KR100353974B1 - 레이져,광증폭기및증폭방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이져, 낮은 잡음 및 높은 이득을 갖는 광 증폭기, 및 증폭 방법에 관한 것으로서, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질은 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 크리스탈, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택되며, 상기 Er3+이온은 적어도 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위중의 한 파장으로 여기상태가 되고, 레이져 또는 광 증폭기에는 이 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질이 포함되어 있다. 또한, 광 증폭 방법은 상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 갖는 광 증폭기를 사용하여 광 증폭을 수행하여, 광 통신 분야내에 상기 광 증폭기가 적용될 수 있고, 상기 광 증폭 방법이 제공될 수 있는데, 상기 광 증폭기는 낮은 잡음 및 높은 이득을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

레이져, 광 증폭기 및 증폭 방법{LASERS, OPTICAL AMPLIFIERS, AND AMPLIFICATION METHODS}
본 발명은 레이져, 저잡음 및 고이득의 특성을 갖는 광 증폭기 및 증폭방법에 관한 것이다. 최근 몇 년 사이에 희토류로 도핑된 코어를 가지는 광섬유가 증폭매체로서 제공되는 광 증폭기가 광통신 분야에서의 응용을 위해 계속 개발되고 있다. 특히 에르븀(Er3+)-도핑된 섬유 증폭기(EDFA)가 개발되었고, 광통신 시스템에 EDFA를 보다 많이 적용하기 위한 개발 노력이 행해지고 있다.
최근 파장 분할 다중화(WDM)기술은 미래에 예측되는 통신 서비스의 변화에 대응하기 위해 광범위하게 연구되고 있다. WDM 기술은 전송량의 확대를 가져오는 이용가능한 전송매체의 효율적인 사용을 위해 파장을 다중화하는 시스템을 사용하는 광통신 기술이다. WDM 기술에 적용된 EDFA에서 요구되는 특성중의 하나는 신호 파장에 대하여 증폭 이득의 변화가 적어야 한다. 그 이유는 다단 구성의 EDFA를 통과함으로써 과도기적으로 증폭된 광신호들 사이에 전력차이가 존재하여 사용되는 모든 파장에서 유지되는 일정한 특성으로 신호 전송을 실행하기 어렵게 만들기 때문이다. 따라서 최근 소정 파장에 대하여 균일한 이득 영역을 보여주는 EDFA가 당업자에 의해 연구되고 있다.
가장 가능성 있는 EDFA 후보로서 에르븀(Er3+)-도핑된 플루오르화물 섬유 증폭기(F-EDFA)가 주목되고 있고, 이 플루오르화물계 섬유는 Er3+의 호스트로서 사용된다. F-EDFA는 1.55㎛의 파장대에서 플루오르화물 유리내의 Er3+이온의4I13/2준위로부터4I15/2준위로의 천이에 의해 야기된 방사 스펙트럼으로 특징이 지워진다.
도 1은 F-EDFA의 통상적인 진폭 자발방사(ASE) 스펙트럼을 보여준다. 도 1은 또한 Er3+-도핑된 실리카 유리 섬유(S-EDFA)의 ASE 스펙트럼을 보여준다. 도 1에 도시된 바와 같이, F-EDFA의 방사 스펙트럼(도 1에서 실선)은 S-EDFA의 방사 스펙트럼(도 1에서 점선)보다 넓다. 게다가 F-EDFA의 응답 곡선은 S-EDFA보다 완만하며, 상단에서 소정 파장 영역내의 파장에 따른 급격한 부분이 없이 편평하다(1996년, M. 야마다외 다수의 IEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, 882-884페이지). 또한, 파장 분할 다중화는 다단 F-EDFAs를 사용하여 실험이 실행되었고, 예를 들어 980㎚ 여기된 S-EDFA와 1480㎚ 여기된 F-EDFA를 가지는 캐스케이드(cascade) 구성이 있다(1996년, M. 야마다외 다수의 IEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, 620-622페이지).
이러한 개발 노력에도 불구하고, F-EDFA는 다음과 같은 이유 때문에 S-EDFA에서 관찰되는 것만큼 잡음지수(NF)를 줄일 수 없다는 문제를 가지고 있다.
도 2는 Er3+의 에너지 준위도이다. EDFA가 증폭매체로서 실리카 광섬유를 사용할 때(즉, S-EDFA의 경우에) 포논(phonon) 에너지는 1,100㎝-1의 값을 가지며,이에 따라4I13/2준위와4I15/2준위 사이의 바람직한 포퓰레이션(population) 반전이, 0.98㎛의 여기광에 의해4I11/2준위까지 여기된 후 보다 높은 에너지 준위로부터4I13/2준위까지의 포논 방사 완화의 결과로 발생하는4I13/2준위까지 효율적인 여기에 의해 형성될 수 있다(도 2의 (A)). 결과적으로 S-EDFA는 잡음지수(NF)를 양자 한계(3㏈)에 가까운 약 4㏈까지 줄일 수 있다. 반면에 F-EDFA는 그 낮은 포논 에너지 때문에4I15/2준위로부터4I11/2로의 천이를 사용하여4I13/2로의 여기를 실행할 수 없다. 다시 말하면, F-EDFA는 S-EDFA의 포논 에너지의 약 1/2인 500㎝-1의 포논 에너지를 가지며, 따라서4I11/2준위로부터4I13/2준위로의 포논 방사 완화를 가져오기가 어렵고, 0.98㎛의 여기광에 의해 증폭 이득을 얻기 어렵다. 따라서 이 경우에 1.55㎛의 파장에서 증폭 이득은 약 1.48㎛의 여기 파장을 갖는 광을 사용하여4I15/2준위로부터4I13/2준위로 직접 여기함으로써 얻어진다(도 2의 (B)). 그러나, 이러한 종류의 여기는 그라운드 에너지 준위에서 보다 높은 에너지 준위로의 초기 여기이며, 따라서 보다 높은 에너지 준위에서의 Er3+이온의 수가 보다 낮은 에너지 준위에서의 수를 초과하는 바람직한 포퓰레이션 반전을 형성하기 어려워서, 높은 NF를 발생시킨다(즉, 6-7㏈).
따라서 S-EDFA와 비교하여 적당한 잡음 특성을 갖는 종래의 F-EDFA는 구현되지 않았다.
본 발명의 목적은 종래의 F-EDFA와 관련된 상기와 같은 문제(즉, 높은 잡음지수)를 해결하고, 레이져, 저잡음, 고이득의 특성을 갖는 광 증폭기 및 증폭 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 F-EDFA의 통상적인 진폭 자발방사(ASE) 스펙트럼을 도시하는 도면;
도 2는 종래의 S-EDFA(A)와 F-EDFA(B)에 대한 Er3+의 에너지 준위도;
도 3은 파장과4I15/2준위와4I11/2준위사이의 에너지상태에 대한 흡수 또는 방사단면적과의 관계를 도시하는 그래프;
도 4는 본 발명의 F-EDFA에 대한 Er3+의 에너지준위도;
도 5는 본 발명에 따른 Er3+가 도핑된 ZrF4계 플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기의 개략적인 블럭도;
도 6은 도 5의 Er3+가 도핑된 ZrF4계 플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기에 대한 여기 파장과 신호이득 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광 증폭기의 개략블럭도;
도 8은 본 발명의 레이져와 광 증폭기에 적용되는 Er3+의 에너지 준위도이고, (A),(B),(C) 및 (D)는 Er3+의 서로 다른 여기방식을 도시하는 도면;
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광 증폭기의 개략 블럭도;
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 레이져의 개략 블럭도;
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 레이져의 개략 블럭도;
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광 증폭기의 개략 블럭도;
도 13은 여기 파장과4S3/2준위의 여기밀도와의 관계를 도시하는 그래프;
도 14는 파장과4S3/2준위와4I13/2준위사이의 에너지상태에 대한 흡수 또는 방사단면적과의 관계를 도시하는 그래프;
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광학 도파관의 형태를 가진 광 증폭기의 주요부를 도시하는 사시도; 및
도 16은 Er3+이온중 상호작용에 관계되는 Er3+의 에너지준위도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 16 : 광 아이솔레이터 3, 5, 11, 12, 19 : 광원
4, 15 : 광 섬유 13, 14 : 광 커플러
17 : 공명 거울 110 : 코어부
111 : 클래드부(cladding portion) 112 : 기판부
본 발명의 제 1 측면에서, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 방법에 있어서,
0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 범위중 적어도 한 파장의 광으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 단계를 포함하고,
상기 광 증폭매체는 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납계 유리중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법을 제공한다.
여기서, 상기 광 증폭매체는 섬유 형태일 수 있다.
본 발명의 제 2 측면에서, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기에 있어서,
상기 광 증폭매체는 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납계 유리중에서 선택되고,
상기 Er3+이온은 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 파장 범위중 적어도 한 파장의 광에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기가 제공된다.
상기 광 증폭매체는 섬유 형태일 수 있다.
상기 광증폭기는4I15/2준위에서4I13/2준위로의 여기를 위한 광원을 더 구비할 수 있다.
본 발명의 제 3 측면에서, Er3+이온으로 도핑되고, 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납계 유리중에서 선택된 광 증폭매체; 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 파장 범위의 발진 파장으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 광원; 및4I13/2준위까지의 여기를 위한 광원을 갖는 광 증폭기를 이용한 광 증폭방법에 있어서,
상기 광 증폭매체로 신호광을 입사시키는 방향과 같은 방향으로, 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 파장 범위의 발진 파장으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 광원으로부터 방사되는 여기광을 상기 광 증폭매체로 입사시키는 단계; 및
상기 여기광의 반대 방향으로,4I13/2준위까지 여기시키기 위한 광원으로부터 방사되는 광을 상기 광 증폭매체로 입사시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기를 이용한 광 증폭방법을 제공한다.
여기서, 상기 광 증폭매체는 섬유 형태일 수 있다.
본 발명의 제 4 측면에 따르면, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체 및 상기 광 증폭매체의 여기를 위한 여기 광원을 가지며,4I13/2준위에서4I15/2준위까지의 Er3+이온의 유도 방사(放射)를 이용하는 레이져에 있어서,
상기 여기 광원은 각각 다른 파장의 광을 방사하는 적어도 제 1 광원 및 제 2 광원을 포함하고,
상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온을4I13/2준위까지 유도 완화하기 위해 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하는 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져가 제공된다.
여기서 상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 제 2 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위 및4F9/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 레이져는 또한 제 3 광원을 구비하고, 여기서
상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4S3/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되고,
상기 제 2 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되며,
상기 제 3 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공된다.
상기 제 1 광원은 0.82㎛ 내지 0.88㎛ 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있고,
상기 제 2 광원은 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 파장에서 광을 방사하기 위한광원으로서 제공될 수 있다.
Er3+이온으로 도핑된 상기 광 증폭매체는 Er3+이온으로 도핑된 플루오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 텔루르화물 섬유 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 결정의 그룹에서 선택될 수 있다.
본 발명의 제 5 측면에서,
Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체;
상기 광 증폭매체로 1.5㎛의 파장의 신호광을 유도하고, 분리하는 수단; 및
상기 광 증폭매체의 여기를 위한 여기 광원을 적어도 구비하며,
상기 여기 광원은 서로 다른 파장의 광을 방사하는 적어도 제 1 광원 및 제 2 광원을 포함하고,
상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온을4I13/2준위까지 유도 완화하기 위해 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
여기서, 상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 제 2 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위 및4F9/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 광 증폭기는 제 3 광원을 더 구비하고, 여기서
상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온을4I13/2준위까지 유도 완화하기 위해 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4S3/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되고,
상기 제 2 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되며,
상기 제 3 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공된다.
상기 제 1 광원은 0.82㎛ 내지 0.88㎛의 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되고, 상기 제 2 광원은 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 제 2 광원은 Er3+이온의4I15/2준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
Er3+이온으로 도핑된 상기 광 증폭매체는 Er3+이온으로 도핑된 플루오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 텔루르화물 섬유, 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 결정의 그룹에서 선택될 수 있다.
본 발명의 제 6 측면에서, 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하는 광 증폭기에 있어서,
상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 적어도 하나의 광, 상기 Er3+이온의4I15/2준위와 상기4I11/2준위보다 더 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 적어도 하나의 광, 및4I13/2준위에서4I15/2준위로의 유도 방사 천이에 의해 증폭되는 적어도 하나의 광을, 동일한 방향으로부터 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭매체로 입사시키는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
바람직하게는, 신호광과는 파장이 다르고 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4I15/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광이 상기 동일한 방향과 다른 방향으로부터 상기 증폭매체로 입사될 수 있다.
본 발명의 제 7 측면에서, 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하는 광 증폭방법에 있어서,
상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광, 상기 Er3+이온을4I13/2준위까지 유도 완화하기 위해 상기 Er3+이온의4S3/2준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광, 및4I13/2준위에서4I15/2준위로의 유도 방사 천이에 의해 증폭되는 광을, 동일한 방향으로부터 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭매체로 입사시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하는 광 증폭방법이 제공된다.
여기서, 신호광과는 파장이 다르고 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4I15/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광이 상기 동일한 방향과 다른 방향으로부터 상기 증폭매체로 입사될 수 있다.
본 발명의 제 8 측면에서, 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하는 광 증폭방법에 있어서,
상기 Er3+이온을4I13/2준위까지 유도 완화하기 위해 0.82㎛ 내지 0.88㎛ 의파장의 광, 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 파장의 광, 및4I13/2준위에서4I15/2준위로의 유도 방사 천이에 의해 증폭되는 광을, 동일한 방향으로부터 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭매체로 입사시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하는 광 증폭방법이 제공된다.
본 발명에 따른 각각의 레이져, 광 증폭기 및 증폭방법은 다음의 이유 때문에 그라운드 준위로부터4I11/2준위로의 여기를 위해 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만 범위의 파장인 적어도 하나의 여기광을 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 여기 파장과4I15/2준위와4I11/2준위사이의 에너지상태에 대한 단면적(도면에서, 실선은 흡수단면적, 점선은 유도 방사단면적)과의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 약 980㎚ 이상의 파장영역에서 유도 방사단면적(점선)은 흡수단면적(실선)보다 더 커지기 시작한다. 따라서.4I11/2준위로부터4I15/2준위로의 유도 방사 천이는 그 파장 영역에서4I15/2준위로부터4I11/2준위로의 흡수 천이에 비해 더욱 강하게 되어,4I11/2준위로의 여기가 효과적으로발생할 수 없다. 대안으로, 도 3에서 명확하게 도시된 바와 같이4I11/2준위로의 여기는 980㎚보다 더 짧은 파장으로 여기하는 것에 의해 효과적으로 달성될 수 있다. 이 경우에, 반면4I11/2준위로부터4F7/2준위로의 여기 ESA(Excited State Absorption)가 일어날 가능성이 더욱 높다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이4I13/2로의 여기는4F7/2준위로부터4I13/2준위까지의 완화 단계 때문에 결국 달성될 수 있다.
(제 1 실시예)
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 Er3+가 도핑된 ZrF4계 플루오르화물 섬유를 갖는 광 증폭기의 기본구성을 도시한다. 더욱 상세한 설명을 위해, 상기 섬유의 (신호 이득에 대한 여기 파장 종속성을 나타내는) 여기 스펙트럼이 도 6에 도시되어 있다.
광 증폭기는 2개의 광 아이솔레이터(1, 2), 여기 광원(3) 및 광 아이솔레이터(1, 2)사이에 끼워진 Er3+가 도핑된 ZrF4계 플루오르화물 섬유(4)를 포함한다. 이 실시예에서, 섬유(4)는 길이가 25m이며, 1㎛의 차단 파장을 가지며, 그 코어내의 Er3+도핑 농도는 200ppm이다. 따라서, 이 실시예에 있어서 신호파장은 1530㎚, 입력신호 전력은 -30dBm 및 여기광 전력은 60mW이다.
전술한 광 증폭기 구성에 따라 970㎚의 여기 파장에서 최대 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 980㎚의 여기 파장에서는 네거티브 이득이 관측된다. 이 파장은 Er3+이온을4I11/2준위로 여기하기 위해 사용된 종래의 파장이기 때문에 본 발명자들은 980㎚의 여기 파장에서 상기 이득을 얻을 수 없다는 것을 인지하였다. 따라서, 960㎚ 이상 980㎚ 미만의 범위, 바람직하게는 약 970㎚의 근처의 파장이 Er3+이온을4I11/2준위로 여기시켜 이득을 얻기에 효과적이다.
그리고, 상기 섬유(4)의 증폭 특성은 970㎚의 파장에서의 여기광을 사용하는 순방향 여기에 의해 조사되었다(즉, 광원(3)에 의해 섬유(4)의 상류측으로부터 섬유(4)로 여기광이 입사된다). 이러한 경우, 광섬유(4)로 입사되는 입력신호 전력은 -30㏈m이 된다. 여기광 전력이 132mW이면 1.53㎛의 파장에서 얻어진 이득은 30dB이며, 잡음 지수(NF)는 4.5dB이다. 또한, 파장이 1.55㎛이면 NF는 3.5dB이다. 상기 섬유(4)가 1.48㎛의 파장을 갖는 여기광에 의해 여기되는 경우, NF의 개선정도는 5dB 또는 그 이상인 1.55㎛에서의 NF를 기준으로 1.5dB 또는 그 이상이 된다. 추가로, 본 발명자들은 여기광의 파장이 960㎚ 이상 980㎚ 미만의 범위에 있을 때 1.48㎛에서의 여기와 비교하여 NF가 개선(감소)된다는 것을 확인하였다. 더우기, NF는 960㎚ 이상 980㎚ 미만 범위의 2개 이상의 파장을 사용하는 여기에 의해 개선되었다.
(제 2 실시예)
1530㎚ 내지 1560㎚ 범위의 서로 다른 8개의 파장의 WDM신호를 도입하여 NF를 측정하기 위해 제 1 실시예와 동일한 광 증폭기가 본 실시예에 사용되었다. 광 증폭기로 입사된 입력신호 전력은 1 파장당 -20dBm이다. 여기가 970㎚의 여기 파장을 사용하여 150mW의 전체 여기광 전력으로 실행되는 경우, 1530㎚ 내지 1560㎚ 범위의 파장의 WDM 신호를 도입하는 것에 의해 관측된 NF는 5dB 또는 그 이하이다.
(제 3 실시예)
이 실시예에 있어서, 광 증폭기의 증폭특성은 아래 설명을 제외하고는 제 2 실시예와 동일한 WDM 신호를 사용하여 평가되었다. 이 실시예에 있어서, 광 증폭기는 섬유(4)로 서로 다른 여기광을 입사시키기 위해 양방향 여기방법이 사용된 것을 제외하고는 제 1 실시예 또는 제 2 실시예와 동일하다. 상기 방법은 전방(즉, 신호광과 동일한 방향에서 섬유(4)의 상류측)으로부터 960㎚ 이상 980㎚ 미만의 파장범위의 여기광을 인가하는 단계와, 후방(즉, 섬유(4)의 하류측)으로부터 1480㎚ 파장의 여기광을 동시에 인가하는 단계로 이루어진다.
도 7은 광 증폭기의 구성을 도시하고 있다. 도 5의 광 증폭기의 구성과 비교하면,4I13/2준위로의 여기를 위한 추가 광원(5)이 광 증폭기내에 설치되고 Er3+가 도핑된 플루오르화물 섬유(4)의 하류측에 위치된다. 전방용 여기광 전력이 50mW인반면, 후방용 여기광 전력은 100mW 내지 150mW의 범위에 있다. 추가로, 광 증폭기는 1530㎚ 내지 1560㎚의 파장에 대해 5dB 또는 그 이하의 NF를 나타내어 상기 신호파장에 대해 2dB 또는 그 이하의 이득 편차를 허용한다.
(제 4 실시예)
전술한 제 1 실시예 내지 제 3 실시예 각각에서, 그 증폭매체로서 Er3+가 도핑된 ZrF4계 플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기의 증폭 특성을 구하였다. 이 실시예에서는 광 증폭기를 제조하기 위해, Er3+의 호스트로서의 증폭매체가 ZrF4계 플루오르화물 섬유 대신에 InF3계 플루오르화물 섬유, 칼로겐화물 유리계 섬유, TeO2계 섬유 및 PbO계 섬유의 그룹으로부터 선택된다. 상기 섬유중의 하나를 갖는 광 증폭기는 그 증폭특성을 구하기 위해 제 1 실시예 내지 제 3 실시예와 같이 실험되었다. 그 결과, 증폭매체로서 전술된 섬유중의 하나를 갖는 광 증폭기는 5dB 또는 그 이하의 NF를 나타낸다.
따라서 전술한 바와 같이, 제 1 실시예 내지 제 4 실시예는 (당업자가 부적당한 것으로 인식하고 있는) 플루오르화물 섬유와 같은 적외선 통과 섬유가 Er3+의 호스트로서 사용되는가에 상관없이 저잡음 증폭을 실현할 수 있는4I11/2준위로의 여기에 의한 1.55㎛ 대역의 증폭을 허용한다. 그 결과, 폭넓은 증폭대역폭과 저잡음과 함께 균일한 이득의 특성을 갖는 광 증폭기를 얻을 수 있다. 따라서, 얻어진 광 증폭기는 그 전송량을 증가시키고 시스템 구성의 다양화를 제공하기 위해 통신 시스템에 적용될 수 있어서, 광통신의 폭넓은 분포, 그 제조비용의 상당한 절감 등을 실현할 수 있다.
(제 5 실시예)
본 실시예의 광 증폭기는4I13/2준위와 상위 준위간의 차이에 해당하는 제 3 광으로서의 적어도 하나의 광을 여기광 및 신호광에 부가하여 Er3+도핑된 섬유로 안내하기 위해 구성되어 있다. 본 실시예에 인가될 Er3+이온의 에너지 준위를 도 8을 참고하여 자세하게 설명하도록 하겠다. 도 8에서, 각각의 에너지 준위로의 Er3+이온의 각각의 여기 방법을 설명하기 위해 (A) 에서 (D)가 도시되어 있다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이,4I11/2준위에서4F7/2준위까지 천이에 의한, 여기광의 여기 상태 흡수(여기 ESA)는 Er3+이온이 0.98㎛ 여기광에 의해 여기될 때 발생하여, 그 결과4F7/2준위로 여기된다. 그러면4F7/2준위에서4S3/2준위로 포논 방사 완화(phonon emitted relaxation)가 발생한다. 이것은 Er3+이온의 일부분이4S3/2준위로 여기되었음을 의미한다. 만일4S3/2준위에서4I13/2준위까지의 유도 방사가 0.85㎛ 파장에서4S3/2준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 광을 증폭기로 입사함으로써 발생한다면,4S3/2준위의 포퓰레이션 밀도가 감소될 수 있는 반면,4I13/2준위의 여기상태 밀도가 증가할 수 있다. 따라서, 도 8의 (A)에서 볼 수 있듯이, 광 증폭기의 이득 효율은4I13/2준위(즉, 상위 에너지 준위)에서의 Er3+이온수가4I15/2준위(즉, 하위 에너지 준위)에서의 Er3+이온수를 초과하는, 반전된 포퓰레이션 밀도의 증가로 인해 개선될 수 있다. 여기 ESA에 의해 여기되는 에너지 준위는4S3/2준위 뿐만 아니라 도 8의 (C), (B) 각각에 도시된 것처럼,4I9/2준위 및4F9/2준위를 포함한다. 또한, 0.98㎛ 파장에서 바로 여기되는4I11/2준위는 도 8의 (D)에서 볼 수 있듯이, 큰 여기 상태 밀도를 갖고 있다. 따라서,4I13/2준위의 여기상태 밀도는 0.85㎛의 파장 광을 섬유에 입사시키는 경우처럼 각각 1.65, 1.16, 또는 2.7㎛ 파장에서4I13/2준위와4I9/2,4F9/2또는4I11/2준위간의 에너지 차이를 갖는 광을 입사시켜 증가될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따르면, 좋은 증폭 이득을 얻기 위해 종래의 S-EDFA에서 일반적으로 사용되는 0.98㎛ 여기광은 종래의 F-EDFA의 증폭 및 이득에 비해 더 낮은 잡음 증폭 및 더 높은 증폭 이득을 실현하기 위해 F-EDFA에 인가될 수도 있다.
도 9는 본 실시예의 광 증폭기의 구조를 설명하는 블록도이다. 도 9에서, 참조번호 "11" 및 "12"는 여기 광원을 나타내고, "13" 및 "14"는 광 커플러를 나타내며, "15"는 Er3+도핑된 광섬유를, 그리고 "16"은 광 아이솔레이터(optic isolator)를 나타낸다. 또한, 도 9의 화살표는 각각 신호의 입력과 출력방향을 나타낸다. 즉, 신호의 출력(레이져 발진)이 화살표 방향이다. 본 실시예에서는, 광원(11)으로서 0.98㎛ 발진의 반도체 레이져가 사용되는 반면, 광원(12)로서는 0.85㎛ 발진의 반도체 레이져가 사용된다. 광원(11)에서 나온 여기광과 광원(12)에서 나온 여기광은 광 커플러(13)에 의해 함께 결합된다. 그리고 광 커플러(13)로부터의 결합된 여기광은 광 커플러(14)에 의해 화살표(A) 방향으로의 입력신호와 추가로 결합된다. 그리고 광 커플러(14)로부터의 출력광은 ZrF4-BaF2-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-HfF4의 유리 조성을 갖는 10m 길이의 Er3+도핑된 광증폭섬유(15)로 입사된다. 본 실시예에서, 상기 섬유(15)는 또한 1000ppm Er3+으로 도핑된 지름이 2.5㎛인 코어를 가지며, 차단 파장은 1㎛이다. 상기 증폭기에 0.98㎛ 파장의 200mW 전력 여기광만이 입사되는 경우 1.55㎛ 파장에서 5㏈ 이득이 얻어진다. 또한, 상기 증폭기에 0.85㎛ 파장의 50mW 전력 여기광만이 입사되는 경우 1.55㎛ 파장에서 30㏈ 이득이 얻어진다. 이 경우, 상기 증폭기에 대해 NF 측정을 하면 4㏈의 NF 결과가 나오게 된다.
1.48㎛ 파장의 여기광에 의해 본 실시예의 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기의 NF 값이 측정되고, 1.55㎛ 파장에서 이득이 30㏈일 때 NF는 6㏈가 된다. 1.48㎛ 파장에서의 여기에 의한 NF값을 얻기 위해 본 실시예의 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유를 사용하면, 1.55㎛ 파장에서 이득이 30㏈ 일 때 6㏈의 NF가 얻어진다. 따라서, 본 실시예에서는 0.98㎛ 파장에서의 여기를 갖는 종래의 광 증폭기에 의해서는 얻을 수 없었던 30㏈의 높은 이득을 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 1.48㎛ 파장에서의 여기에 의해 얻을 수 있던 NF와 비교하여 NF의 약 2㏈ 감소를 얻을 수 있어서, 본 실시예의 0.97㎛ 여기의 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 증폭기는 0.98㎛ 여기의 S-EDFA에 의해 얻어지는 값과 대개 동일한 NF 값을 보여주고 있다.
(제 6 실시예)
제 5 실시예에서는 0.85㎛ 파장의 입사광을4S3/2준위에서4I13/2준위로의 천이에 해당하는 광으로 사용했다. 반면 본 실시예에서는,4I11/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 의해 발생된 유도 방사의 결과로서 0.98㎛ 파장에서 여기된4I11/2준위의 포퓰레이션을 직접 감소시킴으로써4I13/2준위의 포퓰레이션을 증가시킬 목적으로,4I11/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 광으로서 2.7㎛ 파장의 광이 YAG 레이져(12)로부터 증폭기로 입사된다. 이 경우, 0.98㎛ 여기광만의 이득 및 NF와 비교해 보면, 1.55㎛ 파장에서 이득은 증가하고, NF는 감소하는 것이 관찰되었다. 또한, 광원(12)으로서 반도체 레이져에 의해 1.16㎛ 파장의 광을 섬유로 입사시킴으로써 증폭기의 증폭 특성을 향상시킬 수 있다.
(제 7 실시예)
본 실시예에서는 광원(즉, 반도체 레이져)(12)로부터의 1.65㎛ 파장의 광을4I9/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 광으로 사용한다.
이 경우, 0.98㎛ 여기 만의 이득 및 NF와 비교해 볼 때, 1.55㎛ 파장에서 이득은 증가하고 NF는 감소하는 것이 관찰되었다.
제 6 실시예 및 제 7 실시예에서는, 상기한 바와 같이, 광원(12)이 0.85, 2.7, 1.16 또는 1.65㎛ 파장의 입사광을 방사한다.4S3/2,4I9/2, 또는4I11/2준위에서4I13/2준위까지의 천이 에너지의 폭이 있다는 점에 유의할 필요가 있다. 따라서, 상기 에너지 폭을 갖는, 상기 광원(12)에서 입사되는 입사광이 효과적일 수 있다.
사용가능한 광원(12)으로는 반도체 레이져와 Er:YAG 레이져 등의 고체상태 레이져뿐만 아니라, 2.7㎛ 파장의 방사 광의 광원으로서 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 레이져와 같은 섬유 레이져도 선택할 수 있다.
앞의4S3/2,4I9/2및4I11/2의 세 에너지 준위에 더하여,4I13/2준위보다 더 높은 다른 에너지 준위(도시되지 않음)가 있다. 따라서, 상기 더 높은 에너지 준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 갖는 입사광으로 증폭기의 증폭 특성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 상기 더 높은 에너지 준위에서4I13/2준위까지 천이를 위한 광은 한 가지 타입으로 제한되지 않는다. 여러 파장의 다수의 광빔들이 상기 여기광과 동시에 증폭기로 입사되기도 한다. 여기광은4I9/2준위보다 더 높은 에너지 준위로의 직접적인 여기, 예를들어4I9/2준위에서4S3/2준위로의 직접 여기의 원인이 되기도 한다.
(제 8 실시예)
상기 제 5 실시예 내지 제 7 실시예에 있어서, Er3+도핑된 ZrF4계 플루오르화물 섬유가 증폭매체로 사용된다. 0.98㎛ 여기(4I11/2준위까지의 여기)가 Er3+도핑된 ZrF4-AlF2계 플루오르화물 섬유, Er3+도핑된 InF3계 섬유, Er3+도핑된 칼코겐화물 유리 섬유, 및 Er3+도핑된 텔루르화물 유리 섬유중의 어느 하나가 증폭매체로 제공된 증폭기에 적용되었을 때 1.55㎛ 파장에서 이득을 얻는 것이 매우 어렵다고 알려져있다. 따라서 본 실시예에서는, 낮은 포논 에너지를 갖는 물질이 호스트로 사용되는 증폭매체들중의 어느 하나를 본 발명에 따라서 효과적으로 사용할 수 있다.
또한,4I11/2준위보다 높은 에너지 준위까지 여기시키는 것은 0.98㎛ 여기에 제한되지 않는다. 이러한 여기는 또한 0.8㎛ 여기(4F9/2준위까지의 여기)에 의해서 이뤄질 수 있다. 이 경우, 1.55㎛ 파장에서의 이득의 증가 및 NF의 감소는 0.8㎛ 여기광을4I13/2보다 높은 에너지 준위로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 에너지를 갖는 추가적인 입사광(즉, 0.8㎛ 파장의 광)과 동시에 상기 섬유로 입사시킴으로써 얻어진다.
(제 9 실시예)
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예의 하나인 레이져의 개략적 블록도이다. 도 10에서, 참조부호 "11" 및 "12"는 광원, "13"은 광커플러, "17" 및 "17' "은 공명 거울을 나타내고, "18"은 증폭매체로서의 결정을 나타낸다. 또한, 화살표는 신호 출력의 방향을 나타낸다. 증폭매체로서 사용되는 결정은 LaF3, BaF2, LaCl3, 및 YF3 등의 Er3+도핑된 할로겐화물 결정중의 어느 하나이다. 본 실시예에서, 할로겐화물 결정을 사용하는 1.5㎛ 증폭 특성 및 레이져의 레이져 발진이 조사되었다. 그 결과, 높은 에너지 준위로부터4I13/2준위까지 유도 방사를 위한 광이 0.8㎛ 및 0.98㎛ 파장의 여기광과 함께 동시에 섬유에 입사될 때 이득의 증가 및 레이져 발진의 효율 증가가 얻어졌다.
(제 10 실시예)
도 11은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예인 레이져의 개략적인 블럭도이다. 상기 도면에서, 참조부호 "11" 및 "12"는 광원, "13"은 광 커플러, "15"는 증폭을 위한 Er3+도핑된 광섬유를 나타내고, "17" 및 "17' "은 공명 거울을 나타낸다. 또한, 화살표는 출력(레이져 발진)의 방향을 나타낸다. Er3+도핑된 광섬유는 ZrF4-BaF2-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-HfF4의 유리 조성을 포함하도록 제조되고, 도 11에 도시된 레이져에 결합되어, 1.5㎛ 파장의 레이져 발진을 일으키도록 한다. 본 실시예에서, 0.98 및 0.85㎛ 파장의 광원이 여기 광원(11,12)으로 사용되었다. 0.85㎛ 파장의 광원으로부터의 광의 통과가 차단될 때, 레이져 발진의 강도는 크게 감소한다.
(제 11 실시예)
도 12는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예인 레이져의 개략적인 블록도이다.도 12에서, 참조부호 "11" 은 0.98㎛ 발진의 반도체 레이져로 구성된 광원, "12"는 0.85㎛ 발진의 반도체 레이져로 구성된 광원, "13, 14, 14'"는 광 커플러를 나타내고, "15"는 증폭을 위한 Er3+도핑된 광 증폭기를 나타낸다.
광원(11,12)로부터의 여기광을 광 커플러(13)에 의해 함께 결합한 후, 광 커플러(13)로부터 생성된 출력 여기광은 도 12에서 화살표에 의해 표시된 방향으로부터 제공되는 입사 신호광과 광 커플러(14)에 의해 결합된다. 또한, 광원(19)으로부터의 여기광은 광 커플러(14)를 통해 Er3+도핑된 광섬유(15)에 입사된다.
본 실시예에서 증폭매체로서 제공된 상기 Er3+도핑된 광섬유(15)는 제 10 실시예에서와 동일한 유리 조성, 즉 ZrF4-BaF2-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-HfF4의 조성을 갖도록 제조된다. 또한, 섬유(15)는 Er3+도핑 농도가 1000ppm, 길이 10m, 2.5%의 높은 상대적 굴절율 차이, 및 차단 파장이 1㎛이다. 파장 0.98㎛의 여기 광원만이 200mW로 섬유에 입사될 때, 파장 1.5㎛에서의 이득은 5dB이다. 파장 0.85㎛의 여기광이 30mW로 섬유에 입사될 때, 파장 1.55㎛에서의 이득은 15dB이다. 0.85㎛ 파장의 여기광에 더하여 1.48㎛ 파장의 부가적인 여기광이 섬유에 입사될 때, 파장1.55㎛에서의 이득은 40dB이다. 이 경우, 증폭기의 NF의 측정값은 3.8dB이다.
또한, 본 실시예의 Er3+도핑된 광섬유를 포함하는 증폭기의 NF가 파장 1.48㎛에서의 여기에 의해 측정된다. 파장 1.55㎛에서 이득이 40dB일때 6dB의 NF가 얻어진다. 따라서, 본 실시예의 증폭기 구성에 의하면, NF의 감소, 즉 1.48㎛ 여기에 비해 2㏈ 또는 그 보다 적은 NF의 감소와 함께, 종래 0.98㎛ 여기 증폭기에 의해서 얻을 수 없었던 40dB의 높은 이득을 갖는 증폭기를 제공할 수 있다. 본 발명자들은 본 실시예의 증폭기의 NF가 0.98㎛ 여기의 S-EDFA의 NF와 실질적으로 같은 수준인 것을 확인했다.
(제 12 실시예)
제 11 실시예에서, 0.85㎛ 파장의 광이4S3/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 광으로 사용된다. 한편, 본 실시예에서는,4I11/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 광이 광원(12)(즉, 광원으로 사용되는 2.7㎛ 발진의 Er:YAG 레이져)로부터 섬유로 입사된다. 이 경우, 파장 1.55㎛에서의 이득의 증가 및 증폭기 NF의 감소가 관찰된다. 증폭기의 증폭 특성은 또한 파장 1.16㎛의 입사광을 광원(12)으로서 제공된 반도체로부터 증폭매체로 입사시킴으로써 향상된다.
(제 13 실시예)
제 11 실시예에서,4S3/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 0.85㎛ 파장의 광이 증폭기에 입사된다. 제 12 실시예에서는4I11/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 광이 광원(12)으로부터 증폭기에 입사된다. 한편, 본 실시예에서는,4I9/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 1.65㎛ 파장의 광이 광원(12)(반도체 레이져)으로부터 증폭기로 입사된다. 이 경우, 0.98㎛ 여기 자체의 이득 및 NF와 비교하여 1.55㎛의 파장에서의 이득의 증가 및 NF의 감소가 관찰되었다.
상기 제 11 실시예 내지 제 13 실시예에서 광원(12)은 0.85, 2.7, 1.16 또는 1.65㎛ 파장의 입사광을 방사한다.4S3/2,4I9/2또는4F9/2또는4I11/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이 에너지의 폭이 있다는 점에 유의할 필요가 있다. 따라서 상기 에너지 폭을 갖는, 광원(12)으로부터 입사된 입사광이 효율적일 수 있다.
이용가능한 광원(12)은 Er:YAG 레이져 등의 고체 상태 레이져와 반도체 레이져 뿐만아니라 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 레이져 등의 섬유 레이져 중에서 2.7㎛ 파장의 광을 방사하는 광원으로서 선택될 수 있다.
또한, 상기 세 개의 에너지 준위:4S3/2,4I9/2및4I11/2에 추가하여,4I13/2준위 보다 높은 다른 에너지 준위(도시되지 않음)가 있다. 따라서, 상기 더 높은 에너지 준위와4I13/2준위 사이의 에너지 차에 해당하는 에너지를 갖는 입사광에 의해 증폭기의 증폭 특성이 개선될 수 있다.
또한, 상기 더 높은 에너지 준위로부터4I13/2준위까지의 천이를 위한 광의 수효는 하나로 제한되지 않는다. 파장이 다른 복수의 광이 여기광과 동시에 증폭기에 입사될 수도 있다. 여기광은4I9/2준위보다 높은 에너지 준위, 예를 들면4F9/2준위와4S3/2준위까지 직접 여기시키기 위한 것일 수 있다.
(제 14 실시예)
본 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 두 개의 광원(11,12)을 갖는 광 증폭기가 제조되고, 여기서 광원(11)은 0.97㎛ 파장에서 발진하는 반도체 레이져이고 광원(12)은 0.855㎛ 파장에서 발진하는 반도체 레이져이다. 광원(11,12)에서 나오는 여기광을 광 커플러(13)에 의해 결합한 후, 광 커플러(13)로부터의 출력 여기광은 또 다른 광 커플러(14)를 통과하는데, 여기서 출력 여기광은 도 9에서 화살표(A)에 의해 지시되는 방향으로 광 아이솔레이터(도시 안함)로부터 제공된 입사 신호광과 결합한다. 그 후, 광 커플러(14)로부터의 출력 여기광은 여기광의 증폭을 위한 Er3+도핑된 광섬유(15)에 입사된다.
상기 Er3+도핑된 광섬유(15)는 ZrF4-BaF3-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-NaF-HfF4의 유리 조성을 갖고, 그 코어는 1000ppm과 동일한 양의 Er3+으로 도핑된다. 또한, 섬유(10)는 길이 10m이고, 코어부분과 클래드부(cladding portion) 사이의 굴절율 차이가 2.5%이며, 차단 파장이 1㎛인 섬유로서 제조된다. 또한 본 실시예에서, 전력 10mW인 파장 0.855㎛m의 부가적인 광이 0.97㎛ 여기광에 추가로 상기 섬유에 동시에 입사될 때 40dB의 이득을 얻을 수 있다. 이 경우, 3.8dB의 NF가 얻어진다.
본 실시예의 증폭 시스템은 다음 단계를 포함하는4I13/2준위까지의 여기 과정을 이용한다:4I15/2준위가4I11/2준위까지 여기되고 그 후4I11/2준위가4F7/2준위까지 여기되는 2단계 여기; 및4S3/2준위로부터4I13/2준위까지의 유도 천이. 따라서, 효율적으로 상기 2단계 여기과정을 실행하여4I13/2준위까지 여기시키기 위해 적당한 여기 파장이 선택되어야 한다.
도 13은 여기 파장의 시프트에 의한4S3/2준위의 여기 밀도 변화를 나타낸다. 도 13에 도시된 결과는4S3/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이에서 증폭기의 방사강도를 변화시킴으로써 얻어진다. 도 13에 도시된 바와 같이, Er3+도핑된 플루오르화물 섬유는 960 nm 내지 980 nm 범위의 여기 파장에서4S3/2준위까지 효율적으로 여기될 수 있고, 특히4S3/2까지의 높은 효율의 여기는 약 969 nm 여기 파장에서 얻어질 수 있다.
4S3/2준위부터4I13/2준위까지의 유도 방사의 원인이 되는 광의 경우, 도 14에 도시된 바와 같이 존재하는4S3/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이의 방사 단면적 때문에 그 여기 파장은 0.82㎛ 부터 0.88㎛까지에서 선택될 수 있다. 0.84㎛부터 0.88㎛의 파장 범위에서 유도 방사 단면적은 흡수 단면적보다 커서, 상기 범위내의 파장의 광을 이용하여 효율적으로4S3/2준위부터4I13/2준위까지의 유도방사를 얻는 것이 가능하다.
(제 15 실시예)
본 실시예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 증폭기(F-EDFA)가 제 5 실시예(도 9 참조)의 F-EDFA에서 사용된 광원(11,12)에 추가하여 제 3 광원(19)을 설치함으로써 제조된다. 또한, 부가적인 광 커플러(14')가 광 아이솔레이터(16) 대신 설치되어 제 3 광원(19)과 연결된다. 따라서, 또 다른 여기광이 F-EDFA의 하류부에서 광 커플러(14')를 통해 Er3+도핑된 섬유(15)에 입사될 수 있다. 또한 본 실시예에서, 여기 파장 1.48㎛의 광이 사용된다. 따라서, 본 실시예의 F-EDFA는 큰 신호가 F-EDFA에 입사되는지 여부에 상관없이 고출력과 낮은 잡음지수(NF)를 얻기 위해,4I13/2준위까지 직접 여기를 실행하기 위한 1.48㎛ 파장에서의 부가적인 여기를 통합하도록 구성된다.
Er3+도핑된 실리카 섬유를 사용한 경우, 고출력 및 낮은 잡음지수(NF)를 생성하는 특성을 갖는 증폭기(즉, Er3+도핑된 실리카 섬유 증폭기: S-EDFA)는 0.98㎛ 파장의 여기광을 상류에서 섬유로 입사시키는 수단 및 1.48㎛ 파장의 여기광을 하류에서 섬유로 입사시키는 수단을 통합하여 구성될 수 있다. 반면, Er3+도핑된 플루오르화물 섬유를 사용하는 경우에는 0.97 및 0.855㎛ 파장의 두 개의 다른 여기광의 빔이 동시에 섬유로 입사되어 파장 0.97㎛인 여기광만을 섬유로 입사함으로써 발생하는4I13/2준위까지의 여기 효율성의 저하를 방지한다.
15dB 또는 그 이상의 증폭 이득 및 5dB 또는 그 이하의 NF는, 섬유로 입사되는 0.97㎛ 여기광의 여기 전력이 100mW이고 섬유로 입사되는 0.85㎛ 여기광의 여기 전력이 20mW일 때 여기를 실행함으로써 상기 파장 범위내의 파장에서 얻어진다. 신호광 입력은 광 증폭기(도 13에 도시 안함)를 통해 실행된다.
따라서, 본 실시예에 따른 여기 방법은 F-EDFA의 증폭 특성을 개선하므로 저잡음이고 고출력 생성 특성을 갖는 증폭기를 구성하는데 효과적이다.
(제 16 실시예)
도 15는 본 발명에 따른 광도파관 형태의 광 증폭기의 주요 구성부분의 사시도이다. 도 15에서, 참조부호 "110"은 코어부, "111"은 클래드부, "112"는 기판부를 나타낸다. 본 실시예에서, 코어부 및 클래드부는 플루오르화물 유리로 만들어진다. 또한, 코어부(110)는 110중량%의 Er3+로 도핑된다.
본 실시예에서, 파장 1.48㎛인 광과 파장 0.86㎛인 광으로 구성된 복합광이 코어부(110)로 입사된다. 코어부(110)의 Er3+도핑 농도가 증가하면, 상기 농도의 증가에 비례하여 플루오르화물 유리내 Er3+이온들간의 거리 감소의 결과로 그들 사이의 전기 양극자 상호작용에 의해 Er3+이온에서 에너지 이동이 일어난다.
도 16은 Er3+이온간의 상호작용을 고려한 Er3+이온의 여기상태를 설명하는 Er3+이온의 에너지 준위를 나타낸다. 파장 1.48㎛의 여기광이4I13/2준위까지의 여기를 위해 코어부에 입사되면,4I13/2준위로부터4I15/2준위까지의 천이와4I13/2준위로부터4I9/2준위까지의 여기에 의해 공동 업컨버젼(cooperative up-conversion)이 발생한다.4I9/2준위까지의 여기 후, 복수의 포논 방사에 의해4I9/2준위로부터4I11/2준위까지 완화가 발생하고, 그 결과4I11/2준위까지 여기된다. 그러면,4I11/2준위의 여기상태 밀도는 증가하고 계속해서4I11/2준위로부터4I15/2준위까지의 천이와4I11/2준위로부터4F7/2준위까지의 여기에 의해 공동 업컨버젼이 일어나고, 그 결과4F7/2준위까지 여기된다. 마지막으로, 파장 1.48㎛인 여기광에 의해서는 직접 여기되지 않는4S3/2및4F9/2와 같은 에너지 준위까지의 여기가 얻어질 수 있다. 따라서,4I13/2준위까지의 여기 효율성은 감소하고, 파장 1.55㎛에서 광증폭을 일으킬 확률은 거의 사라진다. 본 실시예에 의하면, 증폭기는4S3/2준위로부터4I11/2준위까지의 유도방사를 일으킴으로써4I13/2준위의 여기상태 밀도를 증가시키도록 구성된다. 그 결과, 1.48㎛ 여기 전력이 150mW이고 0.86㎛ 여기 전력이 20mW일때, 30dB의 증폭이득이 1.55㎛ 파장에서 얻어진다. 1.48㎛ 여기 전력이 사용되면, 적절한 증폭 이득이 얻어지지 않는다. 따라서, 0.86㎛ 파장의 입사광은 증폭 효율에 큰 영향을 나타낸다.
또한, 본 실시예에서,4S3/2준위로부터4I13/2준위까지의 유도 방사를 일으키는 광이 증폭기에 입사된다. 전술한 바와 같이, 에너지 준위4F9/2,4I9/2, 및4I11/2가 여기되어서, 파장 1.48㎛의 입사 여기광에 더하여 상기 에너지 준위중 어느 하나로부터4I13/2준위까지 유도방사를 일으키는 광을 증폭기에 입사시킴으로써 증폭효율이 개선된다.
(제 17 실시예)
광 도파관 형태의 증폭기는 다음 사항을 제외하고는 도 15에 도시된 제 16 실시예와 동일한 구성을 갖는다. 즉, 코어부 및 클래드부는 텔루르화물 유리로 만들어진다. 또한, 코어부는 20중량%의 Er3+로 도핑된다. 그 후, 상기 구조를 갖는 증폭기의 동작특성을 고찰하여 다음 결과를 얻었다. 광 도파관 재료로 텔루르화물 유리를 사용한 경우, 에너지 준위4S3/2,4F9/2,4I9/2, 및4I11/2등은 Er3+이온 농도가 높을때 Er3+이온간의 상호작용을 통해 여기된다. 따라서, 이전 준위에 해당하는 광을 증폭기로 입사시킴으로써 상기 에너지 준위중 어느 하나로부터4I13/2준위까지의 유도방사의 결과로 인해4I13/2준위까지의 여기가 효과적으로 실행된다. 본 실시예에서, 파장 0.875㎛의 광이 1.48㎛ 여기광과 동시에 입사된다. 그 결과, 1.48㎛ 여기 전력이 150㎽이고 0.875㎛ 여기 전력이 20mW일 때, 파장 1.55㎛에서 30dB 증폭이득이 얻어진다. 1.48㎛ 여기 전력만이 사용된 경우, 적절한 증폭 이득이 얻어지지 않는다. 따라서, 파장 0.875㎛ 입사광은 증폭효율에 큰 영향을 준다.
본 실시예에서, 1.48㎛ 여기광 및 0.875㎛ 여기광은 동일 방향으로부터 광 도파관으로 입사된다. 그러나, 이들은 반대 방향으로부터 광 도파관으로 입사될 수 있다.
(제 18 실시예)
광 도파관 형태의 광 증폭기는, 코어부 및 클래드부가 실리카 유리로 만들어지고 코어부분이 1중량%의 Er3+로 도핑된 점을 제외하면, 도 15에 도시된 제 16 실시예 및 제 17 실시예의 광 증폭기와 동일한 구성을 갖는다.
상기 구성의 증폭기의 동작 특성을 고찰하여 다음 결과를 얻었다. 광 도파관 재료로 실리카 유리를 사용한 경우, 에너지 준위4S3/2,4F9/2,4I9/2, 및4I11/2등은 Er3+이온 농도가 높을때 Er3+이온간의 상호작용을 통해 여기된다. 따라서,4I13/2준위까지의 여기는, 이전 준위에 해당하는 광을 증폭기로 입사시킴으로써 의해 상기 에너지 준위중 어느 하나로부터4I13/2준위까지의 유도방사의 결과로 인해 효과적으로 실행될 수 있다. 본 실시예에서, 0.87㎛ 파장의 광은 1.48㎛ 여기광과 동시에 입사된다. 따라서, 1.48㎛ 여기 전력이 150㎽이고 0.87㎛ 여기 전력이 20㎽인 경우 1.55㎛ 파장에서 30㏈의 증폭 이득이 얻어진다. 1.48㎛ 여기 전력만이 사용된 경우, 적절한 증폭 이득이 얻어지지 않는다. 따라서, 파장 0.87㎛의 입사광은 증폭 효율에 큰 영향을 준다.
전술한 바와 같이, 제 5 실시예 내지 제 18 실시예의 광 증폭기 및 레이져는 여기광에 대해 서로 다른 파장의 제 1 및 제 2 광원을 갖는 것이 특징이다. 또한, 제 1 광원은 에르븀의4I13/2준위와4I13/2준위보다 더 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 광을 방사하기 위한 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, (당업자가 부적절한 물질이라고 생각하는) 플루오르화물 섬유와 같은 적외선-투과 섬유가 Er3+의 호스트로 사용되는가에 상관없이 저잡음 증폭을 가능하게 하는 0.98㎛ 여기에 의한 1.55㎛ 대역의 증폭이 가능하다. 그러므로, 넓은 증폭대역 및 저잡음과 함께 균일한 이득 특성을 갖는 광 증폭기가 얻어진다. 따라서, 얻어진 광 증폭기는 통신시스템에 적용되어 그 전송량을 증가시키고, 다양한 시스템 형태를 제공하여 광통신망을 넓게 분포시킬 수 있고 제조비용을 크게 감소시킬 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체는 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납계 유리중에서 선택되며, 상기 Er3+이온은 적어도 0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 범위중의 한 파장으로 여기상태가 되고, 레이져 또는 광 증폭기에는 상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체가 포함되어 있다. 또한, 광 증폭 방법은 상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 갖는 광 증폭기를 사용하여 광 증폭을 수행하여, 낮은 잡음 및 높은 이득을 가질 수 있다.

Claims (22)

  1. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하기 위한 방법에 있어서,
    0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 범위중 적어도 한 파장을 갖는 제 1 광원으로부터의 제 1 여기광의 2단계 흡수에 의해 상기 Er3+이온을4F7/2에너지 준위로 여기시키는 단계, 및4F7/2에너지 준위로 여기된 Er3+이온을4I13/2에너지 준위로 완화시키는 단계를 포함하고,
    상기 광 증폭매체는 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납계 유리로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 증폭매체는 섬유 형상인 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법.
  3. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체와 제 1 광원을 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기에 있어서,
    상기 광 증폭매체는 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납계 유리로 이루어진 군에서 선택되고,
    0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 범위중 적어도 한 파장을 갖는 제 1 광원으로부터의 제 1 여기광의 2단계 흡수에 의해 상기 Er3+이온이4F7/2에너지 준위로 여기되며,
    4F7/2에너지 준위로 여기된 Er3+이온이4I13/2에너지 준위로 완화되는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체와 제 1 광원을 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 증폭매체는 섬유 형상인 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체와 제 1 광원을 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    제 2 광원을 추가로 구비하고,
    상기 제 2 광원으로부터의,4I15/2준위와4I13/2준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 제 2 여기광에 의해 상기 Er3+이온이4I13/2에너지 준위로 여기되며,
    상기 제 1 여기광은 신호광과 동일한 방향에서 입사되고, 상기 제 2 여기광은 신호광과 반대 방향에서 입사되는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체와 제 1 광원을 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    Er3+이온을4I13/2에너지 준위로 여기시키기 위해, 제 2 광원으로부터, 상기 제 1 여기광의 반대 방향에서 상기 광 증폭매체 중으로 방사되는 제 2 여기광을 입사하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 증폭매체는 섬유 형상인 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 사용하는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법.
  8. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체, 상기 광 증폭매체의 여기를 위한 적어도 하나의 제 1 광원 및 상기 광 증폭매체의 여기를 위한 제 2 광원을 갖고,4I13/2준위에서4I15/2준위로의 Er3+이온의 유도방사를 이용하는 1.5㎛ 파장 대역의 레이져에 있어서,
    상기 제 1 광원 및 상기 제 2 광원은 별개의 파장의 광을 방사하고,
    상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 방사하고 유도완화에 의해 상기4I13/2준위의 포퓰레이션을 증가시키기 위한 광원으로서 제공되며,
    상기 제 2 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위 및4F9/2준위로 이루어진 군에서 선택된 1개의 에너지 준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 1.5㎛ 파장 대역의 레이져.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위 및4S3/2준위로 이루어지는 군에서 선택되는 하나의 에너지 준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 1.5㎛ 파장 대역의 레이져.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 광 증폭매체는 섬유 형상인 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체와 제 1 광원을 갖는 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 광 증폭기.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 증폭매체의 여기를 위한 제 3 광원을 추가로 포함하고,
    상기 제 3 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I13/2준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 신호광의 반대 방향에서 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 1.5㎛ 파장 대역의 레이져.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 광원은 0.82㎛에서 0.88㎛ 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되고,
    상기 제 2 광원은 0.96㎛에서 0.98㎛ 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 1.5㎛ 파장 대역의 레이져.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체는 Er3+이온으로 도핑된 플루오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 텔루르화물 섬유 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 결정으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 1.5㎛ 파장 대역의 레이져.
  14. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체,
    상기 광 증폭매체로 1.5㎛ 파장의 신호광을 유도하고 상기 신호광을 광학적으로 분리하는 수단,
    상기 광 증폭매체의 여기를 위한 적어도 하나의 제 1 광원, 및
    상기 광 증폭매체의 여기를 위한 적어도 하나의 제 2 광원을 구비하고,
    상기 제 1 광원과 상기 제 2 광원은 별개의 파장의 광을 방사하며,
    상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 방사하고, 유도 완화에 의해 상기4I13/2준위의 포퓰레이션을 증가시키기 위한 광원으로서 제공되고,
    상기 제 2 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I11/2준위 및4F9/2준위로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 에너지 준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 에너지 준위간의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 광원 및 상기 제 2 광원의 광은 동일한 방향에서 상기 증폭매체 중으로 입사되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 증폭매체의 여기를 위한 제 3 광원을 추가로 포함하고,
    상기 제 3 광원은 상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I13/2준위 사이의 에너지 차이에 상당하는 파장의 광을 상기 신호광의 반대 방향에서 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 광원은 0.82㎛에서 0.88㎛ 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되고,
    상기 제 2 광원은 0.96㎛에서 0.98㎛ 파장의 광을 방사하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 3 광원으로부터의 광은 상기 신호광과 다른 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체는 Er3+이온으로 도핑된 플루오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 텔루르화물 섬유, 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 결정으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  21. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 이용하여 1.5㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하기 위한 방법에 있어서,
    4I13/2에너지 준위에서4I15/2에너지 준위까지의 유도 방사에 의해 증폭된 광을 상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체 중에 동일 방향으로 입사하는 단계,
    0.96㎛ 이상 0.98㎛ 미만의 범위내 파장의 광의 2단계 흡수에 의해 상기 Er3+이온을4F7/2에너지 준위까지 여기시키기 위해 제 1 광원으로부터, 상기 증폭된 광과 동일 방향으로 방사되는 제 1 여기광을 입사하는 단계, 및
    상기 Er3+이온의4S3/2준위와4I13/2준위의 에너지 차이에 상당하는 파장에서, 제 2 광원으로부터 상기 증폭된 광과 동일 방향으로 방사되는 제 2 여기광을 입사하고, 유도 완화에 의해4I13/2준위의 포퓰레이션을 증가시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 이용한 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 Er3+이온의4I15/2준위와4I13/2준위의 에너지 차이에 상당하는 파장에서, 제 3 광원으로부터 상기 증폭된 광과 반대 방향으로 방사되는 제 3 여기광을 입사하는 단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭매체를 이용한 1.5㎛ 파장 대역의 광신호 증폭방법.
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