KR100415804B1 - Optical fiber rare earths and an optical amplifier using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 희토류 첨가 광섬유 및 이를 이용한 광증폭기에 관한 것으로, 특히 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 소정 간격 이격되어 코어에 형성된 광섬유를 제시함으로써 어븀의4I13/2→4I15/2천이와 툴륨의3H4→3F4천이를 동시에 이용하여 1450∼1620㎚ 범위에서 광 이득을 발생시킬 수 있고, 1480∼1530㎚ 대역에서 효율적으로 광이득을 제공하는 희토류 첨가 광섬유 및 이를 이용한 광증폭기가 제시된다.The present invention relates to a rare earth-added optical fiber and an optical amplifier using the same. In particular, the present invention relates to a 4 I 13/2 → 4 I 15/2 transition of erbium by presenting an optical fiber formed in a core at a predetermined interval apart from a thulium layer. A rare earth-added optical fiber and an optical amplifier using the same, which can generate optical gain in the range of 1450-1620 nm by simultaneously using 3 H 4 → 3 F 4 transition of thulium, Presented.
Description
본 발명은 희토류 첨가 광섬유 및 이를 이용한 광증폭기에 관한 것으로, 특히 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 소정 간격 이격되어 코어에 형성된 광섬유를 개진함으로써 어븀의4I13/2→4I15/2천이와 툴륨의3H4→3F4천이를 동시에 이용하여 1450∼1620㎚ 범위에서 광 이득을 발생시킬 수 있고, 1480∼1530㎚ 대역에서 효율적으로 광이득을 제공하는 희토류 첨가 광섬유 및 이를 이용한 광증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to a rare earth-added optical fiber and an optical amplifier using the same. In particular, the transition of 4 I 13/2 → 4 I 15/2 from erbium is achieved by opening the optical fiber formed in the core at a predetermined interval apart from the thulium layer. A rare-earth-added optical fiber and an optical amplifier using the same can be generated using the 3 H 4 → 3 F 4 transition of thulium at the same time to generate an optical gain in the range of 1450-1620 nm and efficiently provide optical gain in the 1480-1530 nm band. It is about.
광전송 용량의 수요 증가를 충족시키기 위한 핵심적인 기술의 하나로써 파장분할 다중 전송 방식이 활발히 연구되고 있으며, 따라서 더 넓은 이득 대역폭을 갖는 광증폭기가 요구되고 있다. 어븀 첨가 광섬유 증폭기가 이득을 나타내는 1530∼1610㎚ 대역을 이용하는 기존의 파장분할 다중 광전송 방식에 추가될 가능성이 큰 파장 대역이 1480∼1520㎚ 대역이다. 툴륨 이온의3H4→3F4천이를 이용하여 상기 파장 대역에서 광이득을 얻을 수 있는 광섬유 증폭기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때, 증폭기용 광섬유로써 불화물계 광섬유를 이용하는 것이 광이득을 높이는데 도움이 된다. 이는 불화물계 광섬유의 포논 에너지(∼500㎝-1)가 일반적인 화학 기상 증착(chemical vapor deposition) 방법으로 제작되는 실리카 광섬유의 포논 에너지(∼1100㎝-1)보다 작아서 다중 포논 완화에 의한 상위 준위의 형광수명의 저하를 최소화할 수 있기 때문이다. 즉, 툴륨 첨가 불화물계 광섬유를 이용하는 경우 1480∼1520㎚ 범위에서 ∼20㏈ 이상의 소신호 이득을 얻을 수 있으나 실리카 광섬유를 사용하면 이득이 ∼7㏈ 수준으로 낮아지게 되는 것이다.(B. Cole and M. L. Dennis, "S-band amplification in a thulium doped silicate fiber," Proceedings of Optical Fiber Communications 2001, TuQ3-1.) 그러나 실리카 유리에 기반한 광섬유는 기존 전송용 광섬유와의 접속성이 좋을 뿐더러 장기적 내구성이 우수하고 펌프광의 세기에 대한 광섬유의 비선형성이 상대적으로 작다. 한편, 실용적인 어븀 첨가 실리카 광섬유 증폭기의 이득 파장은 약 1530㎚ 이상으로 고정되고 있으나 실제 어븀 이온의4I13/2→4I15/2천이의 유도방출은 1500㎚ 부근에서도 발생 가능하다. 그러나, 1500∼1520㎚ 사이의 파장에서는 유도방출 단면적 값이 비교적 작은 반면 흡수 단면적 값이 커서 1530㎚ 이상의 파장에서보다 큰 광이득을 얻기 어렵지만 ∼1500㎚ 파장에서 ∼15㏈ 정도의 소신호 이득을 얻을 수 있다. 결국, 툴륨 첨가 실리카 광섬유와 어븀 첨가 실리카 광섬유를 독립적으로 사용하는 경우 1480∼1530㎚ 대역에서 광이득이 작게 되지만 각각의 증폭기로부터 발생하는 광이득이 겹치는 파장 대역에서는 총 광이득의 향상을 기대할 수 있다. 이러한 예로써, 툴륨 첨가 실리카 광섬유 증폭기와 어븀 첨가 실리카 광섬유 증폭기를 직렬로 연결하여 1480∼1520㎚ 대역에서 이득을 향상시키고자 한 실험결과가 보고되었다.(T. Segi, T. Aizawa, T. Sakai and A. Wada, "Silica-based composite fiber amplifier with 1480-1560㎚ seamless gain-band," Proceeding of OECC/IOOC 2001, pp.577-578.) 이러한 증폭기의 구성은 독립적으로 작동하는 두 개의 광섬유 증폭기를 직렬로 연결하여 이루어지며 구성에 필요한 부품의 수가 많아지는 단점이 있으며 부피가 커지는 단점이 있다.As one of the key technologies to meet the increasing demand for optical transmission capacity, wavelength division multiplex transmission schemes are being actively researched, and thus an optical amplifier having a wider gain bandwidth is required. A wavelength band 1480-1520 nm is most likely to be added to the existing wavelength division multiplexing optical transmission scheme in which the erbium-doped optical fiber amplifier uses the gain 1530-1610 nm band. Research into an optical fiber amplifier capable of obtaining optical gain in the wavelength band by using 3 H 4 → 3 F 4 transition of thulium ions has been actively conducted. At this time, using a fluoride-based optical fiber as the optical fiber for the amplifier helps to increase the light gain. This is because the phonon energy (~ 500cm -1 ) of the fluoride optical fiber is smaller than the phonon energy (~ 1100cm -1 ) of the silica optical fiber produced by the general chemical vapor deposition method. This is because the reduction in fluorescence lifetime can be minimized. In other words, when a thulium-doped fluoride-based optical fiber is used, a small signal gain of ~ 20 dB or more can be obtained in the range of 1480 to 1520 nm, but when the silica optical fiber is used, the gain is lowered to a level of ~ 7 mW (B. Cole and ML). Dennis, "S-band amplification in a thulium doped silicate fiber," Proceedings of Optical Fiber Communications 2001, TuQ3-1.) However, silica glass-based optical fibers not only have good connectivity with existing transmission optical fibers, but also have long-term durability. The nonlinearity of the optical fiber with respect to the intensity of the pump light is relatively small. On the other hand, although the gain wavelength of the practical erbium-added silica optical fiber amplifier is fixed at about 1530 nm or more, the induced emission of 4 I 13/2 → 4 I 15/2 transition of erbium ions can occur in the vicinity of 1500 nm. However, at wavelengths between 1500 and 1520 nm, the induced emission cross-sectional area is relatively small, while the absorption cross-sectional area is large, making it difficult to obtain a larger optical gain than at wavelengths of 1530 nm or more. Can be. As a result, when the thulium-added silica fiber and the erbium-added silica fiber are used independently, the optical gain is small in the 1480 to 1530 nm band, but the total optical gain can be expected to be improved in the wavelength band where the optical gains generated from the respective amplifiers overlap. . As an example, experimental results have been reported to improve the gain in the 1480 to 1520 nm band by connecting a thulium-doped silica fiber amplifier and an erbium-doped silica fiber amplifier in series (T. Segi, T. Aizawa, T. Sakai). and A. Wada, "Silica-based composite fiber amplifier with 1480-1560 nm seamless gain-band," Proceeding of OECC / IOOC 2001, pp.577-578.) The configuration of these amplifiers is independent of two fiber amplifiers. It is made by connecting in series and has the disadvantage of increasing the number of components required for configuration and has the disadvantage of becoming bulky.
본 발명의 목적은 어븀의4I13/2→4I15/2천이와 툴륨의3H4→3F4천이를 동시에 이용하여 1450∼1620㎚ 범위에서 광 이득을 발생시킬 수 희토류 첨가 광섬유를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a rare earth-added optical fiber which can generate an optical gain in the range of 1450 to 1620 nm by simultaneously using a 4 I 13/2 → 4 I 15/2 transition of erbium and a 3 H 4 → 3 F 4 transition of thulium. To provide.
본 발명의 다른 목적은 툴륨과 어븀 사이의 비복사 에너지 전달로 인한 증폭기의 이득 저하를 없애고 각 이온이 제공하는 광이득이 겹쳐지는 1480∼1530㎚ 대역에서 이득을 향상시킬 수 있는 희토류 첨가 광섬유를 이용한 광증폭기를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to use a rare-earth-added optical fiber that can improve the gain in the band 1480 ~ 1530nm where the gain gain of each ion overlaps, eliminating the gain reduction of the amplifier due to the non-radiative energy transfer between thulium and erbium. To provide an optical amplifier.
본 발명에서는 광섬유의 코어부에 툴륨과 어븀을 동시에 첨가한 광섬유를 개진하고 이로부터 각각의 이온으로부터 발생하는 광이득을 동시에 이용할 수 있게 한다. 이때, 툴륨과 어븀 이온이 광섬유의 코어부에 공동으로 첨가되는 것이 아니고 구분되어 첨가되는 것을 주의해야 한다. 즉, 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 겹치지 않는 것이다. 툴륨과 어븀이 코어에 공동 첨가될 때 발생하는 문제점을 설명하면 다음과 같다.According to the present invention, an optical fiber in which thulium and erbium are simultaneously added to the core portion of the optical fiber is opened, and the light gain generated from each ion can be simultaneously used. At this time, it should be noted that thulium and erbium ions are not added to the core portion of the optical fiber but separately. That is, a thulium addition layer and an erbium addition layer do not overlap. The problem that occurs when thulium and erbium are co-added to the core is described as follows.
도 1은 +3가 어븀 이온과 +3가 툴륨 이온의 4f 궤도 내 에너지 준위를 도시한 것이다. 두 이온의 에너지 준위가 겹치거나 유사한 부분이 있음을 알 수 있으며, 이러한 경우 두 이온 사이의 비복사 에너지 전달이 발생할 수 있게 된다. 비복사 에너지 전달을 발생하게 하는 또 다른 조건은 두 이온간 거리이다. 즉, 일반적으로 비복사 에너지 전달율이 이온간 거리의 -6승에 비례하기 때문에 이온간 거리가 가까와질수록 비복사 에너지 전달율은 급격히 커지게 되는 것이다. 구체적인 예로써, 광섬유의 코어부에 어븀과 툴륨을 공동 첨가하게 되면, 임의의 두 이온간 거리가 수 ㎚로 작아지게 된다. 따라서 두 이온 사이에 비복사 에너지 전달이 발생하고 이로써 형광 발생 준위의 형광수명이 작아지게 된다. 형광수명은 광섬유 증폭기의 이득을 결정하는 중요한 인자중의 하나이며 형광수명이 작아지면 증폭기의 이득 또한 작아지게 된다. 두 이온에서 형광 천이가 발생하는 준위는 툴륨의 경우3H4이며 어븀의 경우는4I11/2이다. 형광 발생 준위를 포함하는 비복사 에너지 전달에는 Tm3+:3H4→Er3+:4I9/2와 Er3+:4I13/2→Tm3+:3F4가 있으며 기타, 이러한 형광 발생 준위를 포함하는 Tm3+(3H4):Er3+(4I15/2) →Tm3+(3F4):Er3+(4I13/2)와 같은 교차 완화(cross relaxation) 기구가 작용할 수 있다. 결국, 광섬유의 코어부에 어븀 이온과 툴륨 이온을 공동 첨가하면 다양한 형태의 비복사 에너지 전달이 발생하며 이러한 비복사 형태의 에너지 전달은 어븀 이온과 툴륨 이온의 형광수명의 저하를 초래하고 이는 증폭기의 이득을 저하시킨다. 즉, 광섬유의 코어에 툴륨과 어븀을 공동 첨가하는 한, 두 이온 사이의 비복사 에너지 전달을 피할 수 없게 된다.Figure 1 shows the energy levels in the 4f orbit of + trivalent erbium ions and + trivalent thulium ions. It can be seen that the energy levels of the two ions overlap or are similar, in which case non-radiative energy transfer between the two ions can occur. Another condition that causes non-radiative energy transfer is the distance between two ions. That is, in general, since the non-radiative energy transfer rate is proportional to the -6 power of the inter-ion distance, the non-radiated energy transfer rate rapidly increases as the distance between the ions approaches. As a specific example, when erbium and thulium are jointly added to the core portion of the optical fiber, the distance between any two ions becomes small by several nm. Therefore, non-radiative energy transfer occurs between the two ions, thereby reducing the fluorescence lifetime of the fluorescence generation level. The fluorescence lifetime is one of the important factors that determine the gain of an optical fiber amplifier, and the smaller the fluorescence lifetime, the smaller the gain of the amplifier. The level of fluorescence transition in both ions is 3 H 4 for thulium and 4 I 11/2 for erbium. Non-radiative energy transfers, including fluorescence generation levels, include Tm 3+ : 3 H 4 → Er 3+ : 4 I 9/2 and Er 3+ : 4 I 13/2 → Tm 3+ : 3 F 4 . Tm 3+ ( 3 H 4 ): Er 3+ ( 4 I 15/2 ) → Tm 3+ ( 3 F 4 ): Er 3+ ( 4 I 13/2 ) (cross relaxation) mechanisms can work. As a result, co-addition of erbium ions and thulium ions to the core of an optical fiber causes various forms of non-radiative energy transfer, and these non-radiative forms of energy transfer result in a decrease in the fluorescence lifetime of erbium ions and thulium ions. Lowers the gain. In other words, as long as thulium and erbium are co-added to the core of the optical fiber, non-radiative energy transfer between the two ions cannot be avoided.
상기와 같은 비복사 에너지 전달을 막기 위하여 본 발명에서는 광섬유의 코어에 툴륨이 첨가되는 부분과 어븀이 첨가되는 부분을 격리하는 것에 주안점을 둔다. 구체적으로, 일반적인 비복사 형태의 에너지 전달율이 이온간 거리의 -6승에 비례하기 때문에 이온간 거리가 약 50㎚ 이상이 되면 거의 발생하지 않게 되므로 어븀 첨가층과 툴륨 첨가층 사이의 거리를 최소한 50㎚ 이상으로 유지하게 된다. 결과적으로, 각각의 펌프광에 의하여 단독으로 또는 공동으로 여기된 어븀 이온과 툴륨 이온은 독립적으로 1450∼1620㎚ 범위에서 이득을 나타내게 되며 툴륨에 의한 이득과 어븀에 의한 이득이 겹치게 되는 1480∼1520㎚ 파장에서는 광이득이 커지게 되는 효과가 있다. 이 파장 대역은 파장분할 다중화 광전송 방식에서 중요하게 고려되는 파장으로써 본 발명에서 개진하는 증폭기가 이 대역에서 작동하는 효과적인 증폭기가 된다.In order to prevent the non-radiative energy transfer as described above, the present invention focuses on isolating the part to which thulium is added and the part to which erbium is added to the core of the optical fiber. Specifically, since the general non-radiative energy transfer rate is proportional to the −6 power of the ion distance, since the ion distance is about 50 nm or less, it hardly occurs, so the distance between the erbium layer and the thulium layer should be at least 50. It is maintained at nm or more. As a result, the erbium ions and the thulium ions excitedly or jointly excited by each pump light independently exhibit a gain in the range of 1450 to 1620 nm, and a wavelength of 1480 to 1520 nm at which the gain by thulium and the gain by erbium overlap. In this case, the light gain is increased. This wavelength band is considered as an important wavelength in the wavelength division multiplexing optical transmission scheme, and the amplifier advancing in the present invention becomes an effective amplifier operating in this band.
도 1은 +3가 어븀 이온과 +3가 툴륨 이온의 에너지 준위를 나타낸 도면.1 is a diagram showing energy levels of + trivalent erbium ions and + trivalent thulium ions.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유의 단면도 및 평면도.2 (a) and 2 (b) are a cross-sectional view and a plan view of an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유의 단면도 및 평면도.3 (a) and 3 (b) are a cross-sectional view and a plan view of an optical fiber according to another embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 광증폭기의 일예를 나타낸 도면.4 is a view showing an example of an optical amplifier using an optical fiber according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
11 및 21 : 코어 및 클래드 계면 12 및 22 : 어븀 첨가층11 and 21: core and clad interface 12 and 22: erbium added layer
13 및 23 : 툴륨 첨가층13 and 23: thulium addition layer
41 : 신호 소스 42 : 펌프 소스41: signal source 42: pump source
43 : 광 결합기 44 : 광섬유43: optical coupler 44: optical fiber
45 : 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 분리되어 형성된 코어부45: core portion formed by separating the thulium layer and the erbium layer
본 발명의 일실시 예에 따른 희토류 첨가 광섬유는 코어 및 클래드로 이루어진 광섬유에 있어서, 상기 코어의 중앙부에 툴륨 첨가층이 형성되고, 상기 툴륨 첨가층과 50㎚ 이상 이격되어 어븀 첨가층이 형성된 것을 특징으로 한다.In the rare earth-added optical fiber according to an embodiment of the present invention, in the optical fiber consisting of a core and a clad, a thulium added layer is formed at the center of the core, and an erbium added layer is formed at a distance of 50 nm or more from the thulium added layer. It is done.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 희토류 첨가 광섬유는 코어 및 클래드로 이루어진 광섬유에 있어서, 상기 코어의 중앙부에 어븀 첨가층이 형성되고, 상기 어븀 첨가층과 50㎚ 이상 이격되어 툴륨 첨가층이 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, in the rare earth-added optical fiber according to another embodiment of the present invention, in the optical fiber consisting of a core and a clad, an erbium-added layer is formed at the center of the core, and the erbium-added layer is separated from the erbium-added layer by 50 nm or more to form a thulium-added layer. It is characterized by.
한편, 본 발명에 따른 희토류 첨가 광섬유를 이용한 광증폭기는 펌프광을 출력하기 위한 펌프 소스와, 상기 신호광과 상기 펌프광을 결합하기 위한 광결합기와, 코어 및 클래드로 이루어져, 상기 코어의 내부에 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 소정 간격 이격되어 형성되어 상기 광결합기로부터 결합된 광을 증폭하기 위한 광섬유를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.On the other hand, the optical amplifier using a rare earth-added optical fiber according to the present invention comprises a pump source for outputting the pump light, an optical coupler for coupling the signal light and the pump light, a core and a clad, the thulium addition layer inside the core And an erbium-added layer are formed at predetermined intervals, and comprises an optical fiber for amplifying the light coupled from the optical coupler.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 2(a) 및 도 2(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 툴륨과 어븀이 첨가된 광섬유의 단면도 및 평면도이다. 툴륨 첨가층(13)은 광섬유 코어의 중앙부에 위치하며 어븀 첨가층(12)은 툴륨 첨가층(13)으로부터 최소한 50㎚ 이격되어 형성된다. 이 경우 툴륨 이온의 속박 계수(confinement factor)가 어븀 이온의 속박 계수보다 커지게 된다. 따라서 툴륨 이온을 여기시키기 위하여 사용되는 펌핑광이 툴륨 첨가층(13)과 많이 겹치게 되어 어븀보다 툴륨을 여기시키는 데 유리한 점이 있다. 즉, 어븀 이온이 발생시키는 이득보다 툴륨 이온으로부터 발생하는 이득을 효과적으로 향상시키기 위해서는 툴륨 첨가층(13)이 광섬유 코어부의 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.2 (a) and 2 (b) are a cross-sectional view and a plan view of an optical fiber to which thulium and erbium are added according to an embodiment of the present invention. The thulium addition layer 13 is located at the center of the optical fiber core and the erbium addition layer 12 is formed at least 50 nm away from the thulium addition layer 13. In this case, the confinement factor of the thulium ion becomes larger than that of the erbium ion. Therefore, the pumping light used to excite thulium ions overlaps with the thulium addition layer 13, which is advantageous in exciting thulium over erbium. That is, in order to effectively improve the gain which arises from a thulium ion rather than the gain which an erbium ion produces, it is preferable that the thulium addition layer 13 is located in the center of an optical fiber core part.
실리카 광섬유를 제작하는 가장 일반적인 방법인 변형된 화학 기상 증착(modified chemical vapor deposition; MCVD) 방법을 적용하여 본 발명에서 개진하는 광섬유 제작 예를 기술한다. 코어부를 구성하는 슈트(soot) 증착 단계에서 희토류 이온을 첨가할 때는 에어로졸(aerosol) 형태나 증기(vapor) 형태로써 희토류 이온의 전구체를 모재 튜브에 넣을 수 있다. 한편, 용해 도핑(solution doping)을 하는 경우, 모재 튜브를 희토류가 첨가된 용액에 넣어 용액이 슈트(soot) 사이에 침투하게 되고 이를 건조하고 치밀화 하면 된다. 한편, 알루미늄을 희토류와 공동으로 첨가하면 희토류 이온의 용해도가 증가하게 된다. 동시에 알루미늄은 광섬유의 굴절률을 향상시키는 역할을 한다. 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층을 분리하여 두 이온간 비복사 에너지 전달이 발생하지 않도록 해주는 최소 50㎚ 두께의 중간층은 희토류 이온이 첨가되지 않고 단지 Ge와 Al만이 첨가된다. 결과적으로, 코어부의 굴절률은 Ge와 Al이 첨가됨으로써 높아지게 되는 것이다. 첨가되는 툴륨과 어븀의 농도는 펌프 파장 및 세기, 광섬유의 길이 등을 모두 고려하여 결정하여야 한다. 일반적으로 툴륨의 유도방출 단면적이 어븀보다 작기 때문에 툴륨의 농도가 어븀의 농도보다 큰 것이 좋다. 또한, 툴륨과 어븀이 코어부에 제한(confine)되는 정도 또한 펌프 파장 및 세기, 첨가 농도 등을 고려해서 결정해야 한다.The optical fiber fabrication example disclosed in the present invention is described by applying a modified chemical vapor deposition (MCVD) method, which is the most common method of fabricating a silica optical fiber. When the rare earth ions are added in the soot deposition step constituting the core part, precursors of the rare earth ions may be introduced into the base tube in the form of an aerosol or vapor. On the other hand, in the case of solution doping, the base tube is placed in a solution to which rare earth is added, so that the solution penetrates between the chutes, and it is then dried and densified. On the other hand, adding aluminum jointly with rare earths increases the solubility of rare earth ions. At the same time, aluminum serves to improve the refractive index of the optical fiber. At least 50 nm thick intermediate layer that separates the thulium layer from the erbium layer so that non-radiative energy transfer between the two ions does not occur, rare earth ions are added and only Ge and Al are added. As a result, the refractive index of the core portion is increased by adding Ge and Al. The concentration of thulium and erbium to be added should be determined in consideration of the pump wavelength and intensity, the length of the optical fiber, and the like. In general, the concentration of thulium is higher than that of erbium because the induced emission cross-sectional area of thulium is smaller than that of erbium. In addition, the degree of confinement of thulium and erbium in the core portion must also be determined in consideration of the pump wavelength and intensity, the addition concentration, and the like.
툴륨 첨가층(13)과 어븀 첨가층(12)을 분리함으로써 두 이온 사이의 비복사 에너지 전달을 막을 수 있으나 또 다른 에너지 전달의 형태인 복사 에너지 전달(radiative energy transfer)을 최소화하여야 한다. 즉, 어븀 이온의4I15/2→4I13/2흡수 천이는 약 1470㎚부터 시작되고 이 파장은 툴륨 이온이 이득을 나타내는 영역이므로 어븀의 흡수로 인하여 툴륨의 이득이 낮아질 수 있다. 반대로, 툴륨 이온의3H6→3F4흡수 천이의 약 1530㎚부터 시작되기 때문에 이 흡수 천이로 인하여 어븀 이온의4I13/2→4I15/2천이의 유도방출로써 얻어지는 이득이 낮아질 수 있다. 그러나 광펌핑에 의하여 기저상태에 있는 전자가 여기되어 밀도반전이 발생하면 이러한 기저상태 흡수의 세기는 현저히 줄어들게 된다. 본 발명에서는 어븀 이온과 툴륨 이온을 여기하기 위하여 독자적인 펌핑광을 사용하기 때문에 광펌핑 시 각 이온의 바닥 상태에 있는 분율이 매우 작아지게 되고 따라서 기저상태 흡수에 의한 이득 저하가 최소화된다.By separating the thulium layer 13 and the erbium layer 12, it is possible to prevent the non-radiative energy transfer between the two ions, but should minimize the radiant energy transfer, which is another form of energy transfer. That is, the 4 I 15/2 → 4 I 13/2 absorption transition of the erbium ion starts from about 1470 nm, and this wavelength is a region where the thulium ion gains, so the gain of thulium may be lowered due to the absorption of erbium. On the contrary, since the absorption starts from about 1530 nm of the 3 H 6 → 3 F 4 absorption transition of thulium ions, the absorption transition lowers the gain obtained by the induced emission of the 4 I 13/2 → 4 I 15/2 transition of the erbium ions. Can be. However, when the electrons in the ground state are excited by the optical pumping and the density inversion occurs, the strength of the ground state absorption is significantly reduced. In the present invention, since a unique pumping light is used to excite the erbium ions and the thulium ions, the fraction in the bottom state of each ion during the optical pumping becomes very small, thereby minimizing the gain reduction due to the ground state absorption.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유의 단면도 및 평면도로서, 어븀 첨가층(22)이 코어부의 중앙에 위치하고 툴륨 첨가층(23)이 바깥쪽에 위치한 일례를 도시하였다. 이 경우 어븀의 펌핑광이 어븀 첨가층(22)과 많이 겹치게 되어 어븀 이온을 여기하는 것이 툴륨을 여기하는 것보다 용이해 진다. 따라서 증폭기의 이득 대역은 어븀 첨가 증폭기 경우와 유사하게 된다. 결과적으로 코어의 중앙부에 위치하는 이온의 종류에 따라서 증폭기의 이득 대역폭을 어느 정도 결정할 수 있다는 장점이 있다.3 is a cross-sectional view and a plan view of an optical fiber according to another exemplary embodiment of the present invention, in which an erbium addition layer 22 is positioned at the center of the core and an thulium addition layer 23 is located at the outside. In this case, the pumping light of erbium overlaps much with the erbium addition layer 22, and it is easier to excite erbium ions than to excite thulium. Therefore, the gain band of the amplifier is similar to that of the erbium-added amplifier. As a result, the gain bandwidth of the amplifier can be determined to some extent depending on the type of ions located at the center of the core.
어븀 첨가 광섬유 증폭기의 펌프 파장으로써 980㎚나 1480㎚ 대역의 광원이 사용되며, 툴륨 첨가 광섬유 증폭기의 경우에는 1480∼1520㎚ 범위에서 이득을 얻기 위하여 다양한 파장의 펌프광이 필요하게 된다. 구체적으로 800㎚, 1050㎚, 1220㎚, 1400㎚, 1450㎚, 1550㎚ 또는 1600㎚의 파장을 단독으로 또는 공동으로 사용하게 된다.(S. Aozasa, H. Masuda, H. Ono, T. Sakamoto, T. Kanamori, Y. Ohishi, M. Shimizu, "1480-1510㎚-band Tm doped fiber amplifier(TDFA) with a high power conversion efficiency of 42%," Proceedings of Optical Fiber Communications 2001, post deadline paper 1 및 F. Roy, F. Leplingard, L. Lorcy, A. Sauze, P. Baniel, D. Bayart, "48% power conversion efficiency in a single-pump gain-shifted thulium-doped fiber amplifier," Proceedings of Optical Fiber Communications 2001, post deadline paper 2 참조) 이때, 광섬유의 특성이나 증폭기의 이득 특성을 고려하여 상기한 파장들을 중심으로 대역은 ±20㎚ 이내에서 펌프 파장이 변화할 수 있다. 이는 희토류 이온의 에너지 준위의 흡수 천이가 일반적으로 20㎚ 이상의 파장폭을 가질 뿐만 아니라 희토류 이온의 흡수가 없는 파장이어도 호스트 센서티제이션(host sensitization)을 통하여 희토류 이온으로 펌프광의 에너지가 전달될 수 있기 때문이다.As a pump wavelength of the erbium-doped fiber amplifier, a light source of 980 nm or 1480 nm band is used, and in the case of a thulium-doped fiber amplifier, pump light of various wavelengths is required to obtain a gain in the range of 1480 to 1520 nm. Specifically, wavelengths of 800 nm, 1050 nm, 1220 nm, 1400 nm, 1450 nm, 1550 nm or 1600 nm may be used alone or in combination. (S. Aozasa, H. Masuda, H. Ono, T. Sakamoto , T. Kanamori, Y. Ohishi, M. Shimizu, "1480-1510 nm-band Tm doped fiber amplifier (TDFA) with a high power conversion efficiency of 42%," Proceedings of Optical Fiber Communications 2001, post deadline paper 1 and F. Roy, F. Leplingard, L. Lorcy, A. Sauze, P. Baniel, D. Bayart, "48% power conversion efficiency in a single-pump gain-shifted thulium-doped fiber amplifier," Proceedings of Optical Fiber Communications In this case, in consideration of the characteristics of the optical fiber and the gain characteristics of the amplifier, the pump wavelength may change within ± 20 nm based on the above wavelengths. This means that the energy of the pump light can be transferred to the rare earth ions through host sensitization even if the absorption transition of the energy level of the rare earth ions generally has a wavelength width of 20 nm or more and a wavelength without the absorption of the rare earth ions. Because.
어븀 첨가 광섬유 증폭기에서 광섬유 재료는 일반적으로 50몰% 이상의 실리카 유리를 사용한다. 이는 전술한 바와 같이 실리카 유리가 기존 전송용 실리카 광섬유와 접속이 우수하고 내구성 등이 좋기 때문이다. 그러나 실리카 광섬유로 구성된 어븀 첨가 증폭기는 이득 대역폭이 약 30㎚ 정도로 제한된다. 따라서1530∼1565㎚ 대역과 1575∼1610㎚ 대역에서 작동하는 증폭기를 다른 구성으로 제작해야 한다. 반면, 광섬유 재료가 불화물계나 텔루라이트(tellurite) 계열의 유리로 변화하면 단순한 증폭기 구성으로도 이득 대역폭이 확장되어 각각 ∼50㎚ 및 ∼70㎚에 해당하는 이득 대역폭을 갖게 된다. 툴륨 첨가 광섬유 증폭기의 경우, 실리카 광섬유를 사용하면 이득이 수 ㏈ 정도로 작아서 일반적으로 불화물계 광섬유를 사용하게 된다. 본 발명에서 개진하는 구조의 광섬유를 제작함에 있어 광섬유의 조성은 크게 중요하지 않다. 즉, 어떤 조성의 광섬유도 본 발명의 구조를 가지는 광섬유 형태로 제작될 수 있다. 그러나 실리카 광섬유를 사용하여 본 발명에서 개진하는 구조의 광섬유를 제작하는 것이 유리하다. 이는 불순물이 최소화된 비교적 복잡한 구조의 실리카 광섬유의 제작이 상대적으로 용이하고 기존 전송용 광섬유와의 접속성 또한 우수하기 때문이다.In erbium-doped fiber amplifiers, the optical fiber material generally uses at least 50 mol% silica glass. This is because, as described above, the silica glass has excellent connection with the existing silica optical fiber for transmission and has good durability. However, erbium-added amplifiers composed of silica optical fibers have limited gain bandwidths of around 30 nm. Therefore, amplifiers operating in the 1530-1565 nm band and the 1575-1610 nm band must be manufactured in different configurations. On the other hand, when the optical fiber material is changed to fluoride- or tellurite-based glass, the gain bandwidth is extended even with a simple amplifier configuration to have gain bandwidths corresponding to ˜50 nm and ˜70 nm, respectively. In the case of thulium-doped fiber amplifiers, the use of silica fibers reduces the gain by several orders of magnitude and generally uses fluoride fibers. The composition of the optical fiber is not very important in manufacturing the optical fiber of the structure advancing in the present invention. That is, the optical fiber of any composition can be produced in the form of an optical fiber having the structure of the present invention. However, it is advantageous to manufacture an optical fiber having a structure of the present invention using a silica optical fiber. This is because silica fibers having a relatively complicated structure with minimal impurities are relatively easy to manufacture and have excellent connectivity with existing transmission optical fibers.
도 4는 본 발명에 따른 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 구분되어 첨가된 광섬유를 이용한 광섬유 증폭기의 일례를 나타내고 있다. 신호 소스(41)는 1450∼1620㎚ 대역, 바람직하게는 1480∼1530㎚ 대역의 신호광을 출력한다. 펌프 소스(42)는 800㎚, 1050㎚, 1220㎚, 1400㎚, 1450㎚, 1550㎚ 또는 1600㎚의 파장을 단독으로 또는 공동으로 사용하여 펌프광을 출력한다. 이때, 광섬유의 특성이나 증폭기의 이득 특성을 고려하여 상기한 파장들을 중심으로 대역은 ±20㎚ 이내에서 펌프 파장이 변화할 수 있다. 광 결합기(43)는 신호 소스(41)로부터의 신호광과 펌프 소스(42)로부터의 펌프광을 광결합한다. 광 결합기(43)로부터 결합된 광은 본 발명에 따른 광섬유(44)를 통해 증폭되어 증폭 신호가 출력된다. 광섬유(44)는 기 설명된 바와 같이 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 분리되어 형성된 코어부(45)를 포함하여 구성된다.4 shows an example of an optical fiber amplifier using an optical fiber in which a thulium added layer and an erbium added layer according to the present invention are added separately. The signal source 41 outputs signal light in the 1450-1620 nm band, preferably in the 1480-1530 nm band. The pump source 42 outputs the pump light using wavelengths alone, or in combination, of 800 nm, 1050 nm, 1220 nm, 1400 nm, 1450 nm, 1550 nm, or 1600 nm. At this time, in consideration of the characteristics of the optical fiber or the gain characteristics of the amplifier, the band may be changed within ± 20nm band of the wavelength band. The optical coupler 43 optically couples the signal light from the signal source 41 and the pump light from the pump source 42. The light coupled from the optical coupler 43 is amplified through the optical fiber 44 according to the present invention, and an amplified signal is output. As described above, the optical fiber 44 includes a core 45 formed by separating the thulium layer and the erbium layer.
본 발명의 증폭기는 특히 1480∼1530㎚ 대역의 파장분할 다중 광전송 시스템에 사용되는 증폭기로 사용될 수 있을 뿐더러 해당 파장 대역을 이용하는 각종 광 소자에 공통적으로 적용될 수 있다.In particular, the amplifier of the present invention can be used not only as an amplifier used in a wavelength division multiple optical transmission system in the 1480 to 1530 nm band, but also can be commonly applied to various optical devices using the wavelength band.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 툴륨 첨가층과 어븀 첨가층이 구분되어 코어부에 첨가된 광섬유를 개진함으로써 툴륨과 어븀 사이의 비복사 에너지 전달로 인한 증폭기의 이득 저하를 없애고 각 이온의 제공하는 광이득이 겹쳐지는 1480∼1530㎚ 대역에서 이득을 향상시키는 증폭기가 구현된다.As described above, according to the present invention, the thulium-added layer and the erbium-added layer are divided to open the optical fiber added to the core part, thereby eliminating the gain deterioration of the amplifier due to the transfer of non-radiative energy between thulium and erbium, and providing the light for each ion. An amplifier is implemented to improve the gain in the 1480-1530 nm band where gains overlap.
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