KR100701551B1

KR100701551B1 - 광섬유 라만 증폭기

Info

Publication number: KR100701551B1
Application number: KR1020050088612A
Authority: KR
Inventors: 한영근; 이상배; 김철한
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-09-23
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-03-30
Also published as: KR20070034203A

Abstract

본 발명은 펌프광을 순방향 또는 역방향으로만 인가하는 종래의 라만 증폭기의 구조를 개선한 라만 증폭기에 대한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 증폭기는 제1 및 제2 단부를 갖는 라만 이득 광섬유, 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 발생시키는 펌프광 발생 수단, 상기 라만 이득 광섬유의 제1 단부에 결합되며, 상기 제1 펌프광 및 입력 광신호를 수신하고 상기 제1 펌프광 및 입력 광신호가 상기 라만 이득 광섬유를 통과하도록 구성된 제1 커플러, 및 상기 라만 이득 광섬유의 제2 단부에 결합되며, 상기 라만 이득 광섬유를 통과한 광신호를 수신하여 출력하고 상기 제2 펌프광을 수신하여 상기 제2 펌프광이 상기 라만 이득 광섬유를 통과하도록 구성된 제2 커플러를 포함한다.

광섬유 라만 증폭기, 순방향 펌프광, 역방향 펌프광

Description

광섬유 라만 증폭기{FIBER RAMAN AMPLIFIER}

도 1a는 순방향으로 펌프광을 인가하는 종래의 라만 증폭기의 구조를 도시한 도면.

도 1b는 역방향으로 펌프광을 인가하는 종래의 라만 증폭기의 구조를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 증폭기의 구조를 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 라만 증폭기의 구조를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 증폭기에서의 온/오프 라만 이득을 도시한 그래프.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 증폭기에서의 파워 페널티를 도시한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 도면부호의 설명*

20, 34, 35: 펌프광원

21, 22, 31, 32: WDM 커플러

23: 라만 이득 광섬유

33: 가변 커플러

본 발명은 광섬유 라만 증폭기에 대한 것이다. 광섬유 라만 증폭기는 증폭 파장대역에 대한 제약이 없어 차세대 광대역 광통신망 구축에 있어서 핵심 기기로 인식되고 있다.

도 1a는 순방향(forward) 라만 증폭기의 구성을 도시한 도면이다. 펌프광원(20)으로부터의 펌프광은 WDM 커플러(wavelength division multiplexing coupler, 21)에서 입력 광신호(24)와 결합된다. 라만 증폭기에서는 WDM 커플러(21) 대신 범용 커플러를 사용하여도 되나, WDM 커플러를 사용하는 것이 파워 손실면에서 바람직하다. 결합된 광신호가 라만 이득 광섬유(23)을 통과하면서 라만이득현상이 유도되어 신호가 증폭된다. 이와 같이, 입력 광신호와 펌프광의 방향이 동일한 라만 증폭기에서는 높은 광신호 대 잡음 비(OSNR)를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 구조에서는 이중 라이레이 후방산란(double Rayleigh backscattering)이 생겨서 잡음이 증가할 수 있다. 또한, 증폭기의 비선형성이 증가하기 때문에, 광신호가 주파수 영역 상에서 넓게 퍼지는 현상(signal broadening)이 생길 수 있다.

도 1b는 역방향(backward) 라만 증폭기의 구성을 도시한 도면이다. 도 1a의 순방향 라만 증폭기에서는 펌프광과 입력 광신호(24)의 진행방향이 일치하였지만, 도 1b에 도시된 역방향 라만 증폭기에서는 펌프광원(20)으로부터 발생되어 WDM 커플러(22)를 거쳐서 라만 이득 광섬유(23)를 통과하는 펌프광의 진행방향이 입력 광 신호(24)와 반대이다. 역방향 라만 증폭기는 순방향 라만 증폭기에 비하여 비선형성을 감소시키고, 신호간 누화(signal-to-signal crosstalk), 펌프 신호간 누화(pump-to-signal crosstalk) 등을 억제할 수 있으므로 광섬유 라만 증폭기의 성능을 향상시킬 수 있다. 그러나, 역방향 라만 증폭기는 OSNR이 저하될 수 있다는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 기존의 순방향 라만 증폭기 또는 역방향 라만 증폭기의 문제점을 개선하여, 이중 라이레이 후방산란의 효과를 억제하여 파워 페널티(power penalty)가 개선되고, OSNR이 저하되지 않는 라만 증폭기를 제공하는 곳을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 라만 증폭기는 제1 및 제2 단부를 갖는 라만 이득 광섬유, 제1 펌프광 및 제2 펌프광을 발생시키는 펌프광 발생 수단, 상기 라만 이득 광섬유의 제1 단부에 결합되며, 상기 제1 펌프광 및 입력 광신호를 수신하고 상기 제1 펌프광 및 입력 광신호가 상기 라만 이득 광섬유를 통과하도록 구성된 제1 커플러, 및 상기 라만 이득 광섬유의 제2 단부에 결합되며, 상기 라만 이득 광섬유를 통과한 광신호를 수신하여 출력하고 상기 제2 펌프광을 수신하여 상기 제2 펌프광이 상기 라만 이득 광섬유를 통과하도록 구성된 제2 커플러를 포함한다.

라만 이득 광섬유는 싱글모드 광섬유 (SMF), 분산 천이 광섬유 (DSF), 고비 선형 광섬유 (highly nonlinear fiber), 분산 보상 광섬유 (DCF), 포토닉 크리스탈 광섬유 (Photonic crystal fiber), 및 화합물 유리 섬유(compound glass fiber)로 구성된 그룹에서 선택될 수 있다. 펌프광 발생 수단은 하나의 펌프광을 발생시키는 펌프광원 및 상기 펌프광원으로부터의 펌프광을 상기 제1 및 제2 펌프광으로 분리하는 분리수단을 포함할 수 있다. 펌프광원은 반도체 레이저 다이오드 또는 광섬유 라만 레이저 현상을 이용하여 레이저광을 발생시키는 광섬유 라만 레이저 장비일 수 있다. 분리수단은 상기 제1 및 제2 펌프광의 파워를 조절할 수 있는 가변 커플러일 수 있다. 또는, 펌프광 발생 수단은 제1 펌프광을 발생시키는 제1 펌프광 발생기 및 제2 펌프광을 발생시키는 제2 펌프광 발생기를 포함할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 증폭기의 구성을 도시하는 도면이다. 펌프광원(20)에서 발생된 펌프광은 분리 수단, 바람직하게는 가변 커플러(33)을 통하여 2개의 광으로 분기되어, 각각 WDM 커플러(31 및 32)에 인가된다. WDM 커플러(31)에 인가된 펌프광은 광입력신호(24)의 진행방향과 동일한 방향, 즉 순방향으로 라만 이득 광섬유(23)을 통과한다. WDM 커플러(32)에 인가된 펌프광은 광입력신호(24)의 진행방향과 반대되는 방향, 즉 역방향으로 라만 이득 광섬유(23)을 통과한다. 결국, 본 발명에 따른 라만 증폭기에서는 순방향과 역방향 모두로 펌프광이 진행한다.

가변 커플러(33)에서는 분기되는 2개의 펌프광의 파워를 조절할 수 있다. 따라서, 순방향 펌프광과 역방향 펌프광 각각의 파워를 조절함으로써 최적의 성능 을 갖는 라만 증폭기를 구현할 수 있게 된다. 라만 이득을 얻기 위해 사용되는 라만 이득 광섬유(23)는 일반적인 싱글모드 광섬유 (SMF), 분산 천이 광섬유 (DSF), 고비선형 광섬유 (highly nonlinear fiber), 분산 보상 광섬유 (DCF), 포토닉 크리스탈 광섬유 (Photonic crystal fiber)등이 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라만 증폭기의 구성을 도시한 도면이다. 하나의 펌프광원(20)으로부터의 펌프광을 가변 커플러(33)에서 2개의 펌프광으로 분기시켰던 도 2의 실시예와 달리, 도 3의 실시예에서는 2개의 펌프광원(34 및 35)를 사용하여 순방향 펌프광 및 역방향 펌프광을 발생시킨다. 각각의 펌프광의 파워를 펌프광원에서 조절함으로써, 최적의 성능을 갖는 라만 증폭기의 구현이 가능하다. 이외에는, 도 3에 도시된 실시예의 구성은 도 2에 도시된 실시예의 구성과 동일하다.

이하에서는 순방향 펌프광 파워와 역방향 펌프광 파워의 비율을 바꿔가면서 본 발명의 실시예에 따른 라만 증폭기의 성능을 평가한 실험결과를 설명한다. 도 4는 도 2에 도시된 실시예에 따른 라만 증폭기의 온/오프 라만 이득(on/off Raman gain)을 도시한 도면이다. x축은 입력 광신호의 파워이고 y축은 온/오프 라만 이득이다. 라만 이득 광섬유로써 90 km의 non-zero dispersion shifted fiber (NZDSF)를 사용하였다. 도 4에서는 전체 펌프광 파워에 대한 순방향 펌프광 파워의 비율(co: codirection)에 따라서 8개의 궤적을 도시하였다. 즉, co 100%는 순방향 펌프광만을 인가하고 역방향 펌프광은 인가하지 않은 경우이다. co 80%는 순방향 펌프광의 파워가 전체 펌프광 파워의 80%이고 역방향 펌프광의 파워가 20%임 을 나타낸다. 마찬가지로, co 0%는 역방향 펌프광만을 인가하고 순방향 펌프광은 인가하지 않은 경우의 궤적이다. 궤적(41)은 co 100%인 경우, 궤적(42)은 co 80%인 경우, 궤적(43)은 co 70%인 경우, 궤적(44)은 co 60%인 경우, 궤적(45)은 co 40%인 경우, 궤적(46)은 co 30%인 경우, 궤적(47)은 co 20%인 경우, 궤적(48)은 co 0%인 경우를 나타낸다.

도 4에 궤적(41)로 도시된 바와 같이, 순방향 펌프광만을 인가한 경우에는 입력 광신호의 파워가 증가하면서 온/오프 라만 이득이 감소하는 바람직하지 않은 비선형성을 나타내었으며, 이에 따라, 다이내믹 레인지(dynamic range) 역시 낮았다. 도 4에 도시된 바와 같이, 역방향 펌프광의 비율이 증가할수록 온/오프 라만 이득이 개선된다.

도 5는 도 2에 도시된 실시예에 따른 라만 증폭기의 파워 페널티(power penalty)를 도시한 도면이다. x축은 입력 광신호의 파워이고 y축은 파워 페널티이다. 도 4와 마찬가지로, 도 5에서도 전체 펌프광 파워에 대한 순방향 펌프광 파워의 비율(co: codirection)에 따라서 8개의 궤적을 도시하였다. 궤적(51)로 표시된 바와 같이, 순방향 펌프광만을 인가한 경우, 입력 광신호 파워가 -5 dBm 보다 커지면서 파워 페널티가 급격히 악화되었다. 궤적(52)로 표시된 바와 같이, 순방향 펌프광의 비율이 70%인 경우, 입력 광신호 파워가 약 -2 dBm 보다 커지면서 파워 페널티가 급격히 악화되었다. 궤적(53)으로 표시된 바와 같이, 역방향 펌프광만을 인가한 경우, 급격히 파워 페널티가 악화되지는 않으나, 전반적으로 파워 페널티가 너무 높아서 바람직하지 않았다. 궤적(54)로 표시된 바와 같이, 순방향 펌프광 파 워의 비율이 40%인 경우, 파워 페널티가 넓은 입력광 파워 영역 전반에 걸쳐서 낮게 유지되어 가장 바람직하였다.

도 4 및 도 5에 도시된 실험결과를 종합적으로 고려하면, 전체 펌프광 파워에서 순방향 펌프광 파워의 비율이 20%에서 60% 정도인 경우, 온/오프 라만 이득과 파워 페널티의 측면에서 최적의 성능을 보인다. 이와 같이, 라만 증폭기의 응용에 따라 역방향 펌프광 파워와 순방향 펌프광 파워의 비율을 조절함으로써 최적의 라만 증폭기를 구현할 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 펌프광을 역방향이나 순방향의 한 방향으로만 인가하는 종래의 광섬유 라만 증폭기가 가지고 있는 단점들을 효과적으로 억제하여 최적의 성능을 갖는 광섬유 라만 증폭기를 구현할 수 있다.

순방향으로만 펌프광을 인가한 경우에는 유도 브릴리언 산란 (stimulated Brillouin scattering)과 이득 감소(gain depletion)때문에 입력 광신호 파워의 변화에 따라서 라만 이득의 변화가 크고 다이내믹 레인지가 낮은 단점을 가지고 있다. 그리고, 자기 위상 변조(self phase modulation)로 인하여 입력 광신호가 주파수 영역상에서 넓게 분포하게 되기(signal broadening) 때문에 잡음이 증가하며 파워 페널티가 악화된다.

역방향으로만 펌프광을 인가한 경우에는 바람직한 라만 이득을 달성하지만, OSNR이 감소하기 때문에 파워 페널티의 측면에서 불리하다.

본 발명에서는 순방향과 역방향으로 모두 펌프광을 인가하면서 그 파워를 조 절하여, 위와 같은 단점을 적절히 억제한 최적의 광섬유 라만 증폭기를 구현할 수 있다.

본 발명의 핵심 사상에 따라서 다양한 변형이 가능하다는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부한 청구범위 내에서, 당업자라면 상세한 설명에 기재된 실시예 이외의 다양한 실시예를 구현할 수 있을 것이다.

Claims

제1 및 제2 단부를 갖는 라만 이득 광섬유;

펌프광을 발생시키는 펌프광원;

상기 펌프광을 분리하여 제1 및 제2 펌프광을 형성하고, 상기 제1 및 제2 펌프광의 세기를 조절하는 분리수단;

상기 라만 이득 광섬유의 제1 단부에 결합되며, 상기 제1 펌프광 및 입력 광신호를 수신하고 상기 제1 펌프광 및 상기 입력 광신호가 제1 방향으로 상기 라만 이득 광섬유를 통과하도록 구성된 제1 커플러; 및

상기 라만 이득 광섬유의 제2 단부에 결합되며, 상기 라만 이득 광섬유를 통과한 광신호를 수신하여 출력하고, 상기 제2 펌프광을 수신하여 상기 제2 펌프광이 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 상기 라만 이득 광섬유를 통과하도록 구성된 제2 커플러를 포함하는 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 라만 이득 광섬유는 싱글모드 광섬유 (SMF), 분산 천이 광섬유 (DSF), 고비선형 광섬유 (highly nonlinear fiber), 분산 보상 광섬유 (DCF), 포토닉 크리스탈 광섬유 (Photonic crystal fiber), 및 화합물 유리 섬유(compound glass fiber)로 구성된 그룹에서 선택되는 광섬유 라만 증폭기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 분리수단은 가변 커플러를 포함하는 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 펌프광원은 반도체 레이저 다이오드 또는 광섬유 라만 레이저 장비인 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제1 펌프광의 파워는 상기 제1 및 제2 펌프광의 파워의 합계에 대하여 20%에서 60% 사이인 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 커플러는 WDM 커플러(Wavelenght Division Multiplex coupler)인 광섬유 라만 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 펌프광 발생 수단은 제1 펌프광을 발생시키는 제1 펌프광 발생기 및 제2 펌프광을 발생시키는 제2 펌프광 발생기를 포함하는 광섬유 라만 증폭기.