KR100928273B1

KR100928273B1 - 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기

Info

Publication number: KR100928273B1
Application number: KR1020050038006A
Authority: KR
Inventors: 솅-룽 후앙; 치아-야오 로; 광-야오 후앙; 지안-쳉 첸; 치앙-유안 추앙; 치엔-치 라이; 옌-솅 린; 핑-후이 소피아 여
Original assignee: 내셔널 순 얏-센 유니버시티
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2009-11-24
Also published as: KR20060115524A

Abstract

본 발명은 전이금속 이온이 첨가된 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 광섬유는 전이금속 이온을 함유하는 코어와, 유리성분을 함유하는 1층 이상의 클래드를 포함하며, 이러한 광섬유로 된 본 발명의 광섬유 증폭기는 300나노미터의 게인 대역폭(gain bandwidth)을 가질 수 있으며, 1300nm~1600nm의 광섬유 저손실 통신 주파수대 전부를 포괄할 수 있다.

광섬유, 증폭기, 전이금속

Description

전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기{TRANSITION METAL DOPED FIBER AMPLIFIER}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여, 크롬 및 야그(YAG)를 첨가한 크리스탈 광섬유가 LHPG 방법에 의하여 성장하는 것을 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여, 종자결정에 대한 당김과 결정막대 크리스탈에 대한 밀어냄을 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쌍 클래드 크리스탈 광섬유 성장 용융 영역을 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쌍 클래드 크리스탈 광섬유의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여, 서로 다른 입력광신호 일률 조건에서 광 게인과 펌프 일률의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의하여, 서로 다른 입력 광신호 파장의 광 게인과 ASE 주파수 스펙트럼의 관계를 보여준 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 레이저 광 12: 원추면 거울

13: 반사 거울 14: 포물면 거울

20: 결정막대(crystal bar) 21: 용융 영역

30: 종자결정 40: 크리스탈 광섬유

50: 석영 모세관 60: 쌍 클래드 크리스탈 광섬유

61: 코어 62: 내층 클래드

63: 외층 클래드

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 특히 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

현재, 광섬유 증폭기는 여러 가지 종류가 있어서 서로 다른 광섬유 통신 주파수대에 각각 적용될 수 있는데, 예를 들면 아래와 같다:

미국특허 제6,646,796호에 개시된 에르븀이 첨가된 광대역(broadband) 광섬유 증폭기는 에르븀이 첨가된 2개의 광섬유를 직렬 연결함으로써 광대역 증폭기의 목적을 달성한다. 그 중 첫번째 에르븀 첨가 광섬유는 980nm의 반도체 레이저를 펌프광원으로 하여 C-주파수대(1530-1560nm)의 입력 광신호를 증폭하는데 사용되고; 두번째 에르븀 첨가 광섬유는 1480nm의 반도체 레이저를 펌프광원으로 하여 L-주파수대(1570-1600nm)의 입력 광신호를 증폭하는데 사용된다.

상기 광섬유 증폭기의 주요 단점은, 광신호를 증폭할 수 있는 대역폭이 C주파수대와 L주파수대 뿐이며, 상기 주파수대 폭은 80nm보다 작아서 광 통신이 전송할 수 있는 전체 주파수대 300nm의 일부분에 불과하다는 점이다. 또한, 두 개의 에르븀 첨가 광섬유가 직렬로 연결되고, 파장이 서로 다른 2개의 펌프 레이저를 사용하게 되므로, 시스템의 원가가 높아진다.

미국특허 제6,515,795호에 개시된 툴륨(Tm) 첨가 광섬유 증폭기의 광섬유는, 붕소 첨가 유리를 클래드로 하고 게르마늄을 함유한 산화물을 코어로 하며, 코어에 툴륨 이온이 첨가된 것으로서, 펌프광이 있는 조건에서 1400nm-1540nm의 광신호를 증폭할 수 있다. 이러한 증폭기의 펌프광원은 주로 파장이 780nm-800nm인 반도체 레이저이다.

상기 증폭기의 주요 단점은, 붕소 첨가 유리를 클래드로 한 광섬유의 연화점은 대개 800℃로서 기존의 용융 실리카(fused silica) 광섬유(연화점이 대개 1600℃임)와 용용 접합할 수 없으므로, 기타 광학소자 또는 기타 기계적 구조에 의하여 광 결합(optical coupling)을 진행하여야 하기 때문에 시스템의 원가가 높아진다는 점이다. 또한 광신호를 증폭할 수 있는 주파수대는 대개 160nm뿐이므로, 광통신이 전송할 수 있는 전체 주파수대인 300nm를 포괄할 수 없다.

미국특허 제5,805,332호에 개시된 프라세오디뮴(Pr) 첨가 광섬유 증폭기는, 광섬유는 용융 실리카를 클래드로 하고, 코발트 함유 산화물을 코어로 하며, 코어 부분에는 프라세오디뮴 이온이 첨가되어 있다. 상기 증폭기는 펌프광이 있는 조건에서 1300nm의 광신호를 증폭할 수 있으며, 상기 증폭기의 펌프광의 파장은 1000nm 정도이다.

상기 증폭기의 주요 단점은, 프라세오디뮴을 첨가한 광섬유가 증폭할 수 있는 주파수대는 1300nm 부근이며, 광통신이 전송할 수 있는 주파수대 전부를 포괄할 수 없다는데 있다.

본 발명의 주요 목적은, 300nm의 게인 대역폭(gain bandwidth)을 가지고, 1300nm-1600nm의 전체 광섬유 저손실 통신 주파수대를 포괄할 수 있는, 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기는, 전이금속 이온을 함유하는 코어와, 유리성분을 함유하는 1층 이상의 클래드를 포함하는 광섬유를 구비한다. 전이금속 이온이 첨가된 광섬유를 이용함으로써 본 발명에 따른 광섬유 증폭기는 300nm의 게인 대역폭을 가지며, 1300nm-1600nm의 전체 광섬유 저손실 통신 주파수대를 포괄한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성과 특징을 바람직한 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.

각 도면을 참조하면 본 발명에 따른 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기는 주로 전이금속 이온(예를 들면Cr⁴⁺이온, V³⁺이온 또는 Ni²⁺이온)이 첨가된 광섬유를 포함하며, 본 실시예에서 상기 광섬유는 크롬 첨가 크리스탈 광섬유이며 쌍 클래드 광섬유이다. 크롬 첨가 쌍 클래드 크리스탈 광섬유의 성장방법에 있어서, 우선 레이저 가열 페디스탈 성장법(laser-heated pedestal growth : LHPG)을 이용하여 직경이 68μm인 크롬 및 야그(Cr⁴⁺:YAG) 첨가 크리스탈 광섬유를 성장시킨 다음 다시 코드로잉 레이저 가열 페디스탈 성장법(codrawing laser-heated pedestal growth method : CDLHPG)을 이용하여 용융 실리카(fused-silica)로 피복된 쌍 클래드 크리스탈 광섬유를 성장시킨다.

도 1은 LHPG방법으로 크리스탈을 성장시키는 방법 및 장치를 보여주는 도면이다. 우선 연속식 이산화탄소 레이저로 발사된 레이저광(11)의 빔을 확대하여 입사시키고 한 조의 원추면거울(12)로 평행 광선을 고리형 광선으로 변환시킨다. 고리형 광선을 반사거울(13)로 포물면 거울(14)에 반사시킨 다음 원시(original) 결정 막대(20)의 일단부에 집중시킨다. 여기에서 상기 원시 결정 막대(20)는 Cr⁴⁺:YAG이다. 이 때 도 2를 참조하면, 상기 결정막대(20)의 가열된 일단부는 녹기 시작하여 용융 영역(21)을 형성한다. 다음 종자결정(seed crystal)(30)을 용융 영역(21)의 크리스탈에 접촉시킨 다음, 종자결정(30)을 천천히 위로 당기면서 결정막대(20)를 밀어내면, 종자결정(30)의 결정 방향과 같은 크리스탈 광섬유(40)를 성장시킬 수 있다. 종자결정(30)에 대한 당김 속도와 결정막대(20)에 대한 미는 속도의 비율을 다르게 하면 직경의 축소 비율도 서로 달라진다. 예를 들어, 종자결정(30)을 당기는 속도와 결정막대(20)를 밀어내는 속도의 비율이 16:1인 경우, 성장된 크리스탈 광섬유(40)와 결정막대(20)의 직경 비율은 1:4이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 크롬 첨가 쌍 클래드 크리스탈 광섬유(60)의 성장은, 전술한 방법으로 성장시킨 68μm 직경의 Cr⁴⁺:YAG 크리스탈 광섬유(40)를 내직경이 76μm인 석영 모세관(50) 내부에 밀어 넣고, LHPG 성장 시 스템 구조에 의하여 하부를 향해 성장하는 방식으로 모세관을 가열하여 이루어진다. 이러한 방법을 코드로잉 레이저 가열 페디스털 성장법(codrawing laser-heated pedestal growth method : CDLHPG)이라고 하며, CDLHPG 성장 계수를 적절히 제어하면 용융 실리카(fused-silica)로 피복된 쌍 클래드 크리스탈 광섬유를 성장시킬 수 있으며, 광섬유의 코어(61), 내층 클래드(62) 및 외층 클래드(63)의 직경은 각각 25μm, 100μm와 320μm이며, 그 구조는 도 4에 도시된 바와 같다.

게인 측정에 있어서, 이테르븀 첨가 광섬유 레이저(Yb-fiber laser)를 펌핑(pumping) 광원 소자로 하며, 펌핑광의 파장은 1064nm이다. 우선 결합렌즈로 이테르븀 첨가 광섬유 레이저를 단일모드 광섬유에 결합시킨 다음, 예를 들어 광파장 분할 다중화 소자 커플러(WDM coupler)와 같은 광결합 소자를 이용하여 이테르븀 광섬유 레이저와 파장 조정이 가능한 레이저의 광신호를 용융 방식으로 합병시켜 쌍 클래드 크리스탈 광섬유에 진입시킨다. 여기서 광신호의 파장은 1.52μm이다. 크리스탈 광섬유의 출력단은 통과된 여기광을 초점이 10nm인 렌즈로 수집하고, 파장이 1064nm인 광을 여과하는 여과편을 이용하여 흡수되지 않은 펌핑광을 여과한 다음 서로 다른 광신호 세기 조건에서의 게인을 측정한다. 여기서 게인은 여기된 조건 및 여기되지 않은 조건에서 출력 광신호의 배율로 정의되며, 광신호 파장에서 ASE(Amplified Spontaneous Emission : 자연 증폭 방출)에 의한 공헌분은 공제해야 한다. 측정결과는 도 5에 도시된 바와 같이 입력된 광신호의 일률이 -20dBm인 경우, 0.83W의 펌핑 일률 조건에서 10dB의 게인을 얻을 수 있다.

증폭기를 실제 이용할 경우, 펌핑광의 진행방향과 출력되는 증폭 광신호의 방향을 같은 방향 또는 반대 방향으로 제어할 수 있다. 광신호 또는 펌핑광을 단일 방향으로 전송하기 위하여, 또는 소자 사이가 연결될 때 형성되는 반사광이 광신호 또는 펌핑광에 주는 영향을 방지하기 위하여, 전이금속이 첨가된 광섬유 중 광신호를 출력하는 광섬유에 광 격리소자를 설치하거나 또는 광 결합소자 앞단부의 크리스탈 광섬유에 광 격리소자를 설치함으로써 광신호가 통과되도록 한다. 이러한 광 격리소자는 현재 널리 사용되고 있는 패러디(Faraday) 회전 격리기일 수 있지만 이에 한정되지 않는다.

한편, 고정 펌핑 일률이 약 1W인 조건에서 서로 다른 입력 광신호 파장에 대하여 게인을 측정한 결과, 도 6에 도시된 바와 같이 입력 광신호 파장이 1.47μm인 경우 16dB의 게인을 얻을 수 있다. 측정된 게인과 ASE 주파수 스펙트럼과 비교하면 본 발명에 따른 증폭기의 대역폭이 270nm임을 추산하여 낼 수 있다.

이러한 실시예에 의하면, 크롬 및 야그(Cr⁴⁺:YAG) 첨가 크리스탈 광섬유를 이용하여 아주 강한 자발 방출광 특성을 얻을 수 있으며, 광 스펙트럼 범위는 전체 광섬유 전송의 저손실 창구(low-loss windows)를 포함한다. 3-dB 대역폭은 270nm이고, 6-dB 대역폭은 400nm에 달할 수 있으며, 광 통신의 O, E, S, C, L 파장대를 포함하며, 종래의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 대역폭보다 훨씬 크다. 또한 흡수되는 주파수 스펙트럼은 0.9μm-1.2μm 파장 범위로서 현재 널리 이용되고 있는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 0.98μm 여기광과 호환할 수 있다.

현재 복수 개의 증폭기를 직렬 연결하여야만 대역폭을 증가시킬 수 있으며, 1.3-1.6μm의 전체 광통신 파장대를 포괄할 수 있는 단일 증폭기는 존재하지 않는다. 고밀도 광분할 다중화 모듈/시스템(dense wavelength division multiplex : DWDM)은 한정된 대역폭 조건에서 채널수가 계속 증가하면 병목현상(bottleneck)이 생기게 되며 제조공정이 어려워지고 수율이 떨어지게 된다. 본 발명에 따른 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기는 종래의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에 비하여 게인 대역폭이 약 10배정도 크므로, 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기를 하나만 사용해도 1.4μm부근의 저손실 파장대를 포함한 1.3-1.6μm의 전체 구간의 대역폭을 이용할 수 있다. 따라서, 직렬 연결된 복수 개의 증폭기를 사용해야 전체 구간의 파장을 증폭할 수 있었던 종래의 불편함을 개선하였다. 또한, 쌍 클래드 크리스탈 광섬유의 주요 재질은 용융 실리카이므로, 본 발명에 따른 광섬유는 직접 용융 접합 방식으로 기존의 광섬유와 바로 접합할 수 있다. 따라서 기타 소자를 이용하여 광 결합을 진행하던 불편을 해소하였으며, 기존의 시스템을 바로 대체할 수 있어 상당히 높은 실용가치를 가지고 있다.

본 발명에 의한 전이금속이 첨가된 광섬유 증폭기는 300nm의 게인 대역폭(gain bandwidth)을 가지고, 1300nm-1600nm의 광섬유 저손실 통신 주파수대 전부를 포괄할 수 있다.

Claims

광 섬유를 포함하는 광섬유 증폭기에 있어서,

상기 광섬유는, 전이금속 이온이 첨가된 단결정 코어와, 상기 코어를 둘러싸는 내층 클래드 및 외층 클래드를 포함하고,

상기 단결정 코어는 YAG(Y₃Al₅O₁₂ garnets)로 형성되고, 상기 내층 클래드는 실리카로 형성되는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 내층 클래드 및 상기 외층 클래드는 유리로 되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 Cr⁴⁺이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 Cr⁴⁺이 첨가되어 있고 유리로 되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 V³⁺이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 V³⁺이 첨가되어 있고 유리로 되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 Ni²⁺이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 Ni²⁺이 첨가되어 있고 유리로 되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 Cr⁴⁺, V³⁺, 및 Ni²⁺ 중 둘 이상이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 단결정 코어는 상기 전이금속 이온으로서 Cr⁴⁺, V³⁺, 및 Ni²⁺ 중 둘 이상이 첨가되어 있고 유리로 되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

파장 범위가 0.8-1.2μm인 펌핑광을 출력하는 펌핑 광원 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 광섬유의 3dB 게인 대역폭은 1.2-1.65μm인 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제11항에 있어서,

상기 펌핑광의 진행방향과 출력되는 증폭 광신호의 방향이 같은 방향 또는 반대 방향인 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.
제1항에 있어서,

상기 광섬유의 일단부에 광 결합소자가 설치되어 있고, 다른 일단부에 광 격리기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는,

광섬유 증폭기.