KR100276434B1 - Optical fiber raman amplifier structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광통신 기술, 광증폭기 기술, 비선형 광학 기술분야에 사용되는 광섬유 라만 증폭기 구조에 관한 것으로서, 종래의 기술로는 고리형 광섬유 레이저 구조(ring-type fiber laser scheme) 위에 광섬유 회절격자(fiber grating)를 이용하여 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기와 2단 라만 광증폭기를 독립적으로 구성한 구조가 있는데, 레이저 공진기와 라만 증폭기 각각에 별도의 비선형 광섬유가 필요하며 부피가 커짐과 동시에 효율적인 광섬유 사용 및 경제성에서 다소 효과적이지 못하였다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber Raman amplifier structure used in optical communication technology, optical amplifier technology, and nonlinear optical technology. In the related art, a fiber grating is performed on a ring-type fiber laser scheme. The Raman laser resonator and the two-stage Raman optical amplifier, which have been sequentially stock-frequency shifted by using), have separate structures.Each laser resonator and Raman amplifier require a separate nonlinear optical fiber. And was somewhat ineffective in economics.
다른 종래의 기술로는 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기를 가지지 않고 1차 스톡 주파수 천이를 직접 이용하는 광섬유 커플러와 광 아이솔레이터로 된 2단 라만 증폭기 구조가 있으며, 이는 외부에서 증폭대상인 신호광 파장(λs)을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 파장(λR)의 펌프광을 공급하는 광원이 별도로 필요한 단점이 있다.Another conventional technique is a two-stage Raman amplifier structure consisting of an optical isolator and an optical isolator that directly employs a first-order stock frequency shift without having a Raman laser resonator with a successive stock-frequency shift, which is a signal wavelength that is externally amplified. There is a disadvantage in that a light source for supplying a pump light having a short wavelength λ R having λ s ) as the primary stock frequency transition wavelength is separately required.
그리고 광섬유 회절격자를 이용하여 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기를 라만 광증폭기와 중첩하여 함께 구성한 기존의 1단 라만 증폭기 구조는 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광 증폭 특성이 저하되는 점을 효과적으로 개선하지 못하는 단점이 있다.In addition, the conventional single-stage Raman amplifier structure, which consists of a Raman laser resonator that is sequentially stock-frequency shifted using a fiber diffraction grating and overlaps with a Raman optical amplifier, has a signal-to-noise ratio deterioration and optical amplification due to Rayleigh backscattering. There is a disadvantage in that the characteristics are not effectively improved.
또한 광섬유 회절격자를 이용하여 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기를 별도로 구성해 증폭대상인 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이된 파장으로 하는 펌프 레이저 광원을 확보하여 펌프하는 1단 광섬유 라만 광증폭기 구조가 있는데, 이는 비선형 광섬유 하나만을 이용하는 1단 증폭기로만 구성되어 있으므로 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광증폭 특성이 저하되는 점을 효과적으로 개선하지 못한다.A single-stage optical fiber Raman optical amplifier structure is constructed by separately constructing a Raman laser resonator that is sequentially stock-frequency shifted using an optical fiber diffraction grating to secure and pump a pump laser light source whose wavelength is the amplification target signal. Since it is composed of only one stage amplifier using only one nonlinear fiber, it does not effectively improve the deterioration of signal-to-noise ratio and deterioration of optical amplification due to Rayleigh backscattering.
아울러 이 구조에서는 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기와 비선형 라만 광증폭기가 분리되어 있어서 각각에 별도의 비선형 광섬유들을 두어 광섬유 이용 효율이 떨어지고, 펌프 레이저가 내부적으로 자체 공진되면서 광증폭을 유도하는 구조에 비해 상대적으로 펌프광 사용 효율이 낮은 단점이 있다.In addition, in this structure, the Raman laser resonator and the nonlinear Raman optical amplifier which are sequentially stock frequency shifted are separated, so that separate nonlinear optical fibers are placed in each to reduce optical fiber utilization efficiency, and the pump laser internally resonates to induce optical amplification. Compared with the structure, there is a disadvantage in that the pump light use efficiency is relatively low.
다음으로 파장분할다중 광섬유 커플러들로 2개의 고리형 공진기들(two ring-shaped resonators)을 구성하여 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저(cascaded stocks shifted Raman laser) 발진을 유도하는 구조의 1단 라만 광증폭기 구조는, 파장특성을 정확하게 조절된 파장분할다중 광섬유 커플러의 확보에 따른 어려움이 있으며, 아울러 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광증폭 특성이 저하되는 점을 효과적으로 개선하기 위한 2단 비선형 라만 증폭기 구성이 어려운 단점이 있다.Next, a single-stage Raman structure is constructed of two ring-shaped resonators with wavelength-division multiple-fiber couplers to induce cascaded stocks shifted Raman laser oscillation. The optical amplifier structure has difficulty in securing a wavelength division multiple fiber coupler with precisely controlled wavelength characteristics, and effectively improves the point that the signal-to-noise ratio characteristics deteriorate and the optical amplifier characteristics deteriorate due to Rayleigh backscattering. It is difficult to construct a two-stage nonlinear Raman amplifier.
광통신 기술에 있어서 1.5㎛ 파장대에서는 어븀 첨가된 광섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier, 이하 EDFA라 칭함)가 좋은 성능으로 많이 활용되고 있으나, 반면에 1.3㎛ 파장대에서는 상대적으로 아직 우수한 성능의 광증폭기가 잘 개발되어 있지 않다.In the optical communication technology, erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs) are widely used in the 1.5-micron wavelength band, while in the 1.3-micron wavelength band, the optical amplifiers with relatively good performance are still good. It is not developed.
상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은 1.3㎛ 파장대 광증폭기로서 뿐만 아니라 1.5㎛ 파장대에서 기존 EDFA로 확보되지 않은 파장영역에 대한 광증폭기로 유용하게 사용되리라 기대되는 광섬유의 비선형 광학효과를 이용한 라만 광섬유 증폭기의 새로운 개선된 구조를 제공하여 적은 량의 광섬유를 이용하여 좋은 증폭 특성을 유지하면서 상대적으로 간소하고 경제성이 있는 구조의 비선형 라만 광증폭기를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above disadvantages, the present invention is not only a 1.3 탆 optical amplifier but also a Raman fiber amplifier using a nonlinear optical effect of an optical fiber which is expected to be usefully used as an optical amplifier for a wavelength region not secured by the existing EDFA in the 1.5 탆 wavelength band. Its purpose is to provide a nonlinear Raman optical amplifier with a relatively simple and economical structure while maintaining good amplification using a small amount of optical fibers by providing a new and improved structure.
도 1a에서 1b는 본 발명이 적용되는 2단 광섬유 비선형 라만 증폭기 구조도,1a to 1b is a structure diagram of a two-stage optical fiber nonlinear Raman amplifier to which the present invention is applied;
도 2는 종래의 라만 레이저 공진기와 2단 라만 광증폭기의 독립 구조도,2 is an independent structural diagram of a conventional Raman laser resonator and a two-stage Raman optical amplifier;
도 3은 종래의 1차 스톡 주파수 천이를 이용한 2단 라만 광증폭기 구조도,3 is a structural diagram of a two-stage Raman optical amplifier using a conventional first stock frequency shift;
도 4는 종래의 라만 레이저 공진기를 가진 1단 라만 광증폭기 구조도,4 is a structure diagram of a single stage Raman optical amplifier having a conventional Raman laser resonator;
도 5는 종래의 펌프 광원을 별도로 구성한 1단 라만 광증폭기 구조도,5 is a structure diagram of a single stage Raman optical amplifier separately configured with a conventional pump light source,
도 6은 종래의 연차적으로 스톡 주파수 천이된 다단계 고리형 라만 레이저 구도를 가진 1단 라만 광증폭기 구조도.FIG. 6 is a schematic diagram of a one-stage Raman optical amplifier with a conventional successive stock frequency shifted multi-stage annular Raman laser composition. FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 광 아이솔레이트1: optical isolate
2 : 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러2: wavelength division multiple fiber coupler for two wavelengths
3 : 증폭신호 광과 라만 증폭 펌프광의 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러3: Wavelength Division Multiple Fiber Coupler for Two Wavelengths of Amplified Signal Light and Raman Amplified Pump Light
4 : 입력 펌프광 파장에서 최대 반사율을 갖는 광섬유 회절격자4: optical fiber diffraction grating having maximum reflectance at input pump light wavelength
5 : 입력 펌프광 파장에 대해 1차 스톡 주파수 천이된 파장에서 최대 반사율을 갖는 광섬유 회절격자5: an optical fiber diffraction grating having a maximum reflectance at a wavelength shifted to the primary stock frequency with respect to the input pump light wavelength
6 : 입력 펌프광 파장에 대해 2차 스톡 주파수 천이된 파장에서 최대 반사율을 갖는 광섬유 회절격자6: an optical fiber diffraction grating having a maximum reflectance at a wavelength shifted by the second stock frequency with respect to the input pump light wavelength
7 : 라만 증폭 펌프광 파장에서의 광 아이솔레이트7: Optical Isolation at Raman Amplification Pump Light Wavelength
8a,8b,8c,8d,8e,8f,8f : 비선형 라만 효과 유도 광섬유8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8f: Nonlinear Raman Effect Induction Fiber
9,9a : 고리형 공진기들 10 : 파장대역 투과 광 필터9,9a: ring resonators 10: wavelength band transmission optical filter
11 : 라만 증폭 펌프광 파장에서 반사율을 갖는 광섬유 회절격자11: optical fiber diffraction grating having reflectance at Raman amplification pump light wavelength
11a : 반사율이 낮은 광섬유 회절격자11a: optical fiber diffraction grating with low reflectance
12 : 광선 차단용 광필터12: light blocking optical filter
13 : 라만 증폭 펌프광 파장의 광선을 이동시키는 광섬유13: Raman amplification pump optical fiber for moving the light beam of wavelength
14 : 입력 펌프광 파장과 신호광 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러14: Wavelength Division Multiple Fiber Coupler for Input Pump Wavelength and Signal Wavelength
15 : 여러 파장특성을 가진 파장분할다중 광섬유 커플러15: Wavelength Division Multiple Fiber Coupler with Multiple Wavelength Characteristics
16 : 신호광 파장과 라만증폭 펌프광 파장의 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러16: Wavelength Division Multiple Fiber Coupler for Two Wavelengths of Signal Light Wavelength and Raman Amplification Pump Light Wavelength
17 : 신호광 파장과 2차 스톡 천이만큼 짧은 쪽 파장의 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러17: A wavelength division multiple fiber coupler for two wavelengths, the wavelength of the signal and the wavelength shorter than the secondary stock transition.
18 : 신호광 파장에 대해 1차 및 3차 스톡 천이만큼 짧은 쪽 파장들의 두 파장에 대한 레이저 발진용 고리형 공진기18: annular resonator for laser oscillation for two wavelengths of wavelengths as short as the primary and tertiary stock transitions to the signal light wavelength
19 : 입력 펌프광에 대해 2차 스톡 주파수 천이된 파장에 대한 레이저 발진용 고리형 공진기19: annular resonator for laser oscillation for wavelength shifted second stock frequency to input pump light
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 증폭될 광신호의 입력 단자, 증폭된 광신호의 출력 단자, 입력 신호 단자와 출력 신호 단자 사이를 연결하며 두 부분으로 된 실리카 광섬유의 광증폭 경로를 포함하는 광섬유 경로, 광섬유 경로에 신호광 파장보다 2차 이상의 스톡 주파수 천이만큼 짧은 파장을 가진 펌프광을 신호광 출력 단자쪽에서 역방향으로 입력할 수 있는 단자 및 신호광과 펌프광을 위의 광섬유 경로로 입력하기 위한 파장분할다중 광 커플러, 펌프광이 입사되는 쪽의 광증폭 경로 양 끝단에 설치되면서 펌프광에 대해 연차적으로 스톡 주파수 천이된 파장이며, 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 쪽 파장 이전까지의 파장들에 대해서만 최대 반사율을 가지는 파장 선택성 소자의 한 쌍 또는 여러 쌍과, 신호광 파장과 펌프광 파장들에 대해 투과율이 좋으며 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 쪽 파장의 광신호를 같은 경로로 삽입할 수 있는 파장분할다중 광섬유 커플러, 두 부분의 광증폭 경로들 사이에 설치된 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 쪽 파장과 신호광 파장에 대해 파장분할다중 광커플러 한 쌍과 이 쌍 사이의 신호광 경로에 설치된 신호광에 대해서 순방향으로 놓인 신호광 파장에 대한 광 아이솔레이터, 신호광 입력 단자쪽에 놓인 광증폭 경로의 신호광 입력 단자쪽에 설치된 신호광 파장과 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 쪽 파장의 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러, 신호광 입력 단자쪽에 위치한 파장분할다중 광섬유 커플러와 펌프광 입력쪽에 위치한 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 쪽 파장의 광신호에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러 사이를 별도로 연결하는 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 쪽 파장의 광섬유 광경로와 이 경로 상에 위치한 이 파장대 광 아이솔레이터, 광신호 입력 단자쪽 끝 부분에 순방향으로 설치된 신호광 파장에 대한 광 아이솔레이터, 광신호 출력 단자쪽 끝 부분에 순방향으로 설치된 신호광 파장에 대한 광 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an optical fiber comprising an optical amplification path of a two-part silica optical fiber connecting an input terminal of an optical signal to be amplified, an output terminal of an amplified optical signal, and an input signal terminal and an output signal terminal. Terminal for inputting pump light with wavelength shorter than stock signal wavelength in path and optical fiber path in reverse direction from signal light output terminal, and wavelength division multiple optical coupler for inputting signal light and pump light into optical fiber path. , Which is installed at both ends of the optical amplification path at the side where the pump light is incident, is a wavelength that is sequentially stock-frequency shifted with respect to the pump light, and is only maximum for wavelengths up to the shorter wavelength whose signal light wavelength is the primary stock frequency transition wavelength. One or more pairs of wavelength selective elements with reflectance, signal light wavelength and perm Multiplexed optical fiber coupler, which has good transmittance for optical wavelengths and can insert an optical signal of shorter wavelength whose signal light wavelength is a primary stock frequency transition wavelength in the same path, a signal light installed between two optical amplification paths Optical isolator and signal light input terminal for a pair of wavelength-division multiple optocouplers with a wavelength shorter as the primary stock frequency transition wavelength and a signal light wavelength placed in the forward direction with respect to the signal light installed in the signal light path between the pair. A wavelength splitting multiple fiber coupler for two wavelengths of a signal wavelength and a short wavelength having a signal stock wavelength as a primary stock frequency transition wavelength in a signal amplification path placed on the side of the optical amplification path; The primary wavelength of the signal light wavelength located on the pump light input side. Wavelength splitting for optical signals with shorter wavelengths as the talk frequency shifting wavelengths Optical fiber paths with shorter wavelengths as the primary stock frequency transitioning wavelengths, which are connected separately between multiple fiber couplers And an optical isolator for a signal light wavelength installed in the forward direction at the end of the optical signal input terminal, and an optical isolator for a signal light wavelength installed in the forward direction at the end of the optical signal output terminal.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a에서 1b는 본 발명이 적용되는 2단 광섬유 비선형 라만 증폭기 구조도로서, 각각 뒷단과 앞단에 연차적으로 유도 라만 레이저 공진기(cascaded stimulated laser resonator)를 가진 2단 라만 레이저 광증폭기 구조(two stage optical Raman amplifier scheme)를 보여주고 있다.1A to 1B are structure diagrams of a two-stage optical fiber nonlinear Raman amplifier to which the present invention is applied, and a two-stage Raman laser optical amplifier structure having cascaded stimulated laser resonators sequentially at the rear and front ends, respectively. The Raman amplifier scheme is shown.
상기 도 1a에서는 펌프빔(pump beam) Iλp1이 파장분할다중 광섬유 커플러(wavelength-division multiplexing fiber coupler)(2)를 통해 신호광 Iλs와는 반대편에서 역방향으로 비선형성을 유도하는 광섬유(8a)쪽으로 입력된다.In FIG. 1A, the pump beam I λ p1 is inputted through the wavelength-division multiplexing fiber coupler 2 to the optical fiber 8a which induces nonlinearity in the opposite direction from the opposite side of the signal light I λ s. do.
입력된 펌프빔 Iλp1은 광섬유(8a)를 통과하며, 그 다음에 놓여 있는 펌프 파장(λp)에서 최대 반사율(maximum reflectivity)을 갖는 광섬유 회절격자(fiber grating)(4)에 의해 반사되면서 왕복으로 광섬유(8a)를 통과하는 과정에서 비선형 라만 효과(nonlinear Raman effect)에 의해 첫 번째 스톡 주파수 천이(first Stock frequency shift)된 광선(optical beam) Iλst1을 유도하게 된다.The input pump beam I lambda p1 passes through the optical fiber 8a and then reciprocates while being reflected by an optical fiber grating 4 having a maximum reflectivity at the next pump wavelength λ p . In the process of passing through the optical fiber 8a, the first stock frequency shifted optical beam I λst1 is induced by a nonlinear Raman effect.
이 첫 번째 스톡 주파수 천이된 광선 Iλst1은 광섬유(8a) 양단에 놓여 있는 광섬유 회절격자 쌍(fiber grating pair)(5)에 의해 레이저 공진이 일어나며, 이 레이저 광선은 다시 두 번째 스톡 주파수 천이(second Stock frequency shift)된 광선 Iλst2를 유도하게 된다.This first stock frequency shifted beam I λst1 is caused by laser resonance by a fiber grating pair 5 lying across the optical fiber 8a, which in turn produces a second stock frequency second A stock frequency shifted beam I λst2 is derived.
마찬가지로 두 번째 스톡 주파수 천이된 광선 Iλst2는 광섬유(8a) 양단에 놓여 있는 광섬유 회절격자 쌍(6)에 의해 다시 레이저 공진이 일어나며, 이 레이저 광선은 다시 세 번째 스톡 주파수 천이(third Stock frequency shift)된 광선 Iλst3을 유도하게 된다.Similarly, the second stock frequency shifted beam I λst2 is again caused by laser resonance by a pair of optical fiber diffraction gratings 6 across the optical fiber 8a, which in turn causes a third stock frequency shift. The resulting light beam I λst3 .
이 세 번째 스톡 주파수 천이된 광선 Iλst3은 파장분할다중 광섬유 커플러(3)들을 통과하여 아이솔레이터(7), 광섬유(8b)와 광섬유 경로(fiber optic path)(9)를 지나는 단일 방향의 고리형 공진기(ring-type resonator)의 형성으로 레이저 발진을 하게 된다.This third stock frequency shifted ray I λst3 is a unidirectional annular resonator passing through the wavelength division multiplex fiber couplers 3 and passing through the isolator 7, the fiber 8b and the fiber optic path 9. The formation of a ring-type resonator results in laser oscillation.
이 레이저 빔은 입력 신호광 Iλs파장대에서 다시 네 번째 스톡 주파수 천이(forth Stock frequency shift)된 광선을 유도하게 되며, 입력 신호광 Iλs의 광증폭에 기여하게 된다.This laser beam induces a fourth stock frequency shifted ray in the input signal light I λ s wavelength band and contributes to the optical amplification of the input signal light I λ s .
입력단과 출력단에 놓여 있는 광 아이솔레이터(1)들과 광섬유(8a, 8b) 사이에 놓여 있는 파장분할다중 광섬유 커플러(3)들은 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란(Rayleigh back scattering)에 의한 광증폭 특성의 저하를 줄이기 위해 이용된다.The wavelength splitting multiple fiber couplers 3 lying between the optical isolators 1 and the optical fibers 8a and 8b at the input and output stages are deteriorated in terms of signal-to-noise ratio characteristics and Rayleigh back scattering. It is used to reduce the deterioration of the optical amplification characteristic.
상기 광 아이솔레이터(1)는 신호광 파장에서 그리고 라만증폭 펌프광 파장에서의 광 아이솔레이터(7)는 세 번째 스톡 주파수 천이된 광선 Iλst3, 즉 증폭된 신호광 파장을 1차 스톡 주파수 천이된 파장으로 하는 짧은 쪽 파장 광선 IλR파장에서 단일 방향의 광신호 진행 특성을 가진다.The optical isolator 1 is at the signal wavelength and at the Raman amplification pump wavelength. The optical isolator 7 has a third stock frequency shifted beam I lambda st3 , i.e., the shorter side of which the amplified signal light wavelength is the primary stock frequency shifted wavelength. It has a propagation characteristic in a single direction at the wavelength of light I λ R.
상기 광 아이솔레이터(7)는 입력 신호광의 역방향 라만 증폭기 펌프를 위한 방향으로 놓여진다.The optical isolator 7 is placed in the direction for the reverse Raman amplifier pump of the input signal light.
비선형 광섬유(8a, 8b) 각각의 길이는 광증폭 특성의 최대화를 위해 광섬유의 구성 재질 및 구조에 따라 적절한 길이로 조정되어 진다.The length of each of the nonlinear optical fibers 8a and 8b is adjusted to an appropriate length according to the material and structure of the optical fiber to maximize the optical amplification characteristics.
그리고 펌프빔 Iλp1의 파장이 입력 신호광 Iλs파장에 비해 상대적으로 몇번째 스톡 주파수 천이(Stock frequency shift)된 파장인가에 따라 광섬유 회절격자(5, 6)들은 본 도면에서 제거된 구조로 활용이 가능하며, 아울러 파장분할다중 광섬유 커플러(2)도 이 신호광과 펌프광에 맞는 파장특성을 가진 것으로 이용된다.In addition, the optical fiber diffraction gratings 5 and 6 can be used as the structure removed from the drawing, as the wavelength of the pump beam I λp1 is the wavelength of the stock frequency shift relative to the input signal light I λs wavelength. In addition, the wavelength division multiplexed optical coupler 2 is also used as the one having a wavelength characteristic suitable for the signal light and the pump light.
도 1b는 상기 도1a와 유사하나 펌프빔 Iλp1이 입력 신호광 Iλs와 같은 쪽에 놓이는 파장분할다중 광섬유 커플러(2)를 통해 비선형성을 유도하는 두 번째 비선형 광섬유(8a)쪽으로 입력된다.Figure 1b is input into the second nonlinear optical fiber (8a), which leads to non-linearity through the wavelength division multiplexing fiber coupler (2) lies on the side as shown in FIG. 1a and similar to the pump beam I λp1 the input signal I λs.
이 입력된 펌프빔 Iλp1에 의해 유도된 스톡 주파수 천이된 광선은 이 광섬유 양단에 놓여 있는 광섬유 회절격자들과 고리형 광경로(9)에 의해 레이저 공진이 발진되어 궁극적으로 입력 신호광을 증폭시켜 주는 기능을 하게 된다.The stock frequency shifted light induced by the input pump beam I λp1 is a laser resonance oscillated by the optical fiber diffraction gratings and the annular optical path 9 across the optical fiber, which ultimately amplifies the input signal light. It will function.
출력단에 놓여 있는 파장대역 투과 광필터(optical band pass filter)(10)는 입력 신호광 파장 이외의 다른 파장특성을 가진 잡음 신호들을 분리해 내기 위해 사용될 수 있다.An optical band pass filter 10 placed at the output end may be used to separate noise signals having wavelength characteristics other than the input signal light wavelength.
도 2는 종래의 라만 레이저 공진기와 2단 라만 광증폭기의 독립 구조도로서, 고리형 레이저 구조(ring-type laser scheme) 위에 광섬유 회절격자(fiber grating)를 이용하여 연차적 유도 라만 레이저 공진기와 2단 라만 증폭기를 독립적으로 구성한 구조를 보여주고 있다[US-5623508(1996.2.12)].FIG. 2 is an independent structural diagram of a conventional Raman laser resonator and a two-stage Raman optical amplifier, in which an induction Raman laser resonator and a second stage are sequentially fabricated using an optical fiber grating on a ring-type laser scheme. The structure of the Raman amplifier independently is shown [US-5623508 (1996.2.12)].
이 구조에서는 고리(ring)의 상반부에 광섬유 회절격자들과 비선형 광섬유(8c)로 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저를 발진시켜 라만 광증폭을 위한 펌프 광원을 확보하고, 하반부에 2단계 라만 광증폭기를 구성하였다.In this structure, a Raman laser oscillated sequentially with an optical diffraction grating and a nonlinear optical fiber 8c in the upper half of the ring is oscillated to secure a pump light source for Raman optical amplification, and in the lower half, a two-stage Raman light An amplifier was configured.
이 구조의 고리형 레이저 공진기(9a)는 상기 도 1a와 1b의 레이저 공진기(9)와 거의 같은 기능을 한다.The annular laser resonator 9a of this structure functions almost the same as the laser resonator 9 of Figs. 1A and 1B.
단, 상기 도 1a와 1b에서는 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기(cascaded Stock shifted Raman laser resonator)와 2단 라만 광증폭기에 사용되는 비선형 광섬유 중 하나가 공동으로 이용되는데에 반해, 상기 도 2에서는 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기와 2단 라만 광증폭기에 사용되는 비선형 광섬유들이 각각 분리되어 있어 비선형 광섬유가 더 많이 필요한 점이 상대적인 단점이며, 본 발명과의 차이점이다.However, in FIGS. 1A and 1B, one of cascaded stock shifted Raman laser resonators and a nonlinear optical fiber used in a two-stage Raman optical amplifier are commonly used. Since the non-linear optical fibers used for the successive stock frequency shifted Raman laser resonator and the two-stage Raman optical amplifier are separated from each other, the need for more nonlinear optical fibers is a relative disadvantage, which is a difference from the present invention.
이 도 2의 구조에서는 펌프빔 Iλp1의 파장이 입력 신호광 Iλs파장에 비해 상대적으로 몇 번째 스톡 주파수 천이(Stock frequency shift)된 파장인가에 따라 광섬유 회절격자(5, 6)들은 본 도면에서 제거된 구조로 활용이 가능하며, 아울러 파장분할다중 광섬유 커플러(2)도 이 신호광과 펌프광에 맞는 파장특성을 가진 것으로 이용된다.In the structure of FIG. 2, the optical fiber diffraction gratings 5 and 6 are removed from the figure according to the wavelength of the pump beam I lambda p1 relative to the wavelength of the input signal light I lambda s. In addition, the wavelength split multiple optical fiber coupler (2) is also used to have a wavelength characteristic suitable for this signal light and pump light.
그리고 이 구조에서는 비선형 광섬유(8b, 8c, 8d)의 각각의 길이는 라만 증폭기용 펌프광원과 라만 증폭기들의 특성을 최대화하기 위해 광섬유의 구성 재질 및 구조에 따라 적절한 길이로 조정이 되어진다.In this structure, the length of each of the nonlinear optical fibers 8b, 8c, and 8d is adjusted to an appropriate length according to the material and structure of the optical fiber in order to maximize the characteristics of the pump light source for the Raman amplifier and the Raman amplifier.
도 3은 종래의 1차 스톡 주파수 천이를 이용한 2단 라만 광증폭기 구조도로서, 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기를 가지지 않고 증폭대상인 신호광 파장(λs)을 1차 스톡 주파수 천이(first-order Stock frequency shift) 파장으로 하는 짧은 파장(λR)의 광선(optical beam) IλR2(=IλR)를 펌프광으로 이용하는 2단 라만 광증폭기 구조를 보여주고 있다[US-5673280(1996.2.12)].3 is a structure diagram of a two-stage Raman optical amplifier using a conventional first stock frequency shift. The signal stock wavelength (λ s ) that is an amplification target without a stock frequency shifted Raman laser resonator is first-order stock frequency shift (first- The structure of a two-stage Raman optical amplifier using an optical beam I λ R2 (= I λ R ) of a short wavelength (λ R ) as an order stock frequency shift wavelength is shown as a pump light [US-5673280 (1996.2.12) ].
신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광증폭 특성의 저하를 막기 위해 비선형 광섬유(8d, 8b) 사이에 놓여 있는 파장분할다중 광섬유 커플러 쌍(3)과 광 아이솔레이터(1)가 사용된 점은 본 발명의 구조에서도 이용되었다.In order to prevent the deterioration of the optical amplification characteristics due to the deterioration of the signal-to-noise ratio characteristic and the Rayleigh backscattering, a wavelength division multiple optical fiber coupler pair 3 and an optical isolator 1 placed between the nonlinear optical fibers 8d and 8b are used. The above is also used in the structure of this invention.
이 구조에서는 외부에서 확보된 파장(λR)의 펌프광 Iλp2가 필요한 점이 본 발명에서의 구조와 차이가 있다.This structure differs from the structure in the present invention in that the pump light I lambda p2 having a wavelength λ R secured from the outside is required.
도 4는 종래의 라만 레이저 공진기를 가진 1단 라만 광증폭기 구조도로서, 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기를 가진 1단 라만 광증폭기 구조(one stage optical Raman amplifier scheme)를 보여주고 있다[US-5323404(1993.11.2)].FIG. 4 is a schematic diagram of a single stage Raman optical amplifier with a conventional Raman laser resonator, showing a one stage optical Raman amplifier scheme having a Raman laser resonator which is sequentially stock-frequency shifted [US] -5323404 (1993.11.2).
이 구조에서 사용하는 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저를 발진시키는 개념은 본 발명에서도 사용되고 있으나, 최종 마지막 증폭대상 파장(λs)을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 짧은 파장(λR)에서의 레이저 발진까지도 이 도 4의 구조에서는 광섬유 회절격자 쌍(11)으로 구성된 공진기를 이용하는데 반해 본 발명에서는 이 파장에서의 고리형 공진기를 이용하는 점이 차이가 있다.The concept of oscillating the successive stock frequency shifted Raman laser used in this structure is used in the present invention, but the final amplification target wavelength (λ s ) is the first stock frequency shift wavelength at a short wavelength (λ R ). The laser oscillation also uses a resonator composed of optical fiber diffraction grating pairs 11 in the structure of FIG. 4, whereas the present invention uses a ring resonator at this wavelength.
그리고 도 4의 구조에서는 비선형 광섬유(8e) 하나만을 이용하는 1단 증폭기로만 구성되어 있으므로, 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광증폭 특성이 저하되는 점을 효과적으로 개선하지 못하는 구조이다.In addition, since the structure of FIG. 4 includes only a single stage amplifier using only one nonlinear optical fiber 8e, the signal-to-noise ratio characteristic is not improved and the optical amplification characteristic is degraded due to Rayleigh backscattering. .
도 5는 종래의 펌프 광원을 별도로 구성한 1단 라만 광증폭기 구조도로서, 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기를 별도로 구성하여 증폭대상 파장(λs)을 1차 스톡 주파수 천이 파장으로 하는 짧은 파장(λR)의 펌프 광원(optical pump source)을 확보하여 펌프하는 1단 라만 광증폭기 구조를 보여주고 있다[OFC '95. Technical digest, San Diego, CA(1995) paper WD1, D.RDykaar, et.al.].FIG. 5 is a schematic diagram of a single-stage Raman optical amplifier in which a conventional pump light source is separately configured, and a short wavelength in which amplification target wavelength λ s is used as a primary stock frequency transition wavelength by separately configuring a Raman laser resonator that is sequentially stock frequency shifted. It shows the structure of a single-stage Raman optical amplifier that secures and pumps an optical pump source of (λ R ) [OFC '95. Technical digest, San Diego, CA (1995) paper WD1, D. Rdykaar, et. Al.].
이 구조에서의 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 발진은 상기 도 4에서의 구조와 거의 같으나, 다만 파장(λR)의 펌프광(optical pump beam)을 레이저 공진기 외부로 끌어내어 라만 광증폭기를 펌프하기 위해 그 파장에서 반사율이 최대가 아닌 광섬유 회절격자(11a)를 사용하는 점이 다르다.The successive stock-frequency shifted Raman laser oscillation in this structure is almost the same as the structure in FIG. 4, except that an optical pump beam of wavelength λ R is pulled out of the laser resonator to pump the Raman optical amplifier. The difference is that the optical fiber diffraction grating 11a whose reflectance is not maximum at that wavelength is used.
그리고 이 펌프광은 광섬유 경로(13)와 파장분할다중 광섬유 커플러(3)를 통해 비선형 광섬유(8g)로 입사되어 신호광 Iλs의 비선형 라만증폭을 유도한다.The pump light is then introduced into the nonlinear optical fiber 8g through the optical fiber path 13 and the wavelength division multiplex optical coupler 3 to induce a nonlinear Raman amplification of the signal light I lambda s .
펌프 광원으로부터 발생되는 신호광 Iλs파장대의 잔류 광선이 라만 증폭기 부분으로 유입되는 것을 차단하고, 아울러 반대 방향으로 유입되는 신호광 Iλs파장대의 잔류 광선을 차단하여 광증폭기 특성이 나빠지는 것을 막기 위해 이 파장대에서의 광선이 차단해 주는 광필터(12)를 펌프 레이저 공진기와 라만 증폭기 사이에 삽입한다.In order to prevent the residual light from the signal light I λ s wavelength band generated from the pump light source from entering the Raman amplifier section and block the remaining light from the signal light I λ s wavelength band flowing in the opposite direction, the optical amplifier characteristic is not deteriorated. An optical filter 12, which is blocked by the light ray of Esau, is inserted between the pump laser resonator and the Raman amplifier.
그리고 상기 도 1b에서와 같이 라만 증폭기의 출력단에 놓여 있는 파장대역 투과 광필터(10)는 입력 신호광 파장대 광신호 이외의 다른 파장특성을 가진 잡음 신호를 분리해 내기 위해 사용되어진다.In addition, as shown in FIG. 1B, the wavelength band transmission optical filter 10 disposed at the output terminal of the Raman amplifier is used to separate a noise signal having a wavelength characteristic other than that of the input signal wavelength band optical signal.
그리고 본 도 5의 구조에서도 비선형 광섬유(8g) 하나만을 이용하는 1단 증폭기로만 구성되어 있으므로 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광증폭 특성이 저하되는 점을 효과적으로 개선하지 못하는 구조이다.In addition, since the structure of FIG. 5 includes only a single stage amplifier using only one nonlinear optical fiber 8g, the signal-to-noise ratio characteristic is deteriorated and the optical amplification characteristic is deteriorated due to Rayleigh backscattering. .
아울러 이 구조에서는 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기와 비선형 라만 광증폭기가 분리되어 있어서 각각에 별도의 비선형 광섬유(8f, 8g)를 두어 광섬유 이용 효율이 떨어지고, 상기 도 1a, 1b와, 도 2, 도 4에 보여진 구조에 비해 상대적으로 펌프광 사용 효율이 낮다.In addition, in this structure, the Raman laser resonator and the nonlinear Raman optical amplifier, which are sequentially shifted in stock frequency, are separated, so that separate nonlinear optical fibers 8f and 8g are placed on each of the optical fibers to reduce the efficiency of using the optical fibers. 2, the use efficiency of the pump light is relatively low compared to the structure shown in FIG.
도 6은 종래의 연차적으로 스톡 주파수 천이된 다단계 고리형 라만 레이저 구조를 가진 1단 라만 광증폭기 구조도로서, 광섬유 커플러들(wavelength-division multiplexed fiber couplers)로 2개의 고리형 공진기들(two ring-shaped resonators)을 구성하여 연차적으로 1차에서 3차 스톡 주파수 천이된 라만 레이저(cascaded Stocks shifted Raman laser) 발진을 유도하고 4차 스톡 주파수 천이된 파장에서 광증폭을 얻는 구조로 된 1단 라만 광증폭기 구조를 보여주고 있다[CLEO'95 Technical Digest, Baltimore, MD(1995) paper CMB7, S. V. Chernikov, et al.].FIG. 6 is a schematic diagram of a one-stage Raman optical amplifier with a conventional successive stock frequency shifted multi-stage ringed Raman laser structure, with two ring-resonators with wavelength-division multiplexed fiber couplers. a single-stage Raman light structure configured to form shaped resonators to induce cascaded stocks shifted Raman laser oscillation annually and to obtain optical amplification at the fourth-order stock frequency shifted wavelength. The amplifier structure is shown [CLEO'95 Technical Digest, Baltimore, MD (1995) paper CMB7, SV Chernikov, et al.].
이 구조에서는 상기 도 4의 광섬유 회절격자를 이용하는 대신에 여러 특성의 파장분할다중 광섬유 커플러들과 고리형 공진기들로 대신하여 비슷한 기능을 하도록 고안한 점이 주요 특성이다.In this structure, instead of using the optical fiber diffraction grating of FIG. 4, the main characteristic is that the optical fiber diffraction grating is designed to perform a similar function instead of the multiplexed optical fiber couplers and the annular resonators.
파장분할다중 광섬유 커플러(15)는 펌프 파장(λp)과 그 파장에 대해 1차 및 3차 스톡 주파수 천이에 해당하는 파장(λ1st, λ3rd), 증폭대상인 신호광 파장(λs)들에 대한 파장분할다중이 가능한 광섬유 커플러이며, 증폭대상인 신호광 파장(λs)과 3차 스톡 주파수 천이 파장(λ3rd)의 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러(16) 및 광섬유 경로(18)와 함께 1차 및 3차 스톡 주파수 천이된 파장(λ1st및 λ3rd)에서의 라만 레이저 발진을 위한 고리형 공진기(ring-type resonator)를 구성하고 있다.The wavelength division multiplexed optical coupler 15 has a wavelength λ 1st and λ 3rd corresponding to the pump wavelength λ p , the first and third stock frequency transitions, and the signal light wavelength λ s to be amplified. Optical fiber coupler capable of multiplexing wavelength multiplexing, together with a wavelength splitting multiple optical coupler (16) and an optical fiber path (18) for two wavelengths of the signal light wavelength (λ s ) and the third-order stock frequency transition wavelength (λ 3rd ). Ring-type resonators are constructed for Raman laser oscillation at the primary and tertiary stock frequency shifted wavelengths (λ 1st and λ 3rd ).
파장분할다중 광섬유 커플러(14)는 펌프 파장(λp)과 그 파장에 대해 2차 스톡 주파수 천이에 해당하는 파장(λ2nd), 증폭대상인 신호광 파장(λs)들에 대한 파장분할다중이 가능한 광섬유 커플러이며, 증폭대상인 신호광 파장(λs)과 2차 스톡 주파수 천이 파장(λ2nd)의 두 파장에 대한 파장분할다중 광섬유 커플러(17) 및 광섬유 경로(19)와 함께 2차 스톡 주파수 천이 파장(λ2nd)에서의 라만 레이저 발진을 위한 고리형 공진기를 구성하고 있다.The wavelength division multiplexing optical fiber coupler 14 is capable of wavelength division multiplexing the pump wavelength λ p and the wavelength λ 2nd corresponding to the second stock frequency shift with respect to the wavelength, and the signal light wavelength λ s as the amplification target. It is an optical fiber coupler and is a secondary stock frequency transition wavelength with a wavelength division multiple optical fiber coupler 17 and an optical fiber path 19 for two wavelengths of the signal light wavelength (λ s ) and the secondary stock frequency transition wavelength (λ 2nd ) to be amplified. An annular resonator for Raman laser oscillation at (λ 2nd ) is constructed.
이 구조에서는 파장특성을 정확하게 조절된 파장분할다중 광섬유 커플러의 확보에 따르는 어려움이 있으며, 아울러 신호 대 잡음비 특성이 나빠지는 점과 레일리 후방 산란에 의해 광증폭 특성이 저하되는 점을 효과적으로 개선하기 위한 2차 비선형 라만 증폭기 구성이 어려운 단점이 있다.In this structure, it is difficult to secure a wavelength division multiple fiber coupler with precisely controlled wavelength characteristics, and to effectively improve the point that the signal-to-noise ratio characteristics deteriorate and the optical amplification characteristics deteriorate due to Rayleigh backscattering. It is difficult to construct a nonlinear Raman amplifier.
상기 언급한 바와 같이 본 발명에서 제안된 2단 광섬유 비선형 라만 증폭기 구조는 기존의 신호 대 잡음비 특성과 레일리 후방 산란 효과를 개선한 2단 비선형 라만 증폭기에서 상대적으로 적은 량의 비선형 광섬유가 필요한 간소하고 경제성 있는 구조를 제안하고 있다.As mentioned above, the two-stage optical fiber nonlinear Raman amplifier structure proposed in the present invention is a simple and economical method that requires a relatively small amount of nonlinear optical fiber in a two-stage nonlinear Raman amplifier with improved signal-to-noise ratio characteristics and Rayleigh backscattering effects. I suggest a structure.
아울러 신호광 파장(λs)에 대해서 펌프광 파장(λp)의 차이에 따라 연차적으로 스톡 주파수 천이된 라만 레이저 공진기(cascaded Stocks shifted Raman laser resonator)의 수가 달라질 수 있다.In addition, the number of cascaded stocks shifted Raman laser resonators may be varied according to the difference in the pump wavelength λ p with respect to the signal wavelength λ s .
이 점은 결국 본 발명에서 제안된 구조 가운데 광섬유 회절격자(5, 6) 각각을 또는 전부를 없앨 수가 있다.This can eventually eliminate each or all of the optical fiber diffraction gratings 5 and 6 in the structure proposed in the present invention.
펌프광의 선택에 따라 본 라만 광증폭기는 1.3㎛ 파장대뿐만 아니라 1.5㎛ 파장대 및 그 이외의 다른 파장대 광증폭기로 활용되어 대용량 광통신 기술의 발전에 기여할 수가 있다.According to the selection of the pump light, the Raman optical amplifier can be utilized not only in the 1.3 ㎛ wavelength band but also in the 1.5 ㎛ wavelength band and other wavelength band optical amplifiers, thereby contributing to the development of large capacity optical communication technology.
그 외에도 본 발명에서 제시된 응용 분야 외에도 다른 응용 분야가 본 발명의 영역이나 취지 내에서 얼마든지 가능하다.In addition, other applications besides the fields of application presented in the present invention are possible within the scope or spirit of the present invention.
상술한 바와 같이 본 발명에서 제안한 비선형 라만 광증폭기 구조는 기존에 나와 있는 라만 광증폭기 구조보다 상대적으로 적은 량의 광섬유로 광섬유 사용 효율과 경제성을 높이는 효과가 있다.As described above, the nonlinear Raman optical amplifier structure proposed by the present invention has an effect of improving the efficiency and economic efficiency of the optical fiber with a relatively small amount of optical fibers than the conventional Raman optical amplifier structure.
아울러 기존에 2단형 라만 광증폭기가 가지는 좋은 신호 대 잡음비 특성과 개선된 레일리 후방 산란 구조를 그대로 유지하여, 좋은 경제성과 성능을 가진 비선형 라만 광증폭기의 확보를 가능케 하는 효과가 있다.In addition, by maintaining the good signal-to-noise ratio characteristics and improved Rayleigh backscatter structure of the conventional two-stage Raman optical amplifier, it is possible to secure a non-linear Raman optical amplifier with good economy and performance.
그리고 펌프광의 선택에 따라 본 발명에서 제안된 라만 광증폭기는 1.3㎛ 파장대에서의 유용한 광증폭기로 사용이 가능하여 이 파장대에서의 대용량 광통신 시스템의 확보와 더불어, 1.5㎛ 파장대 및 그 이외의 다른 파장대 광증폭기로 활용되어 대용량 광통신 기술의 발전을 유도하는 효과가 있다.In addition, the Raman optical amplifier proposed in the present invention can be used as a useful optical amplifier in the 1.3㎛ wavelength band according to the selection of the pump light, and in addition to securing a large capacity optical communication system in this wavelength band, the 1.5nm wavelength band and other wavelength band optical It is used as an amplifier to induce the development of large capacity optical communication technology.
또한, 넓은 파장영역에서 작동이 가능한 비선형 라만 레이저의 확보와 더불어 다른 응용 분야의 발전에 이바지하는 효과를 가진다.In addition, it has the effect of contributing to the development of other applications as well as securing a nonlinear Raman laser that can operate in a wide wavelength range.
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