KR100900793B1 - 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 증폭기에 관한 것으로, 입력 광 신호의 대역폭의 손실 없이 광 증폭을 이루기 위한 이득 고정형 광 증폭기에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은, 광 신호를 증폭시키기 위한 이득 매질이 도핑된 코어, 상기 코어의 외부에 인접하며 상기 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 1차 클래드, 상기 1차 클래드의 외부에 인접하며 상기 1차 클래드보다 낮은 굴절률을 갖는 2차 클래드를 포함하는 광 섬유; 상기 이득 매질의 밀도 반전을 위한 펌핑 광원을 제공하는 발광 소자; 및 상기 펌핑 광원에 의하여 밀도 반전된 이득 매질에서 방출되어 상기 1차 클래드를 따라 진행하는 자발 방출 광을 공진시켜 상기 1차 클래드에서 레이저 발진을 일으키는 공진부를 포함한다. 그럼으로써, 본 발명은 이득 고정을 위한 레이저 발진을 1차 클래드에서 일으킴으로써, 입력 광 신호의 대역폭의 손실 없이 이득 고정된 광 증폭을 할 수 있는 이점이 있다.
이중 클래드, 이득 고정, 광 증폭기

Description

이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기{GAIN CLAMPED AMPLIFIER USING DOUBLE CLAD FIBER}
도 1은 종래 완전 광 방식을 이용한 이득 고정형 광 섬유 증폭기를 설명하기 위한 예시도,
도 2의 (a)는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 2의 (b)는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 이중 클래드 구조를 갖는 광 섬유의 단면을 나타내는 예시도,
도 3의 (a)는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시된 펌프 커플러를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도,
도 4의 (a)는 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 4의 (b)는 도 4의(a)에 도시된 펌프 커플러를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도,
도 5의 (a)는 본 발명의 제 4 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 5의 (b)는 도 5의(a)에 도시된 펌프 커플러와 반사부를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도,
도 6의 (a)는 본 발명의 제 5 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 6의 (b)는 도 6의(a)에 도시된 펌프 커플러와 반사부를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도,
도 7의 (a)는 본 발명의 제 6 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 7의 (b)는 도 7의(a)에 도시된 광 섬유의 결합을 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도,
도 8의 (a)는 본 발명의 제 7 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 8의 (b)는 도 8의(a)에 도시된 광 섬유와 반사부의 결합을 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도,
도 9의 (a)는 본 발명의 제 8 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도,
도 9의 (b)는 도 9의(a)에 도시된 이중 클래드 구조의 광 섬유를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도.
본 발명은 광 증폭기에 관한 것으로, 특히 입력 광 신호의 세기에 관계없이 일정한 이득을 갖는 이득 고정형 광 증폭기에 관한 것이다.
광 증폭기는 입력 광 신호의 세기를 증폭시키는 광 소자로서, 광 전송 및 광 네트워크 분야에서 전송용 광 섬유나 여러 가지 광 소자에서 발생하는 광 손실을 보상하기 위해 사용되는 장치이다.
종래 광 증폭기는 입력되는 광 신호의 세기에 따라 증폭되는 정도가 달라지는 성질로 인하여 광 네트워크에서 통신 품질이 좋지 않았다. 그래서 이를 해결하기 위해 이득 고정형 광 섬유 증폭기가 개발되었다.
이득 고정 방식에는 레이저 발진을 이용하여 광학적으로 이득을 고정하는 완전 광(all-optical) 이득 고정 방식과, 입사광의 세기에 따라 펌프 광의 세기를 조절하는 방식이 있다. 펌프 광의 세기를 조절하는 방식은 이득 고정을 위한 복잡한 신호 처리 과정이 필요하기 때문에, 완전 광 이득 고정 방식이 많이 연구되었다.
완전 광 이득 고정 방식은 광 증폭이 이루어지는 밴드 내에 공진기를 구성하여 레이저를 발진시킴으로써 이득 매질의 밀도 반전의 크기를 고정하는 원리를 이용한다. 즉, 광 증폭기의 이득은 밀도 반전의 크기와 이득 매질의 길이에 비례하므로 레이저 발진이 일어나면 광 증폭기의 이득이 고정되는 것이다.
도 1은 종래 완전 광 방식을 이용한 이득 고정형 광 섬유 증폭기를 설명하기 위한 예시도이다. 도 1을 참조하면, 레이저 다이오드(Laser Diode : LD)(111)로부터 출력되는 펌핑(pumping) 광은 파장 분할 다중(Wavelength Division Multiplexing ; 이하, WDM 이라 한다.) 광 결합기(110)를 통하여 광 섬유(120)로 입사된다.
입 출력단의 광 결합기(coupler)(100, 130) 사이에 연결된 광 감쇠기(Attenuator : ATT)(140), 광 고립기(Isolator : ISO)(150) 및 투과형 광 필터(Band Pass Filter : BPF)(160)는 레이저 발진을 위한 링형 공진기(ring cavity)를 형성한다. 광 감쇠기(140)는 공진기에서 돌고 있는 레이저의 파워를 제어하여 광 신호의 증폭 이득을 조절하고, 광 고립기(150)는 링형 공진기에서 한쪽 방향으로만 발진이 이루어지도록 하며, 투과형 광 필터(160)는 레이저 발진이 일어나는 파장을 고정한다. 세기가 약한 광 신호가 도 1과 같은 이득 고정형 증폭기에 입사되면 상대적으로 레이저 발진 광의 세기가 강해지고, 반대로 세기가 강한 광 신호가 입사되면, 상대적으로 레이저 발진 광의 세기가 약해져 입력 광 신호에 따른 이득이 고정되게 된다.
그러나, 상기와 같은 구조의 이득 고정형 광 증폭기의 경우, 레이저가 증폭 밴드 내에서 형성되기 때문에, 레이저가 차지하는 대역폭만큼 광 신호의 전송 대역폭이 줄어드는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 입력 광 신호의 대역폭의 손실 없이 광 증폭을 이루기 위한 이득 고정형 광 증폭기를 제공하는 데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는, 광 신호를 증폭시키기 위한 이득 매질이 도핑된 코어, 상기 코어의 외부에 인접하며 상기 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 1차 클래드, 상기 1차 클래드의 외부에 인접하며 상기 1차 클래드보다 낮은 굴절률을 갖는 2차 클래드를 포함하는 광 섬유; 상기 이득 매질의 밀도 반전을 위한 펌핑 광원을 제공하는 발광 소자; 및 상기 펌핑 광원에 의하여 밀도 반전된 이득 매질에서 방출되어 상기 1차 클래드를 따라 진행하는 자발 방출 광을 공진시켜 상기 1차 클래드에서 레이저 발진을 일으키는 공진부를 포함한다.
또한, 이를 위하여, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는, 광 신호를 증폭시키기 위한 이득 매질이 도핑된 코어, 상기 코어의 외부에 인접하며 상기 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 1차 클래드, 상기 1차 클래드의 외부에 인접하며 입력되는 광을 반사시키는 반사 수단을 포함하는 2차 클래드를 포함하는 광 섬유; 상기 광 섬유의 양단에 위치하며 다 수의 입력단을 하나의 출력단으로 결합하여 상기 광 섬유로 출력하는 펌프 커플러(pump coupler); 및 상기 펌프 커플러에 연결되며 상기 이득 매질의 밀도 반전을 위한 펌핑 광원을 제공하는 발광 소자를 포함하되, 상기 2차 클래드는, 상기 펌핑 광원에 의하여 밀도 반전된 이득 매질에서 방출되는 자발 방출 광을 반사하여 상기 1차 클래드에서 레이저 발진을 일으킨다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2의 (a)는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도, 도 2의 (b)는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 이중 클래드 구조를 갖는 광 섬유(200)의 단면을 나타내는 예시도이다.
본 발명의 제 1 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(200), 펌핑 광원을 제공하는 레이저 다이오드(220), 입사된 광 신호와 펌핑 광원을 대물 렌즈(230)로 출력하는 WDM 광 결합기(210) 및 WDM 광 결합기(210)로부터 출력되는 광 신호와 펌핑 광원을 이중 클래드 구조의 광 섬유(200)의 코어(core)(201)로 입사시키는 대물 렌즈(230)를 포함한다.
먼저, 도 2의 (a)를 참조하여 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기의 원리를 설명하면 다음과 같다.
광 고립기를 통과한 광 신호 및 레이저 다이오드(220)로부터 출력되는 펌핑 광원은 WDM 광 결합기(210)를 거쳐 대물 렌즈(230)로 출력되고, 대물 렌즈(23)는 상기 수신된 광 신호 및 펌핑 광원을 이중 클래드 구조의 광 섬유(200)의 코어(201)로 입사시킨다.
이 때, 펌핑 광원은 코어(201)를 따라 진행하면서 코어(201)에 도핑(doping)되어 있는 이득 매질의 에너지 준위를 기저 상태(ground state)에서 여기 상태(excited state)로 여기시키고, 여기된 원자의 숫자가 기저 상태인 원자의 숫자를 초과하는 밀도 반전을 일으킨다. 이 때, 여기된 원자는 펌핑 광원과 같은 파장의 빛을 내는 자발 방출(spontaneous emission)을 통해 빛을 내면서 다시 기저 상태로 돌아오게 되고, 상기 자발 방출된 빛도 이득 매질을 진행하면서 증폭되는데, 이를 증폭된 자발 방출 광(ASE : Amplified Spontaneous Emission)이라 한다.
코어(201)로부터 새어나온 자발 방출 광 중 1차 클래드(202)에서 전반사 조건을 만족하는 자발 방출 광은 1차 클래드(202)를 따라 진행하게 되는데, 이 때, 자발 방출 광 중 일부는 코어(201)로 진입하고, 코어(201)로 진입한 자발 방출 광은 다시 1차 클래드(202)로 나오게 된다. 코어(201)로 진입한 자발 방출 광이 코어(201)를 따라 진행하지 않는 이유는 이미 코어(201)에서의 전반사 조건을 만족하지 못하여서 1차 클래드(202)로 새어나왔기 때문이다. 이렇듯 자발 방출 광은 코어(201)를 넘나들며 코어(201)로부터 에너지를 공급받아 증폭되고, 이중 클래드 구조의 광 섬유(200)의 양단에서 반사되어, 역으로 진행하게 된다.
1차 클래드(201)에서의 전반사 조건과 이중 클래드 구조의 광 섬유(200) 양단에서 자발 방출 광을 반사시키기 위한 구조를 도 2의 (b)를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
코어(201)는 어븀(erbium), 니오디뮴(neodymieum) 등의 희토류(rare earth) 원소로 도핑되어 있을 수 있으며, 1차 클래드(202)보다 높은 굴절률을 갖는다.
1차 클래드(202)는 코어(201)보다 낮은 굴절률을 가지며, 실리카(silica)로 구성되어 있을 수 있다. 1차 클래드(202)의 양단에는 자발 방출 광이 반대 방향으로 반사될 수 있도록 반사부가 형성되어 있다. 상기 반사부는 일반적인 미러(mirror)로 형성될 수도 있고, 종단면에 유전체가 코팅된 광 섬유로 형성될 수도 있다.
2차 클래드(203)는 1차 클래드(202)보다 낮은 굴절률을 가지며, 불소(fluorine)가 도핑된 실리카 유리이거나, 폴리머일 수 있다. 도 2의 (b)와 같은 이중 클래드 구조의 광 섬유(200)는 하기에서 설명하는 본 발명의 다른 실시 예에도 적용된다.
다시 도 2의 (a)를 참조하여 설명하면, 이중 클래드 구조의 광 섬유(200)의 양단에 도달한 자발 방출 광은 1차 클래드(202)의 양단에 형성된 반사부에서 반사되어 반대 방향으로 진행하면서 계속 증폭된다. 이처럼 자발 방출 광의 계속된 반사와 증폭으로 인하여 1차 클래드(202)에서는 레이저 발진(oscillation)이 일어날 수 있다.
이처럼 발생한 레이저 신호는 밀도 반전의 값을 조절하면서 광 신호와 상보적인 관계를 갖게 된다. 즉, 광 신호가 약해지면 1차 클래드(202)에서 형성되는 레이저의 파워가 커지고, 반대로 광 신호가 세지면 1차 클래드(202)에서 형성되는 레이저의 파워가 작아지면서 광 증폭기의 코어에서의 이득이 고정되게 된다.
위와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에 의하면, 레이저 발진은 1차 클래드(202)에서 형성되기 때문에 코어(201)로 진행하는 광 신호의 대역폭의 손실 없이 이득 고정을 할 수 있게 된다.
도 3의 (a)는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시된 펌프 커플러를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다. 이러한 펌프 커플러 구조는 미국 등록 특허 제 5864644호 'Tapered fiber bundles for coupling light into and out of cladding-pumped fiber devices'에 나타나 있다. 이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기의 구조 및 원리에 대하여 설명한다.
본 발명의 제 2 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 섬유 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(300), 상기 이중 클래드 구조의 광 섬유(300) 양단에 각각 위치하여 상기 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)와 펌핑 광원을 제공하는 레이저 다이오드(320)를 연결하는 펌프 커플러(pump coupler)(310), 상기 펌프 커플러(310) 사이에서 상기 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)와 다른 경로에 형성되는 공진기를 구성하는 광 고립기(330), 투과형 광 필터(340) 및 광 감쇠기(350)를 포함한다.
도 3의 (a)를 참조하면, 광 고립기(330)를 통과한 광 신호와 레이저 다이오드(320)에서 출력된 펌핑 광원은 펌프 커플러(310)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)로 입사된다.
도 3의 (b)를 참조하여 펌프 커플러(310)의 구조와 역할에 대하여 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 펌프 커플러(310)의 입력단에는 하나의 중심부 광 섬유를 둘러싼 6개의 광 섬유로 구성된 7개의 광 섬유가 배열되고, 출력단에는 상기 7개의 광 섬유가 합쳐지는 하나의 광 섬유가 배열된다. 상기 입력단의 광 섬유는 7개로 한정할 필요는 없고, 3개 이상으로 구성되면 족하다.
본 발명의 제 2 실시 예에 의한 펌프 커플러(310)에서는 광 신호가 입력되는 중심부 광 섬유는 출력단을 이루는 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)의 코어(301)와 연결되고, 중심부 광 섬유를 둘러싼 6개의 광 섬유는 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)의 1차 클래드(302)와 연결된다. 상기 중심부 광 섬유를 둘러싼 6개의 광 섬유 중 하나를 통하여 레이저 다이오드(320)로부터 출력되는 펌핑 광원이 입력되고, 상기 6개의 광 섬유 중 또 다른 하나는 이중 클래드 구조의 광 섬유(300) 양단에 위치한 펌프 커플러(330)를 연결하는 공진기를 구성하는 데 사용된다.
다시 도 3의 (a)를 참조하여 설명하면, 레이저 다이오드(320)에서 출력된 펌핑 광원은 펌프 커플러(310)에서 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)의 1차 클래드(302)로 입사된다. 입사된 펌핑 광원은 코어(301)에 도핑된 이득 매질을 여기시키고, 코어(301)는 밀도 반전을 이루게 된다. 이후, 광 고립기(330)를 통과한 광 신호는 펌프 커플러(310)에서 이중 클래드 구조의 광 섬유(300)의 코어(301)로 입사되어 코어(301)를 따라 진행하면서 증폭된다. 이 때, 본 발명의 제 1 실시 예에서 설명한 것처럼 코어(301)로부터 자발 방출 광이 발생된다.
코어(301)로부터 새어나온 자발 방출 광 중 1차 클래드(302)에서 전반사 조건을 만족하는 자발 방출 광은 1차 클래드(302)를 따라 진행하게 되는데, 이 때, 자발 방출 광 중 일부는 코어(301)로 진입하고, 코어(301)로 진입한 자발 방출 광은 다시 1차 클래드(302)로 나오게 된다. 코어(301)로 진입한 자발 방출 광이 코어(301)를 따라 진행하지 않는 이유는 이미 코어(301)에서의 전반사 조건을 만족하지 못하여서 1차 클래드(302)로 새어나왔기 때문이다. 이렇게 자발 방출 광은 코어(301)를 넘나들며 코어(301)에 도핑된 이득 매질로부터 에너지를 얻어 증폭이 된다.
이중 클래드 구조의 광 섬유(300) 양단은 공진기와 연결되어 있기 때문에 증폭된 자발 방출 광은 1차 클래드(302)에서 레이저 발진을 일으킨다. 이 때, 레이저 발진은 1차 클래드(302)에 형성되는 자발 방출 광이 공진기의 전체 손실을 넘는 때 일어나게 된다.
이 때, 형성된 레이저는 자발 방출 광과 마찬가지로 1차 클래드(302)를 따라 전반사되는 특성을 갖는다. 따라서, 코어(301)에 왜곡 영역이나 국부적인 굴절률 변화 구간이 존재하지 않는 이상 1차 클래드(302)에서 형성된 레이저는 코어(301)로 진행하는 광 신호와 간섭을 일으키지 않는다.
이처럼 발생한 레이저 신호는 밀도 반전의 값을 조절하면서 광 신호와 상보적인 관계를 갖게 된다. 즉, 광 신호가 약해지면 1차 클래드(302)에서 형성되는 레이저의 파워가 커지고, 반대로 광 신호가 세지면 1차 클래드(302)에서 형성되는 레이저의 파워가 작아지면서 광 증폭기의 코어에서의 이득이 고정되게 된다.
공진기의 구성에 대하여 살펴보면, 공진기는 광 고립기(330), 투과형 광 필터(340) 및 광 감쇠기(350)를 포함한다.
광 고립기(330) 링형 공진기에서 레이저 발진이 한 쪽 방향으로만 일어나도록 하고, 투과형 광 필터(340)는 레이저 발진이 일어나는 파장을 조정하며, 광 감쇠기(350)는 공진기에 형성된 레이저의 파워를 제어하여 광 신호의 증폭 이득을 조절한다.
도 3에서는 이중 클래드 구조의 광 섬유(300) 양단에 두 개의 펌프 커플러(310)와 두 개의 레이저 다이오드(320)를 도시하였지만. 한 개의 펌프 커플러(310)와 한 개의 레이저 다이오드(320)만으로도 구성될 수도 있고, 다수 개의 레이저 다이오드(320)로 구성될 수도 있다.
도 4의 (a)는 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 4의 (b)는 도 4의(a)에 도시된 펌프 커플러를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 제 3 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는, 상기에서 설명한 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기와 공진기의 구성은 동일하기 때문에, 공진기에 대한 설명은 생략한다.
도 4의 (a)를 참조하면, 광 고립기를 통과한 광 신호와 레이저 다이오드(420)로부터 출력되는 펌핑 광원은 WDM 광 결합기(430)에서 합쳐지고, 이렇게 합쳐진 광은 펌프 커플러(410)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(400)의 코어(401)로 입사된다.
도 4의 (b)를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면, WDM 광 결합기(430)에서 합쳐진 광(광 신호, 펌핑 광원)은 펌프 커플러(410)의 입력단에 있는 7개의 광 섬유 중 중심부 광 섬유로 입사된다. 상기 중심부 광 섬유는 이중 클래드 구조의 광 섬유(400)의 코어(401)에 연결되어 있기 때문에, 상기 합쳐진 광은 코어(401)로 입사되고, 상기 합쳐진 광 중 펌핑 광원은 코어(401)에 도핑된 이득 매질을 여기시켜, 밀도 반전을 일으킨다. 이 때, 본 발명의 제 2 실시 예와 마찬가지로 자발 방출 광이 발생되는데, 이후 이득 고정을 위한 레이저가 발진되는 과정은 앞에서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
도 3과 마찬가지로 도 4에서는 이중 클래드 구조의 광 섬유(400) 양단에 두 개의 펌프 커플러(410), 두 개의 WDM 광 증폭기(430) 및 두 개의 레이저 다이오드(420)를 도시하였지만, 상기 소자들의 숫자는 장치의 구성에 따라 조절할 수 있다.
도 5의 (a)는 본 발명의 제 4 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 5의 (b)는 도 5의(a)에 도시된 펌프 커플러와 반사부를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 제 4 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(500), 펌프 커플러(510), 레이저 다이오드(520) 및 반사부(530)를 포함한다.
도 5의 (a)를 참조하면, 광 신호와 레이저 다이오드(520)에서 발생된 펌핑 광원은 펌프 커플러(510)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(500)로 진입한다.
이를 도 5의 (b)를 참조하여 좀더 상세히 설명하면, 레이저 다이오드(520)로부터 출력된 펌핑 광원은 펌프 커플러(510)의 입력단에 형성된 중심부 광 섬유를 둘러싼 6개의 광 섬유 중 어느 하나로 진행한 후, 펌프 커플러(510)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(500)의 1차 클래드(502)로 진입한다. 상기 1차 클래드(502)로 진입한 펌핑 광원은 코어(501)에 도핑된 이득 매질을 여기시켜, 밀도 반전을 일으킨다.
이후, 광 고립기를 통과한 광 신호는 펌프 커플러(510)의 입력단에 형성된 7개의 광 섬유 중 중심부 광 섬유로 입사되고, 상기 광 신호는 펌프 커플러(510)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(500)의 코어(501)로 입사된다. 입사된 광 신호는 코어(501)를 통과하면서 증폭을 이루게 된다. 이 때, 상기 실시 예들에서 설명한 바와 같이 코어(501)에서 자발 방출 광이 발생되고, 상기 발생된 자발 방출 광은 1차 클래드(502)에서 전반사를 일으키며, 일부는 코어(501)를 통과하면서 증폭이 된다.
이렇게 전반사를 일으키며 진행하는 자발 방출 광은 이중 클래드 구조의 광 섬유(500) 양단의 반사부(530)에서 반사되어 반대 방향으로 진행하게 된다. 여기서 반사부(530)는 일반적인 거울일 수도 있고, 유전체가 코팅된 광 섬유일 수도 있다.
이렇게 이중 클래드 구조의 광 섬유(500) 양단에 형성된 반사부(530)에서 계속 반사되며, 증폭을 일으키는 자발 방출 광은 레이저 발진을 일으킨다.
이처럼 발생한 레이저 신호는 밀도 반전의 값을 조절하면서 광 신호와 상보적인 관계를 갖게 된다. 즉, 광 신호가 약해지면 1차 클래드(502)에서 형성되는 레이저의 파워가 커지고, 반대로 광 신호가 세지면 1차 클래드(502)에서 형성되는 레이저의 파워가 작아지면서 광 증폭기의 코어에서의 이득이 고정되게 된다.
도 5에서는 이중 클래드 구조의 광 섬유(400) 양단에 두 개의 펌프 커플러(410), 두 개의 레이저 다이오드(420) 및 열 개의 반사부(530)를 도시하였지만. 상기 본 발명의 다른 실시 예들과 마찬가지로 효율적인 이득 고정을 위하여 상기 소자들의 숫자를 조절할 수 있다.
도 6의 (a)는 본 발명의 제 5 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 6의 (b)는 도 6의(a)에 도시된 펌프 커플러와 반사부를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
본 발명의 제 5 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(600), 펌프 커플러(610), 레이저 다이오드(620), 반사부(630) 및 WDM 광 결합기(640)를 포함한다.
본 발명의 제 5 실시 예의 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 본 발명의 제 4 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기와 비교하여 볼 때, 펌핑 광원이 펌프 커플러(610)에 직접 입사되는 구조가 아니라, WDM 광 결합기(620)를 통하여 광 신호와 합쳐져서 입사된다는 차이점이 있다. 따라서, 펌프 커플러(610)의 입력단에 형성되는 중심부 섬유를 둘러싼 6개의 섬유는 모두 반사부(630)를 형성한다. 이하, 본 발명의 제 4 실시 예와 중복되는 설명은 생략한다.
도 6의(a)를 참조하면, 광 고립기를 통과한 광 신호와 레이저 다이오드(620)로 부터 출력되는 펌핑 광원은 WDM 광 결합기(640)에서 합쳐지고, 이렇게 합쳐진 광은 펌프 커플러(610)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(600)의 코어(601)로 입사된다.
도 6의 (b)를 참조하여 좀 더 상세히 설명하면, WDM 광 결합기(640)에서 합쳐진 광(광 신호, 펌핑 광원)은 펌프 커플러(610)의 입력단에 있는 7개의 광 섬유 중 중심부 광 섬유로 입사된다. 상기 중심부 광 섬유는 이중 클래드 구조의 광 섬유(600)의 코어(601)에 연결되어 있기 때문에, 상기 합쳐진 광은 코어(601)로 입사되고, 상기 합쳐진 광 중 펌핑 광원은 코어(601)에 도핑된 이득 매질을 여기시켜, 밀도 반전을 일으킨다. 이 때, 본 발명의 제 2 실시 예와 마찬가지로 자발 방출 광이 발생되는데, 이후 레이저가 발진되어 이득이 고정되는 과정은 앞에서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
도 6에서는 이중 클래드 구조의 광 섬유(600) 양단에 두 개의 펌프 커플러(610), 두 개의 WDM 광 증폭기(640), 두 개의 레이저 다이오드(620) 및 열두 개의 반사부(630)를 도시하였지만, 발명의 구성에 따라 상기 소자들의 숫자를 조절할 수 있다.
도 7의 (a)는 본 발명의 제 6 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 7의 (b)는 도 7의(a)에 도시된 광 섬유의 결합을 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 본 발명의 제 6 실시 예에 따른 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(700), 레이저 다이오드(710), 광 고립기(720), 투과형 광 필터(730) 및 광 감쇠기(740)를 포함한다.
도 7의 (b)를 참조하면, 이중 클래드 구조의 광 섬유(700)의 2차 클래드(703)가 부분적으로 제거되어 있고, 2차 클래드(703)가 제거된 영역에서, 레이저 다이오드(710)로부터 출력되는 펌핑 광원이 1차 클래드(702)로 직접 입사된다. 이러한 결합 구조는 미국 등록 특허 제 5999673호 'Coupling arrangement between a multi-mode light source and an optical fiber through an intermediate optical fiber length' 및 'CLEO 2001 technical digest, Page: 116, A New Side Coupling Method for Double Clad Fiber Amplifiers, F. Hakimi, H. Hakimi, MIT Lincoln Laboratory'에 나타나 있다.
1차 클래드(702)를 통하여 직접 입사된 펌핑 광원은 코어(701)에 도핑된 이득 매질을 여기시켜, 밀도 반전을 일으킨다. 이 때, 본 발명의 제 2 실시 예와 마찬가지로 자발 방출 광이 발생되는데, 이후 레이저가 발진되어 이득이 고정되는 과정은 앞에서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
또한, 2차 클래드(703)가 제거된 영역에서, 광 고립기(720), 투과형 광 필터(730) 및 광 감쇠기(740)를 포함하는 공진기가 1차 클래드(702)와 직접 연결되는데, 상기 공진기의 역할은 본 발명의 제 2 실시 예와 동일하기 때문에 생략한다.
도 8의 (a)는 본 발명의 제 7 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 8의 (b)는 도 8의(a)에 도시된 광 섬유와 반사부의 결합을 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 본 발명의 제 7 실시 예에 따른 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(800), 레이저 다이오드(810) 및 반사부(820)를 포함한다.
도 8의 (b)를 참조하면, 도 7의 (b)와 마찬가지로 이중 클래드 구조의 광 섬유(800)의 2차 클래드(803)가 부분적으로 제거되어 있고, 2차 클래드(803)가 제거된 영역에서 레이저 다이오드(810)로부터 출력되는 펌핑 광원이 1차 클래드(802)로 직접 입사된다.
1차 클래드(802)를 통하여 직접 입사된 펌핑 광원은 코어(801)에 도핑된 이득 매질을 여기시켜, 밀도 반전을 일으킨다. 이 때, 본 발명의 제 2 실시 예와 마찬가지로 자발 방출 광이 발생되는데, 이후 레이저가 발진되어 이득이 고정되는 과정은 앞에서 설명한 바와 같으므로 생략한다.
2차 클래드(803)가 제거된 영역에는 반사부(820)가 형성되어 자발 방출 광이 이중 클래드 구조의 광 섬유(800)에서 계속 반사되면서 증폭을 이룰 수 있도록 한 다. 반사부(820)에 의한 증폭에 대한 설명은 본 발명의 제 1 실시 예와 같으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 9의 (a)는 본 발명의 제 8 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기를 나타내는 예시도이고, 도 9의 (b)는 도 9의(a)에 도시된 이중 클래드 구조의 광 섬유를 좀더 상세히 설명하기 위한 예시도이다.
도 9의 (a)를 참조하면, 본 발명의 제 8 실시 예에 의한 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기는 이중 클래드 구조의 광 섬유(900), 펌프 커플러(910) 및 레이저 다이오드(920)를 포함한다. 또한, 도 9의 (b)를 참조하면, 이중 클래드 구조의 광 섬유(900)의 2차 클래드(903)는 본 발명의 다른 실시 예들과 달리 반사부로 구성된다.
레이저 다이오드(920)로부터 출력되는 펌핑 광원이 펌프 커플러(910)를 통하여 이중 클래드 구조의 광 섬유(900)의 1차 클래드(902)로 입사되면, 본 발명의 다른 실시 예들과 마찬가지로 코어(901)에 도핑된 이득 매질이 여기되고, 밀도 반전을 일으킨다. 이 때, 밀도 반전된 이득 매질에서 방출되는 자발 방출 광 중 코어를 따라 진행하지 않는 성분, 특히 코어에서 수직으로 나오는 성분은 반사부로 구성된 2차 클래드(903)에서 반사되며, 이중 클래드 구조의 광 섬유(900)의 횡단면에서 레이저 발진을 일으키게 된다. 레이저 발진으로 인한 이득 고정 원리는 앞에서 설명한 실시 예들과 동일하기 때문에 생략한다.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허 청구 범위와 특허 청구 범위의 균등한 것에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 자발 방출광의 증폭으로 인한 레이저 발진을 1차 클래드에서 일으킴으로써, 입력 광 신호의 대역폭의 손실 없이 광 증폭을 할 수 있는 이점이 있다.

Claims (22)

  1. 광 신호를 증폭시키기 위한 이득 매질이 도핑된 코어, 상기 코어의 외부에 인접하며 상기 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 1차 클래드, 상기 1차 클래드의 외부에 인접하며 상기 1차 클래드보다 낮은 굴절률을 갖는 2차 클래드를 포함하는 광 섬유;
    상기 이득 매질의 밀도 반전을 위한 펌핑 광원을 제공하는 발광 소자; 및
    상기 펌핑 광원에 의하여 밀도 반전된 이득 매질에서 방출되어 상기 1차 클래드를 따라 진행하는 자발 방출 광을 공진시켜 상기 1차 클래드에서 레이저 발진을 일으키는 공진부
    를 포함하는 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서,
    입력되는 광 신호 및 상기 발광 소자로부터 출력되는 펌핑 광원을 결합하여 상기 광 섬유로 출력하는 광 결합부
    를 더 포함하는 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 공진부는,
    상기 1차 클래드의 양 단에 광을 반사시키는 반사 수단이 포함된
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 광 결합부로부터 출력되는 상기 펌핑 광원 및 상기 광 신호를 상기 광 섬유의 코어로 입사시키는 대물 렌즈
    를 더 포함하는 이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  5. 제 2항 또는 제 4항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호 및 상기 펌핑 광원을 결합하여 출력하는 파장 분할 다중(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 광 결합기인
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 공진부는,
    상기 광 섬유의 양단에 위치한 광 결합부를 서로 연결하는 광로가 포함된
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호를 상기 광 섬유의 코어로 입사시키고, 상기 펌핑 광원을 상기 광 섬유의 1차 클래드로 입사시키는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호 및 상기 펌핑 광원을 상기 광 섬유의 코어로 입사시키는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 공진부는,
    상기 광 섬유의 양단에 위치한 광 결합부 각각의 적어도 하나의 입력단에 광을 반사시키는 반사 수단이 포함된
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호를 상기 광 섬유의 코어로 입사시키고, 상기 펌핑 광원을 상기 광 섬유의 1차 클래드로 입사시키는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호 및 상기 펌핑 광원을 상기 광 섬유의 코어로 입사시키는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  12. 제 7항 또는 제 10항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호를 상기 광 섬유의 코어로 입사시키고, 상기 펌핑 광원을 상기 광 섬유의 1차 클래드로 입사시키는 펌프 커플러(pump coupler)인
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  13. 제 8항 또는 제 11항에 있어서, 상기 광 결합부는,
    상기 광 신호 및 상기 펌핑 광원을 결합하여 출력하는 파장 분할 다중 광 결합기; 및
    상기 파장 분할 다중 광 결합기로부터 출력되는 상기 광 신호 및 상기 펌핑 광원을 상기 광 섬유의 코어로 입사시키는 펌프 커플러를 포함하는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 광 섬유는, 상기 광 섬유의 양단에 상기 2차 클래드가 제거된 영역을 포함하며,
    상기 발광 소자에서 출력되는 펌핑 광원은, 상기 2차 클래드가 제거된 영역을 통하여 상기 1차 클래드로 직접 입사되며,
    상기 공진부는, 상기 2차 클래드가 제거된 영역을 통하여 상기 광 섬유의 1차 클래드로 직접 연결되는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 공진부는,
    상기 광 섬유 양단의 2차 클래드가 부분적으로 제거된 영역을 서로 연결하는 광로가 포함된
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 공진부는,
    입력되는 광을 반사시키는 반사 수단이 포함된
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  17. 제 6항, 제 7항, 제 8항 및 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공진부는,
    광 고립기, 투과형 광 필터 및 광 감쇠기 중 적어도 하나를 포함하는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  18. 광 신호를 증폭시키기 위한 이득 매질이 도핑된 코어, 상기 코어의 외부에 인접하며 상기 코어보다 낮은 굴절률을 갖는 1차 클래드, 상기 1차 클래드의 외부에 인접하며 입력되는 광을 반사시키는 반사 수단을 포함하는 2차 클래드를 포함하는 광 섬유;
    상기 광 섬유의 양단에 위치하며 다 수의 입력단을 하나의 출력단으로 결합하여 상기 광 섬유로 출력하는 펌프 커플러(pump coupler); 및
    상기 펌프 커플러에 연결되며 상기 이득 매질의 밀도 반전을 위한 펌핑 광원을 제공하는 발광 소자
    를 포함하되,
    상기 2차 클래드는, 상기 펌핑 광원에 의하여 밀도 반전된 이득 매질에서 방출되는 자발 방출 광을 반사하여 상기 1차 클래드에서 레이저 발진을 일으키는
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  19. 제 3항, 제 9항, 제 10항, 제 11항, 제 16항 및 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 수단은, 거울 또는 종단면에 유전체가 코팅된 광 섬유인
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  20. 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항, 제 7항, 제 8항, 제 9항, 제 10항, 제 11항, 제 14항, 제 15항, 제 16항 및 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어는, 희토류 원소가 도핑된 광 섬유인
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  21. 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항, 제 7항, 제 8항, 제 9항, 제 10항, 제 11항, 제 14항, 제 15항, 제 16항 및 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 클래드는, 실리카(silica)로 구성된 광 섬유인
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
  22. 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항, 제 7항, 제 8항, 제 9항, 제 10항, 제 11항, 제 14항, 제 15항 및 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 클래드는, 상기 1차 클래드보다 굴절률이 낮은 중합체이거나, 실리카 유리에 불소가 도핑되어 상기 1차 클래드보다 낮은 굴절률을 갖는 광 섬유인
    이중 클래드 구조의 이득 고정형 광 증폭기.
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