KR100695376B1 - 광섬유 증폭기에서의 이득 평탄화 - Google Patents

Abstract

광 증폭기는 실질적으로 평탄하고 넓은 범위에 걸쳐 펌프 파워, 입력 신호의 파워, 및 입력 신호의 수에 독립적인 이득 프로파일을 갖는다. 이 증폭기는 이득 매체의 적어도 하나의 흡수 테일에서 적어도 하나의 파장으로 이득 매체를 펌핑함으로써 불균일하게 이득이 확장하는 이득 매체를 갖는 광 공진기를 사용한다. 이 공진기는 양호하게 에르븀 도핑된 광섬유를 포함하는 링 공진기이다. 코도펀트가 불균일한 확장 효과를 증가시키기 위해 광섬유에 추가될 수 있다. 이득 평탄화 방법은 펌프 신호를 이득 매체로 도입시킨다. 이 펌프 신호는 이득 매체의 흡수 프로파일의 테일에서 하나의 파장을 갖는다. 상이한 파장의 복수의 광 신호가 이득 매체로 도입된다. 이득 매체 내의 자극 방출이 이득 매체의 이득을 클램핑한다.

에르븀-도핑된 광섬유 증폭기(EDFA), 이득 평탄화, 아이솔레이터, 서큘레이터, 펌프 신호

Description

광섬유 증폭기에서의 이득 평탄화{GAIN FLATTENING IN FIBER AMPLIFIERS}

본 발명은 일반적으로 광 증폭기에 관한 것이며, 특히 광 신호들을 상이한 파장에서 증폭하여 광 신호들의 이득이 실질적으로 동일하도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

상업적으로 이용가능한 에르븀 도핑된(erbium-doped) 광섬유 증폭기(EDFA)들은 일반적으로 넓은 광 대역폭(실리카계 광섬유에서는 약 50 nm까지)에 걸쳐 이득을 갖는다. 이러한 대역폭 상에서는, 이득이 입력 신호의 파장에 상당히 의존할 수도 있다. 그러나, 여러 가지 응용, 특히 장거리 광 통신에서는 파장에 독립적인 이득으로 동작하는 것이 매우 바람직하다. 넓은 광섬유 대역폭의 장점을 이용하기 위해, EDFA의 이득 대역폭 내에 있는 상이한 파장을 갖는 신호들이 동일한 광섬유 버스상에서 동시에 전달된다. 이러한 신호들이 상이한 이득을 갖게 된다면, 이들은 버스의 출력에서 상이한 파워(power)를 가질 것이다. 이 불균형은 각각의 연속된 EDFA를 통과하는 신호들에서 보다 심각해지게 되며, 초 장거리에서는 중요할 수 있다. 예를 들어, 여러개의 EDFA들을 포함하는 대양 횡단 버스의 출력단에서, EDFA 당 이득이 낮은 신호는 보다 높은 이득을 갖는 신호들보다 수십 dB 낮은 파워를 전달하게 된다. 디지털 시스템에서, 신호 파워 레벨의 차이는 7 dB을 초과하지 않아야 하거나, 낮은 파워 신호들은 너무 잡음이 심하여 이용할 수 없다. EDFA들의 이득을 평탄화하는 것은 상기와 같은 문제점을 제거하며 증폭기가 상당한 광 대역폭 및 이로 인한 보다 높은 데이터 레이트(data rate)를 지원할 수 있도록 한다. EDFA에 대한 계획된 세계적 수요는 매우 크기 때문에, 높은 파워 효율을 유지하면서 증폭기의 이득을 평탄화하는 방법을 개발하는 것은 매우 중요하며 앞으로도 그럴 것이다.

과거 수년에 걸쳐 가능한 한 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 이득을 평탄화한 EDFA를 제조하는 여러 방법이 개발되어 왔다. 첫번째 방법은 광섬유의 파라미터 (에르븀 농도, 인덱스 프로파일, 코어 코도펀트(core codopants)의 특성 및 농도)와 펌프의 파라미터(파워 및 파장)를 조정하는 것이다. 이 방법은 비교적 평탄화한 이득(±1-2 dB)을 이룰 수 있으나, 이는 10 nm 정도의 스펙트럼 폭을 갖는 스펙트럼 영역에서만 평탄화가 이루어지며 따라서 대부분의 응용을 위해서는 너무 제한된 것이다.

다른 방법은 각각의 EDFA를 신호 파장에 대해 각각 상이한 이득 종속성을 갖는 2개의 연결된 광섬유 증폭기들의 조합으로 대체하는 것이다. 이러한 종속성은 서로 보상하도록 설계되어 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 거의 파장에 독립적인 이득을 갖는 광섬유 증폭기 조합을 이룬다. (예를 들어, M. Yamada, M Shimizu, Y. Ohishi, M. Horigushi, S. Sudo, 및 A. Shimizu의 "Flattening the Gain Spectrum of an Erbium-Doped Fibre Amplifier by Connecting an Er³⁺Doped SiO₂-Al₂O ₃ Fibre and an Er³⁺-doped Multicomponent Fibre", Electron. Lett., vol. 30, no. 21, pp. 1762-1765, October 1994. 참조) 이는 상이한 호스트들을 갖는 광섬유(예를 들어, 플루오르화물 및 실리카 광섬유)를 사용하고 라만 광섬유 증폭기(Raman Fiber amplifier)와 결합된 EDFA를 사용함으로써 이루어진다.

이득 균등화를 위한 세번째 방법은 Er 도핑된 광섬유의 신호 출력단에 필터를 추가하는 것인데, 상기 필터는 보다 높은 이득을 나타내는 스펙트럼의 부분에서 손실을 유도한다. 이러한 방법은 표준 광섬유 격자(standard blazed fiber grating)로부터 제작된 필터를 사용하여 입증되었다. (예를 들어, R. Kashyap 등의 "Wideband Gain Flattened Erbium Fibre Amplifier Using a Photosensitive Fibre Blazed Grating", Electron. Lett., vol. 29, pp. 154-156, 1993 참조) 이러한 방법은 또한 장주기 광섬유 격자로부터 필터를 사용하여 증명되었다. (예를 들어, A.M. Vengsarkar 등의 "Long-Period Fiber-Grating-Based Gain Equalizers", Opt. Lett., vol 21, pp. 336-338, March 1996. 참조)

네번째 방법은 이득 클램핑(clamping)이다. 이 방법에서, EDFA는 레이저가 조사되는 광 공진기 내에 위치한다. 임계치 이상의 레이저 공동(laser cavity)에서, 주어진 레이저 파장에서의 라운드 트립(round-trip) 이득은 펌프(pump) 파워에 관계없이 라운드 트립 손실과 동일하다. (예를 들어, Y. Zhao, J. Bryce, 및 R. Minasian의 "Gain Clamped Erbium-doped Fiber Amplifiers-Modeling and Experiment", IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electron., vol.3, no.4, pp. 1008-1011, August 1997.)

Zhao 등의 이득 클램핑 실험에서, 공진기는 특정한 파장 λ₀ 근방의 매우 좁은 대역폭에서만 높은 반사력(reflectivity)을 나타내는 2개의 광섬유 격자로 이루어져, 상기 파장 λ₀에서만 레이저 조사가 발생한다. λ₀의 선택은 EDFA 이득의 스펙트럼 형태에 심하게 영향을 미친다. 적절한 레이저 파장 λ₀(상기 실험에서 1508 nm)을 선택함으로써, 이득 스펙트럼은 상당히 넓은 영역에 걸쳐 비교적 평탄해질 수 있다. 더욱이, λ₀에서의 이득은 임계치 이상의 임의의 펌프 파워에 대해 상기 파장에서의 공동(cavity) 손실값으로 클램핑된다. 이득이 균일하게 확장된다면, 다른 파장에서의 이득 또한 펌프 파워에 독립적으로 유지된다. (펌프 파워가 임계치 이상이라고 가정함)

이득 클램핑된 EDFA의 이득을 평탄화하는 다른 방법은 레이저 이온의 불균일한 확장에 의존하는 것이다. 본 명세서에서는 "레이저 이온"으로서 언급되지만, 자극 방출(stimulated emission)을 통해 레이저의 조사가 이루어지는 것이라면 이온, 원자 및 분자와 같은 임의의 입자에도 적용될 수 있다. 완전히 균일 확장된 레이저 매체에서, 모든 이온들은 동일한 흡수 및 방출 스펙트럼을 나타낸다. 이러한 물질이 레이저 임계치 아래에서 펌핑될 때, 도 1a에 도시된 바와 같이, 라운드 트립 이득은 레이저 이득 스펙트럼에 따른 전체 주파수에서 레이저 공진기 라운드 트립 손실보다 낮은데, 여기서 라운드 트립 손실이 이득 스펙트럼 영역에 따라 주파수 독립적인 보편적 손실이 없다고 가정한다. 임계치 바로 위에서 펌핑되었을 때, 이득=손실 조건을 만족시키는 파장 λ₁에서 발진을 시작한다(도 1b 참조). 펌프 전력이 더 증가함에 따라(도 1c 참조), 이득=손실 조건이 λ₁에서 만족되도록 계속된다, 즉 λ₁에서의 이득이 일정하게 유지된다. 이는 다음과 같은 물리적인 관점에서 이해될 수 있다. 펌프 파워가 증가될 때, 밀도 반전(population inversion)이 증가하여, 보다 강한 레이저 방출이 이루어진다. 광섬유를 통한 이동(circulating) 동안에, 상기와 같이 보다 커진 레이저 신호는 이득이 손실과 동일하게 유지되기에 충분할 정도의 자극 방출을 통해 밀도 반전을 공핍시킨다. 또한, 확장이 균일하므로, 모든 이온들이 λ₁에서 이득에 동일하게 기여하며, 따라서, 이득 스펙트럼은 변화하지 않는다. 결과로서, 레이저 파장(λ₁) 및 레이저 선폭은 또한 동일하게 유지하는데(도 1c 참조), 즉 이들은 펌프 파워에 독립적이다. 이는 위에서 언급한 이득 안정화 방법에 근거한 것이다.

한편, 매우 불균일하게 확장된 레이저 매체에서는, 모든 이온들이 동일한 흡수 및 방출 스펙트럼을 나타내는 것은 아니다. 이러한 거동에 대한 한가지 이유는 레이저 이온이 존재하는 모든 물리적인 위치가 동일한 것은 아니라는 것이다. 예를 들어, 알루미늄 도핑된 실리카계 호스트의 경우에 실리콘 이온, 산소 이온, 또는 알루미늄 이온 다음에 레이저 이온이 존재할 수 있다. 동일한 위치에 존재하는 레이저 이온들(예를 들어, Si 이온 다음의 모든 레이저 이온들)은 동일한 흡수 및 방출 스펙트럼을 나타낼 것이며, 즉 이들은 서로에 대해 균일하게 작용할 것이다. 한편, 다른 위치에 있는 레이저 이온들, 예를 들어, Si 이온 다음에 있는 레이저 이온과 Al 이온 다음에 있는 다른 레이저 이온은 상이한 흡수 및 방출 스펙트럼을 나타낼 것이며, 즉 이들은 서로에 대해 불균일하게 작용할 것이다. 불균일한 확장의 경우에, 레이저 매체는 레이저 이온의 서브셋들의 집합으로서 생각될 수 있다. 주어진 서브셋 내의 이온들은 균일하게 작용하는 반면, 다른 서브셋들 내의 이온들은 불균일하게 작용한다.

불균일하게 확장된 물질이 레이저 임계치 아래에서 펌핑될 때, 라운드 트립 손실이 이득 스펙트럼 영역에 따라 주파수 독립적이라고 가정하면, 도 2a에 도시된 바와 같이, 라운드 트립 이득은 레이저 이득 스펙트럼의 모든 주파수들에서 레이저 공진기 라운드 트립 손실보다 낮다. 상기 물질이 임계치 바로 위에서 펌핑될 때, 이는 이득=손실 조건을 만족시키는 파장 λ₁에서 먼저 발진할 것이다. (도 2b 참조, 및 임계치 아래의 경우인 도 2a와 비교) 상기 레이저 방출은 주로 λ₁에서 실질적인 이득을 나타내는 이온 서브셋들을 포함한다. 펌프 파워가 증가됨에 따라, 도 2c에 도시된 바와 같이, 이득=손실 조건이 λ₁에서 계속 만족된다 해도, 다른 파장들에서의 레이저 방출이 나타나기 시작할 것이다. 다시 한번, 레이저 매체는 펌프 파워의 증가로 인해 밀도 반전(population inversion)이 증가된 양만큼 정확하게 밀도 반전을 감소시키는데 충분할 정도로만 레이저 파워를 생성함으로써 상기 조건을 충족시킨다. 따라서, λ₁에서의 이득은 손실값에서 "클램핑"된다. 그러나, 확 장이 불균일하므로, λ₁이 아닌 파장들에서 정점에 이르는(peaking) 다른 이온 서브셋들로부터 유효한 이득은 λ₁에서의 레이저 파워에 의해 거의 강하게 공핍되지는 않는다. 결과적으로, 펌프 파워가 증가함에 따라, 이러한 다른 파장들 (예를 들어, 파장 λ₂)에서의 이득은 그 파장에서의 손실 레벨에 도달하여 매체가 λ₂에서 레이저를 조사하기 시작할 때까지 증가한다. 이러한 점에서, 이득이 λ₁ 및 λ₂ 모두에서 클램핑된다. 일반적으로, 이득 곡선은 종 형태(bell-shaped)이기 때문에, λ₂는 λ₁에 매우 근접한다. (도 2c 참조) 여전히 많은 펌프 파워가 광섬유로 진입함에 따라 (도 2d 참조), 점점 더 많은 파장들이 레이저를 조사하기 시작한다. 실제로, 각각의 이산 레이저 광선들은 한정된 선폭을 갖는다. 따라서, 이산 광선들이 서로 충분히 근접한다면, 이들은 서로 결합되고 조사되는 레이저 광선의 수의 증가의 실질적인 효과는 레이저 선폭이 확장되는 것이다. 요약하면, 불균일하게 확장된 레이저 매체는 펌프 파워를 증가시킴으로써 확장하는 레이저 방출을 이루기 쉽다는 것이다. 레이저 선폭은 원칙적으로 이득 선폭에 도달할 때까지 상기 방식으로 증가할 수 있다.

일반적으로, Er³⁺와 같은 3가 이온화된 희토류 원소의 레이저 천이(transitions)는 균일한 프로세스 및 불균일한 프로세스 모두에 의해 확장된다. 균일한 메커니즘은 호스트 내의 모든 Er 이온들에 대해서와 동일한 방식으로 에르븀 이온들의 스타크 서브레벨들(Stark sublevels) 간의 천이 선폭을 확장시킨 다. 한편, 몇몇의 불균일한 메커니즘은 모든 이온들에 대해서 동일하지는 않지만, 이온 서브셋에 종속적인 스타크 서브레벨들의 분포를 변화시킨다.

실온에서, Er 도핑된 실리카의 1.55 ㎛ 천이는 대부분 균일하게 확장된다. 그러나, 극저온으로 상기 물질을 냉각함으로써, 균일한 확장을 감소시키고 일정한 이득 (공진기 손실과 동일)의 비교적 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 발진하는 레이저를 생성하는 것이 가능하게 된다. 이 효과는 77°K에서 동작되는 EDFA에서 평탄한 이득을 이루는데 사용되었다. (예를 들어, V.L. da Silva, V. Silberberg, J.S. Wang, E.L. Goldstein, 및 M.J. Andrejco의 "Automatic gain flattening in optical fiber amplifiers via clamping of inhomogeneous gain", IEEE Phot. Tech. Lett., vol.5, no. 4, pp. 412-14, April 1993. 참조) 그러나, 상기와 같은 방식은 광섬유를 냉각하는데 장치가 필요하기 때문에 일반적으로 비현실적이다.

본 발명의 양호한 실시예는 광섬유를 극저온으로 냉각할 필요없이 에르븀 도핑된 광섬유 증폭기에서 평탄한 이득을 이루도록 에르븀의 1.55 ㎛ 천이의 불균일한 확장을 이용한다. 이득 확장은 980 nm 흡수 대역의 중심 또는 중심 부근에서 펌핑되는 기존의 에르븀 도핑된 광섬유 증폭기들(EDFA)과 대조적으로 에르븀 이온들의 흡수 대역 에지에서 광섬유를 펌핑함으로써 이루어진다. 선택적으로는, 에르븀 도핑된 광섬유는 에르븀 이온들의 다수의 서브셋들을 여기시키도록 동시에 다중 파장으로 펌핑될 수 있어, 가능한 가장 넓은 스펙트럼 영역에 걸친 이득을 이룰 수 있다. 예를 들어, ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 천이에 대한 펌핑에 있어, 펌핑 파장은 흡수 스펙트럼의 실질적인 부분을 덮도록 균일하게 분포될 수 있거나 그렇지 않으면 약 970 nm와 약 990 nm 사이에서 분포될 수 있다. 펌핑 스펙트럼의 이상적인 스펙트럼 범위는 사용되는 특정한 에르븀 도핑된 광섬유의 흡수 스펙트럼에 따르는데, 이는 광섬유 코어 영역 내에 존재하는 코도펀트에 따른다.

본 발명의 양호한 한 실시예는 클램핑된 이득을 생성하기 위한 광 공진기를 포함하는 광 증폭기인데, 여기서 공진기는 흡수 프로파일 및 이득 프로파일을 갖는 이득 매체를 포함하며, 이득 프로파일은 적어도 부분적으로 불균일한 확장에 의해 특징지워진다. 이 광 증폭기는 이득을 평탄화하도록 불균일한 확장을 이용하기 위해 이득 매체의 흡수 천이의 테일(tail)에서 적어도 하나의 파장으로 이득 매체를 펌핑하기 위한 광 펌프 소스를 더 포함한다. 양호한 실시예에서는, 광공진기는 링 공진기이고 이득 매체는 도핑된 광섬유를 포함한다.

본 발명의 양호한 다른 실시예는 클램핑된 이득을 생성하기 위한 광 공진기를 포함하는 광증폭기로서, 여기서 공진기는 흡수 프로파일 및 이득 프로파일을 갖는 이득 매체를 포함하며, 이득 프로파일은 적어도 부분적으로 불균일한 확장에 의해 특징지워진다. 이 실시예는 이득을 수정하도록 불균일한 확장을 사용하기 위해 이득 매체의 흡수 천이의 테일에서 이득 매체를 펌핑하기 위한 광 펌프 소스를 더 포함하며, 또한 원하는 이득 프로파일을 생성하도록 손실을 조정하기 위한 파장에 의존적인 손실 소자(loss elements)를 포함한다.

본 발명의 양호한 또 다른 실시예는 실질적으로 평탄한 이득을 갖는 광 증폭기를 제조하기 위한 방법인데, 여기서 상기 방법은 흡수 프로파일과 이득 프로파일을 갖는 이득 매체로 펌프 신호를 도입하는 단계를 포함하며, 상기 이득 매체는 공진기 내에 위치한다. 이득 프로파일은 적어도 부분적으로 불균일한 확장에 의해 특징지워지며, 펌프 신호의 스펙트럼 출력은 이득 매체의 불균일한 확장을 이용하기 위해 흡수 프로파일의 테일을 펌핑하도록 선택된다. 이 방법은 상이한 파장들의 복수의 광 신호들을 이득 매체로 주입하여 광 신호를 증폭하는 단계 - 여기서 광 신호 각각의 파장들은 이득 매체의 이득 프로파일 내에 있음 - 와, 이득 매체 내의 자극 방출을 이용하여 광 신호들의 파장을 포함하는 스펙트럼 영역에 걸쳐 이득 매체의 이득을 클램핑하는 단계를 더 포함한다. 다음에, 증폭된 광 신호들이 이득 매체로부터 추출된다. 본 방법의 양호한 한 실시예에서, 이득 매체에 하나 이상의 코도펀트들이 추가되어 이득 프로파일의 불균일한 확장을 확대할 수 있다. 본 방법의 다른 양호한 실시예에서는, 공진기 내의 손실을 변화시킴으로써 이득이 제어될 수 있다. 본 방법의 양호한 또 다른 실시예에서, 이득 평탄화는 공진기 내의 파장 의존적인 손실 소자를 조정함으로써 제어될 수 있다.

도 1a, 도 1b, 및 도 1c는 각각 균일한 확장에 있어 펌프 파워가 레이저 조사(lasing) 임계치 아래에 있을 때, 임계치에 있을 때, 및 임계치 위에 있을 때 이득이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지를 도시한 도면.

도 2a, 도 2b, 도 2c, 및 도 2d는 각각 불균일한 확장에 있어 펌프 파워가 레이저 조사 임계치 아래에 있을 때, 임계치에 있을 때, 임계치 위에 있을 때, 및 임계치에서 상당히 위에 있을 때 이득이 주파수에 따라 어떻게 변화하는지를 도시한 도면.

도 3a 및 도 3b는 이득 매체의 이득 프로파일에 따라 평탄한 클램핑된 이득을 생성하는 광 증폭기로 입력 신호가 주입되는 본 발명의 양호한 실시예를 도시한 도면.

도 4는 링 레이저 내에 위치한 에르븀 도핑된 광섬유로부터 출력된 스펙트럼을 분석하기 위한 실험적인 테스트 셋업을 도시한 도면.

도 5는 도 4의 셋업으로부터 출력된 스펙트럼이 펌프 스펙트럼의 함수에 따라 어떻게 변화하는지를 도시한 도면.

본 발명의 양호한 한 실시예가 도 3a에 도시되어 있다. 이득 매체(20)는 양호하게는 레이저 이온으로서 작용하는 에르븀이 도핑된 광섬유 증폭기(EDFA)이다. 이득 매체(20)는 광 공진기(30)의 일부를 형성한다. 다른 광 이득 매체는 도핑된 통합 광 도파관, 벌크 이득 매체, 및 GaAs와 같은 반도체가 사용될 수 있다. 에르븀 도핑된 이득 매체(20)를 펌핑하기 위한 광 펌프 소스(34)는 유리하게 스펙트럼 영역 950-1000 nm 내에서 하나 이상의 라인을 방출하는 근적외선 다이오드 레이저(near-infrared diode)를 포함한다. 펌프 광은 이색성 커플러(dichroic coupler)(38), 예를 들어, 실질적으로 모든 펌프 파워를 공진기(30)로 결합시키지만 링으로부터의 레이저 신호(54)는 실질적으로 결합시키지 않는 파장 분할 다중화 기(wavelength-division multiplexer)에 의해 에르븀 도핑된 광섬유와 결합된다. 도 3a는 가능한 여러개의 펌핑 구성 중 단지 하나만을 도시하고 있다. 예를 들어, 에르븀 도핑된 광섬유(20)는, 에르븀 도핑된 광섬유의 한 측상에 하나 이상의 이색성 커플러(38) 또는 결합기(combiner)를 적절히 배치함으로써 전방, 후방 또는 양방향으로 동시에 펌핑(양방향 펌핑)될 수 있다. 결합기는 본 기술 분야에 널리 공지된 표준 광섬유 파장 분할 다중화기, 분극 빔 결합기(polarization beam combiner), 또는 임의 개수의 도파관, 또는 벌크 광 결합기일 수 있다. 광 펌프 소스(34)의 스펙트럼 출력은 이득 프로파일의 전체 또는 실질적인 부분, 어느 하나의 단일 스펙트럼 영역, 또는 일련의 보다 작고, 근접하게 이격된 스펙트럼 영역에 걸쳐 이득의 클램핑을 가능하게 하도록 에르븀 도핑된 광섬유 고유의 불균일한 확장의 장점을 가지도록 선택된다. 예를 들어, 광 펌프 소스(34)는 에르븀의 흡수 천이의 흡수 테일 (wing)에서의 이산 파장, 흡수 천이의 장파장측, 또는 흡수 천이의 단파장측에서 동작될 수 있다. 이득 매체가 Er 도핑된 광섬유일 경우, 가능한 펌프 흡수는 1480 nm 근방의 ⁴I_15/2 → ⁴I_13/2 천이 및 980 nm 근방의 ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 천이를 포함한다. 그러나, 장파장 테일에서의 펌핑은 ⁴I_15/2 → ⁴I_13/2 천이상에서 펌핑할 경우에는 가능하지 않다. 선택적으로는, 흡수 천이의 단파장 테일 및 장파장 테일이 펌핑될 수 있다. 광대역 펌프 소스 또는 다중 파장 소스 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 상기 방식으로 이득 매체(20)를 펌핑함으로써, 에르븀 도핑된 광 섬유의 이득 프로파일의 확장은 라인 중심 근방에서 펌핑될 경우보다 더 불균일하게 작용하여, 보다 넓은 영역에 걸쳐 이득 클램핑을 용이하게 한다. 광 펌프 소스(34)는 양호하게는 이색성 커플러(38)를 갖는 공진기(30)로 결합된다. 본 명세서에서 사용되는 광대역 펌프 소스는 넓은 스펙트럼 영역(즉, 사용되는 펌프 대역의 선폭 중 상당한 크기의 비율, 예를 들어, 20%인 폭을 갖는 스펙트럼 영역)에 걸쳐, 초형광 광섬유 소스(SFS), 또는 증폭된 자발 방출에 기초한 소스와 같이 발광하는 광원을 의미한다. 예를 들어, 에르븀 도핑된 광섬유(20)는 이터븀(Ytterbium)과 함께 같이 도핑될 수 있는데, 이는 예를 들어, P.F. Wysocki, P. Namkyoo, 및 D. DiGiovanni의 "Dual-stage erbium-doped, erbium/ytterbium- codoped fiber amplifier with up to +26dBm output power and a 17-nm flat spectrum", Optics Letters, vol. 21, no.21, pp. 1744-1746, November 1, 1996에 교시되어 있다. 본 기술분야에 널리 공지된 바와 같이, 이러한 Er/Yb 광섬유는 1060 nm 근방에서 펌핑될 수 있는데, 펌프 복사(pump radiation)는 광섬유 증폭기의 Yb 이온들에 의해 흡수되며, 그 여기된 에너지는 에르븀 이온들로 전해져서, 에르븀 이온의 밀도 반전이 유도된다. 이러한 Er-Yb 도핑된 광섬유 증폭기는 Yb 도핑된 초형광 광섬유 소스(이터븀이 초형광 광섬유 소스에서 레이저 이온으로서 작용함), 1040-1080 nm 윈도우 근방의 넓은 스펙트럼 영역에 걸쳐 높은 파워를 방출하도록 설계될 수 있는 소스로 펌핑될 수 있다. (예를 들어, L. Goldberg, J.P. Koplow, R.P. Moeller, 및 D.A.V. Kliner의 "High-power superfluorescent source with a side-pumped Yb-doped double-cladding fiber", Optics Letters, vol. 23, no. 13, pp. 1037-1039, July 1, 1998. 참조) 광대역 펌프 소스의 대역폭은 예를 들어, 내부 또는 외부 필터나, 다른 광학 수단에 의해 원하는 값으로 조절될 수 있다.

양호하게, 공진기(30)는 에르븀 도핑된 광섬유(20)로부터의 레이저 방출이 광 아이솔레이터(42)에 의해 공진기를 통해 단방향으로, 즉 화살표 46에 의해 표시된 방향으로 이동하게 되는 링 공진기이다. 공진기(30) 내의 적어도 하나의 감쇠기(50)는 양호하게 공진기 내에서 손실을 제어하는데 사용된다. 특정한 레이저 파장에서, 레이저 공진기(30) 내의 라운드 트립 손실은 라운드 트립 이득과 동일하기 때문에, 감쇠기(50)는 전체 공진기 이득 또한 효과적으로 제어한다. 감쇠기(50)는 유리하게 가변적이거나(즉, 가변적인 손실을 갖거나), 그 손실이 원하는 이득 프로파일을 이루도록 (예를 들어, 이득 프로파일을 평탄화하도록) 파장 종속적이거나, 가변적이고 파장 종속적일 수 있다. 예를 들어, 이득 프로파일 내에 불균일한 손실 소자를 도입함으로써, 공진기(30) 내의 다른 불균일한 손실 스펙트럼을 보상하여 실질적으로 평탄한 이득 스펙트럼을 생성하는 것이 가능하다. 또한, 파장 종속적인 감쇠기(50)가 공진기 내의 감쇠기(50) 대신에 또는 이에 추가하여 공진기(30)의 외부에 배치될 수 있다. 여러 모델의 가변 감쇠기들이 상업적으로 이용가능한데, 이는 Johanson company, Boonton, N.J.에 의해 제조되었다(예를 들어, 모델 #2504F7B50C). 감쇠기(50)는 광유도 광섬유 격자(photoinduced fiber grating)(예를 들어, A.M. Vengsarkar 등의 "Long-Period Fiber-Grating-Based Gain Equalizers", Opt. Lett., vol. 21, pp. 336-338, March 1996 참조) 또는 기계적인 광섬유 격자와 같은 파장 종속적인 손실 소자를 포함할 수 있다.

입력된 광 신호들(54)은 광 아이솔레이터(58)를 통해 광 공진기(30), 및 광 커플러(61) (예를 들어, 신호 및 레이저 파장에서 10% 결합(또는 90% 송신)을 갖는 커플러)와 같은 제1 커플링 장치로 진입하여, 입력 신호가 에르븀 도핑된 레이저 방출 방향과 반대, 즉 입력된 신호들(54)은 화살표 66으로 표시된 방향으로 전파된다. 이득 매체(20) 및 이색성 커플러(38)를 통과한 후에, 광 신호는 포트(63)에서 광 커플러(62) (예를 들어, 10% 커플러)와 같은 제2 커플링 장치를 통과하고, 제2 아이솔레이터(70)를 통과함으로써 공진기(30)를 벗어나는데, 여기서 광 신호들은 출력 광 신호(74)로서 표시되어 있다. 링 레이저 방출은 신호들(54)이 증폭되는 방향과 반대로 순환되기 때문에, 링 레이저 신호는 커플러(62)의 출력이 아니라 커플러의 다른 포트, 즉 포트(64)로 출력된다. 따라서, 도 3a의 실시예는 출력된 광 신호들(74)이 에르븀 광섬유(20)의 레이저 방출로부터 확실하게 분리되도록 하는 것이다.

양호하게, 커플러들(61, 62)은 입력 신호들(54)에 전해지는 손실을 최소화하는 신호 파장에서 가능한 한 작은 결합 비율(coupling ratio)을 갖는다. 이는 0% 커플러 제한을 향해 이동함을 의미한다. 예를 들어, 1% 커플러로, 커플러(61)에서의 입력 신호들(54)(및 커플러(62)에서의 탭 아웃(tapped-out) 신호들)에 의해 겪게 되는 결합 "손실"은 양호하게도 매우 낮을 것이다(1%). 마찬가지로, 링 레이저 신호에 대한 결합 "손실"은 매우 높은데(99%), 이는 높은 공동 손실이 (높은 EDFA 이득을 얻기 위해서) 바람직하므로 양호한 것이다. 따라서, (커플러들의 결합 비 율과 신호들에 의한 실제 이득 사이의 관계가 주의깊게 모델링될 필요가 있지만) 커플러들(61 및 62)은 링 손실을 조정하여, 그 결과 신호들에 의한 이득을 조정하는데 사용될 수 있다. 따라서, 가변 감쇠기(50)를 사용하는 다른 방식은 커플러들 중 어느 하나 또는 양자 모두의 결합 비율을 사용하여 이득 레벨을 변화시키는 것이다.

도 3a에서, 커플러(61)의 결합 비율이 낮아질수록, 커플러(61)에 의해 입력 신호들(54)에 전달되는 손실이 낮아지게 된다. 유사하게, 커플러(62)의 결합 비율이 낮아질수록, 커플러(62)에 의해 증폭된 신호들에 전달되는 손실이 낮아지게 된다. 그러므로, 커플러들(61 및 62)의 결합 비율이 낮아질수록, 도 3a의 증폭기를 통하는 신호의 손실이 낮아져서 신호들에 의해 나타나는 실제 이득은 높아지게 된다(또는 반대로, 주어진 실제 이득에 도달하는데 필요한 펌프 파워가 낮아지게 된다). 전술한 관점에서, 주어진 필요한 실제 이득에 대해, 양쪽의 결합 비율을 감소시키는 것이 유리하다. 결합 비율들을 감소시키는 한 가지 방법은 루프 내의 다른 소자들, 특히 감쇠기(50) 및 아이솔레이터(42)의 손실을 감소시키는 것이다. (더욱이, 이색성 커플러(38)의 손실은 가능한 한 낮아야 한다. 이는 3가지 이점을 갖는다: 이색성 커플러(38)에서 상실되는 펌프 파워가 감소되고, 이색성 커플러(38)에서 상실되는 신호 파워량이 감소되며, 커플러들(61 및 62)에 대해 보다 낮은 결합 비율이 선택될 수 있다.) 예를 들어, 20 dB의 클램핑된 이득이 요구된다면, 한 가지 가능한 구성은 2 dB의 배경 (파장 독립적) 손실 및 커플러들(61 및 62) 각각에 대한 12.6%의 결합 비율(9 dB 전송), 즉 (모든 다른 루프 소자들이 무시할 수 있는 손실을 갖는다고 가정하면) 2 × 9 + 2 = 20 dB의 전체 루프 손실을 갖는 파장 의존적인 감쇠기(50)이다. 양호한 해결책은 0 dB의 배경 (파장 독립적) 손실 및 커플러들(61 및 62) 각각에 대한 10%의 결합 비율들(또는 10 dB 전송), 즉 2 × 10 + 0 = 20 dB의 전체 루프 손실을 갖는 파장 의존적인 감쇠기(50)를 사용하는 것이다. 전자의 경우에, 2개의 커플러들(61 및 62) 각각은 12.6%의 손실을 신호에 전달한다. 두번째 경우에, 2개의 커플러들(61 및 62) 각각은 10%의 손실을 신호에 전달하는데, 이는 첫번째 경우에서보다 2 dB 낮은 라운드 트립 신호 손실에 대응한다.

선택적으로는, 커플러들(61 및 62) 중 하나(또는 2개 모두)는 광 서큘레이터(optical circulator)와 같은 다른 커플링 장치(들)로 대체될 수 있다. 이는 커플러들(61 및 62)이 광 서큘레이터들(81 및 82)로 대체되었고, 입력 및 출력 아이솔레이터들(58 및 70)이 제거되었다는 것을 제외하고는 도 3a와 유사한 도 3b에 도시되어 있다. 본 실시예에서, 입력 신호들(54)은 입력 서큘레이터(81)에서 스플리팅 손실(splitting loss)을 겪지 않으며, 출력 신호들(74)은 출력 서큘레이터(82)에서 스플리팅 손실을 겪지 않는다. 상기 이점은 신호 손실이 낮아져서 보다 낮은 이득이 증폭기(20)로부터 요구된다(그리고 낮은 펌프 파워가 요구된다)는 점이다. 한편, 커플러들(61 및 62)과 달리, 서큘레이터들(81 및 82)은 필요한 높은 공진기 손실 (높은 이득 증폭기의 경우)을 제공할 수 없다. 가변 감쇠기(50)가 그 말단에 사용되어야 한다. 현재 상업적인 서큘레이터들은 1 dB 근방 또는 미만의 작은 내부 손실을 나타낸다. 그러나, 이러한 손실에 근본적인 제한은 없으며, 이는 장래의 서큘레이터 설계에서 낮아질 것으로 기대될 수 있다.

광 서큘레이터(81)(및 광 서큘레이터(82))는 공지된 방식으로 동작하여 실질적으로 포트(84)를 통해 진입하는 모든 광을 다음의 인접한 포트, 즉 포트(83)로부터 결합되도록 하는 3포트 장치이다. 광 서큘레이터는 광이 서큘레이터 내에서 단지 한 방향으로만 (즉, 도 3b에서 반시계방향) 순환하는 것을 의미하는 단방향성 장치이다. 따라서, 공진기 링으로부터 복귀하여 서큘레이터(81)의 포트(83)로 진입하는 광은 서큘레이터(81)의 제3 포트(85)를 통해 결합되며, 서큘레이터(81)의 포트(84)를 벗어나지 않는다. 따라서, 서큘레이터(81)는 포트(84)로부터 링 공진기에 진입하는 광이 직접 포트(85)로 전파하지 않도록 하는 아이솔레이터로서 동작한다. 예시적인 광 서큘레이터가 E-TEK Dynamics, Inc., 1885 Lundy Avenue, San Jose, California 95131로부터 이용가능하다.

도 3b에 도시된 실시예의 다른 장점은 도 3a의 입력 및 출력 아이솔레이터(58, 70)들이 더 이상 필요하지 않다는 것이다. 그 이유는 링 내의 아이솔레이터(42)가 서큘레이터들(81 및 82)과 동작하여 아이솔레이터로서 작용하기 때문이다. 출력 아이솔레이션에 관련하여, (서큘레이터(81)의) 출력 포트(83)로부터 출력 서큘레이터(82)로 되돌아오는 임의의 빗나간 신호(stray signal)는 아이솔레이터(42)를 향하게 되어, Er 도핑된 광섬유 증폭기(20)로 진입하지 않고도 효과적으로 상실된다. 따라서, 증폭기(20)는 출력 포트(83)로부터의 임의의 피드백으로부터 아이솔레이션된다. 입력 아이솔레이션에 있어서, 링으로부터 (서큘레이터(81)의) 입력 포트(84)로는 광이 들어오지 않는다. 이는 Er 도핑된 광섬유(20)로부터 입력 서큘레이터(81)를 향해 오는 임의의 역방향 신호(특히, 신호의 의사 반사 및 Er 도핑된 광섬유에 의해 발생된 ASE 신호)는 입력 서큘레이터로 진입하여, 링으로 향하게 될 것이기 때문이다. 따라서, 이 역방향 신호는 결코 입력 포트(84)로 진행할 수 없다. 이는 입력 커플러(61)가 의사 신호들의 90%를 커플러(61)의 입력 포트(88)로 향하게 하는 도 3a의 실시예에서의 경우와 다르며, 이는 상기 실시예가 입력 아이솔레이터(58)를 필요로 하는 이유이다. 서큘레이터들(81 및 82)과 아이솔레이터(42)에 의해 제공되는 것보다 우수한 아이솔레이션이 필요한 경우 입력 및 출력 아이솔레이터가 도 3b의 실시예에서 여전히 사용될 수 있다. 선택적으로는, 서큘레이터들 중 하나만이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3b의 신호 출력측에서, 서큘레이터(82)는 도 3a의 신호 출력측에 도시된 커플러(62)/아이솔레이터(70) 배치로 대체될 수 있다.

입력 신호들(54)의 파장은, 에르븀 도핑된 광섬유에 대하여 넓고 양호하게는 적어도 5 나노미터(㎚) 폭인, 이득 매체(20)의 이득 프로파일내에 있도록 양호하게 선택된다. 이득이 손실을 초과할 정도로 펌프 파워가 높은 경우, 공진기(30)는 이득 프로파일에 따른 이득을 효과적으로 클램핑하여, 모든 입력 신호들이 에르븀 도핑된 광섬유(20)를 통과할 때, 동일한 이득을 갖도록 한다. 이 결과, 입력 신호들(54)이 균일하게 증폭된다. 또한, 도 3a 및 도 3b의 실시예들은 펌프 파워의 넓은 범위(즉, 펌프 파워 임계치와 펌프 소스로부터 이용가능한 가장 높은 펌프 파워 사이의 범위)에 걸쳐 펌프 파워 변동에 민감하지 않은 이득을 생성하는 장점을 제공한다.

이러한 둔감성(insensitivity)의 이유는 링 레이저(30)가 임계치보다 비교적 상당히 높게 펌핑되는 경우, 이득이 순환되는 링 레이저 방출에 의해 그 소 신호값보다 현저히 공핍되기 때문이다. 펌프 파워가 통상적인 값에서 증가한다면, 도 2c 및 도 2d와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이, 이득은 동일한 값으로 클램핑되지만, (이득 대역폭이 상기 통상적인 펌프 파워에 대해 그 최적값에 도달하지 않았다고 가정하면) 이득 대역폭은 증가한다. 펌프 파워가 통상적인 값에서 감소한다면, (펌프 전력이 임계치 아래로 감소되지 않는다는 가정하에) 이득은 다시 동일한 값으로 클램핑되어 이득 대역폭도 또한 감소할 것이다. 결과적으로, (1) 이득값은 펌프 파워가 임계치 아래로 떨어지지 않는다는 가정하에 펌프 파워의 변동에 내성이 있으며, (2) 이득 대역폭은 펌프 파워에 따른다. 그러나, 펌프 파워의 가장 낮은 예측값에 대해 이득 대역폭이, 결합된 입력 신호들에 의해 점유되는 스펙트럼 대역폭보다 큰 것을 보장함으로써, 이득 대역폭은 항상 충분히 넓으며 모든 입력 신호들(54)은 펌프 파워 변동에 독립적으로 동일한 이득을 얻을 것이다.

유사하게, 도 3a 및 도 3b의 실시예들은 신호 파워의 소정의 범위에 걸쳐 입력 신호들(54)의 파워에 민감하지 않고, 입력 신호 수의 소정의 변동 범위에 걸쳐 입력 신호 수의 변동에 민감하지 않은 이득을 생성하는 장점을 제공한다. 이는 다음과 같이 설명될 수 있다. 입력 신호들(54)의 수가 일정하게 유지되지만 소정의 또는 전체 입력 신호들의 파워가 증가할 경우, 에르븀 도핑된 광섬유의 밀도 반전이 일정하게 유지되어 이득은 일정하게 유지될 것이다. 레이저는 링 레이저 파워를 낮춤으로써 이를 달성한다. 그러나, 펌프 파워가 충분히 높은 경우, 보다 좁은 선폭이라해도 레이저는 조사를 계속할 것이다. 따라서, 이득 대역폭이 감소하더라도 이득은 원래의 값에서 클램핑될 것이다. 이전의 단락에서 설명한 바와 같이, 이득 대역폭의 감소는, 그 최소 가능값에서 모든 입력 신호들(54)에 대해 평탄한 이득을 제공하기에 충분할 정도로 대역폭이 넓은 경우에는 사소한 문제이다. 개개의 신호 파워가 일정하게 유지되는 동안 입력 신호들(54)의 수가 변화하는 경우에도 유사한 논리가 성립될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 입력 신호들(54)이 강하하는 경우, 이득은 동일한 값으로 클램핑될 것이며, (그 최대 가능값에 있지 않은 것으로 가정하면) 이득 선폭은 증가할 것이다.

펌프 파워, 신호 파워, 및 입력 신호들(54)의 수에 대한 둔감성은 특히 광 통신 시스템에서 중요하다. 예를 들어, 본 발명에서 설명한 바와 같은 증폭기를 통해 전파되는 입력 신호들의 수는 사용자의 수가 변동하거나 또는 광 신호를 공급하는 광원들 중 하나의 우연한 고장의 경우에 시간에 따라 변화할 것이다. 유사하게, 입력 신호 파워 및 펌프 파워는 예를 들어, 그들을 공급하는 광원의 노화 또는 고장의 결과로서 또한 시간에 따라 변화할 수 있다.

다중 파장 펌핑이 사용될 수 있지만, 광대역 펌핑이 보다 나은 결과를 나타낼 것으로 예측된다. 에르븀 도핑된 광섬유(20)에 대한 하나의 광대역 펌프 소스는, 0.97-1.04 ㎛ 범위 내의 수십 mW의 초형광 방출을 생성할 수 있는 980 nm 근방에서 펌핑되는 이터븀 도핑된 광섬유로 제작된 초형광 광섬유 소스(SFS)이다(예를 들어, D.C. Hanna, I.R. Perry, P.J. Suni, J.E. Townsend, 및 A.C. Tropper의 "Efficient superfluorescent emission at 974 nm and 1040 nm from an Yb-doped fiber", Opt. Comm., vol. 72, nos. 3-4, ppl 230-234, July 1989. 참조). 이러한 광섬유의 스펙트럼 출력은 부분적으로 그 길이에 종속적이며, 보다 긴 광섬유는 보다 긴 파장에서의 방출에 적합하다. 하나의 짧은 광섬유(0.5 m)는 2 nm의 대역폭으로 974 nm에서 방출을 생성하고, 긴 광섬유 (5 m)는 19 nm 대역폭으로 1040 nm에서 방출을 생성한다(위에서 인용된 D.C. Hanna 등 참조). 이러한 SFS는 (SFS가 980 nm에서 실행하기에 충분히 길 경우 그 선폭이 충분히 넓다고 가정하면) 그 단파장 범위에서 Er 도핑된 광섬유를 광대역 펌핑(broadband-pump)하는데 사용될 수 있다. SFS는 또한 그 장파장 범위내에서 Er/Yb 도핑된 광섬유를 광대역 펌핑하는데 사용될 수 있다(일반적으로 0.98-1.064 ㎛ 범위에서 펌핑됨).

본 발명의 다른 실시예는 에르븀 도핑된 광섬유(20)의 코어의 조성에 관한 것이다. 코어 내의 코도펀드 종류의 수를 증가시키는 것은 에르븀 이온이 존재할 수 있는 매우 다양한 물리적인 위치를 생성한다. 각 위치는 에르븀 이온의 다소 상이한 스타크 스플리팅(stark splitting)을 유도하기 때문에, 에르븀 이온의 불균일한 확장은 코도펀트 종류가 추가됨에 따라 증가할 것이다. 일반적으로, 네트워크 수정 코도펀트(network modifying codopants)의 수가 커질수록, 이득이 점점 더 불균일해질 것이 예측된다. 이러한 원리는 (Er³⁺만이 아닌) 임의의 레이저 이온 및 (실리카 또는 플루오르화 유리만이 아닌) 광섬유 호스트에 적용된다.

광섬유(20)의 코어로 양호하게 도입되는 코도펀트는 유리 호스트의 희토류 이온의 용해도를 향상시키는 경향이 있는 소위 네트워크 수정자(network modifiers)이다. 적어도 부분적으로 네트워크 수정자로서 작용하는 코도펀트들은 K, Ca, Na, Li , Al을 포함하나 이들에 제한되지는 않는다. Ge와 같은 인덱스 수정자로서 공지된 코도펀트는 일반적으로 희토류 이온들의 용해도를 향상시키지는 않지만, 예를 들어, 광섬유의 굴절률을 제어하기 위해 광섬유내에 도입될 수 있다. 그러나, Ge는 에르븀 도핑된 실리카계 광섬유의 이득의 불균일한 선폭을 증가시키는 경향이 있다(위에서 인용된 V.L. da Silva 등 참조).

흡수 프로파일의 테일에서의 펌핑에 의한 불균일한 이득 확장의 증가는 도 4에 도시된 광섬유 링 레이저(100)를 사용하여 설명되었다. 레이저(100)는 3-m 길이의 Er 도핑된 광섬유(104), 2개의 WDM 광섬유 커플러(108 및 110), 및 레이저 발진을 단일 방향으로 강제하는 광 아이솔레이터(112)를 포함한다. 광섬유 링 레이저(100)는 980 nm에서 동작하는 2개의 펌프 레이저 다이오드들(116 및 118)로 펌핑된다. 이 레이저 다이오드들(116 및 118)은 각각의 제1 및 제2 WDM 광섬유 커플러들(108 및 110)을 통해 링 레이저(100)에 결합된다. 또한, 제2 WDM 커플러(110)는 링 레이저(100)로부터 레이저 신호를 추출하는데 사용된다. 제3 WDM 커플러(120)는 링 레이저(100)의 출력에 배치되어, 링 레이저(100)의 레이저 신호로부터 흡수되지 않는 980 nm 펌프를 분리하는데 사용되며, 상기 레이저 신호는 약 1530 내지 약 1570 nm의 범위 내에 있다. 이러한 2개의 신호들 각각의 스펙트럼은 광 스펙트럼 분석기(130)를 통해 독립적으로 관찰된다.

도 5는 2개의 상이한 펌핑 조건 하에서 측정된 광섬유 링 레이저(100)의 출력 스펙트럼을 도시하고 있다. 링 레이저(100)가 978 nm에서, 즉 Er 도핑된 광섬 유의 ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 흡수 천이의 중심 근방에서 단지 하나의 레이저 다이오드만으로 펌핑될 때, 링 레이저 출력은 1560.8 nm 근방에 중심을 가지는 비교적 좁은 스펙트럼 (수십 nm)을 나타낸다. 한편, 링 레이저(100)가 974 nm 및 985 nm인 2개의 레이저 다이오드로 펌핑될 때, 링 레이저의 스펙트럼은 상당히 넓어져서 약 1561 nm 내지 1563 nm로 확장된다. 다른 실험은 14 nm 이상의 대역폭이 이루어질 수 있다는 것을 시사한다. Er 도핑된 광섬유의 이득 스펙트럼이 어느 하나의 펌핑 설비로 측정되었지만, 도 5의 결과는 그 흡수 대역의 테일에서 Er 도핑된 광섬유를 펌핑하는 것은 아마도 테일 펌핑 경우에서의 다수의 Er³⁺ 서브셋의 동시 여기로 인해 흡수 중심에서만 펌핑할 때보다 광섬유로부터 보다 넓은 방출을 이룬다는 것을 도시하고 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 980 nm 흡수 대역의 테일에서 펌핑하는 것에 추가하여, 1480 nm 흡수 대역의 테일을 펌핑함으로써 불균일한 확장이 또한 관찰될 수 있다.

본 발명은 그 사상 또는 기본적인 특성으로부터 벗어나지 않으면서 다른 특정한 형태로 구현될 수 있다. 상술한 실시예들은 단지 설명을 위한 것이지 제한하려는 의도는 아니다. 그러므로, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다. 특허청구범위와 등가적인 의미 및 범위 내에 있는 모든 변경들은 본 발명의 범위내에 포함될 것이다.

Claims (35)

1. 광 증폭기에 있어서,

   흡수 프로파일 및 이득 프로파일을 갖는 이득 매체(20)를 포함하며, 클램핑된 이득을 생성하기 위한 단방향성 링 광 공진기(30) - 상기 이득 프로파일은 적어도 부분적으로 불균일한 확장(inhomogeneous broadening)에 의한 특징을 가짐 - ; 및

   상기 불균일한 확장을 이용하여 상기 이득을 평탄화하기 위해 상기 이득 매체의 흡수 천이의 테일(tail)에서 적어도 하나의 파장으로 상기 이득 매체를 펌핑하기 위한 광 펌프 소스(34)

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 이득 프로파일에 걸친 이득은 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
3. 제1항에 있어서, 상기 광 펌프 소스(34)는 상기 흡수 천이의 장파장측을 펌핑하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
4. 제1항에 있어서, 상기 광 펌프 소스(34)는 상기 흡수 천이의 단파장 테일을 펌핑하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
5. 제1항에 있어서, 상기 광 펌프 소스(34)는 상기 흡수 천이의 단파장 테일과 장파장 테일 모두를 펌핑하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
6. 제1항에 있어서, 상기 이득 매체(20)는 도핑된 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
7. 제1항에 있어서, 상기 이득 매체(20)는 에르븀(erbium)을 포함하며, 상기 에르븀은 레이저 이온으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
8. 제1항에 있어서, 상기 광 펌프 소스(34)는 광대역의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
9. 제1항에 있어서, 상기 광 펌프 소스(34)는 적어도 하나의 이산 파장에서의 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
10. 제1항에 있어서, 상기 단방향성 링 광 공진기(30)는 레이저 발진을 단일방향으로 제한하는 광 아이솔레이터(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
11. 제10항에 있어서, 상기 광 증폭기로의 입력 신호들(54)은 상기 레이저 발진의 방향(46)과 반대로 전파하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
12. 제1항에 있어서, 원하는 이득 프로파일을 생성하기 위해 불균일한 손실 프로파일을 보상하기 위한 파장 종속 손실 소자(wavelength dependent loss element)(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
13. 제1항에 있어서, 상기 광 펌프 소스(34)는 초형광(superfluorescent) 광섬유 소스인 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
14. 제13항에 있어서, 상기 초형광 광섬유 소스는 레이저 이온으로서 이터븀(ytterbium)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
15. 제1항에 있어서, 상기 이득 매체(20)는 상기 이득 매체의 불균일성을 향상시키기 위한 적어도 하나의 코도펀트(codopant)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
16. 제15항에 있어서, 상기 코도펀트는 네트워크 수정자(network modifier)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
17. 제16항에 있어서, 상기 코도펀트는 K, Ca, Na, Li, Al, 및 Ge로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
18. 제1항에 있어서, 상기 이득 매체(20)는 적어도 5 나노미터의 스펙트럼 영역에 걸쳐 평탄하고 넓은 이득을 제공하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
19. 제1항에 있어서, 상기 이득 매체에서 원하는 레벨의 이득을 생성하기 위해 손실의 레벨을 제어하기 위한 가변 감쇠기(variable attenuator)(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
20. 제1항에 있어서, 상이한 파장의 입력 신호들을 생성하기 위한 광 소스(34)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
21. 제20항에 있어서, 상기 입력 신호들(54)과 상기 이득 매체(20)로부터의 레이저 발진은 반대로 전파되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
22. 제1항에 있어서, 신호들을 상기 광 공진기(30) 안팎으로 결합시키기 위한 커플링 장치(61, 62)들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
23. 제22항에 있어서, 상기 커플링 장치(61, 62)들은 적어도 하나의 광 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
24. 제22항에 있어서, 상기 커플링 장치(61, 62)들은 적어도 하나의 광 서큘레이터(optical circulator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
25. 광 증폭기에 있어서,

    흡수 프로파일 및 이득 프로파일을 갖는 이득 매체(20)를 포함하며, 클램핑된 이득을 생성하기 위한 광 공진기(30) - 상기 이득 프로파일은 적어도 부분적으로 불균일한 확장에 의한 특징을 가짐 - ;

    상기 불균일한 확장을 이용하여 상기 이득을 조절하기 위해 상기 이득 매체의 흡수 천이의 테일에서 상기 이득 매체(20)를 펌핑하기 위한 광 펌프 소스(34); 및

    원하는 이득 프로파일을 생성하도록 손실을 조정하기 위한 파장에 의존적인 손실 소자(50)

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
26. 제25항에 있어서, 상기 광 공진기(30)는 상기 파장에 의존적인 손실 소자(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
27. 제25항에 있어서, 상기 파장에 의존적인 손실 소자(50)는 실질적으로 평탄한 이득을 생성하도록 상기 공진기(30)의 손실을 조정하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
28. 실질적으로 평탄한 이득을 갖는 광 증폭기를 생성하기 위한 방법에 있어서,

    흡수 프로파일 및 이득 프로파일을 갖는 이득 매체(20)로 펌프 신호(54)를 도입하는 단계 - 상기 이득 매체(20)는 단방향성 링 광 공진기(30) 내에 존재하며, 상기 이득 프로파일은 적어도 부분적으로 불균일한 확장에 의한 특징을 갖고, 상기 펌프 신호의 스펙트럼 출력은 상기 이득 매체(20)의 상기 불균일한 확장을 이용하기 위해 상기 흡수 프로파일의 테일을 펌핑하도록 선택됨 - ;

    광 신호들(54)을 증폭하기 위해 상이한 파장들의 복수의 광 신호들을 상기 이득 매체(20)로 주입하는 단계 - 상기 광 신호들(54)의 각각의 파장들은 상기 이득 매체(20)의 상기 이득 프로파일 내에 있음 - ;

    상기 광 신호들(54)의 파장들을 포함하는 스펙트럼 영역에 걸쳐 상기 이득 매체(20)의 이득을 클램핑하기 위해 상기 이득 매체(20) 내의 자극 방출(stimulated emission)을 사용하는 단계; 및

    상기 이득 매체(20)로부터 증폭된 광 신호들(74)을 추출하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 이득 매체(20)에 코도펀트들을 추가하여 상기 이득 프로파일의 불균일한 확장을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
30. 제28항에 있어서, 상기 공진기(30) 내의 손실을 변화시킴으로써 상기 이득을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
31. 제28항에 있어서, 상기 주입된 광 신호들(54)의 전파 방향(66)과 반대방향(46)으로 레이저 발진을 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
32. 제28항에 있어서, 상기 이득 매체(20)는 도핑된 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
33. 제28항에 있어서, 상기 공진기(30) 내의 파장에 의존적인 손실 소자(50)를 조정함으로써 이득 평탄화를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
34. 제28항에 있어서, 상기 자극 방출은 레이저 방출을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기 생성 방법.
35. 삭제

Images