KR20040005698A - 광 증폭 모듈, 광 증폭기 및 광 통신 시스템 - Google Patents

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미야모토토시유키
타카기마사히로
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

이 발명은 L밴드에 있어서 상대 이득 편차가 작은 광대역 이득 스펙트럼을 실현하는 실용적인 광 증폭 모듈 등에 관한 것이다. 여기 광원으로부터의 여기 광은 광 커플러를 거쳐 Bi계 EDF로 공급된다. 입력단을 통해 입력된 L밴드의 다중화 신호 광은 광 커플러, 광 아이솔레이터 및 광 커플러를 거쳐 Bi계 EDF에 도달하여, 상기 Bi계 EDF에 있어서 일괄 증폭된다. Bi계 EDF에 있어서 증폭된 다중화 신호 광은 광 커플러, 광 아이솔레이터 및 광 커플러를 거쳐 출력단으로부터 출력된다.

Description

광 증폭 모듈, 광 증폭기 및 광 통신 시스템{Light amplification module, light amplifier and optical communication system}
발명의 분야
이 발명은 신호 광을 증폭하는 광 증폭 모듈, 광 증폭기 및 상기 광 증폭기를 포함하는 광 통신 시스템에 관한 것이다.
관련 배경기술
파장 분할 다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 광 통신 시스템은 소정의 신호 파장 대역에 포함되는 복수 채널이 다중화된 신호 광(다중화 신호 광)을 전송하는 시스템으로, 대용량 정보의 고속 송수신을 가능하게 한다. 또한, WDM 광 통신 시스템에서는, 송수신 가능한 정보량의 한층 더한 대용량화를 도모하도록,C밴드(1530nm 내지 1565nm)에 포함되는 다중화 신호 광 뿐만 아니라, L밴드(1565nm 내지 1625nm)에 포함되는 다중화 신호 광도 사용하는 것이 검토되고 있다.
이에 대응하여, 광 통신 시스템에 적용되는 광 증폭기는 C밴드의 신호 광 증폭 뿐만 아니라, L밴드의 신호 광 증폭도 그 실현이 요구되고 있다. 이러한 광 증폭기로서는, 광 증폭 매체로서, 광 도파 영역에 Er 원소가 첨가된 석영계 호스트 유리로 이루어지는 광 파이버(EDF: Erbium Doped Fiber)가 적용된 광 증폭기(EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)가 알려져 있다. 이 광 증폭기에서는, Er 원소를 여기할 수 있는 파장(1.48㎛ 또는 0.98㎛)의 여기 광이 EDF에 공급되어, 이 EDF에 있어서 C밴드 또는 L밴드의 신호 광이 증폭된다.
예를 들면, A. Mori, et al., ECOC1997, Tech. Dig., p.135(문헌 1)에 기재된 광 증폭기에서는, Al이 공첨가된 석영계 EDF가 광 증폭 매체로서 적용되고 있어, 평탄한 이득이 1600nm 부근의 장파장 측까지 얻어진다. 그렇지만, 이 광 증폭기에 있어서, L밴드의 다중화 신호 광을 일괄 증폭하기에는 이득이 평탄한 파장 대역 폭이 좁다. 또한, 상기 문헌 1에는 더욱 장파장 측까지 평탄한 이득을 얻도록, 광 증폭 매체로서 텔루라이트(tellurite)계 호스트 유리로 이루어지는 EDF가 적용된 광 증폭기가 제안되고 있다. 그렇지만, 텔루라이트 유리는 열 손상의 위험이 있기 때문에, 이 광 증폭기는 실용적이지는 않다.
또한, A. J. G. Ellison, et al., OFC2001, TuA2(문헌 2)에 기재된 광 증폭기에서는, 광 증폭 매체로서, Sb 원소를 포함하는 다성분의 석영계 EDF가 적용되고 있다. 그렇지만, Sb 원소는 유독하기 때문에, 이 광 증폭기는 실용적이지는 않다.
나아가서는, 열 손상이나 독성 문제가 없다는 점에서, 광 증폭 매체로서 실용적인 석영계 EDF가 적용된 광 증폭기도 제안되고 있다. 예를 들면, I. P. Byriel, et al., EC0C2001, Tu.L.3.5(문헌 3)에 기재된 석영계 EDF의 조성은 불명확하지만, 카도이(角井他), 전자 정보 통신 학회 종합 대회, C-3-28, 2002(문헌 4)이나 S. Tanaka, et al., 0FC2002, Tech. Dig., ThJ3(문헌 5)에 기재된 석영계 EDF는 P 원소 및 Al 원소가 공첨가되어 있다. 이들 문헌 3 내지 5에 기재된 EDF에서는, 이득이 1620nm 부근의 장파장 측까지 얻어지고 있다. 그렇지만, 파장 1580nm 부근에서 이득이 현저히 작아, WDM 전송에 있어서 중요한 이득 평탄도가 손상되고 있다.
여기서, EDF의 이득 스펙트럼의 이득 평탄도는 도 1에서 설명되는 상대 이득 편차에 의해 평가될 수 있다. 도 1은 EDF의 상대 이득 편차를 설명하기 위한 전형적인 이득 스펙트럼이다. 이 도 1에 도시된 바와 같이, EDF의 이득 스펙트럼은 이득을 갖는 파장 대역 내에 있어서 대략적으로 보면 2개의 이득 극대치와 1개의 이득 극소치를 갖는다. 이득 극소치를 Gmin(dB)으로 하고, 이득 최대치(Gmax(dB))와 이득 극소치(Gmin)와의 차이를 △G로 한다. 그리고, 차이(△G)와 이득 극소치(Gmin)와의 비(△G/Gmin)로 상대 이득 편차를 나타낸다. 또한, 이득 극소치(Gmin) 이상의 이득이 얻어지고 있는 파장 대역을 실효적 신호 파장역이라고 부른다.
이상과 같이 정의된 상대 이득 편차에 의해 이득 평탄도를 평가하면, 문헌 3에 기재된 EDF의 상대 이득 편차는 25% 정도이고, 문헌 4에 기재된 EDF의 상대 이득 편차는 30%를 넘으며, 문헌 5에 기재된 EDF의 상대 이득 편차는 25% 정도이다. EDF의 상대 이득 편차가 너무 크면, 이득을 등화하기 위해 삽입되는 광 필터의 삽입 손실은 커질 수 밖에 없어, 여기 효율의 열화나 잡음 지수 열화를 야기한다.
예를 들면, 육상 간선계에서 일반적으로 요구되는 광 증폭기의 이득은 30dB 정도이다. 이 광 증폭기에 적용되는 EDF의 상대 이득 편차를 25%로 한다. 육상 간선계에 있어서, 광 증폭기는 EDF와 더불어 분산 보상 광 파이버도 내장하는 것이 일반적으로, 이 분산 보상 광 파이버의 손실은 전형적으로는 10dB 정도이다. 또한, 광 증폭기에는 그 밖의 수동 광 부품(예를 들면, 광 커플러(coupler), 광 아이솔레이터(isolator) 등)이 삽입되어, 이들 수동 광 부품의 삽입 손실의 합계는 6dB 정도이다. 이 때, EDF가 실현해야 할 이득은 46dB(=30dB+10dB+6dB)이나 이른다. 또한, EDF의 상대 이득 편차가 25%이기 때문에, 이득을 등화하기 위해 삽입되는 광 필터의 피크 삽입 손실은 11.5dB(=46dB×0.25)이나 되어, 분산 보상 광 파이버의 손실에 필적할 정도의 크기가 된다. 이것은 여기 효율이나 잡음 지수에 큰 악영향을 주게 된다.
그런데, 이미 보급하고 있는 C밴드용 광 증폭기에 있어서, EDF의 상대 이득 편차는 그 석영계 EDF에 공첨가되는 원소의 종류나 농도에 의존하지만, 13 내지 19% 정도이다. 도 2는 Al 공첨가 석영계 EDF의 이득 스펙트럼이다. 또한, 이 도 2에 있어서, 그래프(G2010)는 Al 공첨가 농도가 1중량%인 때의 이득 스펙트럼, 그래프(G2020)는 Al 공첨가 농도가 2.5중량%인 때의 이득 스펙트럼, 그래프(G2030)는 Al 공첨가 농도가 3.5중량%인 때의 이득 스펙트럼 및 그래프(G2040)는 Al 공첨가농도가 5중량% 이상인 때의 이득 스펙트럼이 각각 도시되어 있다. 이 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, Al 공첨가 농도가 클수록 EDF의 상대 이득 편차가 작아, EDF의 상대 이득 편차는 13 내지 19% 정도이다. 그래서, L밴드용 광 증폭기에서도, EDF의 상대 이득 편차는 이 정도의 값이 목표치가 된다.
발명의 개요
발명자들은 종래의 광 증폭기에 대해서 검토한 결과, 이하와 같은 과제를 발견하였다. 즉, 문헌 1에 기재된 광 증폭기는 광 증폭 매체로서 열 손상의 위험이 있는 텔루라이트계 호스트 유리로 이루어지는 EDF가 적용되고 있어, 실용적이지는 않다. 문헌 2에 기재된 광 증폭기는 광 증폭 매체로서 독성을 갖는 Sb 원소를 포함하는 다성분의 석영계 EDF가 적용되고 있어, 역시 실용적이지는 않다. 또한, 문헌 3 내지 5 각각에 기재된 광 증폭기는 광 증폭 매체로서 열 손상이나 독성 문제가 없다는 점에서 실용적인 석영계 EDF가 적용되고 있지만, EDF의 상대 이득 편차가 커, 여기 효율이나 잡음 지수에 큰 악영향을 줄 염려가 있다.
이 발명은 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, L밴드에 있어서 상대 이득 편차가 작은 광대역 이득 스펙트럼을 실현하는 실용적인 광 증폭 모듈, 상기 광 증폭 모듈을 포함하는 광 증폭기, 나아가서는, 상기 광 증폭기를 포함하여, 대용량 정보의 송수신을 가능하게 하는 광 통신 시스템을 제공하는 것도 목적으로 하고 있다.
도 1은 EDF의 상대 이득 편차를 설명하기 위해 준비된 전형적인 이득 스펙트럼.
도 2는 Al 공(共)첨가 석영계 EDF의 이득 스펙트럼.
도 3은 이 발명에 관련되는 광 통신 시스템에 있어서의 제 1 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 4는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 1 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 5는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 2 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 6은 Bi계 EDF의 이득 스펙트럼.
도 7a 및 도 7b는 Bi계 EDF의 이득 스펙트럼.
도 8은 Bi계 EDF의 정미(正味) 이득의 상대 이득 편차와 배경 손실과의 관계를 설명하기 위해 준비된 전형적인 이득 스펙트럼.
도 9는 여기 광 파장과 이득과의 관계를 도시하는 그래프.
도 10은 신호 광 파장과 잡음 지수와의 관계를 도시하는 그래프.
도 11은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 3 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 12는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 4 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 13은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 5 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 14는 신호 광 파장과 규격화된 GDT와의 관계를 도시하는 그래프.
도 15는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 6 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 16은 이득 경사 제어를 설명하기 위한 신호 출력 스펙트럼.
도 17은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 7 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 18은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 8 실시예의 구성을 도시하는 도면.
도 19a 및 도 19b는 이 발명에 관련되는 광 통신 시스템에 있어서의 제 2 실시예 및 비교예의 구성을 각각 도시하는 도면.
도 20a 및 도 20b는 도 19에 도시된 광 통신 시스템에 대해서, 신호 광 파장과 이득의 관계 및 신호 광 파장과 잡음 지수의 관계를 각각 도시하는 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1: 광 통신 시스템10: 광 송신국
20: 광 중계국30: 광 수신국
40, 50: 광 파이버 전송로100: 광 증폭기
102: 출력단111, 112, 113, 114: 광 커플러
121, 123: 광 아이솔레이터130: Bi계 EDF
151, 152: 수광 소자154: 여기 광원
161: 온도 검출 소자162: 온도 조정 소자
190: 제어부
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈은 파장 1610nm 이상의 파장역을 포함하는 신호 파장 대역의 복수 채널이 다중화된 신호 광(다중화 신호 광)을 일괄 증폭하도록 산화 Bi계 호스트 유리로 이루어지는 Bi계 광 도파로와, 여기 광 공급 시스템을 구비한다. 상기 Bi계 광 도파로는 상기 신호 광이 전파하는 영역으로 Er 원소가 첨가된 광 도파 영역을 갖는다. 또한, 상기 여기 광 공급 시스템은 Bi계 광 도파로의 광 도파로 영역 내에 반전 분포를 발생시키도록 소정 파장의 여기 광을 상기 Bi계 광 도파로에 공급한다. 또한, 이 발명에 관련되는 광 증폭기는 상술한 바와 같은 구조를 구비한 광 증폭 모듈(이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈)을 포함하여, L밴드에 포함되는 다중화 신호 광을 상기 광 증폭 모듈에 의해 증폭한다. 더욱이, 이 발명에 관련되는 광 통신 시스템은 상술한 바와 같은 구조를 갖는 광 증폭기(이 발명에 관련되는 광 증폭기)를 포함하여, L밴드에 포함되는 다중화 신호 광을 전송함과 동시에, 이 다중화 신호 광을 상기 광 증폭기에 의해 일괄 증폭한다.
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈에서는, 여기 광이 공급됨으로써 Er 첨가 Bi계 광 도파로의 광 도파 영역 내에 반전 분포가 생겨, 상기 광 도파 영역 내를 전파하는 다중화 신호 광(파장 1610nm 이상의 파장역을 포함하는 신호 파장 대역의 복수 채널이 다중화되어 있다)이 증폭된다. 또한, 이러한 광 증폭 모듈을 포함하는 광 증폭기에서는, L밴드에 포함되는 다중화 신호 광이 증폭된다. 더욱이, 상기 광 증폭기를 포함하는 광 통신 시스템에서는, L밴드에 포함되는 다중화 신호 광이 전송됨과 동시에, 광 증폭기에 의해 증폭된다. 이와 같이 상기 발명에 의하면, 광증폭 매체로서 Er 첨가 Bi계 광 도파로가 적용되어 있기 때문에, 열 손상이나 독성 문제가 없어 실용적이고, 또한, L밴드에 포함되는 광 대역의 실효적 신호 파장역에 걸쳐 상대 이득 편차를 작게 할 수 있다.
또한, 이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈에 있어서, Er 원소가 첨가된 상기 Bi계 광 도파로의 광 도파 영역에는 B 원소가 더욱 첨가되어도 된다. 장파장 측의 형광 특성이 개선되어, 유리 파이버를 이용한 광 파이버 네트워크 구축이 용이해지기 때문이다.
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈은 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 광 도파로에 공급되는 여기 광의 광 파워를 조절하는 제어부를 구비하는 것이 바람직하다. 이 제어부는 상기 광 증폭 모듈의 전체 동작 온도에 있어서, 혹은 어느 한 동작 온도에 있어서, Bi계 광 도파로의 정미 이득 스펙트럼에 있어서의 상대 이득 편차가 25% 미만, 나아가서는 19% 미만이 되도록 상기 여기 광의 광 파워를 조절한다.
상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 광 도파로의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘도록, 나아가서는 50nm을 넘도록 상기 여기 광의 광 파워를 조절하여도 된다. 또한, 상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 광 도파로의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 19% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘도록, 나아가서는 50nm을 넘도록 상기 여기 광의 광 파워를 조절하여도 된다.
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈은 이득 평탄도의 피드백 제어를 위해, Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 검출하는 온도 검출 소자를 또한 구비하여도 되며, 또한, 상기 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 조정하는 온도 조정 소자를 또한 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 이득의 온도 의존성이 큰 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도는 온도 검출 소자에 의해 검출되거나 혹은 온도 조정 소자에 의해 조정된다.
또한, 이 발명에 관련되는 광 증폭기는 상술한 바와 같은 구조의 광 증폭 모듈(이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈)과 제어부를 구비한다.
특히, 상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의 변화량(△G(dB))에 기초하여, 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 △T(K)만큼 변화시킨다. 이로써 스팬로스 등의 변동에서 기인한 동작 이득의 변동이 부득이하였다고 해도, 여분의 광 부품 없이 이득 평탄도 유지가 가능해진다. 또한, 이득 변동 검출을 위해, 이 발명에 관련되는 광 증폭기는 상기 광 증폭기에 있어서의 입력 및 출력 중 적어도 어느 하나를 모니터링함으로써, 동작 이득을 검출하는 파워 모니터를 또한 구비하여도 된다. 또한, 이득 변동 검출을 위해, 이 발명에 관련되는 광 증폭기는 상기 광 증폭기에 있어서의 입력 및 출력 중 적어도 어느 하나를 모니터링함으로써, 이득 경사를 검출하는 옵티컬 퍼포먼스 모니터(optical performance moitor)를 구비하여도 된다. 더욱이, 이러한 구조의 광 증폭기를 포함하는 광 통신 시스템에서는, 이득 변동 검출을 위해, 상위 감시 시스템을 구비하여도 된다.
상기 제어부는 ±1dB 정도의 고정밀도로 이득 평탄도를 유지하도록, 예를 들면 이하와 같은 제어를 한다. 즉, 상기 제어부는 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB로) 할 때, 이하의 관계를 만족하도록 상기 △T(K)를 제어한다.
(△T·Gmin)×0.0036-1.2 ≤△G≤(△T·Gmin)×0.0036+1.2
또한, 상기 제어부는 보다 고속의 이득 평탄 제어를 가능하게 하도록, 상기 광 증폭기의 실제 운용 시에 있어서의 △G(dB)와 △T(K)의 실측 데이터를 미리 격납한 메모리를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 이득 평탄도의 피드백 제어를 위해, 검출된 이득 경사에 기초하여, 상기 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 변화시켜도 된다.
구체적으로는, 이 발명에 관련되는 광 증폭기는 상술한 바와 같은 구조를 구비한 광 증폭 모듈(이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈)과, 예를 들면 가변 감쇠기 등의 광 손실 부품과, 제어부를 구비한다. 상기 광 손실 부품은 신호 광의 전송 경로 상에 설치되고, 상기 신호 광에 대한 손실 특성이 가변이다. 또한, 상기 제어부는 검출된 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 양일 때에 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로에 대한 가열 지시를 하는 한편, 검출된 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 음일 때에 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로에 대한 냉각 지시를 한다.
또한, 신호 채널간의 레벨 편차에 영향받지 않고 이득 경사를 검출하기 때문에, 상기 광 증폭기는 신호 경로로부터 분기된 신호 광의 일부를 수광함으로써, 이득 경사 검출을 하는 옵티컬 퍼포먼스 모니터를 또한 구비하여도 된다. 또한, 간단한 이득 경사의 검출 방법으로서는, 상기 Bi계 광 도파로 내를 전파하는 신호 광에 포함되는 채널 중 적어도 한 채널의 신호 레벨을 모니터함으로써, 이득 경사를 검출할 수도 있다. 더욱이, 신호 파장 대역에 있어서의 적어도 어느 한 파장에 있어서의 ASE 레벨을 모니터함으로써, 이득 경사를 검출하여도 된다.
상기 광 손실 부품으로서 가변 광 감쇠기를 갖는 광 증폭 모듈을 포함하는 광 증폭기에 있어서, 제어부는 검출된 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 상기 광 증폭 모듈의 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))을 결정하여도 된다. 이 경우, 소비 전력을 절약하면서 이득 평탄도 유지가 가능해진다. 구체적으로는, 상기 제어부는 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이 검출된 온도 변화(△T(K))에 비례하도록 상기 가변 감쇠기를 제어한다.
이득 평탄도를 ±1dB의 고정밀도로 유지하기 위해서는 상기 제어부는 광 증폭 모듈에 있어서의 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB)으로 할 때, 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이 이하의 관계를 만족하도록 상기 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 가변 감쇠기를 제어한다.
-0.0036·Gmin·△T-1.2≤△G≤-0.0036·Gmin·△T+1.2
더욱이, 상기 제어부는 광 증폭 모듈에 있어서의 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB)으로 할 때, 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이 이하의 관계를 만족하도록, 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의 변화량(△G(dB)) 및 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 가변 감쇠기를 제어하여도 된다.
-0.0036·Gmin·△T-△G-1.2≤△G≤-0.0036·Gmin·△T-△G+1.2
또한, 상기 제어부는 저소비 전력으로 고속 제어(연산을 하지 않는다)를 실현하기 위해, 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의 변화량(△G(dB)), 온도 변화(△T(K)), 나아가서는 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))의 상기 광 증폭기의 실제 운용 시에 있어서의 실측 데이터를 미리 격납한 메모리를 구비하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 구성에 있어서, 이득 평탄도의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 상기 제어부는 검출된 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사에 기초하여, 상기 가변 감쇠기의 광 감쇠량(△A(dB))을 변화시켜도 된다. 구체적으로는, 상기 제어부는 검출된 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 양일 때에 가변 감쇠기의 광 감쇠량(△A(dB))의 증가 지시를 하는 한편, 검출된 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 음일 때에 가변 감쇠기의 광 감쇠량(△A(dB))의 감소 지시를 행한다.
이 경우도, 상기 광 증폭기는 신호 채널간의 편차에 영향받지 않고 이득 경사를 검출하기 위해, 신호 경로로부터 분기된 신호 광의 일부를 수광함으로써, 이득 경사 검출을 하는 옵티컬 퍼포먼스 모니터를 또한 구비하는 것이 바람직하다. 또한, Bi계 광 도파로 내를 전파하는 신호 광에 포함되는 채널 중 적어도 한 채널의 신호 레벨을 모니터함으로써, 혹은, 신호 파장 대역에 있어서의 적어도 어느 한 파장에 있어서의 ASE 레벨을 모니터함으로써도 이득 경사를 검출할 수 있다.
또한, 이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈은 다중화 신호 광의 전송 경로 상에 설치되어 상기 다중화 신호 광에 대한 손실 특성이 가변인 광 손실 부품을 구비하여도 되며, 구체적으로 광 손실 부품은 가변 광 감쇠기를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, Bi계 광 도파로의 정미 이득에 있어서 상대 이득 편차를 25% 이하로 하는 것이 가능해진다.
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈은 Bi계 광 도파로의 배경 손실(αB(dB/m))과 Er에 의한 흡수 피크(α(dB/m)) 사이에 이하와 같은 관계가 성립하는 것이 바람직하다.
αB≤0.021α
더욱이, 이하와 같은 관계가 성립하는 것이 바람직하다.
αB≤0.015α
전자의 경우에는 Bi계 광 도파로의 정미 이득에 있어서 상대 이득 편차를 25% 이하로 하는 것이 가능해지고, 후자의 경우에는 Bi계 광 도파로의 정미 이득에 있어서 상대 이득 편차를 19% 이하로 하는 것이 가능해진다.
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈에 있어서, Bi계 광 도파로는 광 파이버를포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도파로 길이를 길게 할 수 있어, 이득을 크게 할 수 있기 때문이다.
또한, 이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈에 있어서, 여기 광 공급 시스템은 중심 출력 파장이 최고 출력 시에 1453nm 내지 1473nm의 범위에 있는 광원을 포함하는 것이 바람직하다. 더욱이 상기 여기 광 공급 시스템은 중심 출력 파장이 항상 1453nm 내지 1473nm의 범위에 있는 광원을 포함하는 것이 바람직하다. Bi계 광 도파로의 여기 효율에 뛰어나기 때문이다.
보다 구체적으로는, 이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈에 있어서, 여기 광 공급 시스템은 반도체 발광 소자와, 회절 격자를 구비한다. 상기 반도체 발광 소자는 광 반사면과 상기 광 반사면과 대향하는 광 출사면을 갖는다. 또한, 상기 회절 격자는 반도체 발광 소자의 광 출사면으로부터 출사된 광 중 특정 파장의 광의 일부를 반사하여, 상기 반사된 광을 광 출사면에서 반도체 발광 소자 내부로 입사되도록 기능한다. 이 회절 격자로서는, 예를 들면 광 파이버 내에 형성된 광 파이버 그레이팅이 적합하다. 여기 광 공급 시스템으로부터 공급되는 여기 광의 파장을 안정시킬 수 있기 때문이다.
이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈은 석영계 호스트 유리로 이루어지는 석영계 광 도파로를 또한 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 이 석영계 광 도파로는 Er 원소가 첨가된 광 도파 영역을 갖는다. 이 경우, 여기 효율 또는 잡음 지수가 개선된다. 석영계 광 도파로가 다중화 신호 광의 진행 방향에서 봐서 Bi계 광 도파로의 상류 측에 배치된 경우, 잡음 지수가 개선된다. 한편, 석영계 광 도파로가다중화 신호 광의 진행 방향에서 봐서 Bi계 광 도파로의 하류 측에 배치된 경우에는 여기 효율이 개선된다. 또한, 석영계 광 도파로는 Al 원소 및 La 원소 중 적어도 한쪽과 P 원소가 공첨가되는 것이 바람직하며, 이 경우, L밴드 이득 대역이 확장된다.
이 발명에 관련되는 광 증폭기 및 광 통신 시스템은 다중화 신호 광의 전송 경로 상에서 상기 신호 광의 진행 방향에서 봐서 Bi계 광 도파로의 상류 측에 배치된 라만 증폭용 광 파이버를 또한 구비하여도 된다. 이 때, 라만 증폭용 광 파이버에는 파장 1470nm 부근의 여기 광 및 파장 1520nm 이상의 여기 광 중 적어도 한쪽이 공급됨으로써, 분포형 라만 증폭기를 실현할 수 있다.
양호한 실시예의 상세한 설명
이하, 이 발명에 관련되는 광 증폭 모듈 등의 각 실시예를 도 3 내지 도 6, 도 7a, 도 7b, 도 8 내지 도 18 및 도 19a 내지 도 20b를 사용하여 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일 요소에는 동일 부호를 붙여, 중복되는 설명을 생략한다.
도 3은 이 발명에 관련되는 광 통신 시스템의 제 1 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 통신 시스템(1)은 광 송신국(10), 광 중계국(20), 광 수신국(30) 및 광 파이버 전송로(40, 50)를 구비하고 있다. 광 파이버 전송로(40)는 광 송신국(10)과 광 중계국(20) 사이에 부설되어 있고, 광 파이버 전송로(50)는 광 중계국(20)과 광 수신국(30) 사이에 부설되어 있다.
광 송신국(10)은 광원부(11c1내지 11c4), 광원부(11L1내지 11L4), 광 합파기(12C), 광 합파기(12L), 광 증폭기(13C), 광 증폭기(13L) 및 광 합파기(14)를 구비한다. 광원부(11c1내지 11c4) 각각은 C밴드에 포함되는 서로 다른 파장의 복수 채널이 다중화된 신호 광을 출력한다. 광 합파기(12C)는 광원부(11c1내지 11c4) 각각으로부터 출력된 C밴드의 각 신호 채널의 광을 입력하여, 이들을 합파한다. 광 증폭기(13C)는 광 합파기(12C)에서 합파된 C밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 일괄 증폭한다. 광원부(11L1내지 11L4) 각각은 L밴드에 포함되는 서로 다른 복수 채널이 다중화된 신호 광을 출력한다. 광 합파기(12L)는 광원부(11L1내지 11L4) 각각으로부터 출력된 L밴드의 각 신호 채널의 광을 입력하여, 이들을 합파한다. 광 증폭기(13L)는 광 합파기(12L)에서 합파된 L밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 일괄 증폭한다. 그리고, 광 합파기(14)는 광 증폭기(13C)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광과, 광 증폭기(13L)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이들을 합파한다. 광 합파기(14)에서 합파된 다중화 신호 광은 광 파이버 전송로(40)로 송출된다.
광 중계국(20)은 광 분파기(21), 광 합파기(23), 광 증폭기(23c) 및 광 증폭기(23L)를 구비한다. 광 분파기(21)는 광 파이버 전송로(40)를 통해 도달한 다중화신호 광을 입력하여, 그 다중화 신호 광을 C밴드와 L밴드로 분파한다. C밴드로 분파된 다중화 신호 광은 광 증폭기(23c)로 유도되는 한편, L밴드로 분파된 다중화 신호 광은 광 증폭기(23L)로 출력된다. 광 증폭기(23C)는 광 분파기(21)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 일괄 증폭한다. 광 증폭기(23L)는 광 분파기(21)로부터 출력된 L밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 일괄 증폭한다. 그리고, 광 합파기(22)는 광 증폭기(23C)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광과, 광 증폭기(23L)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이들을 합파한다. 그리고, 이렇게 합파된 다중화 신호 광이 광 파이버 전송로(50)로 송출된다.
광 수신국(30)은 수광부(31c1내지 31c4), 수광부(31L1내지 31L4), 광 분파기(32C), 광 분파기(32L), 광 증폭기(33C), 광 증폭기(33L) 및 광 분파기(34)를 구비한다. 광 분파기(34)는 광 파이버 전송로(50)를 통해 도달한 다중화 신호 광을 입력하여, 그 다중화 신호 광을 C밴드와 L밴드로 분파하는 한편, C밴드의 다중화 신호 광을 광 증폭기(33c)로 출력하고, L밴드의 다중화 신호 광을 광 증폭기(33L)로 출력한다. 광 증폭기(33C)는 광 분파기(34)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 일괄 증폭하여 출력한다. 광 분파기(32c)는 광 증폭기(33c)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이다중화 신호 광을 채널마다 분파한다. 수광부(31c1내지 31c4) 각각은 광 분파기(32c)에 의해 분파되어 출력된 C밴드의 각 파장의 신호 광을 수광하여, 이것을 전기 신호로 변환하여 출력한다. 광 증폭기(33L)는 광 분파기(34)로부터 출력된 L밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 일괄 증폭하여 출력한다. 광 분파기(32L)는 광 증폭기(33L)로부터 출력된 L밴드의 다중화 신호 광을 입력하여, 이 다중화 신호 광을 채널마다 분파한다. 수광부(31L1내지 31L4) 각각은 광 분파기(32L)에 의해 분파 된 L밴드에 포함되는 복수 채널의 신호 광을 수광하여, 이것을 전기 신호로 변환한다.
이 광 통신 시스템(1)에 있어서, 광원부(11c1내지 11c4)로부터 출력된 C밴드의 다중화 신호 광은 광 송신국(10) 내의 광 합파기(12C)에 의해 합파되어, 광 증폭기(13C)에 의해 일괄 증폭된 후, 광 합파기(14)를 거쳐 광 파이버 전송로(40)로 송출된다. 광 파이버 전송로(40)를 전파한 C밴드의 다중화 신호 광은 광 중계국(20) 내의 광 분파기(21)를 통과하여 광 증폭기(23C)에 의해 일괄 증폭된 후, 광 합파기(22)를 거쳐 광 파이버 전송로(50)로 송출된다. 광 파이버 전송로(50)를 전파하여 온 C밴드의 다중화 신호 광은 광 수신국(30) 내의 광 분파기(34)를 거쳐 광 증폭기(33c)에 의해 일괄 증폭된 후, 광 분파기(32c)에 의해 신호 채널마다 분파되어, 수광부(31c1내지 31c4)에 수신된다.
한편, 광원부(11L1내지 11L4)로부터 출력된 L밴드의 다중화 신호 광은 광 송신국(10) 내의 광 합파기(12L)에 의해 합파되어, 광 증폭기(13L)에 의해 일괄 증폭된 후, 광 합파기(14)를 거쳐 광 파이버 전송로(40)로 송출된다. 광 파이버 전송로(40)를 전파하여 온 L밴드의 다중화 신호 광은 광 중계국(20) 내의 광 분파기(21)를 거쳐 광 증폭기(23L)에 의해 일괄 증폭된 후, 광 합파기(22)를 거쳐 광 파이버 전송로(50)로 송출된다. 광 파이버 전송로(50)를 전파하여 온 L밴드의 다중화 신호 광은 광 수신기(30) 내의 광 분파기(34)를 거쳐 광 증폭기(33L)에 의해 일괄 증폭된 후, 광 분파기(32L)에 의해 신호 채널마다 분파되어, 수광부(31L1내지 31L4)에 의해 수신된다.
도 4는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 1 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(100)는 도 3에 도시된 광 통신 시스템(1)에 포함되는 광 증폭기(13L)에 적합하다. 이 광 증폭기(100)는 입력단(101)에서 출력단(102)을 향하여 순서대로 광 커플러(111), 광 아이솔레이터(121), 광 커플러(113), Bi계 EDF(130), 광 커플러(114), 광 아이솔레이터(123) 및 광 커플러(112)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(100)는 광 커플러(111)에 접속된 수광 소자(151), 광 커플러(112)에 접속된 수광 소자(152), 광 커플러(113)에 접속된 여기 광원(153), 광 커플러(114)에 접속된 여기 광원(154), Bi계 EDF(130)에 접하거나 또는 근방에 설치된 온도 검출 소자(161) 및 온도 조정 소자(162) 및 상기 광증폭기(100) 전체의 동작을 제어하는 제어부(190)를 구비한다.
광 커플러(111)는 입력단(101)을 통해 입력된 다중화 신호 광의 일부를 분기하여 수광 소자(151)로 출력하는 한편, 나머지를 광 아이솔레이터(121)로 출력한다. 광 커플러(112)는 광 아이솔레이터(122)로부터 도달한 다중화 신호 광의 일부를 분기하여 수광 소자(152)로 출력한다. 수광 소자(151, 152) 각각은 도달한 다중화 신호 광을 수광하여, 그 광 파워에 따른 값의 전기 신호를 제어부(190)로 출력한다.
광 커플러(113)는 광 아이솔레이터(121)로부터 도달한 다중화 신호 광을 Bi계 EDF(130)로 출력함과 동시에, 여기 광원(153)으로부터 출력된 여기 광도 Bi계 EDF(130)로 출력한다. 광 커플러(114)는 Bi계 EDF(130)로부터 도달한 다중화 신호 광을 광 아이솔레이터(122)로 출력함과 동시에, 여기 광원(154)으로부터 출력된 여기 광을 Bi계 EDF(130)로 출력한다. 이들 광 커플러(113, 114) 및 여기 광원(153, 154)은 Bi계 EDF(130)로 여기 광을 공급하는 여기 광 공급 시스템을 구성한다.
여기 광원(153, 154) 각각은 Bi계 EDF(130)에 첨가된 Er 원소를 여기하기 위한 여기 광을 출력하는 광학 디바이스로, 예를 들면, 반도체 레이저 광원이 적합하다. 또한, 여기 광원(153, 154) 각각은 중심 출력 파장이 최고 출력 시에 1453nm 내지 1473nm의 범위에 있는 것이 바람직하고, 또한, 중심 출력 파장이 항상 1453nm 내지 1473nm의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 파장의 여기 광이 이용됨으로써, Bi계 EDF(130)에 있어서의 신호 증폭 효율이 향상한다.
또한, 여기 광원(153, 154) 각각은 광 반사면과 상기 광 반사면에 대향하는광 출사면을 갖는 레이저 다이오드와, 이 레이저 다이오드의 광 출사면에서 출사된 광 중 특정 파장의 광 일부를 반사하여 광 출사면에서 레이저 다이오드의 내부로 입사시키는 회절 격자를 포함한다. 또한, 이 회절 격자는 광 파이버 상에 형성된 광 파이버 그레이팅이 적합하다. 이렇게 구성된 여기 광원(153, 154) 각각으로부터 출력 파장이 안정된다.
광 아이솔레이터(121, 122) 각각은 입력단(101)에서 출력단(102)을 향하는 순방향으로 광을 통과시키지만, 역방향으로는 광을 통과시키지 않는 광학 디바이스이다.
Bi계 EDF(130)는 산화 Bi계 호스트 유리로 이루어지며, 그 광 도파 영역에 Er 원소가 첨가되어 있는 광 파이버이다. 또한, 이 Bi계 EDF(130)는 광 파이버가 아니라 평면 형광 도파로여도 되지만, L밴드 용도로는 큰 흡수 조장적(Unsaturated Absorption)이 필요하기 때문에, 도파로 길이를 확보하기 쉬운 광 파이버가 바람직하다. 이 Bi계 EDF(130)의 광 도파 영역 내에서는, 여기 광원(153, 154)으로부터 출력된 여기 광이 공급됨으로써 반전 분포가 생겨, 파장 1610nm 이상의 파장역을 포함하는 신호 파장 대역의 복수 채널이 다중화된 신호 광이 일괄 증폭된다.
온도 검출 소자(161)는 Bi계 EDF(130)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, Bi계 EDF(130) 또는 그 근방의 온도를 검출하며, 예를 들면 서미스터 등이 적합하다. 온도 조정 소자(162)는 Bi계 EDF(130)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, Bi계 EDF(130) 또는 그 근방의 온도를 조정하며, 예를 들면 펠티에 소자나 히터가 적합하다.
제어부(190)는 광 증폭기(100) 전체 동작을 제어한다. 제어부(190)는 수광 소자(151, 152) 각각에서 출력된 전기 신호를 입력하여, Bi계 EDF(130)로 입력되는 신호 광의 광 파워를 검지함과 동시에, Bi계 EDF(130)로부터 출력된 신호 광의 광 파워를 검지한다. 또한, 제어부(190)는 이들 입력 신호 광 파워 및 출력 신호 광 파워에 기초하여, Bi계 EDF(130)에 있어서의 증폭 이득을 구한다. 제어부(190)는 온도 검출 소자(161)에 의해 검출된 Bi계 EDF(130) 또는 그 근방의 온도를 얻는다. 그리고, 제어부(190)는 이들 검출 정보에 기초하여, 여기 광원(153, 154) 각각에서 출력되는 여기 광의 광 파워를 제어하여, 온도 조정 소자(162)에 의한 Bi계 EDF(130) 또는 그 근방의 온도 조정을 제어한다.
이 광 증폭기(100)의 개략 동작은 이하와 같다. 여기 광원(153, 154)으로부터 출력된 여기 광원은 광 커플러(113, 114)를 거쳐 Bi계 EDF(130)로 공급된다. 입력단(101)을 통해 입력된 L밴드의 다중화 신호 광은 광 커플러(111), 광 아이솔레이터(121) 및 광 커플러(113)를 거쳐 Bi계 EDF(130)에 도달하고, 이 Bi계 EDF(130)에 있어서 일괄 광 증폭된다. Bi계 EDF(130)에 있어서 증폭된 다중화 신호 광은 광 커플러(114), 광 아이솔레이터(123) 및 광 커플러(112)를 거쳐 출력단(102)으로부터 출력된다.
이 광 증폭기(100)에 포함되는 Bi계 EDF(130)에 있어서의 신호 증폭 동작은 이하와 같이 행하여진다. 즉, 상기 광 증폭기(100)의 동작 온도 중 어느 한 동작 온도에 있어서, Bi계 EDF(130)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만, 바람직하게는 19% 미만이 되도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계EDF(130)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정된다.
상기 광 증폭기(100)의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 EDF(130)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만, 나아가서는 19% 미만이 되도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 EDF(130)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정되어도 된다.
또한, 상기 광 증폭기(100)의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 EDF(130)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘거나, 나아가서는 50nm을 넘도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 EDF(130)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정되어도 된다.
도 5는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 2 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(200)는 도 3에 도시된 광 통신 시스템(1)에 포함되는 광 증폭기(23L, 33L)에 적합하다. 이 광 증폭기(200)는 입력단(201)에서 출력단(202)을 향하여 순서대로 광 커플러(211), 광 아이솔레이터(221), 광 커플러(213), Bi계 EDF(231), 광 아이솔레이터(222), 분산 보상 광 파이버(270), 광 아이솔레이터(223), 광 커플러(214), Bi계 EDF(232), 석영계 EDF(233), 광 커플러(215), 광 아이솔레이터(224) 및 광 커플러(212)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(200)는 광 커플러(211)에 접속된 수광 소자(251), 광 커플러(212)에 접속된 수광 소자(252), 광 커플러(213)에 접속된 여기 광원(253), 광 커플러(214)에 접속된 여기 광원(254), 광 커플러(215)에 접속된 여기광원(255), Bi계 EDF(231)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(261) 및 온도 조정 소자(264), Bi계 EDF(232)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(262) 및 온도 조정 소자(265), 석영계 EDF(233)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(263) 및 온도 조정 소자(266) 및 상기 광 증폭기(200) 전체 동작을 제어하는 제어부(290)를 구비한다.
광 커플러(211)는 입력단(201)을 통해 입력된 다중화 신호 광의 일부를 분기하여 수광 소자(251)로 출력하는 한편, 나머지를 광 아이솔레이터(221)로 출력한다. 광 커플러(212)는 광 아이솔레이터(224)로부터 도달한 다중화 신호 광의 일부를 분기하여 수광 소자(252)로 출력한다. 수광 소자(251, 252) 각각은 도달한 다중화 신호 광을 수광하여, 그 광 파워에 따른 값의 전기 신호를 제어부(290)로 출력한다.
광 커플러(213)는 광 아이솔레이터(221)로부터 도달한 다중화 신호 광을 Bi계 EDF(231)로 출력함과 동시에, 여기 광원(253)으로부터 출력된 여기 광도 Bi계 EDF(231)로 출력한다. 광 커플러(214)는 광 아이솔레이터(223)로부터 도달한 다중화 신호 광을 Bi계 EDF(232)로 출력함과 동시에, 여기 광원(254)으로부터 출력된 여기 광도 Bi계 EDF(232)로 출력한다. 광 커플러(215)는 석영계 EDF(233)로부터 도달한 다중화 신호 광을 광 아이솔레이터(224)로 출력함과 동시에, 여기 광원(255)으로부터 출력된 여기 광을 석영계 EDF(233)로 출력한다. 광 커플러(213) 및 여기 광원(253)은 Bi계 EDF(231)로 여기 광을 공급하는 여기 광 공급 시스템의 일부를 구성한다. 또한, 광 커플러(214, 215) 및 여기 광원(254,255)도 Bi계 EDF(232) 및 석영계 EDF(233)로 여기 광을 공급하는 여기 광 공급 시스템 일부를 구성한다.
여기 광원(253 내지 255) 각각은 Bi계 EDF(231, 232) 또는 석영계 EDF(233)에 첨가된 Er 원소를 여기하기 위한 여기 광을 출력하는 광학 디바이스로, 예를 들면, 반도체 레이저 광원 등이 적합하다. 또한, 여기 광원(253, 254) 각각은 중심 출력 파장이 최고 출력 시에 1453nm 내지 l473nm의 범위에 있는 것이 바람직하고, 또한, 중심 출력 파장이 항상 1453nm 내지 1473nm의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 파장의 여기 광이 이용됨으로써, Bi계 EDF(231, 232)에 있어서의 증폭 효율이 향상한다.
또한, 여기 광원(253 내지 255) 각각은 광 반사면과 상기 광 반사면과 대향하는 광 출사면을 갖는 레이저 다이오드와, 이 레이저 다이오드의 광 출사면에서 출사된 광 중 특정 파장의 광 일부를 반사하여 광 출사면에서 레이저 다이오드의 내부로 입사되는 회절 격자를 포함한다. 이 회절 격자에는 광 파이버 상에 형성된 광 파이버 그레이팅이 적합하다. 이렇게 구성되는 여기 광원(253 내지 255) 각각에 의해 출력 파장은 안정된다.
광 아이솔레이터(221 내지 224) 각각은 입력단(201)에서 출력단(202)을 향하는 순방향으로 광을 통과시키지만, 역방향으로는 광을 통과시키지 않는다.
Bi계 EDF(231, 232) 각각은 산화 Bi계 호스트 유리로 이루어지며, 그 광 도파 영역에 Er 원소가 첨가되어 있는 광 파이버이다. 이 Bi계 EDF(231, 232)의 광 도파 영역 내에서는, 여기 광원(253, 254)으로부터 출력된 여기 광이 공급됨으로써반전 분포가 생겨, 파장 1610nm 이상의 파장역을 포함하는 신호 파장 대역의 복수 채널이 다중화된 신호 광을 일괄 증폭된다.
석영계 EDF(233)는 석영계 호스트 유리로 이루어지며, 그 광 도파 영역에 Er 원소가 첨가되어 있는 광 파이버이다. 이 석영계 EDF(233)의 광 도파 영역 내에서는, 여기 광원(255)으로부터 출력된 여기 광이 공급됨으로써 반전 분포가 생겨, 다중화 신호 광이 일괄 증폭된다. 석영계 EDF(233)는 도 5에 도시된 바와 같이, 다중화 신호 광의 진행 방향에서 봐서 Bi계 EDF(233)의 하류 측에 배치되는 것이 바람직하며, 이 경우, 뛰어난 여기 효율을 얻을 수 있다. 또한, 석영계 EDF(233)는 Bi계 EDF(232)의 상류 측에 배치되는 것도 바람직하며, 이 경우에는 뛰어난 잡음 지수를 얻을 수 있다. 또한, 석영계 EDF(233)는 Al 원소 및 La 원소 중 적어도 어느 한쪽과 P 원소가 공첨가되어 있는 것이 좋다.
온도 검출 소자(261)는 Bi계 EDF(231)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, Bi계 EDF(231) 또는 그 근방의 온도를 검출한다. 온도 검출 소자(262)는 Bi계 EDF(232)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, Bi계 EDF(232) 또는 그 근방의 온도를 검출한다. 온도 검출 소자(263)는 석영계 EDF(233)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, 석영계 EDF(233) 또는 그 근방의 온도를 검출한다. 온도 검출 소자(261 내지 263) 각각은 예를 들면 서미스터 등이 적합하다.
온도 조정 소자(264)는 Bi계 EDF(231)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, Bi계 EDF(231) 또는 그 근방의 온도를 조정한다. 온도 조정 소자(265)는 Bi계 EDF(232)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, Bi계 EDF(232) 또는 그 근방의온도를 조정한다. 온도 조정 소자(266)는 석영계 EDF(233)에 접하거나 또는 근방에 배치되어 있어, 석영계 EDF(233) 또는 그 근방의 온도를 조정한다. 온도 조정 소자(264 내지 266) 각각은 예를 들면 펠티에 소자나 히터가 적합하다.
분산 보상 광 파이버(270)는 신호 광 파장 대역에 있어서 음의 파장 분산을 가지고, 광 파이버 전송로(40) 또는 광 파이버 전송로(50)에 있어서의 양의 파장 분산을 보상한다.
제어부(290)는 광 증폭기(200) 전체 동작을 제어한다. 제어부(290)는 수광 소자(251, 252) 각각에서 출력된 전기 신호를 입력하여, Bi계 EDF(231)로 입력된 신호 광의 광 파워를 검지함과 동시에, 석영계 EDF(233)로부터 출력된 신호 광의 광 파워를 검지하고, 또한, 이들 입력 신호 광 파워 및 출력 신호 광 파워에 기초하여 Bi계 EDF(231, 232) 및 석영계 EDF(233)에 있어서의 신호 광 증폭 이득을 구한다. 또한, 제어부(290)는 온도 검출 소자(261)에 의해 검출된 Bi계 EDF(231) 또는 그 근방의 온도, 온도 검출 소자(262)에 의해 검출된 Bi계 EDF(232) 또는 그 근방의 온도 및 온도 검출 소자(263)에 의해 검출된 석영계 EDF(233) 또는 그 근방의 온도를 얻는다. 그리고, 제어부(290)는 이들 검출된 정보에 기초하여, 여기 광원(253, 254) 각각에서 출력되는 여기 광의 광 파워를 제어하고, 온도 조정 소자(264)에 의한 Bi계 EDF(231) 또는 그 근방의 온도 조정을 제어하며, 온도 조정 소자(265)에 의한 Bi계 EDF(232) 또는 그 근방의 온도 조정을 제어하며, 온도 조정 소자(266)에 의한 석영계 EDF(233) 또는 그 근방의 온도 조정을 제어한다.
이 광 증폭기(200)의 개략 동작은 이하와 같다. 여기 광원(253 내지 255)으로부터 출력된 여기 광원은 광 커플러(213 내지 215)를 거쳐 Bi계 EDF(231, 232) 및 석영계 EDF(233)로 공급된다. 입력단(201)을 통해 입력된 L밴드의 다중화 신호 광은 광 커플러(211), 광 아이솔레이터(221) 및 광 커플러(213)를 거쳐 Bi계 EDF(231)에 입력되어, 이 Bi계 EDF(231)에 있어서 일괄 증폭된다. Bi계 EDF(231)에 있어서 증폭된 다중화 신호 광은 광 아이솔레이터(222)를 거쳐 분산 보상 광 파이버(270)에 입력되어, 이 분산 보상 광 파이버(270)에 의해 분산 보상된다. 분산 보상 광 파이버(270)에 의해 분산 보상된 다중화 신호 광은 광 아이솔레이터(223) 및 광 커플러(214)를 거쳐 Bi계 EDF(232) 및 석영계 EDF(233)에 순차 입력되고, 이들 Bi계 EDF(232) 및 석영계 EDF(233)에 있어서 일괄 증폭된다. 이 광 증폭된 다중화 신호 광은 광 커플러(215), 광 아이솔레이터(224) 및 광 커플러(212)를 거쳐 출력단(202)으로부터 출력된다.
이 광 증폭기(200)에 포함되는 Bi계 EDF(231, 232)에 있어서의 신호 증폭 동작은 이하와 같이 행하여진다. 즉, 상기 광 증폭기(200) 중 어느 한 동작 온도에 있어서, Bi계 EDF(231, 232)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만, 나아가서는 19% 미만이 되도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 EDF(231, 232)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정된다.
또한, 상기 광 증폭기(200)의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 EDF(231, 232)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만, 나아가서는 19% 미만이 되도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 EDF(231, 232)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정되어도 된다.
상기 광 증폭기(200)의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 EDF(231, 232)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 25% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘거나, 나아가서는 50nm을 넘도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 EDF(231, 232)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정되어도 된다.
더욱이, 상기 광 증폭기(200)의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서, Bi계 EDF(231, 232)에 있어서의 정미 이득 스펙트럼의 상대 이득 편차가 19% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘거나, 나아가서는 50nm을 넘도록 여기 광 공급 시스템으로부터 Bi계 EDF(231, 232)에 공급되는 여기 광의 광 파워가 조정되어도 된다.
다음으로, 광 증폭기(100, 200)에 포함되는 Bi계 EDF(130, 231, 232)에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
도 6은 Bi계 EDF의 이득 스펙트럼이다. 준비된 Bi계 EDF는 Er 원소에서 기인한 흡수 조장적 피크가 약 300dB이고, 길이가 약 2m이며, 석영계 광 파이버와의 융착 접속 손실을 포함하는 배경 손실이 1.6dB 정도였다. 또한, 평가 방법으로서는 증폭되어야 하는 다중화 신호 광 대신, 소수 채널의 주요 신호로 모의하는 펌프 프로브법이 적용되었다. 토탈 입력 신호 광의 광 파워는 0dBm이고, 1.48㎛ 파장대의 여기 광이 Bi계 EDF로 쌍방향에서 공급되었다.
이 도 6에는 Bi계 EDF로 공급되는 여기 광의 광 파워를 조정하여 얻어진 실온에 있어서의 4종류의 반전 분포(1 내지 4) 각각의 경우에 대해서 이득 스펙트럼이 도시되어 있다. 또한, 그래프(G410)는 반전 분포(1)의 이득 스펙트럼, 그래프(G420)는 반전 분포(2)의 이득 스펙트럼, 그래프(G430)는 반전 분포(3)의 이득 스펙트럼, 그리고 그래프(G440)는 반전 분포(4)의 이득 스펙트럼이다. 이 도 6에 도시된 4개의 반전 분포(1 내지 4) 중, 반전 분포(3)는 순방향 여기 광 파워가 105mW이고, 역방향 여기 광 파워가 32mW일 때 얻어졌다. 이 반전 분포(3)에서 L밴드에 있어서 가장 양호한 이득 평탄도가 얻어졌다.
이 반전 분포(3) 시에, Bi계 EDF의 양단에 접속된 석영계 광 파이버간의 정미 이득에 있어서, 상대 이득 편차는 14%로, 실효적 신호 파장역이 1563nm 내지 1615nm이고, 실효적 신호 파장역의 대역 폭이 52nm이며, 실효적 신호 파장역의 이득 극소치가 11.8dB이었다. 이 Bi계 EDF의 상대 이득 편차는 고농도의 Al 원소가 첨가된 C밴드용 석영계 EDF의 상대 이득 편차와 같은 정도였다. 이 Bi계 EDF의 실효적 신호 파장역의 대역 폭은 고농도의 Al 원소가 첨가된 C밴드용 석영계 EDF의 대역 폭(37nm)을 크게 웃도는 것이었다. 또한, 이 Bi계 EDF는 석영계 광 파이버와의 융착 접속 손실을 포함하는 배경 손실이 1.6dB 정도이기 때문에, Bi계 EDF 단체이면 상대 이득 편차는 더욱 1.6% 정도 개선된다.
도 7a 및 도 7b도 Bi계 EDF의 이득 스펙트럼이다. 여기서는 육상 간선계의 광 통신 시스템에서 일반적으로 요구되는 동작 온도 범위 내의 0℃, 25℃ 및 65 각각에 있어서 2개의 이득 극대치가 일치하도록 반전 분포가 조정되었다. 도 7b는 도 7a의 세로 축을 확대한 것으로, 각 온도에 있어서 이득 극소치를 기준으로 하여 이득 편차가 세로 축에 도시되어 있다. 또한, 이들 도 7a 및 도 7b에 있어서, 그래프(G510a, G510b)는 온도 0℃에 있어서의 이득 스펙트럼, 그래프(G520a, G520b)는 온도 25℃에 있어서의 이득 스펙트럼, 그래프(G530a), 그래프(G530b)는 온도 65℃에 있어서의 이득 스펙트럼이다.
이 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 온도가 높을수록 이득은 작다. 그렇기 때문에, 원하는 이득 평탄도를 얻는 데 필요한 Bi계 EDF의 흡수 조장적 피크를 구할 때에, 사용 시의 온도를 규정하는 것이 중요하다. 또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 각 온도의 이득 스펙트럼의 형상은 실효적 신호 파장역 1563nm 내지 16l5nm에 있어서 대략 일정하고, 또한, 각 온도에서 실효적 신호 파장역도 대략 일정하다. 온도가 높을수록 이득 극소치가 작고, 한편, 각 온도에서 이득 편차가 대략 일정하기 때문에, 온도가 높을수록 상대 이득 편차는 열화한다. 그렇지만, 온도 65℃에 있어서도 상대 이득 편차는 15%(배경 손실을 제외하면 14%)로, 이것은 Al 원소가 첨가된 C밴드용 석영계 EDF의 상대 이득 편차보다 양호하다.
도 7a로부터 판독할 수 있는 바와 같이, 실온 시에 있어서 흡수 조장적 피크가 275dB인 Bi계 EDF가 적용된 광 증폭기는 실효적 신호 파장역 내의 이득 극소치(Gmin(dB))와 온도(T(℃)) 사이에 이하의 관계(1)가 있다.
Gmin=-0.049T+14.6 …(1)
또한, 균일 확장 근사로부터, 흡수 조장적과 이득 극소치(Gmin)는 서로 비례 관계에 있기 때문에, 어느 동작 온도(T(℃))에 있어서 Bi계 EDF를 사용하여 원하는 이득(Gx(dB))을 얻고 싶은 경우에는, 이하의 식 (2)에서 주어지는 흡수 조장적 피크(αT(dB))를 갖는 Bi계 EDF를 사용하면, 상기 실효적 신호 파장역 1563nm 내지1615nm에 있어서 평탄화된 이득 스펙트럼이 얻어진다.
αT=6122Gx/(298-T) …(2)
또한, 엄밀하게는 상술한 이득(Gx)에는 Bi계 EDF 자체의 배경 손실과 융착 접속 손실을 가해야 한다. 예를 들면, 동작 온도 25℃에 있어서, Bi계 EDF의 양단에 접속된 석영계 광 파이버간에서 25dB의 정미 이득을 L밴드에서 얻기 위해서는 배경 손실과 융착 접속 손실과의 합계치가 1dB이라고 하면, 이하의 식 (3)과 같이 할 필요가 있다.
Gx=25+1 …(3)
이 이득(Gx)의 값과 동작 온도(T)의 값 25℃를 상기 (2)식에 대입하면, 필요한 흡수 조장적 피크(αT)는 580dB 정도인 것을 알 수 있다.
특히 L밴드에서의 신호 증폭에 있어서, 일련 길이(unitary)의 Bi계 EDF가 지나치게 길면 여기 광이 Bi계 EDF 전체에 보급되지 않는 사태도 생길 수 있기 때문에, Bi계 EDF를 다단 구성으로 함으로써, 각 단의 Bi계 EDF에 여기 광을 공급하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 바와 같이, 원하는 이득 평탄도를 얻는 데 필요한 Bi계 EDF의 흡수 조장적 피크를 구할 때에, 사용 시의 온도를 규정하는 것이 중요하다. 즉, 동작 온도를 규정하지 않고 Bi계 EDF의 이득 평탄도를 검토하는 것은 무의미하다. 그래서, 도 4 및 도 5에 도시된 광 증폭기(100, 200)에서는 온도 검출 소자에 의해각 Bi계 EDF 또는 그 근방의 온도를 검출하여, 온도 조정 소자에 의해 각 Bi계 EDF 또는 그 근방의 온도를 목표 설정 온도로 조정하고 있다. 이 경우, 온도 조정 소자(예를 들면 펠티에 소자나 히터)의 소비 전력을 억제하기 위해, 목표 설정 온도는 광 증폭기가 운용되는 전형적인 동작 온도 범위(육상 광 통신 시스템의 경우에는 실온 내지 40℃, 해저 광 통신 시스템의 경우에는 0℃ 내지 10℃ 정도)로 하는 것이 바람직하다.
단, 온도 조정 소자는 일반적으로 소비 전력이 크고, 또한, 주위의 환경에 온도 조정은 크게 영향받기 때문에, 각종 사용 환경을 고려하면 고정밀도의 온도 제어는 용이하지는 않다. Bi계 EDF의 동작 온도 범위가 비교적 넓으면, 이득 평탄도 열화로 이어진다. 그래서, 이하에 설명하는 바와 같은 대처를 하는 것이 좋다.
도 7b로부터 판독할 수 있는 바와 같이, 실효적 신호 파장역 내의 이득 극소치(Gmin(dB))의 변화량(△Gmin(dB))와 온도 변화(△T(℃)) 사이에, 이하의 관계 (4)가 있다.
0.0036△T≒△Gmin/Gmin *…(4)
여기서, Gmin*는 온도 25℃에 있어서의 이득 극소치(Gmin)이다. 상기 계수 0.0036은 석영계 EDF인 경우의 계수 0.0026보다 크다. 이 관계식을 사용하여 이하와 같은 대처법을 채용한다.
제 1 대처법은 온도 검출 소자에 의해 각 Bi계 EDF의 온도(T)를 검출하여, 온도 변화(△T)에 기초하여 광 감쇠량 또는 손실 스펙트럼을 조정함으로써, 온도변화(△T)에 의해 생긴 이득 편차를 보상한다. 가변 광 감쇠기가 적용된 경우, 상기 (3)식의 관계를 이용하여, 그 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량의 변화량(△A)과, Bi계 EDF의 온도 변화량(△T) 사이에 실효적으로 이하와 같은 관계 (5)가 성립한다고 하여, 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량의 변화량(△A)을 구한다.
△A=-C1△T …(5)
여기서, C1은 양의 정수이다. 그리고, 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량은 이 변화량(△A)만큼 조정된다. 또한, 이러한 계산식을 사용하는 것이 아니라, 광 증폭기의 운용 개시 전에 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량과 Bi계 EDF의 온도(T) 사이의 관계를 실측하여, 그 관계를 제어부(190, 290) 내의 메모리에 기억해 두고, 이것에 기초하여 제어를 하여도 된다.
제 2 대처법은 피드백 제어 또는 피드 포워드 제어에 의해 온도 조정 소자에 의해 각 Bi계 EDF의 온도를 능동적으로 제어한다. 이득 변화량(△G)과 Bi계 EDF의 온도 변화량(△T) 사이의 관계는 상기 (3)식의 관계를 이용하여, 이하의 식 (6)으로 주어진다.
△G=-C2△T …(6)
여기서, C2는 양의 정수이다. 그리고, 각 Bi계 EDF의 온도는 이 변화량(△T)만큼 온도 조정 소자에 의해 조정된다. 또한, 이러한 계산식을 사용하는 것이 아니라, 광 증폭기의 운용 개시 전에, 이득(G)과 Bi계 EDF의 온도(T) 사이의 관계를 실측하여, 그 관계를 제어부(190, 290) 내의 메모리에 기억해 두고, 이것에 기초하여 제어를 하여도 된다.
이득 변화(△G)는 광 증폭기(100)의 수광 소자(151, 152) 또는 광 증폭기(200)의 수광 소자(251, 252)에 의한 입력 신호 광 파워 및 출력 신호 광 파워 검출에 기초하여 얻어진다. 혹은, 이득 변화(△G)는 광 통신 시스템의 상위 감시망으로부터 보내져 온 원하는 이득(많은 경우, 부설된 광 파이버 전송로 손실과 일치) 정보에 기초하여 결정되어도 된다.
또한, 상기 제 1 대처법 및 제 2 대처법은 온도 조정 소자에 의한 각 Bi계 EDF의 온도를 일정치로 제어하는 방법과 병용되어도 된다. 예를 들면, 평상시는 온도 조정 소자에 의한 각 Bi계 EDF의 온도를 일정치로 제어하는 방법이 채용되어, 온도 제어 소자가 고장났을 때에 제 1 대처법이 채용되는 것이 적합하다. 이러한 대처 방법에 의해, 광 통신 시스템(1)의 신뢰성은 더욱 향상한다.
또한, 이들 대처법을 채용하여 이득 극소치의 변동을 보상하였다고 해도, 도 7b로부터 알 수 있는 바와 같이, 이득 스펙트럼의 형상은 온도에 따라 약간 다르다. 실효적 신호 파장역에 있어서의 이득 편차는 온도 65℃인 때에 비하여, 온도 0℃인 때에는 0.2dB 내지 0.3dB 정도 크다. 도 7a 및 도 7b에서는 실효적 신호 파장역에 있어서의 이득 극소치가 10dB 정도이지만, 가령 실효적 신호 파장역에 있어서의 이득 극소치가 20dB이면, 실효적 신호 파장역에 있어서의 이득 편차는 온도 65℃인 때와 온도 0℃인 때에는 0.4dB 내지 0.6dB의 차이가 생겨, 실용상 무시할 수 없다.
이러한 사태에 대처하기 위해서는 광 손실 부품의 손실 스펙트럼을 동작 온도 범위의 중심 온도 또는 전형 온도에 있어서의 Bi계 EDF의 이득 스펙트럼과 동일 형상으로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 온도 변화에 의해 이득 편차가 생기지만, 이것에 의한 이득 편차는 작게 억제된다.
혹은, 온도 변화에 의해 생기는 이득 편차는 실효적 신호 파장역에 있어서 대략 정수배로 변화하기 때문에, 이렇게 조정 가능한 손실 스펙트럼을 갖는 광 손실 부품 이용이 바람직하다. 이러한 광 손실 부품은 예를 들면, 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 구성을 갖고 있어, 한쪽 광로 상에 동작 온도 범위의 하한치에서의 이득 스펙트럼과 동일 형상의 손실 스펙트럼을 갖는 이득 등화기가 설치되고, 다른쪽 광로는 단순한 바이패스로 되어 있어도 된다.
또한, 도 5에 도시된 광 증폭기(200)와 같이 Bi계 EDF(231, 232)와 더불어 석영계 EDF(233)에 있어서도 신호 광을 증폭하는 경우, 상기 제 1 대처법을 채용할 때에는 Bi계 EDF와 석영계 EDF에서는 온도 의존성이 상위하기 때문에, 별개로 온도 검출 소자를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제 2 대상법을 채용할 때에는 석영계 EDF보다 Bi계 EDF 쪽이 약간의 온도 변화에서도 이득을 효율 좋게 조정할 수 있기 때문에, 석영계 EDF보다 Bi계 EDF 쪽이 긴 것이 바람직하다.
상기 (3)식에서 설명한 대로, Bi계 EDF에 있어서의 Er 천이에서 기인하여 이득 스펙트럼이 평탄하여도, 배경 손실이 크면, Bi계 EDF의 정미 이득의 상대 이득 편차는 열화한다. 도 8은 Bi계 EDF의 정미 이득의 상대 이득 편차와 배경 손실과의 관계를 설명하는 도면이다. 이 도면에 도시되는 바와 같이, Bi계 EDF의 정미 이득 스펙트럼(G620)은 Er 천이에서 기인한 이득 스펙트럼(G610)으로부터, 배경 손실 및 융착 손실의 손실분(△E)을 줄인 것이다. 이득 최대치와 이득 극소치와의 차이(△G)가 변화하지 않지만, Bi계 EDF의 정미 이득 스펙트럼의 이득 극소치(Gb)는 Er 천이에서 기인하여 이득 스펙트럼의 이득 극소치(Gb)보다 작다. 이렇기 때문에, 배경 손실이 클수록 Bi계 EDF의 정미 이득의 상대 이득 편차는 열화한다. 도 6, 도 7a 및 도 7b에 이득 스펙트럼이 도시된 Bi계 EDF는 특히 배경 손실이 작기 때문에, 정미 이득으로서도 상대 이득 편차는 작다. 그렇지만, 전형적으로는 Bi계 EDF의 배경 손실은 2dB/m 정도이다.
이하에서는 설명의 간편화를 위해 실온화에서의 동작에 대해서 설명한다. Bi계 EDF의 배경 손실(αB(dB/m))의 허용치와, Er 본래의 흡수 피크(α(dB/m)) 사이에는 이하의 관계 (7)이 성립한다.
(0.12×0.042×α)/(0.042×α-αB) 편차 …(7)
여기서, 정수치 0.12는 도 6에 도시된 반전 분포(3) 시의 이득 스펙트럼으로부터 실측된 배경 손실이 없다고 한 경우의 상대 이득 편차이다. 또한, 정수치 0.042는 상기 (2)식에 온도(T)로서 육상 시스템에서의 전형적 동작 온도 40℃를 대입하여 얻어지는 이득(Gx)과 흡수 피크와의 비율이다. 상대 이득 편차의 목표치에 대해서는 기술한 대로, 19%를 넘으면, C밴드용 석영계 EDF와 동등한 레벨 다이어그램 설계를 할 수 없게 되고, 25%를 넘으면, P/Al 공첨가 석영계 EDF에 대한 우위성을 잃는다. 그 때문에, 상대 이득 편차의 목표치는 25% 이상인 것이 바람직하고,19% 이상인 것이 더욱 좋다.
그래서, 상기 (7)식에 있어서의 우측 변의 정미 이득의 상대 이득 편차를 25% 또는 19%로 하면, 상기 (7)식으로부터, 이하의 식 (8a) 혹은 식 (8b)가 되는 관계를 얻을 수 있다.
αB≤0.021α …(8a)
αB≤0.015α …(8b)
상술한 바와 같이, 전형적으로는 Bi계 EDF의 배경 손실(αB)은 2dB/m 정도이기 때문에, Er 본래의 흡수 피크(α)는 95dB/m 이상인 것이 바람직하고, 143dB/m 이상인 것이 더욱 좋다. 또한, 상기 (8a)식 및 (8b)식 각각의 우측 변의 계수는 상정되는 동작 온도에 따라서 다른 경우가 있을 수 있다. 동작 온도가 낮으면, 이들 계수는 커진다.
Bi계 EDF의 형광 특성은 석영계 EDF의 형광 특성과 다른 것이 알려져 있다. 특히, Bi계 EDF의 경우에 파장 1480nm 부근에 보이는 형광 특성의 팽배는 석영계 EDF의 경우에는 보이지 않는 특징이다. 이 특징은 Bi계 EDF 중의 B 원소의 조성량이 많을 때에 현저하다. 또한, 형광 특성과 흡수 특성 사이에는 상관이 있기 때문에, Bi계 EDF의 경우에는 파장 1480nm 부근에 흡수 피크가 있다.
C밴드의 신호 광을 증폭할 경우에는, 파장 1.48㎛대의 여기 광의 흡수 효율이 높은 것은 여기 효율 개선으로 이어지기 때문에 바람직하다. 그렇지만, L밴드의 신호 광을 증폭할 경우에는, 사용하는 흡수 조장적 피크가 크기 때문에, 여기광의 흡수가 신호 광의 이득과 비교하여 지나치게 크면, 여기 효율이나 잡음 지수의 열화로 이어진다. 그래서, Bi계 EDF를 사용하여 L밴드의 신호 광을 증폭할 경우에는, 여기 광 파장은 1.48㎛보다 단파장인 것이 바람직하다.
도 9는 여기 광 파장과 이득과의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 그래프는 도 6, 도 7a 및 도 7b에서 설명된 Bi계 EDF에 대하여 쌍방향으로부터 출력 50mW의 여기 광을 각각 공급함으로써 얻어졌다. 입력 신호 광의 채널 파장은 1565nm이고, 파워는 -35dBm였다. 여기 광의 채널 파장은 1450nm 내지 1500nm의 범위에서 변화시켰다. 이 도면으로 알 수 있는 바와 같이, 여기 광 파장이 1460nm 부근일 때, 이득은 크다. 가장 바람직한 여기 광 파장은 1463nm 정도이다.
단, 가장 바람직한 여기 광 파장보다 실제 여기 광 파장이 어긋나 있었다고 해도, 삽입 손실이 작은 광 부품을 이용함으로써, 이 파장 어긋남에서 기인한 악영향을 회복할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광 증폭기가 1단의 Bi계 EDF만으로 구성된 경우, 전형적으로는 Bi계 EDF의 입력 측 및 출력 측 각각에 모니터용 광 커플러, 광 아이솔레이터 및 여기 광 공급용 광 커플러가 삽입된다. 이들 개개의 광 부품에 대하여, 전형치보다 삽입 손실을 0.2dB 정도까지 저감할 수 있다. 따라서, 여기 광 파장에 대한 허용 범위는 도 9에 도시된 이득 피크 파장을 중심 파장으로 하여, 그 이득 피크보다 1.2dB 정도 작은 이득이 되는 파장 범위, 즉, ±10nm 정도의 파장 범위가 된다. 여기 광 파장의 안정화를 위해서는 레이저 다이오드와 공진 그레이팅과의 조합으로 이루어지는 여기 광원이 적합하고, 또한, 공진 그레이팅으로서 광 파이버에 형성된 그레이팅을 사용하는 것이 저렴하다.
도 10은 신호 광 파장과 잡음 지수와의 관계를 도시하는 그래프이다. 이 도 10에 있어서, 그래프(G810)는 Bi계 EDF의 잡음 지수, 그래프(G820)는 P 공첨가 석영계 EDF의 잡음 지수, 그래프(G830)는 P/Al 공첨가 석영계 EDF의 잡음 지수를 각각 도시하고 있다. 각 EDF에의 토탈 입력 신호 광의 광 파워는 0dBm였다. Bi계 EDF는 도 6, 도 7a 및 도 7b에서 설명된 것으로, 쌍방향으로부터 출력 60mW의 여기 광이 공급되었다. P/Al 공첨가 석영계 EDF는 쌍방향으로부터 출력 27mW의 여기 광이 공급되었다. P 공첨가 석영계 EDF는 순방향에서 출력 100mW의 여기 광이 공급되었다.
이 도면으로 알 수 있는 바와 같이, P/Al 공첨가 석영계 EDF와 비교하면, Bi계 EDF의 잡음 지수는 단파장 측에서 뒤떨어져 있고, 파장 1565nm 부근에서는 1dB 이상 뒤떨어져 있다. 이것은 Bi계 EDF 내부의 배경 손실이나 석영계 광 파이버와의 융착 접속 손실이 높은 것에서 기인한다. 더욱이, 농도 소멸 광의 영향도 염려된다. 이와 같이, 석영계 EDF와 비교하면, Bi계 EDF는 잡음 지수나 여기 효율 점에서 뒤떨어져 있다.
이러한 사정을 고려하면, 잡음 지수를 개선하기 위해서는 석영계 EDF는 광 증폭기의 입력단 부근이나 분산 보상 광 파이버 등의 큰 삽입 손실을 갖는 광 부품 직후에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 여기 효율을 개선하기 위해서는 석영계 EDF는 광 증폭기의 출력단 부근이나, 분산 보상 광 파이버 등의 큰 삽입 손실을 갖는 광 부품 직전에 배치되는 것이 바람직하다.
단, 일반적으로 사용되고 있는 Al 공첨가 석영계 EDF는 파장 1600nm보다 장파장 측에서 이득이 급격히 저하하기 때문에, Bi계 EDF의 특징인 광대역에 걸쳐 평탄한 이득 스펙트럼 형상을 손상받게 된다. 그래서, 장파장 측에서도 이득을 갖는 P/Al 공첨가 석영계 EDF를 사용하는 것이 좋다.
또한, 상술한 바와 같이, P/Al 공첨가 석영계 EDF의 상대 이득 편차는 커, 이 점에서 P/Al 공첨가 석영계 EDF 단체에서는 실용상 문제가 있다. 그래서, P/Al 공첨가 석영계 EDF와 Bi계 EDF를 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 석영계 EDF의 첨가물로서는 P 원소와 더불어, Al 원소 및 La 원소 중 적어도 어느 하나가 첨가되는 것이 바람직하다. 가령, Al 원소 및 La 원소 중 어느 하나가 첨가되어 있지 않으면, 도 10에 도시된 바와 같이, 100mW 순방향 여기의 경우라도, 잡음 지수가 현저히 열화한다. 또한, Aℓ 원소와 La 원소 이외에, 3가의 양이온이 되는 원소이면, 동일하게 기능한다고 생각된다.
P/Al 공첨가 석영계 EDF의 이득 스펙트럼과 동등한 이득 스펙트럼은 파장 0.98㎛대의 여기 광에의 감도를 항상시키는 기능을 갖는 Yb 원소를 더욱 공첨가하는 것으로도 실현할 수 있다. Yb 공첨가는 특히 클래드 여기 등과 같이, 대출력 여기 레이저를 사용할 때에 적합하다.
이상과 같이, 이 발명에 관련되는 광 증폭기(100, 200)는 Bi계 EDF를 광 증폭 매체로서 사용함으로써, 열 손상이나 독성의 문제가 없어 실용적이고, 또한, L밴드에 포함되는 광대역의 실효적 신호 파장역에서 상대 이득 편차를 작게 할 수 있다. 이 광 증폭기(100, 200)를 포함하는 광 통신 시스템(1)은 L밴드를 사용하여 대용량의 정보를 송수신할 수 있다. 이 발명에 관련되는 광 증폭기(100, 200)는특히 Bi계 EDF의 반전 분포, 온도 및 흡수 조장적 피크(Unsaturated Absorption Peak)를 최적화함으로써, 광대역의 실효적 신호 파장역에서 상대 이득 편차를 확실하게 작게 할 수 있다. 이 발명에 관련되는 광 증폭기(100, 200)는 여기 광 파장을 최적화함으로써, 여기 효율을 높게 할 수 있다. 또한, Bi계 EDF와 더불어 P/Al 공첨가 석영계 EDF도 사용함으로써, 잡음 지수가 뛰어난 것이 된다.
또한, 이 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 각종 변형이 가능하다. 예를 들면, 광 파이버 전송로나 분산 보상 광 파이버에 있어서 다중화 신호 광을 라만 증폭하여도 되며, 이 경우에는 잡음 지수가 더욱 개선될 수 있다.
또한, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, Er 첨가 Bi계 EDF는 다중화 신호 광이 전파하는 광 도파 영역에서 생기는 반전 분포를 최적화하여 평탄화된 이득의 크기가 이득 스펙트럼 형상을 유지한 상태에서 고온이 될수록 작아진다는 경향을 갖는다(상기 식 (4) 참조). 이 식 (4)에 도시된 관계를 이용하여 이하와 같은 제어 방법을 실현하는 광 증폭기를 얻을 수 있다.
광 통신 시스템에서는 전송용 광 파이버 주변의 환경 온도 변화 등에서 기인하여 전송로 로스가 변동한다, 소위 스팬로스 변동이 염려된다. 이 때, 광 증폭기는 조작 이득을 스팬로스에 맞추어 변동시키는 것이 바람직하다.
이를 위한 제어 방법으로서는, 예를 들면 도 11에 도시된 제 3 실시예에 관련되는 광 증폭기(300)와 같이, 입출력 모니터 비율로부터 동작 이득 변동을 검출하여, 증기식 (4)에 기초하여 Er 첨가 Bi계 EDF 온도를 제어하여도 된다. 많은 경우, 광 증폭기의 출력은 일정하게 유지할 필요가 있어, 출력 모니터가 일정해지도록 여기 광 파워를 피드백 제어하는 제어부도 아울러 필요해진다. 또한, 이 경우, 출력은 일정하기 때문에 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도 제어는 입력 모니터의 변동분에 기초하여 행하여도 된다.
또한, 무중계 통신 시스템의 부스터 앰플리파이어(booster amplifier)와 같이, 입력 레벨은 일정하게 유지되어, 전송로의 상태 순서대로 출력 레벨만은 조정을 요하는 경우, 출력 모니터의 변동분에만 근거한 제어도 가능하다.
또한, 광 파이버 네트워크에서는 스팬로스 뿐만 아니라 다중화된 신호 광의 채널수가 변동하는 경우도 생각할 수 있다. 이 경우, 입출력 파워를 포토 다이오드 등의 수광 소자로 모니터하는 것 만으로는 스팬로스 변동과 신호 채널수 변동을 혼동할 위험성이 있다. 이 때문에, 도 12에 도시된 제 4 실시예에 관련되는 광 증폭기(400)와 같이, 옵티컬 퍼포먼스 모니터(0PM)를 이용하는 제어 형태나, 도 13에 도시된 제 5 실시예에 관련되는 광 증폭기(500)와 같이, 네트워크 전체를 감시하는 상위 감시 시스템으로부터 스팬로스량 등의 정보를 얻는 제어 형태를 생각할 수 있다.
도 11은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 3 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(300)는 입력단(301)에서 출력단(302)을 향하여 순서대로, 광 커플러(311), 광 아이솔레이터(321), 광 커플러(313), Bi계 EDF(330), 광 아이솔레이터(323), 광 커플러(314), Bi계 EDF(330), 광 커플러(315), 광 아이솔레이터(322) 및 광 커플러(312)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(300)는 광 커플러(311)에 접속된 수광 소자(351; PD), 광 커플러(312)에접속된 수광 소자(352; PD), 광 커플러(313)에 접속된 여기 광원(353; LD), 광 커플러(314)에 접속된 여기 광원(354), 광 커플러(315)에 접속된 여기 광원(355), Bi계 EDF(330)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(361; 서미스터) 및 온도 조정 소자(362; 펠티에 소자) 및 상기 광 증폭기(300) 전체 동작을 피드백 제어하는 제어부(390)를 구비한다. 제어부(390)는 온도 검출 소자(361)로부터의 검출 정보에 기초하여 온도 조절 소자(362)를 제어하기 위한 온도 제어 회로(391)를 구비함과 동시에, 보다 고속의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 미리 실측 데이터를 격납해 두기 위한 메모리(392)를 포함한다.
상기 제어부(390)는 ±1dB 정도의 고정밀도로 이득 평탄도를 유지하도록, 예를 들면 이하와 같은 제어를 한다. 즉, 상기 제어부(390)는 Bi계 EDF(330) 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB로) 할 때,
(△T·Gmin)×0.0036-1.2≤△G≤(△T·Gmin)×0.0036+1.2
가 되는 관계를 만족하도록, 상기 Bi계 EDF의 온도 변동량(△T(K))을 조절한다. 이 때, 제어부(390)의 메모리(392)는 보다 고속의 이득 평탄 제어를 가능하게 하도록, 상기 광 증폭기(300)의 실제 운용 시에 있어서의 △G(dB)와 △T(K)의 실측 데이터가 격납된다.
또한, 도 12는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 4 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(400)는 입력단(401)에서 출력단(402)을 향하여 순서대로 광 커플러(411), 광 아이솔레이터(421), 광커플러(413), Bi계 EDF(430), 광 아이솔레이터(423), 광 커플러(414), Bi계 EDF(430), 광 커플러(415), 광 아이솔레이터(422) 및 광 커플러(412)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(400)는 광 커플러(411)에 접속된 수광 소자(451; PD), 광 커플러(412)에 접속된 옵티컬 퍼포먼스 모니터(460; OPM), 광 커플러(413)에 접속된 여기 광원(453; LD), 광 커플러(414)에 접속된 여기 광원(454), 광 커플러(415)에 접속된 여기 광원(455), Bi계 EDF(430)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(461; 서미스터) 및 온도 조정 소자(462; 펠티에 소자) 및 상기 광 증폭기(400) 전체 동작을 제어하는 제어부(490)를 구비한다. 제어부(490)는 온도 검출 소자(461)로부터의 검출 정보에 기초하여 온도 조절 소자(462)를 피드백 제어하기 위한 온도 제어 회로(491)를 구비함과 동시에, 보다 고속의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 미리 실측 데이터를 격납해 두기 위한 메모리(492)를 포함한다.
더욱이, 도 13은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 5 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(500)는 입력단(501)에서 출력단(502)을 향하여 순서대로 광 커플러(511), 광 아이솔레이터(521), 광 커플러(513), Bi계 EDF(530), 광 아이솔레이터(523), 광 커플러(514), Bi계 EDF(530), 광 커플러(515), 광 아이솔레이터(522) 및 광 커플러(512)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(500)는 광 커플러(511)에 접속된 수광 소자(551; PD), 광 커플러(512)에 접속된 수광 소자(552; PD), 광 커플러(513)에 접속된 여기 광원(553; LD), 광 커플러(514)에 접속된 여기 광원(554), 광 커플러(515)에 접속된 여기 광원(555), Bi계 EDF(530)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(561; 서미스터) 및 온도 조정 소자(562; 펠티에 소자) 및 상기 광 증폭기(500) 전체 동작을 피드백 제어하는 제어부(590)를 구비한다. 더욱이, 이 광 증폭기(500)는 외부 전송로를 전파하는 광을 광 커플러(561, 562)를 통해 모니터하여, 스팬로스량 등의 정보를 얻기 위한 상위 감시 시스템(563)을 구비한다. 제어부(590)는 온도 검출 소자(561)로부터의 검출 정보에 기초하여 온도 조절 소자(562)를 제어하기 위한 온도 제어 회로(591)를 구비함과 동시에, 보다 고속의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 미리 실측 데이터를 격납해 두기 위한 메모리(592)를 포함한다.
상술한 바와 같은 제어 형태에서는, 어느 정도의 정밀도로 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도를 제어하면 좋을지가 공업적으로는 중요하다. 통상의 육상 광 통신 시스템에서는, 1개의 증폭용 중계국에 요구되는 이득 편차는 일반적으로 최대 ±1dB이다. 도 14의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 패스 밴드 1563nm 내지 1615nm에 있어서 ±1dB의 이득 편차를 만족하기 위해서는 Gmin(Bi계 EDF 단체의 25℃에 있어서의 이득 극소치)을 1.2dB의 정밀도로 제어할 필요가 있다.
또한, 도 14는 실온에 있어서의 신호 광 파장과 규격화된 동적 이득 경사(DGT)와의 관계를 도시하는 그래프이다. 규격화된 DGT는 이하의 식 (9)에 의해 주어진다.
(△G-△GM)/△GM…(9)
여기서, △G는 DGT이고, △GM은 패스 밴드 전역에서 평균화된 이득 GM의 변동분이다.
도 14로부터, 패스 밴드 1563nm 내지 1615nm에 있어서 발생하는 규격화된 DGT는 1.7dBp-p이다. 이것을 ±1dB(즉 2dBp-p)의 범위 내에 모으기 위해서는 △Gmin을 ±(2/1.7), 즉 ±1.2dB의 정밀도로 제어하지 않으면 안 되는 것을 알 수 있다.
또한, 이상과 같은 연산을 하여 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도를 제어하면, 고속 제어가 어렵다. 이러한 경우, 상술한 제 3 내지 제 5 실시예의와 같이, 상기 광 증폭기의 출하 시나 초기 부설 시에, 동작 이득과 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도의 최적지와의 관계를 실제로 측정해 두고, 제어부 내의 메모리에 미리 격납해 두는 것이 바람직하다.
나아가서는, 동작 이득이 불명확하여도 이득 경사를 검출하어, Er 첨가 Bi계 EDF의 온도를 피드백 제어하는 것도 가능하다. 즉, 도 15에 도시된 제 6 실시예와 같이, 신호 출력 스펙트럼을 옵티컬 퍼포먼스 모니터(0PM)로 모니터함으로써 그 이득 경사를 검출하여, 양의 이득 경사일 때에는 Er 첨가 Bi계 EDF를 따뜻하게 하는 한편, 음의 이득 경사일 때에는 Er 첨가 Bi계 EDF를 냉각하도록 피드백 제어하면 출력 스펙트럼을 항상 평탄하게 유지할 수 있다. 또한, EDFA의 경우, 도 16에 도시된 바와 같이, 최저한, 어느 채널의 신호 레벨이나 ASE를 모니터하면, 같은 효과를 얻을 수 있다. 단, 채널의 신호 레벨을 모니터할 경우에는, ADM 도입에 의해 모니터 중의 채널이 꺼질 가능성이 있는 것에 주의할 필요가 있다. 도 16 중의 에이리어(A)는 신호 레벨의 모니터 범위를 도시하며, 에이리어(B)는 ASE의 모니터 범위를 도시한다.
도 15는 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 6 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(600)는 입력단(601)에서 출력단(602)을 향하여 순서대로 광 커플러(611), 광 아이솔레이터(621), 광 커플러(613), Bi계 EDF(630), 광 아이솔레이터(623), 광 커플러(614), Bi계 EDF(630), 광 커플러(615), 광 아이솔레이터(622) 및 광 커플러(612)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(600)는 광 커플러(611)에 접속된 수광 소자(651; PD), 광 커플러(612)에 접속된 옵티컬 퍼포먼스 모니터(660; OPM), 광 커플러(613)에 접속된 여기 광원(653; LD), 광 커플러(614)에 접속된 여기 광원(654), 광 커플러(615)에 접속된 여기 광원(655), Bi계 EDF(430)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 조정 소자(662; 펠티에 소자) 및 상기 광 증폭기(600) 전체 동작을 제어하는 제어부(690)를 구비한다. 제어부(690)는 온도 조절 소자(662)를 피드 포워드 제어하기 위한 온도 제어 회로(691)를 구비함과 동시에, 보다 고속의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 미리 실측 데이터를 격납해 두기 위한 메모리(692)를 포함한다.
또한, 광 통신 시스템에서는, 중계국 내의 온도 변화 등에 의해 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도가 변동하여버릴 가능성이 있어, 도 5a에 도시된 바와 같은 현상은 이득 경사의 발생 원인이 될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들면 도 11에 도시된 제 3 실시예와 같이, 서미스터와 펠티에 소자의 조합에 의해 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도를 안정화시키는 방법을 생각할 수 있다. 단, 다른 방법으로서는 도 17의 제 7 실시예에 관련되는 광 증폭기와 같이, 투과 스펙트럼이 가변인 광학 디바이스를 이용하는 제어 형태를 생각할 수 있다. 이와 같이 투과 스펙트럼이 가변인 광학 디바이스로서는 예를 들면 가변 감쇠기 등이 있다.
또한, 도 17은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 7 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(700)는 입력단(701)에서 출력단(702)을 향하여 순서대로 광 커플러(711), 광 아이솔레이터(721), 광 커플러(713), Bi계 EDF(730), 광 아이솔레이터(723), 가변 감쇠기(760), 광 아이솔레이터(724), 광 커플러(714), Bi계 EDF(730), 광 커플러(715), 광 아이솔레이터(722) 및 광 커플러(712)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(700)는 광 커플러(711)에 접속된 수광 소자(751; PD), 광 커플러(712)에 접속된 오프 수광 소자(752; PD), 광 커플러(713)에 접속된 여기 광원(753; LD), 광 커플러(714)에 접속된 여기 광원(754), 광 커플러(715)에 접속된 여기 광원(755), Bi계 EDF(730)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(461; 서미스터) 및 상기 광 증폭기(700) 전체 동작을 제어하는 제어부(790)를 구비한다. 제어부(790)는 온도 검출 소자(761)로부터의 검출 정보에 기초하여 가변 감쇠기(760)를 피드백 제어하기 위한 가변 ATT 제어 회로(791)를 구비함과 동시에, 보다 고속의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 미리 실측 데이터를 격납해 두기 위한 메모리(792)를 포함한다.
이 제 7 실시예에 관련되는 광 증폭기(700)에 있어서, 제어부(790)는 Er 첨가 Bi계 EDF(730)의 온도가 높아지면 가변 감쇠기(760)의 광 감쇠량을 높이는 한편, 상기 Er 첨가 Bi계 EDF(730)의 온도가 내려가면 가변 감쇠기(760)의 광 감쇠량을 내리도록 제어한다. 또한, 메모리(792)에 실측 데이터를 격납해 두면 보다 고속 제어가 가능해진다.
상술한 제어에서는, 광 증폭기의 이득 변동과 Er 첨가 Bi계 EDF의 온도 변동을 각각 개별로 취급하였지만, 실제의 광 통신 시스템에서는 양자가 동시에 변동하는 경우를 생각할 수 있다. 이 경우, 양쪽 변동을 가변 감쇠기만으로 보상하고자 하면 손실이 너무 커져 여기 효율이나 잡음 지수가 열화할 가능성도 있다. 한편, Er 첨가 Bi계 EDF의 온도만으로 보상하려고 해도 펠티에 소자나 히터로 변경 가능한 온도 범위는 유한하다. 현실적으로는 도 18에 도시된 제 8 실시예에 관련되는 광 증폭기(800)와 같이, Er 첨가 Bi계 EDF(830)의 온도 제어와 가변 감쇠기(860)의 광 감쇠량 제어 병용이 많아진다고 생각할 수 있다. 이 제 8 실시예에 관련되는 광 증폭기(800)는 동작 이득의 변동량(△G), Er 첨가 Bi계 EDF(830)의 온도 변동량(△T) 및 가변 감쇠기(860)의 로스 변동량(△A)의 관계를 최적으로 유지하도록 연산하면서 △A 혹은 △A와 △T를 산출하는 제어 형태를 생각할 수 있다.
도 18은 이 발명에 관련되는 광 증폭기에 있어서의 제 8 실시예의 구성을 도시하는 도면이다. 이 도면에 도시된 광 증폭기(800)는 입력단(801)에서 출력단(802)을 향하여 순서대로 광 커플러(811), 광 아이솔레이터(821), 광 커플러(813), Bi계 EDF(830), 광 아이솔레이터(823), 가변 감쇠기(860), 광 아이솔레이터(824), 광 커플러(814), Bi계 EDF(830), 광 커플러(815), 광 아이솔레이터(822) 및 광 커플러(812)를 구비한다. 또한, 이 광 증폭기(800)는 광 커플러(811)에 접속된 수광 소자(851; PD), 광 커플러(812)에 접속된 수광 소자(852; PD), 광 커플러(813)에 접속된 여기 광원(853; LD), 광 커플러(814)에접속된 여기 광원(854), 광 커플러(815)에 접속된 여기 광원(855), Bi계 EDF(830)에 접하거나 또는 근방에 배치된 온도 검출 소자(861; 서미스터) 및 온도 조정 소자(862; 펠티에 소자) 및 상기 광 증폭기(800) 전체 동작을 제어하는 제어부(890)를 구비한다. 제어부(890)는 온도 검출 소자(861)로부터의 검출 정보에 기초하여 온도 조절 소자(862)를 피드백 제어함과 동시에 가변 감쇠기(860)도 동시에 피드백 제어하기 위한 가변 ATT/온도 제어 회로(891)와, 보다 고속의 피드백 제어를 가능하게 하기 위해, 미리 실측 데이터를 격납해 두기 위한 메모리(892)를 구비한다.
또한, 이득 평탄도를 ±1dB의 고정밀도로 유지하기 위해서는 상기 제어부는 광 증폭 모듈에 있어서의 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB)으로 할 때, 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이
-0.0036·Gmin·△T-1.2≤△G≤-0.0036·Gmin·△T+1.2
가 되는 관계를 만족하도록 상기 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 가변 감쇠기를 제어한다.
더욱이, 상기 제어부는 광 증폭 모듈에 있어서의 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB)으로 할 때, 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이
-0.0036·Gmin·△T-△G-1.2≤△G≤-0.0036·Gmin·△T-△G+1.2
가 되는 관계를 만족하도록 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의변화량(△G(dB)) 및 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 가변 감쇠기를 제어하여도 된다. 또한, 이 제 8 실시예에 있어서도, 메모리(892)에 실측 데이터를 격납해 두면 보다 고속의 제어가 가능해진다.
앞서 서술한 바와 같이, 확장 L밴드용 Bi계 EDF의 잡음 지수는 반드시 양자 한계까지 이르고 있지 않다. 이 때문에, 라만 증폭기와 상기 각 실시예에 관련되는 광 증폭기를 조합함으로써, 보다 잡음 지수를 개선하는 것이 바람직하다. 이 사실을 검증하기 위해, 도 19a 및 도 19b에 각각 도시된 구성의 광 통신 시스템이 준비되었다. 도 19a에 도시된 광 통신 시스템은 길이 80km의 전송로 파이버(900)(SMF: Single-Mode Fiber)와 이 발명에 관련되는 Er 첨가 Bi계 EDF를 포함하는 광 증폭기(Bi-EDFA; 910)와, 이득 등화기(920)에 의해 구성되어 있다. 도 19b에 도시된 광 통신 시스템(이 발명에 관련되는 광 통신 시스템의 제 2 실시예)는 상기를 조합한 광 통신 시스템과, 도 19b에 도시된 광 통신 시스템은 도 19a의 광 통신 시스템과 마찬가지로, 길이 80km의 SMF(900)와, Bi-EDFA(920)와, 이득 등화기(920)를 구비함과 동시에, 광 커플러(930)를 통해 복수 채널의 여기 광을 SMF(900)로 공급하는 여기 광 공급 시스템(940)을 또한 구비함으로써, 상기 Bi-EDFA의 상류 측에 분포 라만 증폭기를 구성하고 있다. 또한, 도 19b의 광 통신 시스템에 있어서, 여기 광 공급 시스템(940)은 여기 채널로서 파장 1468nm, 출력 166mW의 광을 출력하는 광원(942a)과, 여기 채널로서 파장 1472nm, 출력 269mW의 광을 출력하는 광원(942b)과, 여기 채널로서 파장 1520nm, 출력 75mW의 광을 출력하는 광원(942c)과, 여기 채널로서 파장 1524nm, 출력 210mW의 광을 출력하는광원(942d)과, 이들 광원(942a 내지 942d) 각각에서 출력된 여기 채널을 합파하는 합파기(941)를 구비한다.
또한, 도 20a는 신호 광 파장과 이득의 관계를 도시하는 그래프이고, 도 20b는 신호 광 파장과 잡음 지수(NF: Noise Figure)의 관계를 도시하는 그래프이다.
또한, 도 20a에 있어서, 그래프(G1810a)는 도 19a에 도시된 광 통신 시스템에 있어서의 Bi-EDFA의 이득 스펙트럼, 그래프(G1821a)는 도 19b에 도시된 광 통신 시스템에 있어서의 분포형 라만 증폭기의 ON-OFF 이득, 그래프(1822a)는 도 19b에 도시된 광 통신 시스템에 있어서의 Bi-EDFA 단체의 이득 스펙트럼, 그래프(G1823a)는 도 19b에 도시된 광 통신 시스템 전체의 토탈 이득을 각각 도시하고 있다. 더욱이, 도 20b에 있어서, 그래프(G1810b)는 도 19a에 도시된 광 통신 시스템에 있어서의 Bi-EDFA의 이득 스펙트럼, 그래프(1821b)는 도 19b에 도시된 광 통신 시스템에 있어서의 분포형 라만 증폭기의 ON-OFF 이득, 그래프(G1822b)는 도 19b에 도시된 광 통신 시스템에 있어서의 Bi-EDFA 단체의 이득 스펙트럼, 그래프(G1823b)는 도 19b에 도시된 광 통신 시스템 전체의 토탈 이득을 각각 도시하고 있다.
도 19a의 광 통신 시스템에서는, 1563nm 내지 1615nm의 신호 파장 대역에 있어서의 확장 L밴드 EDFA 단체의 잡음 지수는 8dB에 이르고 있는 데 대하여, 도 19b의 광 통신 시스템(분포형 라만 증폭기 포함)에서는, 실효적인 잡음 지수는 4dB 이하가 된다. 또한, 이득 편차는 도 19a의 광 통신 시스템이 3dB에 이르는 데 대하여, 도 19b의 광 통신 시스템은 2dB로 개선된다. 이와 같이, 상기 광 증폭기 뿐만 아니라, 상기 광 증폭기의 상류 측에 위치하는 광 파이버 전송로를 라만 증폭용 광파이버로서 이용함으로써 잡음 지수 개선이 가능해진다.
이상과 같이 이 발명에 의하면, 광 증폭 매체로서 Bi계 광 도파로를 이용함으로써, 열 손상이나 독성의 문제가 없어 실용적이고, 또한, L밴드에 포함됨으로써 광대역의 실효적 신호 파장역에 있어서 상대 이득 편차가 작은 이득 스펙트럼을 실현할 수 있다.
본 발명은 L밴드에 있어서 상대 이득 편차가 작은 광대역 이득 스펙트럼을 실현하는 실용적인 광 증폭 모듈, 상기 광 증폭 모듈을 포함하는 광 증폭기, 나아가서는, 상기 광 증폭기를 포함하여, 대용량 정보의 송수신을 가능하게 하는 광 통신 시스템을 제공할 수 있다.

Claims (44)

  1. 파장 1610nm 이상의 파장역을 포함하는 신호 광 파장 대역 내의 복수 채널이 다중화된 신호 광을 일괄 증폭하는 광 증폭 모듈로서,
    상기 신호 광이 전파하는 영역으로서 Er 원소가 첨가된 광 도파 영역을 가지고, 산화 Bi계 호스트 유리로 이루어지는 Bi계 광 도파로와,
    상기 Bi계 광 도파로의 광 도파 영역 내에 반전 분포를 발생시키도록 상기 광 도파 영역에 여기 광을 공급하는 여기 광 공급 시스템을 구비한 광 증폭 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    Er 원소가 첨가된 상기 광 도파 영역에는 B 원소가 더욱 첨가되어 있는 광 증폭 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 광 증폭 모듈의 동작 온도 범위 중 소정 동작 온도에 있어서 상기 Bi계 광 도파로의 정미(正味) 이득 스펙트럼에 있어서의 상대 이득 편차가 25% 미만이 되도록 상기 여기 광 공급 시스템으로부터 상기 Bi계 광 도파로에 공급되는 여기 광의 광 파워를 조정하는 제어부를 구비하는 광 증폭 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상대 이득 편차는 19% 미만인 광 증폭 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 광 증폭 모듈의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서 상기 Bi계 광 도파로의 정미 이득 스펙트럼에 있어서의 상대 이득 편차가 25% 미만이 되도록, 상기 여기 광 공급 시스템으로부터 상기 Bi계 광 도파로에 공급되는 여기 광의 광 파워를 조정하는 제어부를 구비하는 광 증폭 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 상대 이득 편차는 19% 미만인 광 증폭 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 광 증폭 모듈의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서 상기 Bi계 광 도파로의 정미 이득 스펙트럼에 있어서의 상대 이득 편차가 25% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘도록, 상기 여기 광 공급 시스템으로부터 상기 Bi계 광 도파로에 공급되는 여기 광의 광 파워를 조정하는 제어부를 구비하는 광 증폭 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 파장 대역 폭은 50nm을 넘는 광 증폭 모듈.
  9. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 광 증폭 모듈의 전체 동작 온도 범위 내에 있어서 상기 Bi계 광 도파로의 정미 이득 스펙트럼에 있어서의 상대 이득 편차가 19% 미만이 되는 파장 대역 폭이 37nm을 넘도록, 상기 여기 광 공급 시스템으로부터 상기 Bi계 광 도파로에 공급되는 여기 광의 광 파워를 조정하는 제어부를 구비하는 광 증폭 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 파장 대역 폭은 50nm을 넘는 광 증폭 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 검출하는 온도 검출 소자를 구비하는 광 증폭 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 조정하는 온도 조정 소자를 구비하는 광 증폭 모듈.
  13. 제 12 항에 기재된 광 증폭 모듈과,
    상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의 변화량(△G(dB))에 기초하여, 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 △T(K)만큼 변화시키는제어부를 구비하는 광 증폭기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB로) 할 때,
    (△T·Gmin)×0.0036-1.2≤△G≤(△T·Gmin)×0.0036+1.2
    가 되는 관계를 만족하도록, 상기 △T(K)를 제어하는 광 증폭기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광 증폭기의 실제 운용 시에 있어서의 △G(dB)와 △T(K)의 실측 데이터를 미리 격납한 메모리를 구비하는 광 증폭기.
  16. 제 12 항에 기재된 광 증폭 모듈과,
    검출된 이득 경사에 기초하여, 상기 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도를 변화시키는 제어부를 구비하는 광 증폭기.
  17. 제 12 항에 기재된 광 증폭 모듈과,
    상기 신호 광의 전송 경로 상에 설치되어, 상기 신호 광에 대한 손실 특성이 가변인 가변 감쇠기와,
    검출된 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 양(正)일 때에 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로에 대한 가열 지시를 하는 한편, 검출된 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 음(負)일 때에 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로에 대한 냉각 지시를 하는 제어부를 구비하는 광 증폭기.
  18. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 신호 광의 전송 경로 상에 설치되어, 상기 신호 광에 대한 손실 특성이 가변인 광 손실 부품을 구비하는 광 증폭 모듈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광 손실 부품은 가변 광 감쇠기를 포함하는 광 증폭 모듈.
  20. 제 19 항에 기재된 광 증폭 모듈과,
    검출된 상기 광 증폭 모듈의 Bi계 광 도파로 또는 그 근방의 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 상기 광 증폭 모듈의 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))을 결정하는 제어부를 구비하는 광 증폭기.
  21. 제 13 항에 있어서, 또한,
    상기 신호 광의 전송 경로 상에 설치되어, 상기 신호 광에 대한 손실 특성이 가변인 가변 감쇠기를 또한 구비하고,
    상기 제어부는 상기 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이 검출된 상기 온도 변화(△T(K))에 비례하도록, 상기 가변 감쇠기를 제어하는 광 증폭기.
  22. 제 13 항에 있어서, 또한,
    상기 신호 광의 전송 경로 상에 설치되어, 상기 신호 광에 대한 손실 특성이 가변인 가변 감쇠기를 또한 구비하고,
    상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB)으로 할 때, 상기 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이
    -0.0036·Gmin·△T-1.2≤△G≤-0.0036·Gmin·△T+1.2
    가 되는 관계를 만족하도록 상기 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 상기 가변 감쇠기를 제어하는 광 증폭기.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 Bi계 광 도파로 단체의 25℃에 있어서의 동작 이득의 신호 파장 대역 내에서의 극소치를 Gmin(dB)으로 할 때, 상기 가변 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))이
    -0.0036·Gmin·△T-△G-1.2≤△G≤-0.0036·Gmin·△T-△G+1.2
    가 되는 관계를 만족하도록 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의변화량(△G(dB)) 및 온도 변화(△T(K))에 기초하여, 상기 가변 감쇠기를 제어하는 광 증폭기.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의 변화량(△G(dB)) 및 온도 변화(△T(K))의 상기 광 증폭기의 실제 운용 시에 있어서의 실측 데이터를 미리 격납한 메모리를 구비하는 광 증폭기.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 동작 이득의 변화량(△G(dB)), 온도 변화(△T(K)) 및 상기 가변 광 감쇠기에 있어서의 광 감쇠량(△A(dB))의 상기 광 증폭기의 실제 운용 시에 있어서의 실측 데이터를 미리 격납한 메모리를 구비하는 광 증폭기.
  26. 제 19 항에 기재된 광 증폭 모듈과,
    검출된 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사에 기초하여, 상기 가변 감쇠기의 광 감쇠량(△A(dB))을 변화시키는 제어부를 구비하는 광 증폭기.
  27. 상기 신호 광의 전송 경로 상에 설치되어, 상기 신호 광에 대한 손실 특성이 가변인 가변 감쇠기를 갖는, 제 12 항에 기재된 광 증폭 모듈과,
    검출된 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 양일 때에 상기 가변 감쇠기의 광 감쇠량(△A(dB))의 증가 지시를 하는 한편, 검출된 상기 광 증폭 모듈에 있어서의 이득 경사가 음일 때에 상기 가변 감쇠기의 광 감쇠량(△A(dB))의 감소 지시를 행하는 제어부를 구비하는 광 증폭기.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 Bi계 광 도파로의 배경 손실(αB(dB/m))과 Er에 의한 흡수 피크(α(dB/m)) 사이에 이하의 관계가 성립하는 광 증폭 모듈.
    αB≤0.021α
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 Bi계 광 도파로의 배경 손실(αB(dB/m))과 Er에 의한 흡수 피크(α(dB/m)) 사이에 이하의 관계가 성립하는 광 증폭 모듈.
    αB≤0.015α
  30. 제 1 항에 있어서,
    상기 Bi계 광 도파로는 광 파이버를 포함하는 광 증폭 모듈.
  31. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기 광 공급 시스템은 중심 출력 파장이 최고 출력 시에 1453nm 내지 1473nm의 범위에 있는 광원을 포함하는 광 증폭 모듈.
  32. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기 광 공급 시스템은 중심 출력 파장이 항상 1453nm 내지 1473nm인 범위에 있는 광원을 포함하는 광 증폭 모듈.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기 광 공급 시스템은,
    광 반사면과 상기 광 반사면에 대향하는 광 출사면을 갖는 반도체 발광 소자와,
    상기 반도체 발광 소자의 광 출사면으로부터 출사된 광 중 특정 파장의 광의 일부를 반사하여, 상기 반사된 광을 상기 광 출사면으로부터 상기 반도체 발광 소자의 내부로 입사되는 회절 격자를 포함하는 광 증폭 모듈.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 광 파이버 상에 형성된 광 파이버 그레이팅을 포함하는 광 증폭 모듈.
  35. 제 1 항에 있어서, 또한,
    상기 신호 광이 전파하는 영역으로서 Er 원소가 첨가된 광 도파 영역을 가지고, 석영계 호스트 유리로 이루어지는 석영계 광 도파로를 구비하는 광 증폭 모듈.
  36. 제 35 항에 있어서,
    상기 석영계 광 도파로는 상기 신호 광의 전송 경로 상으로서 상기 신호 광의 진행 방향에서 보아 상기 Bi계 광 도파로의 상류 측에 배치된 광 증폭 모듈.
  37. 제 35 항에 있어서,
    상기 석영계 광 도파로는 상기 신호 광의 전송 경로 상으로서 상기 신호 광의 진행 방향에서 보아 상기 Bi계 광 도파로의 하류 측에 배치되어 있는 광 증폭 모듈.
  38. 제 35 항에 있어서,
    상기 석영계 광 도파로의 광 도파 영역에는 Al 원소 및 La 원소 중 적어도 한쪽과 P 원소가 함께 첨가되어 있는 광 증폭 모듈.
  39. 제 1 항의 광 증폭 모듈을 포함하여, L밴드에 포함된 복수 채널이 다중화된 신호 광을 상기 광 증폭 모듈에 의해 증폭하는 광 증폭기.
  40. 제 39 항에 있어서, 또한,
    상기 신호 광의 전송 경로 상이고 상기 신호 광의 진행 방향에서 봐서 상기 Bi계 광 도파로의 상류 측에 배치된 라만 증폭용 광 파이버를 구비하는 광 증폭기.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 라만 증폭용 광 파이버에는 파장 1470nm 부근의 여기 광 및 파장 1520nm 이상의 여기 광 중 적어도 한쪽이 공급되는 광 증폭기.
  42. 제 39 항에 기재된 광 증폭기를 포함하여, L밴드에 포함된 복수 채널이 다중화된 신호 광을 전송함과 동시에, 상기 신호 광을 상기 광 증폭기에 의해 증폭하는 광 통신 시스템.
  43. 제 42 항에 있어서, 또한,
    상기 신호 광의 전송 경로 상으로서 상기 신호 광의 진행 방향에서 보아 상기 광 증폭기의 상류 측에 배치된 라만 증폭용 광 파이버를 구비하는 광 통신 시스템.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 라만 증폭용 광 파이버에는 파장 1470nm 부근의 여기 광 및 파장 1520nm 이상의 여기 광 중 적어도 한쪽이 공급되는 광 통신 시스템.
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