KR19990023035A

KR19990023035A - 주기 마하-젠더 광필터

Info

Publication number: KR19990023035A
Application number: KR1019970709505A
Authority: KR
Inventors: 도날드 켁; 윌리암 밀러; 로버트 모다비스; 다니엘 노란
Original assignee: 알프레드 엘. 미첼슨; 코닝 인코포레이티드
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 1999-03-25
Also published as: CA2221631A1; WO1997039368A2; AU2922097A; US6088494A; WO1997039368A3; EP0835540A4; JPH11514103A; EP0835540A2

Abstract

마하-젠더 필터는 넓고 뚜렷이 한정된 통과대역을 포함하는 강하게 비주기적인 전달함수를 제공한다. 필터는 광증폭기와 결합해서 사용될 수 있다.

Description

주기 마하-젠더 광필터

발명의 배경

본 발명은 광학 통신 시스템에 유용한 파장-선택성 디바이스에 관한 것이다.

광섬유 통신 시스템은 다양한 목적, 예를 들어 다른 파장의 광빔(light beam)을 다른 목적지로 발송하기 위한 목적 또는 바람직한 대역밖의 파장들에서 광을 감쇄시키거나 제거하면서 바람직한 대역안의 광이 통신 채널을 따라 통과하도록 하기 위한 광필터의 목적을 위해 파장-선택성 디바이스를 이용한다.

파장-선택성 디바이스는 실제 통신 시스템에 사용하기 위해 요구되는 요건에 부응해야 한다. 상기 디바이스들은 소수의 나노미터(namometer)정도로 서로 다른 파장들을 분리할 수 있어야 한다. 이 파장-선택성 디바이스는 환경적으로 안정하고, 신뢰성 있고, 내구성이 있어야 한다. 또한, 파장-선택성 디바이스는 광세기의 비교적 저손실로 작동되어야 하는데, 즉 이 디바이스는 바람직한 파장 대역에서 이에 공급되는 광세기의 실질적인 양을 방산하지 않아야 한다.

마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)는 광학 통신 시스템에서 파장-선택성 디바이스로서 이용되어 오고 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 통상적인 마하-젠더 간섭계는 한 쌍의 섬유(F₁) 및 (F₂)를 포함한다. 이 섬유들은 제 1커플러(C₁) 및 제 2커플러(C₂)와 서로 연결된다. 이 커플러들은 한 섬유에서 다른 섬유로 광을 전달하기 위해 설치된다. 후술될 바와 같이, 이 커플러들은 매트릭스(matrix) 또는 외부 클래딩(outer cladding)내에서 섬유들의 가늘고 긴 부분들이 서로 근접하게 병렬되는 소위 오버클래드 테이퍼 커플러(overclad tapered coupler)이다. 상기 커플러들은 3dB의 커플러이고, 한 섬유에서 공급되는 광세기의 대략적으로 1/2을 다른 섬유에 전달하도록 설치된다. 섬유(F₁) 및 (F₂)는 상기 커플러들사이에 설치된 다른 광통로 길이를 갖는 위상 이동 영역(phase shift regions)을 갖는다. 그러므로, 섬유(F₁)에서 위상 이동 영역에 있어서의 광통로 길이는 섬유(F₂)에서 위상 이동 영역에 있어서의 광통로 길이와 다르다. 본원 출원에서 사용된 광통로 길이(optical path length)라는 용어는 주어진 전파모드(propagation mode) 및 주어진 파장에서 한 말단에서 다른 말단으로 광이 섬유를 통과하는데 걸리는 시간의 값이다. 광통로 길이의 차이는 다른 섬유보다 물리적으로 긴 하나의 섬유의 위상 이동 영역을 만들고, 다른 전파 상수들을 갖는 두 섬유(F₁) 및 (F₂)를 만드므로써 제공되어 상기 두 섬유들 내에서의 광의 위상 속도가 다르도록 되는 것이다. 이 섬유들은 다른 굴절률 프로파일을 갖는 섬유를 제조하여 다른 전파 상수를 제공할 수 있다. 여기서 섬유들은 계단형(step-index) 광섬유이고, 비교적 높은 굴절률을 갖는 코어와, 그 코어를 둘러싸고 비교적 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 포함하고, 이 두 섬유들은 다른 굴절률, 다른 코어직경, 다른 클래딩 굴절률 또는 이러한 것들의 조합을 갖는 코어를 가질 수 있다. 광통로 길이 차이를 일으키기 위해 사용되는 특정 메카니즘에도 불구하고, 도 1에 나타난 일단계 마하-젠더 필터(single stage Mach-Zehnder filter)는 광의 파장에 따라 출구(3) 또는 출구(4)의 어느 하나로 입구(1)를 통해 제공된 광을 향하게 할 것이다.

통상적인 일단계 마하-젠더 필터는 광의 파장에 대해 특정 출력부로 향하게 되는 광의 비율에 관한 실질적으로 주기적인 전달 함수를 갖는다. 즉, 특정 출력부에서 나타나는 광의 총량은 광의 파장이 변함에 따라 반복적으로 변한다. 일단계 마하-젠더 디바이스의 통상적인 전달 함수는 도 2에 나타나 있다. 도 2는 일련의 대체 통과대역(5) 및 노치들(notches)(6)을 포함한다. 통과대역의 파장에서, 입력부(1)를 통해 공급되는 광의 실질적인 부분은 출력부(3)에 존재하고, 노치들(6)의 파장에서는 입력부(1)를 통해 공급된 광은 출력부(3)에 거의 도달되지 않거나 전혀 도달되지 않는다. 상기 전달 함수는 파장 대역들 및 노치들이 파장축을 따라 실질적으로 규칙적인 간격으로 반복되어 주기적이다. 다양한 특성들이 복수의 마하-젠더 디바이스(device)들을 연속적으로 연결시키거나 2개의 광통로 길이 이상을 갖는 각 디바이스를 제조하여 달성될 수 있을지라도, 더욱 개선이 요구된다.

특히 통상적으로 통과대역으로 불리어지고, 통과대역의 밖에 존재하는 광파장을 몹시 감쇄시키는 단일의, 비교적 넓은 대역의 파장내에서 모든 광을 실질적으로 통과할 광필터에 대한 필요성이 있게 되었다. 이러한 필요성은 광증폭기와 연결하여 특히 증대된다. 광증폭기는 광신호에 세기를 부가하는 디바이스이다. 이는 긴 광섬유를 통한 전송에서의 세기 손실(power loss)을 보충하는데 주로 사용된다. 광증폭기의 한 형태로 에르븀으로 도핑된 섬유 증폭기(EDFA)가 알려져 있다. EDFA는 에르븀 원소를 함유하는 특수 유리재료로부터 형성된 일정 길이의 섬유 광학렌즈를 포함한다. 신호전송을 위해 사용되는 파장에서 입력 광신호 광빔은 펌핑(pumping)광으로 불리는 더 짧은 또 다른 파장에서 광을 따라 섬유로 통과된다. 펌핑광으로부터의 에너지는 섬유에서 흡수되고 저장된다. 신호 광빔이 섬유를 통과할 때, 이 에너지는 신호 광빔으로 완화되고 일체된다. 에르븀으로 도핑된 섬유 증폭기는 약 1.55마이크로미터에서 집중된 조작 대역(operating band)에서 파장으로 사용될 수 있다. 일반적으로 증폭기의 유용한 조작 대역은 약 30nm(0.03마이크로미터) 또는 그 이상의 폭이다. 그러므로, 증폭기의 유용한 조작 대역은 약 1.53마이크로미터에서 약 1.56마이크로미터까지의 파장들을 포함한다. 이러한 조작 대역은 충분히 넓어서 미소한 차이의 파장에서 몇몇 다른 광빔의 동시적인 증폭을 행할 수 있다.

불행하게도, EDFA는 또한 증폭기의 유용한 조작 대역에서 미소하게 벗어난 파장에서 광으로 일부 증폭을 제공한다. 다시 말하면, EDFA 이득 곡선은 조작 대역의 모서리에서 샤프차단(sharp cutoff)을 갖지 않는다. 따라서, 입수 신호가 유용한 조작 대역에서 미소하게 벗어난 파장에서 유사 원소 또는 잡음을 포함하는 경우, 이러한 유사 원소들도 역시 어느 정도로 증폭될 것이다. 또한, 증폭기 그 자체는 작동 대역에서 미소하게 벗어난 파장에서 잡음이 유입될 수 있다. 이러한 모든 경우에서, 증폭된 잡음은 시스템에서 하류로 통과되고, 시스템의 성능을 저하시킨다. 또한, 잡음을 증폭하기 위해 섬유에서 생긴 광에너지는 바람직한 신호를 증폭하기에 유용하지 않다. 그러므로, EDFA의 바람직한 작동 대역에서 미소하게 벗어난 신호들을 억제하기 위해, EDFA의 입구 또는 출구에 적용될 수 있으나 신호들을 실질적으로 감쇄시키지 않고 바람직한 조작 대역내에서 모든 파장을 실질적으로 통과시키게 되는 단순필터(simple filter)에 대한 실질적인 필요성이 있다. 특히, 약 1.525에서 약 1.545 마이크로미터까지의 파장을 갖는 신호를 억제하는 동안, 약 1.549에서 약 1.565마이크로미터까지의 파장을 통과할 수 있는 필터가 필요하다. 다른 형태의 광증폭기 및 다른 형태의 디바이스와 함께 사용하기 위한 바람직한 통과대역에서 미소하게 벗어난 파장의 샤프감쇠(sharp attenuation) 및 넓은 통과 대역을 갖는 광필터가 필요하다. 또한 필터의 역의 형태의 필터가 필요한데, 그 필터는 넓은 대역내의 파장에서 광을 억제하지만, 상기 대역에서 미소하게 벗어난 광의 비감쇄 통과가 필수적으로 제공하는 것이다.

발명의 요약

본 발명은 이러한 필요성에 관한 것이다.

본 발명의 제 1의 목적은 입력부(input port), 출력부(output port), 입력 말단 커플러(input end coupler) 및 출력 말단 커플러(output end coupler)를 포함하는 마하-젠더 간섭계를 제공하는 것이다. 이러한 디바이스는 상기 커플러들 사이를 연장시키는 제 1 및 제 2광통로를 더욱 포함한다. 입력 말단 커플러는 제 1 및 제 2광통로로 입력부에서 적용된 광을 향하게 하는데 적합한 반면에, 출력 말단 커플러는 제 1 및 제 2출력 통로상에 광을 조합하여 조합된 빛을 출력부로 향하게 하는데 적합하다. 이러한 통로들은 상기 커플러들사이에서 광통로 길이(I₁, I₂)를 각각 갖는다. 광통로 길이들의 적어도 하나는 이러한 통로를 통과하는 광의 파장 λ에 따라 비선형적으로 변한다. 파장에 따른 광통로 길이의 변화는 작동 파장 λ₀의 근처에서, 출력부에 나타나는 입력부를 통해 공급된 광의 비율에 관한 전달 함수가 실질적으로 비주기적이도록 선택되고, 전달함수가 전달함수의 값이 λ₀를 포함하는 파장의 비교적 넓은 범위에서 최소 또는 최대 근처인 주요하고(principle),비교적 넓은 통과대역 또는 노치를 포함하도록 선택된다. 주통과대역(principle pass band) 또는 노치(notch)는 λ₀의 부근에서 전달함수의 가장 넓은 통과대역 또는 노치를 구성한다. 더욱 바람직하게, 주통과대역 또는 노치는 가장 인접한 통과대역 또는 노치의 최대폭의 절반의 적어도 약 2배의 절단-최대폭를 갖는다. 광통로 길이에서 변화에서 요구되는 사항은 수학적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

, 및

여기서,는

(₁-₂)

이고,

A는 파장과 대한 광통로 길이의 최대변화율이며,

B는 파장에 대한 광통로의 최소 곡률이다.

따라서, 본 발명의 제 1목적에 따른 바람직한 디바이스는 파장에 대한 통로길이에서의 더 낮은 변화율을 갖는 반면, 파장에 대한 통로 길이의 높은 곡률을 갖는다. 바람직하게 A는 약

4/

이하이고, B는 약

5/()²

이상이며, 여기서는 통과대역 또는 노치의 폭이다. 가장 바람직하게는, 조작파장에서 A는 0(zero)이다. 광통로는 섬유들 또는 또 다른 도파관들에 의해 구성될수 있다. 특별히 바람직한 배열로는 제 1 및 제 2광통로들이 제 1 및 제 2섬유들로 구성되고, 이 섬유들은 커플러를 통해 연장되는 것이다. 입력 커플러 너머로 연장된 한 섬유의 일부는 입력부를 구성하는 반면, 동일한 섬유의 부분, 또는 다른 섬유는 출력 커플러 너머로 연장되어 출력부를 구성한다. 또는 하나 또는 그 이상의 추가적인 섬유가 입력부 및 출력부를 형성할 수 있고, 이러한 추가적인 섬유들은 입력 말단 커플러 및 출력 말단 커플러에서 제 1 및 제 2섬유와 연결될 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 커플러들은 오버클래드 테이퍼 커플러이고, 여기서 각 섬유는 테이퍼 커플링 영역을 포함하고, 이 섬유의 테이퍼 커플링 영역들은 서로 병렬로 배열된다. 상기 커플러들은 섬유들의 테이퍼 커플링 영역을 둘러싼 오버클래딩(overcladding)을 더욱 포함한다.

바람직하게, 디바이스는 커플러들의 오버클래딩으로 집적된 하우징(housing)을 포함하고, 이 하우징은 커플러들 사이의 섬유들을 둘러싼다. 예를 들어 미합중국 특허 제 5,295,205호에 설명한 바와 같이, 환경적으로 안정한 모놀리드식 마하-젠더 디바이스(monolithic stable Mach-Zehnder device)를 유리관의 보어(bore)를 따라 섬유를 위치시키고, 유리관을 가열하고 섬유위로 관(tube)을 접어서, 커플러를 제조하기 위해 이격된 두 위치에서 관 및 섬유을 더욱 가열하고 연장시켜 제조할 수 있다. 가장 바람직하게, 불균등 분할이 또한 하기 설명한 바와 같이 사용될 수 있더라도, 상기 커플러들은 두 통로의 각각을 통하여 입력부를 통해 적용되는 광의 실질적으로 동일한 부분들이 향하도록 설치된다.

본 발명의 또 다른 목적은 일련의 광증폭기 또는 또 다른 디바이스와 관련하여 상기에서 설명된 바와 같이 뚜렷이 한정된 통과 대역을 갖는 마하-젠더 파장-선택성 디바이스들을 포함하는 광 시스템을 제공하는 것인데, 여기서 마하-젠더 디바이스의 통과 대역은 증폭기 또는 다른 디바이스의 조작대역으로 실질적으로 배열된다. 하기 설명할 바와 같이, 필터는 시스템의 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)를 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징 및 잇점은 이하 발명의 상세한 설명 및 실시예와 첨부된 도면를 통해 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 통상적인 마하-젠더 광 디바이스의 개략도이고,

도 2는 도 1의 디바이스에서 파장에 따른 광 전송 관련 전달함수의 주기적인 변화를 나타낸 그래프이며,

도 3은 본 발명의 일례에 따른 마하-젠더 디바이스의 개략도이고,

도 4는 도 3의 디바이스의 전달함수를 나타낸 그래프이며,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 증폭기 시스템의 개략도이고,

도 6은 도 5의 시스템에 관련된 특정 전달함수를 나타낸 그래프이며,

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 디바이스를 나타내지만 도 3과 유사한 개략도이고,

도 8은 본 발명에 또 다른 실시예에 따른 시스템에 있어서의 전달함수를 나타낸 그래프이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

본 발명의 일례에 따른 마하-젠더 간섭계 디바이스는 제 1섬유(10) 및 제 2섬유(12)를 포함한다. 섬유(10 및 12)들은 계단형 광섬유이다. 따라서, 섬유(10)는 도 3에서 점선으로 표시된 코어(10a)와, 이 코어를 둘러싸고 있는 클래딩(10b)을 포함한다. 섬유(12)는 유사한 코어와 클래딩을 포함한다. 섬유(10 및 12)들은 도펀트(dopant)를 갖는 실리카 유리같은 통상적인 재료 또는 게르마니아(germania) 및 플루오르같은 첨가제로부터 제조되어 코어와 클래딩의 굴절률을 바람직한 값으로 조정한다. 섬유들은 집적, 유리관형 하우징(14)내에 설치된다.

하우징(14)과 섬유들(10 및 12)은 가늘고 길어 제 1오버클래드 커플러(16) 및 제 2오버클래드 커플러(18)를 형성한다. 제 1오버클래드 커플러는 섬유(12)의 협소하고, 테이퍼 커플링 영역(22)과 나란히 연장되는 섬유(10)의 협소 커플링 영역(20)을 포함한다. 이러한 커플링 영역들은 하우징(14)에 집적된 오버클래딩(24)으로 감싸진다. 제 2오버클래드 커플러(18)는 유사한 테이퍼 커플링 영역(26 및 28) 및 오버클래딩(30)을 포함한다. 커플러들과 하우징은 본 출원의 참고인 미합중국 특허 제 5,295,205호에 나타난 공정에 의해 제조된다. 간단히 말해서, 상기 특허 제 5,295,205호에 나타난 바와 같이, 상기 구조물은 하우징을 구성하는 내부관(14)에 나란히 두 섬유들을 위치시키고, 관을 가열하여 연화시키고, 섬유로 관(tube)을 접어서 제조할 수 있다. 이 공정은 관과 섬유를 확장할 수 있도록 가열하는 단계를 더욱 포함하여 커플러를 형성하는 위치에서 섬유들은 충분히 연화된다. 그 관과 섬유들은 각 커플링의 위치에서의 한 단위(unit)로 연장되어 관과 섬유들은 동시에 가늘고 길어진다. 두 섬유들(10 및 12)은 커플러들(16 및 18)사이에서 동일한 물리적 길이 z를 갖을 수 있다. 따라서, 섬유(10)는 두 커플러들 사이에 제 1통로를 한정하는 중앙부(32)를 갖는 반면, 섬유(12)는 두 커플러들 사이에 한 통로를 한정하는 중앙부(34)를 갖고, 두 통로는 동일한 물리적 길이를 갖는다. 모든 섬유는 커플러를 통해 커플러 너머의 말단 영역까지 연장된다. 제 1섬유(10)의 제 1말단 영역은 제 1입력부(36)를 제공하는 반면, 동일한 섬유의 제 2말단 영역(38)은 디바이스의 반대편 말단에서 출력부를 제공한다. 부분들(36 및 38)을 형성하는 섬유의 말단 영역은 통상적인 방법으로 차단하여 광 시스템에서 더욱 섬유와 커플링하기에 적합한 말단을 제공한다. 제 2섬유의 말단 영역(40 및 42)는 부분들을 더욱 제공한다. 그러나, 이러한 그 이상의 부분들은 비굴절 말단(antireflective ends)을 제조하기 위해 섬유말단(fiber tips)을 녹여서 종결짓는다. 예를 들어 미합중국 특허 제 4,979,972호에 설명되어 있는 바와 같이, 비굴절 종결은 섬유를 절단하기 위해 섬유의 말단을 가열하고 잡아당겨서 제조할 수 있고, 더욱 섬유의 말단을 가열하여 유리가 섬유의 클래딩의 기본적인 외부의 직경(couter diameter)보다 약간 작거나 동일한 직경을 갖는 볼형 둥근 말단면(ball-like rounded end face)을 형성하도록 한다.

두 섬유들은 다른 광특성을 갖는다. 특히, 파장에 대한 두 섬유들의 전파상수(propagation constant)에서의 변화의 패턴(pattern)은 출력부(38)에서 나타나는 입력부(36)를 통해 공급되는 광의 비율의 비주기 전달함수에 따라 적용된 광의 파장에 따라 변하도록 선택된다. 즉, 파장에 대한 출력부(38)에서 나타나는 광의 비율과 관련된 전달함수는 미리 선택된 파장 범위에서의 넓은 통과대역 또는 노치와 같은 상기 논의된 특징을 포함한다.

일반적으로, 광이 두 통로들 사이에서 균일하게 분포되는 마하-젠더 간섭계 디바이스에 있어서, 출력부에서 나타나는 하나의 입력부에서 적용되는 광비율 Ⅰ는 다음의 파장의 함수이다.

여기서,

I

는 두 통로들 사이의 광통로 길이의 차이이다. I와 λ 사이의 관계식은 디바이스의 전달함수(transfer function)로서 본 출원에서 칭한다. 도 3의 디바이스에 있어서, 두 통로 모두는 커플러들 사이에서 동일한 물리적 길이 z를 갖는다.

여기서, I는 출력부(38)에서 나타나는 입력부(36)에서 적용된 광의 비율이다.

β

는 커플러들 사이의 제 1통로(32)의 전파상수

β₁

와 제 2통로(34)의 전파상수

β₂

사이의 차이이다. 전파상수는 한 통로를 따라 광의 위상 속도값이다. 섬유에 의해 한정되는 통로를 따라 전파되는 광에 있어서, 전파상수는 광의 파장 λ에 따라 변한다. λ에 따른 β의 변화는 통상 시간지연(time delay)으로 언급된다. 동일한 조건하에서, 단일 파장에서의 광은 몇몇 다른 전송모드에서 단일 섬유를 통해 전파될 수 있어 다른 값들의 β를 갖는다. 그러나, 본 발명의 바람직한 구체예는 광이 단일 모드에서만 전파될 수 있도록, 어떤 파장에서의 광도 하나의 전파상수β만을 갖도록 비교적 작은 코어직경을 갖는 섬유를 이용한다. λ의 어떤 주어진 값에서의 β값은 섬유의 코어직경 및 섬유에서 코어와 클래딩의 굴절률 n₁및 n₂와 λ 사이의 관계식과 같은 인자(factor)에 의존한다. 굴절률 그자체는 어느 정도 λ에 따라 달라질 수 있다.

만약

β

가 λ에 따라 선형적으로 변한다면, 전달함수 I는 도 2와 같은 주기적 특성을 가질 것이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 전달함수의 주기는 일정하고, 전달함수의 각각의 피크(peak)는 근본적으로 동일한 폭을 갖는다. 대조적으로 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 디바이스는 파장에서 실질적으로 비주기적 전달함수를 갖는다. 도 4에서 나타난 바와 같이, 비주기적 전달함수는 조작파장 λ₀에서 집중된 주대역(pricipal band)(50)을 갖는다. 대역(50)은 입력부에서 적용된 광의 비교적 높은 비율이 출력부에 나타나는 일군의 파장(a group of wavelenghs)을 의미하고(I0.5), 그리하여 대역(50)은 통과대역으로 표시된다. 인접대역(52 및 54)은 입력부에서 적용된 광의 낮은 비율이 출력부에 도달한 파장군들로서(I0.5), 이러한 인접대역들은 노치들로 표시된다. 대역들(56 및 58)은 통과대역으로 더욱 표시된다. λ₀의 부근에서, 대역폭은 실질적으로 파장에 따라 변한다. 주통과대역(50)은 다른 대역폭보다 실질적으로 큰 폭, W₅₀을 갖는다. 본 출원에서 통과대역 또는 노치로 언급되는 것과 같이, 용어 폭은 full-width half maximum 또는 FWHM 폭으로 설명되는 폭을 의미한다. 한 대역의 한계파장(limiting wavelengths)은 핵심대역에서 얻어지는 최소 또는 최대값과 다음 인접대역에서의 최소 또는 최대값사이의 중앙(halfway)인 I에서의 대역중심의 일면상에 파장으로서 얻어진다. 예를 들어, 주 통과대역(50)은 하한 및 상한 한계파장 λ₁과 λ₂을 갖는 반면, 노치(52)는 한계파장 λ₅₂와 λ₁을 갖는다. 대역폭은 그것의 한정된 파장들 사이에서의 차이이다. 따라서, 주대역폭(50)의 폭는 (λ₂―λ₁)이다. 전달함수가 비주기적인 정도는 가장 큰 폭을 갖는 주대역폭과 인접대역폭 사이의 비로서 설명될 수 있다. 바람직하게 이 비율은 적어도 약 2이다.

λ₀에서 집중화된 넓은 통과대역 또는 노치를 갖는 실질적으로 비주기적인 전달 함수를 제공하기 위해, 은 가능한한 작아야하고, 파장에 대한 통로길이에서 변화의 최대 속도로 표시되는 값 A보다 적어야 한다. 반면에, 는 커야하고, 파장에 관한 통로 길이의 최소 제 2유도체 또는 곡률을 나타내는 값 B보다 커야 한다. 폭의 통과대역 또는 노치와 포물선 같은 λ를 갖는 I의 변화를 근접하게 하도록 할 수 있는 통상적인 섬유에 있어서, A는 약

6/

또는 이하이어야 하고, 바람직하게 약

4/

또는 이하이고, 반면에 B는 약

3/()²

또는 이상이고 바람직하게 약

5/()²

또는 이상이다.

두 개의 통로가 동일한 길이 z를 갖고, 두 개의 통로가 커플러들사이의 전체 통로길이 z를 따라 실질적으로 균일한 전파상수를 갖는 도 3에 도시된 디바이스에서,

I=z

이다. 통상적인 섬유들에 있어서, 시간지연 특성(β대 λ)은 공지이고, 와 의 값은 어떤 쌍의 섬유들에 대해서도 쉽게 계산될 수 있다.

두 개의 통로가 동일한 길이 z를 갖는 경우에 있어서의 섬유 특성의 선택을 위한 규칙을 설명하기 위한 또 다른 방법은 다음과 같다. 먼저, 폭의 주통과대역 또는 노치를 제공하기 위해,

수학식 2에서 z에 대한 이 값을 치환하면, 하기 수학식 4를 얻는다.

전달함수의 주기에서 최대변화를 제공하기 위해, d[...]/dλ는 최대가 되어야 하고, 여기서 [...]는 수학식 4에서 코사인안의 가로값을 나타낸다. 미분에 의해,

수학식 5를 살펴보면 이러한 수학식은 바람직한 통과대역 또는 노치 부근에서 파장에 대해의 결과와의 제 2유도체를 최대화시키고, 바람직한 통과대역 또는 노치의 부근에서 파장에 대해의 제 1유도체를 최소화시킴으로써 최대화 할 수 있다.

z₁은 하나의 통로의 길이이고 z₂는 또 다른 통로의 길이일 때, 동일하거나 동일하지 않은 통로길이 z₁및 z₂의 경우를 일반화시키면

d(I)/d=z₁d(₁)/d-z₂d(₂)/d

이고, 이것은 가능한한 작아야 하는 반면에

d²(I)/d²=z₁d²(₁)/d²-z₂d²(₂)/d²

은 가능한한 커야한다.

d²(₁)/d²

및

d²(₂)/d²

은 통로를 구성하는 섬유에서 분산도에 비례한다. 다시 말하면, 통로길이(z₁및 z₂)에 의해 무게지어진 통로에서 분산도는 최대의 비주기성을 위해 가능한 달라야 한다.

상술한 바와 같이 간섭계 디바이스는 광증폭기와 연결하여 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 더욱 구체예에 따른 광증폭기 시스템은 에르븀으로 도핑된 섬유의 긴 섹션(section)(60)을 갖는 섬유 증폭기와 섬유(60)의 한말단에 연결된 광커플러 또는 컴바이너(combiner)(62)를 포함한다. 컴바이너(62)는 유입 광신호의 수령을 위해 입력부(61)를 갖는다. 컴바이너(62)는 또한 약 1.48㎛의 파장에서 펌핑 복사(pumping radiation)의 소스(source)와 연결되는 부분(63)을 갖는데, 즉 예를 들어 상기 파장에서 작동되는 다이오드 레이저(diode laser)이다. 섬유(60)의 반대 말단은 펌핑 복사를 막지만, 1.55㎛의 부근에서 증폭기의 조작대역의 파장에서 복사를 통과시키는데 적합한 표준의 주기적인 마하-젠더 필터와 같은 통상적인 필터 또는 파장-선택성 디바이스와 연결된다. 이러한 필터의 출력부(65)는 증폭기의 출력 커넥션(output connection)을 구성한다. 상기 섬유 증폭기들은 공지의 것이다. 이는 Palais, 섬유 광통신, 3판, PP. 162∼163(Prentice Hall, Inc. 1992)에 설명되어 있어 본 발명에 참고로 포함한다. 증폭기는 약 1.55㎛에서 집중된 파장의 비교적 넓은 범위에서의 것보다 실질적으로 큰 입력부(61) 안의 세기에 대한 출력부(65) 밖의 세기의 비율 또는 이득을 제공한다. 파장에 대한 광증폭기의 이득에 관한 통상적인 전달함수 곡선(70)은 도 6에 나타나 있다. 나타난 바와 같이, 이득 곡선은 Wa의 절반의 최대폭을 갖는다. 최대 이득은 크기의 몇배, 즉 약 40dB까지일 것이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 상기 설명된 폭 W₅₀의 주통과대역을 각각 갖는 하나 또는 그 이상의 광필터는 증폭기와 연속적으로 연결된다. 따라서, 상술한 유형의 제 1필터는 입력부와 연속적으로 연결되어 필터의 출력부(38)는 증폭기의 입력부와 연결되는 반면, 상술한 제 2필터의 입력부(36¹)는 필터의 출력부(65)에 직접 연결된다. 혼합 디바이스는 증폭기의 이득 전달함수에 대한 필터 전달함수 I의 결과인 더욱 가늘고, 균형있게 한정된 이득 곡선(72)을 갖는다. 혼합 디바이스는 필터 또는 필터들의 통과대역들 W₅₀내의 주파수에 대한 증폭기 자체에 의해 제공되는 모든 이득을 필수적으로 제공하지만, 이러한 범위 밖의 주파수에 대한 샤프차단을 제공한다. 따라서, 유입신호가 필터의 통과대역 W₅₀에서 약간 벗어난 주파수에서 잡음 또는 원하지 않는 신호를 통합하는 경우, 필터들은 실질적으로 원하지 않는 신호들을 제거한다. 또한, 필터들이 필터의 입력부의 앞에 설치되는 경우원하지 않는 신호는 증폭기에서 세기를 흡수하기 전에 제거된다. 따라서, 혼합 필터 및 증폭기는 필터 통과대역 W₅₀내에 파장을 이용하는 광 통신 시스템에서 사용될 때 고성능을 제공한다. 또한, 필터의 통과대역 W₅₀은 몇몇 파장의 분할 다중화된 진폭-변조 신호들(amplitude-modulated signals) 또는 파장-변조 신호들을 수용하기에 충분히 넓은 파장범위를 포함한다. 에르븀으로 도핑된 섬유 증폭기에 있어서, 주통과대역은 바람직하게 약 1.55마이크로미터의 중앙 파장 및 적어도 약 10마이크로미터, 바람직하게는 약 10 내지 약 40마이크로미터의 폭을 갖는다.

필터 전달함수(도 4)에 증폭기의 이득 전달함수(70)를 곱하여 얻어진 혼합 이득함수(도 6)는 주통과대역의 중앙 파장 λ₀로부터 떨어진 파장에서 빨리 줄어든다. 필터가 일련의 광증폭기와 연결된 경우, 증폭기의 이득 대역폭 Wa의 멀리 떨어진 파장에서 필터의 특성은 본질적으로 중요하지 않다. 따라서, 필터 단독(도 4)의 비주기 전달함수는 주통과대역의 중앙 주파수로부터 떨어진 파장에서 영역(57 및 59)을 포함하고, 여기서 전달함수는 파장의 함수로서 쉽게 변동된다. 필터 전달함수의 이러한 영역은 증폭기의 이득 특성에 의해 본질적으로 제거된다. 다시 말하면, 필터 전달함수는 증폭기의 이득 전달함수에서 중앙 피크(central peak)의 차단을 날카롭게 하는 것에만 좌우된다. 더욱 일반적으로는, 본 발명의 바람직한 구체예에 따른 비주기성 마하-젠더 필터는 비교적 넓은 통과대역을 갖는 또 다른 디바이스와 결합될 수 있고, 여기서 또 다른 디바이스는 필터의 전달함수 곡선의 쉽게 변동하는 영역에서 파장을 제거하는데 효과적이지만, 다른 디바이스는 비주기성 마하-젠더 필터의 주통과대역을 포함하는 비교적 넓은 통과대역을 갖는다. 따라서, 비주기성 필터는 다른 디바이스의 통과대역에 더 뚜렷한 차단을 제공한다.

상술한 특성의 수많은 변형과 결합이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 필터에서, 제 2섬유에 의해 형성된 출력부(42)는 출력부(38)에 부가하여 또는 그 대신 출력부로서 구성될 수 있다. 따라서, 출력부(42)에서의 전송 전달함수는 간단하게 출력부(38)에서의 전송 전달함수의 역이다. 따라서, 포트(42)에서 전달함수의 주대역은 통과대역이기 보다는 노치이다.

광통로를 형성하는 섬유들이 커플러 너머로 연장되는 것, 또는 입력부 및 출력부가 커플러들 사이의 통로를 형성하는 섬유에 의해 구성되는 것은 중요하지 않다. 예를 들어, 도 7에 도시된 디바이스는 입력부(136) 및 출력부(138)를 한정하는 섬유(111)를 갖는다. 두 개의 다른 섬유(110 및 112)는 입력 커플러(116) 및 출력 커플러(118)에서 섬유(111)와 연결된다. 커플러들은 입력부(136)를 통해 섬유(111)상에 제공되는 광이 섬유들(110 및 112)과 실질적으로 동일한 비율로 연결되도록 배열되고, 이러한 섬유들로부터의 광이 섬유(111)과 재결합될 수 있도록 배열된다. 이러한 배열에서, 커플러들 사이에서 연장된 섬유(111)의 부분은 광의 어떤 감지 가능한 부분을 전달하지 않고, 제거될 수 있다. 다섬유 커플러들은 종래의 기술에 공지의 사항이고, 예를 들어 본 출원에 참고로 포함한 미합중국 특허 제 5,351,325호에 설명되어 있다.

또한 도 7에서 도시된 바와 같이, 섬유들은 균일한 조성일 필요는 없다. 따라서, 섬유(110)는 균일한 조성인 반면, 섬유(112)는 섬유(110)과 동일한 형태 및 조성을 갖는 섹션(113 및 115)과 다른 광특성의 또 다른 섹션(117)을 포함할 수 있다. 부분들(113 및 115)가 섹션(117)의 길이

L

에만 영향을 주지 않기 때문에 섬유(110)의 대응 길이는 전달함수의 계산에서 고려될 필요가 있다. 혼합섬유는 또한 도 3에 도시된 바와 같은 2-섬유 디바이스에서 사용될 수 있다. 마하-젠더 간섭계 디바이스에서 혼합섬유의 사용은 예를 들어 본 출원의 참고로 포함한 동일한 날짜에 출원된 혼합 섬유를 갖는 마하-젠더 가섭계 디바이스라는 제목의 William J. Miller의 미합중국 특허출원서에 설명되어 있다.

필터가 광섬유 도파관에 의해 형성된 통로에서 참증으로 설명될지라도, 다른 도파관들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 필터는 모놀리식(monolithic) 평면 도파관을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 커플러들은 오버클래드 테이퍼 커플러일 필요는 없고, 폴리쉬드-섬유(polished fiber) 및 융용된 섬유 커플러들 같은 다른 형태의 커플러들이 사용될 수 있다. 또한, 커플러들은 3dB 커플러일 필요는 없고, 통로들사이에서 동일하지 않은 세기 분포의 커플러가 이용될 수 있다. 이러한 시도는 전송된 신호의 변조깊이 또는 크기를 감소시키도록 이용될 수 있다.

필터의 전달함수는 하나의 넓은 통과대역 또는 노치이상을 포함한다. 도 8에서 나타난 바와 같이, 전달함수는 주파장 λ₁₅₀에 집중된 주통과대역(150)외에 중앙 파장 λ₁₄₀에서 집중된 넓은 노치(140)를 포함한다. 상기 전달함수는 만약

d(I)/d

가 두 파장 λ₁₅₀및 λ₁₄₀에서 0이거나, 0에 가깝고, 만약

d²(I)/d²

이 상기 동일한 두 파장에서 비교적 큰 값을 갖는다면 달성될 수 있다. 유사하게, 디바이스는 이러한 조건들이 세 개 또는 그 이상의 파장에서 만족되는 세 개 또는 그 이상의 비교적 넓은 대역을 가질수 있다. 이러한 배열에서 가장 넓은 대역은 상기 진술한 바와 같이 주대역으로 간주될 수 있다. 주통과대역의 반대면상에 비교적 넓은 노치를 갖는 필터는 파장-분할 다중화 시스템에서와 같이 파장-선택성 필터로서 사용될 수 있고, 또한 언급한 바와 같이 광증폭기 같은 디바이스와 결합해서 사용될 수 있다.

실시예 1

도 3에 따라 마하-젠더 필터는 실질적으로 3.80마이크로미터의 코어반경 및 0.35%의 (

n

)을 갖는 제 1계단형 섬유로부터 형성된다. 필터에서 사용되는 제 2섬유는 0.82마이크로미터의 코어반경 및 1.80%의 (

n

)을 갖는다. 여기서, 사용된 용어

n

는

(n₁-n₂)/n₁

를 의미하고, 여기서 n₁은 코어의 굴절률이고, n₂는 클래딩의 굴절률이다. 상기 입력 커플러 및 출력 커플러사이의 물리적 통로 길이가 23cm이다. 전송 스펙트럼은 도 4에서 도시된 바와 같다. λ₁은 약 1.53㎛인 반면, λ₂는 약 1.57㎛이다. λ₀는 약 1.55㎛이다.

Claims

입력부, 출력부, 입력 말단 커플러 및 출력 말단 커플러 및 상기 커플러들 사이를 연장시키는 제 1 및 제 2광통로를 포함하는 마하-젠더 간섭계 디바이스로서, 상기 입력 말단 커플러는 입력부에서 적용된 광을 제 1 및 제 2광통로로 향하게 하는데 적합하고, 출력 말단 커플러는 제 1 및 제 2출력 통로상에서 광을 모아서 모아진 광을 상기 출력부로 향하게 하고, 상기 통로들은 상기 커플러들사이에서 광통로 길이(I₁, I₂)를 각각 가지며, 상기 디바이스는 실질적으로 비주기인 상기 출력부에 나타난 상기 제 1입력부를 통해 공급된 광의 비율에 관한 전달함수를 가지며, 상기 전달함수가 상기 전달함수의 값이 조작파장 λ₀를 포함하는 파장의 비교적 넓은 범위에서 최소 또는 최대 근처인 주, 비교적으로 넓은 통과대역 또는 노치를 포함하며, 상기 주통과대역 또는 노치는 λ₀의 부근에서 상기 전달함수의 가장 넓은 통과대역 또는 노치를 구성하며, 적어도 하나의 상기 통로길이는 상기 통로를 통과하는 광의 파장 λ에 대해 비선형적으로 변하여, λ₀에서

, 및

인 마하-젠더 간섭계 디바이스.

여기서,는 (₁-₂) 이고,

A는 약 4/ 이고,

B는 약 5/()² 이고,

는 주통과대역 또는 노치의 절반의 최대폭.
제 1항에 있어서, 상기 λ₀에서 가 0임을 특징으로 하는 디바이스.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2통로들이 각각 물리적 길이 z₁및 z₂를 가지며, 상기 제 1 및 제 2통로들은 실질적으로 균일한 전파상수 β₁및 β₂를 각각 가지며, 여기서 I=₁z₁-₂z₂ 임을 특징으로 하는 디바이스.
제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2광통로가 상기 커플러를 통해 연장된 제 1 및 제 2섬유에 의해 구성된 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 4항에 있어서, 상기 섬유들의 부분들이 상기 커플러 너머로 연장되어 상기 부분들을 구성하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 5항에 있어서, 상기 커플러가 오버클래드 테이퍼 커플러이고, 상기 섬유들의 각각은 테이퍼 커플링 영역을 포함하고, 상기 섬유들의 상기 테이퍼 커플링 영역은 상기 커플러에서 서로 병렬되게 위치하고, 상기 커플러 각각은 상기 섬유들의 상기 테이퍼 커플링 영역을 둘러싼 오버클래딩을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 6항에 있어서, 상기 디바이스가 상기 커플러의 상기 오버클래딩에 집적하고 상기 커플링 사이의 상기 섬유들을 둘러싼 하우징을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 1항에 있어서, 상기 커플러가 =₀ 에서 상기 제 1 및 제 2통로들 사이의 광의 3dB 커플링을 실질적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 8항에 있어서, 상기 커플러가 λ₀를 포함하는 파장의 범위에 걸쳐 실질적으로 무색의 커플링을 제공하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 9항에 있어서, 상기 디바이스가 가장 인접한 통과대역 또는 노치의 절반의 최대폭의 적어도 약 2배인 상기 주통과대역 또는 노치의 절반의 최대폭을 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 9항에 있어서, 상기 전달함수의 값이 적어도 약 0.015λ₀의 폭에 있어서 상기 주통과대역 또는 노치에서 그것의 최소 또는 최대의 약 20%내인 것을 특징으로 하는 디바이스.
제 1항에 따른 상기 디바이스 통과대역과 함께 배열된 주통과대역을 갖는 일련의 마하-젠더 디바이스와 연결된 비교적 넓은 디바이스 통과대역을 갖는 디바이스 전달함수를 갖는 광디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광시스템.
제 12항에 있어서, 상기 광디바이스가 광증폭기인 것을 특징으로 하는 시스템.
입력부, 출력부, 입력 말단 커플러 및 출력 말단 커플러 및 상기 커플러들 사이를 연장시킨 제 1 및 제 2광통로를 포함하는 마하-젠더 간섭계 디바이스로서, 상기 입력 말단 커플러는 입력부에서 공급된 광을 제 1 및 제 2광통로로 향하게 하는데 적합하고, 출력 말단 커플러는 제 1 및 제 2출력 통로에서 광을 모아서 모아진 광을 상기 출력부로 향하게 하는데 적합하고, 상기 통로는 상기 커플러들사이의 광통로 길이(I₁, I₂)를 각각 가지며, 상기 통로길이의 적어도 하나는 조작파장 λ₀의 부근에서 상기 디바이스가 실질적으로 비주기적인 상기 출력부에서 나타난 상기 제 1입력부를 통해 공급된 광의 비율에 관한 전달함수를 갖고 이 전달함수가 전달함수의 값이 λ₀를 포함하는 파장의 비교적 넓은 범위에서 최소 또는 최대 근처인 주요한, 비교적 넓은 통과대역 또는 노치를 포함하도록 상기 통로를 통하는 광의 파장 λ에 대해 비선형적으로 변하고, 상기 주통과대역 또는 노치는 λ₀의 부근에서 상기 전달함수의 가장 넓은 통과대역 또는 노치를 구성하며, 상기 주통과대역 또는 노치는 가장 인접한 통과대역 또는 노치의 절반의 최대폭의 적어도 약 2배에서 절반의 최대폭을 갖는 것을 특징으로 하는 마하-젠더 간섭계 디바이스.
제 14항에 있어서, 상기 전달함수의 값이 적어도 약 0.015λ₀의 폭에 있어서 상기 주통과대역 또는 노치에서 그것의 최소 또는 최대의 약 20%내인 것을 특징으로 하는 디바이스.
상기 전달함수의 다른 통과대역보다 넓은 주통과대역을 한정하는 비주기적인 필터 전달함수를 갖는 일련의 마하-젠더 간섭계 필터와 연결된 디바이스 통과대역을 갖는 광디바이스 전달함수를 갖는 광디바이스를 포함하고, 상기 필터 전달함수의 상기 주통과대역이 상기 디바이스 통과대역보다 더 뚜렷한 차단을 갖고, 상기 디바이스 통과대역내에 포함됨을 특징으로 하는 광시스템.
제 16항에 있어서, 상기 비주기적인 필터 전달함수가 필터 전달함수의 값이 전송된 광변화의 파장으로서의 최대값 및 최소값 사이에 쉽게 변동하는 변동영역을 포함하고 상기 광디바이스 전달함수가 상기 필터 전달함수의 상기 변동영역에서 파장에 대해 비교적 낮은 값들을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
제 17항에 있어서, 상기 디바이스가 광증폭기인 것을 특징으로 하는 시스템.