KR100327299B1

KR100327299B1 - 2-단자 파장선택 결합기를 사용한 광섬유 증폭기

Info

Publication number: KR100327299B1
Application number: KR1020000008215A
Authority: KR
Inventors: 김성준; 김정미; 정래성
Original assignee: 김성준
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2002-03-06
Also published as: KR20010083713A; CN1137397C; US20030103260A1; WO2001063326A1; CN1364238A

Abstract

종래와 동일한 길이의 이득매질 포함 광섬유와 동일한 세기의 펌프광을 사용할 경우, 종래의 광섬유 증폭기보다 높은 이득과 저 잡음 특성을 갖는 광섬유 증폭기에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 광섬유 증폭기는: 이득매질을 포함하는 소정 길이의 광섬유와; 상기 광섬유의 일단에 연결되어, 신호광을 상기 광섬유로 입사시키는 동시에 상기 광섬유에서 증폭된 광신호를 자신의 출력단자로 출력시키기 위한 서큐레이터 수단과; 상기 광섬유의 타단에 연결되어, 상기 입사신호광을 증폭하기 위한 펌핑광을 인가하는 광 펌핑수단과; 상기 광섬유의 타단과 상기 광펌핑수단 사이에 위치하여, 상기 광 펌핑수단에서 나오는 펌핑광은 통과시키고, 상기 광섬유에서 나오는 증폭된 신호광은 되반사시키기 위한 2-단자 파장선택 결합수단을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 고성능의 광섬유 증폭기를 저가로 제작할 수 있으며, 본 발명의 광섬유 증폭기를 광전송장치에 적용할 경우, 광신호 대 잡음비 특성이 좋아지고 시스템 마진이 향상된다.

Description

2-단자 파장선택 결합기를 사용한 광섬유 증폭기 {Fiber-optic amplifier using a 2-port wavelength selective coupler}

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 특히 종래와 동일한 길이의 이득매질 포함 광섬유와 동일한 세기의 펌프광을 사용할 경우, 종래의 광섬유 증폭기보다 높은 이득과 저 잡음 특성을 갖는 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 장거리 광통신을 위한 광전송 시스템에 있어서, 종래의 광통신 방식은, 레이저 다이오드를 사용하여 전기신호를 광신호로 변환하고, 상기 변환된 광신호를 광섬유를 통해 전송하고, 상기 광섬유를 통해 전송되면서 광섬유의 손실에 의해 약해진 광신호를 전기신호로 변환하여 증폭시킨 후 다시 이를 광신호로 변환하여 통신하는 방식이었다. 이러한 광전송방식에서는 광송신기의 낮은 광출력과 중계용 증폭기 시스템의 비대화와 전송속도에 따라 중계기가 교체되어야 하고 낮은 광송신기 출력으로 인한 중계거리의 제한 등의 많은 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하고 효율적으로 광증폭을 수행하기 위해 광신호 자체를 증폭시키는 광증폭기가 요구된다.

상기와 같은 광증폭기로서 어븀도핑 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier:이하 'EDFA')는 광통신용 핵심 모듈로서 많은 각광을 받고 있다. 상기 EDFA는 대량의 데이터가 한 가닥의 광섬유를 통해 장거리에 걸쳐 전송될 때, 장거리 전송에 따르는 광신호의 감쇠를 보상하기 위하여 주기적으로 광신호를 증폭해 주는데 사용되며, 여러 파장의 광신호를 동시에 증폭시키는 파장다중(WavelengthDivision Multiplexing; WDM) 방식의 광전송에 사용된다. 따라서, 본 발명의 종래기술을 설명함에 있어서, EDFA를 중심으로 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 일반적인 단일 순방향(single forward) EDFA의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, EDFA는, 광신호 증폭매질인 어븀도핑 광섬유(120; 이하, 'EDF'), EDF(120)내의 기저상태에 있는 어븀 이온을 여기시키기 위한 광원 역할을 하는 펌프 레이저 다이오드(100), 파장이 서로 다른 신호광과 펌프광을 묶어 단일 선로로 입사시키는 파장선택 결합기(Wavelength Selective Coupler: 이하, 'WSC', 110), 광신호의 역방향 진행을 차단하는 아이솔레이터(Isolator; 130, 132)로 구성된다. WSC(110)는 입력단 아이솔레이터(130)를 통과한 신호광과 펌프 레이저 다이오드(100)에서 나오는 펌프광을 하나의 광섬유로 결합시켜 EDF(120)으로 입사하게 한다. EDFA용 WSC에는 다수 개의 광섬유를 융착시켜 만들어진 용융형(fused type)과 빛에 대해 선택적 특성을 지닌 물질을 유리 기판에 코팅하고 빛의 집광기술을 이용하여 만드는 마이크로-광형(Micro-optic type)이 있다. WSC(110) 앞단에 사용한 입력단 아이솔레이터(130)는 EDF(120)에서 발생한 증폭된 자발방출(Amplified Spontaneous Emission; ASE)이 광 입력부로 나가는 것을 막기 위함이다. 그리고 EDF(120) 뒷단의 출력단 아이솔레이터(132)는 신호출력 커넥터(미도시)와 같은 광소자로부터 반사되어 EDF(120)에 재입사됨으로써 ASE와 증폭된 신호광으로 인한 EDFA의 증폭효율을 저하시키는 것을 막아주기 위한 것이다.

한편, 광 증폭기의 성능을 결정짓는 가장 중요한 특성은 이득(Gain)과 잡음지수(Noise Figure)이다. 이러한 요소들은 광 증폭기에 입력되는 신호광의 세기,펌프광의 세기, EDF의 길이, 신호광과 펌프광을 결합시켜주는 WSC의 결합효율과 밀접한 연관이 있다. 특히 WDM 전송은 여러 개의 광신호를 증폭하기 위해서 더 높은 이득과 낮은 잡음지수를 요구하며, 여러 개의 광신호를 동일한 이득특성을 갖는 이득평탄화된 EDFA가 요구되고 있다. 높은 이득과 낮은 잡음지수를 얻기 위하여 높은 펌프광을 출력하는 펌프 레이저 다이오드, 더 많은 EDF, 결합효율이 높은 WSC가 필요하다. 하지만 상기의 특성을 갖는 소자들은 상당히 고가이기 때문에 적절한 소자로서 요구 특성을 만족하는 EDFA의 구현이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명의 기술적 과제는, 종래기술과 동일한 EDF길이를 사용하더라도 이득 및 잡음지수를 포함한 특성에서 종래기술의 것보다 우수성을 갖는 광섬유 증폭기를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 일반적인 단일 순방향 어븀도핑 광섬유 증폭기의 개략적인 구성도;

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 증폭기의 개략적인 구성도; 및

도 3은 도 2의 광섬유 증폭기에 사용되는 2-단자 파장선택 결합기의 구조를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 *

100, 200 … 펌프 레이저 다이오드 110 … 3-단자 파장선택 결합기

120, 220 … 어븀도핑 광섬유 130, 132 … 아이솔레이터

210 … 2-단자 파장선택 결합기 240 … 서큐레이터

242 … 서큐레이터 입력단자 244 … 서큐레이터 출력단자

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 증폭기는: 이득매질을 포함하는 소정 길이의 광섬유와; 상기 광섬유의 일단에 연결되어, 신호광을 상기 광섬유로 입사시키는 동시에 상기 광섬유에서 증폭된 광신호를 자신의 출력단자로 출력시키기 위한 서큐레이터 수단과; 상기 광섬유의 타단에 연결되어, 상기 입사신호광을 증폭하기 위한 펌핑광을 인가하는 광 펌핑수단과; 상기 광섬유의 타단과 상기 광펌핑수단 사이에 위치하여, 상기 광 펌핑수단에서 나오는 펌핑광은 통과시키고, 상기 광섬유에서 나오는 증폭된 신호광은 되반사시키기 위한 2-단자 파장선택 결합수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 이득매질을 어븀으로 선택함으로써, 상기 광섬유로서 어븀 도핑된 광섬유를 사용할 수 있다.

한편, 상기 광 펌핑수단으로 레이저 다이오드를 채용하는 것이 바람직하며, 상기 레이저 다이오드가 980㎚ 파장대 또는 1480㎚ 파장대의 펌프광을 출력하는 것이 더 바람직하다.

한편, 상기 2-단자 파장선택 결합수단은: 신호광 파장대역의 광은 반사시키는 동시에 펌핑광 파장대역의 광은 통과시키는 반사필터와; 상기 반사필터의 양단에 위치한 입·출력 콜리메이터를 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 증폭기의 개략적인 구성도로서, 광섬유 증폭기는, 펌프 레이저 다이오드(200), EDF(220), 서큐레이터(240), 2-단자 WSC(210)로 이루어진다. 펌프 레이저 다이오드(200)는 입사신호광을 증폭하기 위해 EDF(220)에 펌핑용 광을 인가하는데, 980nm나 1480nm 파장대의 펌핑용 광을 출력한다. EDF(220)는 서큐레이터(240)로부터 인가되는 신호광을 펌프 레이저 다이오드(200)의 펌핑광에 의해 증폭시키는 증폭매질이다. 서큐레이터(240)는 자신의 입력단자(242)로부터 인가된 광신호를 EDF(220)로 진행시키며, EDF(220)로부터서큐레이터(240)로 인가되는 증폭된 광신호는 입력단자(501)로 출력되는 것을 차단시키고 출력단자(244)로만 진행시킨다. 또한, 서큐레이터(240)는 출력단자(244) 끝단에 통상적으로 위치하는 광 커넥터(미도시)로부터 반사된 빛이 EDF(220)로 역류되는 것을 막는다. 2-단자 WSC(210)는 펌프 레이저 다이오드(200)로부터 인가되는 핌핑광을 EDF(300)로 통과시키고, 서큐레이터(240)로부터 EDF(220)을 거쳐 인가된 증폭된 신호광을 반사시켜 주는 역할을 한다.

상기의 구성에 의거하여, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 증폭기의 동작을 설명하기로 한다.

먼저 입사신호광은 서큐레이터(240)의 입력단자(242)를 거쳐 EDF(220)로 인가되고 2-단자 WSC(210)에서 반사되어 EDF(220)로 재 입사된다. 펌프 레이저 다이오드(200)로부터 2-단자 WSC(210)를 펌핑광과 신호광이 함께 EDF(220)로 인가되고 펌핑광이 인가된 EDF(220)는 증폭매질로 되어 서큐레이터(240)로부터 EDF(220)로 인가된 신호광을 증폭시킨다. 상기 증폭과정은 펌핑광과 신호광이 서로 역방향으로 진행하면서 신호광이 증폭되는 과정이다. 역방향으로 증폭된 신호광은 2-단자 WSC(210)에서 되반사되어 다시 증폭 매질인 EDF(220)로 인가되어 순방향으로 다시 증폭된다. 이 2-단자 WSC(210)는 EDF(220)에서 증폭된 신호광을 되반사시키면서 동시에 펌프 레이저 다이오드(200)로부터 나온 펌핑광을 통과시켜 하나의 광섬유로 신호광과 펌핑광을 결합시켜주는 역할을 한다. 상기 실시예에서는, 펌핑광과 신호광을 결합시켜주는 종래의 3-단자 WSC를 대체하기 위해 2-단자 WSC(210)를 사용하였는데, 이 2-단자 WSC(210)의 구조를 도 3에 도시하였다. 도 3을 참조하면, 2-단자 WSC(210)는 반사필터(310)와 그 양단에 위치한 입력단 콜리메이터(collimator; 320) 및 출력단 콜리메이터(330)로 구성된다. 반사필터(310)는 2-단자로 구성된 박막의 마이크로광 소자로서, 신호광의 파장대역인 1500㎚ 대역은 반사시키고 펌핑 파장대역은 반사시키는 특성을 가지고 있다. 펌핑광의 파장에 대한 2-단자 WSC(210)의 삽입손실이 도 1에 도시된 종래의 WSC(110)보다 작아서 더 강한 펌핑광이 EDF(220)로 인가되게 된다.

도 2에 도시된 광섬유 증폭기에 대한 설명으로 다시 돌아가서, 2-단자 WSC(210)의 반사필터(310)에서 반사된 광신호는 다시 증폭 매질인 EDF(220)로 인가되어 증폭된다. 이 증폭과정은 펌핑광과 신호광이 같은 방향으로 진행하면서 증폭된 신호광을 또다시 증폭시키는 과정이다. 순방향으로 증폭된 신호광은 서큐레이터(240)를 거쳐 그의 출력단자(244)로 진행한다. 상기한 바와 같이, EDFA(220)로 인가된 최초의 광신호가 EDF(220)내에서 왕복으로 진행하면서 증폭될 뿐 아니라, 2-단자 WSC(210) 내의 반사필터(310)의 펌핑광 파장에 대한 삽입손실이 작아서 더 강한 펌핑광이 EDF(220)로 인가되어 종래의 광섬유 증폭기보다 더 높은 이득을 얻는다. 이는 바꾸어 말하면, 더 짧은 EDF나, 더 낮은 펌핑광을 사용하여도 종래기술의 EDFA와 동일한 이득을 얻는 것이 충분히 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 저가로 높은 이득을 갖는 EDFA를 제작할 수 있다.

본 발명의 광섬유 증폭기에 사용된 2-단자 WSC는 다음과 같은 장점을 갖는다. 첫째, 종래기술의 광섬유 증폭기에 사용된 3-단자 WSC보다 펌핑광의 파장에 대한 삽입손실이 작으므로, 더 강한 펌핑광을 증폭용 광섬유로 인가하여 광신호의 증폭이득을 향상시키고 증폭용 광섬유 앞단의 소자를 줄임으로써 광섬유 증폭기의 잡음특성을 향상시킨다. 둘째, 편광의존 손실이 낮아서, 본 발명의 광섬유 증폭기를 광전송장치에 적용할 경우, 광신호 대 잡음비 특성이 좋아지고 시스템 마진이 향상된다.

한편, 본 발명의 광섬유 증폭기가 가지는 신규한 구성으로 인해, 다음과 같은 효과가 발생한다. 첫째, 신호광이 증폭용 광섬유 내에서 왕복 진행하면서 증폭되기 때문에 신호광의 이득률이 높아지고, 잡음이 줄어들어 광섬유 증폭기의 특성이 향상된다. 둘째, 동일한 펌핑 광세기에 대해서도 높은 증폭이득과 낮은 잡음특성을 얻을 수 있으므로, 저가의 광섬유 증폭기를 제작할 수 있다. 셋째, 동일한 증폭이득을 목적으로 할 경우, 종래기술에 비해 짧은 광섬유를 사용해도 되므로 저가의 광섬유 증폭기를 제작할 수 있다. 넷째, 광섬유 증폭기를 구성하는 소자수를 줄일 수 있으므로, 저가의 광섬유 증폭기를 제작할 수 있으며, 소형화된 광섬유 증폭기의 제작이 가능하다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

이득매질을 포함하는 소정 길이의 광섬유와;

상기 광섬유의 일단에 연결되어, 신호광을 상기 광섬유로 입사시키는 동시에 상기 광섬유에서 증폭된 광신호를 자신의 출력단자로 출력시키기 위한 서큐레이터 수단과;

상기 광섬유의 타단에 연결되어, 상기 입사신호광을 증폭하기 위한 펌핑광을 인가하는 광 펌핑수단과;

상기 광섬유의 타단과 상기 광펌핑수단 사이에 위치하여, 상기 광 펌핑수단에서 나오는 펌핑광은 통과시키고, 상기 광섬유에서 나오는 증폭된 신호광은 되반사시키기 위한 2-단자 파장선택 결합수단을 구비하는 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 이득매질이 어븀으로서, 상기 광섬유가 어븀 도핑된 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 광 펌핑수단이 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제3항에 있어서, 상기 레이저 다이오드가 980㎚ 파장대 또는 1480㎚ 파장대의 펌프광을 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 2-단자 파장선택 결합수단이:

신호광 파장대역의 광은 반사시키는 동시에 펌핑광 파장대역의 광은 통과시키는 반사필터와;

상기 반사필터의 양단에 위치한 입·출력 콜리메이터를 구비한 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.