KR101386108B1 - 광섬유를 이용한 광 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 희토류 원소가 동시에 첨가된 단일모드 광섬유; 광섬유의 양단에 구비되며 광섬유에서 여기된 일정 파장 대역의 광을 전반사하는 제1 광섬유 격자 및 제2 광섬유 격자; 광섬유 내의 희토류 이온을 여기시키는 펌핑광을 생성하는 펌핑 광원; 및 광섬유와 연결되며 광원으로부터 생성된 광신호와 펌핑 광원에서 출력된 펌핑광을 광섬유로 전달하는 광결합기를 포함하는 광섬유를 이용한 광 증폭기를 제공하여, 복수의 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 이용한 간단한 구성으로 효과적인 광신호의 증폭이 가능하다.

Description

광섬유를 이용한 광 증폭기{OPTICAL AMPLIFIER USING OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유를 이용한 광 증폭기에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은, 복수의 희토류 원소를 동시에 첨가한 광섬유를 이용한 광 증폭기에 대한 것이다.
최근 들어 2 um 대역의 레이저 기술이 다양한 응용성의 출현으로 인해 활발히 연구되고 있다. 이중에 툴륨첨가 광섬유는 기존의 광섬유 레이저의 우수한 광학적 특성과 2 um 대역의 광신호의 발생이 가능한 특징으로 인해 현재 활발히 연구되고 있는 분야이다.
툴륨 첨가 광섬유를 이용하여 광섬유 레이저를 제작할 경우 원하는 크기의 광신호를 획득하기 위해 툴륨첨가 광섬유를 이용한 다단의 광섬유 증폭기가 필요하다. 이러한 툴륨첨가 광섬유 증폭기를 구현하기 위해서는 증폭매질과 펌프광원이 요구된다. 툴륨 첨가 광섬유를 이용하여 2 um 대역의 광신호의 발생 및 증폭을 위해서는 800 nm 대역의 펌프광원 혹은 1560 nm 대역의 펌프광원이 사용된다.
도 1은 기존의 2 um 대역의 저출력 광신호 증폭을 위한 구조를 도시한 도면이다.
도 1에서는 2 um 대역의 입력 광신호에 대하여 단일모드 툴륨첨가 광섬유와 어븀첨가 광섬유를 이용하여 광섬유 증폭기를 구현하였다.
고출력 증폭기의 경우 800 nm 대역의 다중모드 형태의 고출력 레이저 다이오드를 사용하여 광섬유 클래드 펌핑방식의 구조로 구현이 가능하다. 작은 크기의 신호를 증폭하는 저출력 증폭기의 경우에는 광섬유 코어 펌핑 방식을 이용하여 구현하여야 하나, 이를 위한 800 nm 대역의 고출력 단일 모드 레이저 다이오드와 관련 광결합 소자의 부재로 인하여 구현이 불가하다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 1에서와 같이 어븀 첨가 광섬유를 이용한 1560 nm 대역의 어븀 레이저와 단일모드 툴륨 첨가 광섬유를 이용하여 저출력 코어 펌핑 방식의 광증폭기를 구현하고 있다.
그러나 이러한 구조는 펌핑 광원을 위하여 어븀첨가 광섬유를 이용해야 하기 때문에 구조가 복잡하고 많은 제작 비용이 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 희토류 원소가 동시에 첨가된 광섬유를 이용하여 간단한 구조로 광신호를 증폭시킬 수 있는 광섬유를 이용한 광 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 복수의 희토류 원소가 동시에 첨가된 단일모드 광섬유; 상기 광섬유의 양단에 구비되며 일정 파장 대역의 광을 전반사하는 제1 광섬유 격자 및 제2 광섬유 격자; 상기 광섬유 내의 희토류 이온을 여기(excitation)시키는 펌핑광을 생성하는 펌핑 광원; 및 상기 광섬유와 연결되며 광원으로부터 생성된 광신호와 상기 펌핑 광원에서 출력된 상기 펌핑광을 상기 광섬유로 전달하는 광결합기를 포함하는 광섬유를 이용한 광 증폭기를 제공한다.
상기 광섬유는 어븀(erbium) 및 툴륨(thulium)이 동시에 도핑(doping)될 수 있다.
상기 광원으로부터 생성된 광신호는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역이며, 상기 어븀과 툴륨의 도핑 비율은 1:2 ~ 1:10일 수 있다.
상기 어븀의 도핑 농도는 1000 ppm이고, 상기 툴륨의 도핑 농도는 2000 ~ 10000 ppm일 수 있다.
상기 광원으로부터 생성된 광신호는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역이며, 상기 제1 광섬유 격자 및 상기 제2 광섬유 격자는 1550 ~ 1610 nm 파장 대역에서 특정 파장의 광을 전반사할 수 있다.
상기 광원으로부터 생성된 광신호는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역이며, 상기 펌핑 광원은 970 ~ 990 nm 또는 1470 ~ 1490 nm 파장 대역의 펌핑광을 생성할 수 있다.
본 발명의 광섬유를 이용한 광 증폭기에 따르면, 복수의 희토류 원소가 첨가된 광섬유를 이용한 간단한 구성으로 효과적인 광신호의 증폭이 가능하다.
특히, 2 um 파장 대역의 광신호를 간단하고 효과적으로 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 2 um 파장 대역의 저출력 광신호 증폭을 위한 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 툴륨과 어븀이 첨가된 광섬유를 이용하여 구현한 광 증폭기를 도시한 도면이다.
도 3은 툴륨과 어븀이 동시에 첨가된 광섬유를 이용하여 2 um 파장 대역의 광신호가 증폭되는 원리를 도시한 도면이다.
도 4는 어븀 이온의 농도가 높은 경우 어븀-툴륨 동시첨가 광섬유의 형광특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 툴륨 이온의 농도가 높은 경우 어븀-툴륨 동시첨가 광섬유의 형광특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 툴륨과 어븀이 첨가된 광섬유를 이용하여 구현한 광 증폭기를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 광 증폭기(20)는 광원(10)에서 출력된 광신호를 입력받아 증폭하여 출력하는 것으로서, 광 증폭기(20)의 입력단에는 제1 광고립기(12)가 구비되고 광 증폭기(20)의 출력단에는 제2 광고립기(14)가 구비되어 광의 진행 방향을 광원(10)으로부터 광 증폭기(20) 방향으로 제한할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 증폭기(20)는, 툴륨과 어븀이 동시에 첨가된 단일모드 광섬유(22)와, 상기 광섬유(22)의 양단에 구비된 제1 광섬유 격자(24) 및 제2 광섬유 격자(30)와, 광을 증폭시키기 위한 펌핑광을 생성하는 펌핑 광원(26)과, 펌핑 광원에서 출력된 펌핑광을 광섬유(22)로 전달하기 위한 광결합기(28)를 포함한다.
광섬유(22)는 복수의 희토류 원소가 동시에 첨가된다. 증폭시키고자 하는 광신호의 파장 대역에 따라 희토류 원소의 종류는 달라질 수 있다. 본 실시예에서는, 2 um 파장 대역의 광신호를 효과적으로 증폭시키기 위하여 툴륨(thulium) 및 어븀(erbium)이 동시에 도핑(doping)된 광섬유(22)를 사용하였다.
제1 광섬유 격자(24) 및 제2 광섬유 격자(30)는 광섬유 브라그 격자(Bragg's grating)로 마련되며 광섬유(22)의 양 단에 마련되어 일정 파장 대역의 광을 전반사한다. 본 실시예에서 제1 광섬유 격자(24) 및 제2 광섬유 격자(30)는 1560 nm 파장 대역의 광을 전반사하여 광섬유(22)를 사이에 두고 공진시킨다.
펌핑 광원(26)은 광섬유(22) 내의 희토류 이온을 여기(excitation)시키는 펌핑광을 생성한다. 본 실시예에서, 펌핑 광원(26)은 980 nm 파장 대역의 펌핑광을 생성하여 광결합기(28)에 의하여 광섬유(22)로 전달함으로써 광섬유(22) 내의 어븀 이온의 에너지를 활성화시킨다.
광결합기(28)는 광섬유(22)와 연결되며 광원(10)으로부터 생성된 광신호와 펌핑 광원(26)에서 출력된 펌핑광을 결합하여 광섬유(22)로 전달한다.
이러한 구성을 갖는 광 증폭기(20)의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10)으로부터 입력된 2 um 파장 대역의 광신호를 툴륨과 어븀이 동시에 첨가된 단일모드 광섬유(22)에 입사시킨다. 광신호의 진행 방향은 제1 광고립기(12) 및 제2 광고립기(14)에 의하여 광원(10)으로부터 광 증폭기(20) 방향으로 제한된다.
광결합기(28)는 광원(10)으로부터 입력된 2 um 파장 대역의 광신호와 펌핑 광원(26)으로부터 생성된 980 nm 파장 대역의 펌핑광을 광섬유(22)로 전달한다.
도 3은 툴륨과 어븀이 동시에 첨가된 광섬유를 이용하여 2 um 파장 대역의 광신호가 증폭되는 원리를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 광섬유(22) 내에 전달된 980 nm 파장 대역의 펌핑광은 광섬유(22) 내에 어븀 이온의 에너지를 활성화시키며, 여기된 어븀 이온에서는 1560nm 파장 대역의 광이 발생한다.
어븀 이온에서 발생된 1560 nm 파장 대역의 광은 광섬유(22)의 양단에 마련되는 제1 광섬유 격자(24) 및 제2 광섬유 격자(30)에 의하여 전반사되며, 광섬유(22)를 사이에 두고 1560 nm 파장 대역의 광이 공진된다.
광섬유(22)를 사이에 두고 공진되는 1560nm 파장 대역의 광은 광섬유(22) 내의 툴륨 이온을 여기시키며, 활성화된 툴륨 이온으로부터 2 um 파장 대역의 광이 발생됨으로써, 광원(10)으로부터 입력된 2um 대역의 광신호가 증폭된다.
이러한 구조는 기존의 방식보다 매우 간단하고 효과적으로 2um 대역의 광신호의 증폭이 가능하다. 또한 현재 많은 상용화가 이루어진 1560nm 대역의 광소자를 이용할수 있기 때문에 경제적인 레이저 개발이 가능한 효과가 있다.
본 실시예에서 광섬유(22)는 어븀과 툴륨이 동시에 첨가되어 2 um 대역의 광신호를 증폭시키는데, 이때 어븀과 툴륨의 첨가 비율에 따라 증폭되는 광신호의 파장 대역이 달라질 수 있다. 이하에서는 이에 대해서 보다 상세히 설명한다.
도 4는 어븀 이온의 농도가 높은 경우 어븀-툴륨 동시첨가 광섬유의 형광특성을 나타낸 그래프이고, 도 5는 툴륨 이온의 농도가 높은 경우 어븀-툴륨 동시첨가 광섬유의 형광특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 광섬유(22)에서 어븀:툴륨의 도핑 비율이 1:1(500 ppm:500 ppm)이며, 도 5는 광섬유(22)에서 어븀:툴륨의 도핑 비율이 1:5(1000 ppm:5000 ppm)일 때 광섬유(22)의 형광특성을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 광섬유(22)에서 어븀:툴륨의 도핑 비율이 1:1(500 ppm:500 ppm)인 경우 어븀에 의한 강한 형광(도 4의 A 그래프)이 나타나고 상대적으로 툴륨에 의한 형광(도 4의 B 그래프)은 1800 nm 파장 대역에서 나타난다.
도 5를 참조하면, 광섬유(22)에서 어븀:툴륨의 도핑 비율이 1:5(1000 ppm:5000 ppm)인 경우 어븀에 의한 형광(도 5의 A 그래프)은 상대적으로 작게 나타나고 툴륨에 의한 형광(도 5의 B 그래프)이 2 um의 장파장 대역에서 강하게 나타나고 1450 nm 파장 대역에서도 나타난다.
위와 같은 실험 결과에 따라, 광원(10)에서 발생되는 광신호의 파장에 따라 어븀과 툴륨의 도핑 비율을 상대적으로 결정할 수 있다.
본 실시예에서는 2 um 파장 대역의 광신호를 증폭하기 위하여 어븀과 툴륨이 동시에 도핑된 광섬유(22)를 사용하였으므로 상기와 같은 실험 결과에 따라 어븀:툴륨의 도핑 비율은 1:5의 비율을 사용하였으며, 도핑의 농도는 어븀은 1000 ppm, 툴륨은 5000 ppm으로 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명의 권리범위는 이에 제한될 필요는 없으며, 어븀과 툴륨의 도핑 비율은 1:2 ~ 1:10의 범위에서도 2 um 파장 대역의 광신호를 증폭하는 데 효과가 있다.
전술한 실시예에서는, 2 um 파장 대역의 광신호를 증폭하였으나 본 발명의 권리범위가 이에 제한될 필요는 없으며, 본 발명의 광섬유를 이용한 광 증폭기(20)는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역의 광신호를 증폭하는 데 사용될 수 있다.
또한, 전술한 실시예에서, 펌핑 광원(26)은 980 nm(970~990 nm 범위) 파장 대역의 펌핑광을 생성하여 광섬유(22) 내의 어븀 이온의 에너지를 활성화시켰으나, 본 발명의 권리범위는 이에 제한될 필요는 없으며, 펌핑 광원(26)은 1480 nm(1470~1490 nm 범위) 파장 대역의 펌핑광을 생성하여 광섬유(22) 내의 어븀 이온의 에너지를 활성화시킬 수도 있다. 이때, 광섬유(22) 내에 전달된 1480 nm 파장 대역의 펌핑광은 광섬유(22) 내에 어븀 이온의 에너지를 활성화시키며, 여기된 어븀 이온에서는 1610 nm 파장 대역의 광이 발생한다. 이에 따라 제1 광섬유 격자(24) 및 제2 광섬유 격자(30)는 어븀 이온에서 발생된 1610 nm 파장 대역의 광을 전반사시켜 광섬유(22)를 사이에 두고 1610 nm 파장 대역의 광이 공진되도록 구성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 광원
12 : 제1 광고립기
14 : 제2 광고립기
20 : 증폭기
22 : 광섬유
24 : 제1 광섬유 격자
26 : 펌핑 광원
28 : 광결합기
30 : 제2 광섬유 격자

Claims (6)

  1. 복수의 희토류 원소가 동시에 첨가된 단일모드 광섬유;
    상기 광섬유 내의 희토류 이온 중 하나를 여기(excitation)시키는 펌핑광을 생성하는 펌핑 광원;
    상기 광섬유와 연결되며 광원으로부터 생성된 광신호와 상기 펌핑 광원에서 출력된 상기 펌핑광을 상기 광섬유로 전달하는 광결합기; 및
    상기 광섬유의 양단에 구비되며 여기된 희토류 이온에서 발생된 일정 파장 대역의 광을 전반사하는 제1 광섬유 격자 및 제2 광섬유 격자를 포함하며
    상기 여기된 희토류 이온에서 발생된 일정 파장 대역의 광은 상기 제1 광섬유 격자 및 상기 제2 광섬유 격자에 의하여 상기 광섬유 내에 구속되어 상기 광섬유 내의 다른 희토류 이온을 여기시켜 상기 광신호와 동일한 파장 대역의 광을 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유는 어븀(erbium) 및 툴륨(thulium)이 동시에 도핑(doping)된 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원으로부터 생성된 광신호는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역이며,
    상기 어븀과 툴륨의 도핑 비율은 1:2 ~ 1:10인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 어븀의 도핑 농도는 1000 ppm이고, 상기 툴륨의 도핑 농도는 2000 ~ 10000 ppm인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광 증폭기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광원으로부터 생성된 광신호는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역이며,
    상기 제1 광섬유 격자 및 상기 제2 광섬유 격자는 1550 ~ 1610 nm 파장 대역에서 특정 파장의 광을 전반사하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광 증폭기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 광원으로부터 생성된 광신호는 1800 ~ 2100 nm 파장 대역이며,
    상기 펌핑 광원은 970 ~ 990 nm 또는 1470 ~ 1490 nm 파장 대역의 펌핑광을 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 광 증폭기.
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