KR19990043973A - 광섬유 증폭기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 어븀 및 인이 첨가된 제1광섬유;제1광섬유의 일단에 연결되고, 어븀 및 알루미늄이 첨가되어, 어븀의 밀도반전에 따라 제1광섬유와 반대의 이득 스펙트럼 기울기를 갖는 제2광섬유; 제1광섬유의 타단에 연결되어 제1 및 제2광섬유의 어븀을 여기시켜 신호광을 증폭하는 펌핑광원; 및펌핑광원의 펌핑광과 신호광을 결합하여 제1광섬유로 출력하는 광결합기를 포함한다.
본 발명에 의하면, 이득 스펙트럼이 다른 두 종류의 EDF를 사용하므로써 입력되는 신호광의 세기나 펌프광의 세기가 달라져도 그에 따른 각 EDF의 이득 스펙트럼도 능동적으로 변하므로 전체적으로 이득평탄을 유지할 수 있다.

Description

광섬유 증폭기
본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 특히 서로 다른 물질이 첨가된 광섬유를 직렬로 연결하여 이득 평탄화된 증폭특성을 얻는 광섬유 증폭기에 관한 것이다.
1990년대 후반 들어서 서로 다른 파장의 광신호를 다중화시켜 전송하므로써 전송용량과 효율을 높이는 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing,, 이하 WDM이라 약함)) 전송방식이 부각되었다. 이에 따라 광섬유 증폭기에 있어서도 WDM 전송에 필요한 광섬유 증폭기가 요구되었다. 그러나, 현재 일반적인 광섬유 증폭기로 사용되는 어븀도핑 광섬유(Erbium Doped Fiber, 이하 EDF라 약함) 증폭기는 각 파장별 신호에 대한 증폭도와 잡음특성이 다르다.
도 1은 종래의 EDF 증폭기의 구성도로서, 도 1에 따른 EDF 증폭기는 제1아이솔레이터(Isolator, 100), 펌프광원(102), 파장선택결합기(Wavelength Selective Coupler, 104, 이하 WSC라 약함), EDF(106), 제2아이솔레이터(108)로 이루어진다.
상술한 EDF 증폭기의 동작은 먼저, 펌프광원(102)에 의해 중심파장이 980nm인 펌핑광이 주입되면, 상술한 펌핑광과 입력단에서 들어오는 1500nm대의 파장을 갖는 신호광은 WSC(104)를 통하여 어븀(Er)과 같은 희토류 원소가 도핑된 증폭매질인 EDF(106)를 지나고, 이 때, 펌핑광이 EDF내의 기저상태에 있는 어븀 이온을 여기시킨다. 여기된 어븀의 유도방출(stimulated emmission)로 신호광이 증폭된다. 증폭된 신호는 제2아이솔레이터(108)를 통해 출력된다. 제1 및 제2아이솔레이터(100, 106)는 신호광이 입출력 커넥터(110, 112)와 같은 소자에 의해 반사되어 EDF에 다시 입사되는 것을 방지한다. 그러나, 상술한 종래의 광섬유 증폭기는 신호광의 파장대역에 대해 이득이 평탄화되지 않아서 일정한 크기를 갖는 입력신호채널 1,2,3,4에 대해 각각 그 크기가 달라진 출력신호채널 1',2',3',4'을 출력하게 된다.
이러한 증폭이득 평탄화 문제를 해결하기 위하여 종래에는 필터를 사용하거나 EDF의 조성을 바꾸는 방법 등이 사용되었다. 그러나, 필터를 사용할 경우 부가적인 소자의 삽입으로 비용이 증가하고 부피가 커지며 또한 출력파워를 각 파장에 따른 출력파워중에서 최소값을 기준으로 평탄화하므로 이득이 감소하는 결과를 초래한다. 불소(Flouride)와 같은 기본조성이 다른 EDF를 사용하는 방법은 이득 평탄화 대역이 넓어지는 장점이 있으나 이득이 감소하고 환경에 불안정한 특성을 나타내는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 서로 다른 물질이 첨가된 EDF를 직렬로 연결하여 이득평탄화된 광섬유 증폭기를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 광섬유 증폭기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 실시예이다.
도 3은 도 2의 제1EDF와 제2EDF의 밀도반전분포에 따른 이득 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 광섬유 증폭기에 4채널의 신호광이 다중화되어 입력된 경우의 파장에 따른 이득 및 잡음지수를 도시한 것이다.
도 5는 펌프광의 세기를 일정하게 유지하고 채널당 신호광의 세기를 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것이다.
도 6은 4-채널 신호광의 세기는 일정하게 유지하고 펌프광의 세기를 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 양방향 펌핑광원을 갖는 광섬유 증폭기의 실시예이다.
도 8은 4채널 신호광이 도 7의 광섬유 증폭기에 입력되었을 때, 파장변화에 따른 이득 및 잡음지수 특성을 도시한 것이다.
도 9는 펌프광의 세기를 일정하세 유지하고 채널당 신호광의 세기를 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것이다.
도 10은 4-채널 신호광의 세기는 일정하게 유지하고 펌프광의 세기를 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 광섬유 증폭기는 어븀 및 인이 첨가된 제1광섬유; 상기 제1광섬유의 일단에 연결되고, 어븀 및 알루미늄이 첨가되어, 상기 어븀의 밀도반전에 따라 상기 제1광섬유와 반대의 이득 스펙트럼 기울기를 갖는 제2광섬유; 상기 제1광섬유의 타단에 연결되어 상기 제1 및 제2광섬유의 어븀을 여기시켜 신호광을 증폭하는 펌핑광원; 및 상기 펌핑광원의 펌핑광과 신호광을 결합하여 상기 제1광섬유로 출력하는 광결합기를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 실시예로서, 도 2에 따른 광섬유 증폭기는 제1아이솔레이터(200), 펌핑광원(202), 제1아이솔레이터(200)와 펌핑광원(202)에 연결되는 WSC(204), 버퍼 EDF(206), 제1EDF(208), 제2EDF(210) 및 제2아이솔레이터(212)를 포함한다.
버퍼 및 제2EDF(206, 210)는 어븀(Er, erbium), 알루미늄(Al, aluminum)이 첨가된 광섬유이고, 제1EDF(208)는 Er, Al 및 P(phosphorous)가 첨가된 광섬유이다. 여기서, 버퍼 EDF(206)는 반드시 Er, Al이 첨가된 광섬유일 필요는 없으며, WSC(204)와 제1EDF(208)간의 모드 필드경(mode field diameter) 차이에 따른 접속손실을 줄일 수 있는 특성을 갖는 광섬유가 바람직하다. 그 길이는 전체 증폭기의 이득특성에 영향을 주지않도록 짧게한다. 그러나, 버퍼 EDF(206)가 접속손실을 줄여주기는 하나 광섬유 증폭기의 이득평탄도에는 영향을 주지않으므로 사용하지 않을 수도 있다.
상술한 구성에 의거하여 그 동작을 설명하기로 한다. 먼저, 입사된 신호광은 각 EDF로부터의 역방향 자연방출(Amplified Spontaneous Emmission)의 역류 및 반사를 막는 제1아이솔레이터(200)를 지나 WSC(204)로 입사한다. 입사된 신호광은 WSC(204)를 통해 980nm의 중심파장을 갖고 증폭에 필요한 파워를 공급하는 레이저 다이오드와 같은 펌프광원(202)에 의한 펌핑광과 결합된다. 신호광은 제1 및 제2EDF(208, 210)에서 증폭된다.
제1EDF(208)에서는 1540nm~1560nm 파장의 신호중 상대적으로 짧은 파장의 광이 더 많이 증폭된다. 반면에 제2EDF(210)에서는 1540nm~1560nm 파장의 신호중 상대적으로 긴 파장의 광이 더 많이 증폭된다. 그 이유는 제1EDF(208)와 제2EDF(210)의 파장에 따른 발광 스펙트럼 특성에 기인한다.
도 3(a)는 제1광섬유(208)의 밀도반전분포에 따른 이득 스펙트럼이고, 도 3(b)는 제2광섬유(210)의 밀도반전분포에 따른 이득 스펙트럼을 도시한 것이다. 이득 스펙트럼은 각각 밀도반전값이 0~1사이에서 상향으로 0.1씩 증가하여 도시되어있다. 도 3에 따르면, 각 EDF의 이득특성은 밀도반전값에 따라 달라진다. 즉, 도 3(a)에 따르면 1540~1560nm 파장범위에서 제1EDF(208)는 밀도반전값이 0.6이상에서는 음의 이득 스펙트럼 기울기를 갖고, 밀도반전값이 0.5이하에서는 양의 이득 스펙트럼 기울기를 갖는다. 그러나, 양의 이득 스펙트럼 기울기를 갖는 범위인 밀도반전값이 0.5이하에서는 단위길이당 이득이 0.5dB/m이하로 그 증폭도가 낮아서 증폭기로는 바람직하지않다.
도 3(b)에 따르면, 제2EDF(210)는 동일한 파장범위에서 밀도반전값이 0.8이상일 때 음의 이득 스펙트럼 기울기를 갖고, 밀도반전값이 0.7이하에서는 양의 이득 스펙트럼 기울기를 갖는다.
그러므로, 밀도반전값이 0.6~0.7의 범위에서 제1EDF(208)와 제2EDF(210)를 함께 사용하면, 제1EDF(208)에서 펌프광의 세기는 크고 신호광의 세기가 작으므로 밀도반전값이 크게되고, 제2EDF(210)에서는 펌프광의 세기가 작고 신호광의 세기가 크므로 밀도반전값이 작게되어, 전체적으로 평탄한 이득을 갖는 광섬유 증폭기를 구현할 수 있다. 이 때, 제1EDF(208)의 Al은 소량으로 이득 스펙트럼에 크게 기여하지 않으므로 대신에 Er, P가 첨가된 광섬유를 사용할 수도 있다.
증폭이 이루어진 후, 신호광은 순방향 자연방출의 역류를 방지하는 제2아이솔레이터(212)를 통과하여 출력된다.
도 4는 1542nm, 1548nm, 1554nm 및 1560nm의 4채널 신호광이 도 2의 광섬유 증폭기에 입력되어을 때, 파장변화에 따른 이득 및 잡음지수 특성을 나타낸 것이다. 파장이 1542nm~1560nm 사이에서 이득 및 잡음지수가 ±0.5dB 이내로 평탄화되어 있다. 참조번호 401, 402는 각각 잡음지수 및 이득을 나타낸다.
도 5는 상술한 4-채널 신호광을 이용하여 펌프광의 세기를 일정하게 유지하고 채널당 신호광의 세기를 -20dBm~-11dBm까지 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것으로, 이득 및 잡음지수가 ±0.5dB 이내로 평탄화되어 있다. 참조번호 501, 502는 각각 잡음지수 및 이득을 나타낸다.
도 6은 4-채널 신호광의 세기는 일정하게 유지하고 펌프광의 세기를 70mW~130mW까지 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것으로, 이득 및 잡음지수가 ±0.5dB 이내로 평탄화되어 있다. 참조번호 601, 602는 각각 잡음지수 및 이득을 나타낸다.
도 7은 양방향 펌핑을 위해 도 2의 광섬유 증폭기에 제2펌프광원(701)과 제2WSC(702)를 더 포함한 경우로, 나머지는 도 2의 경우와 동일하다.
도 8은 1542nm, 1548nm, 1554nm 및 1560nm의 4채널 신호광이 도 7의 광섬유 증폭기에 입력되었을 때, 파장변화에 따른 이득 및 잡음지수 특성을 나타낸 것이다. 파장이 1542nm~1560nm 사이에서 이득 및 잡음지수가 ±0.5dB 이내로 평탄화되어 있다. 참조번호 801, 802는 각각 잡음지수 및 이득을 나타낸다.
도 9는 상술한 4-채널 신호광을 이용하여 펌프광의 세기를 일정하세 유지하고 채널당 신호광의 세기를 -20dBm~-11dBm까지 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것으로, 이득 및 잡음지수가 ±0.5dB 이내로 평탄화되어 있다. 참조번호 901, 902는 각각 잡음지수 및 이득을 나타낸다.
도 10은 4-채널 신호광의 세기는 일정하게 유지하고 펌프광의 세기를 140mW~260mW까지 변화시켜가면서 측정한 이득 및 잡음지수를 도시한 것으로, 이득 및 잡음지수가 ±0.5dB 이내로 평탄화되어 있다. 참조번호 1001, 1002는 각각 잡음지수 및 이득을 나타낸다.
본 발명에 의하면, 필터와 같은 수동소자를 사용하는 경우 입력되는 신호광의 세기나 펌프광의 세기가 바뀌면 이득평탄도가 달라지는 것과는 달리, 이득 스펙트럼이 다른 두 종류의 EDF를 사용하므로써 입력되는 신호광의 세기나 펌프광의 세기가 달라져도 그에 따른 각 EDF의 이득 스펙트럼도 능동적으로 변하므로 전체적으로 이득평탄을 유지할 수 있다.

Claims (4)

  1. 어븀 및 인이 첨가된 제1광섬유;
    상기 제1광섬유의 일단에 연결되고, 어븀 및 알루미늄이 첨가되어, 상기 어븀의 밀도반전에 따라 상기 제1광섬유와 반대의 이득 스펙트럼 기울기를 갖는 제2광섬유;
    상기 제1광섬유의 타단에 연결되어 상기 제1 및 제2광섬유의 어븀을 여기시켜 신호광을 증폭하는 펌핑광원; 및
    상기 펌핑광원의 펌핑광과 신호광을 결합하여 상기 제1광섬유로 출력하는 광결합기를 포함함을 특징으로하는 광섬유 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1광섬유와 상기 광결합기간 접속손실을 줄이기위해 상기 광결합기와 상기 제1광섬유사이를 연결하는 버퍼 광섬유를 더 구비함을 특징으로하는 광섬유 증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 버퍼 광섬유는
    어븀 및 알루미늄이 첨가된 광섬유임을 특징으로하는 광섬유 증폭기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑광의 세기를 증가시키기위해 상기 제2광섬유에 연결되는 제2펌핑광원을 더 구비함을 특징으로하는 광섬유 증폭기.
KR1019980005472A 1997-11-20 1998-02-21 광섬유 증폭기 KR100258970B1 (ko)

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