KR20000060052A - 내부에 격자가 형성된 어븀 첨가 광섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광신호의 증폭에 사용되는 어븀 도핑 광증폭기에 관한 것으로서, 특히 이득 평탄화의 기능이 함께 내장된 어븀 도핑 광증폭기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 어븀 첨가 광섬유는, 광을 도파하며, 본질적으로 실리카에 어븀을 도핑하여 형성되며, 내부에 주기적인 간격으로 장주기 격자가 형성된 코아; 및 상기 코아 주위를 둘러싸며, 상기 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 클래딩을 포함하는 것을 특징으로 하며, EDFA의 광섬유 자체에 이득 평탄화용 필터의 기능을 포함시킴으로써 EDF를 이득평탄화용 필터와 스플라이싱할 필요가 없으므로 스플라이싱에 따른 손실을 방지할 수 있다.

Description

내부에 격자가 형성된 어븀 첨가 광섬유 및 그 제조방법 {Eibium doped optical fiber formed grating therein and manufacturing method thereof}
본 발명은 광신호의 증폭에 사용되는 어븀 도핑 광증폭기에 관한 것으로서, 특히 이득 평탄화의 기능이 함께 내장된 어븀 도핑 광증폭기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
어븀 도핑 광증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA), 이하 광증폭기라 약함)는 대량의 데이터가 한 가닥의 광섬유를 통해 장거리에 걸쳐 전송될 때 장거리 전송에 따르는 광신호의 감쇠를 보완하기 위해 미약해진 광신호를 증폭하는데 사용되며, 광을 전기로 변환하여 증폭한 후 다시 광으로 변환하여 전송하는 방식과는 달리 직접 광을 증폭하므로 증폭효율이 좋고 경제적이다. 그러나, 광증폭기는 파장에 따라 증폭이득이 달라 그 이득을 평탄화할 필요가 있다.
종래 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Optical Fiber Amplifer; EDFA)의 이득 평탄화를 위하여 광민감성이 있는 광섬유에 장주기 광섬유 격자를 새긴 다음 EDF와 접속(splicing)하여 사용하였다. 그런데 코어 반경이 작은 EDF를 격자가 새겨진 광섬유와 스플라이싱하게 되면 그에 따른 손실이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 별도의 필터를 사용하지 않고도 이득평탄화를 구현하기 위한 EDFA를 제조하는데 사용되는 EDF를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, EDF의 코아에 장주기 격자를 형성하여 별도의 필터를 사용하지 않고도 이득평탄화를 구현할 수 있는 EDFA의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 내부에 이득 평탄화를 위한 기능을 포함하는 EDFA를 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 어븀 도핑 광증폭기 구조도를 나타내는 도면이다.
도 2는 EDF의 스펙트럼 특성의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3은 CO2레이저를 이용하여 LPFG가 새겨진 EDFA를 제조하는 장치를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 4b는 격자주기가 각각 500, 300??m일 때 EDFA로 제조된 LPFG의 전송 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 장주기 격자가 새겨진 EDF를 이용하여 EDFA를 구성한 예를 나타내는 도면이다.
도 6는 전기적 아크의 열 에너지를 사용하여 LPFG가 새겨진 EDFA를 제조하는 장치를 나타내는 도면이다.
상기의 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 어븀 첨가 광섬유는,
광을 도파하며, 본질적으로 실리카에 어븀을 도핑하여 형성되며, 내부에 주기적인 간격으로 격자가 형성된 코아; 및 상기 코아 주위를 둘러싸며, 상기 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 클래딩을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 EDFA 제조방법은,
본질적으로 실리카로 형성된 클래딩 및 본질적으로 실리카에 어븀을 도핑하여 형성된 코아를 포함하는 광섬유 모재를 형성하는 단계; 상기 광섬유 모재에 소정의 장력을 인가하여 광섬유를 인출하는 단계; 및 상기 인출된 광섬유에 주기적인 간격으로 일정 부분을 어닐링하여 상기 광섬유에 잔류된 스트레스를 이완시켜 격자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 또 다른 과제를 이루기 위하여 본 발명에 의한 어븀 도핑 광섬유 증폭기는,
소정 파장의 펌프광을 발생하는 펌프광원; 상기 펌프광원으로부터의 펌프광을 수신하여, 상기 펌프광을 상기 입력신호광과 결합시키기 위한 광결합기; 및 상기 펌프광에 의하여 펌핑된 입력신호광을 증폭하기 위한, 본질적으로 실리카에 어븀이 도핑되어 있으며 주기적인 간격으로 격자가 형성된 코아를 갖는 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
광섬유 통신시스템에서 어븀도핑섬유(EDF) 증폭기를 사용하면 전파손실을 쉽게 보상할 수 있다. 어븀도핑섬유(EDF) 증폭기는 광신호를 전기적 신호로 변환함이 없이 직접 증폭한다. 일반적으로 광증폭기는 1525nm - 1565nm 사이에서 높은 이득을 갖고 EDF의 길이를 충분히 길게 하면 1570nm - 1610 nm 사이에서도 높은 이득을 갖게 된다. 따라서, EDFA의 증폭대역을 넓히기 위해 서로 다른 증폭대역을 갖는 두 개의 증폭기를 동시에 사용하기도 한다.
도 1은 일반적인 어븀 도핑 광증폭기 구조도를 나타내는 도면이다. 도 1에 따른 광증폭기는 제1아이솔레이터(10), 제1펌프 레이저 다이오드(Pump Laser Diode (PLD), 12), 파장선택 결합기(Wavelength Selective Coupler (WSC), 14), 어븀 도핑 광섬유(Erbium Doped Fiber (EDF), 16), 및 제2아이솔레이터(18)를 포함한다.
광증폭기의 동작원리를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 제1PLD(12)에 의해 중심파장이 980nm인 펌핑광이 주입되면, 펌핑광 및 입력단에서 들어오는 1500nm 대의 파장을 갖는 신호광은 WSC(14)를 통하여 어븀(Er)과 같은 희토류 원소가 도핑된 증폭매질인 EDFA(16)를 지나고, 이 때, 펌핑광이 EDFA내의 기저상태에 있는 어븀 이온을 여기시킨다. 여기된 어븀의 유도방출(stimulated emmission)로 신호광이 증폭된다. 증폭된 신호는 제2아이솔레이터(112)를 통해 출력된다.
제1아이솔레이터(10)는 EDF(16)에서 발생한 자연방출(Amplified Spontaneous Emmission; ASE)이 신호입력 커넥터와 같은 광소자로부터 반사되어 EDFA(16)에 다시 입사하므로써 신호광의 증폭효율을 떨어뜨리는 것을 방지한다. 마찬가지로 제2아이솔레이터(18)는 신호 출력 커넥터와 같은 광소자로부터 반사되어 EDFA(16)에 재입사된 ASE와 증폭된 신호광으로 인한 증폭기의 증폭효율을 저하시키는 것을 방지한다.
그러나, 광증폭기는 파장에 따라 증폭이득이 다르며, 특히 1530nm대의 ASE가 강하고, 이 파장의 이득이 높다. 그 결과, 전송에 많이 쓰이는 1550nm 파장대의 이득이 감소하고 잡음지수(Noise Figure)가 증가하게 되어, 광증폭기의 파장에 따른 이득의 차가 더욱 심화된다. 여기서, 잡음지수는 입력단과 출력단에서의 신호 대 잡음비이다.
도 2는 100mW, 980nm 펌핑 레이저를 사용하여 길이 10m인 EDF의 스펙트럼 특성을 나타낸다. EDFA는 WDM시스템에서 고속 데이터 전송을 위하여 필수적인 부품이지만, 1530-1560nm 밴드에서 이득 스펙트럼이 균일하지 않아 WDM 채널에 대한 이득이 서로 다르게 된다.
EDFA의 이득 평탄화를 위하여 여러 가지 방법이 제안되었지만 장주기격자 광섬유격자(LPFG)가 최근 주목되고 있는데, 이 LPFG를 이득 평탄화용 필터로 사용하는 경우, 피크의 위치는 격자주기에 의하여 조정되고, 피크깊이는 격자길이에 의하여 결정되며, 대역폭은 굴절율을 작게 변화시키면서 격자길이를 확장하므로써 좁게 할 수 있으며 격자를 직렬로(cascade) 위치시켜 넓게 할 수 있다.
그런데, EDFA의 이득 평탄화를 위하여는 굳이 높은 필터링 효과가 요구되는 것은 아니기 때문에 작은 잔여 스트레스가 포함된 광섬유도 노출의 폭과 시간을 증가시키고 CO2빔의 전력밀도를 감소시켜 수행되는 부분적인 변형에 의하여 LPFG의 제조에 사용될 수 있다.
광섬유 격자를 만드는데 광섬유의 잔여 스트레스를 이용할 수 있다. 광탄성 효과로 인하여 인출장력에 기인하는 잔여 스트레스에 의하여 코아의 굴절율이 감소하게 된다. CO2레이저에 의하여 코아의 잔여 스트레스를 주기적으로 일부분씩 이완시키면 굴절율을 원래대로 회복하고 결과적으로 격자가 형성되는 효과를 나타낸다.
잔여 스트레스는 열적 스트레스와 기계적 스트레스로 나눌 수 있는데, 전자는 각 층 사이의 열팽창계수의 차이에 기인하며, 후자는 각 층 사이의 점성도 차이에 기인하며 인출장력과 크게 관계한다. 열적 및 기계적 스트레스에 의하여 광섬유에 유도된 잔여 스트레스는 LPFG를 제작하는데 이용될 수 있다.
따라서, CO2레이저 빔이나 전기적 아크를 이용하여 광섬유의 잔여 스트레스를 이완시킬 수 있다. 광섬유에서 주기적으로 스트레스가 이완된 부분과 그렇지 않은 부분은 서로 굴절율이 다르게 된다.
다음으로, CO2레이저 또는 전기아크를 이용하여 잔여 스트레스가 유도된 EDF를 이용하여 LPFG를 새기는 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 CO2레이저를 이용하여 LPFG가 새겨진 EDFA를 제조하는 장치를 나타내는 도면으로서, 그 제조장치는 CO2레이저 시스템(31), 반사거울(32), 렌즈(33), 선반(34) 및 제어용 컴퓨터(35)로 구성된다. CO2레이저 시스템(31)은 레이저 헤드, 전력모듈, 원격제어부 및 연결케이블로 구성되며, 레이저는 사용자가 출력빔과 그 전력을 조정할 수 있도록 펄스 형태로 발생된다. 펄스 폭과 주기는 원격제어부나 원격제어부에 연결된 펄스발생기에 의하여 제어될 수 있다. 금으로 도금된 반사거울(32)은 빔경로를 제어하는데 사용되며, ZnSe로 만들어진 렌즈(33)는 빔을 적당한 폭으로 초점을 맞추는데 사용된다. EDF 고정부가 있는 선반(34)은 고해상도의 스텝핑 모터에 의하여 움직일 수 있으며, 스텝핑 모터는 컴퓨터(35)에 의하여 인터페이스 버스의 일종인 GPIB(34a)를 통하여 제어된다. 백색광원 및 광스펙트럼 분석기(도시되지 아니함)가 제조과정 동안 LPFG의 전송 스펙트럼을 관찰하는데 사용된다.
도 4a 및 4b는 격자주기가 각각 500, 300??m일 때 EDFA로 제조된 LPFG의 전송 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도면에는 격자길이 2cm, 노출시간 0.5초 및 출력 빔의 전력 18W(즉, 에너지 밀도 4.4 J/mm2)로 제조된 경우를 나타낸다. 격자주기를 500??m에서 300??m로 줄임으로써 손실피크의 위치는 더 짧은 파장 쪽으로 이동하는 것을 알 수 있다. 따라서, EDFA에 CO2레이저 공정을 적용하여 이득 평탄화된 EDFA를 제조할 수 있다.
도 5는 장주기 격자가 새겨진 EDF를 이용하여 EDFA를 구성한 예를 나타내는 도면이다. 본발명에 의한 광증폭기는 제1아이솔레이터(50), 제1펌프 레이저 다이오드(PLD, 52), 파장선택 결합기(WSC, 54), 내부에 장주기 격자가 새겨진 어븀 도핑 광섬유(EDF, 56) 및 제2아이솔레이터(18)를 포함한다. 여기서, EDF(56)는 클래딩(163) 및 내부에 장주기 격자(162)가 새겨진 코아(161)를 포함한다.
일반적인 EDFA는 도 2에 도시된 바와 같이 파장에 따른 이득이 불균일하게 나타난다. 이득 평탄화를 위해서는 도 2에서 상대적으로 큰 이득을 나타내는 1530nm 부근의 파장대역에서 추가의 손실이 필요하다. 도 3의 CO2레이저를 이용하여 주기간격, 레이저의 세기 등을 조정하여 EDF에 장주기 격자를 새기면 도 4a,b와 같이 파장대역 별로 다른 손실 특성이 나타나도록 할 수 있다. 따라서, EDFA가 도 2의 전송특성을 갖는 경우 대략 도 4b의 손실특성을 갖도록 EDF에 장주기 격자를 형성하면 1520-1560nm 파장대역에서 거의 균일한 이득특성을 얻을 수 있다.
도 6는 전기적 아크의 열 에너지를 사용하여 기계적 스트레스를 이완시켜 LPFG가 새겨진 EDFA를 제조하는 장치를 나타내는 도면이다. 한 쌍의 전극(61)은 방전 전압을 조정하는데 사용되며, 광섬유(63)는 V-홈(62)에 장착되어 있으며, 화살표(64) 방향으로 광섬유(63)가 주기적으로 일정 간격씩 이동된다.
전기아크 및 CO2레이저에 의하여 제조된 LPFG가 새겨진 EDFA의 전송스펙트럼을 서로 비교하면, 커플링 피크는 대개 동일한 위치에서 발생되며, 커플링모드에 대한 전기 아크의 효율은 CO2레이저에 의한 것보다 더 약하다는 것을 알 수 있다. 왜냐하면 전기아크에 의한 방법은 방전시간을 조정할 수 없고 전기아크에 의하여 어닐링되는 경계부분이 명확하지 않기 때문이다.
한편, 게르마늄이 첨가된 EDF를 마스크를 통하여 자외선에 노출시켜 격자를 새길 수도 있다. 즉, EDF의 코아에 광민감성을 더 첨가하고 자외선 레이저를 이용하여 어닐링하여 EDF에 장주기 격자를 새길 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 LPFG가 새겨진 EDFA에 의하면, CO2나 전기아크에 의한 부분 변형에 의하여 EDF의 잔여 스트레스를 이완시켜 장주기 광섬유 격자의 효과를 발생시킴으로써 장주기 광섬유 격자를 EDF에 직접적으로 새길 수 있으며, EDFA의 이득 평탄화를 위해서는 높은 필터링 효과는 필요하지 않으므로 코아 굴절율의 작은 변화만으로도 충분한 효과를 기대할 수 있다. 또한 게르마늄이 첨가된 EDF를 직접적으로 자외선에 노출시켜 격자를 새길 수도 있다.
따라서, EDFA의 광섬유 자체에 이득 평탄화용 필터의 기능을 포함시킴으로써 EDF를 이득평탄화용 필터와 스플라이싱할 필요가 없으므로 스플라이싱에 따른 손실을 방지할 수 있다.

Claims (7)

  1. 광을 도파하며, 본질적으로 실리카에 어븀을 도핑하여 형성되며, 내부에 주기적인 간격으로 격자가 형성된 코아; 및
    상기 코아 주위를 둘러싸며, 상기 코아의 굴절율보다 낮은 굴절율을 갖는 클래딩을 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀 첨가 광섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코아는
    게르마늄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀 첨가 광섬유.
  3. 본질적으로 실리카로 형성된 클래딩 및 본질적으로 실리카에 어븀을 도핑하여 형성된 코아를 포함하는 광섬유 모재를 형성하는 단계;
    상기 광섬유 모재에 소정의 장력을 인가하여 광섬유를 인출하는 단계; 및
    상기 인출된 광섬유에 주기적인 간격으로 일정 부분을 어닐링하여 상기 광섬유에 잔류된 스트레스를 이완시켜 격자를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 EDFA 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 장주기 격자 형성단계에서
    CO2레이저를 이용하여 어닐링하는 것을 특징으로 하는 EDFA 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 장주기 격자 형성단계에서
    전기아크를 이용하여 어닐링하는 것을 특징으로 하는 EDFA 제조방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 장주기 격자 형성단계에서
    상기 코아에 광민감성을 더 첨가하고 자외선 레이저를 이용하여 어닐링하는 것을 특징으로 하는 EDFA 제조방법.
  7. 입력신호광을 증폭하기 위한 어븀 도핑 광섬유 증폭기에 있어서,
    소정 파장의 펌프광을 발생하는 펌프광원;
    상기 펌프광원으로부터의 펌프광을 수신하여, 상기 펌프광을 상기 입력신호광과 결합시키기 위한 광결합기; 및
    상기 펌프광에 의하여 펌핑된 입력신호광을 증폭하기 위한, 본질적으로 실리카에 어븀이 도핑되어 있으며 주기적인 간격으로 격자가 형성된 코아를 갖는 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 어븀 도핑 광섬유 증폭기.
KR1019990008079A 1999-03-11 1999-03-11 내부에 격자가 형성된 어븀 첨가 광섬유 제조방법 및 그에 따라 제조된 광섬유를 이용한 광섬유 증폭기 KR100353418B1 (ko)

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