KR20030026696A - 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치 - Google Patents

광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따라 각각 여기된 이온의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 제1 및 제2 증폭 광섬유를 구비하는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치는, 제1 및 제2 단을 구비하며 상기 제1 단을 통해 상기 제1 증폭 광섬유로부터 출력된 증폭된 광신호를 수신하는 제1 단부와; 제3 및 제4 단을 구비하며 상기 제 4단을 통해 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 증폭 광섬유로 출력하는 제2 단부와; 제1 및 제3 단을 연결하는 제1 연결부, 제2 및 제4 단을 연결하는 제2 연결부 및 소정의 파장 대역에서 기설정된 이득 그래프를 가지는 적어도 하나의 반사형 격자를 구비하며, 서로 인접하게 위치한 상기 제1 및 제2 연결부의 부분들로 구성된 적어도 하나의 커플링 영역을 통해 상기 제1 연결부로 진행하는 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 연결부로 결합하고, 상기 반사형 격자에 의해 반사된 상기 증폭된 광신호 중 일부를 상기 제2 단을 통해 출력하는 광결합부를 포함한다.

Description

광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치{GAIN FLATTENING DEVICE OF A FIBER AMPLIFIER}
본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 특히 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치에 관한 것이다.
파장분할 다중화 방식의 광전송을 위해서는 파장과 출력이 안정화된 광송신기와 다수의 파장을 다중화하기 위한 다중화기, 다중화된 파장 대역에서 파장에 따른 균일한 이득 특성을 갖는 광섬유 증폭기 등이 요구된다. 특히 고밀도 파장분할 다중화용 어븀첨가 광섬유 증폭기는 각 파장별 이득과 잡음 특성이 같아야 하는데, 이는 각 파장별 신호에 대한 이득과 잡음 특성이 다를 경우에 파장별로 크기가 같은 다중화된 광신호가 입력되더라도 여러 단의 증폭기를 거친 후에는 그 차이가 누적되어 각 파장별 신호대 잡음비가 악화됨에 따라서, 수신단에서 광신호를 검출할 때 각 파장별로 큰 오류율의 차이를 나타낼 수 있기 때문이다. 따라서, 파장분할 다중 방식의 광전송에서는 어븀첨가 광섬유 증폭기의 이득 평탄화가 매우 중요함을 알 수 있다.
어븀첨가 광섬유 증폭기의 이득 평탄화를 이루기 위하여 주로 사용하는 방법으로는 간섭 필터, 처핑된 브래그 격자(chirped Bragg grating), 장주기 광섬유 격자 등을 어븀첨가 광섬유의 끝단 필터(end filter)로 사용하는 방법이 있다.
도 1은 종래의 이득 평탄화 필터를 구비한 어븀 첨가 광섬유 증폭기를 나타내는 도면이다. 도시된 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 어븀 첨가 광섬유(150) 내로 진행하는 광신호를 상기 어븀 이온의 밀도 반전(population inversion)을 이용하여 증폭시킨다. 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 광신호의 전송 매체인 광섬유(110)와, 역행하는 광을 차단하기 위한 제1 및 제2 광아이솔레이터(optical isolator, 120 및 180)와, 상기 광신호를 증폭시키는 어븀 첨가 광섬유(150)와, 상기 어븀 첨가 광섬유(150) 내의 어븀 이온을 여기시키기 위한 펌핑광을 출력하는 제1 및 제2 펌핑 광원(140 및 170)과, 상기 펌핌광을 상기 광섬유(110)로 결합하는 제1 및 제2 광결합기(130 및 160)와, 이득 평탄화 필터(gain flattening filter, 190)로 구성된다. 도 1에서는, 9 채널(channel)의 광신호가 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기로 입력되어 증폭된 후, 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기에서 출력된 광신호의 채널별 이득이 일정치 않게 되는 것을 도시되어 있다. 이는, 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 파장별 이득값이 하나의 값을 가지지 못한다는데 기인한다. 현재, 광통신은 파장 분할 다중 시스템(wavelength division multiplexing system)을 채택하여 다수의 채널들을 하나의 광섬유를 통하여 송신 또는 수신하고 있으며, 상기 채널들의 파장 간격은 사용 가능한 파장 대역의 제한으로 인하여 점점 좁아지고 있는 추세이다. 따라서, 상술한 바와 같이 각 채널별 광세기가 일정치 않다면, 잡음 또는 채널들 간의 간섭 등으로 인하여 상기 채널로 전송되는 정보의 손실 위험이 커지게 된다.
상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 후단에 설치된 이득 평탄화 필터(190)는 상기 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 파장에 따른 이득 그래프를 평탄화한다. 상기 이득 평탄화 필터(190)를 구성하는 각 장주기 광섬유 격자(195)는 중심 파장에서 피크치(peak value)를 나타내는 가우시안 함수(Gaussian-like function) 형태의 이득 그래프를 가진다. 전송되는 광신호의 사용 파장 대역이 좁은 경우에는 하나의장주기 광섬유 격자(195)만으로도 이득 평탄화를 할 수 있으나, 사용 파장 대역이 넓은 경우에는 다수의 장주기 광섬유 격자들(195)을 조합하여 사용한다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 종래의 어븀첨가 광섬유 증폭기는 상기 이득 평탄화 필터(190)를 끝단 필터로 사용하기 때문에, 중도 필터(midway filter)를 사용하는 경우에 비하여 상기 어븀첨가 광섬유 증폭기의 이득을 크게 감소시킨다는 문제점이 있다.
또한, 상기 이득 평탄화 필터(190)를 구성하는 장주기 격자(195)는 온도 변화에 민감하게 반응하는 특성을 가지므로, 주변 환경 변화에 따라 상기 어븀첨가 광섬유 증폭기의 이득 특성이 악화될 수 있다는 문제점이 있다.
더욱이, 간섭 필터 또는 브래그 격자 격자와 같은 반사형 필터를 중도 필터로 사용하는 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 상기 반사형 필터로부터 반사되는 광신호의 차단에 어려움이 있다는 문제점이 있다. 이 때, 상기 반사된 광신호를 차단하기 위하여 광아이솔레이터를 사용할 수도 있으나, 상기 광아이솔레이터는 고가의 제품이기 때문에 전체 제작비가 증가하게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 이득 평탄화를 위해 중도 필터를 사용하면서 상기 중도 필터에서 반사된 광신호를 효과적으로 차단할 수 있는 구조를 가지는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 온도 변화에 따른 출력 특성의 변화가 미소하며, 제작비가 비교적 저렴한 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에 따라 각각 여기된 이온의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 제1 및 제2 증폭 광섬유를 구비하는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치에 있어서,
제1 및 제2 단을 구비하며 상기 제1 단을 통해 상기 제1 증폭 광섬유로부터 출력된 증폭된 광신호를 수신하는 제1 단부와;
제3 및 제4 단을 구비하며 상기 제 4단을 통해 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 증폭 광섬유로 출력하는 제2 단부와;
제1 및 제3 단을 연결하는 제1 연결부, 제2 및 제4 단을 연결하는 제2 연결부 및 소정의 파장 대역에서 기설정된 이득 그래프를 가지는 적어도 하나의 반사형 격자를 구비하며, 서로 인접하게 위치한 상기 제1 및 제2 연결부의 부분들로 구성된 적어도 하나의 커플링 영역을 통해 상기 제1 연결부로 진행하는 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 연결부로 결합하고, 상기 반사형 격자에 의해 반사된 상기 증폭된 광신호 중 일부를 상기 제2 단을 통해 출력하는 광결합부를 포함한다.
도 1은 종래의 이득 평탄화 필터를 구비한 어븀 첨가 광섬유 증폭기를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 이득 평탄화 장치를 구비한 어븀첨가 광섬유 증폭기를 나타내는 도면,
도 3은 도 1에 도시된 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유의 이득 특성을 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 2에 도시된 처핑된 광섬유 격자를 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 2에 도시된 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 파장별 이득을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 어븀첨가 광섬유 증폭기를 나타내는 도면.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 이득 평탄화 장치를 구비한 어븀첨가 광섬유 증폭기를 나타내는 도면이다. 상기 어븀첨가 광섬유 증폭기는 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)와, 제1 및 제2 펌핑 광원(240 및 330)과, 제1 및 제2 광결합기(230 및 320)와, 상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)의 사이에 개재된 이득평탄화 장치(250, 260 및 290)로 구성된다.
상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)는 각각 여기된 어븀 이온의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하며, 상기 제1 또는 제2 펌핑 광원(240 및 330)은 상기 제1 또는 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)로 소정 파장의 펌핑광을 출력한다. 또한, 상기 제1 또는 제2 광결합기(230 및 320)는 상기 제1 또는 제2 펌핑 광원(240 및 330)으로부터 입력된 펌핑광을 상기 광섬유(210)에 결합시키며 상기 제1 어븀첨가 광섬유(220) 또는 상기 이득 평탄화 장치(250, 260 및 290)로부터 수신된 광신호를 그대로 통과시키는 기능을 수행한다. 상기 어븀첨가 광섬유 증폭기로 입력된 광신호는 상기 제1 어븀첨가 광섬유(220)에 의해 증폭된 후 상기 이득 평탄화 장치(250, 260 및 290)로 입력된다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)의 이득 특성을 설명하기 위한 도면이다. 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)의 개별적인 이득 곡선(410)과 전체 이득 곡선(420)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(230 및 340) 의 전체 이득 곡선(420)이 균일하지 못하기 때문에, 상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(230 및 340)에 입력되는 광신호의 파장별 세기 곡선이 균일하다 할지라도 상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(230 및340)에 의해 증폭된 광신호의 파장별 세기 곡선은 불균일하게 된다.
도 2를 참조하면, 상기 이득 평탄화 장치는 입력부(250)와, 출력부(290)와, 광결합부(260)로 구성된다. 상기 이득 평탄화 장치(250, 260 및 290)는 반도체 기판 상에 코아(core)와 상기 코아를 둘러싸는 클래드(clad)를 적층하여 형성된 광도파로 소자로 구현될 수 있다.
상기 입력부(250)는 제1 및 제2 단을 구비하며, 상기 제1 단을 통해 상기 제1 어븀첨가 광섬유(220)에서 출력된 증폭된 광신호를 수신한다. 이 때, 상기 제1 단은 상기 제1 어븀첨가 광섬유(220)에 연결되어 있으나, 상기 제2 단은 다른 소자와 연결되지 않는다. 이는, 상기 제2 단이 드롭단(drop end)의 기능을 수행하기 때문이며, 상기 제2 단으로 입력되는 광신호는 다른 소자로 전송되지 않고 소실된다. 도 2에는 상기 제2 단이 다른 소자가 연결되지 않는 것으로 도시되어 있으나, 상기 제2 단으로 입력된 광신호가 주변 소자에 영향을 미치는 것을 방지하기 위하여 광감쇠기와 같은 소자가 연결될 수도 있다.
상기 출력부(290)는 제3 및 제4 단을 구비하며 상기 제 4단을 통해 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 어븀첨가 광섬유(340)로 출력한다. 이 때, 상기 제 4단은 상기 제2 어븀첨가 광섬유(340)에 연결되어 있으나, 상기 제 3단은 다른 소자에 연결되지 않음을 알 수 있다. 상기 제3단은 상기 제2 단과 동일하게 드롭단의 기능을 수행한다.
상기 광결합부(280)는 상기 제1 및 제3 단을 연결하는 제1 연결부(300)와, 상기 제2 및 제4 단을 연결하는 제2 연결부(310)를 구비한다. 또한, 상기 제1 및제2 연결부(300 및 310)에서 다른 부분들에 비하여 서로 보다 인접하게 위치한 부분들은 커플링 영역(270)을 형성하며, 상기 커플링 영역(270)을 통해 상기 제1 연결부(300)로 진행하는 상기 증폭된 광신호가 상기 제2 연결부(310)로 결합된다. 이 때, 상기 결합 비율은 상기 커플링 영역(270)의 길이를 조절함으로써 결정되며, 도 2에서는 상기 결합 비율이 100%에 가깝도록 상기 커플링 영역(270)의 길이를 조절하였다. 즉, 상기 제1 어븀첨가 광섬유(220), 제1 단을 거쳐서 상기 커플링 영역(270)에 입력된 상기 증폭된 광신호는 상기 제1 연결부(300)에서 상기 제2 연결부(310)로 결합되며, 상기 제2 연결부(310)로 결합된 증폭된 광신호는 상기 제4 단을 거쳐서 상기 제2 어븀첨가 광섬유(340)로 입력된다. 상기 제2 어븀첨가 광섬유(340)는 상기 증폭된 광신호를 재증폭하여 출력한다.
상기 커플링 영역(270)에 형성된 처핑된 광섬유 격자(280)는 전체 길이에 대하여 격자 주기가 점차로 감소하거나 증가하며, 소정 파장 대역에 대하여 기설정된 이득 그래프를 가진다. 상기 처핑된 광섬유 격자(280)는 입력된 광신호의 일부를 상기 이득 그래프에 따라 반사시키며 상기 처핑된 광섬유 격자(280)로부터 반사된 광신호는 상기 제2 단을 통해 소실된다. 또한, 상기 처핑된 광섬유 격자(280)는 온도 변화에 대한 출력 특성이 안정적인 것으로 알려져 있다.
통상의 처핑되지 않은 광섬유 격자는 중심 파장을 중심으로 한 좁은 파장 대역의 광신호를 반사하며, 가우시안 함수 형태의 반사율 프로파일을 가진다. 이 때, 상기 광섬유 격자의 주기를 Λ, 중심 파장에 대한 상기 광섬유 코아의 유효굴절율을 neff, 그리고 중심파장을 λB라고 한다면, 하기 <수학식 1>이 성립한다.
상기 <수학식 1>에서 알 수 있다시피, 상기 처핑된 광섬유 격자(280)에서 그 격자 주기의 변화폭을 조절함으로써, 그 적용 가능한 파장 대역을 임의로 설정할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 처핑된 광섬유 격자(280)에서 소정 격자 주기를 가지는 부분의 길이를 조절함으로써, 소정 파장(상기 격자 주기에 해당)에 대한 이득을 임의로 설정할 수 있다.
도 4는 도 2에 도시된 처핑된 광섬유 격자(280)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에는 상기 처핑된 광섬유 격자(280)에 대한 중심 파장별 길이 비율을 나타낸 길이 비율 그래프가 도시되어 있다. 즉, 상기 길이 비율은 상기 처핑된 광섬유 격자(280)에서 소정 중심 파장을 가지는 부분의 길이가 전체 길이에 대하여 차지하는 비율을 나타낸다. 상기 길이 비율 그래프의 형태는 도 3의 하단에 도시된 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)의 전체 이득 그래프(420)와 유사한 형태를 가지도록 설정된다.
또한, 도 4에는 상기 처핑된 광섬유 격자(280)에 대한 중심 파장별 이득을 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 상기 이득 그래프는 상기 길이 비율 그래프에 따라 결정된다. 이 때, 상기 이득은 투과율을 이득으로 환산한 것에 해당한다.
도 5는 도 2에 도시된 어븀 첨가 광섬유 증폭기의 파장별 이득을 나타내는도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(220 및 340)의 전체 이득 그래프(420)와 상기 처핑된 광섬유 격자(280)의 이득 그래프(520)가 서로 중첩되어 균일한 이득 그래프(600)를 만들어 냄을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 어븀첨가 광섬유 증폭기를 나타내는 구성도이다. 상기 어븀첨가 광섬유 증폭기는 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(720 및 860)와, 제1 및 제2 펌핑 광원(740 및 850)과, 제1 및 제2 광결합기(730 및 840)와, 상기 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유(720 및 860)의 사이에 개재된 이득평탄화 장치(750, 760 및 810)로 구성된다. 이하, 상술한 내용과 중복되는 기술은 생략하기로 한다.
상기 이득 평탄화 장치(750, 760 및 810)는 입력부(750)와, 출력부(810)와, 광결합부(760)로 구성된다.
상기 입력부(750)는 제1 및 제2 단을 구비하며, 상기 제1 단을 통해 상기 제1 어븀첨가 광섬유(720)에서 출력된 증폭된 광신호를 수신한다.
상기 출력부(810)는 제3 및 제4 단을 구비하며 상기 제 4단을 통해 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 어븀첨가 광섬유(860)로 출력한다.
상기 광결합부(760)는 상기 제1 및 제3 단을 연결하는 제1 연결부(820)와, 상기 제2 및 제4 단을 연결하는 제2 연결부(830)로 구성된다. 또한, 상기 광결합부(760)는 각각 상기 제1 및 제2 연결부(820 및 830)에서 비교적 인접하게 위치한 부분들로 구성된 제1 및 제2 커플링 영역(770)과, 상기 커플링 영역(770)을 제외한 비커플링 영역으로 구분된다. 상기 비커플링 영역에는 제1 및 제2 처핑된광섬유 격자(790 및 800)가 형성된다.
상기 제1 어븀첨가 광섬유(720), 제1 단을 거쳐서 상기 제1 커플링 영역(770)에 입력된 상기 증폭된 광신호는 상기 제1 연결부(820)에서 상기 제2 연결부(830)로 결합된다. 이 때, 상기 제1 커플링 영역(770)의 결합율은 50%에 가깝도록 설정된다. 상기 제2 연결부(830)로 결합된 광신호의 일부는 상기 제2 처핑된 광섬유 격자(800)에 의해 반사되어 상기 제2 단을 통해 소실되며, 그 나머지의 광신호는 제2 커플링 영역(780) 및 제4 단을 거쳐서 상기 제2 어븀첨가 광섬유(860)로 입력된다. 이 때, 상기 제2 커플링 영역(780)의 결합율은 50%에 가깝도록 설정된다. 상기 제2 어븀첨가 광섬유(860)는 상기 증폭된 광신호를 재증폭하여 출력한다.
본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치는 제1 및 제2 어븀첨가 광섬유 증폭기 사이에 개재된 광결합부 및 처핑된 광섬유 격자를 이용하며 상기 처핑된 광섬유 격자로부터 반사된 광신호를 다른 소자에 연결되지 않은 드롭단을 통해 소실시킴으로써, 중도 필터를 사용하면서도 반사된 광신호를 효과적으로 차단할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치는 처핑된 광섬유 격자를 이용함으로써 온도 변화에 따른 출력 특성의 변화가 미소하다는 이점이 있으며, 광도파로 소자로 구성됨으로써 제작비가 비교적 저렴하다는 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 각각 여기된 이온의 유도 방출을 이용하여 입력된 광신호를 증폭하는 제1 및 제2 증폭 광섬유를 구비하는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치에 있어서,
    제1 및 제2 단을 구비하며 상기 제1 단을 통해 상기 제1 증폭 광섬유로부터 출력된 증폭된 광신호를 수신하는 제1 단부와;
    제3 및 제4 단을 구비하며 상기 제 4단을 통해 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 증폭 광섬유로 출력하는 제2 단부와;
    제1 및 제3 단을 연결하는 제1 연결부, 제2 및 제4 단을 연결하는 제2 연결부 및 소정의 파장 대역에서 기설정된 이득 그래프를 가지는 적어도 하나의 반사형 격자를 구비하며, 서로 인접하게 위치한 상기 제1 및 제2 연결부의 부분들로 구성된 적어도 하나의 커플링 영역을 통해 상기 제1 연결부로 진행하는 상기 증폭된 광신호를 상기 제2 연결부로 결합하고, 상기 반사형 격자에 의해 반사된 상기 증폭된 광신호 중 일부를 상기 제2 단을 통해 출력하는 광결합부를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사형 격자는 상기 커플링 영역에 형성됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사형 격자는 상기 광결합부에서 상기 커플링 영역을 제외한 나머지 영역으로 구성된 비커플링 영역에 형성됨을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 이득 평탄화 장치.
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