KR20030031689A - 광증폭기의 이득평탄화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광증폭기의 이득평탄화 장치를 제공하기 위한 것으로, 광감성 광섬유의 코어를 통해 광신호가 통과되도록 하며, 인가되는 전위에 따라 굴절율이 가변되어지는 광감성 광도파로와; 상기 광도파로를 따라 주기적인 간격으로 배열되어, 그에 인가되는 전압의 가변에 따라 상기 광도파로의 굴절율를 변화시키기 위한 전극를 포함하여 구성함으로써, 전기광학적 효과를 사용하여 전압으로 광도파로에 일정한 주기의 격자를 세김과 동시에 굴절률의 세기를 조정하여 광증폭기의 이득을 보다 용이하게 평탄화시킬 수 있게 되는 것이다.

Description

광증폭기의 이득평탄화 장치{Apparatus for gain flattening of optical amplifier}

본 발명은 광증폭기에 관한 것으로, 특히 전기광학적 효과를 사용하여 광증폭기의 이득 평탄화를 얻기에 적당하도록 한 광증폭기의 이득평탄화 장치에 관한 것이다.

일반적으로 광전송 시스템은 광통신 정보를 광신호의 모양으로 보내는 전송방식으로서, 빛을 에너지로 하여 사용하는 강도 변조(통신) 방식(광파 통신 방식)과 빛을 파로서 사용하는 코히어런트 통신 방식이 있다. 저손실, 광대역, 무유도의 광섬유 케이블 또는 공간을 매체로서 사용한다. 그리고 광전송 시스템에 사용되는 광섬유는 유리나 합성 수지의 가는 투명 수지를 단일의 소선으로 하고, 또는 다수 묶은 케이블로 하여 정보 신호나 광상, 혹은 광 파워 등을 전송하는 데 사용된다. 이러한 광섬유는 광전송을 수반하는 각 분야에서 이용되며, 특히 통신로로서 사용하는 경우 경량이고 저손실로 중계 간격을 길게 할 수 있으며, 누화나 유도 장애의 염려도 없고 수 Mbps부터 Gbps의 전송 속도가 가능하다.

광통신 시스템에는 신호의 손실을 보상하기 위해 광증폭기(Optical Amplifier)가 사용된다. 이러한 광증폭기는 장거리 광통신에 따른 광신호의 감쇠를 보완하기 위하여 광신호를 증폭하는 장치이다.

광증폭기는 미래의 통신 시스템에서 널리 사용될 것이 예측되고 있다. 특히 에르븀첨가 광섬유증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA)는 대량의 데이터가 한 가닥의 광섬유를 통해 재생(regeneration)되는 일 없이 장거리에 걸쳐 전송될 때 장거리 전송에 따르는 광신호의 감쇠를 막기 위하여 주기적으로 광신호를 증폭해 주는데 사용된다. 그래서 에르븀첨가 광증폭기는 전송되는 광신호 자체를 증폭시키기 때문에 증폭효율이 뛰어나고, 노이즈 발생을 억제할 수 있다.

그러나 이러한 장거리 전송에 따른 광신호의 주기적인 증폭시 분산(dispersion)과 같은 문제점이 발생한다. 파장 분할 다중화(Wavelength Division Multiplexing, WDM)는 분산의 문제점 일부를 해결하여, 대량의 데이터를 서로 다른 파장을 가진 여러 개의 캐리어(carrier)에 실어 전송하기 때문에 전송 속도 및 용량이 증가하게 된다.

종래에는 이러한 광증폭기의 이득을 평탄화하기 위해서 광증폭기를 통과한 빛을 장주기 광섬유 격자에 통과시켜 이득을 평탄화하였다.

도 1은 종래 광증폭기의 이득평탄화 장치의 개념도이다.

여기서 참조번호 11은 UV 레이저이며, 12는 페이즈 마스크(Phase mask)이고, 13은 광감성 광섬유이며, 14는 코어(Core)이고, 15는 클래드(Clad)이며, 16은 장주기 광섬유 격자인 UV 격자이다.

그래서 광감성 광섬유(13)에서 UV 빛이 닿는 부분은 UV 빛의 양에 따라 광섬유의 굴절률이 올라가는 원리를 이용하여 장주기 광섬유 격자인 UV 격자(16)를 만들었다. 즉, UV 레이저(11)와 페이스 마스크(12)를 이용하여 광감성 광섬유(13)에조사시켜 UV 격자(16)를 만들었다.

에르븀이 첨가된 광증폭기는 빛의 파장이 1520~1570nm 의 대역폭에서 이득을 가지는 특성을 가지고 있다.

도 2는 도 1에서의 광이득 특성을 보인 그래프로써, 도 2의 (a)는 에르븀이 첨가된 광증폭기의 이득 특성을 보인 것이다. 즉, 에르븀이 첨가된 광증폭기는 도 2의 (a)에서와 같은 이득 특성에 볼 수 있듯이 다른 대역폭에 비해 1530nm 파장에서 8dB 정도 이득이 높은 것을 알 수 있다.

따라서 1530nm 대역의 이득을 평탄화하지 않고(즉, 1530nm 대역에 일정한 광손실을 주지 않고) 다른 대역폭과 광 파워 레벨을 맞추지 않은 상태에서 광신호를 증폭(도 2의 (b) 참조)한 후 전송을 하게 된다면, 1530nm 대역에서 증폭된 신호들의 광 파워가 높게 된다.

그러면 송신기의 최대 수신 감도를 넘어 송신기에 문제가 발생하게 된다.

그래서 광증폭기의 이득이 평탄화된 후(도 2의 (c) 참조) 광신호를 증폭기에 넣어 이득을 얻은 상태(도 2의 (d) 참조)에서 전송을 해야 한다.

종래에는 광증폭기의 이득을 평탄화하기 위해서 장주기 광섬유 격자가 사용되어 왔으며, 그 원리는 다음과 같다.

먼저 도 3은 일반적인 장주기 격자의 원리를 보인 도면이다.

그래서 장주기 광섬유 격자인 UV 격자(16)에 입사된 빛은 격자를 만나게 되면 격자의 주기와 관련되어 선택된 파장은 밖으로 빠져나가게 되고, 나머지 다른 파장의 빛은 아무런 간섭없이 장주기 격자를 통과하게 된다(도 3의 (a), (b), (c)참조).

이때 광섬유 밖으로 빠져나가는 빛, 즉 격자주기에 의해 선택된 파장의 빛의 양은 격자의 세기인 굴절률에 비례한다(도 3의 (d) 및 (e) 참조). 따라서 장주기 광섬유 격자의 주기와 세기(굴절률)를 조절하여 원하는 파장에만 일정한 광손실을 줄 수 있게 된다.

광증폭기의 이득 평탄화에 쓰이는 장주기 광섬유 격자의 주기는 1530nm의 대역폭에 이득을 평탄화할 수 있도록 주기 및 1530nm 대역의 이득에 대해 광손실을 줄 수 있는 굴절률의 세기를 가지고 있어야 한다.

이러한 종래 기술의 문제점을 설명하면 다음과 같다.

도 4는 도 1의 장주기 광섬유 격자 제조에 필요한 개념도이다.

광증폭기용 장주기 광섬유 격자의 제조시 격자의 주기와 격자의 굴절률을 조절하여야 이득 평탄화를 얻을 수 있게 된다. 격자의 주기는 격자 제조시 범용으로 사용되는 페이스 마스크(12)를 사용하면 쉽게 1530nm 대역폭의 빛을 광섬유 밖으로 뺄 수 있는 주기를 얻을 수 있으나, 광증폭기의 이득을 평탄화하기 위해서는 광증폭기 통과 후 다른 파장에 비해 더 큰 이득을 얻는 1530nm 대역폭에 8dB의 광손실을 줄 수 있도록 굴절률의 세기를 맞추어야만 한다.

그러나 1530nm 대역폭의 이득을 평탄화할 수 있는 굴절률을 광감성 광섬유(13)에 세긴다는 것은 다음과 같은 이유로 용이하지 않은 문제점이 있었다.

즉, 광증폭기용 장주기 광섬유 격자의 제조는 증폭기를 통과한 빛을 광감성 광섬유(13)에 입사시키고, 광감성 광섬유(13)에 페이스 마스크(12)를 이용하여 UV레이저(11)를 조사하는 동안 광감성 광섬유(13)를 통과한 빛을 OSA(Optical Spectrum Analyzer)에 입사시켜 광스펙트럼을 관찰한다. 시간이 지날수록 UV 조사량은 많아지며, 굴절률은 UV 양에 비례하여 굴절률의 세기는 높아지게 되므로, 격자의 주기에 의해 광섬유 밖으로 빠져나가게 되는 1530nm 대역의 빛의 양은 점점 더 많아지게 된다. OSA를 관찰하며 이득평탄화가 이루어지는 시점에서 UV 레이저(11)를 오프시켜 광증폭기용 장주기 광섬유 격자를 제조한다(도 4 참조).

따라서 밖으로 빠져나가는 파장, 즉 1530nm 대역의 빛의 양을 조절하기 위해서는 반드시 굴절률의 세기를 조절해야만 하는데, 상기한 설명에서와 같이, 굴절률은 UV 레이저(11)의 빛의 양인 광파워 및 레이저 조사시간에도 의존할 뿐만 아니라 사용된 광감성 광섬유(13)에 첨가된 물질의 광감도에도 의존하기 때문에 광감성 광섬유(13)에 조사된 UV 레이저(11) 만으로 굴절률을 조절하여 이득평탄화를 얻기란 용이하지 않은 문제점이 있었다.

또한 OSA를 통해 1530nm 대역의 광손실을 알 수 있는데, OSA의 자체 스캔 시간과 격자가 자라는 시간이 실시간이 아니기 때문에 실제로 필요한 굴절률의 세기를 얻는 것이 매우 어려운 문제점도 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 전기광학적 효과를 사용하여 전압으로 광도파로에 일정한 주기의 격자를 세김과 동시에 굴절률의 세기를 조정하여 광증폭기의 이득을 보다 용이하게 평탄화시킬 수 있는 광증폭기의 이득평탄화 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 의한 광증폭기의 이득평탄화 장치는,

광감성 광섬유의 코어를 통해 광신호가 통과되도록 하며, 인가되는 전위에 따라 굴절율이 가변되어지는 광감성 광도파로와; 상기 광도파로를 따라 주기적인 간격으로 배열되어, 그에 인가되는 전압의 가변에 따라 상기 광도파로의 굴절율를 변화시키기 위한 전극을 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

도 1은 종래 광증폭기의 이득평탄화 장치의 개념도이다.

도 2는 도 1에서의 광이득 특성을 보인 그래프이다.

도 3은 일반적인 장주기 격자의 원리를 보인 도면이다.

도 4는 도 1의 장주기 광섬유 격자 제조에 필요한 개념도이다.

도 5는 본 발명에 의한 광증폭기의 이득평탄화 장치의 개념도이다.

도 6은 도 5에서 LiNbO₃의 인가된 전압에 따른 굴절률 변화를 보인 그래프이다.

도 7은 도 5에서 인가된 전압에 따른 LiNbO₃의 굴절률 변화를 보인 개념도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : UV 레이저 12 : 페이즈 마스크

13 : 광감성 광섬유 14 : 코어

15 : 클래드 16 : UV 격자

21 : 전극 22 : 가변 전압기

23 : 광도파로24 : 전기 격자

25 : 전기장

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명, 광증폭기의 이득평탄화 장치의 기술적 사상에 따른 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 의한 광증폭기의 이득평탄화 장치의 개념도이다.

이에 도시된 바와 같이, 광감성 광섬유(13)의 코어(14)에 도포되어 광신호가 통과되도록 하는 광감성 광도파로(23)와; 상기 광도파로(23)를 따라 주기적인 간격으로 배열된 전극(21)을 포함하며, 상기 전극(21)에 전압을 가변적으로 제공하여 상기 광도파로(23) 상의 인가되는 전위를 변화시켜 그 굴절율 변화를 유도하기 위한 가변 전압기(22)를 포함하여 구성된다.

상기에서 광도파로는(23)는 광감성 소재인 LiNbO₃을 사용한다.

상기에서 전극(21)은, ??는 반사되는 빛의 파장이고, n_eff는 물질의 평균굴절률이며,는 격자의 주기일 때,

의 주기 간격으로 배열되도록 한다.

여기서 참조번호 25는 전기장이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 광증폭기의 이득평탄화 장치의 동작을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 본 발명은 전기광학적 효과를 사용하여 광증폭기의 이득 평탄화를 얻고자 한 것이다.

그래서 광증폭기의 이득을 평탄화하기 위해서는 두 가지, 즉 격자의 주기 및 굴절률을 얻어야 한다.

따라서 1530nm 대역의 빛을 웨이브가이드(Waveguide) 밖으로 빼낼 수 있는 주기적 격자를 새겨야 하고, 웨이브가이드를 빠져나가는 1530nm 대역에 광손실을 줄 수 있는 물질을 사용하여 광증폭기의 이득평탄화를 얻을 수 있게 된다.

도 6은 도 5에서 광도파로(23)로 사용된 LiNbO₃의 인가된 전압에 따른 굴절률 변화를 보인 그래프이다.

전기광학적 효과인 전압에 따라 굴절률이 변화하는 특성을 갖는 광도파로(23)에는 LiNbO₃을 사용한다.

이러한 LiNbO₃은 웨이브가이드로 사용하고, LiNbO₃위에 일정한 격자를 세기기 위해 전극을 주기적으로 배열한다.

이때 주기는 광증폭기의 이득을 평탄화해야 하기 때문에 격자의 주기와 파장과의 관계식인 다음의 수학식 1과 같은 간격으로 전극(21)을 배열한다.

여기서는 반사되는 빛의 파장이고, n_eff는 물질의 평균굴절률이며,는 격자의 주기이다.

그리고 전압을 가변할 수 있는 가변 전압기(22)를 전극(21)과 함께 연결한 후 웨이브가이드의 출력광을 OSA에 입력한다.

이러한 본 발명의 동작을 좀더 상세히 설명한다.

도 7은 도 5에서 인가된 전압에 따른 LiNbO₃의 굴절률 변화를 보인 개념도이다.

전압에 따라 굴절률이 변하는 물질인 LiNbO₃위에 주기성을 가진 전극(21)이 장착되어 있으므로, 이 주기적 전극에 전압을 인가하게 되면, LiNbO₃은 전압에 비례한 굴절률을 주기적으로 갖게 된다.

따라서 광증폭기를 통과한 빛을 주기적 전극(21)과 결합된 LiNbO₃웨이브가이드에 넣고, 출력을 OSA를 통해 관찰한다.

이러한 관찰을 통해 가변 전압기(22)로 다양한 전압을 인가하여 광증폭기의 이득을 평탄화시킬 수 있는 전압을 찾은 다음 전압을 고정시킴으로써 광증폭기의 이득을 평탄화시킬 수 있게 된다.

이처럼 본 발명은 전기광학적 효과를 사용하여 전압으로 광도파로에 일정한주기의 격자를 세김과 동시에 굴절률의 세기를 조정하여 광증폭기의 이득을 보다 용이하게 평탄화시키게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 광증폭기의 이득평탄화 장치는 전기광학적 효과를 사용하여 전압으로 광도파로에 일정한 주기의 격자를 세김과 동시에 굴절률의 세기를 조정하여 광증폭기의 이득을 보다 용이하게 평탄화시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 광감성 광섬유(13)의 코어(14)를 통해 광신호가 통과되도록 하며, 인가되는 전위에 따라 굴절율이 가변되어지는 광감성 광도파로(23)와;

   상기 광도파로(23)를 따라 주기적인 간격으로 배열되어, 그에 인가되는 전압의 가변에 따라 상기 광도파로(23)의 굴절율를 변화시키기 위한 전극(21)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광증폭기의 이득평탄화 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극(21)은,

   는 반사되는 빛의 파장이고, n_eff는 물질의 평균굴절률이며,는 격자의 주기일 때,

   의 주기 간격으로 배열되도록 구성한 것을 특징으로 하는 광증폭기의 이득평탄화 장치.