KR19990018106A - 광펄스 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광펄스 증폭기에 관한 것으로, 광펄스 증폭기는 제1, 제2, 제3 및 제4 입출력단자를 구비하고, 복수 개의 파장으로 이루어져 제1입출력단자로 입사되는 광펄스를 제2 및 제3입출력단자로 각각 분리출력하며, 제2 및 제3입출력단자로부터 재입사되는 광펄스를 제4입출력단자로 출력하는 제1광결합기; 제1광결합기의 제2 및 제3입출력단자에 연결되어, 각각 입사되는 광펄스를 각 파장에 따라 브래그 조건을 만족하는 위치에서 반사시켜서 입사된 광펄스를 브로드닝(broadening)하는 제1 및 제2격자; 제1광결합기의 제4입출력단자에 연결되어 제1 및 제2격자를 통해 반사되어 브로드닝된 광펄스를 증폭하는 광증폭부; 및 제1, 제2, 제3 및 제4 입출력단자를 구비하고, 광증폭부에 제1입출력단자가 연결되어 광증폭부로부터 입사하는 광펄스를 제1 및 제2격자의 타측에 연결된 제2 및 제3입출력단자로 분리출력하며, 제1 및 제2격자에 의해 상술한 방향과 반대방향으로 반사되므로써 압축되고 제2 및 제3입출력단자를 통해 재입사되는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제4입출력단자로 출력하는 제2광결합기로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 광펄스의 증폭과 브로드닝에 의해 비선형효과 또는 홀 버닝 효과 등을 피할 수 있고, 회절손실이 작으며 제조가 간편하다.

Description

광펄스 증폭기
본 발명은 광펄스 증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 첩 격자(chirped grating)를 이용한 광펄스 증폭기에 관한 것이다.
단일모드 광섬유증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier)는 입력신호의 파워가 증가하더라도 그 출력신호의 파워가 더 이상 증가하지않는 포화에너지(saturation energy)가 대략 1μJ이다. 이 에너지에서 증폭된 초단펄스(Ultrashort Pulse)의 첨두 파워는, 예를 들어 1피코초(pico second) 펄스에 대해 1μW 와 같이 매우 높아서 광섬유 코아에 가두어지면(confine) 그 강도(intensity)가 매우 커져서 비선형 효과가 발생하고 펄스는 왜곡된다. 또한 유도방출 이득이 감소하여 증폭이 이루어지지않는 스펙트럴 홀 버닝 효과(Spectral Hole Burning Effect)가 발생한다.
이를 해결하기 위하여 종래에는 벌크 회절격자 스트레쳐(Bulk Diffraction-grating Stretcher)를 사용하여 증폭기내에서 초단펄스를 스트레치(stretch)시켜서 낮은 첨두치 파워를 갖게하였다
그러나, 벌크 회절격자 스트레쳐의 사용시 문제점은 회절격자 정렬(Diffraction-grating Arrangement)이 분극(polarization)에 민감하고, 견고하지 못하다는 것이다. 또한, 회절손실(Diffration Loss)이 크며 출력빔의 프로파일(profile)을 왜곡시킨다는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 첩 격자와 결합기(coupler)를 이용하여 파워가 크고 왜곡이 작은 광펄스 증폭기를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광펄스 증폭기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 첩 격자에 대한 상세도이다.
도 3은 도 1의 제1광결합기의 입출력 파형이다.
도 4는 도 1의 제2광결합기의 입출력 파형이다.
도 5a는 분극 빔 스플리터의 구조도이고, 도 5b는 광섬유 분극 스플리터의 구조도이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 광펄스 증폭기는 제1, 제2, 제3 및 제4 입출력단자를 구비하고, 복수 개의 파장으로 이루어져 제1입출력단자로 입사되는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제2 및 제3입출력단자로 각각 출력하며, 상기 제2 및 제3입출력단자로부터 재입사되는 광펄스를 다시 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제4입출력단자로 출력하는 제1광결합기; 상기 제1광결합기의 제2입출력단자에 연결되어, 입사되는 광펄스를 각 파장에 따라 브래그 조건을 만족하는 위치에서 반사시켜서 상기 입사된 광펄스를 브로드닝(broadening)하는 제1격자; 상기 제1광결합기의 제3입출력단자에 연결되고 상기 제1격자와 동일한 길이를 가지며, 입사되는 광펄스를 각 파장에 따라 브래그 조건을 만족하는 위치에서 반사시켜서 상기 입사된 광펄스를 브로드닝(broadening)하는 제2격자; 상기 제1광결합기의 제4입출력단자에 연결되어 상기 제1 및 제2격자를 통해 반사되어 브로드닝된 광펄스를 증폭하는 광증폭부; 및 제1, 제2, 제3 및 제4 입출력단자를 구비하고, 상기 광증폭부에 제1입출력단자가 연결되어 상기 광증폭부로부터 입사하는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 상기 제1 및 제2격자의 타측에 연결된 제2 및 제3입출력단자로 출력하며, 상기 제1 및 제2격자에 의해 상기 제1광결합기의 제2 및 제3입출력단자의 출력신호가 반사되는 것과 반대방향으로 반사되므로써 압축되고 상기 제2 및 제3입출력단자를 통해 재입사되는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제4입출력단자로 출력하는 제2광결합기를 포함함이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 광펄스 증폭기의 바람직한 일실시예를 도시한 것으로, 제1광결합기(100), 제1 및 제2첩 격자(110, 115), 제2광결합기(120) 및 광증폭부(130)로 이루어진다.
제1광결합기(100)는 입사되는 광펄스를 소정의 비율로 분리하여 출력하며, 한 번의 결합(coupling)이 일어날 때마다 위상을 π/2만큼 변화시킨다.
제1 및 제2첩 격자(110, 115)는 서로 동일한 길이로 일단이 제1광결합기(100)의 각 출력단자에 연결되고 타단이 제2광결합기(120)에 연결되며, 서로 다른 파장을 갖는 입사광을 각각 다른 위치에서 반사시킨다.
광증폭부(130)는 제1광결합기(100)의 나머지 한 단자에 연결되어 입사되는 광펄스를 파장분할 다중화하여 증폭한다.
제2광결합기(120)는 한 단자가 광증폭부(130)에 연결되어 광증폭부(130)로부터 증폭되어 입사하는 광펄스를 소정의 비율로 분리하여 출력하며, 한 번의 결합(coupling)이 일어날 때마다 위상을 π/2만큼 변화시킨다.
상술한 광증폭부(130)는 제1아이솔레이터(131), 펌핑광 생성기(132), 서로 다른 파장의 광펄스를 다중화하는 파장분할다중화기(133), 입사되는 광펄스를 증폭하는 광섬유증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier, 134, 이하에서 EDF라 약함) 및 제2아이솔레이터(135)로 이루어진다.
한편, 상술한 본 발명의 구성에 의거하여 그 동작을 설명하기로 한다. 먼저 제1광결합기(100)의 102번 포트를 통해 입사되면, 106번 포트로는 위상변이가 없고 파워는 1/2인 광펄스가 출력되고, 108번 포트로는 한 번의 결합이 일어나서 π/2만큼 위상변이가 있고 파워는 1/2인 광펄스가 출력된다. 106번 포트와 108번 포트에는 각각 동일한 길이의 제1 및 제2첩 격자(110, 115)가 연결되어 있고, 입사된 광펄스는 격자의 각각 다른 위치에서 반사된다. 그 원리는 다음과 같다. 첩 격자는 도 2에 도시된 바와 같이 격자주기가 균일하지않고 길이에 따라 다른 격자로서, 서로 다른 파장 λ1, λ2, …, λn이 λ1λ2… λn일 때, 각 파장에 따라 광펄스가 반사되는 위치가 다른 격자이다. 광섬유 격자의 코아내에서 반사가 일어나는 브래그 조건(Bragg condition)은 λi가 입사 파장이고, neff가 유효 굴절률, di가 격자 주기일 때, 다음 식에 의해 결정된다.
즉, 격자간격이 넓으면 파장이 커지므로 장파장의 광펄스는 격자주기가 긴 쪽에서 반사되고, 단파장의 광펄스는 장파장의 파장보다 격자주기가 더 짧은 쪽에서 반사된다. 실리카(silica) 유리내에서 아이알(IR) 영역의 굴절률 변화는 파장이 길수록 작아지므로, c가 광속일 때 굴절률이 n인 매질내에서의 빛의 속도 v는 v=c/n이므로 커진다. 즉, 광펄스는 첩 격자를 통해서 시간에 따라 분산(dispersion)되는 정도가 커져서 펄스 폭이 늘어나게 된다.
제1 및 제2첩 격자(110, 115)에 의해 반사되어 제1광결합기(110)의 106번 포트와 108번 포트로 입사되는 광펄스는 각각 102번 포트와 104번 포트로 소정의 비율로 출력되는데, 102번 포트에서는 106번 포트로부터 반사되는 위상변이가 없는 광펄스와 108번 포트로부터 반사되어 다시 결합이 일어나 π만큼의 위상변이가 있는 광펄스가 출력되므로써 서로 상쇄된 결과, 광펄스가 출력되지 않는다. 반면, 104번 포트에서는 106번 포트로부터 반사되고 결합이 일어나서 π/2만큼 위상변이가 있는 광펄스와 108번 포트로부터 반사되지만 결합이 일어나지 않아서 π/2만큼 위상변이가 있는 광펄스가 출력되므로써 서로 보강된 광펄스가 출력된다. 도 3은 입력펄스가 제1 및 제2첩 격자(110, 115)를 통해 브로드닝(broadening)되어 104번 포트에 출력된 펄스를 도시한 것이다. A는 입력펄스이고, B는 출력펄스이다.
104번 포트로 출력된 광펄스는 광증폭부(130)를 통해 다음과 같이 증폭된다. 먼저, 레이저 다이오드(laser Diode)와 같은 펌핑광 생성기(132)로부터 생성된 펌핑광은 104번 포트를 통해 입사된 광펄스와 함께 파장분할다중화기(Wavelength Division Multiplexer, 133, 이하 WDM이라 약함)를 통해 다중화된다. 주입된 펌핑광은 증폭매질인 EDF(134)내의 기저상태에 있는 어븀 이온(Er3+)을 여기시켜서 전자밀도반전(population inversion)을 일으킨다. 밀도반전된 어븀의 유도방출(stimulated emmission)로 인해 104번 포트로 출력된 광펄스가 증폭된다. 제1 및 제2아이솔레이터(131, 135)는 광펄스가 각 출력단으로부터 반사되어 들어오는 것을 막는다.
이렇게 증폭된 광펄스는 제2광결합기(120)의 122번 포트로 입력되고, 제1광결합기(100)와 동일하게 소정의 비율로 각각 126번 포트와 128번 포트로 출력된다. 출력된 각 광펄스는 다시 제1 및 제2첩 격자(110, 115)로 입사되는데, 이번에는 반대방향으로 입사되므로 단파장을 갖는 광펄스가 빨리 반사되고, 장파장을 갖는 광펄스가 늦게 반사되어서 펄스 압축이 일어난다. 압축된 펄스는 제1광결합기(100)와 동일한 동작에 의해 제2광결합기(120)의 124번 포트로 출력된다. 도 4는 제2광결합기(120)의 입출력 파형을 도시한 것으로, A는 증폭되어 입사된 펄스이고, B는 124번 포트로 출력된 펄스이다.
여기서, 제1 및 제2광결합기(100, 120)는 입사된 광펄스를 50:50의 비율로 분리하는 3dB 결합기(3dB coupler) 이외에, 분극상태(polarization state)에 따라 출력 포트를 결정할 수 있고, 분극 조정기(polarization controller)를 사용하여 첩 격자로부터 반사된 광펄스를 원하는 포트로 출력할 수 있는 분극 빔 스플리터(Polarization Beam Splitter) 혹은 광섬유 분극 스플리터(Fiber Polarization Splitter)가 사용될 수 있다. 도 5a는 분극 빔 스플리터의 구조도이고, 도 5b는 광섬유 분극 스플리터의 구조도이다.
본 발명에 의하면, 광펄스의 증폭과 브로드닝에 의해 비선형효과 또는 홀 버닝 효과 등을 피할 수 있고, 회절손실이 작으며 제조가 간편하다. 또한 스트레칭과 압축에 의해 입력 펄스와 동일하고 그 세기가 증폭된 출력펄스를 얻을 수 있다. 또한, 광결합기를 사용하는 것은 써큘레이터(circulator)와 같은 고가의 소자를 사용하는 것보다 경제적이다.

Claims (8)

  1. 제1, 제2, 제3 및 제4 입출력단자를 구비하고, 복수 개의 파장으로 이루어져 제1입출력단자로 입사되는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제2 및 제3입출력단자로 각각 출력하며, 상기 제2 및 제3입출력단자로부터 재입사되는 광펄스를 다시 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제4입출력단자로 출력하는 제1광결합기; 상기 제1광결합기의 제2입출력단자에 연결되어, 입사되는 광펄스를 각 파장에 따라 브래그 조건을 만족하는 위치에서 반사시켜서 상기 입사된 광펄스를 브로드닝(broadening)하는 제1격자; 상기 제1광결합기의 제3입출력단자에 연결되고 상기 제1격자와 동일한 길이를 가지며, 입사되는 광펄스를 각 파장에 따라 브래그 조건을 만족하는 위치에서 반사시켜서 상기 입사된 광펄스를 브로드닝(broadening)하는 제2격자; 상기 제1광결합기의 제4입출력단자에 연결되어 상기 제1 및 제2격자를 통해 반사되어 브로드닝된 광펄스를 증폭하는 광증폭부; 및 제1, 제2, 제3 및 제4 입출력단자를 구비하고, 상기 광증폭부에 제1입출력단자가 연결되어 상기 광증폭부로부터 입사하는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 상기 제1 및 제2격자의 타측에 연결된 제2 및 제3입출력단자로 출력하며, 상기 제1 및 제2격자에 의해 상기 제1광결합기의 제2 및 제3입출력단자의 출력신호가 반사되는 것과 반대방향으로 반사되므로써 압축되고 상기 제2 및 제3입출력단자를 통해 재입사되는 광펄스를 소정의 비율로 분리하고 소정의 위상만큼 변이시켜 제4입출력단자로 출력하는 제2광결합기를 포함함을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1광결합기 및 제2광결합기는 3 디비(dB) 결합기임을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1광결합기 및 제2광결합기는 분극 빔 스플리터임을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1광결합기 및 제2광결합기는 광섬유 분극 스플리터임을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2격자는
    격자 주기가 서로 다른 첩 격자임을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광증폭부는 펌핑광을 생성하는 펌핑광 생성기; 상기 펌핑광 생성기의 출력 펌핑광과 입사되는 광펄스를 다중화하는 파장분할 다중화기; 및 상기 파장분할다중화기에서 다중화된 광펄스를 증폭하는 광섬유증폭기를 구비함을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 펌핑광 생성기는 레이저 다이오드임을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
  8. 제6항에 있어서 상기 파장분할다중화기의 전단에 위치하여 상기 광섬유증폭기로부터 광펄스의 반사를 방지하는 제1아이솔레이터; 및 상기 광섬유증폭기의 후단에 위치하여 출력단으로부터 광펄스의 반사를 방지하는 제2아이솔레이터를 구비함을 특징으로하는 제2아이솔레이터를 더 구비함을 특징으로하는 광펄스 증폭기.
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