KR100267861B1 - 광섬유증폭기 - Google Patents

Abstract

주변 온도 변화에 많은 영향을 받는 이득 스펙트럼을 평탄화할 수 있는 광섬유 증폭기에 관해 개시한다.본 발명에 따른 여기 가능한 원소가 도핑되어 있으며 상기 여기 가능한 원소의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 광섬유가 실장된 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 광섬유는 알루미늄이 공동 도핑된 광섬유와 ZBRAN 기재의 광섬유를 직렬로 연결하여 이루어진다.

Description

광섬유 증폭기{OPTICAL FIBER AMPLIFIER}

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주변 온도 변화에 많은 영향을 받는 이득 스펙트럼을 평탄화할 수 있는 광섬유 증폭기에 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.

이러한 광섬유 증폭기 중에서 EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)는 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 않다는 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 검출기가없이도 광파이버의 넓은 파장대역을 이용할 수 있게 하는 중요한 기술로 대두되고 있다. WDM에서는, 각각 상이한 광반송파 주파수를 이용하는 몇 개의 광발신기에서 나오는 광신호에 의해 변조된 신호를 광섬유가 수신한다. 채널 간격이 4㎚인 경우, 하나의 EDFA는 10 개의 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 피크에서 광반송파는 최대로 증폭되는 반면에, 피크의 주변부는 불충분하게 증폭되는 문제점이 나타난다. 따라서, 광수신단에서 수신된 신호들의 크기가 채널에 따라 크게 달라져 전체 시스템의 성능을 저하시킨다.

이득 스펙트럼의 특성은 제어하기 어려운 요소들, 예컨대 온도나 펌핑 레벨에 의존하기 때문에, 이득 스펙트럼이 평탄하지 않다면 이득의 안정도도 부족하게 된다.

EDFA의 다채널 이득 대역은 EDFA를 파장간격이 좁은 WDM에 적용하는데 있어서도 중요한 변수로 작용한다. 따라서, EDFA의 이득 평탄화 대역을 확장하기 위해 EDFA의 개발에 많은 노력이 이루어지고 있는데, 여기에는 텔루라이트 EDFA(A. 모리 등이 1997년 OFC의 PD1-1에 "텔루라이트 기재(基材)의 EDFA들에 의한 1.5㎛ 광대역 증폭"에 제목으로 발표), 장파장 EDFA(M. 후꾸시마 등이 1997년 OFC의 PD3-1에 "밀집 WDM 전송시스템에 응용하기 위한, 1570㎚∼1600㎚영역에서 평탄한 이득을 가진 EDFA"의 제목으로 발표) 및 플루오라이드 기재의 EDFA(M. 야마다 등이 1997년 일렉트로닉 레터스의 제33권 제9호 809쪽 이하에 "0.97㎛ 레이저 다이오드에 의해 펌핑된 저잡음, 이득평탄화가 구현된 플루오라이드 기재의 EDFA"의 제목으로 발표)등이 있다.

이러한 증폭기를 대용량의 WDM 시스템 분야에 적용함에 있어서, 이득 특성의 온도의존성을 이해하는 것이 중요하다. 그러나, EDFA에 대한 온도의존성을 분석하는 종래기술은 단일채널에 대한 연구(M. 야마다 등이 1992년 IEEE의 저널 오브 퀀텀 일렉트로닉스 제28권 제3호 640쪽 이하에 "EDFA 신호 이득의 온도의존성"의 제목으로, N. 카기 등이 1991년 IEEE의 저널 오브 라이트웨이브 테크놀로지 제9권 제2호 261쪽 이하에 "EDFA 이득의 온도의존성"의 제목으로 각각 발표)에 국한되어 왔으며, 그것도 이득 특성에만 한정되었다.

보통 흡수 및 방사(absorption and emission) 단면적은 온도 뿐만 아니라 파장의 함수라는 것이 잘 알려져 있는데, 다채널의 경우에 대해 이득 평탄도의 왜곡을 알아내는 연구는 별로 행해지지 않았다.

따라서, 먼저 발명자들은 각각 알루미노저마노실리케이트 (aluminogermanosilicate)와 플루오로지르코네이트(fluorozirconate) 기재인 두 종류의 광섬유 증폭기에 대해 다채널 이득 평탄도가 어떤 온도의존성을 갖는지 수치 시뮬레이션을 통해 조사하였다. 그 결과, ITU(International Telecommunication Union) 지정의 온도범위에 대해 대략 2.7dB의 이득 평탄도 변동을 나타내었다. 또한, 이렇게 온도에 의해 야기된 이득 평탄도의 왜곡은 단일 채널에서 응용되는 경우에서 가능한 방법인 자동 이득제어로써 교정될 수 없으며, 이는 EDF를 WDM 분야에 적용할 때 능동적인 온도제어가 필요함을 의미한다. 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 균등 확장된 3준위 시스템(homogeneously broadened three level system)을 모델로서 설정하였다. 이러한 스펙트럼 영역은 펌핑 및 신호 파장을 포함하는 동시에 어븀 이온의 전체 흡수 및 방사 단면 파장영역을 거의 포함하기에 충분한 것이다. 조사 대상이 되는 온도에서의 흡수 단면적은, 실리카 기재의 EDF(Erbium Doped Fiber) 및 ZBLAN(Zirconium, Barium, Lanthanum, Aluminum and Natrium) 기재의 EDF에 대해 이미 발표된 논문으로부터, M. 야마다 등이 1992년 IEEE의 저널 오브 퀀텀 일렉트로닉스 제28권 제3호 60쪽 이하에 "EDFA 신호 이득의 온도의존성"라는 제목의 논문에 개시한 바와 마찬가지로 온도에 의한 단면의 선형 외삽관계에 의해 계산하였다.

이러한 데이터들은 맥컴버(McCumber)이론에 의해 그 온도에서 방사 단면적을 계산하는데 사용되었다. 시뮬레이션에 있어서, 다른 가정에는 펌핑 다이오드와 수동소자에 대해 고정 온도에서의 스펙트럼 특성이 포함된다.

시뮬레이션은 1531㎚에서 1563㎚까지 0.8㎚간격의 41 개 입력 신호에 대해 수행되었으며, 각 채널당 -20dBm 입력으로 설정하였다. 또한, EDFA 시뮬레이션에서, 작동온도인 25℃에서 증폭기의 다채널 이득 평탄도를 양호하게 하기 위해 고안된 중간 스펙트럼 필터들이 사용되었다.

이 필터들을 사용하여 얻어진 이득 평탄도는 두 가지 증폭기에 대해 32㎚에 걸쳐 0.2dB 이내인 것으로 나타났으며, 25℃에서 채널당 출력은 등화(equalized) EDFA에 대해 0dBm 근방인 것으로 나타났다.

도 2a 및 도 1b는, 25℃에서 필터가 없는 경우와 필터가 있는 경우의 ZBLAN 광섬유 증폭기의 출력 스펙트럼을 각각 나타낸다. ZBLAN은 1974년 프랑스 연구자들에 의해 최초 개발된 중금속 플루오라이드(heavy metal fluoride)계 유리의 일종으로서, 물질 내의 화학조성을 이루는 금속인 지르코늄, 바륨, 란탄, 알루미늄 및 나트륨의 앞글자를 따서 명명된 것이다. 이 물질은 전자기 스펙트럼의 적외선영역에서 높은 광투과성을 나타내며, 광섬유의 기재로 채택되어 광통신, 광센서 분야에 널리 이용되고 있다.

또한, ZBLAN 광섬유 증폭기에 대한 등화 필터의 자세한 스펙트럼 형태는 도 2에 나타내었다.

실제에 있어서, 주변 환경의 영향이 있어도 이득 평탄화용 필터, 예컨대 장주기 광섬유 격자의 스펙트럼 형태가 25℃에 대한 것으로 고정될 것으로 가정하고, EDFA만에 대한 이득평탄도의 온도의존성을 조사하기 위해 0℃ 및 50℃에서 대응되는 흡수ㆍ방사 단면으로써 이들 광섬유 증폭기의 다채널 이득곡선을 상기 온도에 대해 계산하였다.

도 3a 및 도 3b에는 각각 ZBLAN 광섬유와 실리카 기재의 알루미늄이 도핑된(silica-based aluminum codoped) EDFA에 대해 상이한 작동온도에서 여러 채널에 대한 신호 이득의 변화를 나타내었다. 도면을 참조하면, 작동 온도가 달라짐에 따라 25℃용으로 고안된 중간의 수동 스펙트럼 필터에 의해 구현되었던 이득 평탄도가 나빠지고, 각 채널에서 각기 다른 양의 이득 변화가 발생하는 것을 알 수 있다. ZBLAN 기재의 EDFA에 대해, 1544.4㎚에서 온도에 따른 최대 변동은 2.7dB/50℃이었으며, 1dB 이내의 이득 변동을 나타낸 파장 영역은 이러한 작동 조건에서 15㎚보다 작았다. 펌핑 출력 자체만의 조절은 온도에 기인한 다채널 이득 왜곡을 보상하기에 불충분했으며, 대체로 전체적인 출력 레벨을 이동시키는데 불과했다. 잡음 특성 역시 예상한 바와 같이, 온도의 함수인 것으로 파악되었으며, 조사 대상인 스펙트럼 영역에 걸쳐 주어진 한 채널에서 ±0.2dB/50℃에 이르는 결과를 나타내었다. 실리카 기재의 알루미늄이 도핑된 EDFA에 대해, 1560.4㎚에서 온도에 따른 이득의 최대 변동은 1.45dB/50℃이었으며, 1dB 이내의 이득 변동을 나타낸 파장 영역은 27㎚로서 ZBLAN 기재의 EDFA보다 넓게 나타났다. 그렇지만, 실리카 기재의 알루미늄이 도핑된 EDFA는 단파장에서 온도에 더 의존하는 잡음특성을 나타내어(1534㎚에서 최대 ±0.5dB/50℃) 잡음특성에 민감한 분야에 있어서 온도에 영향을 받지 않는 넓은 영역을 얻기는 어렵다. 상기한 바와 같이, 발명자들은 밀집된 WDM에 적용하기 위한 실리카 기재의 알루미늄이 도핑된 EDFA 및 ZBLAN 기재의 EDFA의 다채널 이득의 온도의존 특성을 연구함으로써, 온도 조절이나 필터에 의한 능동적인 등화(active filter equalization)가 없다면, 현 상태에서 ZBLAN 기재의 EDFA가 WDM에 적용될 때 심각한 이득 변동을 일으키며, 이 현상은 주변 환경이 열악하고 EDFA가 다수 직렬로 연결된 네트워크에서는 더욱 심하다는 것을 알아내었다. ZBLAN 기재의 EDFA 보다는 덜 심각하지만 실리카 기재의 알루미늄이 도핑된 EDFA도 채널 이득에 대해 유사한 문제점을 가지고 있으며, 단파장에서는 잡음 특성에 있어서 심한 변동을 나타낸다는 것도 알아내었다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는, 주변 온도 변화에 따라 크게 변동하는 이득 스펙트럼을 평탄화할 수 있는 광섬유 증폭기를 제공하는데 있다.

도 1a 및 도 1b는, 25℃에서 필터가 없는 경우와 필터가 있는 경우의 ZBLAN광섬유 증폭기의 출력 스펙트럼을 각각 나타낸 그래프,

도 2는 ZBLAN 광섬유 증폭기에 대한 등화 필터의 자세한 스펙트럼 형태를 나타낸 그래프,

도 3a 및 도 3b는 각각 ZBLAN 광섬유와 실리카 기재의 알루미늄이공동 도핑된(silica-based aluminum codoped) EDFA에 대해 상이한 작동 온도에서 여러 채널에 대한 신호 이득의 변화를 나타낸 그래프,

도 4는, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 증폭기에 대해, 25℃에서 41 개의 신호를 0.8㎚ 간격으로 넣고 증폭시켰을 때의 이득 스펙트럼을 나타낸 그래프,

도 5는, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 증폭기에 대해, 온도를 0℃, 50℃로변화시키면서채널마다 이득이 변화하는 것을 관찰한 결과의 그래프.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 여기 가능한 원소가 도핑되어 있으며 상기 여기 가능한 원소의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 광섬유가 실장된 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 광섬유는 알루미늄이 공동 도핑된 광섬유와 ZBRAN 기재의 광섬유를 직렬로 연결하여 이루어진다.

본 발명에 있어서,상기 여기 가능한 원소는 희토류 원소인 것이 바람직하며,상기 희토류 원소는 어븀인 것이 더욱 바람직하다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

광섬유 증폭기에서 온도변화에 따라 채널마다 이득이 달라지는 것을 보상하기 위하여, 온도 특성이 상이한 실리카 기재의 알루미늄이 공동 도핑된 EDF와 ZBLAN 기재의 EDF를 같은 길이로 직렬 연결하여 증폭기로 사용하였다.

도 4는 25℃에서 41 개의 신호를 0.8㎚ 간격으로 넣고 증폭시켰을 때의 이득 스펙트럼이다. 이 이득 스펙트럼에 있어서, 이득을 평탄하게 맞추어 주기 위하여 필터를 사용하였다.

그 후 온도를 0℃, 50℃로변화시키면서채널마다 이득이 변화하는 것을 관찰한 결과는 도 5에 도시하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 온도 변화에 따라 평균적인 이득 레벨이 변하더라도 전체 채널들에서 관찰되는 이득 평탄도는 0.5dB 정도로서, 알루미늄이 공동 도핑된 EDF나 ZBLAN 기재의 EDF를 단독으로 사용할 때보다 더욱 나은 결과를 나타냄을 알 수 있다. 한편, 전체적인 이득 레벨의 변화는 펌핑 출력을 조절해 줌으로써 보상해 줄 수 있다.

상기한 본 발명과 같은 방식으로 온도특성이 다른 두 가지 EDF(예컨대, 알루미늄이 공동 도핑된 EDF와 ZBLAN 기재의 EDF)를 직렬로 연결하여 사용하면, 광섬유 증폭기가 가지는 문제점, 즉 WDM 전송시 온도에 따라 채널마다의 이득이 다르기 때문에 발생하는 이득 변동을 줄일 수 있다.

Claims (3)

1. 여기 가능한 원소가 도핑되어 있으며 상기 여기 가능한 원소의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 광섬유가 실장된 광섬유 증폭기에 있어서,

   상기 광섬유는 알루미늄이 공동 도핑된 광섬유와 ZBRAN 기재의 광섬유를 직렬로 연결하여 이루어짐을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 광섬유에 도핑되는 여기 가능한 원소는 희토류 원소임을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 희토류 원소는 어븀임을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.

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