KR100328291B1 - 능동제어된파장별이득을갖는광증폭기및변화가능한출력스펙트럼을갖는광섬유광원 - Google Patents

Abstract

이득곡선을 원하는 형태로 조절할 수 있는 광 증폭기 및 변화가능한 출력스펙트럼을 갖는 광섬유 광원에 관해 개시하고 있다. 어븀첨가 광섬유 광 증폭기의 이득평탄화를 위해서 수동형 파장필터를 사용하는 방법은 널리 알려져 있다. 하지만, 이 방법은 증폭기의 동작조건, 예를 들어 입력광신호 크기, 이득수준이나 주변온도의 변화에 따라 이득곡선이 변한다는 단점이 있다. 이에 비해 본 발명에서 제시하는 광 증폭기는 능동형 파장가변필터와 이득감지장치를 구비하므로, 통신망 재구성이나 외부환경의 변화에 능동적으로 대처하여 원하는 형태의 다양한 파장별 이득율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 본 발명의 광섬유 광원에는 별도의 입력광을 인가되지 않으며, 증폭자발방출에 의해 넓은 선폭의 스펙트럼이 능동적으로 제어되는 연속발진 출력을 얻을 수 있다.

Description

능동제어된 파장별 이득을 갖는 광 증폭기 및 변화가능한 출력스펙트럼을 갖는 광섬유 광원

본 발명은 광 증폭기에 관한 것으로, 특히 광 증폭기가 갖는 고유의 파장별 이득율, 즉 이득곡선을 원하는 형태로 조절할 수 있는 광 증폭기에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 광섬유 광원에 관한 것으로, 특히 파장분할 광통신의 광원으로 사용할 수 있도록 스펙트럼 저미어진(spectrum sliced) 광출력을 얻을 수 있는 광섬유 광원에 관한 것이기도 하다.

일반적으로, 파장분할 광통신 시스템에서는 수십 나노미터의 파장영역에서 일정한 이득율을 얻는 것이 중요한데, 이를 위해 종래에는 일정한 형태의 파장별 손실률, 즉 손실곡선을 갖는 고정파장필터가 사용되었다.

도 1은 현재 널리 개발되어 있는 수동형 이득평탄화된 어븀첨가 광섬유 이단 증폭기의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 수동형 이득평탄용 파장필터(100)가 제1단어븀첨가 광섬유(110)과 제2단 어븀첨가 광섬유(111)의 사이에 위치하고 있다. 수동형 이득평탄용 파장필터(100)로는 주로 광섬유 격자나 박막코팅필터가 사용된다. 목적에 따라 각각의 어븀첨가 광섬유(110, 111)의 길이, 첨가 어븀농도 등이 다르기도 하고, 이를 펌핑하는 펌핑광(120, 121)의 세기와 펌핑방향도 다를 수 있다. 광신호(130, 131)는 경우에 따라 광 증폭기의 한쪽 방향에서만 입사되기도 하지만, 도 1에서는 양쪽 방향 모두에 대해서 입사되는 경우를 나타낸다. 본 광 증폭기에서, 각각의 광신호는 파장분할 결합기(140, 141)를 통과하여 어븀첨가 광섬유(110. 111)에 입사되어 증폭된다. 도 1과 같이 2단의 어븀첨가 광섬유로 구성된 증폭기는 1단 증폭기에 비해, 파장필터가 주는 광손실에도 불구하고, 광이득율과 잡음특성이 우수한 장점이 있다. 광신호 입력이 한 방향으로 고정된 경우는 파장필터(100) 옆에 광고립기를 설치하여 역방향 자발방출광을 억제하기도 한다.

일반적인 어븀첨가 광섬유의 파장에 따른 이득율 함수 즉 이득곡선은 파장에 따라 수 dB이상의 편차를 갖는다. 도 2는 적절한 파장필터를 사용하여 평탄화된 이득곡선을 개략적으로 나타낸다. 이득평탄화는 특히 파장분할 광통신 시스템에서 중요하다. 하지만, 광 증폭기의 구동조건, 예컨대 입력 광신호 세기, 광 이득 크기, 펌프광 세기, 온도 등이 변화할 경우에는 어븀첨가 광섬유의 이득 특성이 변화하므로 더 이상 평탄한 이득곡선을 얻을 수 없다. 이러한 구동조건의 변화는 광통신망의 재구성이나 노화에 의해서도 발생할 수 있다. 따라서, 안정된 파장분할 광통신 시스템을 구현하기 위해서는, 다양한 구동조건 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 지능형 광섬유 광 증폭기가 반드시 필요하다.

어븀첨가 광섬유 증폭기와 함께, 광섬유에서 발생하는 라만(Raman) 비선형 효과를 이용하는 광 증폭기도 광 증폭수단으로 널리 연구되고 있다. 라만 광 증폭기의 기본 구성도는 도 1의 어븀첨가광섬유 증폭기 구성도와 유사하지만, 이 경우 이득광섬유로서 일반 통신용 광섬유나 라만효율이 높은 개구수(Numerical Aperture; 이하 "NA")를 갖는 특수 광섬유, 또는 라만 파장이동값이 큰 포스포실리케이트(phosphosilicate) 광섬유가 사용된다. 펌핑수단으로는 수 백 ㎽이상의 고출력 레이저가 사용되며 그 파장은 라만파장이동값에 의해 결정된다. 라만이득곡선의 파장폭은 100㎚ 정도로 일반적인 어븀첨가 광섬유에 비해 넓지만 파장분할 광통신에 사용하기에는 파장에 따라 이득차이가 크다는 문제점이 있다. 따라서, 라만 증폭기 경우에도 광이득 평탄화가 필수적이고 특히 다양한 구동조건 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 지능형 광섬유 광 증폭기가 요구된다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 다양한 구동조건 변화에 반응하여 원하는 형태의 파장별 이득율을 능동적으로 얻을 수 있는 광 증폭기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 외부 환경의 변화에 능동적으로 대응하여 원하는 형태의 스펙트럼을 얻을 수 있는 광섬유 광원을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래기술의 예로서 수동형 파장필터를 사용하는 이득평탄화된 이단 광 증폭기의 구성도;

도 2는 종래의 일반적인 어븀첨가 광섬유 광 증폭기의 이득곡선을 나타낸 그래프;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기 및 광섬유 광원에 공통적으로 사용되는 광섬유 음향광학 파장가변필터의 구성도;

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 광 증폭기의 구성도;

도 5a 및 5b는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기의 파장가변필터에 전기신호를 인가하기 전과 후의 이득곡선을 나타낸 그래프들;

도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기에 사용된 파장가변필터의 손실곡선을 나타낸 그래프들;

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기에 대해 다양한 이득율 값에서 필터를 조절하여 얻어진 평탄화된 이득곡선들의 그래프;

도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기에 대해 다양한 이득율 값에서 필터를 조절하지 않을 경우 발생하는 이득경사를 나타낸 그래프;

도 8은 광이득 감지시스템을 채용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동·지능형 광 증폭기의 구성도;

도 9는 도 8의 광이득 감지시스템과는 다른 광이득 감지시스템을 채용한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 능동·지능형 광 증폭기의 구성도;

도 10은 본 발명의 또 다른 형태인 광섬유 광원의 구성도;

도 11은 본 발명의 또 다른 형태인 광섬유 광원으로부터 얻은 스펙트럼 저미어진 광출력을 나타낸 그래프이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광 증폭기는, 광이득을 줄 수 있는 이득매질과; 상기 이득매질을 펌핑하는 펌핑수단과; 상기 이득 매질에 광신호를 입사시키는 광 입사수단과; 파장에 따라 각각 가변되는 손실률 함수를 가지는 적어도 하나 이상의 파장가변필터를 구비함으로써 통과 광신호가 겪는 상기 전체 이득율 함수가 원하는 형태를 갖도록 하는 데 특징이 있다. 따라서, 특정 이득파장영역 내의 다중 파장 광신호를 원하는 전체 이득율 함수에 따라 증폭할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 이득매질로는 희토류 첨가 광섬유, 고출력 펌프광에 의한 라만 비선형 효과를 발생시켜서 신호광 증폭을 얻을 수 있는 광섬유 및 전류에 의해 펌핑되어 이득을 주는 반도체 증폭매질 중의 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.

특히, 상기 이득매질로서 1530㎚에서 1650㎚의 파장영역에서 광이득을 주는 어븀첨가 광섬유를, 상기 펌핑수단으로서 980㎚ 또는 1480㎚의 펌핑광을 주는 반도체 레이저를 각각 사용하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 이득매질이, 코어 크기, 유리재료, 이득매질의 농도 및 길이 중 어느 하나가 서로 다른 적어도 두 종류 이상의 이득광섬유의 연결로 이루어져 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 파장가변필터가 서로 다른 상기 이득광섬유 사이의 적어도 한 곳에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 이득광섬유의 적어도 한 곳 이상의 위치에 각각 특정 고정 손실률 함수를 갖는 적어도 하나 이상의 고정파장필터를 더 구비할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 상기 파장가변필터 각각에 손실률 함수를 제어하는 전기신호를 인가하기 위한 필터구동수단을 구비할 수도 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 전체 이득율 함수를 측정할 수 있는 이득감지수단과; 상기 이득감지수단에 의해 측정된 전체 이득율 함수로부터 원하는 형태의 전체 이득율 함수를 얻는데 필요한 가변손실률 함수를 계산하고, 계산된 가변손실률 함수를 상기 파장가변필터로부터 얻기 위해 상기 필터구동수단을 구동시키는 필터구동 되먹임 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 이득감지수단을, 상기 광 증폭기에 입사되는 각각의 광신호의 세기와 광 증폭기를 통과한 후의 광신호의 세기를 비교하여 각각의 광신호 파장에서의 이득율을 측정하는 장치로 구성할 수도 있으며, 상기 광 증폭기의 적어도 한 곳 이상의 위치에서 상기 광신호의 진행방향과 반대방향으로 발생하는 역방향 자발방출광의 파장별 세기를 측정함으로써 전체 이득율 함수를 얻는 장치로 구성할 수도 있다. 그리고, 상기 이득감지수단이, 상기 광증폭기 내부의 온도를 읽을 수 있는 온도계를 포함하고, 온도변화에 따른 상기 이득매질의 이득곡선변화와 상기 파장가변필터의 손실곡선변화를 고려하여, 광 증폭기의 전체 이득곡선이 원하는 형태를 가지도록, 상기 필터구동기에 되먹임 신호를 주는 장치를 포함할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 상기 파장가변필터의 가변손실률 함수는 상기 전체 이득율 함수가 상기 이득파장영역 내에서 파장에 따른 변화율이 최소가 되고 정해진 상수값에 근접하도록 제어될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 파장가변필터를 적어도 하나 이상의 광섬유 음향광학 파장필터로 구성하는 것이 바람직하다. 상기 각각의 광섬유 음향광학 파장필터는 코어 크기, 클래딩 크기 및 굴절률분포 중 어느 하나가 서로 다른 광섬유를 사용하여 구성될 수 있으며, 각각의 광섬유는 적어도 하나 이상의 코어모드와 적어도 하나 이상의 클래딩모드를 전파시킬 수 있도록 만드는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 필터구동수단이 모드결합 파장영역을 가변시키는 적어도 하나 이상의 주파수성분과 상기 모드결합의 세기를 가변시키는 적어도 하나 이상의 전압성분을 가지는 교류신호를 발생하며, 각각의 교류신호의 주파수와 전압을 능동적으로 제어할 수 있는 장치인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 각각의 파장가변필터에 인가되는 전기신호의 주파수가 0.1㎒에서 100㎒의 값을 가지며, 상기 파장필터에서 사용되는 음파의 파장이 1㎛에서 10㎜ 사이의 값을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 이득광섬유의 적어도 한 곳 이상의 위치에 적어도 하나 이상의 광 고립기를 더 구비하여도 좋다.

한편, 본 발명의 광섬유 광원은, 이득물질이 첨가되어 있는 소정 길이의 이득광섬유와; 상기 이득광섬유의 이득반전을 유도함으로써 자발방출광을 생성시키기 위한 광펌핑수단과; 상기 이득광섬유의 적어도 한 곳 이상에 위치하며, 파장에 따라 각각 가변하는 손실률 함수를 가지는 적어도 하나 이상의 파장가변필터와; 상기 파장가변필터 각각에 손실률 함수를 제어하는 전기신호를 인가하기 위한 필터구동수단을 구비함으로써 상기 이득광섬유에서 발생한 증폭자발방출광의 스펙트럼이 출력단에서 원하는 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유 광원에 있어서, 상기 이득광섬유의 적어도 한 곳 이상의 위치에 적어도 하나 이상의 고정파장필터를 더 구비하는 것이 바람직하며, 이 경우, 상기고정파장필터가 페브리-페로 필터로서, 출력광이 특정 주기의 파장 저미어진 스펙트럼을 갖도록, 상기 필터의 자유파장영역(Free Spectral Range)이 상기 증폭자발방출광의 전체 반치폭보다 좁고 특히 0.4㎚, 0.8㎚ 또는 1.6㎚의 값을 갖는 것이 더욱 바람직하다.

이하, 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 또한, 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기 및 광섬유 광원에 공통적으로 사용되는 광섬유 음향광학 파장가변필터의 구성도이다. 이 파장가변필터는 이득평탄화용으로 사용되는 것으로서, 도 3을 참조하면, 2개의 소자(AOTF1, AOTF2)가 일렬로 연결되어 있다. 필터구동기(210, 211)에서 발생한 교류 전기신호에 따라 음파를 발생시키는 음파발생기는 압전소자(200, 201)와 혼(horn; 203, 204)으로 구성된다. 발생된 음파는 단일모드 광섬유(220, 221)에 실리게 되며, 음파의 파장이 모드사이의 맥놀이 주기와 일치할 때 모드결합이 일어난다. 첫 번째 소자(AOTF1)에는 개구수가 0.11, 코어 지름이 9.2㎛, 클래딩 지름이 125㎛인 일반 통신용 단일모드 광섬유가 사용되었다. 음파가 진행하는 길이는 15㎝로서 신호발생기(rf1, rf2, rf3)에 의해 3개의 전기신호를 인가하여 각각 LP12, LP13, LP14 클래딩 모드로 결합시켰다. 필터링의 반치폭은 각각 3.3, 4.1, 4.9㎚였다. 두 번째 소자(AOTF2)에는 NA가 0.12, 코어 지름이 7.0㎛, 클래딩 지름이 100㎛, 차단파장이 1㎛ 부근인 광섬유가 사용되었다. 모드결합에 사용된 광섬유의 길이는 5㎝였고, 이 역시신호발생기(rf4, rf5, rf6)에 의해 3개의 전기신호를 인가하여 각각 LP11, LP12, LP13 클래딩 모드로 결합시켰다. 필터 반치폭은 각각 8.0, 8.6, 14.5㎚였다. 파장가변시 최대 반응속도는 주로 광섬유 길이에 의해 결정되는데, 두 소자의 경우 각각 95㎲, 25㎲였다. 선폭이 가는 첫 번째 소자(AOTF1)는 주로 1530㎚ 영역의 이득을 평탄화하는 데, 선폭이 넓은 두 번째 소자(AOTF2)는 1555㎚ 영역을 평탄화하는 데 각각 사용되었다. 두 소자의 기본 광손실은 주로 광섬유의 접속에 기인하는데 0.5㏈보다 작았다.

도 4는 도 3의 이득평탄화용 파장가변필터(300)와 신호발생기(310)을 사용한 단방향 이단 광 증폭기의 구성도이다. 어븀첨가 광섬유(320, 321)는 약 300ppm 농도의 어븀이 첨가된 것으로서, 1530㎚에서 약 2.5㏈/m의 흡수율을 나타내었다. 제1단 광섬유(320)의 길이는 10m로서, 잡음특성을 좋게 하기 위해 980㎚의 레이저 다이오우드(330)로 펌핑했다. 펌핑세기는 20㎽로서 1550㎚, -10㏈m의 광신호에 대해 이득이 10㏈ 이상이고, 잡음특성이 4㏈ 이상이 되도록 하였다. 제2단 광섬유(321)의 길이는 24m로서, 1480㎚의 레이저 다이오우드(331)로 펌핑했다. 역방향 자발방출광과 반사신호의 효과를 줄이기 위해 광고립기(340)을 사용하였다.

제작된 광 증폭기에 1547.4㎚의 DFB(Distributed FeedBack) 레이저를 포화신호로, LED(Light Emitting Diode) 광을 탐사광으로 각각 입사한 후, 증폭된 LED 빛과 자발방출광의 세기를 파장분석기를 사용하여 이득율과 잡음도를 측정하였다. 실시예에서는 입력 탐사광 세기는 1520㎚에서 1570㎚ 영역에서 -27㏈m으로서 자발방출광의 세기보다 3㏈ 이상 크며, 포화신호로 사용된 DFB 광의 세기 -13 에서 -7㏈m에 비해 훨씬 작도록 조절하여 측정오차를 최소화 하였다.

도 5a는 포화신호(DFB광) 크기가 -13㏈m일 때 이득평탄화 전(400)과 후(402)의 이득곡선이다. 평탄화 전은 필터에 전기신호를 인가하지 않았을 때이고, 평탄화 후는 이득곡선이 1528㎚에서 1563㎚사이의 35㎚ 영역에서 이득율이 22㏈ 상수값에서 편차가 최소화되도록 필터의 손실곡선을 조절했을 때이다. 도시된 화살표(410)는 포화신호파장을 나타낸다.

도 5b는 포화신호세기가 -7㏈m일 때 각각 이득평탄화 전(420)과 후(422)의 이득곡선이다. 이득율이 16㏈에서 평탄화되도록 필터의 손실곡선을 조절하였다.

도 6a 및 6b는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기에 사용된 파장가변필터의 손실곡선을 나타낸 그래프들로서, 이 파장가변필터는 포화신호의 크기가 각각 -13㏈m, -7㏈m일 때 사용된 것이다. 전체 손실곡선(450, 460)은 로그단위 그림에서 도 3의 첫 번째 소자(AOTF1)의 손실곡선(452,462)과 두 번째 소자(AOTF2)의 손실곡선(454,464)의 합으로 주어진다. 전술한 바와 같이, 첫 번째 소자(AOTF1)는 1530 nm 부근에서, 두 번째 소자(AOTF2)는 1555 nm에서 이득을 평탄화하는데 각각 사용되었다. 도 6a 및 6b에서 6개의 화살표는 6개의 교류신호에 의해 생성된 각각의 손실곡선의 중심파장을 나타낸다. 도 6a의 경우, 인가된 교류신호의 주파수와 전압은 50Ω의 출력임피던스로 측정할 경우, 2.0076㎒;10.04V, 2.4015㎒;9.96V, 2.9942㎒;23.2V, 1.0277㎒;15V, 1.5453㎒;9V, 2.3357㎒;17.2V 였고, 도 6b의 경우에는 2.0078㎒;4.74V, 2.3989㎒;7.58V, 2.9938㎒;14.02V, 1.0348㎒;20.02V, 1.5391㎒;13.2V, 2.3375㎒;15.8V였다. 음파발생기의 효율을 개선하고 직경이 더 작은 광섬유를 사용할 경우 구동전압을 1V 이하로 줄일 수 있다.

제작된 능동형 광 증폭기는 기존의 수동형 광 증폭기와는 달리 여러 동작조건에서 원하는 이득곡선을 얻는 데 사용될 수 있다. 이런 장점을 확인하기 위해 다음과 같은 실험을 하였다. 먼저 포화광세기가 -10 dBm 일 때 평탄화된 이득이 19 dBm이 되도록 필터의 손실곡선과 제2단의 펌프광세기를 조절하였다.

도 7a는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭기에 대해 다양한 이득율 값에서 필터를 조절하여 얻어진 평탄화된 이득곡선들의 그래프이며, 도 7b는 이와 반대로 필터를 조절하지 않을 경우 발생하는 이득경사를 나타낸 그래프이다.

도 7a를 참조하면, 곡선 500은 펌프광세기가 42㎽일 때 얻어진 평탄화된 이득곡선을 나타낸다. 증폭기의 이득율을 바꾸기 위해서는 펌프광 세기와 필터의 이득곡선을 다시 조절해야 한다. 곡선 502와 곡선 504는 각각 이득율이 22.5㏈, 16㏈이 되도록 펌프광 세기를 75㎽, 21㎽로 바꾸고 필터의 손실곡선을 조절했을 때의 평탄화된 이득곡선을 보여준다. 세 경우의 잡음도(510)는 1528㎚에서 1563㎚사이의 35㎚ 영역에서 모두 5㏈ 이하였다.

이와 같이 다양한 손실곡선을 줄 수 있는 필터를 사용하면, 넓은 범위의 이득율에서 모두 평탄화된 이득을 얻을 수 있다. 하지만, 기존에 사용되고 있는 수동형 파장필터는 특정 이득율에서 평탄이득을 주도록 설계되므로 이득율을 조절할 경우 더이상 평탄이득을 줄 수가 없다. 도 7b에 이 문제를 확인한 실험결과가 도시되어 있다. 먼저 펌프광이 42㎽일 때 평탄화된 이득율 19㏈을 얻도록 필터를 조절하였다. 그 다음 필터의 손실곡선은 변화시키지 않고 펌프광을 75㎽로 증가시켰을 경우 이득율 522는 전체적으로 증가하지만 더 이상 평탄하지 않고 35㎚의 영역에서 3㏈의 편차를 보인다. 또, 펌프광을 21㎽로 감소시키면 전체 이득율(524)은 감소하지만, 역시 35㎚의 영역에서 펌프광이 75㎽인 때의 이득율 522와는 반대 경사를 갖고 약 4㏈의 편차를 보인다. 이와 같이 이득경사가 생기는 것은 수동형 파장필터를 사용했을 때 예상되는 문제점으로서 기존의 수동형 광 증폭기의 한계점을 보여준다.

한편, 구동조건의 변화에 외부의 도움없이 대처할 수 있는 지능형 광 증폭기를 구현하기 위해서는 광 이득곡선이 원하는 모양과 일치하는지를 판단할 수 있는 이득감지 시스템이 필요하다. 도 8은 광이득 감지시스템을 채용한 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동·지능형 광 증폭기의 구성도이다. 상기 광이득 감지시스템은 입력광과 출력광의 스펙트럼을 비교하여 그 이득을 감지할 수 있다. 도 8을 참조하면, 제1단 증폭기와 제2단 증폭기는 각각의 펌프 레이저(604, 606), 파장분할 결합기 및 어븀첨가 광섬유(600, 602)로 이루어져 있다. 그 사이에 원하는 손실곡선을 줄 수 있는 능동형 파장가변필터(610)가 있다. 목적에 따라 능동형 파장가변필터(610)와 병행해서 특정한 손실곡선을 주는 수동형 파장필터를 동시에 사용할 수도 있다. 본 실시예에서 이득감지 시스템의 동작은 다음과 같다. 우선, 한쪽 방향에서 입력된 다중파장 광신호(620)의 일부가 수 % 이하의 작은 결합비를 갖고 파장의존성이 작은 광섬유 결합기(630)를 통해 회전가능 회절격자나 페브리-페로 필터 등의 파장필터(640)로 입사되고 이 파장필터(640)를 가변하면서 파장별 광세기를 광검출기(650)를 통해 측정한다. 제1단 증폭기와 제2단 증폭기에서 증폭된 광신호도 역시 수 % 정도의 결합비를 갖는 파장의존성이 작은 광섬유 결합기(631), 파장필터(641) 및 광검출기(651)를 차례로 거쳐 그 파장별 광세기가 측정된다. 측정한 입력, 출력 광세기를 비교하여 파장별 광이득, 즉 이득곡선을 얻고 원하는 이득곡선과 비교하여 필요한 펌핑광의 세기와 필터의 손실곡선을 제어기(660)에서 계산한다. 이 계산결과에 따라 각각의 펌프 레이저(604, 606)와 필터구동기(670)를 구동한다. 이러한 자기 되먹임 회로를 통해 1㎳ 이내의 반응속도를 가지고 외부 조건에 대응하여 원하는 이득곡선을 얻는 능동형, 지능형 광 증폭기를 구현할 수 있다.

도 9는 도 8의 광이득 감지시스템과는 다른 광이득 감지시스템을 채용한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 능동·지능형 광 증폭기의 구성도이다. 이는 기본적으로 도 8의 구성과 유사하지만, 입력단 측의 광 결합기(680), 파장필터(640) 및 광 검출기(650)를 통하여 역방향 자발방출광의 스펙트럼을 구하고, 잘 알려진 증폭기 모델링 식을 이용하여 이득곡선을 얻고 원하는 이득곡선과 비교하여 필요한 펌핑광의 세기와 필터의 손실곡선을 제어기(660)에서 계산한다. 도 8의 경우와 마찬가지로, 이 계산결과에 따라 각각의 펌프 레이저(604, 606)와 필터구동기(670)를 구동한다.

또한, 도 8, 또는 도9의 광이득 감지시스템이 광증폭기 내부의 온도를 감지하는 온도계를 추가로 포함하여, 어븀첨가광섬유 이득곡선의 온도의존성이나 파장가변필터의 온도의존성을 보상하여 온도변화에도 불구하고 광 증폭기 전체 이득곡선이 원하는 형태를 유지하도록 할 수도 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 형태인 광섬유 광원의 구성의 한 예이다. 이 광섬유 광원은 전술한 광 증폭기와 유사한 구조를 가지지만 별도의 입사 광신호가 없이 펌핑된 이득광섬유에서 발생하는 증폭자발방출광을 이용하여 능동적으로 광출력 스펙트럼을 재단할 수 있다는 차이점을 갖는다.

어븀첨가 광섬유를 사용하는 경우 광출력으로 1550㎚를 중심으로 30㎚ 이상의 넓은 파장폭을 갖는 스펙트럼을 얻을 수 있다. 도 10을 참조하면, 이단 증폭기와 유사하게 이득광섬유가 두 부분으로 나뉘어져 있고, 제1단 광섬유(700)와 제2단 광섬유(701) 모두 더 높은 광세기를 얻기 위해 광 펌핑수단(710, 711)에 의해 역방향으로 펌핑이 된다. 제1단 광섬유(700)의 한쪽 끝은 각진 클리빙(720)을 하여 반사가 없도록 하고 다른 쪽 끝은 파장가변필터(730)를 거쳐 제2단 광섬유(701)와 연결되어 있다. 제2단 광섬유(701)의 다른 쪽 끝에 광고립기(740)를 두어 외부로부터의 광 피드백을 막도록 한다. 파장가변필터(730)와 더불어 중간 광고립기(741)을 두어 제2단에서 발생하여 제1단으로 진행하는 역방향 증폭자발방출광을 막아 순방향 광출력(750)을 높일 수 있다. 필요에 따라 고정파장필터(760)를 추가로 설치할 경우, 더욱 다양한 모양의 광출력 스펙트럼을 얻을 수 있다. 예를 들어, 자유파장간격이 0.8㎚ 또는 1.6㎚이고 피네스(Finesse)가 10 이상인 페브리-페로 필터를 고정파장필터(760)로 사용하여 파장분할 광통신의 광원으로 사용할 수 있는 스펙트럼 저미어진(spectrum sliced) 광출력을 얻을 수 있다. 또한, 필터구동기(735)를 조절하여 스펙트럼 저미어진 광스펙트럼의 각 파장채널별 광세기를 원하는 값이 되도록 만들어 줄 수 있다. 예를 들어, 이어지는 통신시스템이 주는 파장별 광손실 또는광이득이 채널마다 다른 경우에 미리 광원의 채널별 광세기를 조절하여, 광손실이 큰 채널에는 더 큰 광세기를, 광손실이 작은 채널에는 작은 광세기를 공급함으로써 채널별 신호 대 잡음 특성을 최적화 할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 형태인 광섬유 광원으로부터 얻은 스펙트럼 저미어진 광출력의 대표적인 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 11을 참조하면, 수십 ㎚의 파장영역에서 채널별 광세기가 평탄화된 결과를 볼 수 있다.

상기한 본 발명의 능동형 광 증폭기를 사용하면, 파장분할 방식의 광통신 시스템 등의 여러 구동조건에서 원하는 형태의 다양한 이득곡선을 얻을 수 있다. 예컨대, 원하는 이득곡선이 평탄화된 형태일 경우에, 입력광의 세기변화에 따른 스펙트럼 홀 버닝(hole burning) 효과, 주변온도변화 등에도 불구하고 일정한 이득율을 유지할 수도 있으며, 광통신망 재구성을 통해 이득율 값이 변화할 경우에도 이득평탄도를 유지할 수 있다. 여러 개의 증폭기로 구성되는 광선로의 경우에는 모든 증폭기를 능동형 증폭기로 사용할 수도 있고, 경우에 따라 기존의 수동형 증폭기 수 대마다 한 대씩 능동형 증폭기를 사용할 수도 있다. 또한, 광원과 광선로 사이에서 전단(前段) 증폭기로 사용되고 광선로가 파장마다 광손실 또는 광이익이 고르지 않을 경우, 광선로에 입사되는 파장별 광세기를 전단 증폭기에서 조절하여, 광선로의 광손실이 큰 파장은 약한 광세기로, 광손실이 작은 파장은 센 광세기로 각각 입사시켜서 파장별 신호 대 잡음비를 최적화하는데 응용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 출력 스펙트럼을 변화시킬 수 있는 광섬유광원은 외부 환경의 변화에 능동적으로 대응하여 일정한 스펙트럼을 유지할 수 있어, 예를 들어 광섬유 자이로스코프, 백색광간섭계, 또는 파장분할 광통신용 소자 특성분석에 응용될 수 있다. 또한, 주기적인 투과율을 갖는 스펙트럼 저미어진 광원으로서 파장분할 광통신 시스템의 광원으로도 사용될 수 있다. 이 경우 각 파장채널의 광세기를 원하는 형태로 제어하여 광선로가 갖는 파장별 광손실을 보상하여 최대의 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다.

Claims (19)

1. 특정 이득파장영역 내의 다중 파장 광신호를 파장에 따른 전체 이득율 함수에 따라 증폭하는 광 증폭기에 있어서,

   이득물질이 첨가되어 있으며, 증폭될 광신호를 통과시키는 이득매질과;

   상기 이득매질 내의 이득물질의 이득반전을 유도하기 위한 펌핑수단과;

   상기 이득 매질에 광신호를 입사시키는 광 입사수단과;

   상기 이득매질의 적어도 한 곳에 위치한 적어도 하나 이상의 파장가변필터와;

   상기 파장가변필터의 각각에 대해 손실율 함수를 결정하는 전기신호를 인가하는 필터구동수단;을 구비하여,

   상기 각각의 파장가변필터는 파장에 따른 가변손실율 함수를 갖고, 각각의 손실율 함수를 상기 전기신호로 제어하여 상기 광 증폭기를 통과한 광신호가 겪는 상기 전체 이득율 함수가 원하는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 이득매질이 희토류 첨가 광섬유, 라만 비선형 효과를 통해 광이득을 주는 광섬유, 반도체 증폭매질 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
3. 제1항에 있어서, 상기 이득매질이 1530㎚에서 1650㎚의 파장영역에서 광이득을 주는 어븀첨가 광섬유이며, 상기 펌핑수단으로서 980㎚ 또는 1480㎚의 펌핑광을 주는 반도체 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 광증폭기.
4. 제1항에 있어서, 상기 이득매질이, 코어 크기, 유리재료, 이득매질의 농도 및 길이 중 어느 하나가 서로 다른 적어도 두 종류 이상의 이득광섬유의 연결로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
5. 제 1항에 있어서, 파장에 따라 고정된 손실률 함수를 갖는 적어도 하나 이상의 고정파장필터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
6. 제1항에 있어서, 상기 전체 이득율 함수를 측정할 수 있는 이득감지수단과;

   상기 이득감지수단에 의해 측정된 전체 이득율 함수로부터 원하는 형태의 전체 이득율 함수를 얻는데 필요한 가변손실률 함수를 계산하고, 계산된 가변손실률 함수를 상기 파장가변필터로부터 얻기 위해 상기 필터구동수단을 구동시키는 제어기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
7. 제6항에 있어서, 상기 이득감지수단이, 상기 광 증폭기에 입사되는 각각의 광신호의 세기와 광 증폭기를 통과한 후의 광신호의 세기를 비교하여 각각의 광신호 파장에서의 이득율을 측정하는 장치인 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
8. 제6항에 있어서, 상기 이득감지수단이, 상기 광 증폭기의 적어도 한 곳 이상의 위치에서 상기 광신호의 진행방향과 반대방향으로 발생하는 역방향 자발방출광의 파장별 세기를 측정함으로써 전체 이득율 함수를 얻는 장치인 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
9. 제6항에 있어서, 상기 제어기가, 상기 광 증폭기 내부의 온도를 읽을 수 있는 온도검출수단과, 온도변화에 따른 상기 이득매질의 이득곡선변화와 상기 파장가변필터의 손실곡선변화를 고려하여, 광 증폭기의 전체 이득곡선이 원하는 형태를 가지도록, 상기 필터구동기에 되먹임 신호를 주는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
10. 제6항에 있어서, 상기 각각의 파장가변필터의 가변손실률 함수는, 상기 전체 이득율 함수가 상기 이득파장영역 내에서 파장에 따른 변화율이 최소가 되고 정해진 상수값에 근접하도록, 제어되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
11. 제1항에 있어서, 상기 파장가변필터가 광섬유 음향광학 파장필터인 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
12. 제11항에 있어서, 상기 각각의 파장가변필터가 코어 크기, 클래딩 크기 및 굴절률분포 중 어느 하나가 서로 다른 광섬유를 사용하여 구성되며, 각각의 광섬유는 적어도 하나 이상의 코어모드와 적어도 하나 이상의 클래딩모드를 전파시키는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
13. 제1항에 있어서, 상기 파장가변필터가 광섬유 음향광학 파장필터이며, 상기 필터구동수단이 적어도 하나 이상의 교류신호를 발생하며, 각각의 교류신호의 주파수와 전압을 능동적으로 제어할 수 있는 장치인 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
14. 제13항에 있어서, 상기 각각의 파장가변필터에 인가되는 전기신호의 주파수가 0.1㎒에서 100㎒ 사이의 값을 가지며, 상기 파장필터에서 사용되는 음파의 파장이 1㎛에서 10㎜ 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
15. 제1항에 있어서, 적어도 하나 이상의 광 고립기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
16. 이득물질이 첨가되어 있는 소정 길이의 이득광섬유와;

    상기 이득광섬유의 이득반전을 유도함으로써 자발방출광을 생성시키기 위한 광펌핑수단과;

    상기 이득광섬유의 적어도 한 곳 이상에 위치하며, 파장에 따라 각각 가변하는 손실률 함수를 가지는 적어도 하나 이상의 파장가변필터와;

    상기 파장가변필터 각각에 손실률 함수를 제어하는 전기신호를 인가하기 위한 필터구동수단을 구비함으로써 상기 이득광섬유에서 발생한 증폭자발방출광의 스펙트럼이 출력단에서 원하는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.
17. 제16항에 있어서, 상기 이득광섬유의 적어도 한 곳 이상의 위치에 적어도 하나 이상의 고정파장필터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.
18. 제17항에 있어서, 상기 고정파장필터가 페브리-페로 필터로서, 출력광이 특정 주기의 파장 저미어진 스펙트럼을 갖도록 상기 페브리-페로 필터의 자유파장영역이 상기 증폭자발방출광의 전체 반치폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.
19. 제18항에 있어서, 상기 자유파장영역이 0.4㎚, 0.8㎚ 및 1.6㎚ 중에서 선택된 어느 하나의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.