KR100251557B1

KR100251557B1 - 광섬유 증폭기

Info

Publication number: KR100251557B1
Application number: KR1019970051051A
Authority: KR
Inventors: 이주한; 박남규
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 2000-05-01
Also published as: EP0944858A1; CA2276776C; US6473549B1; CN1246182A; KR19990030711A; CA2276776A1; WO1999018476A1

Abstract

고 이득평탄화 및 저 잡음지수를 구현할 수 있도록 복수 개의 등화필터를 사용한 다단 광섬유 증폭기에 대해 개시한다. 본 발명은, 여기가능한 원소로 도핑되어 있으며, 증폭될 광신호를 전송하는 광섬유와; 상기 원소를 여기시키기 위해 상기 광섬유에 펌핑광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단과; 상기 광섬유에 신호를 입력시키기 위한 입력수단과; 상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 광섬유의 분할된 소정 위치들에는 적어도 2 이상의 등화필터가 서로 다른 단들 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 이득면에서 약간의 감소가 있지만, 잡음지수를 감소시킬 수 있는 광섬유 증폭기를 얻을 수 있다.

Description

광섬유 증폭기

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고 이득평탄화 및 저 잡음지수(noise figure)를 구현할 수 있도록 복수 개의 등화필터(equalizing filter)를 다단으로 구성하여 사용한 어븀도핑 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; 이하 "EDFA"라 한다)에 관한 것이다.

광섬유 증폭기는 광신호를 전기신호로 변환했다가 다시 광신호로 변환하는 과정을 거칠 필요없이 광신호를 직접 증폭하는 장치이다. 이러한 광섬유 증폭기는 최근 광통신 네트워크 분야, 특히 장거리 광전송에 있어서 광섬유를 광도파로로 사용하는 분야에 널리 응용되고 있다. 현재 사용되는 실리카(silica) 광섬유는 1.3㎛ 내지 1.5㎛ 파장에서 낮은 손실을 나타내지만, 어느 정도의 손실은 있기 때문에 장거리 광전송에 있어서는 이러한 손실이 누적되게 된다.

EDFA는 실리카 광섬유에 적합하게 1.53㎛ 에서 1.57㎛의 파장대역에서 증폭을 행한다. 그러나, 이러한 협대역 내에서라도 EDFA는, 이득에 있어서 독특한 스펙트럼 변화를 나타낸다. 즉 이득 스펙트럼이 넓은 파장대역에 걸쳐 평탄하지 않다 는 것이다.이와 같이 이득 스펙트럼이 평탄하지 않다면 한 개의 채널만 사용하는 통신 방식에서는 별문제가 되지 않지만 현재 관심의 대상이 되고 있는 파장 분할 다중 (Wavelength Division Multiplexing; 이하 "WDM"이라 한다)방식에서는 상당한 문제를 일으킨다.

WDM 방식은 현재 극히 빠른 발신기 및 검출기 없이도 광파이버의 넓은 파장대역을 이용할 수 있게 하는 중요한 기술로 대두되고 있다. WDM에서는, 각각 상이한 광 반송파 주파수를 이용하는 몇 개의 광 발신기에서 나오는 광신호에 의해 변조된 신호를 광섬유가 수신한다. 채널간격이 4㎚인 경우, 하나의 EDFA는 10개의 WDM 채널에 대해 동시 증폭이 가능하다. 그러나, 만약 장거리 전송을 위해 몇 개의 증폭기가 직렬로 연결되면, 전체 증폭에 대한 이득 스펙트럼의 평탄도는 더 나빠져서, 이득 피크에 서 광 반송파는 최대로 증폭되는 반면에, 피크의 주변부는 불충분하게 증폭되는 문제점이 나타난다. 따라서 광 수신단에서 수신된 신호들의 크기가 채널에 따라 크게 달라져 전체 시스템의 성능을 저하시킨다.

한편, 광 증폭기는 이득, 출력 및 잡음특성 등을 포함하는 많은 변수를 고려하여 설계되는데, 그 중 잡음특성은 광 증폭기의 출력을 출력수단에서의 잡음값으로 나눈 값인 신호 대 잡음비로서 정의되는 잡음지수에 의해 측정된다. 광 증폭기가 중계기(repeater)로 사용되는 경우, 광통신 시스템에서 인접 중계기 사이의 거리를 최대로 늘이기 위해서는 고 출력이면서 저 잡음지수를 가진 광 증폭기가 사용되어야 한다. 또한, 광 증폭기의 이득평탄화 대역을 넓히려는 노력이 많은 연구집단에 의해 활발하게 이루어지고 있는데, 이는 밀집된 파장의 파장분할다중(Wavelength Division Multiplexing; 이하 "WDM"이라 한다) 시스템의 전송용량에 직결되어 있기 때문이다. 그 중에서, 플루오라이드 기재(基材)의 EDFA 및 텔루라이트 기재의 EDFA를 사용하면 평탄화된 대역을 넓힐 수 있다는 것은, M. 야마다 등이 1997년 일렉트로닉 레터스의 제33권 제9호 809쪽 이하에 "0.97㎛ 레이저 다이오드에 의해 펌핑된 저잡음, 이득평탄화가 구현된 플루오라이드 기재의 EDFA" 제목 및 A. 모리 등이 1997년 OFC의 PD1-1 이하에 "텔루라이트 기재의 EDFA들에 의한 1.5㎛ 광대역 증폭"의 제목으로 발표한 논문들에 의해 증명되었다. 또한, 장주기 광섬유격자 필터를 사용하면 40㎚ 이상의 이득 평탄화대역을 쉽게 얻을 수 있다는 것도 이미 알려졌다. 그러나, P.F. 와이소키 등이 1997년 OFC의 PD2-1 이하에 "장주기 광섬유격자를 이용하여 얻은 EDFA의 40㎚ 이상의 이득 평탄화대역"의 제목으로 발표한 논문에 개시된 바와 같이, EDFA를 신중하게 설계하지 않으면 EDFA의 중간단에 등화필터를 삽입하는 과정에서 잡음지수를 악화시킨다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명자들은 EDFA의 중간단에 하나의 등화필터만을 사용한 경우에 대한 출력의 이득평탄화 및 잡음특성을 시뮬레이션에 의해 조사하였다.

도 1은 시뮬레이션의 대상으로서, 단일 등화필터를 구비한 EDFA를 나타낸 개략도이다. 등화필터(10)는 전체 광섬유 증폭기 길이를 1:2로 내분하는 곳에 있는 것으로 설정하였으며, 등화필터(10)로서는 장주기 광섬유격자(Long-Period Fiber Gratings; 이하 "LPFG"라 한다)를 이용하는 것으로 하였다.

시뮬레이션에 있어서 증폭기는, C.R. 자일즈 등이 저널 오브 라이트웨이브 테크놀로지 제9권 제2호 147쪽 이하에 "연쇄된 EDFA에서의 신호 및 잡음 전파"라는 제목의 논문에 개시한 바와 같이, 스펙트럼의 그리드는 0.1㎜, 스펙트럼 영역은 1480㎚에서 1600㎚ 사이의 120㎚ 범위인 균등확장된 3준위 시스템(homogeneously broadened three level system)을 모델로서 설정하였다. 이러한 스펙트럼 영역은 펌핑 및 신호파장을 포함하는 동시에 어븀 이온의 전체 흡수 및 방사 단면 파장영역을 거의 포함하기에 충분한 것이다. 또한, 광섬유 증폭기는 실리카 기재의 알루미늄이 공동 도핑된 광섬유로 설정하였으며, 흡수 단면적은 N. 카기 등이 1991년 IEEE의 저널 오브 라이트웨이브 테크놀로지 제9권 제2호 261쪽 이하에 "EDFA 이득의 온도의존성"의 제목에서 개시한 데이터를 이용하였다. 한편, 방사 단면적은 맥컴버(McCumber) 이론에 의해 계산하였다.

도 2는 단일 등화필터에 LPFG를 적용하는 경우의 상세한 투과 스펙트럼 형태를 나타낸 도면이다.

도 3에 단일 등화필터를 사용한 경우의 출력 스펙트럼을 나타내었다. 스펙트럼은 1531㎚에서 1563㎚까지 0.8㎚간격의 41개 입력신호에 대해 관찰되었으며, 각 채널당 -20dBm 입력으로 설정하였다. 단일 등화필터에 대해 32㎚에 걸쳐 0.4㎚ 이내의 다채널 이득평탄도가 관찰되었으며, 각 채널 당 신호이득은 약 23dB 정도였다.

단일 등화필터를 사용한 경우의 출력신호 및 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 출력 스펙트럼은 단파장 영역에서 출력신호대 ASE 신호세기 비율이 낮아지는 현상을 보이는데, 이는 곧 잡음지수가 높다는 문제점을 의미한다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고 이득평탄화를 실현할 수 있는 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 저 잡음지수를 실현할 수 있는 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.

도 1은 단일 등화필터를 구비한 EDFA를 나타낸 개략도,

도 2는 단일 등화필터에 LPFG를 적용하는 경우의 상세한 투과 스펙트럼 형태를 나타낸 도면,

도 3은 단일 등화필터를 사용한 경우의 출력 스펙트럼을 나타내는 그래프,

도 4는 2단 등화필터를 구비한 EDFA를 나타낸 개략도,

도 5는 2단 등화필터에 LPFG를 적용하는 경우의 상세한 투과 스펙트럼 형태를 나타낸 도면,

도 6은 2단 등화필터를 사용한 경우의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 7은 단일 등화필터와 2단 등화필터를 사용한 광섬유 증폭기에 대해 각각 계산된 잡음지수를 나타낸 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 여기가능한 원소로 도핑되어 있으며, 증폭될 광신호를 전송하는 광섬유와; 상기 원소를 여기시키기 위해 상기 광섬유에 펌핑광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단과; 상기 광섬유에 신호를 입력시키기 위한 입력수단과; 상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 광섬유의 분할된 소정 위치들에는 적어도 2 이상의 등화필터가 서로 다른 단들 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기를 제공한다.

여기서, 본 발명에 따른 등화필터들은 서로 직렬로 삽입된 것이 바람직하며, 상기 광섬유는 희토류원소들, 이중에서도 특히 어븀으로 도핑된 것이 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예로서, 2단 등화필터를 구비한 EDFA를 나타낸 개략도이다. 도 4를 참조하면, 등화필터(110)는 전체 광섬유 증폭기 길이를 1:1:1로 내분하는 곳에 있는 것으로 설정하여 직렬로 연결되게 하였으며, 등화필터(110)로서는 종래기술에 의한 경우와 동일하게 LPFG를 이용하였다.

도 5는 2단 등화필터에 LPFG를 적용하는 경우의 상세한 투과 스펙트럼 형태를 나타낸 도면이다.

도 6은 2단 등화필터를 사용한 경우의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 2단 등화필터를 사용한 경우의 출력신호 및 ASE(Amplified Spontaneous Emission) 출력 스펙트럼은 단일 등화필터를 사용한 경우보다 규칙적인 결과를 나타내고 있다. 이 경우에도, 스펙트럼은 1531㎚에서 1563㎚까지 0.8㎚간격의 41개 입력신호에 대해 관찰되었으며, 각 채널당 -20dBm 입력으로 설정하였다. 2단 등화필터에 대해 32㎚에 걸쳐 0.4㎚ 이내의 다채널 이득평탄도가 관찰되었으며, 각 채널 당 신호이득은 약 23dB 정도였다.

도 7에는 단일 등화필터와 2단 등화필터를 사용한 광섬유 증폭기에 대해 각각 계산된 잡음지수를 나타낸 그래프이다. 각각의 필터구성에 대해, 필터 투과도가 최소인 1535㎚의 파장에서 최대 잡음지수의 차이는 0.7dB로 관찰되었으며, 필터 투과도가 최대인 1543㎚의 파장에서는 큰 잡음지수의 차이를 관찰할 수 없었다. 이 결과로부터, 2단 등화필터를 구비한 EDFA는 단일 등화필터를 구비한 EDFA에 비해 이득면에서는 약간의 감소가 있으나, 잡음지수의 면에서 우월하다는 것을 알 수 있다. 결론적으로, EDFA에 등화필터를 설치함에 있어서 잡음지수를 감소시킬 수 있도록 등화필터를 다단으로 설치하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 이득면에서 약간의 감소가 있지만, 잡음지수를 감소시킬 수 있는 광섬유 증폭기를 얻을 수 있다.

Claims

여기가능한 원소로 도핑되어 있으며, 증폭될 광신호를 전송하는 광섬유와;

상기 원소를 여기시키기 위해 상기 광섬유에 펌핑광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단과;

상기 광섬유에 신호를 입력시키기 위한 입력수단과;

상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 광섬유 증폭기에 있어서,

상기 광섬유의 분할된 소정 위치에는 적어도 2 이상의 등화필터가 서로 다른 단들 사이에 삽입되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 등화필터들은 서로 직렬로 삽입된 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광섬유는 희토류원소들로 도핑된 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제3항에 있어서, 상기 광섬유는 희토류원소는 어븀인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.