KR100194960B1 - 광 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적인 에르븀 첨가 광증폭기에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하여, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유의 흡수 특성에 의하여, 이득 스펙트럼을 파장에 대하여 균일하게 하고, 또한 이를 유지하는 입력 신호광 세기의 폭을 확장시키도록 한 광증폭기가 개시된다.

Description

광증폭기

제1도는 본 발명에 따른 광 증폭기의 구성도.

제2a 및 2b도는 제1도의 여기되지 않은 에드븀 첨가 광섬유에 의한 이득 스펙트럼의 등화를 나타내는 도면.

제3a 및 3b도는 강한 세기의 신호 광이 제1도의 에르븀 첨가 광 증폭기에 입사하였을 때의 이득 스펙트럼 변화를 나타낸 도면.

제4a 및 4b도는 약한 세기의 신호 광이 제1도의 에르븀 첨가 광 증폭기에 입사하였을 때의 이득 스펙트럼 변화를 나타낸 도면.

제6도는 일반적인 에르븀 첨가 광 증폭기의 입력신호 광 세기 폭을 측정하여 도시한 그래프.

제7도는 에르븀 첨가 광 증폭기에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유 결합하였을 때의 입력신호 광 세기 폭을 측정하여 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

ISO : 아이솔레이터 EDF1, EDF2 : 에르븀 첨가 광섬유

WDM : 여기광과 신호광을 결합하기 위한 파장분할 광섬유 결합기

PUMP LD : 여기광 레이저다이오드 1 : 에르븀 첨가 광 증폭기

2 : 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유

11 : 광 스펙트럼 분석기(Optcal spectrum analyzer)

본 발명은 광증폭기에 관한 것으로, 특히 에르븀 첨가 광 증폭기에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하여, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유의 흡수 특성에 의하여, 이득 스펙트럼을 파장에 대하여 균일하게 하고, 또한 이를 유지하는 입력신호 광 세기의 폭을 확장시킬 수 있도록 한 광 증폭기에 관한 것이다.

여러 개의 파장에 신호를 실어보내는 방식의 다채널 광전송시스템에서 채널간의 불균일한 이득, 혹은 손실은 채널마다의 전송품질을 변화시키기 때문에 시스템 구성시 문제가 된다. 이러한 채널간의 이득, 혹은 손실에 영향을 주는 요소로는 광 링크에 삽입되어 있는 여러 광소자의 광 증폭기가 있다. 현재 전송파장인 1550㎚ 대역에 이득 대역이 존재하는 에르븀 첨가 광 증폭기는 에르븀 이온의 이득 특성에 의하여 근본적으로 파장에 따라 이득이 달라진다. 특히 광선로의 손실을 보상하기 위하여 많은 수의 에르븀 첨가 광 증폭기가 삽입되는 장거리 광전송의 경우 에르븀 첨가 광 증폭기를 많이 통과할수록 파장간의 이득 차이가 누적되어 광전송시스템의 성능에 심각한 영향을 미치게 된다. 이러한 단점을 제거하기 위하여 에르븀 첨가 광 증폭기 이득등화 방법이 제안되어 있다. 이들 방법은 크게, 에르븀 첨가 광섬유의 길이와 여기 광세기를 들어오는 입력신호 광 세기에 최적화하여 원하는 파장 대역에서 이득을 균일하게 하는 방법과, 주어진 수의 에르븀 첨가 광 증폭기를 지난 후에 누적된 이득 스펙트럼 불균형을 광학필터 등의 광소자를 이용하여 보상함으로서 최종적인 이득 스펙트럼을 균일하게 하는 방법이 있다.

그러나 에르븀 첨가 광 증폭기는 에르븀 이온의 3준위 특성 및 균일한 증폭(Homogeneous broadening) 특성 때문에 입력신호 광 세기, 여기 광 세기, 에르븀 첨가 광섬유의 길이 모두에 관계하여 이득 스펙트럼이 달라진다. 따라서 위와 같은 여러 가지의 이득등화 방식을 이용하더라도 에르븀 첨가 광 증폭기의 이득 스펙트럼이 입력신호 광 세기와 여기 광 세기가 변할 때 유도되는 변화는 제거할 수 없다. 다채널 광전송시스템에서 광중계기간의 광손실은 여러요인에 의하여 변할 수 있고, 또한 광 가역 멀티플렉싱(Add/Drop Multiplexing)이 도입되면 한 광중계기를 통과하는 채널의 수가 달라진다. 따라서 광중계기로 입사되는 총 입력신호 광의 세기는 항상 변하며, 이는 중계기의 이득 스펙트럼을 변화시켜 파장에 따른 이득의 벼화를 증가시킨다. 따라서, 다채널 광전송시스템에 삽입되는 에르븀 첨가 광 증폭기에서 입력신호 광의 세기가 어느 정도 변하더라도 이득 등화를 유지하는, 입력신호 광 세기의 허용 폭을 증가시키는 것은 매우 중요하다.

따라서 본 발명은 일반적인 에르븀 첨가 광 증폭기에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하여, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유의 흡수 특성에 의하여, 이득 스펙트럼을 파장에 대하여 균일하게 하고, 또한 이를 유지하는 입력신호 광 세기의 폭을 확장시키므로써 상술한 단점을 해소할 수 있는 광 증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명으 에르븀 첨가 광증폭기의 출력측에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유가 결합되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 광 증폭기의 구성도로서, 에르븀 첨가 광 증폭기(1)에서 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유(2)를 결합하여 이득등화 및 이를 유지하는 입력 신호광 세기 폭 확장을 위한 장치를 나타낸다. 상기 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유는 융착에 의해 접속되거나 콘넥터에 의해 접속된다.

에르븀 이온은 바닥상태가 이득 레벨의 아래 준위가 되는 3준위계의 구조를 하고 있다. 여기에 각 준위에 많은 스타르크 레벨(Stark level)이 존재하여 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유(2)는 1530㎚ 영역의 빛을 흡수하고, 이를 1560㎚ 대역의 빛으로 방출한다. 이러한 특성 때문에 이득이 1530㎚ 대역에서 매우 크고 1560㎚ 대역에서 작은 특성을 보이는 밀도반전이 많이 이루어진 에르븀 첨가 광증폭기(1)의 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유(2)를 결합하여 이득 변화폭을 줄인 광 증폭기를 구성할 수 있다.

제2a 및 2b도는 제1도를 설명하기 위해 도시한 광 스펙트럼으로서, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유에 의한 이득 스펙트럼의 등화를 나타낸 개념도이다.

제2a도는 제1도에서 노드 a의 위치에서의 스펙트럼으로서 밀도반전이 큰 에르븀 첨가 광 증폭기의 전형적인 광 스펙트럼을 나타낸다. 이와같은 신호가 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 통과하였을 때 스펙트럼은 제2b도와 같이 된다. 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유에 의해 λ₁과 λ₂사이의 이득 불균형이 △G₀에서 △G로 감소한다.

이러한 이득 변화폭의 감소는 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유로 입사되는 광세기에 따라 달라진다. 입력신호 광 세기가 커질 경우 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유는 흡수가 없는 보통의 광섬유에 가깝게 되며, 이때 이득변화폭의 감소는 거의 없다. 그러나 입력 신호과 세기가 작아질수록 이득변화폭의 감소는 커진다. 이를 개념적으로 나타낸 그림이 제3a 및 3b와 제4a 및 4b도이다.

제3a 및 3b도는 강한 세기의 신호 광이 제1도의 에르븀 첨가 광 증폭기에 입사하였을 때의 이득 스펙트럼 변화를 도시한 광 스펙트럼으로서, 에르븀 첨가 광증폭기로 강한 세기의 신호광이 입사하였을 때의 이득 스펙트럼의 번호를 나타내는 개념도이다.

제3a도는 강한 세기의 신호광이 에르븀 첨가 광증폭기로 입사하였을 때에 증폭된 광 스펙트럼(제1도의 노드 a위치)을 나타낸다. 이 신호가 다시 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 지난 후의 광스펙트럼(제1도의 노드 b위치)은 제3b도와 같이 된다.

강한 세기의 입력 신호광 세기에 의해 에르븀 첨가 광증폭기가 포화되어, 밀도반전이 큰 에르븀 첨가 광증폭기에 비하여 1530㎚ 영역(λ₁)의 광세기가 상대적으로 작다. 입력 신호광이 클 경우에는 에르븀 첨가 광증폭기의 출력도 커지므로 이는 다시 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 포화시켜, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 통과하기 전과 후의 스펙트럼에 변화가 크지 않다(제3a 및 3b도의 스펙트럼). 반면에 광증폭기로 입사되는 신호광 세기가 작은 경우에는 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유에 의하여 스펙트럼이 변한다.

제4a 및 4b도는 약한 세기의 신호 광이 제1도의 에르븀 첨가 광 증폭기에 입사하였을 때의 이득 스펙트럼 변화를 도시한 광 스펙트럼으로서,에르븀 광증폭기로 약한 세기의 신호광이 입사하였을 때의 이득 스펙트럼의 변화를 나타내는 개념도이다.

제4a도는 광증폭기로 입사되는 신호광 세기가 작으므로 광증폭기는 높은 밀도 반전 상태를 유지하며, 따라서 1530㎚ 영역의 신호가 1560㎚ 영역의 신호보다 크다. 그러나 광증폭기의 출력광 세기는 광증폭기로 입사되는 신호광 세기가 작기 때문에 제3a도의 경우보다 작으며, 따라서 이 신호가 증폭되지 않은 에르븀 첨가 광증폭기를 통과할 경우 제4b도처럼 이득 스펙트럼이 등화된다. 즉, 에르븀 첨가 광증폭기만으로 구성된 경우 입력 신호광 세기가 변할 때 출력 스펙트럼은 제3a도에서 제4b도의 영역까지 변하며 이득 불균형의 정도가 △G0에서 △G0'까지 변한다. 그러나 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하였을 때 같은 입력 신호광 세기의 변화에 대하여 출력광 스펙트럼은 제3b 도에서 제4b도로 크게 변하지 않으며, 이득 불균형의 정도도 △G 에서 △G'으로 변화의 정도가 감소된다.

따라서 광증폭기로 입사되는 신호광 세기 범위, 광증폭기의 출력광세기의 범위를 고려하여 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유의 길이를 적절히 조절하면 주어진 파장에 대하여 이득 스펙트럼을 균일하게 유지하는 허용 입력 신호광 세기의 폭을 증가시킬 수 있다.

제5도는 입력신호광 세기 폭 측정 장치로서, 에르븀 첨가 광섬유에서 이득 등화를 유지하는 입력신호광 세기폭 측정 장치이다.

여기광 레이저다이오드(PUMP LD)에 의해 발생되는 여기광 및 아이솔레이터(ISO1)를 통해 입력되는 신호광이 파장 분할 광섬유 결합기(WDM)로 입사된다. 상기 파장 분할 광섬유 결합기(WDM)의 출력은 에르븀 첨가 광섬유(EDF1)로 공급된다. 상기 에르븀 첨가 광섬유(EDF1)의 출력은 아이솔레이터(ISO2)를 통해 또 다른 에르븀 첨가 광섬유(EDF2)로 공급되어 상기 에르븀 첨가 광섬유(EDF2)의 출력측에 접속되는 광스펙트럼 분석기(11)로 순방향으로 여기되는 에르븀 첨가 광증폭기를 구성하였다. 여기광의 파장은 980㎚이다. 에르븀 첨가 광섬유는 보통의 실리카(silica)나 호스트 글래스(host glass)이고 에르븀 첨가율은 약 4×10²⁴/㎥이다. 에르븀 첨가 광증폭기(EDF1) 의 출력에는 다시 에르븀 첨가 광섬유(EDF2)가 결합되어 있다. 출력단의 아이솔레이터(ISO2)가 여기광 파장인 980㎚에서는 삽입손실이 40dB 이상이므로 출력쪽의 에르븀 첨가 광섬유(EDF2)는 여기되지 않은 상태를 유지하게 된다. 에르븀 첨가 광증폭기(EDF1)의 입력 신호광원으로는 1553㎚ 파장으로 그 세기는 광감쇠기를 이용하여 조절하였다.

제6도는 일반적인 에르븀 첨가 광증폭기의 입력 신호광 세기 폭을 측정하여 도시한 그래프로서, 출력단의 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유가 없을 때, 이득매질인 에르븀 첨가 광섬유의 길이와 여기광 세기를 변화시켜가며, 1544㎚에서 1556㎚ 사이의 이득 불균형이 0.5dB 이내가 되는 입력 신호광 세기를 측정한 결과이다.

제7도는 에르븀 첨가 광증폭기에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하였을 때의 입력신호광 세기 폭을 측정하여 도시한 그래프로서, 출력단에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 삽입한 상태에서 1544㎚에서 1556㎚ 사이의 파장에서 이득이 0.5dB이내가 되는 입력신호광 세기를 측정한 것이다. 이 경우 이득 에르븀 첨가 광섬유의 길이는 20m로 고정하였고, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유의 길이를 5m, 10m, 15m로 변화시켜가며 측정하였다.

약 -10dB의 입력 신호광 세기에 대하여 허용 폭을 보면 에르븀 첨가 광증폭기만으로 이루어져 있을 때에는 그 폭이 약 5dB이나, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하였을 때 이 폭이 약 10dB로 늘어났다. 또한, 전반적으로 에르븀 첨가 광증폭기만의 허용 입력 신호광 세기의 폭 보다, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하였을 때의 허용 입력 신호광 세기 폭이 증가되었다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의하여 에르븀 첨가 광증폭기에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유를 결합하므로써, 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유의 흡수 특성에 의하여, 이득 스펙트럼을 파장에 대하여 균일하게 하고, 또한 이를 유지하는 입력 신호광 세기의 폭을 확장시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 에르븀 첨가 광증폭기의 출력측에 여기되지 않은 에르븀 첨가 광섬유가 결합되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광증폭기.