KR100288441B1

KR100288441B1 - 펌핑광차단수단을구비한광증폭기

Info

Publication number: KR100288441B1
Application number: KR1019970059277A
Authority: KR
Inventors: 서만수
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 2001-05-02
Also published as: KR19990039248A

Abstract

본 발명의 목적은 EDF로부터 유출되는 펌핑광의 양이 적어서 펌핌광의 효율이 높고 증폭된 신호광의 검출 신뢰도가 높은 광 증폭기를 제공하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위한 광 증폭기는 제1 주파수를 갖는 신호광의 광경로 상에 상기 신호광을 증폭시키는데 사용되는 제2 주파수의 펌핑광을 커플링시키는 커플러; 상기 펌핑(Pumping)광을 발생하여 출력하는 광원; 상기 신호광을 상기 펌핑광의 에너지를 사용하여 유도방출에 의해 증폭하는 특수 광섬유; 증폭된 신호광의 세기를 검출하기 위한 검출수단; 및 상기 특수 광섬유와 상기 검출수단 사이에 배치되어 있으며, 상기 제1 주파수의 광은 투과시키고 상기 제2 주파수의 광신호는 반사시키는 펌핑광 차단 수단;을 포함한다. 이에 따라, 펌핌광을 효율적으로 사용할 수 있고, 출력이 작은 펌핑 광원을 사용하는 것이 가능해진다. 또한 증폭된 광의 일부를 분기하여 검출하기 위한 광 검출기에 신호광만이 유입되기 때문에, 증폭된 신호광의 크기를 정확히 측정하는 것이 가능해져 시스템의 성능 및 신뢰도가 향상된다.

Description

펌핑광 차단수단을 구비한 광 증폭기{Optical amplifier having pumping light confirement measure}

본 발명은 광 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 펌핑광에 의해 신호광을 증폭하는 방식의 광 증폭기에 관한 것이다.

광통신에 사용되는 광섬유는 동선, 동축 케이블 등 여타의 선로에 비해 본질적으로 전송 손실이 낮고 대역폭이 넓은 특성을 가진다. 그럼에도 불구하고 전송손실을 전혀 무시할 수는 없기 때문에, 신호의 감쇠를 보상하기 위해서 전송되는 광신호를 주기적으로 증폭시켜 줄 필요가 있게 된다. 이러한 광신호의 증폭은 선로의 중간에 설치된 중계기에 의해 행해진다.

현재 사용되는 대부분의 광통신 시스템에 있어서 중계기는 검출기와 전기적 증폭기 및 반도체 레이저로 구성된다. 이러한 중계기에 있어서 검출기는 감쇠된 광신호를 전기적 신호로 변환하고, 증폭기는 변환된 전기적 신호를 증폭하게 된다. 그리고 반도체 레이저는 상기 증폭된 신호에 의해 구동되어 신호를 선로상의 다음 단계로 전송하게 된다. 그러나 이와 같은 중계기는 잠음을 증가시키게 됨과 아울러, 상기 검출기와 증폭기 등의 구성요소의 대역폭으로 말미암아 광신호의 전기적 신호로의 변환 속도와 전기적 신호의 광신호로의 변환 속도가 제한된다는 단점이 있다.

이에 따라 광신호를 그 자체로서 증폭시키는 순수한 광 증폭기가 개발되어 사용되고 있다. 현재 광 증폭기로 가장 주목을 받고 있는 것은 어븀 도핑 광 증폭기(Erbium-doped Fiber Amplifier: 이하 "EDFA"라 함)인데, 이는 이 증폭기가 40dB이상으로 이득이 크고, 출력이 높으며, 1.55μm 전후의 대역에서 잡음지수(Noise Figure)가 낮은 특성을 가지고 있기 때문이다.

도 1은 일반적인 어븀 도핑 광 증폭기(EDFA)의 블록도로서, 도 1a는 순방향 증폭기이고, 도 1b는 역방향 증폭기를 보여준다.

도 1a의 순방향 증폭기는 제1 광섬유(도시되지 않음)로부터 출사되는 입력광을 집속하는 제1 렌즈(10)와, 입력광의 세기를 검출하기 위한 광 검출기(11)와, 상기 광 검출기(11)를 선로상에 결합하기 위한 광 분리기(12)와, 광신호가 한 쪽으로만 흐르도록 제한하는 제1 아이솔레이터(14)와, 펌핑(Pumping)을 위한 광신호를 발생하는 레이저 다이오드(16)와, 상기 레이저 다이오드(16)를 선로상에 결합시키기 위한 커플러(18)와, 펌핑광의 펌핑 작용에 의해 여기된 전하 캐리어(Charge Carrier)를 사용하여 유도방출(LASER) 작용을 일으켜서 입력된 광신호를 증폭하는 어븀 도핑 광섬유(20: Erbium-doped Fiber; 이하 "EDF"라 함)와, 광신호가 순방향으로만 흐르도록 제한하는 제2 아이솔레이터(22)와, 출력광의 세기를 검출하는 광 검출기(24)와, 상기 광 검출기(24)를 선로상에 결합하기 위한 광 분리기(26)와, 출력 광을 집속하여 집속된 광이 제2 광섬유(도시되지 않음)에 입사하도록 하기 위한 제2 렌즈(28)를 포함한다.

상기와 같이 구성되는 순방향 증폭기에 있어서, EDF(18)는 3염화어븀(ErCl3)과 같은 원천가스를 사용하여 개선된 화학기상증착법(Modified CVD)에 의해 어븀을 광섬유의 코어에 도핑한 것으로서, 1.536μm의 방출파장을 가진다.

한편, 레이저 다이오드(16)는 1.48μm나 980nm의 파장을 가지는 레이저 광을 발생하여 EDF(18)에 공급한다. 상기 레이저 광은 어븀의 전자를 펌핑하여 분포반전을 일으키게 되고, 이에 따라 EDF(18)는 1.536μm 파장을 가지는 레이저 광을 출력하게 된다.

두 개의 아이솔레이터(14, 22) 중 제1 아이솔레이터(14)는 EDF(20)내에서 증폭된 광이나 자연방출(Spontaneous Emission)된 광이 입력 측으로 유입된 후 입력단 커넥터(도시되지 않음) 등으로부터 반사되어 다시 EDF(20)로 유입됨으로써 증폭효율을 떨어뜨리게 되는 것을 방지한다. 그리고 제2 아이솔레이터(22)는 출력단의 커넥터(도시되지 않음) 등으로부터 광신호가 반사되어 상기 EDF(20)으로 유입되는 것을 방지한다.

도 2b에 도시된 역방향 증폭기는 펌핑용 레이저 다이오드(17)가 커플러(19)에 의해 EDF(21)의 후단에 결합되어 있는 것을 제외하고는 도 2a의 순방향 증폭기와 그 구조가 동일하다.

한편, 상기 도 1의 광 증폭기에 있어서 제1 렌즈(10)와 광 분리기(12) 및 아이솔레이터(14)는 통상 하나의 복합모듈로 제작된다. 특히, 본 출원인에 의해 1997년 1월 28일 출원된 1997년 특허출원 제2393호 (발명의 명칭: "광 증폭기 아이솔레이터 복합모듈 및 이를 사용한 광 증폭기")는, 상기 광 분리기와 분리된 광을 검출하는 광 검출기와 편광으로 인한 분산을 보상하는 보상기를 아이솔레이터에 일체화 및 복합화한 광 아이솔레이터 복합모듈과, 이러한 광 아이솔레이터 복합모듈을 채용한 광 증폭기를 공개하고 있다.

상기와 같은 종래의 광 증폭기들에 있어서, 레이저 다이오드에서 의해 발생되는 펌핑광은 EDF에서 필요로 하는 것보다 대략 20% 정도 높은 출력으로 발생된다. 이는 레이저 다이오드의 온도 변화, 바이어스 전압의 변화 등으로 말미암아 펌핑광 발생량이 변동하는 경우에도 일정한 증폭율을 유지할 수 있도록 하기 위함이다.

한편 레이저 다이오드의 출력을 높이게 되는 경우에는 레이저 다이오드의 가격이 크게 상승하고 이에 따라 광 증폭기의 가격 또한 같이 상승하게 된다. 따라서 적정한 출력의 레이저 다이오드를 선택하는 것과 아울러, 광 증폭기 내에서 펌핌광을 효율적으로 사용되는 것이 요망된다.

그런데, 상기와 같은 종래의 광 증폭기에 있어서, EDF 내의 잔류 펌핑광의 일부는 증폭된 신호광과 함께 EDF의 출력단으로 유출된다. 그 결과 펌핑광의 사용 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

또한 유출된 펌핑광은 광 검출기(도 1의 24, 도 2의 58)의 동작에도 영향을 미친다. 즉, 증폭된 광의 일부를 분기하여 검출하기 위한 상기 광 검출기에는 신호광만이 유입되는 것이 바람직한데, 펌핑광이 유입되는 경우 광 검출기는 증폭된 신호광의 세기가 변화해도 그 변화를 감지하지 못할 수 있다. 이에 따라 시스템의 성능 및 신뢰도가 저하되고, 경우에 따라서는 시스템이 오동작하게 될 수도 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, EDF로부터 유출되는 펌핑광의 양이 적어서 펌핌광의 효율이 높고 증폭된 신호광의 검출 신뢰도가 높은 광 증폭기를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

도 1은 일반적인 어븀 도핑 광 증폭기(EDFA)의 블록도로서, 도 1a는 순방향 증폭기를 도시한 것이고, 도 1b는 역방향 증폭기를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 광 증폭기의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 블록도이다.

도 3은 도 2의 제2 아이솔레이터 복합모듈의 상세 블록도이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광 증폭기에 있어서, 커플러는 제1 주파수를 갖는 신호광의 광경로 상에 상기 신호광을 증폭시키는데 사용되는 제2 주파수의 펌핑광을 커플링시킨다.

그리고 특수 광섬유는 상기 신호광을 펌핑광의 에너지를 사용하여 유도방출에 의해 증폭한다.

증폭된 신호광의 세기는 검출수단에 의해 검출되는데, 상기 특수 광섬유와 상기 검출수단 사이에 배치되어 있는 펌핑광 차단 수단은 상기 제1 주파수의 광은 투과시키고 상기 제2 주파수의 광신호는 반사시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 광 증폭기의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 블록도이다. 상기 광 증폭기는 본 출원인에 의해 출원된 1997년 특허출원 제2393호에 기재되어 있는 것과 유사한 구조를 가진다.

도 2에 도시된 광 증폭기는 광신호가 순방향으로만 흐르도록 제한하면서 입사광의 일부를 분기하여 검출하는 제1 아이솔레이터 복합모듈(30)과, 펌핑(Pumping)을 위한 광신호를 발생하는 레이저 다이오드(36)와, 상기 레이저 다이오드(36)를 선로상에 커플링시키기 위한 커플러(38)와, 펌핑광의 펌핑 작용에 의해 여기된 전하 캐리어(Charge Carrier)를 사용하여 유도방출(LASER) 작용을 일으켜서 입력된 광신호를 증폭하는 어븀 도핑 광섬유(40: EDF)와, 광신호가 순방향으로만 흐르도록 제한하면서 증폭된 신호광의 일부를 분기하여 검출하는 제2 아이솔레이터 복합모듈(42)을 포함한다.

상기 광 증폭기에 있어서, 제1 아이솔레이터 복합모듈(30)은 아이솔레이터 코어(32)와 광 검출기(34)를 포함한다. 상기 아이솔레이터 코어(32)는 두 개의 복굴절 소자와 이들 사이에 삽입되어 있는 패러데이 회전자로 구성되어 있으며, 광이 순방향으로만 전달되도록 제한한다. 상기 아이솔레이터 코어(32)의 입사면은 부분반사 코팅이 되어 있기 때문에, 입사되는 신호광의 일부는 아이솔레이터 코어(32)의 입사면에서 반사되어 광 검출기(34)에 의해 검출된다. 한편 대부분의 입사광은 아이솔레이터 코어(32)를 투과하여 커플러(38)에 입사된다.

한편, 레이저 다이오드(36)에서 발생된 펌핑광은 커플러(38)에서 신호광과 합해지고, EDF(40) 내에서 전하 캐리어(Charge Carrier)를 여기시켜 유도방출(LASER) 작용을 일으킴으로써, 입력된 광신호가 증폭되도록 한다.

증폭된 광신호는 제2 아이솔레이터 복합모듈(42)에 입사된다. 제2 아이솔레이터 복합모듈(42)은 출력단의 커넥터(도시되지 않음) 등으로부터 광신호가 반사되어 상기 EDF(40)으로 유입되는 것을 방지한다.

도 3은 제2 아이솔레이터 복합모듈(42)을 상세하게 보여준다.

도 3을 참조하면, 제2 아이솔레이터 복합모듈(42)은 입력 광섬유(44)로부터 입사된 빛을 집속하는 제1 렌즈(46)와, 아이솔레이터 코어(50)와, 입력되는 광이 반사되는 방향에 위치한 광 검출기(58)와, 상기 광 검출기(58) 전단에 위치한 제2 렌즈(56)와, 아이솔레이터 코어(50)를 투과한 빛을 집속하여 출력 광섬유(62)의 코어에 집속하는 제3 렌즈(60)를 포함한다.

본 실시예에 있어서, 상기 입력 광섬유(44)의 후면부(44a)는 광신호가 파장에 따라 선택적으로 투과되도록 하기 위해 코팅층이 형성되어 있다. 즉, 상기 코팅층은 1.536μm 파장을 가지는 증폭된 신호광은 투과를 시키고, 1.48μm나 980nm의 파장을 가지는 펌핑광에 대해서는 반사를 시킨다. 구체적으로, 상기 코팅층은 증폭된 신호광에 대해서는 약 100%의 투과율을 나타내고 펌핑광에 대해서는 0%에 가까운 투과율을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 선택적 투과 작용은 코팅층에 대해 적절한 재질과 두께를 선택함으로써 가능해진다.

만약 신호광과 펌핑광에 대한 투과율 요건을 동시에 만족시키기 어려운 환경 하에서는 신호광의 투과율에 초점을 맞춤으로써, 코팅층의 삽입에 따른 손실을 줄이는 것이 중요하다. 이러한 경우에는 별개의 추가적인 코팅층을 형성함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 제1 렌즈(46)의 입사면(46a) 및 출사면(46b) 중 어느 하나 또는 두 곳 모두에 추가적인 코팅층이 형성된다. 상기 제1 렌즈(46)에 형성되는 코팅층들은 상기 입력 광섬유(44)의 후면부(44a)에 형성된 코팅층과 동일한 특성을 가진다.

한편, 본 발명의 또다른 실시예에서는 코팅층을 형성하는 대신에, 입력 광섬유(44) 상에 그레이팅(Fiber Grating)을 실시함으로써 위와 같은 선택적 투과 작용이 생기게 한다. 이 실시예에서 그레이팅은 게르마늄이 도핑된 광섬유를 국부적으로 자외선에 노광함으로써 행해지는데, 이러한 그레이팅이 행해지는 구체적인 방법과 그 공간적 범위(Dimension)는 신호광 및 펌핑광의 파장을 고려하여 결정된다. 한편 본 발명은 광경로의 일부분의 물성을 변경하여 펌핑광을 가두고자(Refinement) 하는데 그 목적이 있는 것이며 따라서 구체적인 그레이팅 방법에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 실시예에 있어서 상기 그레이팅 방법은 상기 자외선 노광에 한정되지 않으며, 홀로그램이나 마스크 및 레이저를 사용하는 방법 등 여러 가지 다른 방법에 의해 대체될 수 있음은 물론이다.

한편, 도 3에 있어서, 상기 아이솔레이터 코어(50)는 제1 및 제2 복굴절 소자(52, 54)와, 상기 제1 및 제2 복굴절 소자(52, 54)사이에 삽입되어 있는 패러데이 회전자(53)로 구성된다.

상기 제1 복굴절 소자(52)는 광학적 이방성체로서 입사광을 서로 다른 두 개의 굴절광으로 나누어 전파시킨다. 결정의 광축은 x축 방향에 수직이며 광의 입사면(52a)이 출사면(52b)에 대해 소정각도를 이루어 테이핑된 형상을 하고 있다. 한편, 입사면(52a)에는 부분반사 코팅이 되어 있어 상기 제1 렌즈(51)에 의해 집속된 광의 일부를 반사시킨다.

상기 제2 복굴절 소자(54)는 광의 출사면(54b)이 입사면(54a)에 대해 소정각도를 이루어 테이핑된 형상을 하고 있다. 그리고 상기 제1 복굴절 소자(52)의 광축에 대하여 상기 패러데이 회전자(53)에 의한 광의 회전 방향과 반대방향으로 45°회전된 위치에 광축이 존재한다.

상기 패러데이 회전자(53)는 통과되는 복굴절 광을 45°회전시킨다.

빛이 순방향으로 진행할 때, 제1 복굴절 소자(52)에서 정상파(Ordinar Ray: Ro)인 빛은 제2 복굴절 소자(54)에서는 비정상파(Extra-ordinary: Re)가 된다. 또한 제1 복굴절 소자(52)에서 비정상파(Re)인 빛은 제2 복굴절 소자(54)에서는 정상파(Ro)가 된다.

왜냐하면, 빛이 제1 복굴절 소자(52)에서 제2 복굴절 소자(54)로 진행할 때 패러데이 회전자(53)에 의한 빛의 회전 방향과 제1 복굴절 소자(52)에 대한 제2 복굴절 소자(54)의 광축의 회전 방향이 서로 반대가 되므로 빛이 90°회전하는 효과가 되어 정상파(Ro)와 비정상파(Re)가 바뀌게 되기 때문이다.

반면에 빛이 역방향으로 진행할 때에는, 패러데이 회전자에 의하여 빛이 회전하여 제2 복굴절 소자(54)에서 정상파(Ro)인 빛은 제1 복굴절 소자(52)에서도 정상파(Ro)가 된다. 또한 제2 복굴절 소자(54)에서 비정상파(Re)인 빛은 제1 복굴절 소자(52)에서도 비정상파(Re)가 된다.

이이 따라 따라서 순방향으로 진행하는 경우의 입사각과 역방향으로 진행하는 경우의 출사각은 제1 복굴절 소자(52)의 입사면(52a)에서 서로 다르게 된다. 그러므로, 제1 광섬유에서 출사되어 순방향으로 진행하는 광은 아이솔레이터 코어를 통과해서 제2 광섬유로 전파하는 반면에, 역방향으로 진행되는 빛은 제1 광섬유에 입사되지 못한다.

상기와 같은 아이솔레이터 코어의 아이솔레이션 작용, 즉 광의 일방향성 전달 작용에 대한 보다 구체적인 설명은 위에서 언급한 특허출원 제2393호에 첨부된 명세서 및 도면에 상세히 기재되어 있으므로, 이에 대한 추가적인 설명은 생략한다.

한편, 상기 제1 복굴절 소자(52)의 입사면(52a)은 부분 반사 코팅되어 있다. 이에 따라 제1 렌즈(51)에 의해 집속된 증폭된 광 중 일부는 제1 복굴절 소자(52)의 입사면(52a)에서 반사되어 광 검출기(58)에 의해 검출된다. 한편 대부분의 입사광 신호는 상기 입사면(52a)을 투과하여 제1 복굴절 소자(52)의 내부로 진행한다. 상기 광 검출기(58)는 제1 복굴절 소자(52)의 입사면(52a)에서 반사된 빛을 검출하며, 광 다이오드를 사용하여 구성될 수 있다. 한편 상기 제2 렌즈(56)는 제1 복굴절 소자(52)의 입사면(52a)에서 반사된 빛이 광 검출기(58)의 수광면에 집속되게 하여 검출 효율을 높이게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 광 증폭기는 광 증폭기 후방에 펌핑광 차단 수단을 구비하고 있기 때문에, 펌핑광이 상기 차단수단 후방으로 전파하지 못한다. 이에 따라 펌핌광을 효율적으로 사용할 수 있고, 출력이 작은 펌핑 광원을 사용하는 것이 가능해진다. 또한 증폭된 광의 일부를 분기하여 검출하기 위한 광 검출기에 신호광만이 유입되기 때문에, 증폭된 신호광의 크기를 정확히 측정하는 것이 가능해져 시스템의 성능 및 신뢰도가 향상된다.

Claims

제1 파장의 신호광의 광경로 상에 상기 신호광을 증폭시키는데 사용되는 제2파장의 펌핑광을 커플링시키는 커플러;

상기 펌핑광을 발생하여 출력하는 광원;

상기 신호광을 상기 펌핑광 및 재입사되는 펌핑광의 에너지를 사용하여 유도방출에 의해 증폭하는 특수 광섬유; 및

상기 특수 광섬유의 후방에 위치하며, 상기 특수 광섬유에서 증폭된 신호광은 투과시키고 상기 특수 광섬유로부터 출력되는 펌핑광은 반사시켜서 상기 특수 광섬유로 재입사시키는 펌핑광 차단 수단을 포함하는 광 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 펌핑광 차단수단은

상기 특수 광섬유로부터 입사된 광중 상기 제1파장의 신호광을 투과시키고, 상기 제2파장의 펌핑광을 반사하는 투과율을 갖는 제1코팅층을 출사면에 갖는 신호 전달 광섬유인 광 증폭기.
제2항에 있어서, 상기 펌핑광 차단 수단은

상기 신호 전달 광섬유의 후방에 위치하며, 입사면 및 출사면 중 적어도 어느 하나에 제2코팅층을 갖는 집속 렌즈를 더 포함하는 광 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 펌핑광 차단수단은

상기 특수 광섬유로부터 입사된 광중 상기 제1파장의 신호광을 투과시키고, 상기 제2파장의 펌핑광을 반사하는 그레이팅부를 갖는 신호 전달 광섬유인 광 증폭기.
제1항에 있어서,

증폭된 신호광을 집속하기 위한 집속 렌즈와,

상기 집속 렌즈 후방에 배치되어 있고

입사면이 출사면에 대해 제1 소정각도를 이루어 테이핑된(Tapered) 형상을 하고 있고, 입사면에 제2 코팅층이 도포되어 있는 제1 복굴절 소자;

상기 제1 복굴절 소자에서 나온 편광을 45°회전시키는 패러데이 회전자; 및

출사면이 입사면에 대해 제2 소정각도를 이루어 테이핑된 형상을 하고 있고, 상기 제1 복굴절 소자의 광축에 대하여 상기 패러데이 회전자에 의한 광의 회전 방향과 반대방향으로 회전된 위치에 광축이 존재하는 제2 복굴절 소자;를 포함하여 광 신호가 한 방향으로만 흐르도록 제한하며, 그 입사면에 부분반사를 위한 제2 코팅층이 도포되어 있어서 상기 집속수단에 의해 집속된 증폭된 신호광의 일부를 반사시키는 아이솔레이터 코어와,

상기 부분반사된 신호광의 진행 방향에 위치하며, 상기 부분반사된 신호광을 상기 검출수단의 수광면에 집속시키는 제2 집속수단을 더 포함하는 광 증폭기.