KR100396285B1 - 고출력,광대역의광섬유광원 - Google Patents

Abstract

증폭 자발방출광을 2차 펌핑원으로 이용함으로써 1520㎚에서 1560㎚ 사이의 파장대에서 동작하는 고 출력, 광대역의 광섬유 형광 광원에 대해 개시하고 있다. 본 발명의 광섬유 광원은, 광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 연결된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분을 포함하는 광섬유 광원에 있어서, 제1 광섬유 부분에서 나오는 자발 방출광을 제2 광섬유 부분에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 펌핑되지 않는 광섬유 부분에서 쓸모없는 후방 ASE를 전방 증폭단을 위한 광자 씨앗으로 변환시킴으로써 광대역 광섬유 광원의 고 출력 동작이 가능하다.

Description

고 출력, 광대역의 광섬유 광원

본 발명은 광섬유 광원에 관한 것으로, 특히 증폭 자발방출광을 2차 펌핑원으로 이용함으로써 1520㎚에서 1560㎚ 사이의 파장대에서 동작하는 고 출력, 광대역의 광섬유 형광 광원에 관한 것이다.

광대역 광원은, 자이로 센서 및 부품 시험용 광원에서부터 저가의 액세스 네트워크(access network)용의 저미어진 스펙트럼을 갖는 광원까지, 널리 응용될 수 있기 때문에 지속적인 연구대상이 되어 왔다. 특히, 어븀이 도핑된 광섬유(Erbium Doped Fiber; 이하 "EDF")로부터 나오는 증폭 자발 방출광(Amplified Spontaneous Emission; 이하 "ASE")을 이용한 형광 광원은 넓은 스펙트럼 영역, 높은 출력 세기 및 낮은 접합 손실 특성을 갖기 때문에 상기 광대역 광원의 가장 좋은 후보로 여겨졌었다. 하지만, EDF 광대역 광원에 대한 연구노력은 대부분의 광통신 소자 및 종래의 어븀이 도핑된 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; 이하 "EDFA")가 동작하는 파장영역인 1520㎚에서 1560㎚ 사이에서 이루어졌다. 그러나, 최근 광섬유 통신의 확장에 대한 당면 요청이 장파장 대역(1570㎚∼1610㎚) 광 증폭기의 개발을 선도하였고, 이에 따라 고 효율의 펌프 및 상기 광대역 장파장에서 동작하는 고 출력 광원에 대한 개발도 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 출력세기 및 펌핑 효율이 높은 광섬유 광원을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 광대역 장파장에서 동작하는 광섬유 광원을 제공하는 데 있다.

도 1a는 종래의 EDF 형광 광원의 개략적 구성도;

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 EDF 형광 광원의 개략적 구성도;

도 2a는 다양한 길이의 EDF Ⅱ를 채용한 상태에서 종래의 EDF 형광 광원의 ASE 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 2b는 다양한 길이의 EDF Ⅱ를 채용한 상태에서 본 발명의 실시예에 따른 광대역 EDF 형광 광원의 ASE 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 3은 출력 세기를 크게 향상시키기에 충분한 후방 ASE가 존재하는 것을 확인하기 위한 장치의 구성도;

도 4a는 EDF Ⅰ에서 나오는 후방 ASE 스펙트럼을 도 3의 A 지점에서 측정한 그래프;

도 4b는 도 3의 B 지점에서 측정된 전방 ASE 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

상기한 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 광원은, 광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 연결된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분을 포함하는 광섬유 광원에 있어서, 상기 제1 광섬유 부분에서 나오는 자발 방출광을 상기 제2 광섬유 부분에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 재활용수단을: 상기 제1 및 제2 광섬유 부분의 사이에 삽입된 파장분할다중 결합기와; 상기 파장분할다중 결합기에 연결된 광 펌핑수단을 구비하도록 구성할 수 있다.

이 때, 상기 제1 및 제2 광섬유 부분들이 각각 어븀 도핑 광섬유인 것이 바람직하며, 상기 제2 광섬유 부분의 단부 중 상기 제1 광섬유 부분과 제2 광섬유 부분의 결합부의 반대쪽에 해로운 발진 효과를 방지하기 수단을 더 구비한 것이 바람직하다.

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

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

도 1a는 종래의 EDF 형광 광원의 개략적 구성도이다.

도 1a를 참조하면, 전방(forward) 펌핑수단에 의해 펌핑되는 EDF영역(EDF Ⅰ)과 펌핑되지 않는 EDF영역(EDF Ⅱ)을 차례로 거쳐 발진한 광이 출력광(20)으로서 나오게 된다. 전방 펌핑수단은 980㎚의 레이저 다이오드(10)로서, 980/1550㎚ 파장분할 다중(Wavelength Division Multiplexing; 이하 "WDM") 결합기(30)에 의해 연결된다. 여기서, 광의 진행방향을 일방향으로 유도하기 위해 출력단에 광고립기(40)가 사용되었다. 그러나, 이러한 종래의 EDF 형광 광원은 출력광의 세기가 약할 뿐 아니라 동작 파장대역이 좁다는 문제점이 있다.

도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 EDF 형광 광원의 개략적 구성도이다. 본 발명에서 후방(backward) 펌핑구조를 채택한 광대역 광원에 대해서는 고려하지 않았는데, 이러한 구조에서는 종래와 마찬가지로 주로 단파장 대역에서 자발 방출이 발생하기 때문이다. 도 1a 및 도 1b에서 각각 사용된 EDF의 총 길이는 동일하였으나, 펌핑광의 주입 위치에 관련한 광섬유 부분(EDF Ⅱ)의 배치가 서로 달랐다. 다시 말해, 두 가지 구성에 있어서 가장 극명한 차이는, 도 1b의 EDF Ⅱ는 펌핑을 행하는 레이저 다이오드(10')보다 먼저 위치하기 때문에, 도 1b의 EDF Ⅱ에는 펌핑광이 통과하지 않는다는 것이다. 도 1a 및 도 1b의 광원들을 서로 명확히 비교하기 위해, EDF Ⅰ 및 EDF Ⅱ를 포함한 모든 구성요소는 동일하게 구성하였다. 여기에 사용된 EDF는 1530㎚ 파장에서 최대 흡수계수가 4.5㏈/m인 것으로서 상업적으로 구입가능한, 알루미늄 공동 도핑된(Al-codoped) 실리카 광섬유였다. EDF Ⅰ의 길이는 135m로 고정시켰으며, 980㎚ 레이저 다이오드의 펌핑 세기는 두 경우 모두에 대해 60㎽로 설정되었다. 또한, 해로운 발진 효과를 방지하기 위해, 광섬유의 입력단에는 각진 클리빙(angled cleaving; 50)이 행해졌으며, 출력단에는 광 고립기(40)가 사용되었다. 각진 클리빙 대신에 광섬유의 입력단에 광 고립기를 더 설치해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 펌핑되지 않는 광섬유 부분의 길이에 대한 형광 출력 세기의 의존성을 관찰하기 위해 EDF Ⅱ의 길이를 0, 5, 35, 75, 110 및 200m로 변화시켰다.

도 2a는 다양한 길이의 EDF Ⅱ를 채용한 상태에서 종래의 EDF 형광 광원의 ASE 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 2a를 참조하면, 전방 펌핑되는 종래의 거에 대해서는, 출력 ASE의 세기 및 방사 대역폭이 EDF Ⅱ의 길이에 따라 급격히 감소함을 알 수 있다.

도 2b는 다양한 길이의 EDF Ⅱ를 채용한 상태에서 본 발명의 실시예에 따른 광대역 EDF 형광 광원의 ASE 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 2a의 결과와는 대조적으로, 도 2b를 참조하면 EDF Ⅱ의 증가에 따라 급격한 출력 ASE의 세기도 증가했을 뿐 아니라 방사 대역폭도 약간 넓어졌음을 알 수 있다. 상기 출력 세기의 향상은, 펌핑광과 반대로 진행하는 쓸모 없는 ASE를 펌핑되지 않는 EDF 영역(EDF Ⅱ)에 대한 1550㎚ 펌핑원으로 재활용하여, 다음 증폭단의 씨앗이 되는 광자를 1600㎚ 대역에서 생성시킨 데 기인한 것으로 보인다. 펌핑되지 않는 EDF가 없는 종래의 구조(도 2를 참조하면, 0m의 EDF Ⅱ에 해당하며 전체 출력세기는 0.61㎽)와 비교하면, 펌핑되지 않는 EDF의 길이가 200m일 때 전체 출력 세기에 있어서 10㏈ 이상의 증가가 관찰되었으며, 전체 출력 세기는 6.7㎽였다. 한편, 펌핑되지 않는 EDF의 길이의 최적값을 알아내기 위해 235m 및 270m로 변화시켜 동일한 관찰을 행하였으나, 출력 세기의 현저한 변화는 관찰되지 않았다. 따라서, 본 실시예의 경우에는 펌핑되지 않는 EDF의 길이를 200m 정도로 설정하는 것이 효과적임을 알 수 있었다. 그러나, 이 값은 펌핑광의 파장, 펌핑 세기, 펌핑되는 EDF(EDF Ⅰ)의 길이 등의 장치 설계 상의 파라미터에 의존하는 값이므로 이를 일률적으로 최적화할 수 없다.

한편, 출력 세기를 크게 향상시키기에 충분한 후방 ASE가 존재하는 것을 확인하기 위해, 도 3에 도시하는 바와 같이 서큐레이터(circulator; 60)를 사용한 장치구성을 통해 후방 ASE 스펙트럼을 측정하였다. 즉, 본 장치는 EDF Ⅰ에서 EDF Ⅱ로 가는 후방 ASE에 의한 펌핑효과를 입증하기 위한 것이다.

도 4a는 EDF Ⅰ에서 나오는 후방 ASE 스펙트럼을 도 3의 A 지점에서 측정한 그래프이다. 이 측정은 0.2㎚ 분해능 대역폭으로 이루어졌는데, 도 4a를 참조하면, -30㏈m 이상의 광 출력 세기를 갖는 대역폭은 1520㎚에서 1580㎚에 이르는 약 60㎚의 파장대임을 알 수 있다. 서큐레이터에 기인한 1㏈ 삽입손실을 정규화한 후 후방 ASE의 총괄적인 전체 출력 세기는 19.9㎽였는데, 이는 980㎚의 전체 펌핑 세기의 약 33.2% 수준에 이르는 것이었다.

한편, 상기 후방 ASE를 200m 길이의 EDF Ⅱ로 입력한 후, 도 3의 B 지점에서 전방 ASE 스펙트럼을 측정하여 도 4b에 나타내었다.

도 4b를 참조하면, 전방 펌핑되는 EDF 부분에서 증폭을 위한 광자 씨앗역할을 하기에 충분한 광자들이 1525㎚에서 1630㎚ 사이의 파장대에서 생성되었음을 알 수 있다.

이러한 측정결과로부터, 펌핑 레이저 다이오드의 앞에 펌핑되지 않는 EDF를 위치시키면 다음 증폭단을 위한 광자 씨앗 생성기 역할을 하여 펌핑 세기를 효율적으로 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 1520㎚에서 1560㎚ 사이의 파장대에서 동작하는 고 출력,광대역의 EDF 광원을 구현할 수 있다. 즉, 펌핑되지 않는 광섬유 부분에서 쓸모없는 후방 ASE를 전방 증폭단을 위한 광자 씨앗으로 변환시킴으로써 광대역 광섬유 광원의 고 출력 동작이 가능하다.

실시예의 결과, 전체 방사대역에서 10㏈ 이상의 출력 ASE 세기 증가가 관찰되었다. 따라서, 동일한 방식으로 다른 펌핑 파장에 대해서도 광대역 광섬유 광원의 효율향상이 기대된다. 또한, 낮은 대역의 후방 ASE를 2차 펌핑원으로 재활용하면 1.58㎛ 대역 EDFA들의 펌핑 변환 효율의 향상에도 응용될 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 연결된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분을 포함하는 광섬유 광원에 있어서,

   상기 제1 광섬유 부분에서 나오는 자발 방출광을 상기 제2 광섬유 부분에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.
2. 제1항에 있어서, 상기 재활용수단은;

   상기 제1 및 제2 광섬유 부분의 사이에 삽입된 파장분할다중 결합기와;

   상기 파장분할다중 결합기에 연결된 광 펌핑수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광섬유 부분들이 각각 어븀 도핑 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 광원.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2 광섬유 부분의 단부 중 상기 제1 광섬유 부분과 제2 광섬유 부분의 결합부의 반대쪽에 각진 클리빙을 행함을 특징으로 하는 광섬유 광원.