KR20000014786A

KR20000014786A - 고 출력 변환효율을 갖는 광섬유 증폭기

Info

Publication number: KR20000014786A
Application number: KR1019980034370A
Authority: KR
Inventors: 이주한; 박남규; 류우찬
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-15
Also published as: NL1012894C2; NL1012894A1

Abstract

증폭자발 방출광을 2차 펌핑원으로 이용함으로써 고 출력 변환효율을 갖는 광섬유 증폭기에 관해 개시하고 있다. 본 발명의 장파장 대역(1570nm∼1610nm) 광섬유 증폭기는, 광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 연결된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분을 포함하는 광섬유 증폭기에 있어서, 자발 방출광을 상기 제2 광섬유 부분에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 신호이득 및 펌핑출력의 효율성에서 향상된 결과를 얻을 수 있다.

Description

고 출력 변환효율을 갖는 광섬유 증폭기

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 특히 증폭 자발방출광을 2차 펌핑원으로 이용함으로써 고 출력 변환효율을 갖는 장파장 대역(1570nm∼1610nm) 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

파장분할다중(Wavelength Division Multiplexed; 이하 "WDM"이라 한다) 전송시스템 및 이에 관련된 광 네트워크에 있어서, 중요한 기술적 관심사 중의 하나는 넓은 대역에서 평탄화된 이득을 갖는 어븀 도핑 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier; 이하 "EDFA"라 한다)를 구현하는 것이다.

이러한 기술적 추세와 더불어, 종래의 EDFA로는 감당할 수 없었던 장파장 영역에서도 동작하는 광 증폭기를 구현하는 데까지도 당연히 관심의 폭이 넓어졌다. 이를 달성하기 위한 방법 중의 하나에는 새로운 물질의 광섬유를 사용한 광 증폭기, 예컨대 텔루라이트(tellurite) 기재(基材)의 광섬유 증폭기를 사용하는 것이 포함된다. 그런데, 텔루라이트 기재의 광섬유 증폭기가 상기한 요건을 충족하는 유력한 후보로서 관심을 끌기는 하지만, 증폭기의 이득 스펙트럼이 불균일하다는 점과 관련 연구분야가 성숙되지 못했다는 점이 현 단계에서 이를 즉시 실용화하지 못하게 하는 원인이 되고 있다.

새로운 물질을 기재로 하는 광섬유를 채용하는 것 이외에, 다양한 구조의 실리카 기재 EDFA를 통해 종래의 증폭대역(1530∼1560nm 대역, 이하 "C-밴드"라 한다)을 벗어난 대역에서 이득을 얻으려는 노력이 집중되고 있다. 이러한 노력과 더불어, EDF 내에서 약 30∼40%의 밀도반전을 유도하는 적절한 장치구성을 통해 1570∼1610nm 대역(이하, "L-밴드"라 한다)의 장파장 영역에서 광 증폭을 달성하려는 노력도 잘 알려져 있다. 다소 복잡한 구성이지만 이러한 C-밴드 및 L-밴드 증폭기들을 나란히 배치하여, 실리카 기재 EDFA가 장래의 대용량 WDM 전송시스템에 충분히 사용할 수 있도록 80nm 이상의 넓은 이득대역을 갖게 되었다. 그러나, L-밴드 증폭기의 개발에 대한 역사가 짧기 때문에, EDF의 길이가 길다는 점, 고출력 펌프가 필요하다는 점, 출력 변환효율이 낮다는 점이 개선될 과제로 남아 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 비교적 장파장 영역에서 고 출력 변환효율로써 광 증폭을 달성하는 광섬유 증폭기를 제공하는 데 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 L-밴드 실리카 기재 EDFA들을 이용한 광섬유 증폭기들의 개략적 구성도;

도 1c 및 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 L-밴드 실리카 기재 EDFA들을 이용한 광섬유 증폭기들의 개략적 구성도;

도 2a는 제1 내지 제4형 광섬유 증폭기에서 EDF Ⅱ의 길이를 변화시켜 가며 측정한 소신호 이득을 비교한 결과그래프;

도 2b는 제1 내지 제4형 광섬유 증폭기에서 EDF Ⅱ의 길이를 변화시켜 가며 측정한 출력 변환효율을 나타낸 그래프;

도 3은 출력 변환효율의 향상을 가져오기에 충분한 후방 ASE가 존재하는 것을 입증하기 위해 후방 ASE 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 그래프;

도 4는 제1 내지 제4형 광섬유 증폭기에서 EDF Ⅱ의 길이를 변화시켜 가며 측정한 잡음지수를 나타낸 그래프이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 증폭기는, 광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 연결된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분을 포함하며, 자발 방출광을 상기 제2 광섬유 부분에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 재활용수단은, 상기 제1 및 제2 광섬유 부분의 사이에 삽입된 파장분할다중 결합기와; 상기 파장분할다중 결합기에 연결된 광 펌핑수단을 구비하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 및 제2 광섬유 부분들이 각각 어븀 도핑 광섬유인 것이 바람직하며, 이 때 이들이 L-밴드에서 이득을 나타내도록 조절된 것이 더욱 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

특히, 본 발명의 실시예의 효과를 강조하기 위해 종래의 광섬유 증폭기의 구성 및 성능을 대비하여 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 L-밴드 실리카 기재 EDFA들을 이용한 광섬유 증폭기들의 개략적 구성도이며, 도 1c 및 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 L-밴드 실리카 기재 EDFA들을 이용한 광섬유 증폭기들의 개략적 구성도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 도 1a의 광섬유 증폭기(이하, "제1형"이라 한다)는 전방 펌핑구조를, 도 1b의 광섬유 증폭기(이하, "제2형"이라 한다)는 후방 펌핑구조를 각각 적용하고 있음을 알 수 있다.

제1형에서는, 입력된 신호광(10)이 전방 펌핑수단(30)에 의해 펌핑되는 EDF영역(EDF Ⅰ)과 펌핑되지 않는 EDF영역(EDF Ⅱ)을 차례로 거쳐 증폭된 다음 출력 신호광(40)으로서 나오게 된다. 전방 펌핑수단(30)은 WDM 결합기(20)에 의해 연결된다. 여기서, 신호광의 진행방향을 일방향으로 유도하기 위해 입력단과 출력단에 각각 광 고립기(50, 50')가 사용된다.

제2형에서는, 입력된 신호광(10)이 펌핑되지 않는 EDF영역(EDF Ⅱ)과 후방 펌핑수단(30')에 의해 펌핑되는 EDF영역(EDF Ⅰ)을 차례로 거쳐 증폭된 다음 출력 신호광(40)으로서 나오게 된다. 후방 펌핑수단(30')은 WDM 결합기(20)에 의해 연결되어 있다. 여기서도, 신호광의 진행방향을 일방향으로 유도하기 위해 입력단과 출력단에 각각 광 고립기(50, 50')가 사용된다.

도 1c를 참조하면, 도 1c의 광섬유 증폭기(이하, "제3형"이라 한다)에서는 입력 신호광(12)이 펌핑되지 않는 EDF영역(EDF Ⅱ)을 먼저 통과하고 그 후에 전방 펌핑수단(32)에 의해 펌핑되는 EDF영역(EDF Ⅰ)으로 들어간다. 전방 펌핑수단(32)은 WDM 결합기(22)에 의해 연결되어 있다.

도 1d를 참조하면, 이와는 대조적으로 도 1d의 광섬유 증폭기(이하, "제4형"이라 한다)에서는 입력 신호광(12)이 후방 펌핑수단(32')에 의해 펌핑되는 EDF영역(EDF Ⅰ)을 먼저 통과한 후 펌핑되지 않는 EDF영역(EDF Ⅱ)으로 들어가게 된다. 후방 펌핑수단(32') 역시 WDM 결합기(22)에 의해 연결되어 있다. 제3 및 제4형에 있어서도, 신호광의 진행방향을 일방향으로 유도하기 위해 입력단과 출력단에 각각 광 고립기(52, 52')가 사용된다.

이와 같이 구성된 광섬유 증폭기의 비교를 위해, 제1 내지 제4형에 있어서 모두 동일한 EDF들을 사용하였는데, 여기에 사용된 EDF는 최대 흡수계수가 4.5㏈/m인 것으로서 상업적으로 구입가능한 알루미늄 공동 도핑된(Al-codoped) 광섬유였다. 또한, 펌핑되지 않는 EDF영역(EDF Ⅱ)의 길이에 따른 소신호 이득의 의존성을 분석하기 위해, EDF Ⅰ의 길이를 135m로 고정하고 EDF Ⅱ의 길이를 0m, 5m, 15m, 20m, 25m 및 35m로 각각 바꾸어가며 소신호 이득을 측정하였다. 이러한 비교에 사용된 펌핑 파장은 980㎚였고, 그 출력은 90㎽로 설정되었다. 광 스펙트럼 분석기와 더불어 중심파장이 1590㎚로 설정된 파장 가변 레이저가 광 증폭기의 이득을 평가하기 위해 사용되었다. 그리고, 소신호 이득, 잡음지수, 포화 출력세기, 출력 변환효율 등을 정확히 측정하기 위해 -20㏈m 및 0㏈m의 두 가지 세기를 갖는 입력신호가 사용되었다. EDF의 입력단 측 삽입손실 역시 정확히 측정하였으나, 모든 경우에 대해서도 2㏈ 이하였다.

제1 내지 제4형 광섬유 증폭기에서 EDF Ⅱ의 길이를 변화시켜 가며 측정한 소신호 이득을 비교한 결과를 도 2a에 나타내었다. 도 2a를 참조하면, 펌핑되지 않는 EDF를 가진 제3 및 제4형 광 증폭기는, 종래의 전방 및 후방 펌핑구조가 채택된 제1 및 제2형 광 증폭기의 경우에 비해, EDF Ⅱ의 길이에 강하게 의존하는 소신호 이득증가를 보였다.

한편, 도 2b는 제1 내지 제4형 광섬유 증폭기에서 EDF Ⅱ의 길이를 변화시켜 가며 측정한 출력 변환효율을 나타낸 그래프이다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 최고의 소신호 이득값 및 출력 변환효율값은 35m 길이의 EDF Ⅱ를 가진 제3형 광 증폭기에서 관찰되었는데, 이 값은 각각 21.83㏈ 및 21.1%로서 동일 동작조건에서 가장 나쁜 결과를 보이는 제1형 광 증폭기의 경우보다 각각 4㏈ 및 11.51%의 향상된 결과를 나타내었다.

이러한 결과로부터, 펌핑 레이저 다이오드의 앞(전방 펌핑인 경우) 또는 뒤(후방 펌핑인 경우)에 펌핑되지 않는 EDF 영역(EDF Ⅱ)을 위치시킴으로써 펌핑출력의 효율적인 이용이 가능함을 알 수 있다. 상기 효율성의 향상은, 펌핑광과 반대로 진행하는 쓸모 없는 증폭 자발방출광(Amplified Spontaneous Emission; 이하 "ASE"라 한다)을 펌핑되지 않는 EDF 영역에 대한 1550㎚ 펌핑원으로 재활용하여 1600㎚ 대역에서 광자를 생성시킨 데 기인한 것으로 보인다.

출력 변환효율의 향상을 가져오기에 충분한 후방 ASE가 존재하는 것을 입증하기 위해, 서큐레이터(circulator)를 사용하여 EDF Ⅱ를 없앤 제1형 광 증폭기에서의 후방 ASE 스펙트럼을 측정하였다. 도 3은 0.2㎚ 분해능대역에서 0㏈m의 입력 신호에 대한 후방 ASE 스펙트럼을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 3에서 1590㎚ 부근의 피크는 입력신호의 레일레이 후방산란된(Rayleigh back-scattered) 부분 때문에 나타난 것으로 보인다. -25㏈m/0.2㎚ 이상의 광출력을 나타내는 파장영역, 즉 1520㎚에서 1565㎚까지의 파장영역에서는 전체적으로 20.59㎽ 정도의 강한 후방 ASE 출력을 나타내었다. 더 약한 -20㏈m의 입력신호가 광 증폭기에 입사된 경우에, 예상한대로 전체 펌핑출력의 30%에 가까운 28.9㎽ 값 정도로서 더 강한 전체 후방 ASE 출력이 관찰되었다. 더 약한 출력세기와 1550㎚ 대역신호를 가진 L-밴드 증폭의 이전 연구결과의 견지에서, 상기한 ASE 출력수준은 L-밴드 증폭을 하기에 충분할 것으로 볼 수 있다.

한편, 1550㎚ 대역에서의 2준위 펌핑에 대한 잡음지수 문제를 알아보기 위해, 제1 내지 제4형 광섬유 증폭기에서 EDF Ⅱ의 길이를 변화시켜 가며 측정한 잡음지수를 도 4에 나타내었다. 예상한 바대로 잡음지수에 관한 한, 전방 펌핑구조를 갖는 제1 및 제3형 광 증폭기가 후방 펌핑구조를 갖는 제2 및 제4형 광 증폭기보다 우수한 성능을 나타내었다. 제2형 광 증폭기는 다른 유형의 광 증폭기에 비해 잡음지수가 극히 높을 뿐 아니라 EDF Ⅱ의 길이에 따라 잡음지수가 급격히 변하기 때문에 L-밴드 EDFA로 사용하기에는 부적절한 것으로 판단되었다. 제1형 광 증폭기보다 제3형 광 증폭기가 잡음지수면에서 나쁜 특성을 보이는 것은 펌핑되지 않는 EDF 부분에서 1600㎚ 펌핑에 사용되는 후방 ASE 파장에서 큰 방사단면적이 존재하기 때문으로 생각된다. 제4형 광 증폭기에도 펌핑되지 않는 EDF 부분이 있지만, 전체 EDFA의 뒷부분에서 잡음지수에 둔감한, 펌핑되지 않는 EDF 부분이 있기 때문에 잡음지수에 대한 영향은 관찰되지 않았다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의해 1570㎚에서 1610㎚까지의 파장영역에서 광신호 증폭에 사용될 수 있는 고 출력 변환효율을 갖는 광섬유 증폭기가 제공되었다. 종래기술에 의하면, 후방 ASE가 증폭기 포화를 야기하기 때문에 충분한 L-밴드 신호이득을 얻기 위해서는 후방 ASE를 억제해야만 했다. 그러나, 본 발명에 따르면, 해로운 후방 ASE를 펌핑되지 않는 EDF 부분에 대한 펌핑원으로 사용함으로써 신호이득 및 펌핑출력의 효율성에서 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 비록 잡음지수에 있어서는 1㏈의 손해가 있었지만, 9.6%에서 21.1%에 이르는 출력 변환효율의 향상 및 최대 4㏈의 소신호 이득증가라는 실험결과를 얻을 수 있었다. 성능향상은 펌핑되지 않는 EDF 부분을 통해 1480㎚ 펌핑을 한 경우에도 관찰되었는데, 이는 본 발명의 광섬유 증폭기 구조가 어떠한 펌핑파장에도 적용될 수 있음을 시사한다. 따라서, 후방 ASE를 펌핑원으로 재활용하는 본 발명의 기본개념은 광 증폭기의 성능향상 뿐만 아니라 펌핑출력의 경제적 사용측면에서도 실용적인 L-밴드 EDFA를 개발하는 데 크게 기여할 것이다.

Claims

광 펌핑되는 제1 광섬유 부분과, 이에 연결된 광 펌핑되지 않는 제2 광섬유 부분을 포함하는 광섬유 증폭기에 있어서,

자발 방출광을 상기 제2 광섬유 부분에 대한 2차 펌핑원으로 이용하기 위한 재활용수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 재활용수단은:

상기 제1 및 제2 광섬유 부분의 사이에 삽입된 파장분할다중 결합기와;

상기 파장분할다중 결합기에 연결된 광 펌핑수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광섬유 부분들이 각각 어븀 도핑 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제3항에 있어서, 상기 어븀 도핑 광섬유가 L-밴드에서 이득을 나타내도록 조절된 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.