KR20000048841A

KR20000048841A - 개선된 이득 기울기를 갖는 혼성 광증폭기

Info

Publication number: KR20000048841A
Application number: KR1019990702840A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이. 뉴하우스; 미첼 제이. 야드로우스키
Original assignee: 알프레드 엘. 미첼슨; 코닝 인코포레이티드
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-09-18
Publication date: 2000-07-25
Also published as: ES2168676T3; JP2001525119A; EP0929922A4; CN1231779A; AU717084B2; AU4584997A; EP0929922B1; US5764406A; DE69708672D1; DE69708672T2; WO1998015042A1; EP0929922A1; CA2267283A1

Abstract

혼성 에르븀 도프 섬유 증폭기 장치(도 3A)는 어떤 구성요소 섬유의 이득 기울기 보다 작은 동적 이득 기울기를 갖는다. 혼성 증폭장치는 장치의 구성요소 도파관의 수보다 기껏해야 적은 하나의 펌핑 소스를 갖는다. 혼성 장치는 구성요소 부분의 상대적인 이득을 재조정하기 위하여 도프된 구성 요소 도파관(27, 29) 부분 사이의 펌프 분포내에 효과적인 변화를 자동적으로 제공한다. 혼성장치의 전체이득의 변화는 가능한 한 도프된 구성요소 도파관(27, 29)에 비해 이득값의 범위를 넘는 거의 균일한 스펙트럼이 될 것이다. 개선된 동적 이득 기울기를 갖는 혼성 광증폭 장치를 제조하는 방법이 또한 제공된다.

Description

개선된 이득 기울기를 갖는 혼성 광증폭기{Hybrid optical amplifier having improved gain tilt}

본 발명은 일반적으로 개선된 동적 이득 기울기 특성을 갖는 광신호 증폭에 관한 것이다. 특히, 혼성 광신호를 증폭시키는 장치 또는 이의 구성요소를 설계하는 방법 및 개선된 동적 이득 기울기를 갖는 혼성 광신호 증폭 장치 또는 이의 구성요소에 관한 것이다.

종래기술의 설명

모든 광증폭기, 특히 에르븀(erbium)이 도프된 섬유 광증폭기는 반복되는 유형의 증폭 설계를 갖는 이러한 유형의 장치의 잘 알려진 잇점 때문에 광섬유 통신 시스템내에 폭발성 배치(explosive deployment)를 갖는다. 예를 들면, 에르븀이 도프된 섬유 증폭기(EDFA)는 바람직한 1550nm의 제 3통신 스펙트럼 창 내에서 편리하게 작동하며, 고편광 무감각 이득과 다른 파장의 신호들 사이에서의 낮은 혼신, 양호한 순도의 출력 및 기본적인 양자 한계에 근접한 노이즈 형태를 갖는다. 양호한 노이즈 특성은 수백의 증폭기가 잠재적으로 하나의 섬유통신 링크의 길이를 따라 합성되도록 하여 수천 킬로미터로 확대될 수 있다. 전자적 중계기와 대조하여, 광증폭기, 특히 EDFA는 데이터 속도, 신호 형태, 한정된 범위를 넘는 파장이 명백하고, 각 신호에 대해 다른 파장의 주파수대를 사용하는 많은 신호들을 동시에 전송하는 다중 통신 시스템에 특히 유용하다.

EDFA의 일반적으로 뛰어난 특성에도 불구하고, EDFA와 관련된 단점은 좁은 스펙트럼 선폭과 고르지 않은 이득 주파수대이다. EDFA의 유용한 통신 창은 대략 20-30nm의 폭을 가지는데, 이상적인 증폭기는 대략 1520nm부터 1570nm까지의 범위의 전체 스펙트럼을 통과하여 평평한 스펙트럼 이득을 가진다. 에르븀 이득 스펙트럼의 최고 파장은 주요한 유리재료에 따라 약 1530nm부터 1535nm까지 변화한다. 도 1은 특정한 종래의 EDFA의 이득 스펙트럼 특성을 보여주는데, 파장의 함수로서의 이득은 변화하며, 이러한 변화는 이득 리플로서 나타난다. 여러가지 기술이 이득 스펙트럼을 확대(widening)하고 평평하게(flattening) 하기 위해 (감소 리플 등) 공개되었고, 예를 들어 에르븀이 도프된 실리카 유리섬유를 Al₂O₃로 코-도핑 (co-doping)시키고, 주요한 유리재료자체를 변화시키고, 감소 필터의 다양한 유형을 사용하여 방출 피크에서 이득을 감소시키고, 에르븀이 도프된 섬유가 연속적으로 연결된 2 또는 그 이상의 다른 유형으로 구성된 혼성 장치를 제조하는 것과 각 유형의 섬유의 다른 이득 기울기를 보충하기 위하여 각 섬유 부분내에 독립적으로 펌프 조건을 실질적으로 조정하는 것을 포함한다.

자주 제기된 문제점과 이득 리플을 최소화하기 위한 노력외에, 본 발명에 의하여 다루어질 중요한 문제는 동적 이득 기울기의 감소 또는 개선이다. 동적 이득 기울기는 입력(펌프 및/또는 신호)파워 내의 변화를 거쳐 어떤 다른 파장에서의 이득 변화의 결과로서 한 파장에서의 이득변화를 의미한다. 이득 리플을 최소화하기 위해 설명된 기술이 입력 광학적 파워의 특수한 세트와 파장을 위한 특정 파장 밴드내에 비교적 평평한 스펙트럼을 공급할 수 있지만, 이득 평형수행은 이득이 증폭기의 입력 파워의 변화에 의해 명목적인 조건으로의 변화(평균 반전분포 수준내의 변화)를 할 때 빨리 떨어뜨린다. 이러한 문제에 대한 하나의 보고된 해답은 다른 이득 스펙트럼에 직렬(cascaded)로 된 증폭단계를 갖는 혼성 섬유 장치와 전체 이득이 변화할 때 독립적으로 효과적으로 조정되는 개인적인 단계(individual stages)의 이득 스펙트럼을 허용하는 같은 수의 펌프 원천에 의해 이루어진다. 각 단계의 상대적인 기여는 선택된 파장 밴드에 스펙트럼 왜곡의 최소치를 갖는 결론적인 이득 스펙트럼에 의해 바람직한 이득에 도달하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들면, 포지티브 이득 기울기를 갖는 에르븀이 도프된 섬유는 혼성 장치가 특수한 입력 파워 조건에서 거의 평평한 이득을 가지도록 네거티브 이득 기울기를 갖는 다른 에르븀이 도프된 섬유와 결합할 수 있다. 그러나, 만약 혼성 장치의 전체 이득이 변화되어야 한다면, 각 구성단계의 이득 기울기는 일반적으로 한 단계로의 펌프 파워 입력이 변할 때 다른 비율로 변화할 것이다. 새로운 작동점에서 양호한 보상을 얻기 위해서는 각 구성이득 단계의 상대적 이득은 이득 기울기가 서로 다시 보상하도록 재조정되어야 한다. 이러한 유형의 증폭기를 실시하는데 있어서, 당업자는 접착부분의 수를 최소화하고 펌프 파워를 각 단계에 독립적으로 제어하는 것이 가능하도록 하는 것이 편리하게 하기 위하여, 둘 또는 그 이상의 다른 에르븀이 도프된 섬유 조성을 직렬로 하고 각 단계의 끝에 각 증폭 단계를 위한 분리된 펌프 소스를 공급할 것이다. 그러나, 동적 이득 기울기를 감소시키거나 개선시키는 이러한 기술은 다수의 펌프 소스의 전체 파워가 다른 이득 범위(고정된 목표의 출력 파워를 유지하는 동안 입력 파워를 변화시키는 등)를 넘어 이득 기울기 보상을 실현시키기 위하여 조심스럽게 조정되어야 하는 작동중에 복잡한 제어설계를 요구한다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 혼성 광신호 증폭 장치 또는 이의 구성요소, 바람직하게는 펌프 분포내의 효율적인 자동 변화를 제공하는 다른 코-도펀트 조성의 에르븀이 도프된 섬유(EDF's)를 포함하는, 또는 EDF 구성요소 부분(sections)의 상대적 이득의 재조정을 하기 위하여 EDF 구성요소 부분 사이를 분할(partitioning)하는 EDFA을 설계하는 방법을 기술하는 것이다. 따라서, 혼성 장치의 축적된(aggregate) 이득내의 변화는 도프된 구성 섬유에 비하여 이득 값 범위(즉, 동적 이득 기울기의 최적화)를 넘어 가능한한 스펙트럼에서 거의 균일하게 될 것이다.

본 발명의 다른 목적은 혼성 광신호 증폭 장치 또는 이의 구성요소를 제공하고 입력신호 및/또는 펌프파워내의 변화에 의해 생기는 이득의 변화에 응답하는 선택된 파장 밴드를 넘어 다른 파장에서 이득의 자동적인 또는 수동적인 평형을 필수적으로 제공하는 방법을 기술하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 혼성 광증폭장치를 제공하고, 그러한 장치를 제조하는 방법을 기술하는 것이다. 이것은 장치의 사용과 관련된 동적 이득 기울기를 동시에 감소시키거나 개선시키는 한편, 주어진 작동 조건에서 이득 스펙트럼(이득 리플 제어)의 형상을 조정하기 위한 것이다.

이러한 목적과 잇점은 도프된 구성 도파관(constituent waveguide)(n≥2)의 수(n)를 포함하는 혼성 광도파관 증폭 장치 내에서 실현된다. 이 때 최소한 도프된 구성 도파관의 각 부분은 연속적으로 상호 연결되어 있고, 각 구성 도파관은 특정 조성과 측정할 수 있는 동적 이득 기울기 파라미터 γ_(i)(λ)_{(i=1 to n)}=[g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]를 가지며, 여기서 g_(i) ^*(λ)는 실질적으로 모든 도펀트 이온이 활성상태에 있도록 한정되지 않은 펌프 파워의 한정된 범위 내에서 도프된 도파관의i^th섹션의 이득 계수이며, α_(i)(λ)는 실질적으로 모든 도펀트 이온이 바닥상태에 있도록 약한 시험 신호에 의해 측정된 펌프 파워가 없는 범위 내에 도프된 도파관의 i^th섹션의 흡수계수이고, 기껏해야 혼성장치의 상부 증폭레벨을 위치시키기 위한 (n-1) 펌핑 복사 소스이며, 혼성 도파관 장치는 측정할 수 있는 동적 이득 기울기 Γ(λ)=[ΔG(λ)/ΔG(λ_ref)]를 갖고, 여기서 ΔG는 어떤 구성요소 γ_i(λ)/γ_i(λ_ref) 값보다 작은 입력(신호 또는 펌프) 파워(도프된 고정된 길이를 갖는 섬유 증폭기) 내의 변화로 인한 광학적 이득 내의 변화이다.

이러한 실시예의 한 측면에서 빛을 증폭하는 도펀트는 하나 또는 그 이상의 희토류 원소 예를 들면 에르븀과 같은 원소이다.

본 발명의 한 측면에서 보면, 앞에서 기술된 혼성장치는 평면의(planar) 구성 도파관을 포함하는 평면장치를 구성할 것이다. 본 발명의 다른 실시예에서 도프된 구성 도파관은 광섬유이다. 이 실시예의 한 측면에서 섬유는 에르븀이 도프된 알루미노실리케이트와 에르븀이 도프된 게르마노실리케이트 조성이다. 또 다른 실시예에서 하나 또는 그 이상의 구성 도파관은 불화물(fluoride)에 기초한 유리 조성을 포함하는 Z-BLAN 또는 옥시할라이드가 될 수 있다.

비록 본 발명의 실시예에 의해 구현된 가장 간단한 혼성장치가 두개의 다른 연속적으로 연결된 에르븀이 도프된 섬유와 구성섬유 중 하나의 끝 부분에 결합된 하나의 펌프원을 포함한다 할지라도 당업자는 한가지 조성의 에르븀이 도프된 섬유에서 단면적으로 평균된 반전이 입력 파워의 변화에 응하여 에르븀이 도프된 섬유의 길이를 따라 다른 점에서 다른 양으로 변화되기 때문에, 본 발명의 목적을 이루기 위한 각각의 섬유의 길이의 적어도 부분들의 순서와 구성 섬유길이의 대등결합이 있을 수 있다는 점을 중시해야 할 것이다.

많은 증폭기의 설계, 특히 그러한 설계 내의 노이즈 실행에 있어서의 잇점 때문에 전진 펌핑을 적용하는 설계를 위해, 최고의 자동적인 유효한 펌프 보상은 다른 조성섬유에 연속적으로 연결된 단지 하나의 조성과의 혼성 EDF에 의해 실현되지는 않을 것이다. 그러므로, 최근의 혼성 증폭기 설계 실행과 대조적으로, 다른 조성의 에르븀이 도프된 섬유조성의 두 부분 사이에 하나의 조성의 에르븀이 도프된 섬유조성의 일부분을 삽입하는 것이 유익할 수 있다. 그러나, 두가지 조성의 에르븀이 도프된 섬유조성 이상을 포함하는 혼성의 경우에 있어서, 각 조성의 특정 순서가 같은 조성의 에르븀이 도프된 섬유의 반복되는 부분을 갖는 혼성보다 바람직할 수 있다. 따라서, EDF₁의 한 부분이 EDF₂의 두 부분의 중간에 위치할 때, 예를 들면 최적의 자동 이득 변화의 보상을 위하여 필요한 EDF₁의 양 또는 길이는 EDF₂의 전체 길이가 어떻게 그 두 조성 부분 사이에 배치되었는지에 달려있다. 그러한 선택된 순서는 주어진 작동 조건(이득 리플)에서의 이득 형상의 조정과 동적 이득 기울기 조정을 동시에 증진시킨다.

본 발명은 또한 혼성 광도파관 증폭 장치 또는 이의 구성요소를 제조하는 방법을 기술하고 있는데, 이는 다른 구성 도프된 도파관 (아래에 기술된 "n" )를 선택하고; 다른 구성 도파관의 최소한 한 부분에 구성 도파관 각각의 최소한 한 부분 (아래에 기술된 "m")을 연속적으로 상호 연결하며; 사용된 구성 도파관의 수보다 기껏해야 하는 적은 펌핑 소스를 갖는 혼성 장치를 펌핑시키고; 구성 도파관의 최고의 선형 결합의 수행을 결정하며; 혼성 장치의 동적 이득 기울기가 선택된 파장 밴드를 넘어 가능한한 작은 절대 편차를 갖도록 구성 도파관의 길이와 순서를 선택하는 것으로 이루어진다. 이 방법은 목적하는 동적 이득 기울기 Γ(λ)_target=Σ_{(over i, i=1 to m)}w_(i) ^targetγ_(i) ^norm를 결정하는 단계, 선택된 펌프 및/또는 입력 신호 파워 수준에 이득치 G(λ)=Σ_(over _i){n₂ ⁱ[g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]-α_(i)(λ)}L_i를 결정하는 단계; 이득 변화 ΔG를 생성하기 위해 펌프값 및/또는 입력 신호 파워 레벨의 값을 변화시키는 단계 및 평균 도펀트 이온 분포 반전 내에서의 변화값 Δn₂ ^(i)avg을 계산하는 단계, 목적하는 동적 이득 기울기 Γ(λ)_target와 실제적인 동적 이득 기울기 Γ(λ) 사이의 만족스러운 수렴이 달성될 때까지 반복적으로 실질적인 웨이팅 함수 (weighting function)의 값 w_(i) ^actual=?Δn₂ ⁽ⁱ⁾L_iγ^max _(i)/Σ_{j,j=1 to m}(Δn₂ ^(j)L_jγ^max _(j))?를 결정하는 단계로 이루어진다.

본 발명의 방법은 통상적으로 이용할 수 있는 필터의 필터링 응답에 매치되기 위하여 상술한 바와 같은 이득 스펙트럼의 변형도 더욱 포함한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 통상의 EDPA의 전형적인 이득 스펙트럼이며,

도 2는 선택된 파장 밴드 상의 어느 구성보다 혼성의 동적 이득 기울기의 변화에 있어서 개선을 보여주는, 두가지 조성 에르븀이 도프된 섬유와 파장에 대하여 그려진 조성으로 이루어지는 혼성 섬유의 동적 이득 기울기 파라미터의 그래프이고,

도 3A는 전진 펌프된, 두 부분의 단일 조성 알루미노실리케이트 에르븀이 도프된 섬유 증폭 장치의 실행을 도식적으로 그린 것이며,

도 3B는 구성 알루미노실리케이트 섬유의 두 부분 중간에 구성 게르마노실리케이트로 도프된 섬유가 위치하는 혼성 장치를 나타낸 것이다.

하기 표 1A와 1B는 각각 도 3A와 3B의 두 EDFA의 채널당 신호파워에 있어서 4dB의 증가의 결과로서, 두 단일 채널과 프로브 채널내에서의 이득 변화를 나타낸다.

EDPA 1, 2채널: 1530nm, 1535nm

Pin/ch(dBm)	G(1530nm)(dB)	G(1532.5nm)(dB)	G(1535nm)(dB)	변화량
-16.000	25.52	25.71	22.83
-12.000	20.70	21.02	18.97
변화	4.82	4.69	3.85	0.97 dB

EDPA 2, 2채널: 1530nm, 1535nm

Pin/ch(dBm)	G(1530nm)(dB)	G(1532.5nm)(dB)	G(1535nm)(dB)	변화량
-16.000	21.35	23.91	26.03
-12.000	16.77	19.17	21.66
변화	4.59	4.75	4.36	0.38 dB

발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명

글래스 호스트(glass hosts)의 다양성을 위하여, 희토류 원소가 도프된 광증폭기와, 특히, EDFA's는 효과적으로 균일하게 넓어지고, 신호 모드와 도펀트 이온의 중복은 거의 파장과는 독립적이다. 그러므로, 증폭기의 작동점이 고정되어 있는 동안 약한 프로브(probe) 신호에 의해 측정되는 작은 신호 이득인 이득 스펙트럼은 파장의 의존성의 하나의 파라미터 패밀리가 된다. 그러므로, 만일, 어떤 참조(reference)용 파장에서 증폭기의 이득이 입력(펌프 및/또는 신호 파워)의 변화에 의하여 변화한다면, 다른 파장에서 증폭기의 이득은 참조의 파장에서 이득변화의 양과는 다른 잘 정의된 양으로 변화할 것이다. 입력변화의 결과에 따른 증폭기 이득 변화의 파장 종속성은 동적 이득 기울기(Γ)에 의해 나타날 것이다. 동적 이득 기울기는 증폭기를 설계하기 위한 작동점과는 다른 작동조건에서 증폭기 이득 스펙트럼의 왜곡(distortion)이다.

EDFA의 동적 이득 기울기는 광학적 입력이 같은 변화에 따라 참조의 파장에서 증폭기의 이득이 변화함에 의해 분리된 입력 파워의 변화에 따라 두 작동점 A와 B사이에, 파장의 함수로서 이득 변화와 같은 파장 종속 함수에 의해 양적화 (quantified) 될 수 있다. 다시 말하면,

Γ(λ)=[G(λ)_B-G(λ)_A]/[G(λ_ref)_B-G(λ_ref)_A]

여기에서, G(λ)는 측정할 수 있는 이득이고, λ_ref는 ΔG(λ)가 최소치일 때 파장이다.

광학적 입력의 모드 분야는 실질적으로 도파관의 도프된 횡단면 상에서 불변이고, 기본적으로 모든 증폭 도펀트 이온이 충분히 방사상으로 한정된다는 가정아래 복잡한 동적 이득 기울기가 단순화되는 것은 이 분야의 그러한 기술에 의해 가치가 있는 것으로 평가될 것이다. 더 일반적으로, 증폭기 레벨 이상의 부분적 분포의 방사 분포에 신호 모드 분야가 중첩(overlab)하는 것은 신호 파장과 독립적이다. 이러한 단순화는 단일 에르븀 도프섬유(EDF)의 이득 G(λ)를 dB로 표현하는 것을 가능하게 해준다.

G(λ)=[n₂ ^avg(g^*+α)-α]L,

여기에서, L은 EDF의 길이이고, g^*는 실질적으로 모든 에르븀 이온이 상부 또는 여기(upper or excited)의 증폭상태에 있도록, 강한 펌핑의 범위내에서 EDF의 길이당 이득(dB/길이)이다. α는 거의 모든 도펀트 이온이 바닥 상태에 남아 있을 때 약한 프로브 신호의 범위 내에서 측정된 흡수계수이다. n₂ ^avg는 EDF의 규준화된 평균 반전이다.

n₂ ^avg=(Lρ)^-1∫_0-LN₂(z)dz

여기에서, N₂(z)은 상부 상태에서 도펀트 이온의 부분 밀도이고, ρ는 활성 도펀트 이온의 전체 밀도이다. 동적 이득 기울기 파라미터 γ(λ)=g^*(λ)+α(λ)일 때, 근사치는 Γ(λ)=γ(λ)/γ(λ₀)이다. 모든 상업적으로 이용할 수 있는 EDF's에서, Γ(λ)는 단지 약하게, 기껏해야 작동점(예를 들면, 펌핑 스킴)과 ΔG(예를 들면, 점 A와 B)에 의존하고, 실제적으로 EDF자체의 광학적 특성에 의해 결정된다.

g^*와 α의 양은 섬유의 방출과 흡수 횡단면(σ_E와 σ_A)에 각각 비례하나, 횡단면 자체보다 더 쉽게 측정할 수 있는 양으로 알려져 있다. 증폭기의 평균 반전이 변화함에 따른 EDFA의 로그값의 변화는 변화의 크기가 장치내의 평균 반전이 변화하는 양에 관련되는 동안, 에르븀 도프 섬유의 흡수와 방출의 횡단면(σ_E+σ_A)의 총계에 비례한다. 횡단면의 총계는 특히 약 1532nm에서 에르븀 피크 근처의 파장 밴드 내에서 매우 첨두한 성질을 나타낼 수 있다. 동적 이득 기울기의 결과로서, 이득 스펙트럼은 횡단면의 총계로서 날카로운 스펙트럼의 같은 모양을 가진 상대적 변화로 나타날 것이다. 다른 구성요소의 에르븀 도프 섬유의 조성 외의 EDFA의 생산에 의해, 그러므로, 다른 횡단면 스펙트럼에서, 우리는 자동적으로 횡단면 총계의 피크가 효과적으로 넓어지는 것이 가능하리라고 믿는다. 만일, 혼성 섬유 증폭기의 횡단면의 유효 총계가 어떤 파장밴드 상에서 비교적 일정하다면, 증폭기의 이득 스펙트럼은 이득 변화에 의해 동적 이득 기울기의 양이 최소화 하는 스펙트럼적으로 균일한 방법으로 변화할 것이다. 본 발명은 한쌍의 다른 구성의 도프 섬유의 에르븀 이득 피크 사이에 존재하는 파장밴드에서 특히 효과적이다.

비록 단일 구성의 EDFA를 위한 동적 이득 기울기 파라미터 γ(λ)는 총계(g^*+α)에 의해 표현되어도, 혼성 섬유 증폭 장치는 단일 평균 반전을 갖지 않고 각 유형을 위한 하나의 평균 반전을 갖기 때문에 그러한 단순한 특성은 문제되지 않는다. 그러므로, 혼성 기울기 파라미터는 섬유 성분을 위한 웨이트 총계(weighted sum) (g^*+α)로서 기술될 수 있다. 혼성장치의 웨이트 총계가 관심있는 파장밴드 상에서 가능한 한 평평해질 때, 동적 이득 기울기의 개선이 이루어 질 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 선택된 파장범위(Δλ)상에 개선된 동적 이득 기울기 특성을 갖는 혼성 증폭 광도파관을 제공하고, 최소한 각 부분이 연속적으로 상호연결되어 있는 n구성요소의 도프된 도파관(n≥2)으로 구성된다. 각 도파관은 특정 조성과 특정 동적 이득 기울기 파라미터 γ_(i)(λ)_{(i=1 to n)}를 갖는다. 여기서,

γ_(i)(λ)_{(i=1 to n)}=[g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]

이고, 기껏해야 장치의 상부 증폭 레벨(upper amplification level)을 분포시키기 위한 (n-1)펌핑 복사 소스이다. 혼성 도파관은 다음과 같은 측정할 수 있는 유효한 동적 이득 기울기 Γ(λ)를 갖는다.

Γ(λ)=Σ_{(over i)}w_(i) ^actualγ_(i) ^norm

Γ(λ)는 어떠한 γ_(i)(λ)보다 적고, w_(i) ^actual는 다음과 같이 정의되는 규준화된 웨이팅 함수이다.

w_(i) ^actual=?Δn₂ ⁽ⁱ⁾L_iγ^max _(i)/Σ_j(Δn₂ ^(j)L_jγ^max _(j))?

상기 식에서 Δn₂ ^(i)avg은 펌프 파워내의 변화에 따라 혼성 도파관의 i^th섹션 의 평균 도펀트 이온의 반전 분포(average dopant ion population inversion)내의 변화이고, L(i)는 도파관의 i^th섹션의 길이이다. γ_(i) ^norm=γ_i(λ)/γ^max _(i)이고, 여기서 γ^max _(i)은 Δλ상의 γ_i(λ)의 최대치이다. 도프된 도파관은 에르븀으로 도프되는 것이 바람직하며, 평면 도파관에 대하여 섬유 도파관이 바람직하다. 파장 밴드(Δλ)는 수 nm부터 약 100nm사이에 있는 것이 바람직하며, 에르븀이 도프된 실시예에서는 1520nm에서 1570nm의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1530에서 1540nm까지와 1540에서 1560nm까지의 범위이다.

도 2에 참조된 바와 같이 본 발명의 전형적인 실시예에서, 혼성 증폭 섬유는 어떤 성분의 섬유보다 적은 최소한 30%의 유효 동적 이득 기울기를 갖는다. 도 2의 수직축은 수평축(여기에서는 1532nm근처)을 따라 나타내는 파장 밴드(Δλ)상의 동적 이득 기울기 파라미터(g^*+α)를 나타낸다. 곡선에서, EDF₁은 기본적으로 알루미노실리케이트 에르븀 도프 섬유의 이득 기울기 계수가 선형적으로 감소하는 것을 보여주고, EDF₂는 게르마노실리케이트 에르븀 도프 섬유의 이득 기울기 계수가 선형적으로 증가하는 것을 보여준다. 혼성이라고 쓰여진 굵은 선은 EDF₁의 웨이팅 65%와 EDF₂의 웨이팅 35%으로 구성된 혼성 광섬유의 이득 기울기 파라미터의 편차(deviation)의 개선을 보여준다. (웨이팅은 위에서 정의한 w_i를 참조하라.) 반복적으로, 혼성의 유효한 횡단면 총계내의 개선은 증폭기의 이득이 입력 신호 및/또는 펌프 파워의 변화에 의하여 변화하는 것을 의미하고, 두 유형의 EDF's로부터 상대적 이득 분포는 이득 변화의 스펙트럼적 종속성을 거의 균일하게 하기위하여 자동적으로 변화할 것이다. 도 3A는 79.4 dB의 α_peakL를 갖는 단일 구성의 알루미노실리케이트 EDF의 분리된 길이(27, 29)를 포함하는 전형적인 혼성 에르븀 도프 증폭 섬유를 보여준다. 표 1A는 두 신호 파장, 1530nm와 1535nm에서와, 입력 파워에서 4dB의 변화(-16 dbm에서 -12dbm)를 위한 1532.5nm의 약한 프로브신호 파장에서의 이득에 있어서 변화 목록이다. 한가지 조성 섬유를 위하여, 두 신호 파장 사이에서 약 1.0dB 이득변화(동적 이득 기울기)가 있다. 도 3B는 (α_peakL)₁=25.43dB 와 (α_peakL)₃=36.68dB를 가진, 알루미노실리케이트 EDF(EDF₁와 EDF₃)의 두 부분(27, 29)에 상호 연결된, (α_peakL)₂=15.3dB을 가진 게르마노실리케이트 EDF(EDF₂)의 부분(31)을 포함하는, 도 3A의 EDF와 같은 전체 α_peakL 값을 갖는 혼성 EDF를 포함하는 본 발명에 따른 전진 펌프된 혼성 에르븀 도프 증폭 섬유를 도식적으로 보여준다. 혼성 장치의 동적 이득 기울기의 개선은 표 1B에서, 두 단일 채널 사이의 이득 변화인 0.38dB임을 보여준다. 구성요소와 혼성 EDF의 이득 곡선과 동적 이득 기울기 특성은 도 2에 표시된 바와 같다.

본 발명의 또 다른 실시예는 선택된 파장밴드, Δλ상에 개선된 동적 이득 기울기 특성을 갖는 혼성 광도파관 증폭장치를 제공하는 방법에 관한 것이다. 이는 (n) 다른 구성 도프된 광섬유를 선택하고 파장밴드, Δλ상의 각 구성섬유를 위하여 동적 이득 기울기 특성, γ_(i)(λ)_{(i=1 to n)}=[g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]를 결정하며, 다른 도파관 구성요소의 전체 중 적어도 한 부분이 연속적으로 상호연결되도록 각 도파관 구성요소의 최소한 하나의 부분, L_i에서 상호 연결되며; 기껏해야 혼성장치의 상부 증폭레벨을 분포시키기 위하여 (n-1)개의 펌핑 파워 소스를 제공하고; 선택된 파장밴드 상에 가장 평평한 구성의 이득 기울기 파라미터의 선형결합 계산에 의해 교차 부분의 최적 유효 총계를 선택하는 반복계산을 포함한다. 최적 목표 동적 이득 기울기는, w_(i)는 Σ_{(over i)}w_(i) ^target=1의 조건에서 Γ(λ)_target=Σ_{(over i)}w_(i) ^targetγ_(i) ^norm이고, Γ(λ)_target는 w가 제한(constraints)에 따라 w_(i) ^target의 올바른 선택에 의해 수학적으로 선택되면 감소하고, 바람직하게는 Δλ이상의 최소한의 절대 편차를 갖는다.

선택된 펌프 및/또는 신호 입력 파워를 위해, 혼성 이득값, G(λ)=Σ_{(over i)}{n₂ ⁱ[g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]-α_(i)(λ)}L_i를 계산할 수 있다. 한정된 이득 변화 ΔG가 선택되어 질 수 있는데, ΔG는 증폭 스펙트럼이 평평하게 유지하려는 경향의 이득변화를 나타낸다. 동적 이득 기울기의 예측으로부터, 위에서 기술한 바와 같이, 혼성 증폭기는 마치 유효한 동적 기울기, Γ_target를 갖는 것처럼 작동한다. 만일, 목표 웨이팅 함수의 세트가 파장밴드 Δλ에 대한 Γ_target의 상대적 변화가 어떤 구성요소 γ_(i)의 변화보다 매우 작도록 된다면, 본 발명의 방법에 따라 혼성 증폭장치의 제조를 결정함이 유익할 것이다. 이것은 바람직한 이득변화 ΔG를 수행하고, EDF의 각 구성요소의 평균 도펀트 이온 반전 분포내의 변화를 나타내는 Δn₂ ^(i)avg의 값을 계산함으로써 이루어진다. 그러나, Δn₂ ^(i)avg의 값을 정확히 알기 위해, 실제 구성 섬유의 길이, L_i와 EDF 구성요소의 배열 또는 순서가 알려져야 한다. 이러한 유형의 상황은 여기에 기술된 본 발명의 방법의 반복적 성질의 소스이다. 바람직하게는, 구성 광도파관 조성은 선택될 것이고, 각 도파관의 선택된 길이는 위에 기술된 바와 같이 연속적으로 상호 연결될 것이다. 길이와 순서의 초기 추측은 만들어짐에 틀림없다. 일단, Δn₂ ^(i)avg값이 계산되면, 이 분야의 기술자는, 초기 길이 값, L_i을 갱신(update)하고, Γ(λ)=Σ_{(over i)}w_(i) ^actualγ_(i) ^norm일 때, Γ(λ)와 Γ(λ)_target사이의 만족스러운 수렴이 될 때까지 반복적인 토대위에 w_(i) ^actual=?Δn₂ ⁽ⁱ⁾L_iγ^max _(i)/Σ_j(Δn₂ ^(j)L_jγ^max _(j))? 값을 결정하기 위해, 이 정보를 이용할 수 있다. 이 과정은 Γ(λ)의 상대적 변화가 어떤 구성 동적 이득 파라미터 값, γ_(i)보다 Γ(λ)_target의 값에 상당히 근접함을 보장할 것이다.

또는, 당업자는 (모든 i 에 대하여) w_(i) ^target에 w_(i) ^actual를 매치시키기 위하여 필요한 구성요소의 길이와 순서를 찾기 위해 야만적이 힘으로 수적인 조사를 수행할 수 있다. 그러나, 이는 Γ(λ)를 Γ(λ)_target에 매치시키는 EDF 길이와 분포의 하나 이상의, 가능하면 많은 물리적 실현이 있을 것 같은 것으로 평가 받을 것이다. 그러므로, 개선된 또는 최소의 이득 리플을 생산하기 위해서 다양한 디자인 중에서 선택하는 것에 어떤 융통성이 있을 것이다. 이 기술로 이득 스펙트럼을 실제적으로 평평하게 하는 것은 가능하지 않지만, 이득 스펙트럼이 이용할 수 있는 필터기술에 의해 제공되는 필터응답에 매치되도록 형성될 수 있기 때문에 결과적인 이득 리플이 쉽게 평평해지도록 만드는 것이 가능하다. 횡단면의 총계의 변화가 제어되기 때문에 이득 스펙트럼이 다른 수단에 의해 평평해지면 이는 장치의 입력 파워의 변화에 따른 EDFA 반전 변화로서 더욱 평평하게 남아있으려 하게 될 것으로 여겨질 것이다.

Claims

각각의 도파관의 적어도 한 부분이 연속적으로 상호연결된 n≥2를 갖는 (n)구성요소의 도프된 도파관, 여기서 각각의 구성요소 도파관은 특정 조성을 갖고 γ_(i)(λ)_{(i=1 to n)}, 여기서 γ_(i)(λ)_{(i=1 to n)}= [g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]로 정의되는 특정 동적 이득 기울기 특성을 가지며, 상기 식에서 g_(i) ^*(λ)는 실질적으로 도펀트 이온의 전부가 여기 상태에 있도록 한정되지 않은 펌프 파워의 범위내에서의 도프된 도파관의 i^th섹션의 이득계수이고, α_(i)(λ)는 실질적으로 도펀트 이온의 전부가 바닥 상태에 있도록 펌프 파워가 없고 약한 프로브 신호의 한계 내에 도프된 도파관의 i^th섹션의 흡수계수이며;

상기 장치의 상부 증폭 레벨을 분포시키기 위한 기껏해야 (n-1)의 펌핑 복사 소스를 포함하며;

상기 혼성 도파관은 항상 어떤 γ_(i)(λ)보다 작은 값을 가진

Γ(λ)=Σ_{(over i)}w_(i) ^actualγ_(i) ^norm

으로 정의된 유효 동적 이득 기울기를 가지며,

상기 식에서 w_(i) ^ACTUAL은

w_(i) ^actual=?Δn₂ ⁽ⁱ⁾L_iγ^max _(i)/Σ_j(Δn₂ ^(j)L_jγ^max _(j))?,

로 정의되는 정규화된 웨이팅 함수이고,

Δn₂ ^(i)avg은 펌프 파워내의 변화에 따른 혼성 도파관의 i^th섹션의 평균 도펀트 이온 반전 분포의 변화이고, L_(i)는 도파관의 i^th섹션의 길이이며, γ_(i) ^norm=γ_(i)(λ)/γ^max _(i), γ^max은 Δλ상의 γ_(i)(λ)의 최대치인 것을 특징으로 하는

선택된 파장범위, Δλ상에 개선된 동적 이득 기울기 특성을 갖는 혼성 광도파관 요소를 포함하는 광 증폭 장치.
제 1항에 있어서, 상기 구성 도파관은 희토류 원소로 도프되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 구성 도파관은 에르븀으로 도프되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 구성 도파관은 광섬유 도파관인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 한정된 파장밴드 Δλ는 수 nm부터 100nm까지의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 한정된 파장밴드 Δλ는 1520nm부터 1570nm까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 한정된 파장밴드 Δλ는 1530nm부터 1540nm까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 한정된 파장밴드 Δλ는 1540nm부터 1560nm까지의 범위 내인 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, n=2이고 섬유의 첫 번째 구성섬유가 에르븀이 도프된 게르마노실리케이트 조성을 갖고, 두 번째 구성섬유가 에르븀이 도프된 알루미노실리케이트를 갖고, 상기 γ₁(λ)또는 γ₂(λ)의 Γ(λ)≤30%인 것을 특징으로 하는 장치.
제 1항에 있어서, 상기 어떤 γ_i(λ)의 Γ(λ)≤30% 인 것을 특징으로 하는 장치.
제 4항에 있어서, 상기 하나의 구성 섬유의 최소한 한 섹션이 하나의 다른 구성 섬유의 두 섹션의 중간에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
(a) (n)의 다른 구성요소의 도프된 광도파관을 선택하고, Δλ에 대해 각각의 동적 이득 기울기 값 γ_i(λ)(i는 1에서 n까지)을 결정하는 단계;

(b) (n)의 도파관의 각각의 최소한 하나의 부분이 상호연결되도록 다른 구성요소 도파관의 최소한 한 부분, L_i에 도파관 구성요소의 하나의 최소한 한 부분, L_i을 상호연결시키는 단계;

(c) 혼성 증폭장치의 상부의 증폭레벨을 분포시키기 위하여, 기껏해야 펌핑 파워의 (n-1)소스를 제공하는 단계; 및

(d) Σ_{(over i)}w_(i) ^target=1와 Γ(λ)_target는 Δλ상에서 최소한의 절대 편차를 갖도록 목적하는 동적 이득 기울기, Γ(λ)_target=Σ_{(over i)}w_(i) ^targetγ_(i) ^norm를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택된 파장밴드, Δλ상에 개선된 동적 이득 기울기 특성을 갖는 혼성 광도파관 증폭장치의 제조방법.
제 12항에 있어서, (f) G(λ)=Σ_{(over i)}{n₂ ⁱ[g_(i) ^*(λ)+α_(i)(λ)]-α_(i)(λ)}L_i일 때, 선택된 펌프파워와 입력 신호 파워레벨 중 최소한 하나에서 이득값, G(λ)을 결정하는 단계;

(g) 바람직한 이득 변화, ΔG를 실현하기 위해 선택된 펌프 파워와 입력 신호 파워 레벨의 최소한 하나를 변화시키고, 평균 도펀트 이온 반전분포내의 변화를 나타내는 값 Δn₂ ^(i)avg를 계산하는 단계; 및

(h) Γ(λ)=Σ_{(over i)}w_(i) ^actualγ_(i) ^norm일 때, Γ(λ)와 Γ(λ)^target사이에 만족스러운 수렴이 되도록 값 w_(i) ^actual=?Δn₂ ⁽ⁱ⁾L_i ^max _(i)/Σ_j(Δn₂ ^(j)L_jγ^max _(j))?을 반복적으로 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 13항에 있어서, 상기 (h)의 단계는 L_(i)'s의 최소한 하나와 L_(i)'s의 위치의 순서를 갱신하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12항에 있어서, 선택된 파장밴드 상에 이득의 편차(이득 리플)를 최소화하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12항에 있어서, 선택된 필터 응답을 매치시키기 위해 이득을 변경시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 도프된 도파관 구성요소의 최소한 하나가 ZBLAN과 옥시할라이드를 기초로 하는 유리 조성 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 17항에 있어서, 불화물을 기초로 한 유리 조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.