KR100686417B1 - 이득 평탄화 필터를 가진 광섬유 증폭기 - Google Patents

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Abstract

에르븀형의 광섬유 증폭기는, 예컨대 1540 nm-1555 nm 범위 내의 파장 대역 내의 광 신호를 증폭하기 위한 것이다. 활성 광섬유(21, 23, 35)는 증폭될 광 신호 및, 펌프원(9)으로부터의 제 1 펌프 파장의 펌프 광을 수신한다. 이득 평탄화 필터(39)는 활성 광섬유 길이에 접속된다. 또한, 잡음 필터(37)가, 이득 평탄화 필터(39)보다 활성 광섬유의 출력 단부에 더 근접하지 않는 위치에서 활성 광섬유에 접속된다. 잡음 필터(37)는 ASE 이득 피크 부근의 파장을 가진 광파를 차단하며, 이득 필터(39)는 평탄한 이득 곡선을 생성시키기 위해 유용한 신호 대역의 파장을 감쇠시킨다. 잡음 필터(37)를 이용함으로써, 증폭기의 전체 증폭률이 증대한다.
에르븀 첨가 광섬유, 광섬유 증폭기, 잡음 필터, 이득 평탄화 필터.

Description

이득 평탄화 필터를 가진 광섬유 증폭기{OPTICAL FIBER AMPLIFIER HAVING A GNIN FLATTENING FILTER}
본 발명은 에르븀 첨가(erbium-doped) 광섬유에 기초하여, 이득 평탄화 필터(gain flattening filter)를 가진 광 증폭기 및, 이와 같은 광 증폭기를 포함하는 광섬유 네트워크에 관한 것이다.
현재, 광섬유는, 주로 신뢰성이 높고, 전기적인 간섭을 받는 것이 없으며, 그리고 대용량이기 때문에, 원격통신 시스템에서와 같이 정보를 통신하는데 널리 이용되고 있다. 물론, 현재의 원격통신 네트워크에서는, 이와 같은 광섬유의 설치 비용이 분명히 높기 때문에, 특히 장거리 통신을 위해, 광섬유 네트워크 내에 이용가능한 광섬유를 가능한 효율적으로 이용하는 것이 요구된다. 광섬유를 이용하는 현재의 통신 시스템 및 확립될 새로운 통신 시스템 내에 파장 분할 다중화 방식(wavelength division multiplexing)(WDM)을 도입함으로써, 복수의 개별적인 파장 채널이 동일한 광섬유 상에서 전송되어, 광섬유를 통해 전송되는 정보가 증가될 수 있다.
장거리 통신을 위한 광섬유 네트워크에서는, 광 신호를 증폭할 필요가 있을 수도 있다. 이와 같은 증폭은, 물론, 직송식(straight-forward way)으로 조립된 중계기(repeater)에 의해 달성될 수 있는데, 이 중계기는 광 신호를 전기 신호로 변환하는 부품, 이 전기 신호를 증폭하는 부품 및, 이 전기 신호를 광 신호로 변환하는 부품을 포함한다. WDM 신호의 경우, 이것은, WDM 전송에 이용되는 파장 채널마다 하나의 광전기 변환기(optoelectrical converter) 및 하나의 전기광 변환기(electrooptical converter)를 필요로 하며, 또한 도래(incoming) 신호 중 상이한 파장을 걸러내는 하나의 필터 또는 복조기를 필요로 한다. 이것은 분명 비용이 매우 많이 들며, 또한, 요구되는 전기 부품 및 광 부품의 수가 많기 때문에, 신뢰성 문제를 유발시킨다.
다른 유형의 증폭기는, 희토류(rare-earth) 금속이 첨가된 광섬유를 기반으로 한 광섬유 증폭기, 주로 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 포함한다. 이와 같은 증폭기는, 예컨대, 광섬유와의 호환성 및 고 이득으로 인해, 광섬유 시스템에 이용될 시에 많은 이점을 가지며, 이와 같은 증폭기는, 특히, 파장 다중화 전송 시스템에 이용될 시에 유리한데, 그 이유는, 이들이 다수의 WDM 채널을 동시에 증폭할 수 있어, 제한된 양의 전자 부품만을 필요로 하기 때문이다. 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 기본적인 설계는, 에르븀이 첨가된 1개의 활성 광섬유 길이를 포함하는데, 그의 입력 단부가 2 대 1 광 결합기(coupler)의 출력에 접속되며, 이 광 결합기는 그의 한 입력에 증폭될 신호를 수신하여, 그의 다른 입력에 이 신호를 증폭하기 위한 전력을 공급하는 더욱 큰 에너지의 광을 수신한다. 이와 같이 큰 에너지를 가진 입력 광은 펌프 광(pump light)으로 지칭되며, 이 펌프 광은 광 펌프라 하는 광 전원(optical power source)으로부터 획득된다. 펌프 광은, 신호의 파장보다 더 짧은 파장을 가지고, 일반적으로 더욱 큰 에너지를 가져, 에르븀 첨가 광섬유 내에서 에르븀 이온을 저 에너지 상태로부터 고 에너지 상태로 올릴 수 있다. 그 후, 에르븀 이온이 저 에너지 상태로 복귀할 시에 광섬유에서 광이 발생된다.
그러나, 에르븀 첨가 증폭기에는, 자연 방사(spontaneous emission)에 관련된 문제점이 있을 수 있다. 자연 방사는 광섬유의 에르븀 금속 이온과 펌프 광의 상호 작용으로부터 유발되어, 증폭될 신호에 잡음이 추가되는 것으로 나타난다. 더욱이, 자연 방사에 의해 유발된 광은, 광섬유에서 광이 양방향으로 전파하는 중에 증폭되어, 결과적으로, 소위 증폭된 자연 방사(amplified spontaneous emission)(ASE)하는 현상을 생성시킨다. ASE는 증폭기의 이득에 거의 비례하므로, ASE의 스펙트럼은 이득 피크(peak)에서 전력의 우위를 갖는 이득 스펙트럼과 매우 유사하다.
미국 특허 제5,375,010호에는, 아이솔레이터(isolator)를 통해 직렬로 접속된 2개의 에르븀 첨가 광섬유 길이를 포함하는 광 증폭기가 개시되어 있다. 아이솔레이터는, 광 펌프 전력이 제 1 길이에 공급될 시, 제 2 길이에서 제 1 길이로 역방향으로 진행하는 증폭된 자연 방사(ASE)의 전송을 감소시킨다.
미국 특허 제5,260,823호에는, 2개의 에르븀 첨가 광섬유의 길이 사이에 이득-정형 필터(gain-shaping filter)를 가진 에르븀 첨가 광섬유 증폭기가 개시되어 있다. 이 필터는, 이득 스펙트럼의 피크 파장(peak wavelength)에서 동작하는 대역 소거 필터(band-rejection filter)이다. 대역 소거 필터의 감쇠량은, 피크 파장에서 큰 이득을 정확히 상쇄시켜, 전체 이득 스펙트럼을 더 균일한 형상으로 수정하도록 선택된다. 일반적인 필터값은, 4 nm의 3 dB 대역폭에 대해, 1531 nm에서 8dB의 감쇠량을 포함한다. 이용되는 필터는, 광섬유의 전파 코어 모드(core mode)에서 클래딩 누설 모드(cladding leaky mode)로의 파장-선택적인 공진 결합(wavelength-selective resonant coupling)을 기반으로 한다. 이용되는 단일 광 필터는 광섬유를 주기적으로 교란(perturb)시킴으로써 획득되며, 이 광 필터는 775 ㎛의 주기를 갖는 회절격자(grating)로 구성되며, 이 광섬유는 회절격자와 평판 사이에 끼워진다. 또한, 유전체 간섭 필터(dielectric interference filter)가 이용될 수도 있다.
에르븀 첨가 증폭기의 이득 평탄화를 위해 긴 주기의 회절격자 필터가 제안되어 왔다. 미국 특허 제5,430,817호에서는, 긴 주기의 회절격자 필터가 2개의 상이한 파장에서 반대 방향으로 펌프되는 일정 길이의 증폭용 광섬유의 각 단부에 배치되며, 이 필터는 일정 길이의 증폭용 광섬유를 통과한 이용되지 않은 펌프 에너지를 제거한다. 1997년 10월, IEEE Photonics Techn. Lett., Vol. 9, 10에서, Paul F. Wysocki 등의 논문 "Broad-band Erbium-doped Fiber Amplifier Flattened Beyond 40 nm Using Long-period Grating Filter"에는, 긴 주기의 회절격자 필터가 2개의 에르븀 첨가 광섬유 길이 사이에 이용되며, 이 길이는 상이한 파장에서 개별적으로 펌프된다. 1997년 5월, J. Lightw. Techn., Vol. 15, No. 5에서, R. Lebref 등의 논문 "Theoretical Study of the Gain Equalization of a Stabilized Gain EDFA for WDM applications"에는, 2개의 에르븀 첨가 광섬유 길이 사이에 삽입된 제 1 대역 소거 필터 및, 첨가 광섬유의 출력 단부에 접속된 제 2 대역 소거 필터를 가진 경우에 대해, 이득 평탄화가 이론적으로 연구되어 왔으며, 여기에서, 제 1 필터는 제 2 필터보다 더 소산(dissipative)된다. 이들 필터는, 거의 가우시안(Gaussian) 특성을 가진 긴 주기의 광섬유 회절격자일 수 있다. 제 1 필터의 최대 감쇠량은 1531 nm에서 5.2 dB이고, 그의 대역폭은 7 nm이며, 제 2 필터의 최대 감쇠량은 1533.4 nm에서 3 dB이고, 그의 대역폭은 5 nm이다. 제 1 필터는, 최저 잡음 지수(noise figure)를 획득하기 위해 전체 첨가 광섬유의 최초 1/4 후에 삽입되어야 하며, 또는 가장 안정화된 이득을 획득하기 위해 최초 10/1 후에 삽입되어야 한다. 그러나, 후자의 경우는 결과적으로 잡음 지수가 악화된다. 긴 주기의 광섬유 회절격자의 제조는, 예컨대 Conf. Optical Fiber Communications, 1996 Tech. Dig. Ser. Washington DC: Opt. Soc. Amer. 1996, Vol. 2, pp.269-270, paper ThP4에서 A. Vengsarkar의 "Long-period fiber gratings" 에 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 저 잡음 지수 및 고 이득을 가진 광섬유 증폭기를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 의해 해결되는 문제는, 고 이득 및 저 잡음 지수를 유지하면서, 통상적인 방법으로 평탄화되는 이득을 가진 광섬유 증폭기를 설계하는 방법이다.
에르븀과 같은 어떤 종류의 희토류 금속이 첨가된 일정 길이의 광섬유를 활성 매체로서 이용하는 광섬유 증폭기는, 예컨대 1540 nm - 1555 nm의 범위 내의 유용한 파장 대역 내의 광 신호를 증폭하기 위해 설계된다. 활성 광섬유는, 증폭될 광 신호 및, 펌프원(pump source)으로부터의 제 1 펌프 파장의 펌프 광을 통상적인 방식으로 수신한다. 유용한 파장 대역 내의 모든 파장에 대해 실질적으로 일정한 이득을 이 증폭기에 제공하기 위해, 이득 평탄화 필터가 활성 광섬유 길이에 접속된다. 또한, 잡음 필터가, 활성 광섬유 내에서, 이득 평탄화 필터보다 활성 광섬유의 출력 단부에 더 근접하여 배치되지 않는 위치에 접속된다. 이때, 활성 광섬유 길이는 3개의 부분으로 분할될 수 있는데, 이들 3개의 부분은 직렬로 접속되어, 이들 부분의 조인트(joint)에 필터가 접속된다. 잡음 필터는, 자연 방사의 이득 피크치 부근의 파장을 가진 광파를 효과적으로 차단하며, 이득 필터는, 평탄한 이득 곡선을 생성하기 위해, 유용한 신호 대역 내의 파장을 감쇠시킨다. 잡음 필터를 도입함으로써, 저 잡음 지수를 유지하면서, 증폭기의 전체 증폭율을 증대시킨다.
이제, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 비-제한적인 실시예를 통해 상세하게 설명된다.
도 1은 광섬유 증폭기의 일반적인 구성을 도시한 개요도이다.
도 2는 추가적 필터링을 가진 광섬유 증폭기의 일반적인 구성을 도시한 개요도이다.
도 3은 잡음 필터를 가진 광섬유 증폭기 및, 잡음 필터를 가지지 않은 광섬유 증폭기의 전체 ASE 전력을 활성 광섬유에 따른 위치의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 4는 규격화된 반전 분포(normalizesd population inversion)를, 잡음 필터를 가진 광섬유 증폭기 및, 잡음 필터를 가지지 않은 광섬유 증폭기의 활성 광섬유에 따른 위치의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 5는 펌프 전력 및 포화 신호 전력을, 잡음 필터를 가진 광섬유 증폭기 및, 잡음 필터를 가지지 않은 광섬유 증폭기의 활성 광섬유에 따른 위치의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 6은 활성 광섬유 길이 후에 접속되는 이득 평탄화 필터만을 가진 광섬유 증폭기, 활성 광섬유 길이의 2개의 부분 사이에 이득 평탄화 필터만을 가진 광섬유 증폭기 및, 이득 평탄화 필터 및 잡음 필터의 양방을 제각기 가진 광섬유 증폭기의 출력 신호 전력을 파장의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 7은 이득 평탄화 필터를 가지지 않은 광섬유 증폭기, 이득 평탄화 필터만을 가진 광섬유 증폭기 및, 이득 평탄화 필터 및 잡음 필터의 양방을 가진 광섬유 증폭기의 잡음 지수를 파장의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 8은 규격화된 반전 분포를, 이득 평탄화 필터 및 잡음 필터의 양방을 가진 광섬유 증폭기의 활성 광섬유 길이에 따른 위치의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 9는 ASE 전력을 나타내는 ASE 스펙트럼을 파장의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 10은 노이즈 필터의 투과율을 나타내는 노이즈 필터의 특성을 파장의 함수로서 도시한 다이어그램이다.
도 11은 광섬유 증폭기의 다른 실시예의 일반적인 구성을 도시한 개요도이다.
도 12는 2개의 펌프원을 가진 광섬유 증폭기의 또 다른 실시예의 일반적인 구성을 도시한 개요도이다.
도 13은 광섬유 증폭기를 이용하는 간단한 광섬유 네트워크를 도시한 개요도이다.
현재는, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이, 광섬유 증폭기는 광섬유 네트워크 내의 다양한 위치에 이용되고 있다. 여기서, 송신 노드(101)는 레이저(103)에 의해 광 신호로 변환되는 전기 신호를 수신한다. 광 신호는 부스터 증폭기(booster amplifier)(105)에 의해 증폭되어, 긴 광섬유(107)에 송신된다. 이 광 신호는 광섬유(107)를 따라 전파할 시에 감쇠될 수 있으며, 이때 광 신호는 라인 증폭기(109)에 의해 증폭되어야 한다. 광섬유(107) 상의 광 신호는 수신 노드(111)에 의해 수신되는데, 여기서 광 신호는 먼저 전치 증폭기(113)에 의해 증폭된다. 증폭된 광 신호는 광 검출기(115)에 의해 검출되어, 전기 신호로 변환되는데, 이 전기 신호는 수신 노드로부터 제공된다. 이와 같은 네트워크에서는, 부스터 증폭기(105), 라인 증폭기(109) 및 전치 증폭기(113)의 모두가, 보통, 증폭 매체 또는 증폭 소자로서 일정 길이의 활성 광섬유를 이용하는 광섬유 증폭기를 포함한다.
도 1에서, 광섬유 증폭기의 일반적인 구성이 도시되어 있으며, 이 광섬유 증폭기는 도래(incoming) 광 신호를 증폭하기 위해 구성되며, 이 광 신호는 일반적으로 단일 모드형의 전자기 신호이다. 광섬유 증폭기의 활성 부분은 에르븀 첨가 광섬유의 길이 부분(1)이다. 에르븀 첨가 광섬유의 길이 부분(1)은 광 신호를 수신하는데, 이 광 신호는, 어떠한 소스(도시되어 있지 않음)로부터 커넥터(connector)(3)에 도달하여, 이 커넥터(3)로부터 광 아이솔레이터(5)로 통상의 광섬유를 통과시키고 나서, 이 광 아이솔레이터에서 전력 조합기(combiner) 또는 전력 결합기(coupler)(7)의 한 입력으로 통상의 광섬유를 통과시키는 단일 모드만으로 구성되는 광 신호이다. 이 전력 결합기(7)의 다른 입력은, 예컨대 980 nm 또는 1480 nm의 파장의 광을 발생시키는 펌프원(9)으로부터 펌핑 광 전력을 수신한다. 펌프원은 통상적으로 적절한 종류의 레이저 다이오드이다. 전력 결합기(7)의 출력은 에르븀 첨가 광섬유(1)의 입력 단부에 접속된다.
에르븀 첨가 광섬유(1)의 출력 단부는 광 전력 분할기/결합기(11)의 입력에 접속된다. 전력 분할기/결합기(11)의 한 출력은 광 아이솔레이터(13)에 접속되며, 이 광 아이솔레이터의 출력 단자는 커넥터(15)에 접속된다. 따라서, 활성 광섬유 길이 부분(1)으로부터의 광은 커넥터(15)를 통해 소정의 목적지(도시되지 않음)로 전파한다. 또한, 전력 분할기/결합기(11)는, 그의 출력 단자에 병렬로 접속된 한 입력 단자에서, 예컨대 980 nm 또는 1480 nm의 파장의 광을 생성시키는 제 1 펌프원(9)과 같은 제 2 펌프원(17)으로부터 펌핑 광을 수신한다. 반대의 주입 방향으로 동작하는 2개의 펌프원 가진 광 증폭기의 구성은 미국 특허 제5,140,456호 및 제5,218,608호에 개시되어 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같은 광 증폭기는, 펌프 광이 증폭될 신호 광과 동일한 방향으로만 전파하는 경우, 공동 방향 펌프 또는 공동 방향으로 펌프된다고 할 수 있다. 이 경우에는, 제 1 펌프원(9)만이 활성적이다. 이때, 출력측의 전력 분할기/결합기(11) 및 제 2 펌프원(17)은 생략될 수 있다. 펌프 광이 신호 광의 전파 방향과 반대 방향으로만 전파하는 경우, 광 증폭기는 반대 방향으로 펌프된다고 할 수 있다. 이 경우에는, 제 2 펌프원(17)만이 동작하여, 입력측의 전력 결합기(7) 및 펌프원(9)이 생략될 수 있다. 양 방향, 즉 신호 광과 동일한 방향 및 반대 방향의 양방으로 전파하는 펌프 광이 있다면, 광 증폭기는 쌍방향 펌프 또는 쌍방향으로 펌프된다고 할 수 있다. 이 최후의 경우에는, 양방의 펌프원(9, 17)이 모두 활성적이다.
광 증폭기가 980 nm의 짧은 파장에서 펌프되는 경우에, 모든 광 증폭기는 3 레벨의 레이저 시스템으로서 동작하며, 분포 반전의 최대치는 1과 동일하여, 잡음 지수의 양자 한계는 3 dB 이다. 광 증폭기가 1480 nm의 긴 파장에서 펌프되는 경우에는, 모든 광 증폭기가 2 레벨의 레이저 시스템으로서 동작한다. 분포 반전의 최대치는, 이 펌핑 파장에서의 흡수 단면적 및 방사 단면적의 비에 의존한다. 분포 반전의 최대치는 1보다 낮으므로, 잡음 지수의 양자 한계는 3 dB 보다 높다. 일반적으로, 잡음 지수값은 약 4 dB 이다.
도 2의 블록도에 도시되어 있는 수정된 광 증폭기에서는, 불순물이 첨가된 활성 광섬유 길이 부분(1)은 3개의 세그먼트(21, 23, 25)로 분할되어, 서로 직렬로 접속된다. 제 1 세그먼트(21)의 입력 단부는 증폭기의 입력측의 전력 결합기(7)의 출력에 접속된다. 여기서, 신호 광은, 입력측의 커넥터(3)로부터 전력 분할 장치 또는 결합기(27)로 통과하여, 광섬유 상의 광 전력 중 적은 부분, 예컨대 1%를 PIN 다이오드(29)와 같은 전력 측정 장치로 분기시킨다(tap off). PIN 다이오드(29)의 출력 신호는 도래 광 신호의 전력을 나타내며, 이는 증폭기를 제어하는데 이용될 수 있다. 광 전력의 대부분은 광 아이솔레이터(5)로 진행한다. 또한, 출력측에는 감시 탭(monitoring tap)이 있음으로써, 이 출력측의 광 아이솔레이터(13) 출력이 전력 분할기 또는 결합기(31)에 접속되어, 입력측의 전력 분할기(27)와 같이, 광섬유 상의 광 전력 중 적은 부분, 예컨대 1%를 PIN 다이오드(33)와 같은 전력 측정 장치로 분기시킨다. 도 2에 도시된 증폭기는 공동 방향으로만 펌프되므로, 신호 광의 방향과 일치하는 방향으로 활성 광섬유 세그먼트로 광을 펌핑하는 레이저 다이오드(9)만이 존재한다.
제 1 활성 광섬유 길이(21)와 제 2 활성 광섬유 길이(23) 사이에는 제 1 필터인 잡음 필터(37) 또는 LNF가 접속되어 있다. 따라서, 이 잡음 필터는 전체 활성 광섬유 길이의 출력측보다 입력측에 더 가깝게 접속된다. 제 1 광섬유 길이(21)는 전체 활성 광섬유 길이의 약 0.1-0.4에 해당하는 길이를 가질 수 있다. 제 2 활성 광섬유 길이(23)와 제 3 활성 광섬유 길이(25) 사이에는 이득 평탄화 필터(39) 또는 FF가 접속되어 있다. 따라서, 이 이득 평탄화 필터는 잡음 필터(37)보다 전체 활성 광섬유 길이의 출력측에 더 가깝게 접속된다.
전체 활성 광섬유 길이 중 고려된 각각의 작은 부분에서, 펌핑 광으로부터 유발된 자연 방사가 발생한다. 이 자연 방사는 결과적으로 고려된 부분으로부터 양방의 방향으로 광을 전파시키며, 이 광은 전파하는 전체 활성 광섬유 길이의 부분에서 증폭되며, 상술한 바와 같이, 증폭된 광은 증폭된 자연 방사라 한다. 잡음 필터(37)는, 노치 필터(notch filter) 또는 대역 차단 필터로서, 이 필터는, 필터를 이용하지 않고 동작하는 동등한 증폭기의 피크 이득에 대한 파장에서 파장을 차단 또는 매우 감쇠시키며, 즉 1531 nm의 파장의 부근의 영역의 파장을 차단한다(ASE 스펙트럼을 도시한 도 9의 다이어그램 및, 도 10에 도시된 필터 특성을 참조). 그것은, 최대 감쇠량이 적어도 15 dB인 긴 주기의 회절격자 필터로서 이루어질 수 있다. 잡음 필터(37)는 신호 대역 내의 다른 파장에 대해서는 투명하다. 그것은 활성 광섬유 길이에서 전파하는 광의 모드에 영향을 미치지 않고, 특히, 신호 대역 내의 모든 파장 및 펌프 광의 파장에 대해 단일 모드형이어야 한다. 도 3의 다이어그램에서, 전체 ASE 전력은, 전체 길이가 14m인 전체 활성 광섬유 길이에 따른 위치의 함수로서 표시되는데, 실선은 필터가 이용되지 않는 경우의 전체 ASE 전력을 나타내는 곡선이고, 점선은, 잡음 필터(37)가 전체 활성 광섬유 길이의 입력 단부로부터 0.1의 거리에 배치되어, 이득 평탄화 필터(39)가 이용되지 않은 경우의 전체 ASE 전력을 나타낸 곡선이다.
특히, 잡음 필터(37)에 의해 유발되는 역방향으로 진행하는 전체 ASE 전력이 감소함으로써, 전체 활성 광섬유 길이의 입력 단부에서 반전 분포가 증대된다. 이것은, 규격화된 반전 분포를 전체 활성 광섬유 길이에 따른 위치의 함수로서 도시한 도 4의 다이어그램에서 알 수 있다. 평활 곡선(smooth curve)은 필터를 가지지 않은 경우의 반전 분포를 나타내고, 1.4 m(=0.1·14 m)에서 스텝(step)이 있는 곡선은, 상술한 바와 같이 잡음 필터(37)만이 배치된 경우의 반전 분포를 나타낸 곡선이다. 입력 단부에서의 반전 분포가 증대하면, 출력 광신호의 잡음 지수가 낮아지고, 증폭기의 이득이 증대한다. 또한, 순방향으로 진행하는 전체 ASE 전력이 감소하여, 결과적으로 반전 분포가 증대하여 이득이 증대한다. 이것은 도 5의 다이어그램에서 알 수 있으며, 도 5는, 필터를 전혀 가지지 않은 전체 광섬유 길이에 대한 경우와, 상기와 같이 접속된 잡음 필터(37)를 가진 광섬유 길이에 대한 경우의 양방에 대해, 펌프 전력 및 포화 신호 전력을 전체 활성 광섬유 길이에 따른 위치의 함수로서 도시한 것이다.
이득 평탄화 필터(39)를 이용하여 WDM 시스템에 필요한 평탄한 이득 특성을 획득하며, 이득 평탄화 필터(39)는 긴 주기의 회절격자 필터로서 형성될 수 있다. 평탄화 필터(39)가 전체 활성 광섬유 길이의 입력 단부에 너무 근접하여 접속되면, 출력 신호의 잡음 지수는 낮아진다. 이득 평탄화 필터는, 전체 활성 광섬유 길이의 입력 단부로부터 전체 활성 광섬유 길이의 약 0.3 - 0.4의 거리의 위치에 배치되어야 한다. 적절한 위치의 경우에는, 이득이 증가하게 된다. 이것은 도 6에 도시되어 있으며, 도 6은, 활성 광섬유의 단부, 즉 제 3 광섬유 부분(25)의 단부에 접속된 이득 평탄화 필터만을 포함하는 경우, 2개의 활성 광섬유 부분의 사이에 접속된 이득 평탄화 필터만, 즉 도 2에 따른 필터(39)만을 포함하는 경우 및, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 이득 평탄화 필터(39) 및 잡음 필터(37)의 양방을 포함하는 경우의 3개의 상이한 경우에 대해, 출력 포화 신호 전력을 파장의 함수로서 도시한 것이다. 도 6의 가장 아래쪽 곡선은, 활성 광섬유의 단부에 접속된 이득 평탄화 필터만을 가진 광 증폭기의 광섬유의 단일 길이에 대한 포화 신호 전력을 나타낸다. 이론상 가능한 최저 평탄한 곡선 또는 일정한 곡선은, 출력 곡선이 13.8 dBm 보다 약간 더 큰 경우이다. 활성 광섬유에 접속되는 적절히 설계된 이득 평탄화 필터(39)만을 이용함으로써, 14.4 dBm 보다 다소 높은 일정한 값의 평탄한 곡선을 획득할 수 있다(도 6의 중간 수평 곡선 참조). 이와 같은 이득 평탄화 필터(39)는, 전체 활성 광섬유 길이에 따른 위치에 대해 상이한 특성을 가지며, 즉 이득 평탄화 필터는 활성 광섬유 길이에 따른 위치를 고려하여 설계되어야 한다. 이득 평탄화 필터(39) 및 잡음 필터(37)의 양방을 이용함으로써, 도 6의 상측 수평 곡선으로 도시되어 있는 바와 같이, 포화 신호 전력이 더욱 증가될 수 있다. 대응하는 잡음 지수 및 규격화된 반전 분포를 파장의 함수로서 나타내는 그래프는 도 7 및 도 8에 도시되어 있다.
이득 평탄화 필터(39)는 선행 기술에 제안되어 있는 바와 같이 설계될 수 있다(예컨대, Paul F. Wysocki 등의 상기 인용된 논문 참조). 그것은, 신호 전송에 이용되는 파장 대역 내의 파장을 가진 광을 선택적으로 감쇠시키도록 구성되어 있다. 그것은 특히, 신호 전송에 이용되는 파장 대역 내의 광에 대해 가능한 일정한 전체 증폭기의 이득 특성을 제공하도록 설계된다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 잡음 필터(37)는, 3dB 대역폭이 예컨대 약 10 내지 12 nm이고, 피크 감쇠량이 약 -15 내지 -20 dB인 좁은 필터링 범위를 가질 수 있다. 이득 평탄화 필터(39)는 신호 대역의 파장에 대해 훨씬 더 낮은 감쇠량을 갖는다. 이득 평탄화 필터는, 예컨대, 선행 기술에 제안된 바와 같이 상호 부분적으로 중첩하는 하나 이상의 감쇠 파장 대역을 가질 수 있다. 필터를 설계할 시, 먼저 잡음 필터 특성이 선택된다. 그 후, 상기 인용된 참조 문헌에 제시된 바와 같은 공지된 데이터 및 알고리즘을 이용하여, 이득 필터의 원하는 특성이 계산되며, 신호 대역의 파장에 대해 일반적으로 이득이 일정한 원하는 특성과 가능한 일치할 수 있는 실제 특성을 제공하는 설계가 결정된다.
잡음 필터(37) 및 이득 평탄화 필터(39)는, 도 11의 블록도에 도시된 광 증폭기로 도시된 바와 같이, 적절한 특성을 가진 단일 필터(41)로 조합될 수 있다. 이때, 활성 광섬유의 중간 길이(23)는 생략되어, 단일 조합된 필터(41)가 제 1 광섬유(21)의 출력 단부를 제 3 광섬유 길이(25)의 입력 단부에 접속한다.
잡음 필터 및 이득 평탄화 필터를 동시에 이용하는 것은, 도 1의 일반적인 광 증폭기의 다이어그램에 도시되어 있는 바와 같이, 활성 광섬유 길이의 양 단부로부터 반대 방향으로 펌프되는 광을 가진 광섬유 증폭기에 대해서도 가능하다. 2개의 광섬유 길이(21, 25)의 사이에 접속되는 조합된 잡음 및 이득 평탄화 필터(41)를 가진 쌍방향으로 펌프되는 광 증폭기가 도 12의 블록도로 도시되어 있다. 도 12의 증폭기는, 전체 활성 광섬유 길이의 출력 단부에 전력 분할기/결합기(11)가 접속된다는 점에서, 도 11에 도시된 증폭기와 상이하다. 전력 분할기/결합기(11)는 펌프원(17)으로부터 펌핑 광을 수신하며, 이 펌핑 광은, 일반적으로 전체 활성 광섬유 길이의 입력측의 펌프원(9)에 의해 발생되는 펌핑 광의 파장보다 더 긴 파장을 갖는다. 통상적인 경우, 출력측의 펌프원(17)은, 입력측의 펌프 발생기(9)에 의해 발생되는 980 nm의 파장의 광에 비해, 1480 nm의 파장을 방사한다.
여기서 설명된 증폭기에 이용되는 필터는, 상술한 바와 같이, 긴 주기의 회절격자 필터로 설계될 수 있다. 활성 광섬유가 쌍방향으로 펌프되는 경우에는, 잡음 지수를 감소시킴과 동시에 이득을 증대시키기 위해, 해당 파장 대역에 가장 근접한 펌프 파장에서, 즉 통상의 경우에는 약 1480 nm의 파장에서, 필터가 또한 강한 감쇠를 갖도록 설계된다.
펌프 광원(9, 17)으로부터의 전력 출력의 레벨은, 도 12에 도시된 바와 같이, 이 광원에서 내부적으로 제어되며, 및/또는 출력 PIN 다이오드(33)로부터 유도되는 신호에 의해 제어될 수 있다.
상술한 바와 같이, 여기서 설명된 증폭기는 주로 단일 모드의 전자기형의 광 신호를 증폭하기 위한 것이다. 이것은, 이용되는 모든 부품이 신호 광 및 펌프 광의 양방의 광의 전자기 모드에 영향을 미치지 않아야 한다는 것을 의미한다. 이 경우에, 부품, 특히 광 전력 결합기 및 필터는, 단일 모드의 신호 광 및 펌프 광의 각각의 파장의 광을 투과하도록 설계되어야 한다.
따라서, 예컨대 WDM-네트워크에 이용될 광섬유 증폭기는, 2개의 필터 또는, 2개의 필터의 조합된 특성을 가진 필터를 이용함으로써, 저 잡음 지수 및 고 이득을 제공하는 것으로 기재되어 있다.

Claims (9)

  1. 파장 대역 내의 파장을 가진 광 신호를 증폭하는 광섬유 증폭기에 있어서,
    증폭될 광 신호를 수신하는 입력 단부 및 증폭된 광 신호를 전송하는 출력 단부를 가진 활성 광섬유;
    제 1 펌프 파장의 펌핑 광을 상기 활성 광섬유에 주입하도록 접속된 제 1 펌프원;
    상기 활성 광섬유의 제 1 및 2 길이 사이에 접속된 이득 평탄화 필터로서, 상기 활성 광섬유의 입력 단부에서의 제 1 길이와, 상기 활성 광섬유의 출력 단부에서의 제 2 길이 사이에서 상기 활성 광섬유에 접속되는 이득 평탄화 필터 및;
    상기 제 1 길이의 2개의 부분 사이에서 상기 제 1 길이에 접속되는 잡음 필터로서, 상기 광섬유 증폭기 내에 필터가 없을 시에 존재하는 펌프된 활성 광섬유의 이득 피크의 파장을 가진 광파를 실질적으로 차단하는 잡음 필터를 포함하는데,
    상기 이득 평탄화 필터 및 상기 잡음 필터는 상기 이득 평탄화 필터가 상기 잡음 필터보다 더 낮은 감쇠량을 갖는다는 점에서 상이한 타입의 필터이고,
    상기 잡음 필터는 노치 필터이고, 실질적으로 15 dB-20 dB를 가진 이득 피크 부근의 파장을 가진 광을 실질적으로 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 필터는 실질적으로 1531 nm의 이득 피크 부근의 파장을 가진 광을 실질적으로 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 필터는 실질적으로 10 nm-12 nm의 대역폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 필터는 1521 nm 파장과 1541 nm 파장 사이의 파장을 가진 광파를 실질적으로 차단하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 잡음 필터는 상기 이득 평탄화 필터와 동일한 위치에 접속되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 광섬유 내에 제 2 펌프 파장의 펌핑 광을 주입하도록 접속되는 제 2 펌프원을 더 포함하는데, 상기 잡음 필터 및/또는 상기 이득 평탄화 필터는 상기 제 2 펌프 파장의 광을 강력히 제거하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 잡음 필터 및/또는 상기 이득 평탄화 필터는 상기 제 1 펌프 파장 및 상기 제 2 펌프 파장 중 더 긴 파장에 대응하는 파장의 광을 매우 감쇠시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
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  9. 삭제
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