KR19990006570A - 광대역 광 증폭기 및 광 신호 증폭 방법 - Google Patents

광대역 광 증폭기 및 광 신호 증폭 방법 Download PDF

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애툴 케이. 스리바스타바
제임스 더블유. 설호프
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제프리 제이. 브로세머
루센트 테크놀로지스 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 광대역 광 증폭기는 광 신호가 여러개의 독립적인 서브 밴드로 분리되어 상기 서브 밴드가 상기 광 증폭기의 분리된 브랜치를 동시에 (병렬로) 통과하는 스플리트 밴드 구조를 가진다. 각각의 브랜치는 그것을 통과하는 상기 서브 밴드에 대하여 최적화된다. 상기 독립적인 서브 밴드는 출력되기 전에 결합되어, 광대역의 고주파수 증폭기가 된다. 다른 하이브리드 스플리트 밴드 증폭기가 개시된다. 양호한 특성 때문에, 상기 광대역 광 증폭기는 조밀한 WDM 통신 시스템에 사용될 수도 있다.

Description

광대역 광 증폭기 및 광 신호 증폭 방법
본 발명은 일반적으로 광 통신 분야에 관한 것으로서 특히 광대역 광 증폭기에 관한 것이다. 통신 시스템 및 네트워크에 사용된 광 신호를 증폭하기 위하여 희토류로 도핑된 광섬유를 이용하는 것에 대하여 상당한 관심이 있어왔다. 상기 희토류로 도핑된 광섬유 증폭기는 경제적이고, 노이즈가 적고, 편광에 의존하지 않는 비교적 넓은 대역폭을 제공하고, 상당히 감소된 크로스토크를 나타내며, 적정 동작 파장에서 낮은 삽입 손실을 가지는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 양호한 특성 때문에, 희토류로 도핑된 광섬유 증폭기, 예를 들면, 에르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기(EDFA)는 많은 광파 통신 시스템과 특히, 파장 분할 다중화(WDM) 광 통신 시스템 및 네트워크에서 현재의 광전 재생기를 대신하고 있다.
상기 WDM 광 통신 시스템 및 네트워크의 용량 증가를 꾀하는 가운데, 소정의 WDM 시스템 내에 가능한 한 많은 파장 분할 다중화(WDM) 광 채널을 구비하는 것이 일반적으로 양호한 것으로 나타났다. 광대역 광 증폭기는 상기 조밀한(dense) WDM(DWDM) 광 시스템 및 네트워크를 수행하도록 요구된다.
도 1에는 EDFA에 대한 총 가능한 이득 스펙트럼이 아주 넓게 도시되어 있다. 그러나, 불행히도 EDFA에 대한 이용 가능한 이득 대역폭은 약 10nm 뿐이고, 이 때문에 DWDM 시스템에 대한 이용에 제한이 가해진다.
물론, 본 기술에 숙련된 사람은 EDFA에 대한 상기 이득 대역폭이 이득 등화 필터(Gain Equalization Filters)(GEFs)를 이용하여 1525nm로부터 1565nm로 약 40nm 정도 연장될 수 있음을 알고있을 것이다. 1997년 2월 16-21일자 A.K. Srivistava, J.B.Judkins, Y.Sun, L. Garrett, J.L. Zyskind, J.W. Sulhoff, C. Wolf, R.M. Derosier, A.H. Gnauck, R.W. Tkach, J. Zhou, R.P. Espindola, A.M. Vengsarkar 및 A.R. Chraplyvy의 32×10 Gb/s WDM Transmission Over 640 km Using Broad Band, Gain-Flattened Erbium-Doped Silica Fiber Amplifiers, Proc. OFC, Dallas, TX, pp. PD18,; 1997년 Y.Sun, J.B. Judkins, A.K. Srivastava, L. Garrett, J.L. Zyskind, J.W. Sulhoff, C. Wolf, R.M. Derosier, A.H. Gnauck, R.W. Tkach, J.Zhou, R.P. Espindola, A.M. Vengsarkar 및 A.R. Chraplyvy의 Transmission of 32 WDM 10 Gb/s Channels Using Broad Band, Gain-Flattened Erbium-Doped Silica Fiber Amplifiers, Ieee Photon Tech. Lett.,; 및 1997년 2월 16-21일자 P.F. Wysocky, J.B. Judkins, R.P. Espindola, M. Andrejco, A.M. Vengsarkar 및 K. Walker의 Erbium Doped fiber Amplifier Flattened Beyond 40 nm Using Long-Period Grating, Proc. OFC, Dallas, TX, pp.PD2,을 참조하라. 또한, 도 1에서, EDFA에 대한 이득이 1525nm 이하의 영역과 1565nm 이상의 영역에서 급속히 떨어짐을 알 수 있을 것이다. 결과적으로 GEF를 구비하는 EDFA의 이득 대역폭을 더 이상 증가시키는 것은 비실용적이다. 왜냐하면, 그러한 방법은 만족스러운 저잡음 특성을 유지하기 위하여 너무 큰 량의 펌프 전력을 요구하고 이에 따라서 많은 수의 GEF를 요구하기 때문이다.
기존의 연구는 1.57 내지 1.60㎛ 사이의 파장에서 큰 광 이득이 얻어질 수 있음을 보여주었다. 1990년 9월 J.F. Massicott, J.R. Armitage, R. Wyatt, B.J. Ainslie 및 S.P. Craig-Ryan의 High Gain, Broadband 1.6㎛ Er3+Doped Silica Fibre Amplifier, Elec. Lett., Vol. 26, No. 14, pp. 1038-1039,; 1990년 9월 J.F. Massicott, R. Wyatt 및 B.J. Ainslie의 Low Noise Operation of Er3+Doped Silica Fibre Amplifier 1.6㎛, Elec. Lett., Vol. 26, No. 20, pp. 1645-1646을 참조하라. 또한, 1.53 내지 1.56㎛ 범위의 파장에서 에르븀으로 도핑된 광섬유를 향상시키기 위하여 새로운 도핑 재료가 사용되었다. 특히, 불화 EDF가 부가적인 이득을 제공하는 것으로 나타났고, 텔루르 EDF가 큰 가능성을 지니고 있는 것으로 보고되었다. 1997년 2월 16-21일자 A. Mori, Y. Ohishi, M. Yamada, H. Ono, Y. Nishida, K. Oikawa 및 S. Sudo의 1.5㎛ Broadband Amplification by Tellurite-Based EDFA's,, Proc. OFC, pp. PD1, Dallas, TX을 참조하라. 그러나, 이러한 가능성에도 불구하고, 상기 EDF의 이득 스펙트럼은 통상적으로 불균일하고 기계적 안정성과 같은 다른 중요한 특성은 제대로 파악되지 않고 있다.
따라서 이러한 배경으로부터 광대역 광 증폭기를 개발하기 위한 다른 방법이 요구된다.
본 발명자는 스플리트 밴드 구조를 포함하는 광대역 광 증폭기를 발견했다. 상기 광대역 증폭기는 적어도 두 부분, 즉, 제 1의 공통부와 제 2의 스플리트부를 구비한다. 동작시에, 광 신호는 공통부로 들어가고 그 다음에 두 개의(또는 그 이상의) 독립적인 서브 밴드로 분리되어 들어간다. 각각의 상기 독립적인 서브 밴드는 상기 제 2의 스플리트부의 분리된 브랜치로 향하고 그 안에서 출력 신호로 재결합되기 전에 선택적으로 증폭된다.
본 발명에 따르면, 상기 스플리트부의 각각의 분리된 브랜치는 상기 서브 밴드에 대하여 최적화될 수 있다. 또한, 하나 이상의 상기 분리된 브랜치는 더 분리되어 다른 특성을 나타내는 하이브리드 구조가 될 수도 있다.
본 발명의 다양한 실시예의 구조 및 동작뿐만 아니라, 본 발명의 다른 특징 및 이점은 수반되는 도면과 관련하여 하기에 상세히 기술된다.
도 1은 상이한 반전 레벨에서 에르븀으로 도핑된 규토 광섬유에 대한 이득율(dB/m) 대 파장(nm)의 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광대역 광섬유 증폭기의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 세 개의 서브 밴드, 스플리트 밴드 광섬유 증폭기의 수치 시뮬레이션에 의한 출력 전력(dBm) 대 파장(nm)을 도시한 도면.
도 4는 두 개의 서브 밴드를 가지는 본 발명에 따른 스플리트 밴드 광섬유 증폭기에 대한 실험적인 장치의 개략도.
도 5는 도 4의 광섬유 증폭기에 대한 측정된 출력 스펙트럼을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 하이브리드, 스플리트 밴드 광 증폭기의 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
200. 광대역 증폭기 202. 공통부
204. 스플리트부 206. 출력부
208. 입력 포트 266. 출력 포트
250. 디멀티플렉서 251. 멀티플렉서
도 2는 본 발명의 광대역의 광섬유 증폭기의 기본 원리를 나타낸다. 상기 광대역 증폭기(200)는 주로 두 개의 부분, 즉, 제 1의 공통부(202) 및 제 2의 스플리트부(204)로 나누어진다. 간단히 말하면, 광 신호는 상기 광대역 광 증폭기(200)의 상기 공통부(202)로 들어간다. 상기 신호는 그 다음에 두 개(또는 그 이상)의 독립적인 밴드로 분리되어 들어가고, 그 다음에 각각의 상기 독립적인 밴드는 상기 제 2의 스플리트부(204)의 분리된 브랜치로 향한다. 동시에, 상기 독립적인 밴드는 상기 분리된 브랜치 내에서 증폭되어 출력 신호로 재결합된다. 선택적으로, 상기 재결합된 출력 신호는 더 증폭되거나 그렇지 않으면 출력부(206)에서 처리된다.
상기 원리에 따라서, 광대역 광 증폭기가 실행된다. 도 2에서, 광 신호는 입력 포트(208)를 통하여 광대역 광 증폭기(200)로 들어가고 출력 포트(266)로부터 나오며, 상기 출력 포트(266)는 입력 포트(208)의 다운스트림(downstream)이다. 요소(210 내지 212)는 광 절연체이고, 220 내지 230은 에르븀이 도핑된 증폭기 광섬유이고, 240 내지 243은 파장 선택(wavelength-selective) 광섬유 결합기 또는 펌프 방사(244 내지 247)를 상기 증폭기 광섬유에 결합하는 WDM이고, 231 내지 238은 GEF이며, 260은 감쇄기이고, 250 및 251은 각각 디멀티플렉서 및 멀티플렉서이다. 광 절연체, 감쇄기, GEF, WDM, 멀티플렉서 및 디멀티플렉서는 일반적으로 공지되어 있고, 이들중 몇몇은 상업적으로 이용 가능하다. 본 기술에 숙련된 사람들은 통상적으로 그리고 선택적으로 광 절연체를 EDFA의 업스트림 및 다운스트림에 각각 배치함을 알고 있을 것이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 모든 입력 광 신호는 상기 공통부(202)를 통과하여 분리되기 전에 증폭된다. 이 구조에서, 상기 신호는 상기 디멀티플렉서(250)의 작용을 통하여 세 개의 서브 밴드로 분리된다. 특히, 상기 신호는 상기 스플리트부(204)의 브랜치에 각각 대응하는 단파 밴드(S 밴드), 중파 밴드(M 밴드-통상적인 밴드 또는 C 밴드) 및 장파 밴드(L 밴드)로 분리된다. 상기 광 신호를 다수의 밴드로 분리하면 상기 밴드의 개별적인 동시 증폭이 가능하다.
본 기술에 숙련된 사람은 상기 광 신호가 분리되는 서브 밴드가 고정되어 있지 않고 가변적이며 파장의 범위로 기술됨을 이해할 것이다. 그러나 상기 실시예에서, S 밴드의 범위는 1510nm 내지 1525nm이고, 상기 M 밴드의 범위는 1525nm 내지 1565nm이며, 상기 L 밴드의 범위는 1565nm 내지 1610nm이다. 물론, 상기 범위는 특정 EDF, 디자인 및 애플리케이션에 따라서 변한다.
일반적으로, 상기 공통부(202)는 저잡음 특성을 얻기 위하여 강하게 반전된다. 또한, 상기 S 밴드에서 EDF의 반전 레벨은 상기 서브 밴드에서 고 이득과 고 출력 전력을 얻기 위해 높게 유지될 수도 있다. 이 때문에 신호 채널 가운데서 강한 이득 변화가 발생될 수 있으며, 동시에 거의 균일한 이득 및 저잡음 특성을 얻기 위하여 다수의 GEF가 상기 EDF를 따라서 이용될 수도 있다.
마찬가지로, 상기 실시예의 구조에 나타난 나머지 서브 밴드는 부가적인 디자인의 고려사항들을 제시한다. 특히, 상기 M 밴드는 GEF 및 하나 이상의 스테이지의 이용을 통하여 고전력, 균일한 이득 및 저잡음 특성을 가지도록 디자인될 수도 있다. L 밴드에 대하여, 상기 반전 레벨은 저레벨로 유지되어야 하고 이득의 균일성을 향상시키기 위하여 GEF가 양호하게 이용될 수도 있다. 마찬가지로, 상기 서브 밴드에 대한 출력 전력을 향상시키기 위하여 하나 이상의 스테이지가 사용될 수도 있다.
도 2에서 참조 번호 250 및 251로 표기된 광 신호의 멀티플렉싱(Mux) 및 디멀티플렉싱(de-Mux)은 순환 장치와 함께 박막 필터, 도파관 루터 및 광섬유 격자를 이용하는 등 다양한 방법으로 수행된다. 두 인접 서브 밴드 사이의 안내 밴드의 폭은 대체로 사용된 Mux 및 de-Mux 기술의 첨예도와 상기 GEF의 정밀도 또는 정확도에 의해 결정된다.
도 2의 광대역 광 증폭기 구조를 이용하여 수치 시뮬레이션이 수행되었는데, 여기서 총 광 스펙트럼이 세 개의 서브 밴드로 나누어진다. 상기 시뮬레이션을 위하여 S 밴드에 여섯 개의 GEF(231 내지 236)가 사용되었다. 모든 펌프 레이저(245 내지 247)는 상기 S 밴드에서 26dBm의 펌프 전력으로 980nm에서 동작하였다. 상기 S 밴드에서 높은 펌프 전력은 일반적으로 EDF에서 높은 반전을 만들도록 요구된다.
상기 시뮬레이션에 의한 도 2의 구조에 대한 출력 전력 스펙트럼이 도 3에 도시된다. 상기 도면에서, 고출력 전력은 본 발명에 따라서 구성된 증폭기의 특성임을 알 수 있다.
본 발명의 원리를 더 잘 나타내는 다른 광대역 증폭기 구조가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 여기에 도시된 구조는 공통부(402) 및 두 개의 브랜치를 가지는 스플리트부(404)를 포함한다. 상기 스플리트부(404)의 전후에서 de-Mux 및 Mux를 실행하는데 순환 장치(460 및 461) 및 광대역 브래그(Bragg) 광섬유 격자(450 및 451)가 사용된다. 상기 광대역 증폭기 구조를 이용하면, 상기 M 밴드에는 1단계 증폭이 이용되고 상기 L 밴드에는 2단계 증폭이 수행된다. 모든 펌프는 980nm에서 동작된다.
두 신호, 즉, 상기 M 밴드의 1530nm에서의 신호와 상기 L 밴드의 1592nm에서의 신호는 포화 소스로 사용되었다. 총 입력 전력은 -4.7dBm이고 총 출력 전력은 18.3dBm이며, 따라서 23dB의 이득을 가진다. 상기 광대역 증폭기 구조에 대한 출력 스펙트럼은 도 5에 도시된다.
본 기술에 숙련된 사람은 본 발명의 스플리트 밴드 구조에 대한 많은 변화가 가능함을 쉽게 이해할 것이다. 특히, 이용된 EDF의 이득 및 손실 스펙트럼에 따라서 입력 광 신호로부터 둘, 셋 또는 그 이상의 서브 밴드 스플리트가 있을 수 있다. 그리고 본 발명을 예증하기 위하여 두 부분의 구조만 사용했으나, 본 발명의 원리 내에서 둘 이상의 부분 및 심지어 하이브리드 구조도 고려될 수 있다.
그러한 하이브리드 광대역 증폭기 구조가 도 6에 도시된다. 앞에서 기술한 구조와 같이, 도 6에 개략적으로 도시된 상기 하이브리드 광대역 증폭기(600)는 주로 두 개의 부분, 즉, 제 1 공통부(602)와 광 신호의 각각의 스플리트 서브 밴드가 통과하는 다수의 개별적인 브랜치를 가지는 제 2의 스플리트부(604)로 분리된다. 상기 하이브리드 광대역 증폭기 구조의 다른 특징을 이루는 것은 상기 스플리트부(604)가 상기 개별적인 브랜치중 하나(또는 그 이상)의 브랜치가 추가의 독립적인 브랜치로 더 분리되는 다른 스플리트부 또는 하이브리드부(606)를 구비한다는 것이다.
광 신호는 상기 광대역 광 증폭기(600)의 공통부(602)로 들어가서 de-Mux(650)에 의해 두 개의 독립적인 서브 밴드로 분리된다. 각각의 상기 독립적인 서브 밴드는 그 다음에 상기 제 2의 스플리트부(604)의 개별적인 브랜치로 향해진다. 스플리트부(604)의 상부 브랜치를 통과하는 신호는 de-Mux(651)에 의해 더 분리되어 부가적인 독립 서브 밴드로 들어간다. 동시에, 모든 독립적인 서브 밴드는 상기 각각의 브랜치 내에서 원하는대로 증폭될 수 있고 이어서 Mux(652)에 의해 출력 신호로 재결합된다.
본 발명의 다양한 부가적인 변형이 본 기술에 숙련된 사람에 의해 이루어질 수 있다. 특히, 일부 또는 모든 광 신호가 재순환될 수도 있다. 예를 들면, 하나 이상의 상기 서브 밴드로부터 받아들여지지 않은 전력이 다른 서브 밴드에 공급되는데 사용될 수도 있다. 또한, 본 기술에 숙련된 사람들은 다른 하이브리드 구조가 가능함을 알 수 있을 것이다. 특히, 하나 이상의 서브 밴드가 전술한 EDF 증폭기 대신에 반도체 증폭기에 의해 증폭될 수도 있다. 그러나 기본적으로 상기 원리에 따른 본 명세서의 상기 특정 예로부터 나오는 모든 변형은 본 발명의 범주내에서 적절히 고려될 수 있다.
본 발명의 광대역 광 증폭기는 광 신호가 여러개의 독립적인 서브 밴드로 분리되어 상기 서브 밴드가 상기 광 증폭기의 분리된 브랜치를 동시에 통과하는 스플리트 밴드 구조를 가지며, 조밀한 WDM 통신 시스템에 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 스플리트 밴드 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 광 증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 또한 하이브리드 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광대역 광 증폭기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스플리트 밴드 구조는 공통 입력부와 스플리트부를 가지며, 여기서 상기 공통 입력부로 들어가는 광 신호는 다수의 독립적인 서브 밴드로 분리되어 들어가서 상기 스플리트부의 개별적인 브랜치로 향하고 순차적으로 출력 신호로 재결합되기 전에 병렬로 증폭되는 것을 특징으로 하는 광대역 광 증폭기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 스플리트부의 개별적인 브랜치로 향하는 상기 서브 밴드중 적어도 하나의 상기 서브 밴드가 다수의 추가의 독립적인 서브 밴드로 더 분리되어 들어가서 상기 스플리트부의 상기 개별적인 브랜치의 더 분리된 개별적인 브랜치로 향하여, 순차적으로 출력 신호로 재결합되기 전에 모든 상기 서브 밴드가 병렬로 증폭되는 하이브리드 구조로 특징지워진 광대역 광 증폭기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 공통 입력부는 분리되기 전에 상기 광 신호를 증폭하는 증폭부인 광대역 광 증폭기.
  6. 제 5항에 있어서, 출력하기 전에 상기 결합된 출력 신호를 증폭하는 공통 출력 증폭부를 더 포함하는 광대역 광 증폭기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 스플리트부는 S 밴드 증폭 브랜치를 포함하고, 상기 S 밴드의 범위는 1510nm 내지 1525nm인 광대역 광 증폭기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 스플리트부는 M 밴드 증폭 브랜치를 포함하고, 상기 M 밴드의 범위는 1525nm 내지 1565nm인 광대역 광 증폭기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 스플리트부는 L 밴드 증폭 브랜치를 포함하고, 상기 L 밴드의 범위는 1565nm 내지 1610nm인 광대역 광 증폭기.
  10. 광 신호를 증폭하는 방법에 있어서,
    상기 광 신호룰 복수의 서브 밴드로 분리하는 단계와,
    상기 복수의 서브 밴드 각각을 동시에 독립적으로 증폭하는 단계와,
    상기 복수의 서브 밴드를 출력 신호로 재결합하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 분리하기 전에 상기 광 신호를 증폭하는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 재결합된 출력 신호를 증폭하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 하나 이상의 상기 서브 밴드를 각각 추가의 서브 밴드로 더 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 복수의 서브 밴드는 S 밴드를 포함하고, 상기 S 밴드의 범위는 1510nm 내지 1525nm인 방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 복수의 서브 밴드는 M 밴드를 포함하고, 상기 M 밴드의 범위는 1525nm 내지 1565nm인 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 복수의 서브 밴드는 L 밴드를 포함하고, 상기 L 밴드의 범위는 156510nm 내지 1610nm인 방법.
KR1019980020330A 1997-06-02 1998-06-02 광대역 광 증폭기 및 광 신호 증폭 방법 KR19990006570A (ko)

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