KR100392820B1 - 이득평탄용어븀도핑광섬유및그제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 어븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA; eribuim doped fiber amplifier)의 이득을 평탄화하기 위한 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유 및 그 제조 장치에 관한 것으로, 코아를 2중 구조로 하고, 어븀이 도핑된 중앙 코아 외부의 제2코아에는 어븀과 다른 희토류 원소를 증착함으로써, 첨두치가 더욱 감쇠되도록 하여 이득을 평탄화하고, 이러한 2중 코아 구조의 어븀 도핑 광섬유의 특정 부위에 광 스펙트럼 분석기 및 테이퍼링 시스템을 구비한 평탄 이득 광섬유 제조 장치로 테이퍼(taper) 구조를 형성함으로써, 소망하는 이득 특성과 더욱 일치하는 평탄화된 이득 특성을 갖는 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유를 구현할 수 있다.

Description

이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유 및 그 제조 장치

본 발명은 어븀 도핑 광섬유에 관한 것으로, 특히 어븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA; eribuim doped fiber amplifier)의 이득을 평탄화하기 위한 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유 및 그 제조 장치에 관한 것이다.

제1도는 종래의 어븀 도핑 광섬유의 자발 방출 증폭에 의한 이득 스펙트럼 선도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 광 증폭기인 어븀 도핑 광섬유 증폭기는 그 증폭 매체인 어븀 도핑 광섬유의 고유 특성에 의해 1500nm 대의 파장에서 1530nm에서 가장 큰 이득을 얻게된다. 그러나, 이러한 이득 특성은 광범위한 파장대에서 골고루 그 증폭이 잘 일어나는 특성이 필요한 파장 분할 다중통신(WDM) 시스템에서는 그 적용이 곤란한 문제점이 있다. 따라서, 이 미래의 통신 시스템으로 각광 받는 파장 분할 다중 통신 시스템에 적용하기 위한 광 증폭기로서 대표적인 어븀 도핑 광섬유 증폭기의 경우 이득 매체인 어븀 도핑 광섬유에 알루미늄을 추가로 도핑시켜, 제2도에 도시된 바와 같은, 넓은 파장대에 걸쳐 평탄한 이득 특성을 갖게한다.

그러나 이러한 알루미늄이 도핑된 어븀 도핑 광섬유를 사용한다하더라도 미약한 입사광에 따른 파장별 이득 특성은, 제2도에 도시된 바와 같이, 1530nm에서그 최대치가 나타나며, 이는 1550nm 대의 입사파장과 약 8~12dB 정도의 이득 차이를 나타낸다. 이러한 불균일한 이득특성을 줄여주는 방법으로 제안된 몇 가지 수동 필터들의 이득 특성 개선 방식을 살펴보면 기계적으로 광섬유의 모드를 조절하는 방식, 이중 코어를 사용하는 방식, 광섬유 회절 격자를 사용하는 방식 등이 알려져 있다. 최근에는 광음향 가변 필터(tunable filter)를 사용하는 방식과 여러 가지 종류의 필터를 사용하는 방식 대신에 어븀 도핑 광섬유 자체의 이득 평탄화 특성을 개선하기 위해 희토류 원소중 하나인 사마륨(Samarium)을 첨가(도핑)하는 방식도 있다. 이러한 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 방식 중의 하나인 필더를 이용한 방식이 제3도에 도시되어 있다. 이 제3도를 참조하면서 종래의 광섬유 격자형 필터(fiber grating filter)의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 격자형 무늬의 패턴이 형성된 마스크(2)를 광섬유(3) 가까이에 배치하고, 상기 마스크(2) 상부에 강하고 짧은 파장의 레이저빔을 조사하면, 광섬유에 입사되는 고에너지의 자외선 파장 레이저빔은 마스크(2)에 의해 회절되어 상호 간섭에 의한 강약의 무늬가 생긴다. 이러한 간섭에 의한 강약을 갖는 레이저 빔이 입사된 부분의 광섬유는 백색 광원(4)로부터 방출된 백색광의 입사광 중에서 특정 파장의 빛 만을 반사시키거나 제거하는 필터 특성을 가지게 된다. 이는 광섬유의 코아의 일부분에 게르마늄 원소들이 도핑된 점을 이용한 것으로 자외선을 강하게 흡수하는 게르마늄 원소들이 상기 간섭무늬 모양의 레이저 빔에 노출되면 코아 내부의 굴절률에 변화가 생기기 때문이다. 즉, 이러한 굴절률 변화에 의한 광섬유 내의 굴절율의 차를 갖는 부분은 빛을 반사시키는 미러의 역할을 하므로 광섬유 내에는 격자형(grating) 필터가 형성된다. 이러한 필터를 어븀 도핑 광섬유의 끝이나 중간에 마련하여 광 이득이 많은 1530nm 대의 손실을 증가시켜 줌으로써 비교적 평탄한 이득 파장대의 이득과 같아지도록 하여 평탄한 이득의 파장대를 넓히는 것이다. 이와 같은 방식의 필터 특성을 갖는 광섬유는 다른 광섬유와의 연결이 용이하고 내구성이 좋다. 그러나 이는 광섬유 코아 내부에 있는 게르마늄 원소들의 성질을 이용한 것이기 때문에 만약 코아가 순수 게르마늄과 함께 다른 물질로 도핑되어 있는 광섬유의 경우에는 필터로서의 기능을 할 수 없다. 즉, 이러한 필터는 코어가 게르마늄과 실리카로 만 도핑된 광섬유에서만 가능한 방식이다. 또한 그 제작이 용이하지 않고, 온도 특성 변화가 심하며, 제조시 어븀 도핑 광섬유의의 특성 및 주어진 조건에 따라 필터의 특성을 적합하게 변화시키기 어렵다.

제3도에 도시된 광섬유 격자형 필터 외에도, 편광을 이용한 필터, 광음향 가변 필터 등의 경우는 어븀 도핑 광섬유의 삽입 손실이 커서 제대로 높은 이득의 광증폭기 이득 평탄화가 어렵다.

또 다른 이득 평탕화의 방법으로는, 어븀 도핑 광섬유에 다른 일정한 파장에서 흡수 특성을 지닌 광섬유를 연결하여 필터로 사용하는 것이다. 이것이 필터 사용과 구분되는 것은 어븀 도핑 광섬유의 특성이나 광 증폭기의 사용용도에 따라 도핑되는 특수 희토류 원소의 종류가 달라지기 때문이다. 이와같이, 도핑되는 원소를 달리한 광섬유를 필터로 사용하는 방식에서, 광섬유 제조시나 사용시 필터 특성의 변화가 가능하나, 특수 희토류 원소들을 도핑하여 사용하는 경우에는 그 도핑원소의 성질에 따라 흡수 파장대가 불규칙적으로 나타난다. 따라서, 다른 희토류 원소를 이용한 광섬유 증폭기의 이득은 사용된 어븀 도핑 광섬유에 도핑된 희토류 원소에 따라 그 한계가 정해진다. 즉, 같은 어븀 도핑 광섬유 내에 어븀과 동시에 다른 희토류 원소를 추가로 도핑해 사용할 수 있다. 이 경우 이득 평탄화를 얻을 수도 있으나 그 정도가 정확하게 제어되지 않아 제품의 신뢰성을 보장할 수 없다. 왜냐하면, 종래의 어븀 도핑 광섬유 제조 방법을 사용할 경우 희토류 원소를 고르게 도핑하는 것이 상당히 어렵고, 그 다른 희토류의 특성 역시 이득이 특히 큰 일정한 영역에서 손실을 증가시키는 것이 어렵기 때문이다.

이상 설명한 어븀 도핑 광섬유의 이득을 평탄화시키기 위한 방식들은 어븀 도핑 광섬유와 별개의 다른 필터나 장치들을 어븀 도핑 광섬유와 연결하여 사용해야 하므로, 가격이 높다. 또한 사용된 어븀 도핑 광섬유의 종류에 따라 약간의 특성 변화들이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 별개의 필터나 장치를 사용하지 않아 접속이 필요없을 뿐만 아니라 가격이 싸며, 흡수 파장대가 균일하여 이득 평탄화가 신뢰성 있게 실현될 수 있는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유 및 그 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유는,

어븀 이외에 적어도 한 가지 이상의 다른 희토류 원소가 함께 도핑되어 2중 코아를 형성하며,

길이 방향의 굵기가 일부분 소정의 굵기로 가늘게 형성된 테이퍼부를 구비하여 파장에 따른 광 전달 이득이 조정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 2중 코아는, 어븀이 도핑된 제1코아; 및 상기 제1코아 외부에 테이퍼링시에 특정 파장의 손실을 증가시키기 쉽게 만드는 제2코아;를 구비하여 된 것이 바람직하며,

상기 길이 방향의 굵기는 125㎛이고, 상기 테이퍼부의 굵기는 5~5㎛ 인 것이 바람직하며,

상기 테이퍼부가 전체 길이의 처음 10%에서 90% 사이에 형성된 것이 바람직하다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유의 제조 장치는,

펌핑용 광원;

상기 펌핑용 광원에서 방출되는 광을 집속하기 위한 집속 렌즈;

상기 집속된 광이 이득 매체인 어븀 도핑 광섬유를 통과하면서 얻는 이득을 파장대 별로 관측할 수 있는 광 스펙트럼 분석 수단; 및

상기 어븀 도핑 광섬유의 일부를 소정의 굵기로 가늘게 만들 수 있는 테이퍼링 수단;을

구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 펌핑용 광원은 980nm 혹은 1480nm의 파장을 갖는 광을 발생시키는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유 및 그 제조 장치를 설명한다.

단일 코아 구조로 형성되어 있고, 이 코아의 내부에만 어븀이 도핑되어, 펌핑광이 신호광을 효율적으로 펌핑하도록 되어 있는 일반적인 어븀 도핑 광섬유와 달리, 본 발명에 따른 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유는 2중 코아 구조로 형성된다. 이는 일반적으로 펌프광의 파장(980nm 혹은 1480nm)은 신호광의 파장(1550nm 이상) 보다 짧아서, 중심 코아에서 멀어질수록, 신호광 보다 상대적으로 펌프광이 더욱 심하게 약화된다. 따라서 중심 코아 외부의 두 번째 코아는 신호광의 파장대를 흡수할 수 있는 다른 희토류 원소를 도핑할 수도 있으므로 자연히 첨두값의 1530nm 파장대의 광신호는 작아지게 된다.

제4도 및 제5도는 각각 상기와 같은 원리에 입각하여 제조된 어븀 도핑 광섬유의 실시예의 횡 단면도 및 종방향 외형도이다. 여기서 그 구조를 살펴보면 다음과 같다.

실시예의 어븀 도핑 광섬유는, 제4도에 도시된 바와 같이, 직경 125㎛이고, 그 내부에 어븀이 도핑된 직경 a의 중심 코아(제1코아)와 다른 희토류 원소가 도핑될 수 있는 직경 b의 외부 코아(제2코아)로 형성되어 있다. 여기서 a/b는 특정 값으로 한정된다. 이와 같이 어븀 도핑 광섬유를 제조함으로써, 1530nm 파장에서 첨두값을 나타내는 신호광의 이득은 상대적으로 작아져 이득 평탄화가 이루어진다.

그러나 이러한 구조만으로 정확한 이득 특성을 얻을 수 없으므로, 제5도에 도시된 바와 같이, 어븀 도핑 광섬유 전체 길이의 처음부터 10%~90% 범위 내에서 중앙부나 혹은 그 이외의 특정 지점에 125㎛의 직경(d) 보다 훨씬 작은 5㎛~50㎛의 직경(c)을 갖는 테이퍼부(15)를 형성한다. 공지된 바에 의하면, 이와 같이 광섬유의 일정 부분을 가늘게 늘리는 물리적 변형을 가하면 광섬유의 파장에 따른 광전파도(transmission, 이득)가 변하게 된다. 따라서 어븀 도핑 광섬유의 특정 부위에 테이퍼 구조를 형성함으로써, 제7도에 도시된 바와 같이, 요구되는 특성에 적합한 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유를 얻게된다. 이 제7도의 이득 스펙트럼 선도를 제2도의 종래의 이득 스펙트럼 선도와 비교하여 보았을 때, 1530nm 파장에 대한 이득이 현저히 감소되어 이득이 상당히 평탄화 되었음을 알 수 있다.

한편, 상기와 같은 테이퍼 구조를 형성하는 장치가 제6도에 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 광섬유의 테이퍼형 필터(테이퍼부)의 제조 장치는, 980nm 혹은 1480nm 파장의 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드로 구성된 펌핑용 광원(11), 펌핑용 광원(11)에서 방출되는 광을 집속하여 어븀 도핑 광섬유에 입사시키기 위한 집속 렌즈(12), 집속된 광이 이득 매체인 어븀 도핑 광섬유(3)를 통과하면서 얻는 이득을 파장대 별로 관측할 수 있도록 한 광 스펙트럼 분석기(5, OSA: optical spectrum analyzer) 및 어븀 도핑 광섬유(3)의 일부를 소정의 굵기로 가늘게 만들 수 있는 테이퍼링 시스템(14, tapering system)을 구비한다.

이상과 같은 구성의 장치로 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유를 제조하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 제6도에 도시된 바와 같이, 어븀 도핑 광섬유의 파장에 따른 이득을 측정할 수 있는 광 스펙트럼 분석기(OSA,5)를 어븀 도핑 광섬유(3)와 연결하고, 입력 광신호를 980nm 파장의 레이저 다이오드(11)를 이용하여 입사시킨다. 따라서, 입사된 광신호는 어븀 도핑 광섬유(3) 내의 기저 상태에 있는 전자들을 여기시키며, 이 여기된 전자들은 자발 천이에 의해 증폭된 출력광을 광 스펙트럼 분석기(5)로 방출한다. 이러한 출력광을 광스펙트럼 분석기(5)로 분석하면서, 테이퍼링 시스템(14)을 이용하여 어븀 도핑 광섬유(3)를 천천히 잡아늘인다(테이퍼링 한다.). 이 때, 광 스펙트럼 분석기(5)에 나타나는 이득 스펙트림이 가장 넓게 나타날 때 테이퍼링을 멈추면, 최대로 이득이 평탄화된 어븀 도핑 광섬유를 얻는다. 이러한 펌핑광의 ASE(amplified spontaneous emission)에 의한 방출광의 이득 특성은 대체적으로 입력 광신호의 파장에 따른 이득 특성과 거의 유사한 형태을 지니기 때문에, 상기와 같은 방식의 980nm 펌프광의 자발 방출에 의해 이득 평탄화가 이루어진 어븀 도핑 광섬유는 신호광에 대해서도 거의같은 평탄화된 이득곡선을 나타낸다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유는 코아를 2중 구조로 하고, 어븀이 도핑된 중앙 코아 외부의 제2코아에는 어븀과 다른 희토류 원소를 증착함으로써, 첨두치가 더욱 감쇠되도록 하여 이득을 평탄화하고, 이러한 2중 코아 구조의 어븀 도핑 광섬유의 특정 부위에 광 스펙트럼 분석기 및 테이퍼링 시스템을 구비한 평탄 이득 광섬유 제조 장치로 테이퍼(taper) 구조를 형성함으로써, 소망하는 이득 특성과 더욱 일치하는 평탄회된 이득 특성을 갖는 이득 평탄화용 어븀 도핑 광섬유를 구현할 수 있다.

제1도는 종래의 어븀 도핑 광섬유의 자발 방출 증폭에 의한 이득 스펙트럼 선도,

제2도는 종래의 알루미나가 첨가된 어븀 도핑 광섬유의 이득 스펙트럼 선도,

제3도는 종래의 광섬유 격자형 필터의 제조 공정을 설명하기 위한 개략적 설명도,

제4도는 본 발명에 따른 어븀 도핑 광섬유의 횡 단면도,

제5도는 제4도의 어븀 도핑 광섬유의 종방향 외형도,

제6도는, 제5도에 도시된 광섬유의 테이퍼형 필터(테이퍼부)의 제조공정을 설명하기 위한 설명도,

그리고 제7도는 제4도의 어븀 도핑 광섬유의 이득 스펙트럼 선도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 레이저 광원 2. 그레이팅 마스크

3. 광섬유 4. 백색 광원

5. 광 스펙트럼 분석기 11. 980nm 레이저 다이오드

12. 렌즈 14. 테이퍼링 시스템

15. 테이퍼부

a. 제1코어 직경 b. 제2코어 직경

c. 테이퍼부 직경 d. 광섬유 직경

Claims (7)

1. 어븀 이외에 적어도 한 가지의 다른 희토류 원소가 함께 도핑되어 2중 코아를 형성하며,

   다른 부분에 비해 굵기가 가늘게 형성된 테이퍼부를 구비하여 파장에 따른 광 전달 이득이 조정되는 것을 특징으로 하는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유.
2. 제1항에 있어서,

   상기 2중 코아는,

   어븀이 도핑된 제1코아; 및

   상기 제1코아 외부에 상기 어븀과 다른 희토류 원소 또는 게르마늄을 도핑시켜 펌프광을 흡수하여 피크치 이득을 줄이는 제2코아;를

   구비하여 된 것을 특징으로 하는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유.
3. 제1항에 있어서,

   상기 길이 방향의 굵기는 125㎛이고, 상기 테이퍼부의 굵기는 5~50㎛ 인 것을 특징으로 하는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 테이퍼부가 전체 길이의 처음 10%에서 90% 사이에에 형성된 것을 특징으로 하는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유.
5. 제4항에 있어서,

   상기 테이퍼부가 전체 길이의 중간에 형성된 것을 특징으로 하는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유.
6. 펌핑용 광원:

   상기 펌핑용 광원에서 방출되는 광을 집속하기 위한 집속 렌즈;

   상기 집속된 광이 이득 매체인 어븀 도핑 광섬유를 통과하면서 얻는 이득을 파장대 별로 관측할 수 있는 광 스펙트럼 분석 수단; 및

   상기 어븀 도핑 광섬유의 일부를 소정의 굵기로 가늘게 만들 수 있는 테이퍼링 수단;을

   구비한 것을 특징으로 하는 이득 평탄용 어븀 도핑 광섬유의 제조 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 펌핑용 광원은 980nm 혹은 1480nm의 파장을 갖는 광을 발생시키는 것을 특징으로 하는 어븀 도핑 광섬유의 제조 장치.