KR100318942B1

KR100318942B1 - 고출력변환효율을가지는병렬형광섬유증폭기

Info

Publication number: KR100318942B1
Application number: KR1019980050407A
Authority: KR
Inventors: 박남규; 이주한; 류우찬
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2002-03-20
Also published as: KR20000033514A; US6317254B1; NL1013531C2; ITMI992021A0; JP2000164956A; CN1138178C; IT1313908B1; NL1013531A1; ITMI992021A1; DE19947111C2; FR2786325A1; DE19947111A1; CN1254853A; JP3068101B2; FR2786325B1

Abstract

C-밴드 및 L-밴드의 실리카 기재 EDFA들을 병렬로 결합하고, C-밴드 EDFA단 또는 L-밴드 EDFA단에서 방출되는 쓸모 없는 후방 증폭 자발광을 L-밴드 EDFA단의 증폭에 대한 2차 펌핑광으로 재활용함으로써 고 출력 변환효율을 갖는 80㎚ 밴드의 광 증폭기를 구현하는 기술이 개시된다. 본 발명의 광 증폭기에서는, C-밴드 및 L-밴드 EDFA단들에서 나오는 쓸모 없는 후방 증폭 자발광이 L-밴드 EDFA단에 삽입되어 재활용된다. 본 발명의 광 증폭기에 대해 성능을 실험한 결과, 980㎚ 파장광으로 펌핑할 때, 전체 시스템의 출력 변환효율이 24.4%에서 31.6%에 이르기까지 현저하게 증가하는 것으로 나타났으며, 잡음지수면에서의 손해는 적었다. 따라서, 성능이 크게 향상된 광 증폭기를 구현할 수 있다.

Description

고 출력 변환효율을 가지는 병렬형 광섬유 증폭기

본 발명은 광통신용 소자에 관한 것으로, 특히 쓸모 없는 증폭 자발방출광을2차 펌핑원으로 재활용함으로써 고 출력 변환효율을 갖는 병렬구조 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

근래에, 아주 넓은 이득대역을 가진 어븀이온 도핑 광섬유 증폭기(Er³⁺-Doped Fiber Amplifier; 이하 "EDFA")가 날로 용량이 증가하는 파장분할 다중(Wavelength Division Multiplexed; 이하 "WDM") 시스템의 문제점을 해결하는 방안 중의 하나로 대두하고 있다. 이러한 EDFA를 이용하여 실제 시스템을 구성함에 있어서, 텔루라이트(tellurite) 기재(基材)의 EDFA들과 같이 새로운 물질로 광섬유 증폭기를 만드는 것보다, 통상의 C-밴드(1530∼1560㎚ 대역) 및 장파장의 L-밴드(1570∼1610㎚ 대역) 실리카 기재 EDFA단들을 병렬로 결합하여 사용하는 것이 경제성과 즉각적인 적용성면에서 불가피한 선택으로 여겨지고 있다. 그러나, L-밴드 증폭기의 개발에 대한 역사가 짧기 때문에, EDF의 길이가 길어야 한다는 점, 출력 변환효율이 낮아 고출력 펌프가 필요하다는 점 등이 개선될 과제로 남아 있다. 이와 같이 L-밴드 EDFA의 낮은 펌핑효율이, 병렬결합 구조의 실리카 기재 광섬유 증폭기를 광대역에서 사용하는 데 대한 제약으로 지금까지도 작용하고 있다. 따라서, 본 발명자들은 L-밴드 EDFA들의 출력 변환효율을 향상시키기 위한 방편의 하나로서, 쓸모 없는 후방 증폭 자발광(Amplified Spontaneous Emission; 이하 "ASE")을 펌핑되지 않는 EDF부분의 2차 펌핑원으로 재활용하는 기술을 개발하여, 상당한 성능의 향상을 보인 바 있다(참고: 대한민국 특허출원 제98-34370호). 이어서, 이들은 쓸모 없는 후방 ASE를 재활용한다는 견지에서, C-밴드 EDFA에서의 쓸모 없는 후방 ASE를 L-밴드 EDFA단에서의 증폭에 재활용하는 기술을 병렬구조의 광대역 실리카 기재 광섬유 증폭기에서도 적용할 수 있음을 인식하였다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 넓은 파장대역에서 고 출력 변환효율을 가지는 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.

도 1a는 종래기술에 따른 병렬형 광섬유 증폭기의 개략적 구성도;

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 광섬유 증폭기의 개략적 구성도;

도 2는, 도 1a에 도시된 종래의 병렬형 광 증폭기에서 증폭되지 않는 EDF 부분이 없는 경우 0㏈m의 포화 입력신호에 대한 출력 광세기 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 3은 C-밴드 EDFA 및 L-밴드 EDFA 각각에 대해 0㏈m의 입력 포화신호를 넣었을 때 관찰된 후방 ASE 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 4a는, 제1형 및 제2형 병렬구조들에 대해, 펌핑되지 않는 EDF 부분의 길이를 바꾸어가며 1595㎚ 포화신호 출력세기와 전체 시스템 출력 변환효율을 측정한 결과를 나타낸 그래프; 및

도 4b는 제1형 및 제2형 병렬구조들에 대해 조사된 잡음지수를 나타낸 그래프이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 증폭기는, 서로 다른 이득 파장대역을 가지는 제1 및 제2 EDFA단의 양단이 병렬로 접속되어 있는 종래의 병렬형 광섬유 증폭기에 대해, 상기 제1 EDFA단에서 나오는 ASE를 상기 제2 EDFA단에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 제1 EDFA단을 C-밴드 EDFA로, 제2 EDFA단을 L-밴드 EDFA로 각각 구성하면, 비교적 넓은 파장대역에서 고 출력 변환효율을 가지는 병렬형 광섬유 증폭기를 구현할 수 있다.

이와 같은 재활용을 위해, 상기 재활용수단은: 상기 제1 EDFA단으로부터 ASE를 인출하기 위한 순환기와; 인출된 상기 ASE를 상기 제2 EDFA단으로 전달하기 위한 연결 광섬유와; 상기 연결 광섬유를 통해 전달된 ASE를 제2 EDFA단에 공급하도록, 상기 연결 광섬유와 제2 EDFA단을 접속하는 광결합기를 구비하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제2 EDFA단이, 광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 직렬접속된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분과, 상기 제1 광섬유 부분에 대한 광펌핑수단을포함하도록 하고, 상기 제2 EDFA단의 광펌핑수단을 상기 제1 광섬유 부분과 제2 광섬유 부분의 사이에 위치시켜 상기 제1 광섬유 부분에 대하여 전방펌핑을 행하도록 하면 제2 EDFA단의 증폭에 있어서 제1 EDFA단 뿐만 아니라 제1 광섬유 부분으로부터도 쓸모 없던 후방 ASE를 공급받을 수 있어, 더 효율적인 광증폭을 행할 수 있다.

위의 각 경우에 있어서, 상기 제1 및 제2 EDFA단들을 구성하는 광섬유로서, 실리카 기재 광섬유를 이용하는 것이 더 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

특히, 본 발명의 실시예의 효과를 강조하기 위해 종래의 광섬유 증폭기의 구성 및 성능을 대비하여 설명하기로 한다.

도 1a는 종래기술에 따른 병렬형 광섬유 증폭기의 개략적 구성도이다. 도 1a를 참조하면, C-밴드 실리카 기재의 EDFA단(110)과 L-밴드 실리카 기재의 EDFA단(120)이 C-밴드/L-밴드 대역 WDM 결합기들(130, 132)에 의해 서로 병렬로 접속되어 있다. C-밴드 EDFA단(110)은 일정 길이의 C-밴드용 EDF(112)와 이를 광펌핑하기 위한 980㎚ 펌핑 제1 레이저 다이오드(114)로 이루어져 있고, 제1 레이저 다이오드(114)는 제1 WDM 결합기(116)에 의해 C-밴드용 EDF(112)와 결합된다. 한편, L-밴드 EDFA단(120)은 직렬로 연결된 2가닥의 EDF들(122, 124)과 그 사이에 위치한 980㎚ 펌핑 제2 레이저 다이오드(126)로 이루어져 있고, 제2 레이저 다이오드(126) 역시 제1 WDM 결합기(128)에 의해 결합되어 있다. 제2 레이저 다이오드(126)는 EDF(124)를 전방 펌핑하는 구조로 접속되므로, EDF(122)는 제2 레이저다이오드(126)에 의해 펌핑되지 않는다. 여기서, 신호광의 진행방향을 일방향으로 유도하기 위해 입력단과 출력단에 각각 광 고립기(140, 142, 144)가 사용된다.

병렬형 광섬유 증폭기를 이와 같이 구성한 이유는, 서로 다른 이득대역을 갖는 C-밴드 EDFA단(110)과 L-밴드 EDFA단(120)을 사용하여 넓은 파장대역에서 이득을 얻고자 하기 때문이다. 또한, L-밴드 EDFA단(120)에 있어서는, 펌핑되는 EDF(124) 부분으로부터 나오는 후방 ASE가 펌핑되지 않는 EDF(122) 부분에 대한 2차 펌핑원의 역할을 하기 때문에 출력 변환효율이 높다는 장점을 갖기 때문이다.

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 광섬유 증폭기의 개략적 구성도이다. 도 1a 및 도 1b에서 동일한 구성부분은 동일한 참조부호로 표시하며, 상세한 설명은 중복을 피하기 위해 생략한다.

도 1b를 참조하면, C-밴드 EDFA단(110)에서 나오는 후방 ASE가 순환기(150), 연결 광섬유(160) 및 C-밴드/L-밴드 대역 WDM 결합기(170)를 차례로 거쳐 펌핑되지 않는 EDF(122) 부분에 공급된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 광섬유 증폭기의 펌핑되지 않는 EDF(122)부분에는, 펌핑되는 EDF(124) 부분 뿐만 아니라 C-밴드 EDFA단(110)에서 나오는 쓸모 없는 후방 ASE가 재활용되어 출력 변환효율을 높일 수 있다. 본 실시예에서는, 펌핑되지 않는 EDF(122)부분이 L-밴드 EDFA단(120)에 포함되도록 하였으나, 펌핑되지 않는 EDF(122)부분이 본 발명의 광증폭기 구성에 반드시 필요한 것은 아니다. 이는 도 4a 및 4b에서 펌핑되지 않는 EDF(122)부분의 길이가 0이어도 본 발명의 효과가 발생하는 사실을 참조하면 알 수 있다.

다음, 종래기술 및 본 발명의 실시예를 서로 비교하였다. 이를 위해, 도 1a 및 도 1b의 구성에서 서로 동일한 EDF들을 사용하였다. 여기에 사용된 EDF는 최대 흡수계수가 1530㎚ 파장에서 4.5㏈/m인 것으로서, 상업적으로 구입가능한 알루미늄 공동 도핑된(Al-codoped) 광섬유였다. 또한, 펌핑되지 않는 EDF(122) 부분의 길이에 따른 출력 변환효율을 관찰하기 위해, 펌핑되는 C-밴드용 EDF(112)와 L-밴드용 EDF(124) 부분의 길이를 각각 20m, 135m로 고정하고, 펌핑되지 않는 EDF(122) 부분의 길이를 0m, 5m, 15m, 20m, 25m 및 35m로 각각 바꾸어가며 출력 변환효율을 측정하였다. 이 때, 980㎚ 파장에서 펌핑을 행하는 제1 및 제2 레이저 다이오드의 출력은 모두 85㎽였다. 한편, 광 증폭기의 이득을 평가하기 위해, 1540㎚ 및 1595㎚에서 각각 튜닝된 두 대의 외부 공진 레이저가 광 스펙트럼 분석기와 함께 사용되었다. 그리고, 이 두 파장에서 0㏈m 세기의 입력 신호가 소 신호이득, 잡음지수, 포화 출력세기 및 출력 변환효율을 측정하기 위해 증폭기에 입력되었다. 삽입손실은 두 경우에 대해 모두 3.5㏈ 이하였으며, 순환기 및 C-밴드/L-밴드 WDM 결합기에 의한 손실은 각각 0.6㏈과 0.3㏈이었다.

도 2는, 도 1a에 도시된 종래의 병렬형 광 증폭기에서 증폭되지 않는 EDF 부분이 없는 경우 0㏈m의 포화 입력신호에 대한 출력 광세기 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, ASE 세기 스펙트럼으로부터 광 이득 대역폭이 80㎚ 이상으로 넓다는 것을 알 수 있다. 1540㎚ 및 1595㎚ 파장의 신호에서 포화 출력 세기는 각각 14.75㏈m과 10.66㏈m이었다.

한편, 출력 변환효율의 향상을 가져오기에 충분한 후방 ASE가 존재하는 것을입증하기 위해, 또 다른 순환기를 사용하여 C-밴드 EDFA 및 L-밴드 EDFA 각각에서의 후방 ASE 세기를 측정하였다. 도 3은 두 개의 개별적인 EDFA들에 대해 0㏈m의 입력 포화신호를 넣었을 때 관찰된 후방 ASE 스펙트럼을 나타낸 그래프로서, 여기서 스펙트럼은 0.2㎚ 분해능을 가진 광 스펙트럼 분석기로 측정되었다. 도 3의 1540㎚와 1595㎚ 파장 부근에서 나타나는 피크(peak)는 입력신호들의 레일레이 후방산란(Rayleigh back-scattering)에 기인한 것으로 보인다. C-밴드 EDFA에서의 통합된 후방 ASE 세기는 1.5㎽였는데, 이는 L-밴드 EDFA에 대한 세기인 17㎽보다 상대적으로 약한 것이었다. 그러나, 1530㎚에서 1560㎚까지의 파장영역에서 1.5㎽ 정도의 ASE 세기는 L-밴드 증폭 효율을 개선하기에 충분한 것으로 생각된다. 왜냐하면, A. 모리 등이 1998년 OFC 기술요약집 WA1, 97쪽 이하에 "광대역 통신용 텔루라이트 기재 EDFA"라는 제하로 발표한 논문에 의하면 그보다 더 약한 1550㎚ 대역신호가 L-밴드 증폭을 위한 펌핑원으로 사용된 바 있기 때문이다.

도 1a에 도시된 종래의 병렬형 광섬유 증폭기(이하, "제1형 병렬구조")와 도 1b에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 광섬유 증폭기(이하, "제2형 병렬구조")에 대해 펌핑되지 않는 EDF 부분의 길이를 바꾸어가며 1595㎚ 포화신호 출력세기와 전체 시스템 출력 변환효율(1540㎚ 포화신호 포함)을 측정한 결과를 도 4a에 나타내었다. 도 4a를 참조하면, 펌핑되지 않는 EDF의 길이가 증가함에 따라 제1형 병렬구조에서의 출력세기가 강한 의존성을 보이면서 함께 증가하는 것을 알 수 있다. 전체 펌핑효율의 향상도는 24.4%에서 31.3%에 달했는데, 이는 L-밴드 EDFA단의 펌핑되는 EDF 부분에서 나오는 쓸모 없는 후방 ASE 세기가 펌핑되지 않는 EDF 부분에서 재활용되기 때문이다. 한편, 제2형 병렬구조에서는 제1형 병렬구조의 경우보다 더 큰 1595㎚ 포화신호 출력세기 및 전체 시스템 출력 변환효율을 보임을 알 수 있다. 심지어 펌핑되지 않는 EDF 부분이 없더라도, 제2형 병렬구조를 통해 1595㎚ 포화신호 출력세기가 16.8㎽에 이르도록 향상시킬 수 있었는데, 제1형 병렬구조의 경우 이 값은 11.6㎽이었다. 이와 같이 제2형 병렬구조가 제1형 병렬구조보다 나은 결과를 보이는 이유는, C-밴드 EDFA단에서 나오는 후방 ASE 세기가 비록 작은 양이지만 재활용에 더 이용되기 때문인 것으로 보인다. 도 4a에서 주목할 점은, 펌핑되지 않는 EDF 부분의 길이가 길수록 C-밴드 EDFA단에서 나오는 후방 ASE 세기를 재활용하여 출력 변환효율을 높이는 효과가 점차 감소한다는 것이다. 이 현상은 상기한 바와 같이 L-밴드 EDFA에서 나오는 후방 ASE 세기가 C-밴드 EDFA단에서 나오은 것의 세기보다 작다는 사실에 기인한다. 병렬형 광섬유 증폭기에서 가장 효율적으로 펌프세기를 이용하기 위해서는, 이 결과를 응용하면 된다. 즉, 펌핑 레이저 다이오드 앞에 펌핑되지 않는 EDF 부분이 위치하도록 하고, 이를 통해 오는 쓸모 없는 후방 ASE 세기를 재활용하는 것이다.

다음, 작고도 한정된 C-밴드 EDFA단의 후방 ASE 세기에 기인한 잡음지수 손해를 알아보기 위해, 제1형 및 제2형 병렬구조들에 대해 잡음지수를 조사하여 도 4b에 나타내었다. 도 4b를 참조하면, 펌핑되지 않는 EDF 부분의 길이에 무관하게, 제2형 병렬구조가 제1형 병렬구조에 대해 약 0.3㏈의 내부 잡음지수 손해를 보임을 알 수 있다. 그 이유는, 작고 광대역인 C-밴드 EDFA단에서 나오는 후방 ASE 펌프세기가 1600㎚ 신호 증폭의 펌핑원 뿐만 아니라 1600㎚ 대역 ASE에 대한 광자씨앗의역할도 수행하기 때문인 것으로 보인다. 더욱이, 2가지 병렬구조 모두에 대해 펌핑되지 않는 EDF 부분의 길이가 증가할수록 잡음지수가 증가하는 것을 관찰할 수 있었는데, 이는 펌핑되지 않는 EDF 부분의 단위길이당 ASE 펌프 세기가 감소함에 따른 밀도반전의 약화에 기인한 것으로 보인다.

본 발명의 효과는, 쓸모 없는 후방 ASE를 재활용하는 기술을 서로 다른 이득대역, 예컨대 C-밴드 및 L-밴드를 가진 병렬형 광섬유 증폭기에 적용하여 아주 넓은 파장대역에서 동작하는 동시에 높은 출력 변환효율을 가지도록 한 데 있다. 본 발명의 광 증폭기에 대해 성능을 실험한 결과, 980㎚ 파장광으로 펌핑할 때, 전체 시스템의 출력 변환효율이 24.4%에서 31.6%에 이르기까지 현저하게 증가하는 것으로 나타났으며, 잡음지수면에서의 손해는 적었다. 따라서, 성능이 크게 향상된 광 증폭기를 구현할 수 있다.

Claims

병렬형 광섬유 증폭기에 있어서,

제1 어븀첨가 광섬유와 상기 제1 어븀첨가 광섬유를 광펌핑하는 제1 광펌핑수단을 구비하는 제1 EDFA단과;

상기 제1 어븀첨가 광섬유로부터 출력된 자발 방출광에 의해 광펌핑되는 제2 어븀첨가 광섬유를 구비하고, 상기 제1 EDFA단과 병렬 접속되어 있으며, 상기 제1 EDFA단과 서로 다른 이득 파장 대역을 가지는 제2 EDFA단과;

상기 제1 어븀첨가 광섬유로부터 출력된 자발 방출광을 상기 제2 EDFA단으로 분배하는 순환기를 구비한 재활용 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제1 EDFA단은 C-밴드 EDFA로, 상기 제2 EDFA단은 L-밴드 EDFA로 각각 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬형 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 재활용 수단은:

상기 순환기로부터 분배된 자발 방출광을 상기 제2 EDFA단으로 전달하기 위해 그 일단이 상기 순환기와 연결된 연결 광섬유와;

상기 연결 광섬유를 통해 전달된 자발 방출광을 상기 제2 EDFA단에 공급하도록 상기 연결 광섬유의 타단을 상기 제2 EDFA단에 연결하는 광결합기를 더 구비함을 특징으로 하는 병렬형 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제2 EDFA단은:

상기 제2 어뷰첨가 광섬유와 직렬접속된 제3 어븀첨가 광섬유와;

상기 제3 어븀첨가 광섬유를 광펌핑하는 제2 광펌핑 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬형 광섬유 증폭기.