KR20010043201A - 배분 증폭이 구비된 분산 관리형 광도파관 및 그 시스템 - Google Patents

배분 증폭이 구비된 분산 관리형 광도파관 및 그 시스템 Download PDF

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벤카타 에이. 바가바툴라
알렌 에프. 에반스
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알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 배분 증폭이 구비된 단일 분산 관리형 도파관 섬유와 상기 도파관 섬유를 통합한 시스템에 관한 것이다. 상기 도파관 섬유의 총분산은 전송파장범위에서 도파관의 길이를 따라 양에서 음으로 변화한다. 도파관내에서 희토류 도판트의 희석 농도의 자극방출, 라만효과 또는 이들 모두에 의해 배분증폭이 이루어진다.

Description

배분 증폭이 구비된 분산 관리형 광도파관 및 그 시스템{DISPERSION MANAGED OPTICAL WAVEGUIDE AND SYSTEM WITH DISTRIBUTED AMPLIFICATION}
평균출력이 높고 비순환 거리가 긴 멀티기가바이트의 다파장 광파 통신 시스템이 소개됨에 따라, 신호감쇠를 최소화시킬 수 있는 섬유 형태의 개발이 시작되었다. 상기 시스템에서 섬유는 통상적으로 약 0.22 내지 0.30 ㏈/㎞ 범위의 손실을 갖는다. 대역폭을 늘리기 위해, 섬유는 다수의 비선형 편극 효과를 저감시키도록 재설계되어야 했으며, 이는 고속 및 고출력에서 점차 중요해졌다.
파장 분할 멀티플렉싱은 각각 서로 다른 파장에서 작동하는 수개의 채널을 단일 섬유에 멀티플렉싱함으로써 광도파관 섬유에서의 데이타 전송율을 증가시킨다. 4파 혼합은 파장 분할 멀티플렉스(WDM) 시스템에서 채널간의 비선형 상호작용이며, 4파 혼합은 시스템 설계와 섬유의 작동특성에 심각한 영향을 준다. 4파 혼합을 실질적으로 제거할 수 있는 도파관 형태가 중요하다. 4파 혼합을 실질적으로 제거하기 위해, 도파관 섬유는 총분산중 제로 부근에서는 작동하지 않아야 하는데, 이는 총분산의 절대값이 낮을 때, 즉 약 0.5 ps/㎚-㎞이하일 때, 극심한 4파 혼합이 발생하기 때문이다. 반면, 비제로 총분산 때문에, 도파관의 총분산중 제로로부터 멀리 떨어진 파장을 가진 신호는 감쇠된다. 여기에 사용된 용어 "총분산"은 재료 분산과 구조 분산의 합을 의미한다.
이러한 딜레마를 극복하기 위해 제시된 하나의 방안은 기존의 단일모드 섬유 시스템에 적절하게 배치된 분산보상 도파관 섬유 길이를 통합시키는 것으로, 상기 섬유 길이중 일부는 작동파장범위에서 양의 총분산을 갖고 일부는 음의 총분산을 갖는다. 모든 케이블 세그먼트에 대한 분산의 길이 가중평균이 제로에 가깝다면, 재생기 간격과 시스템 길이는 클 수 있다. 그러나, 본질적으로 신호는 분산이 제로에 가까워지는 도파관 길이를 통과하지 않으려하기 때문에, 4파 혼합은 실질적으로 감소된다.
불연속적인 개별 길이의 분산 보상섬유를 사용하는 상기 방법에 따른 문제점은, 요구되는 분산의 길이 가중평균을 제공하기 위해, 재생기사이의 각각의 링크가 테일링되어야만 한다는 것이다. 케이블 부설설비로부터 완성되기까지 케이블의 분산 동일성을 유지하는 것은 바람직하지 않은 부가적인 작업이며, 실수의 근원이 된다. 또한, 적절한 분산뿐만 아니라, 그 분산을 가진 적절한 길이의 케이블도 제조하여야만 하기 때문에, 제조가 곤란하고, 시스템 비용이 상승하게 된다. 상기 무작위 길이 및 분산이 대체 케이블에 필요할 것이라고 생각하면, 또 다른 문제점이 발생한다. 또한, 꾸준히 증가하는 대역폭에 대한 수요는 결국 분산 보상 표준 섬유 시스템의 출력에 부담이 될 것이다.
팽맨 등의 미국특허 제 5,611,016호에는 하나 또는 그 이상의 광섬유를 가진 분산 균형 케이블이 개시되어 있는데, 상기 케이블은 전송파장에서 양의 색분산을 가진 제 1 광섬유와 음의 색분산을 가진 제 2 광섬유를 포함한다. 그러나, 이 방법은 표준 단일모드 시스템에 분산 보상 섬유를 삽입하는데 있어서 전술한 것과 동일한 문제점을 갖고 있다. 도한, 미국특허 제 5,611,016호는 음의 분산 섬유에 양의 분산 섬유를 함께 접속시켜야 하기 때문에, 접속손실이 발생하게 된다.
1996년 1월 11일자로 출원되어 등록된 미국 특허출원번호 제 08/584,868호는 각각의 개별 섬유를 자가수용 분산관리 시스템으로 만들어 이러한 문제점을 해결할 것을 제안하고 있다. 총분산의 특정된, 즉 미리 설정된 길이 가중평균, 즉 총분산 곱이 각각의 도파관 섬유에 고려된다. 따라서, 케이블로 연결된 도파관 섬유는 모두 본질적으로 동일한 분산 곱 특성을 가지며, 특정 케이블 세트를 시스템의 특정부위에 할당할 필요가 없다.
이러한 분산 관리형 섬유는 고속 다중파장 솔리톤 시스템뿐만 아니라, 다중파장 WDM 시스템용 비제로회귀(NRZ) 시스템에 사용될 수 있다. 분산이 평탄화된 섬유에서의 솔리톤 전송이 이반스 등의 미국 특허 제 5,579,428호에 개시되어 있다. 그러나, 이러한 솔리톤 시스템은 섬유 및 시스템에 추가적인 조건이, 예를 들면, 불연속적인 집중 증폭기가 구비된 고속 솔리톤 시스템에 있어서, 증폭기 간격이 너무 작아 실용적이지 못하게 될 수 있다.
광파 전송 시스템에서 신호대 잡음을 개선하고, 집중 증폭기 간격과 관련된 전술한 문제점을 해결하기 위해, 표준 단일모드 섬유 시스템에서 배분 섬유 증폭기가 고려되었다. 배분 섬유 증폭기는 Er3+와 같은 섬유 도판트를 이용하거나 자극 라만 스캐터링에 의해 이득을 제공한다. 미국특허 제 5,058,974호는 배분 증폭 방안을 개시하고 있으며, 희석 농도 또는 희토류 도판트가 긴 광섬유의 코어 영역에 포함되고, 상기 희토류 도판트로부터 자극 방출 및 라만 효과에 의해 광신호를 증폭시킬 수 있는 적당한 길이 및 파워를 가진 도프 섬유의 일단 또는 양단에 해당 펌프 신호 발생기가 배치된다. 상기 미국특허 제 5,058,974호에 개시된 섬유의 단점은 섬유 코어에 도판트를 유도하기 위해서는 낮은 도판트 농도가 필요하다는 것으로, 이는 제어가 곤란할 수 있다. 에르븀 도프 배분 증폭기 및 그 제조방법이 하기 문헌에 개시되어 있다. 즉, 1991년 2월자 광파기술저널 9-2권의 비. 제임스 아인슬리의 "광학 증폭기용 에르븀 도프 섬유의 특성 및 그 제조에 관한 고찰"을 참조하라.
그러나, 표준 단일모드 섬유에서 배분 증폭의 단점은 약 1530 내지 1550㎚에서 제로 또는 임계 제로 분산에 최적화된 단일 굴절률 프로파일이 필요하다는 것이다. 이러한 형태는 모드필드 직경 및 유효면적이 더 작기 때문에, 섬유 중심 부근의 도판트는 백만개당 수개로 매우 낮은 농도인 것이 바람직하다. 이와 같이 낮은 도핑 농도는 제어하기 곤란하다. 또한, 이득 평탄화를 유해 이러한 구조의 중심에 알루미늄을 첨가하는 것은 손실을 높일 수 있다.
배분 증폭을 통합하는 자가수용 분산관리 시스템용으로 설계된 단일 도파관 섬유 및 시스템에 대한 수요가 존재한다. 분산 관리형 섬유는 희토류 도판트를 이용한 배분 증폭에 우수한 호스트 섬유이며, 이는 통상적으로 수개의 환상 코어영역을 가진 분할된 코어 구조를 포함하는 상기 섬유가 도판트를 배치시키기 위한 다양한 방사상 위치를 제공하기 때문이다. 이와 같은 섬유 및 시스템은 4파 혼합과 같은 비선형 효과 및 분산을 보상할 뿐만 아니라, 손실도 보상하고, 내장 증폭을 가짐으로써 전송을 향상시킨다. 이와 같은 섬유 및 시스템은 신규한 섬유 시스템에서 더 큰 정보 전송능력에 대한 수요를 충족시킨다.
본 출원은 1998년 5월 1일자에 출원된 미국 예비출원번호 제 60/083,980호를 우선권 주장한다.
본 발명은 광도파관을 이용한 정보 전송에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배분 증폭이 구비된 분산 관리형 광도파관 및 상기 광섬유를 이용한 시스템의 설계에 관한 것이다.
도 1은 분산 관리형 도파관 섬유 길이를 따라 양분산 및 음분산의 교호를 나타내는 그래프이고,
도 2a는 본 발명에 따른 도파관 섬유의 1주기를 나타낸 개략도이며,
도 2b 및 도 2c는 도 2a에 도시된 섬유의 소길이의 반경에 대한 △%를 나타낸 그래프이고,
도 3a 및 도 3b는 섬유 길이에 대한 분산 및 섬유 길이에 대한 분산 기울기를 각각 나타낸 그래프이며,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 도파관 섬유를 이용한 예시적 시스템의 개략도이고,
도 5a 및 도 5b는 분산 관리형 도파관 섬유에서 전송되는 솔리톤 신호의 길이에 대한 펄스 폭 및 길이에 대한 피크 펄스 파워를 각각 나타낸 그래프이다.
본 발명은 배분 증폭을 제공하도록 설계된 단일 분산 관리형 광도파관 섬유, 바람직하게는 단일모드 섬유를 제공함으로써 전술한 문제점을 해결한다. 상기 도파관 섬유는 소정의 굴절률 프로파일을 가진 코어 글라스 영역을 포함하되, 상기 코어 글라스 영역은 당해 코어 글라스 영역의 굴절률 프로파일중 적어도 일부보다 더 낮은 굴절률(nc)를 가진 피복 글라스층에 의해 둘러싸여 있다. 본 발명의 단일모드 도파관 섬유는 전송(작동)파장범위에서 상기 도파관의 길이를 따라 양에서 음으로 그리고 음에서 양으로 부호가 변하는 총분산을 갖는다. 상기 작동파장범위는 바람직하게는 4㎚이상이고, 더욱 바람직하게는 10㎚이상이며, 가장 바람직하게는 20㎚이상이다. 일실시예에서, 양의 분산 소범위 및 음의 분산 소범위에서 분산의 평균 절대값은 0.5 ps/㎚-㎞ 이상이다. 본 발명의 도파관 섬유는 양의 분산부분과 음의 분산부분을 포함하되 그 사이에 커넥터 또는 접속이 없는 단일 섬유임을 알 수 있을 것이다. 문제의 특정 작동파장범위는 약 1530㎚에서 약 1620㎚까지의 에르븀 증폭 윈도우를 포함한다. 확장된 작동파장범위는 라만 증폭과 같은 다른 증폭이 이용될 수 있는 약 1285㎚에서 약 1620㎚까지를 포함한다.
일실시예에서, 상기 도파관 섬유는 소길이(sub-lengths)(li및 lj)와 선택적 소길이(lt)를 가지며, 소길이(모든 li, 모든 lj및 모든 lt)의 합은 도파관 섬유 길이와 동일하다. 상기 소길이(li)는 세그먼트(dli)로 이루어지되, 각각의 세그먼트(dli)는 소정 부호의 제 1 값 범위에 있는 총분산(Di)을 가지며, 소길이(li)의 분산 곱은 곱(Di*dli)의 합으로 특정된다. 상기 소길이(lj)는 세그먼트(dlj)로 이루어지되, 각각의 세그먼트(dlj)는 상기 총분산(Di)의 부호와 반대 부호인 제 2 값 범위에 있는 총분산(Dj)을 가지며, 소길이(lj)의 분산 곱은 곱(Dj*dlj)의 합으로 특정된다. 따라서, 소길이(li)의 분산 곱이 양이면, 소길이(lj)의 분산 곱은 음일 것이다.
선택적 소길이(lt)는 총분산이 제 1 범위 분산값에서 제 2 범위 분산값, 예를 들면, 양에서 음으로 또는 음에서 양으로 변하는 전이 소길이이다. 전이 소길이(lt)는 약 0.1㎞이하이며, 총분산이 양에서 음으로 변하는 소길이(li)와 소길이(lj) 사이의 영역을 포함할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 선택적으로, 상기 전이 소길이(lt)는 총분산이 양에서 음으로 변하는 더 긴 영역을 제공하기 위해 소길이(li)와 소길이(lj) 사이에 배치된 특정 섬유 길이일 수 있다. 본 발명에 따라, 모든 곱(dli*Di및 dlj*Dj)의 대수합의 절대값은 소정의 파장범위(R)에서 미리 설정된 값보다 크다. 상기 소길이(li, lj및 lt)중 적어도 하나는 자극방출에 의해 배분 증폭을 제공하기에 충분한 희토류 도판트 이온의 희석 농도를 포함하거나, 상기 소범위중 적어도 하나는 효과적으로 배분된 라만 증폭을 위해 최적화된다. 선택적으로, 소정의 섬유길이는 배분 라만 증폭을 위해 최적화된 소길이와 희토류 도판트의 희석농도를 가진 소길이를 포함할 수 있다. 희토류 도핑에 의해 증폭이 이루어지는 실시예에서, 희토류 도판트의 적어도 약 50ppm의 농도는 증폭을 제공하기에 충분하다.
여기에 사용된 바와 같이, 배분 증폭 시스템용 섬유는 희토류 도판트의 자극방출 또는 라만 효과에 의해 전송 신호를 증폭시키도록 설계된 섬유를 의미한다. 본 발명에 따라, 배분 증폭 시스템용 단일 섬유에서, 섬유의 모든 소길이가 증폭용으로 설계될 필요는 없다. 그 대신, 양의 분산 소길이, 음의 분산 소길이, 전이 소길이 또는 이들 소길이의 조합이 전송 신호를 증폭시키도록 설계될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 상기 희토류 도판트 이온은 에르븀을 포함한다. 다른 실시예에 따라, 상기 도판트 이온의 농도는 상기 도파관 섬유의 길이에서 대체로 균일하다. 본 발명의 다른 특징으로, 상기 소길이(li또는 lj또는 lt)중 단지 하나만이 희토류 도판트 이온을 포함한다. 또 다른 특징으로서, 소길이(li)의 굴절률 프로파일은 소길이(lj)의 굴절률 프로파일과 다르며, 소길이(li)에서 도판트 이온의 방사상 위치는 소길이(lj)에서 도판트 이온의 방사상 위치와 다르다.
다른 실시예에 따라, 본 발명의 분산 관리형 섬유는 솔리톤 신호 펄스를 이용한 원거리통신 시스템에 사용되도록 설계될 수 있다. 섬유가 솔리톤 펄스 전송용으로 설계된 실시예에서, 도판트 이온의 자극은 상기 신호 펄스의 증폭을 야기하게 되고, 따라서, 당해 신호 펄스의 피크 강도는 예를 들어 펄스폭의 진동을 완화시키거나 증가시키도록 제어된다.
또한, 본 발명은 제 1 파장으로 제 1 광파 신호를 전송하기 위한 광학 시스템을 포함하되, 상기 시스템은 도판트 이온으로부터 제 1 파장으로 자극방출시키기 위한 제 2 파장의 제 1 펌프 소스 및 본 발명의 분산 관리형 섬유를 포함한다. 이 실시예에서, 제 1 펌프 소스는 상기 광도파관 섬유에 광학적으로 접속된다. 다른 실시예에서, 상기 시스템은 라만 스캐터링을 자극시키기 위한 제 3 파장의 제 2 펌프 소스를 포함하되, 상기 제 2 펌프 소스는 상기 도파관 섬유에 광학적으로 접소된다. 희토류 증폭과 라만 증폭을 조합함으로써, 상기 시스템은 증폭에 대해 확장된 파장 범위를 제공한다. 다른 시스템 실시예에서, 상기 분산 관리형 섬유는 희토류 이온의 희석 농도를 포함하지 않으며, 라만 효과 단독으로 배분 증폭을 제공한다.
전술한 내용으로부터 다수의 중요한 장점을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 장점중 하나는, 배분 증폭을 가진 분산 관리형 섬유에 대해, 서로 다른 굴절률 프로파일을 가진 서로 다른 도파관 구조가 동일한 섬유 길이내에 사용될 수 있어서, 증폭의 최적화에 자유도를 추가할 수 있다는 점이다. 예를 들면, 희토류 도핑이 하나 또는 두개의 섹션 및 섬유내의 서로 다른 방사상 위치에 배치될 수 있다. 일부 섬유 구조는 큰 유효면적, 바람직하게는 약 50 평방 마이크론 이상을 가진 굴절률 프로파일을 포함한다. 알루미늄이 섬유의 중심선으로부터 멀리 떨어져 위치되어 잠재적으로 손실을 저감시킬 수 있기 때문에, 이득 평탄도와 같은 증폭 변수의 최적화는 큰 유효면적 구조에 의해 구현되기 쉽다. 또한, 희토류 도판트는 섬유의 중심선으로부터 멀리 떨어져 위치될 수 있기 때문에, 제어가 더 용이한 고농도 도판트가 사용될 수 있다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 섬유의 "유효면적"은 하기된 방정식에 의해 결정된다.
즉, Aeff=2π(∫E2rdr)2/(∫E4rdr), 여기서, 적분한계는 0에서 ∞까지이고, r은 광 전송영역의 반경이며, E는 전파되는 빛과 관련된 전자장이다. 큰 유효면적 섬유 구조 및 그 방법이 미국특허 제 5,684,909호 및 제 5,715,346호에 개시되어 있다. 일반적으로, 이러한 섬유는 여러 세그먼트로 이루어진 글라스 코어를 포함하되, 각각의 세그먼트는 굴절률 프로파일, 외측 반경 및 △%로 특정되며, 여기서, △%는 굴절률 변화 퍼센트이고, 이는 [(nr 2-nc 2)/2nr 2]×100과 동일하며, 상기 nr은 코어 굴절률이고, nc은 피복 굴절률이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점이 하기되어 잇다. 전술한 개략적인 설명과 하기된 상세한 설명은 모두 예시적이며 설명적인 것이며, 청구된 본 발명을 더 설명하기 위한 것임을 알 수 있을 것이다.
첨부도면은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 하기된 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시예를 나타낸다. 도면에서, 동일부번은 동일한 구성요소를 나타낸다.
이하, 첨부도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명은 분산 관리형 섬유의 장점과 단일 섬유에서의 배분 증폭의 장점을 갖는다. 이러한 섬유의 장점은 과도한 손실 또는 편광 모드 분산없이, 분산 기울기를 선택적으로 변화시키고, 신호 파장에서의 고분산으로 인한 저감된 4파 혼합, 양 및 음의 분산 섹션을 이용한 내장 분산 보상을 포함한다. 또한, 바람직하게, 분산 관리형 섬유 세그먼트는 4파 혼합 및 다른 비선형 효과를 더 저감시키기 위한 내장 대형 유효면적을 포함한다. 본 발명의 분산 관리형 섬유에 배분 증폭을 부가함으로써 내장 증폭의 추가적 특징이 제공된다.
본 발명은 효과적으로 배분된 라만 증폭을 위해 최적화된 섹션 또는 희토류 도판트의 희석 농도를 이용하여 신호 전송 시스템에 배분 증폭을 제공하도록 설계된 도파관 섬유에 관한 것으로, ps/㎞로 표현되는 총분산곱은 도파관 섬유 길이에서 제어된다. 희석 농도는 약 50ppm 내지 100ppm 정도로 낮을 수 있으나, 적당한 농도는 시스템 모델링에 의해 결정될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 도파관 섬유를 포함하는 시스템을 포함하되, 배분 증폭은 도판트의 자극 방출, 라만 효과 또는 이들의 조합에 의해 이루어진다. 에르븀과 같은 희토류 도판트로 분산 관리형 섬유를 도핑함으로써, 교호하는 분산 관리형 섬유의 섹션에 도판트의 서로 다른 농도를 배치하는데 유연성을 제공한다. 분산 관리형 섬유를 증폭 도판트의 호스트로 사용함으로써, 표준 단일 모드 섬유에 대한 자유도를 추가하여 증폭을 최적화시키게 된다.
분산 변환 섬유의 불연속 길이가 사용될 때 각각의 개별 섬유에서 분산을 관리함으로써, 함께 결합되어 시스템내에서 링크를 형성할 때 제로 분산을 만들어내는 도파관 세트를 선택할 필요가 없다. 개별 도파관 섬유에서 총분산 곱이 관리되기 때문에, 시스템을 형성하도록 장착되는 케이블은 대체로 성능이 동일하며, 따라서, 상호대체가 가능하다. 또한, 도파관 섬유의 각 소길이에서 이득, 도판트 레벨 및 도판트 농도를 독립적으로 설정함으로써, 증폭을 최적화할 수 있다.
본 발명의 도파관 섬유의 예시적 실시예의 도파관 길이에 대한 ps/㎚-㎞로 표현되는 분산 그래프가 도 1에 도시되어 있다. 총분산은 음의 값(2)과 양의 값(4) 사이에서 변환되는 것을 볼 수 있다. 도 1은 음의 분산을 나타내는 다수개의 소길이와 양의 분산을 나타내는 다수개의 소길이를 도시하고 있으나, 단지 하나의 음의분산 소길이와 하나의 양의 분산 소길이만이 필요하다. 선(6)으로 표시된 총분산값에서의 산포량은 전파하는 빛의 파장에 따라 변하는 총분산을 나타낸다. 본 발명의 섬유의 작동파장범위는 약 1285㎚ 내지 1620㎚ 사이에서 변할 수 있음을 알 수 있을 것이며, 상기 분산은 전송되는 빛의 특정 파장에 따라 변하게 된다. 산포량(6)의 수평선은 특정 광 파장에 대한 총분산을 나타낸다. 일반적으로, 소정 총분산으로 특정된 도파관(8)의 길이는 약 0.1㎞보다 크다. 곱의 합은 미리 설정된 값과 동일하다는 조건 뿐만 아니라 하기된 시스템으로 추론할 수 있는 것을 제외하고, 본질적으로, 길이(8), 즉 해당 총분산에 의해 다중화된 길이의 상한선은 존재하지 않는다.
따라서, 본 발명의 제 1 특징에 따라, 상기 도파관 섬유의 분산은 작동파장범위에서 도파관 길이를 따라 양이 값 범위 내지 음의 값 범위 사이에서 변한다. 특정 길이(l)의 ps/㎚로 표현되는 분산 곱은 ㎞단위의 길이(l)와 ps/㎚-㎞단위의 분산(D)의 곱이다. ps/㎚단위의 양수는 동일한 ps/㎚단위의 음수를 상쇄한다. 일반적으로, 길이(li)와 관련된 분산은 길이(li)를 따라 매위치마다 변할 수 있다. 즉, 분산(Di)은 소정의 분산범위내에 존재하나 길이(li)를 따라 매위치마다 변할 수 있다. 길이(li)의 기여도를 ps/㎚단위의 분산 곱으로 표현하기 위해, 길이(li)는 관련 총분산(Di)이 본질적으로 일정한 세그먼트(dli)로 구성된다. 관련 분산(Di)으로 곱한 각각의 세그먼트(dli)의 곱의 합은 길이(li)의 분산 곱 기여도를 특정한다.
분산(Di및 Dj)의 절대값은 4파 혼합을 실질적으로 방지하기 위해 0.5ps/㎚-㎞ 이상이다. 또한, 주어진 총분산이 지속되는 길이는 바람직하게 약 0.1㎞이상이다.
도 2a를 참조하면, 각각의 분산 관리형 도파관 섬유는 주기(10)를 포함한다. 여기에 사용된 바와 같이, 주기는 제 1 범위내에 있는 총분산을 가진 제 1 길이(12), 제 2 범위내에 있는 분산을 가진 제 2 길이(14) 및 분산이 상기 제 1 및 제 2 범위 사이에 전이를 만드는 선택적 길이(13)의 합을 의미하되, 상기 제 1 및 제 2 범위는 그 부호가 반대이다. 물론, 상기 선택적 전이 길이(13)는 제 1 길이(12) 및 제 2 길이(14) 사이에 배치된 별도의 길이일 수 있음을 알 수 있다. 선택적으로, 상기 전이 길이(13)는 길이(12)(14)사이에서 양에서 음으로 분산의 부호가 변하는 짧은 영역을 포함할 수 있으며, 제 1 길이(12)의 단부와 제 2 길이(14)의 시점부를 포함할 수 있다. 이들 3개의 길이는 바람직하게 인접한다. 그러나, 용이하게 제어하기 위해, 상기 3개의 길이는 제 1 길이(12), 이에 인접한 전이 길이(13), 그리고 전이 길이에 인접한 제 2 길이(14)로 배치되는 것이 바람직하다. 전이 길이(13)에서 4파 혼합 및 그에 따른 파워 손실을 피하기 위해, 전이 길이(13) 부분의 총분산을 약 0.5 ps/㎚-㎞이하로 가능한 한 짧게 유지하는 것이 유리하며, 바람직하게는 전이당 약 500m이하, 바람직하게는 주기의 10% 이상이 되지 않도록 유지한다.
주기의 길이는, 섬유가 솔리톤 전송 또는 NRZ 시스템에 사용될지의 여부 뿐만 아니라, 비트속도, 반복기 간격 및 설치가능한 케이블 길이와 같은 인자에 의해 결정됨을 알 수 있을 것이다. 어떠한 경우라도, 주기 길이는 모델링 또는 연산에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 초당 10 기가비트인 시스템에서, 주기의 길이는 약 100㎞까지 될 수 있다. 초당 100 기가비트인 솔리톤 시스템에서, 주기의 길이는 바람직하게 약 10㎞이하, 예를 들어, 0.5 내지 2㎞이다.
"광섬유 제조방법"이란 명칭으로 출원된 미국특허뿐만 아니라, 동시에 출원되어 계류중인 버키 등의 미국특허출원 제 08/584,868호는 분산 관리형 도파관 섬유 및 그 도파관 섬유의 제조방법을 개시하고 있다. 이 방법들은 본 발명의 섬유를 제조하는데 사용될 수 있다. 이와 같이 신규한 분산 보상 도파관을 제조하기 위해 다수개의 선택적인 방법이 이용가능함을 당업자는 알 수 있을 것이다. 이러한 방법들에는 외부 증기 증착법, 변형된 화학 증기 증착법, 축 증기 증착법 및 졸 겔 프로세스가 포함되나 이에 한정되는 것은 아니다.
도파관의 분산은 도파관의 형태, 도파관의 굴절률, 도파관의 굴절률 프로파일 또는 도파관의 조성을 변화시키는 수개의 방법중 하나에 의해 변화될 수 있다. 예를 들어, 당업자에게 알려진 임의의 공정으로 제조된 코어 모재이 직경이 감소된 부분을 갖도록 가공될 수 있다. 직경이 감소된 부분은, 모재에서 하나 또는 그 이상의 부분을 가열하여 인장하거나, 레이저 절제술과 같은 에너지 충격술 또는 연마 및 연삭과 같은 기계가공기술로 모재의 환형부를 제거함으로써 성형될 수 있다. 만들어진 코어 모재는 도파관 섬유로 인발될 수 있는 균일하고 대체로 원통형인 외표면을 가진 모재 또는 블랭크를 형성하도록 피복관을 이용하거나 검뎅 적층술로 피복된다.
일실시예에서, 전술한 기술중 하나로 제조된 모재 또는 블랭크로부터 인발된 도파관 섬유는 코어 모재에서 반경이 감소된 길이에 해당하는 길이상에 반경이 감소된 코어를 갖게 된다. 약 5% 내지 약 25%의 코어 직경 감소는 양에서 음으로 분산을 변화시키기에 충분하다. 총분산의 절대값이 약 20ps/㎚-㎞인 경우에만 25%의 감소가 요구된다. 약 5% 내지 약 10% 범위의 반경 변화가 대부분의 경우에서 충분하다.
상기 코어 직경 변화는 직경이 대체로 균일한 코어부를 가진 모재 또는 블랭크의 직경의 세그먼트를 줄인 다음 그 모재를 균일한 외경을 가진 도파관 섬유로 인발함으로써 이루어질 수 있다. 도파관 코어는 직경이 감소되지 않은 인발 모재 세그먼트에 해당하는 감소된 직경의 세그먼트를 가질 것이다.
도파관의 분산을 변환시키는 선택적 방법은 서브 원자 입자를 도파관에 충돌시키거나 자외선과 같은 전자기 스펙트럼에서 방사선으로 섬유를 조사하여 도파관 길이를 따라 섬유 코어의 굴절률 프로파일을 변화시키는 단계를 포함한다. 약 1×10-3이상의 굴절률 차가 바람직하다.
상기 가변 굴절률은 곱의 합(dli*Di및 dlj*Dj)이 제어될 수 있도록 하는 가변 총분산을 생성하게 된다. Di는 섬유의 제 1 소길이에서 제 1 굴절률 범위에 해당하는 총분산이고, Dj는 섬유의 제 2 소길이에서 제 2 굴절률 범위에 해당하는 총분산이다. Di및 Dj는 부호가 반대이다.
본 발명의 분산 관리형 도파관 섬유의 바람직한 제조방법중 하나가 "광섬유 제조방법"이란 명칭으로 버키가 1997년 4월 23일자에 출원한 미국 특허출원 제 08/844,997호에 개시되어 있다. 상기 버키 특허에는 글라스 관의 외표면에 피복 글라스 입자 코팅을 적층하고, 상기 피복 글라스 관 속에 복수개의 타블렛을 배치하는 단계가 개시되어 있으며, 상기 글라스 관의 타블렛중 적어도 하나의 광학 특성중 적어도 하나는 이웃한 타블렛과 다르다. 타블렛을 포함한 관은 입자의 소결온도 이하의 온도로 가열되고, 클로린과 같은 가스가 상기 관을 통과하게 되며, 상기 관은 가열되어 상기 입자를 소결시키고 관이 타블렛에 붕괴되어 용융되도록 하는 방사상 내측으로 향하는 힘을 발생시키게 된다. 또한, 상기 관은 길이방향으로 수축되며, 이웃한 타블렛은 서로를 향하여 가압되어 함께 융합하게 된다. 이 방법으로 제조된 단일모드 분산 관리형 섬유는 통상적으로 약 0.35 db/km 이하, 바람직하게는 약 0.21 db/km 및 그 이하의 감쇠를 갖는다. 이 방법은 타블렛이 각각 도프될 수 있어서, 증폭 도판트, 도판트의 방사상 위치, 섬유 길이를 따라 도판트 농도를 선택하는데 있어서 유연성을 제공할 수 있기 때문에 바람직하다. 또한, 이 방법은 섬유의 양의 분산 소길이 및 음의 분산 소길이가 서로 다른 굴절률 프로파일 및 서로 다른 유효면적을 갖는 실시예에서도 바람직하다. 예를 들어, 양의 분산 소길이중 하나는 음의 분산 소길이와 다른 수의 코어 세그먼트를 가질 수 있다. 따라서, 상기 타블렛 방법은 소길이의 코어의 성질을 변화시키는 매우 유연한 방법을 제공하게 된다.
넓게 변하는 굴절률 프로파일은 도파관 분산을 조절하여 섬유 길이를 따라 총분산을 변화시키기 위해 필요한 유연성을 제공할 수 있다. 이러한 프로파일이 미국특허 제 4,715,679호, 제 5,483,612호, 제 5,613,027호, 제 5,684,909호 및 제 5,715,346호에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 도파관에 필요한 특성을 제공하는 굴절률 프로파일 세트의 예는 소정의 굴절률 프로파일을 가진 중앙부와, 상기 중앙부를 감싸는 다른 굴절률 프로파일을 가진 적어도 하나의 환상부를 포함하는 코어 영역을 가진 것이다. 상기 환상부는 피복에 의해 둘러싸인다. 이러한 형태의 프로파일을 가진 광섬유는 세그먼트형 코어 섬유로 불리운다. 상기 중앙부는 알파 프로파일, 즉 n(r)=n0[1-△(r/a)α]로 표시되는 프로파일을 가질 수 있으며, 여기서, n은 굴절률이고, n0는 최대 굴절률이며, r은 반경 변수이고, a는 섬유 코어 직경이며, △는 굴절률이고, α는 제로보다 큰 수이다. 용어 △는 (n1 2-n2 2)/2n1 2에 의해 결정되며, 여기서, n1은 코어 영역의 최대 굴절률이고, n2는 피복 글라스층의 굴절률이다.
사용가능한 프로파일이 미국 특허 제 5,623,027호의 도 1, 도 2a 내지 도 2e, 도 3에 도시되어 있다. 일반적으로, 이러한 프로파일은 하나 또는 그 이상의 환상 영역으로 둘러싸인 중앙 코어 영역을 갖는 특징이 있되, 각각의 영역은 일정한 굴절률 또는 가변 굴절률 프로파일을 갖는다. 도파관이 추구하는 다른 광학특성 및 특정 분산 세트에 따라, 상기 환상 영역은 더 내부에 있는 코어의 영역보다 더 낮거나 높은 굴절률을 가질 수 있다. 본 발명이 특정 굴절률 프로파일 또는 프로파일 세트에 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.
교번 굴절률 프로파일이 본 발명의 범주에 속함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 제조를 용이하고 단순화시키기 위해, 본 발명의 분산 관리형 섬유는 피복 글라스 굴절률과 대체로 동일한 굴절률을 가진 일정한 중앙부를 본질적으로 포함하는 굴절률 프로파일을 가질 수 있으며, 이웃한 환상 굴절률 부분은 라운드진 스텝 굴절률이다. 교번 프로파일은 상기 코어 굴절률 부분이 피복 굴절률보다 낮은 프로파일을 포함한다.
일실시예에서, 라만 증폭 및 에르븀 증폭을 제공하기 위한 소정의 시스템 작동범위는 약 1285㎚ 내지 1620㎚이다. 물론, 라만 증폭의 파장은 펌프 레이저의 파장 및 섬유의 원료가 되는 물질의 라만 변화에 좌우된다. 다른 바람직한 작동범위는 약 1525㎚ 내지 1620㎚이다. 도파관 섬유의 소길이에서 분산의 절대값은 바람직하게 약 0.5 ps/㎚-㎞보다 크다. 이러한 시스템에서, 통신 신호는 전송 파장범위에서 양 또는 음의 값인 비제로 분산 도파관 섬유에서 대체로 항상 이동하게 됨으로써, 4파 혼합을 방지하게 된다. 그러나, 전체 시스템 총분산은 본질적으로 제로로 유지될 수 있으므로, 총분산으로 인한 신호 감쇠는 거의 일어나지 않거나 전혀 일어나지 않는다. 일실시예에서, 전송 파장범위는 바람직하게 4㎚를 초과하고, 다른 실시예에서 바람직하게는 10㎚를 초과하며, 더욱 바람직하게는 20㎚를 초과한다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 도파관 섬유의 교번 소길이 사이의 분산은 작동파장범위에서 양 및 음의 값으로 변할 뿐만 아니라, 분산 기울기의 부호도 교번 섹션간에 변한다. 도 3a에서, y축은 분산에 해당하고, x축은 섬유 길이에 해당한다. 도 3b에서, y축은 분산 기울기에 해당하고, x축은 섬유 길이에 해당한다. 바람직하게, 도 3b에 도시된 바와 같이, 파장 분할 멀티플렉스된 시스템의 성능을 최적화시키기 위해, 기울기의 부호는 분산의 부호와 일치하여야 하며, 이는 더 넓은 시스템 작동파장범위를 제공하게 된다. 여기에 사용된 바와 같이, 분산 기울기는 ps/㎚-㎞2로 표현되는 파장 곡선에 대한 분산의 기울기이다. 다른 바람직한 실시예에서, 양의 분산 섹션에서 분산 기울기에 대한 분산의 비는 넓은 파장범위에서 분산의 균형을 맞추도록 음의 분산 섹션에서 분산 기울기에 대한 분산의 비와 거의 동일하다. 이러한 특성은 솔리톤 전송에 사용되는 섬유에 특히 유리하다.
본 발명의 일실시예에서, Er3+와 같은 희토류 도판트의 희석 농도를 유도하고 상기 도판트로부터 자극방출함으로써 분산 관리형 섬유에서 배분 증폭이 이루어진다. 분산 증폭은 자극된 라만 스캐터링에 의해 이루어질 수 있는데, 이 때, 증폭을 제공하기 위한 도판트는 필요하지 않지만, 섬유는 효과적으로 배분된 라만 증폭용으로 설계된다. 선택적으로, 라만 증폭과 희토류 도판트로부터의 자극 방출의 조합이 배분 증폭을 제공할 수 있다.
희토류 도판트의 희석 농도가 도파관 섬유의 하나 또는 양측 교호 섹션 또는 상기 섬유내의 교호 소길이의 서로 다른 방사상 위치에 배치될 수 있다. 또한, 코어가 다수개의 환상 세그먼트를 갖도록 설계되어 큰 유효면적을 가진 분산 관리형 섬유에서, 알루미나 동시 도핑을 이용하여 이득 평탄도와 같은 증폭 변수를 최적화시키는 것이 더 용이하다. 이와 같이 넓은 유효면적을 가진 섬유 구조는 섬유의 중심선으로부터 멀리 떨어진 알루미나를 배치하는데 있어서 유연성을 제공하며, 이는 잠재적으로 손실을 감소시킨다. 또한, 상기 희토류 도판트는 섬유의 중심선으로부터 멀리 떨어져 배치될 수 있기 때문에, 제어가 용이한 더 높은 도판트 농도가 사용될 수 있다. 상기 도판트의 적당한 농도 및 방사상 위치는 실험 또는 모델링에 의해 결정될 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 본 발명의 도파관 섬유의 다양한 방사상 위치에 희토류 도판트를 배치시키는데 있어서 유연성의 예시적 실시예를 나타낸다. 도 2b 및 도 2c는 도파관 반경에 대한 △%를 나타낸 그래프로서, △%는 등식 △%=(n1 2-nc 2)/2n1 2로 정의된 굴절률의 상대값을 의미하며, 상기 nr은 제 1 영역에서 최대 굴절률이고, nc은 제 1 영역을 둘러싼 영역의 굴절률이다. 도 2a에서 소길이(12)에 해당하는 도 2b에 도시된 바와 같이, 희토류 도판트가 지점(16), 즉 도파관 섬유 소길이의 방사상 중심선에 배치된다. 도 2a의 섹션(14)에 해당하는 도 2c에서, 상기 도파관 섬유는 서로 다른 굴절률 프로파일을 갖되, 중심 코어영역(15)은 환상영역(19)로 둘러싸인 환상영역(17)에 의해 둘러싸인다. 상기 희토류 도판트는 도파관 섬유 소길이의 방사상 중심선으로부터 멀리 떨어진 지점(18)에 배치된다.
다른 실시예에서, 솔리톤 전송에 사용되는 도파관은 펄스 타이밍 지터를 저감시키는 최대 펄스 에너지 증강 인자를 얻기 위해 전이 섹션에서만 배분 증폭을 이용하는 것이 유리하다. 여기에 사용된 바와 같이, 에너지 증강 인자는 분산이 일정한 섬유에서 전송되는 솔리톤과 비교하여 분산 관리형 섬유에서 안정적인 전송에 필요한 펄스 에너지의 증가를 의미한다.
본 발명은 본 발명의 분산 관리형 섬유를 이용하는 광학 시스템을 더 포함한다. 예시적인 시스템이 도 4에 도시되어 있다. 배분 증폭이 구비된 분산 관리형 섬유의 2개의 링크만이 도 4에 도시되어 있으나, 링크의 수가 더 클 수 있음을 알 수 있을 것이다. 유사하게, 전송기(20)는 도파관 매체(21)에 광학적으로 접속되며, 수신기(42)도 별도의 도파관 매체에 광학적으로 접속된다. 도파관 매체(21)는 광섬유, 공극 또는 광파 신호를 전송하기에 적당한 도파관 장치일 수 있다. 도 4에 도시된 각각의 링크는 배분 증폭이 구비된 분산 관리형 섬유의 각 경간과 커플링 엘리먼트를 통해 광학적으로 접속된 펌프 레이저를 포함하되, 상기 레이저는 섬유의 최소 내재 손실을 상쇄하기 위해 섬유의 전체 경간을 펌핑하게 된다.
제 1 링크는 배분 증폭(26)이 구비된 단일 분산 관리형 섬유의 경간을 포함하되, 상기 경간에는 전송된 신호를 양방향으로 펌핑하기 위한 펌프 레이저(24)가 커플러(22)를 통해 광학적으로 접속되며, 전송된 신호를 역방향으로 펌핑하기 위한 펌프 레이저(32)가 커플러(28)를 통해 광학적으로 접속된다. 제 2 링크는 배분 증폭(34)이 구비된 분산 관리형 섬유의 경간을 포함하되, 상기 경간에는 전송된 신호를 양방향으로 펌핑하기 위한 펌프 레이저(32)가 커플러(30)를 통해 광학적으로 접속되며, 전송된 신호를 역방향으로 펌핑하기 위한 펌프 레이저(36)가 커플러(38)를 통해 광학적으로 접속된다. 단일 펌프 레이저(32)가 하나의 링크에 양방향 펌핑을 제공하고 다른 링크에 역방향 펌핑을 제공하는 것으로 도시되어 있으나, 별도의 펌프 레이저가 이 2가지 기능을 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
일실시예에서, 각각의 펌프 레이저는 도파관 섬유에서 에르븀과 같은 희토류 도판트로부터의 방출을 자극하기 위한 펌핑을 제공한다. 선택적 실시예에서, 상기 펌프 레이저는 라만 증폭을 일으키는 펌핑을 제공할 수 있다. 라만 증폭 또는 에르븀으로부터 자극 방출에 의한 증폭을 모두 제공하기 위해 추가적인 펌프 레이저가 사용될 수 있다. 본 발명이 특수한 펌핑 구조에 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.
상기 펌프 레이저는 분산 관리형 섬유의 경간의 순서에 따라 전송된 광파 신호의 파장을 증폭시키는 펌프 파장을 제공하도록 선택된다. 예를 들어, 에르븀으로 엷게 도포된 분산 관리형 섬유는 약 1530㎚ 내지 1620㎚ 범위의 광파 신호를 증폭시키기 위해 약 980㎚ 또는 1480㎚ 파장 범위의 펌프 신호를 필요로 한다. 1480㎚ 의 펌프 신호는 섬유의 수동 손실을 최소화시키기에 적합하며, 이는 980㎚의 펌프 신호보다 더 낮다. 펌프 신호와 전송 파장 신호 사이의 파장 분할이 적절하게 선택되는 경우, 증폭이 라만 효과에 의해 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다. 얻어지는 라만 이득의 양은 섬유에 제공된 펌프 파워의 양에 비례한다. 또한, 본 발명은 라만 증폭만으로 배분 증폭이 이루어진 시스템을 포함한다.
증폭이 라만 증폭에 의해 이루어지는 실시예에 있어서, 도파관 섬유는 배분 에르븀 증폭이 사용된 섬유보다 더 작은 유효면적을 갖는 것이 바람직하다. 에르븀 도프 배분 증폭이 구비된 분산 관리형 섬유에서, 섬유의 유효면적은 50 평방 마이크론보다 더 클 수 있다. 라만 증폭을 이용한 실시예에서, 분산 관리형 섬유의 유효면적은 바람직하게 약 50 평방 마이크론 이하이고, 더억 바람직하게는 30 평방 마이크론 이하이다. 라만 증폭은 강도에 따라 좌우되고, 더 큰 유효면적의 도파관 섬유는 더 낮은 펌프 파워 강도를 가질 것이기 때문에, 솔리톤 전송에는 유효면적이 더 작은 것이 바람직하다. 50 평방 마이크론 이하의 유효면적을 가진 도파관 섬유를 이용하는 시스템에서는 솔리톤 전송이 바람직하다. 이는 유효면적이 더 작은 섬유가 4파 혼합과 같은 비선형성과 관련된 많은 문제점을 일으키는 더 높은 신호 강도를 갖기 때문이다. 솔리톤은 NRZ 포멧보다 비선형성에 덜 민감하다.
본 발명은 종래의 도파관 섬유 구조에 비해 저감된 4파 혼합 파워 손실 및 배분 증폭을 가진 섬유의 잇점을 제공한다. 동시에, 고성능 도파관 섬유의 바람직한 특징, 예를 들어, 낮은 감쇠, 큰 유효면적, 마크론벤딩 및 마이크로벤딩 손실에 대한 향상된 저항성은 유지된다. 양의 분산 및 음의 분산으로 교호하는 섹션의 넓은 유효면적은 증폭 최적화에 있어서 추가적인 자유도를 제공한다. 예를 들어, 각각의 교호 섹션에서, 도판트 전환 레벨, 농도 및 이득은 독립적으로 설정될 수 있다.
이러한 특징의 장점을 알기 위해, 희토류 도프 증폭으로부터 이득을 이해할 필요가 있으며, 이는 금칙으로 알려진 하기의 식에 의해 결정된다. 즉, GdB=L[(g*+α)＜n2＞-α], 여기서, GB는 dB단위의 증폭기 이득이고, L은 섬유 길이이며, g*는 완전 전환이득상수이고, α는 도판트 이온으로 인한 소신호 손실 상수이며, ＜n2＞는 평균 전환계수이다. g*과 α는 신호파장에 따라 측정가능한 섬유의 고유 성질이며, 도핑 레벨에 따라 결정된다. 상기 평균전환은 신호와 펌프 파워 및 그들의 파장에 따라 결정된다.
상기 금칙은 배분 증폭기를 통해 전파를 과도하게 구속할 수 있다. 예를 들어, 배분 에르븀 도프 섬유 증폭기 길이, 즉 L은 특히 기존 네트워크를 업그레이드하기 위해 통상적으로 미리 설정된다.
또한, 파장 분할 멀티플렉스 전송이 바람직할 경우, 이득 평탄도에 대한 최적의 구조 변환 레벨(＜n2＞)이 존재한다. 전체 시스템이 광학적으로 투명하기 때문에, GdB=0이다. 상기 금칙으로부터, 에르븀 도핑 농도, g*및 α는 고정된다. 일단 도판트 레벨이 결정되면, 신호 파워 반진폭에 대한 영향이 고정된다는 것이 잠재적 결함이다. 안정한 전송을 위해 최적의 파워 반진폭을 독립적으로 설계할 수 없다. 즉, 신호 전송 최적화를 위한 매개변수공간은 한정된다.
그러나, 분산 관리형 링크에서, 더 많은 자유도가 존재한다. 배분 증폭 링크가 구비된 총분산 관리형 섬유에서 누적 이득을 제로로 유지하는 경우, 에르븀 도핑 종도 및 각각의 교호 섬유 섹션의 길이는 독립적으로 설정될 수 있다. 일예로, 이득은 광학적 비선형성의 누적 효과를 최소화하기 위해 더 큰 유효면적을 가진 섬유 섹션에서 더 커질수 있다.
제 2 실시예는 증폭을 위해 최적화된 짧은 섹션과, 이와 교호하며 신호 왜곡을 저감시키기 위해 최적화된 긴 섹션을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 상기 짧은 섹션은, 특히 알루미나로 동시 도포된 경우, 더 나은 펌프 광/에르븀 겹침을 위해 더 작은 유효면적과, 더 높은 손실을 갖도록 설계된다. 이 실시예에서, 긴 섹션은 더 낮은 손실과 더 큰 유효면적을 갖도록 설계된다. 상기 짧은 섹션과 긴 섹션의 총 링크는 순제로분산을 갖도록 설계되지만, 배분 증폭기를 가진 표준 시스템보다유효면적은 더 넓고 누적 손실은 더 낮다. 따라서, 교호하는 섬유 섹션을 가짐으로써, 증폭과 전파를 최적화하는 2개의 새로운 변수를 유도하게 된다.
분산 관리형 섬유 링크에 배분 증폭을 제공함으로써 전송 시스템에서의 솔리톤 전파를 최적화하게 된다. 분산 관리형 섬유를 통한 솔리톤 전파가 고든-하우스 타이밍 지터를 낮추고 신호대 잡음비를 감소시키는 것이 최근에 발견되었다. 분산 보상 섬유를 이용하여 표준 단일모드 섬유를 따라 솔리톤을 1550㎚로 전송하는 것이 가능하다. 이 기술은 솔리톤 불안정이 시작되기 전에 더 큰 증폭기 경간을 허용하지만, 배분 증폭의 추가가 그 결과를 더욱 개선하게 된다. 전술한 바와 같이, 솔리톤 전송 시스템의 예는 도파관 섬유의 전이 섹션에서만 배분 증폭을 포함한다.
솔리톤은 자기위상변조 및 섬유 분산의 국소적 균형에 의해 일정 분산 섬유에서 형성된다. 섬유를 따라 펄스가 전파할 때, 분산은 상기 펄스에서 광학위상변경을 일으키고 이는 주파수 첩(chirp)을 야기하게 된다. 비정상 분산 섬유에서 주파수 첩의 부호, 즉 D(ps/㎚-㎞)＞0는 자기위상변조로 알려진 섬유 비선형성에 의한 부호와 반대이다. 정상 분산 섬유에서 주파수 첩의 부호, 즉 D(ps/㎚-㎞)＜0는 자기위상변조로 알려진 섬유 비선형성에 의한 부호와 동일하다. 따라서, 이들 두가지 효과의 균형을 맞추고 주파수 첩을 제거하는 것은 비이상 분산에 대해서만 이루어진다. 완전 제거는 단일채널 파워레벨에서 발생하며, 일시적 스펙트럼 불변성을 야기하게 된다.
이와 대조적으로, 분산 관리형 섬유를 통한 펄스 전송은 일시적이거나 스텍트럼상에서 불변하지 않는다. 펄스는 도 5a 및 도 5b에서 볼 수 있는 바와 같이 큰 국소적 분산에 반응한다. 상기 펄스는 펄스 폭 및 스텍트럼 대역폭에서 주기적인 진동을 겪는다. 일시적 폭은 모든 양 또는 음의 분산 섹션의 중간에서 최소화되고, 이들 섹션사이의 전이 섹션에서 최대화된다. 반면에, 스펙트럼 진폭은 양의 분산 섹션의 중간에서 최대가 되고, 음의 분산 섹션의 중간에서 최소가 된다. 큰 국소적 분산 변화에 대한 펄스의 반응과 함께, 자기위상변조는 펄스 변화의 전체적 주기성을 유지하기 위해 광역적으로 작용한다. 펄스 대역폭의 비대칭 특성은 자기위상변조는 음의 분산 섹션보다 대역폭이 더 큰 양의 분산 섹션에서 더 강하다는 것을 의미한다. 양의 분산 섹션만을 선택적으로 증폭함으로써, 더 많은 자기위상변조가 발생하며, 이는 음의 분산 섹션에서 음의 분산을 더 많이 보상하게 된다. 이와 같은 분산/자기위상변조의 균형은 양의 분산 영역에서의 전파만을 허용하는 것아니고 약 -0.05 ps/㎚-㎞ 이하인 음의 평균분산이 솔리톤이 전파할 수 있는 파장 범위를 연장하고 WDM에 더 많은 채널을 제공하는 것을 허용하게 된다.
더 넓은 양 및 음의 분산값에서의 펄스 전송이 파장 분할 멀티플렉스 RZ에서 작동파장을 증가시키는데 유리하다. 본 발명의 일실시예는 섬유의 양의 분산 섹션을 바람직하게 도핑한다. 이 섹션에서의 바람직한 증폭은 자기위상변조의 효과를 증대시켜 더 큰 음의 분산값에서도 안정적인 신호전송을 허용하게 된다. 이는 더 많은 파장 채널이 증가된 작동파장 대역폭내에 존재할 수 있도록 한다.
도 5a 및 도 5b는 분산 관리형 섬유에서 펄스의 브레딩 특성을 나타낸 것이다. 도 5a는 단위 펄스의 폭을 단위 섬유 길이의 함수로서 나타낸 것이고, 도 5b는 단위 펄스의 해당 피크 강도를 단위 섬유 길이의 함수로 나타낸 것이다. 용어 "+D 섹션"과 "-D 섹션"은 양과 음의 분산 섬유사이의 경계 또는 전이 영역(이 경우에는 불연속)을 나타낸다. 펄스 폭과 그 강도는 모두 섬유 분산 맵과 동일한 주기를 가진 길이의 주기함수이다. 이들은 서로 접속되며 비대칭관계를 갖는다. 분산 섹션의 계면과 중간에서, 이들 변수는 극한값에 도달하며, 상기 펄스폭은 중간에서 최소값계면에서 최대값을 가지며, 피크 파워는 중간에서 최대값을 갖고 계면에서 최소값을 갖는다. 이러한 주기적 펄스 진폭은 높은 국소분산의 섭동효과 때문이다. 더 긴 길이에서의 펄스 안정성을 위해 비선형성, 즉 자기위상변조가 필요하다. 높은 국소 분산이 단일 및 다중 파장에 대한 유리한 펄스 전송을 일으키는 브레딩 특성을 야기한다.
각각의 분산 관리형 섬유 섹션내에서 증폭이 정확하게 선택된 적당한 섬유가 펄스 폭 진폭을 제어하게 된다. 진동의 원인은 펄스 자기위상변조와 섬유 분산간의 불일치이기 때문에, 배분 증폭을 통해 펄스의 피크 강도를 제어함으로써 더 균형을 이룰 수 있다. 펄스 폭 및 강도에서의 더 낮은 변동이 증가된 공차를 증폭기 경간 변화로 바꾸게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 ㅏ증폭은 라만 증폭으로 이루어질 수 있다. 라만 증폭의 장점중 하나는 도파관 섬유의 도판트로 인해 과도한 흡수가 없어서 손실도 없다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따르면, 에르븀과 같은 희토류 도판트의 추가 또는 라만 증폭 또는 이들의 조합이 배분 증폭에 사용된다.
당해 작동파장범위는 약 1285㎚ 내지 1620㎚ 이고, 이 범위는 1550㎚ 부근의 저감쇠 작동 윈도우를 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이 파장범위에 한정되지 않음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않는 다양한 변경과 변형이 이루어질 수 있음을 당업자는 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범위와 그 동등물에 속하는 본 발명의 변경 및 변형을 모두 포함한다.

Claims (39)

  1. 전송파장범위에서 광신호를 전송하기 위한 단일 분산 관리형 광도파관 섬유로서,
    소정의 굴절률 프로파일을 가진 코어 글라스 영역을 포함하되, 상기 코어 글라스 영역은 당해 코어 글라스 영역의 굴절률 프로파일중 적어도 일부보다 더 낮은 굴절률(nc)을 가진 피복 글라스 층으로 둘러싸이며, 상기 도파관 섬유는 도파관의 길이를 따라 양에서 음으로 음에서 양으로 부호가 변하는 총분산을 가지며,
    상기 도파관 섬유는 전송파장범위에서 양의 총분산을 가진 소길이(li)와, 전송파장범위에서 음의 총분산을 가진 소길이(lj)를 포함하고,
    상기 소길이(li또는 lj)중 적어도 하나는 자극방출에 의해 상기 전송파장에 증폭을 제공하기에 충분한 희토류 도판트 이온의 희석 농도를 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유는 총분산이 양에서 음으로 또는 음에서 양으로 변하는 전이 소길이(lt)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이의 분산의 절대값의 평균은 전송파장범위에서 0.5 ps/㎚-㎞ 이상이고, 상기 음의 분산 소길이의 분산의 절대값의 평균은 0.5 ps/㎚-㎞ 이상인 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 전송파장범위는 4㎚를 초과하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전송파장범위는 20㎚를 초과하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 희토류 도판트 이온은 에르븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 희토류 도판트 이온은 에르븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이(li)에서 희토류 도판트 이온의 방사상 위치는 음의 분산 소길이(lj)에서 도판트 이온의 방사상 위치와 다른 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 도판트 이온의 농도는 도파관 섬유의 길이에서 대체로 균일한 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이(li)만이 희토류 도판트 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 도파관 섬유에서 솔리톤 전송은 전송된 파장의 분산이 약 -0.05 ps/㎚-㎞ 이하일 때 향상되는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 음의 분산 소길이(lj)만이 희토류 도판트 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  13. 제 2 항에 있어서, 상기 소길이(lt)만이 희토류 도판트 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 도파관 섬유는 솔리톤 신호 펄스를 이용한 원거리통신 시스템용으로 설계된 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 도판트 이온의 자극이 신호 펄스의 증폭을 야기함으로써, 신호 펄스의 피크 강도는 펄스 폭의 진폭을 조절하기 위해 제어되는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 전이 소길이(lt)에서의 증폭이 솔리톤 전송 시스템에서 펄스 타이밍 지터를 감소시키도록 설계되는 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 소길이(li)의 굴절률 프로파일은 소길이(lj)의 굴절률 프로파일과 다르고, 소길이(li)에서 도판트 이온의 방사상 위치는 소길이(lj)에서 도판트 이온의 방사상 위치와 다른 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이(li)에서 분산 기울기는 양이고, 음의 분산 소길이(lj)에서 분산 기울기는 음인 것을 특징으로 하는 분산 관리형 광도파관 섬유.
  19. 제 1 전송파장범위에서 제 1 광파 신호를 전송하기 위한 광학 시스템으로서,
    소정의 굴절률 프로파일을 가진 코어 글라스 영역을 포함하되, 상기 코어 글라스 영역은 당해 코어 글라스 영역의 굴절률 프로파일중 적어도 일부보다 더 낮은 굴절률(nc)을 가진 피복 글라스 층으로 둘러싸이며, 당해 도파관의 길이를 따라 양에서 음으로 음에서 양으로 부호가 변하는 총분산을 가지며, 전송파장범위에서 양의 총분산을 가진 소길이(li)와, 전송파장범위에서 음의 총분산을 가진 소길이(lj)를 포함하고, 상기 소길이(li또는 lj)중 적어도 하나는 자극방출에 의해 상기 전송파장에 증폭을 제공하기에 충분한 희토류 도판트 이온의 희석 농도를 포함하는 단일 분산 관리형 광도파관 섬유; 및
    상기 광도파관 섬유에 광학적으로 접속되어, 제 1 파장의 도판트 이온으로부터 자극방출시키기 위한 제 2 파장의 제 1 펌프 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 섬유는 총분산이 제 1 분산값 범위의 값에서 제 2 분산값 범위의 값으로 변하는 전이 소길이(lt)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이의 분산의 절대값의 평균은 전송파장범위에서 0.5 ps/㎚-㎞ 이상이고, 상기 음의 분산 소길이의 분산의 절대값의 평균은 0.5 ps/㎚-㎞ 이상인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 전송파장범위는 4㎚를 초과하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 전송파장범위는 20㎚를 초과하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 희토류 도판트 이온은 에르븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 희토류 도판트 이온은 에르븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  26. 제 19 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이(li)에서 희토류 도판트 이온의 방사상 위치는 음의 분산 소길이(lj)에서 도판트 이온의 방사상 위치와 다른 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  27. 제 19 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이(li)만이 희토류 도판트 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 양의 분산 소길이(lj)에서 희토류 도판트 이온의 자극 방출은 약 -0.05 ps/㎚-㎞ 이하의 분산 범위에서 신호 전송을 향상시키는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  29. 제 14 항에 있어서, 상기 음의 분산 소길이(lj)만이 희토류 도판트 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  30. 제 19 항에 있어서, 상기 소길이(li)의 굴절률 프로파일은 소길이(lj)의 굴절률 프로파일과 다르고, 상기 소길이(li)에서 도판트 이온의 방사상 위치는 소길이(lj)에서 도판트 이온의 방사상 위치와 다른 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  31. 제 20 항에 있어서, 상기 소길이(lt)만이 희토류 도판트 이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 도파관 섬유는 솔리톤 신호 펄스를 이용한 원거리통신 시스템용으로 설계되고, 상기 희토류 도판트 이온으로부터의 자극방출이 전이 소길이(lt)에 증폭을 야기하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 도판트 이온의 자극이 신호 펄스의 증폭을 야기함으로써, 신호 펄스의 피크 강도는 펄스 폭의 진동을 억제하기 위해 제어되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  34. 제 19 항에 있어서, 상기 양의 분산 섹션(li)에서 분산 기울기는 양이고, 음의 분산 섹션(lj)에서 분산 기울기는 음인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  35. 제 19 항에 있어서, 상기 광도파관 섬유에 광학적으로 접속되어, 라만 스캐터링을 자극하기 위한 제 3 파장의 제 2 펌프 소스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  36. 제 1 파장범위에서 제 1 광파 신호를 전송하기 위한 광학 시스템으로서,
    소정의 굴절률 프로파일을 가진 코어 글라스 영역을 포함하되, 상기 코어 글라스 영역은 당해 코어 글라스 영역의 굴절률 프로파일중 적어도 일부보다 더 낮은 굴절률(nc)을 가진 피복 글라스 층으로 둘러싸이며, 당해 도파관의 길이를 따라 양에서 음으로 음에서 양으로 부호가 변하는 총분산을 가지며, 전송파장범위에서 양의 총분산을 가진 소길이(li)와, 전송파장범위에서 음의 총분산을 가진 소길이(lj)를 포함하는 단일 분산 관리형 광도파관 섬유; 및
    상기 광도파관 섬유에 광학적으로 접속되어, 제 1 파장의 광파 신호의 라만 스캐터링에 의해 증폭을 야기하는 제 2 파장의 제 1 펌프 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 섬유는 총분산이 제 1 분산값 범위의 값에서 제 2 분산값 범위의 값으로 변하는 전이 소길이(lt)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 섬유는 약 50 평방 마이크론 이하의 유효면적을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 섬유는 약 30 평방 마이크론 이하의 유효면적을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
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