (1)식에 따라, 이득 스펙트럼은 n₂와 함께 다음과 같이 변한다.

만약 [g^*(λ)+α(λ)]=g_p-p(λ)가 두 파장에 대하여 같다면 이들 두 파장에서의 이득은 n₂가 변하는 양 만큼씩 변한다. 이득곡선이 일정하기 위해서는 g_p-p(λ)가 광범위한 파장 범위에서 일정하면 가능하다. 이것은 특별한 조성을 갖는 이득매체(EDF)에서 달성됨을 알았다. 아울러 이득곡선을 1520㎚에서 1554㎚까지의 파장범위에서 평탄화시키기 위해 이득매체의 끝면을 코팅시키거나 광섬유 격자를 사용한다.

제1도 및 제2도에 따른 EDFA의 동작을 살펴보면, 입력신호광이 광분리기(100,200)의 포트1에서 포트2를 지나도록 하고 이 빛은 파장선택 결합기(110,210)를 통과한 후 펌프광과 합해져 펌프광에 의해 여기되어 이득매체(120,220) 내에서 증폭된다. 이렇게 증폭된 신호광은 반사코팅부(130) 또는 반사광 격자(230)에서 반사되어 마찬가지로 반사된 펌프광 및 기존의 펌프광에 의해 여기된 이득매체(120,220)를 다시 통과하면서 증폭된다. 상기 증폭된 신호는 파장선택 결합기(110,210)를 통과한 후 광분리기(100,200)를 통과한 후 상기 광분리기(100,200)의 포트 2에서 포트 3를 지나 최종적으로 출력된다.

그리고 제1도 및 제2도에 따른 EDFA는 이득매체(EDF) 전체에 걸쳐 이득을 더욱 동차적으로 포화시킨다. 신호는 먼저 일방향으로 이득매체(EDF)를 통과하고 다음에 다른 방향으로 재통과하여 항상 증폭하고 있기 때문에 순방향으로 비교적 낮은 이득을 얻는 신호파장들은 역방향으로 비교적 높은 이득을 얻게되며, 반대로 순방향으로 높은 이득을 얻는 신호파장들은 역방향으로 낮은 이득을 얻게 될 것이다. 파장에 따른 신호광의 이득(순방향+역방향)은 이득매체(EDF)를 통과한 후 더욱 균일하게 된다.

또한 상기 이득매체(120) 앞단에 알루미노실리게이트(Aluminosilicate) 어븀도핑 광섬유, 포스퍼실리게이트(Phosphosilicate) 어븀도핑 광섬유 또는 이터븀(Yb)이 공동 첨가된 포스퍼 실리게이트(Yb-sensitized phosphosilicate) 어븀도핑 광섬유를 추가로 삽입하므로써, 1532㎚에서 소신호(small signal) 이득을 낮추게 되어 광증폭기 전체적으로 볼 때 평탄화된 동적이득을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존의 방법과 달리 특별한 조성을 갖는 이득매체(EDF)를 사용하므로써 동작조건의 변화에 대해서도 이득곡선이 일정하게 되고, 상기 이득매체의 끝면과 끝단을 반사코팅하거나 반사형 광섬유 격자를 사용하므로써 이득곡선이 평탄화되어 EDFA 동작대역을 넓히는 효과가 있다.

그리고 이로 인해 WDM 광전송시 더 많은 신호파장을 사용할 수 있게 되므로써 데이터 전송에 따른 비용의 절감으로 인해 광전송 시스템의 경제성을 향상시킨다. 또한 1550㎚ 파장영역의 이득이 높아짐으로 인해 후단 증폭기(Post-Amp)용과 전단 증폭기(Pre-Amp)용으로 사용할 때 무중계 거리가 향상되고, 중계기로 사용할 때 중계기 간의 거리가 늘어남으로써 데이터 수신시 신호대잡음비(SNR)가 향상되어 필요로 하는 중계기 수를 줄임으로써 라인(Line) 비용을 줄일 수 있다. 더욱이 이득을 평탄화 하기 위해 필요로 했던 필터를 사용하지 않아도 되므로 EDFA의 소형화 및 안정화를 이룰 수 있다.

Claims (5)

1. 신호광과 펌프광을 결합시키는 파장선택 결합기; 대략 1%의 알루미늄을 갖는 알루미노-저매노실리게이트 어븀 도핑 광섬유이고, 끝면이 반사코팅되거나 반사형 격자로 이루어진 이득매체; 및 반사된 신호광이 상기 이득매체를 통과하여 최종 증폭된 신호를 입력되는 신호와 분리하는 광분리기를 포함함을 특징으로 하는 평탄화된 동적이득을 갖는 광증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 이득매체는 1520㎚에서 1554㎚ 파장 범위에서 파장에 따른 반사코팅의 반사율을 다르게 하여 평탄한 이득을 가짐을 특징으로 하는 평탄화된 동적이득을 갖는 광증폭기.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득매체는 상기 이득매체의 앞단에 알루미노실리게이트 어븀도핑 광섬유가 추가로 삽입된 이득매체임을 특징으로 하는 평탄화된 동적이득을 갖는 광증폭기.
4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한항에 있어서, 상기 이득매체는 상기 이득매체의 앞단에 포스퍼실리게이트 어븀도핑 광섬유가 추가로 삽입된 이득매체임을 특징으로 하는 평탄화된 동적이득을 갖는 광증폭기.
5. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득매체는 상기 이득매체의 앞단에 이터븀(Yb)이 공동첨가된 포스퍼 실리게이트 어븀도핑 광섬유를 추가로 삽입한 이득매체임을 특징으로 하는 평탄화된 동적이득을 갖는 광증폭기.