KR910007710B1 - 광 증폭기를 이용하는 광파 시스템 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

광 증폭기를 이용하는 광파 시스템
제1도는 본 발명의 일 실시태양에 따른 광 증폭기를 이용하는 광파 시스템의 개략도.
제2도는 제1도 시스템의 일 실시태양에서 사용된 근접 공진 반도체 광 증폭기의 이득 스펙트럼을 나타내는 도면.
제3도는 제2도 이득 스펙트럼 전체에 걸친 증폭기 잡음지수의 변화를 나타내는 도면[유사한 변화가 진행-파 반도체 증폭기에서도 관찰됨].
제4도는 서로 다른 길이를 갖는 두개의 증폭기에 대한 제2도 스펙트럼의 부분확대도로서, 곡선 I는 보다 긴 증폭기에 대한 공진 피크의 C/2nL 간격을 도시하고, 곡선 II는 보다 짧은 증폭기에 대한 공진 피크의 C/2nL 간격을 도시한 도면.
제5도는 제1도의 실시태양에서 유용한 반도체 광 증폭기의 개략도.
제6도는 광 증폭기를 그 전단부에 갖고 있는 광파 수신기의 개략도.
제7도 및 8도는 다수의 통과대역내의 개별 단일 주파수(제4도) 및 한 통과대역내의 다수의 개별 단일주파수(제5도)의 두가지 경우에 대한 제1도 송신기에 의해 발생된 여러 주파수와 관련하여 근접-공진 반도체 광 증폭기의 이득 스펙트럼 부분을 나타내는 도면.
제9도는 직접 검파로 본 발명을 입증하는데 사용된 실험적인 광파 시스템의 개략도.
제10도는 간섭(coherent) 검파로 본 발명을 입증하는데 사용된 실험적인 광파 시스템의 개략도.
제11도는 본 발명의 또다른 실시태양에 따른 광 스위칭 시스템의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
16, 18 : 광 증폭기 20 : 필터
22 : 반도체 몸체 32 : 광 섬유
40 : 귀환 회로 70 : SCBR 레이저
104 : 국부 발진기 150 : 압전 변환기
154 : 저역통과 필터
본 발명은 광 증폭기에 관한 것으로, 특히, 그와 같은 증폭기를 이용하는 광파 시스템 및 수신기에 관한 것이다.
광 신호를 광 섬유를 통하여 전송시킬 수 있는 거리는 광 섬유의 손실 및 분산 특성과, 레이저의 스펙트럼 및 전력 특성과, 송신기와 수신기간의 전송로 내에 있는 광 증폭기의 수 또는 전기 중계기의 수와의 함수관계를 갖는다. 시스템의 설계조건과 관련하여, 이러한 특성들은 증폭기 또는 중계기들 사이의 간격을 결정짓는다. 물론, 광 증폭기는 광 신호를 대응 전기 신호로 변화시키지 않고 직접 광 주파수에서 그 광 신호를 증폭하지만, 전기 중계기는 먼저 광 신호를 전기 아날로그(analog)신호로 변환시킨 다음, 전기 신호를 재생하여 이것을 광 주파수로 재전송한다는 것은 잘 알려져 있다.
전형적으로, 분산 제한 신호(예로서, 현존섬유의 1.5μm에서의 최소 손실에 정합하는 신호)는 전송 거리를 증가시키기 위하여 재생적인 중계를 필요로 하며 분산 효과를 줄이기 위하여 단일 종 모드(longitudinal mode) 레이저를 필요로 한다. 반면에, 손실 제한 신호(예로서, 현존섬유의 1.3μm에서의 최소 분산에 정합하는 신호, 또는 1.5μm에서 최소 손실을 나타내는 단일 종 1모드 신호)는 훨씬 간단한 직접 광 증폭 기법을 사용할 수 있다.
광 증폭기로서 동작하도록 개조한 반도체 레이저 칩이 섬유 광학 전송 시스템에서 재생기들간의 전송 거리를 증가시킬 수 있음은 이론적으로 예측되어 왔다(예를 들면, Y. Yamamoto의 "IEEE J.Quantun Electron., Vol.QE-16, pp.1073-1081(1980)"를 참조할 것). 최근의 보고서들은 이러한 예측을 입증하지는 못했지만, 순 이득(net gain)을 증명하였다(예를 들면, G.Eisenstein 등의, "Electron.Lett., Vol.21, pp.1076-1077(1985)"를 참조할 것). 이중(dual) 증폭기 시스템은 순 증폭기 이득이 각기 26dB 및 21dB인 직접 검파(I.W.Marshall 등의, "Electron.Lett., Vol.22, pp.253-254(1986)") 및 간섭(coherent) 검파(N.A.Olsson의 "Electron.Lett., Vol.21, pp.1085-1087(1985)")의 두 가지로 증명되었다. 단일 증폭기 위상 전이 전건 조작(phase shift keying(PSK)) 헤테로다인 실험에서, 8dB의 순 증폭기 이득을 달성하였다(R.C.Steel 등의 "Electron.Lett., Vol.23, pp.296-297(1987)"). 그러나, 종전의 기술자들은 직접 검파를 이용하므로써, 광 증폭기를 사용하지 않는 시스템에서, 1.2Gb/s에서 171km의 최장 전송거리를 달성하였다(M.Shikada 등의, "IOOC/ECOC, Venice, Italy, pp.498-52(1985)"). 유사하게, 간섭 검파(coherent detection)를 이용하므로써, 가장 긴 전송 거리인 400Mb/s에서의 290km를 달성하는데 광 증폭기를 사용하지 않았으나 손실이 매우 낮은 광 섬유를 필요로 했다(K.Iwashita 등의, "Electron.Lett., Vol.22, pp.791-792(1986)").
이와 대조적으로, 본 발명의 한 태양에 따라서 네개의 탠덤(tandem) 광 증폭기가 직접 검파에 대한 최장의 비재생 전송거리(1Gb/s에서 313km) 및 간섭 검파에 대한 최대의 비재생 전송 거리(400Mb/s에서 372km)를 입증하는데 사용되었다. 이 증폭기들은 약 50,000×(47dB)의 큰 순 이득을 나타냈지만, 시스템 손실은 단지 약 1.5dB 정도였다.
본 발명의 한 실시태양에 따른 광파 시스템에서, 일렬로 배열된 다수의 근접 공진 반도체 광 증폭기로 단일 주파수 광 신호를 증폭시킨다. 즉, 각각의 증폭기는 서로 다른 주파수의 다수의 통과대역을 가지며, 이들 통과대역들 중의 한 통과대역에 신호주파수에 위치한다. 증폭기는 광대역의 자연(spontaneous) 방출 현상을 나타내기 때문에, 잡음 필터링이 포함된다. 그러한 필터링을 달성하는 한가지 방법은 서로 다른 길이의 증폭기를 인접시켜 사용하는 것이다.
본 발명의 실시태양에서, 증폭기 통과대역들 중의 한 통과대역과 신호 주파수 간의 중첩을 유지시키는데 귀환을 이용했고, 증폭기들 사이에 아이솔레이터를 사용했다.
파장 분할 다중(W D M) 시스템에서 사용하기 위한 다른 실시태양에서는, 증폭기들의 개별 통과대역들이 개별 신호들과 중첩되거나, 또는 개별 신호들이 모두 한 통과대역 내에 배치되도록 다수의 단일 주파수 신호를 배열한다.
본 발명은 전송 및 스위칭 시스템의 용도에서 유용하다. 상기 후자의 경우에, 광 스위치를 횡단하는 광 신호가 받는 손실을 보상하기 위해 광 증폭기를 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 광 증폭기 및 잡음 필터링을 탠덤 광학 스위치들간의 스위치되는 통로에 결합시킬 수 있다.
본 발명의 또다른 태양은 반도체 광 증폭기의 잡음지수가 증폭기의 이득 스펙트럼과 전체에 걸쳐서 상당히 변하며, 사실상, 최대 이득의 긴 파장(저주파) 측에서 가장 낮다는 발견에 근거를 두고 있다. 근접 공진 및 진행파 반도체 증폭기 모두는 이러한 특성을 나타낸다. 그리하여, 신호 주파수가 최대 이득에 있어야 한다는 종래의 지식과는 반대로, 본 발명의 한 실시태양은 이러한 발견을 이용하여 신호 주파수가 최대 이득의 저주파 측상에 있도록 증폭기를 설계하고 시스템을 작동시킨다. 이러한 태양은 모든 비트 전송율에서 유용하지만, 대개의 종래 기술 장치가 불완전하게 동작하는(예로서, 애벌랜치 광 다이오드의 이득이 상당히 감소되는)고 비트 전송율 시스템(예로서, 약 2Gb/s 이상으로, 이를테면, 6 내지 8Gb/s에서 작동하는 시스템)에서 특히 유익하다. 그러므로, 본 발명의 다른 실시태양은 신호 주파수가 그 최대 이득의 저주파 측상에 있도록 설계된 반도체 광 증폭기인 것이다. 광 수신기에서는, 그와 같은 증폭기를 입력신호와 광 검파기(예로서, PIN 광 다이오드) 사이에 배치할 수도 있다. 광 스위치에서는, 그와 같은 증폭기를 탠덤 광 스위치단들 사이에 배치할 수도 있다.
여러 특징과 장점이 있는 본 발명은 첨부한 도면과 함께 다음의 더 상세한 설명으로 부터 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
제1도는 제1광 주파수 f1의 광 방사 신호를 발생하는 단일 종 모드 광원(도시안됨)을 가지고 있는 송신기(10)와, 상기 신호의 수신기(12)와 송신기로 부터 수신기로 신호를 전달하는 섬유 광학 통신 링크(14)를 포함하는 광파 통신 시스템을 도시한 것이다. 링크(14)는 일렬로 배열된 다수의 근접 공진 반도체 광 증폭기(OAMP)를 포함하는데, 여기서는, 단지 두개의 OAMP(16) 및 (18)만을 설명 목적상 도시하였다. 제2도에 도시된 바와 같이, OAMP 각각의 이득 스펙트럼은 fm에서 최대로 되는 평균 이득곡선(대시(dash)선)과 그 평균 이득 곡선상에 중첩된 다른 주파수의 다수의 통과대역을 갖는다. 증폭기의 근접-공진 설계는 통과대역의 피크가 C/2nL로 분리되는 결과를 가져온다[여기에서 C는 광속도이고, n은 신호가 전파하는 증폭기 일부분(예로, 도파관)의 굴절율이며 L은 그 부분의 길이이다]. 게다가, 제2도의 이득 스펙트럼에서 각각의 통과대역도 또한 증폭기의 자연 방출이 공진적으로 증강되는 주파수를 나타낸다. 자연 방출은 잡음을 발생하므로, 시스템의 신호 대 잡음비를 개선하고 또한 한 증폭기에 의해 발생된 잡음이 다른 증폭기를 포화시키는 것을 방지하기 위해 필터할 필요가 있다.
OAMP(16)와 (18) 사이에 위치한 협 대역 필터(20)에 의해 잡음을 필터한다. 필터(20)는 여러가지 구성을 가질 수도 있다. 한가지 설계구성은, 신호 주파수는 통과시키고 다른 주파수는 저지함으로써, 대부분의 잡음의 주파수 성분을 효과적으로 저지하게 한 광대역 스펙트럼를 갖는 광 회절 격자(grating)이다. 다른 설계 구성은 광 섬유의 조각으로 형성될 수 있는 파브리-페로 공진기(Fabry-Perot resonator)에 해당한다. 아마도 조금은 간단한 세번째 구성은 적어도 인접한 OAMP의 길이를 서로 다르게 하여, 제4도에 도시된 바와 같이, 이득 스펙트럼의 대부분의 공진 피크(모드)가 서로 중첩되지 않도록 한 것이다. 일반적으로, 신호 주파수 f1에서 중첩하는 모드를 갖게 하되, 다른 중첩하는 모드의 수를 최소화하는 것이 바람직하다. 1차적인 접근으로는, 인접한 증폭기들의 길이에 차이를 두어, 단일 모드의 1/2 최대에서의 주파수 폭(FWHM)보다 더 큰 f1에 가장 가까운 다른 증폭기 모드의 주파수에서 차이를 발생하여야 한다. 길이가 450 내지 500μm인 증폭기들에서 길이의 차가 단지 10%인 것이 적합할 수 있다. 이 경우에, 곡선 I로 도시된 스펙트럼 부분은 보다 짧은 OAMP(16)의 스펙트럼을 나타낼 수 있고, 한편, 곡선 II의 스펙트럼 부분은 보다 긴 OAMP(18)의 스펙트럼을 나타낸다. OAMP(16)에서 주파수 fx또는 fy에서 발생된 어떤 잡음 성분이 OAMP(18)에서 훨씬 낮은 이득을 나타내는 것은 명백하다. 그러므로, 한 가지를 제외하고는, 증폭기의 다른 길이에 의해 곡선 II의 공진 피크가 곡선 I의 공진 피크로부터 전이되기 때문에 OAMP(18)은 포화되지 않는다. 한가지의 예외는 곡선 I 및 II의 공진 피크가 서로 중첩하여 신호가 증폭되는 신호 주파수 f1에서 발생한다. 그러나, 그 통과대역에서 잡음도 역시 증폭될 것이다. 하지만, 시스템을 통한 잡음 증폭의 총량은 전이된 이득 스펙트럼의 필터링 공정에 의해 실질적으로 감소된다.
광 증폭기의 한 실시태양을 제5도에 개략도로 도시했다. 이 도면에서, 반도체 몸체(22)는 전파될 광을 도파하는 도파관(24)과, 그 입력 및 출력측의 역반사(AR) 코팅(34)과, 전극(28)을 갖추고 있다. 전극(28)양단간에 접속된 구동회로(26)에서 공급된 충분한 전류로 펌핑(pumping)하면, 상기 몸체(22)는 이득 매체로서 작용하며 도시된 바와 같이 섬유(32)로부터 방출되는 신호를 증폭하는 기능을 수행할 것이다. 이러한 기능을 효과적으로 수행하기 위하여, 예를 들어, AR 코팅(34)에 의해 레이징(lasing) 작용을 억제시킨다. 제2도의 이득 스펙트럼의 근접-공진 특성을 얻기 위해서는, 증폭기의 단일 통과 이득 G와 코팅(34)의 반사도 R의 적(積)을 적절히 선택하여야 한다. 일반적으로, 이 적을 비교적 크게 유지하는 것이 바람직하고; 따라서 0.3
Figure kpo00001
GR＜1인 것이 적합하다.
전송 시스템의 실용적인 실시태양에서, 신호 주파수 f1의 위치와 관련하여 통과대역의 위치를 조절하는 것이 바람직하다. 제5도에 도시된 바와 같이, 귀환 회로(40)에 의해 이러한 기능을 실행한다. 결합기(coupler)(42)는 증폭된 신호의 일부를 표본화하여, 이것을 입력으로서 회로(40)에 공급한다. 회로(40)는 그 표본신호의 전력을 적당한 기준치와 비교하여, 회로(26)에 의해 증폭기로 인가되는 구동 전류를 조절하는데 사용되는 오차 신호를 발생한다. 구동 전류가 변하면 통과대역의 위치가 변하게 된다. 대안으로서, 온도가 변하면 또한 통과대역이 전이되기 때문에, 증폭기에 열적으로 결합된 열전기 냉각기(도시안됨)로 흐르는 구동 전류를 조절하는데 그 오차 신호를 사용할 수 있다. 한편, 출력 전력을 감지하는 대신에, 증폭기 양단간의 전압을 측정할 수 있다. 최대 이득에서 전압 급강하가 있기 때문에, 상기와 같이, 이와 같은 전압급강하를 감지하여 구동전류 또는 온도를 조절할 수 있다.
제5도에 도시된 형태의 증폭기는 여러 유익한 특성을 갖는다. 첫째로, 증폭기의 광 잡음 손실이 매우 적다. 그러나 일렬의 4개 증폭기는 단지 1.5dB의 손실을 발생한다. 두번째로, 증폭기의 잡음지수 F는 제3도에 도시된 바와 같이 그 이득 스펙트럼 전체에 걸쳐서2이상의 인수로 변하며, 최대 이득의 주파수 fm이하의 주파수에서는 더 낮음을 발견하게 되었다. 잡음지수는 증폭기의 입력에서의 신호 대 잡음비와 출력에서의 신호대 잡음비와의 비율이며; 증폭기는 항상 약간의 잡음을 시스템에 부가시키기 때문에, F는 항상 1보다 크다. 결과적으로, 신호 주파수 f1이 최대 이득의 저 주파수측에 있도록; 즉 f1＜fm이 되도록 증폭기를 설계하고 시스템을 작동시키는 것이 바람직하다. 신호 주파수를 예비 설정하면, 그때 이득 매체인 반도체 재료를 f1＜fm을 만족하도록 선택할 수 있다. 한편, 증폭기 설계를 예비 설정하면, 그때 송신기 설계(예로, 레이저 광)를 충분히 낮은 신호 주파수를 발생하도록 적용시킬 수 있다. 진행파 형태의 증폭기와 같은, fm이하의 주파수에서 더 낮은 잡음지수를 나타내는 다른 반도체 광 증폭기에도 유사한 설명을 적용한다. 게다가 f1＜fm인 진행파 증폭기(전형적으로 가능한 한 적은 GR을 갖음; GR
Figure kpo00002
0.06이 적합함)도 역시 다중 종 모드 광원으로 부터의 신호를 증폭하는데 적합하다.
상기 언급된 잡음지수의 특징은 본 발명의 어떤 실시태양에서도 유용하지만, 수신기; 즉, 감도가 중요하고, 잡음 레벨이 가능하면 낮게 유지되어야만 하는 수신기의 전단부에 사용하는데 특히 적합하다. 제6도는 전자적인 관점에서 볼 때 비교적 표준적인 수신기를 도시한 것이다. 즉, 이 수신기는 PIN 광 다이오드와 같은 광 검출기(52), 전치증폭기(54), 후단증폭기(56), 판단회로(58), 및 타이밍회로(60)를 포함한다. 만일에 이 수신기가 중계기로서 작용하면, 판단회로의 출력을 출력 광 섬유(68)에 결합된 광원(예로, 레이저)(62)을 구동시키는데 사용할 수 있다. 재생적인 중계가 반드시 필요하지 않은 장치에서는, 광원(62)을 생략하며, 검파된 전기 신호를 적당한 이용 회로(도시안됨)로 인가한다. 이 수신기에서 특히 중요한 것은 전송 광 섬유(66) 및 광 검파기(52) 사이에 광 증폭기 OAMP(64)를 사용하는 것이다. 상기 설명된 바에 따라서, 신호 주파수가 최대 이득의 저 주파수 측상에 있도록 OAMP(64)를 설계한다. 선택적으로, OAMP(64)와 광 검파기(52) 사이에 협 대역 잡음 필터(65)를 또한 사용할 수 있다. 이와 같은 독특한 구성은 입수 가능한 애벌랜치 광 다이오드(APD)의 이득이 부적당할 수 있는 매우 높은 비트 전송율 용도(예로, 2GHz 이상, 말하자면 6 내지 8GHz)에 특히 적합하다. 그러므로, OAMP(64)는 필요한 이득을 제공하고, APD(및 이것의 부수적인 고전압원)를 필요로 하지 않으며, 높은 비트 전송율에서도 고 감도를 얻을 수 있게 한다.
본 발명의 또다른 태양은 제1도에 도시된 바와 같은 전송 시스템에서 인접한 증폭기들 사이에 광 아이솔레이터(70)를 사용한다는 것이다. 물론, 아이솔레이터는 이 기술분야(예로서, 패러데이(Faraday) 회전장치)에서 알려져 있지만, 여기에서 그들의 기능은, 증폭된 신호가 전송 경로에서의 접촉부(splices) 또는 다른 불연속부로부터 반사되므로써 초래될 수도 있는 증폭기에서의 이득 불안정을 방지하는 것이다. 또한, 아이솔레이터는 OAMP가 양쪽 방향으로 진행하는 신호를 증폭하기 때문에 발생할 수 있는 원하지 않는 정귀환의 발생을 방지한다.
파장 분할 다중(WDM) 시스템에 사용하기 위한 본 발명의 또다른 실시태양에서, 제1도의 송신기(10)는 제7도에 도시된 바와 같이 개별 주파수 f1,f1,…fn이 증폭기들의 통과대역들 중의 개별 통과대역 내에 각기 위치하도록, 개별 단일 주파수(또는 파장)의 다수의 신호를 발생한다. 예시적으로, 이러한 대역들은 약 100GHz(7Å) 떨어져 있으므로, 소위, 1.4993μm, 1.50000μm, 1.5007μm 등에서 동작하는 공칭 1.5μm 레이저와 같은 신호원을 필요로 한다. 이 경우에, 물론, 증폭기의 통과대역은 서로 중첩하여야 하므로 다른 길이의 증폭기를 사용하여 잡음을 필터하는 것은 바람직하지 않을 것이다. 그 대신에, 광 회절 격자 및 파브리-페로 필터에 의해 잡음을 필터하는 것이 더 적합할 것이다.
대안으로써, 제8도에 도시된 바와 같이, 송신기(10)에 의해 발생되는 개별 주파수 신호를 단일 통과대역내에서 군집시킬 수도 있다. 전형적으로, 대략 10개의 1GHz 신호를 대략 15GHz의 폭(3dB 점에서 1.1Å)을 갖는 통과대역에 배치시킬 수 있다. 그러나, 광원들이 파장적으로 그렇게 가깝게 이격된 것은 본 발명의 실시태양이 주로 헤테로다인 검출에 의해 신호를 분석할 수 있는 간섭 시스템에 관한 것임을 의미한다. 물론, 이 경우에, 다른 길이의 증폭기를 사용하는 잡음 필터링 구조가 적합할 것이다.
다음의 실시예들은 직접 검파 구조(실시예 I)는 물론 간섭 검파 구조(실시예 II)와 관련하여, 본 발명의 여러 원리들을 증명하기 위해 실시한 실험들을 설명한다. 다양한 배열, 장치, 재료, 칫수, 공정 변수, 동작 조건등은 단지 실례로서 제시되며, 달리 지적되지 않는 한, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
[실시예 I]
직접 검파 광파 시스템을 제9도에 도시하였다. 신호 광원은 1.54μm의 파장에서 방출하는 SCBR-레이저(70)였다. "OFC/IOOC, Reno, Nevada, PDP 8, pp.32-35(1987)"에서 N.A.Olsson에 의해 기술된 바와 같이, 레이저는 실리콘 칩상에 외부 브래그 반사기(Bragg reflector)와 맞대어 접속된 종래의 파브리-페로 레이저로 구성하였다. 역치 전류는 23mA이고, 바이어스 전류는 5mA를 사용했다. 데이타 발생기(72)는 1Gb/s에서 NRZ215-1의사(pseudo) 불규칙 2진 순차 신호에 의하여 레이징 역치를 통하여 직접 변조를 행하였다. 변조 전류는 75mA 피크-피크값이었고, 발생된 레이저 출력의 처프(chirp)는 80MHz/mA 보다 적었다. 섬유(74)에 대한 평균 입력 전력은 +0.2dBm이었다.
전체적으로, 누적된 손실(접속 손실을 포함)이 -69.9dB이고 총 분산이 대략 5ns/nm인 313.0km의 종래 무 분산 전이 광 섬유를 레이저 및 수신기(76) 사이에 삽입시켰다. 각기 다양한 길이의 광 섬유 관(spool)(79.9km, 64.5km, 54.0km 및 78.6km)을 삽입시킨 후, 각각의 광 증폭기(77),(80),(82) 및 (84)에 의해 신호 레벨을 증폭시켰다. 광 증폭기로서는, 다른 길이의 광 공동(약 500μm 길이) 및 1/4 파장 AR 마면(facet)-코팅을 갖는 네개의 INP/InGaAsP CSBH 반도체 레이저 칩을 사용하였다. 처음 세개의 증폭기(78),(80) 및 (82)는 대략 0.5%의 마면 반사도를 가지며, 그들의 이득 최대치는 그 신호의 더 짧은 파장측에서 대략 6nm이었고; 즉, 신호 주파수는 fm보다 작았다. 한편, 단지 그 유효성 때문에, 마지막 증폭기(84)는 약 3%의 마면 반사도를 가지며, 그의 최대 이득은신호 파장과 일치했다. 각 증폭기들의 앞쪽에 배치되는 수동 광 섬유 편광자(polarizer)(86),(88),(90) 및 (92)로 증폭기에 대한 입력 신호를 TE-편광시켰다. 만일 입력 신호를 TM 편광시키면, 증폭기의 이득은 대략 7dB만큼 감소될 것이다. 4개 증폭기의 광 섬유 입력 전력은 각기 -18.4, -23.3, -23.7 및 -19.6dBm이었고, 증폭기의 광 섬유간의 이득은 각기 7.9, 11.1, 14.2 및 7.7dB이었다. 증폭기 출력에서의 신호 대 잡음비를 증가시키는데 고 입력 신호를 사용했다. 고 입력 신호는 모든 증폭기에서 약간(1 내지 2dB)의 이득 포화를 일으켰다. 광 이어솔레이트 또는 렌즈형 섬유 단부와 조합된 현미경 대물 렌즈는 증폭기 내로 및 외부로 광을 결합시키는데 사용했다. 결합방법에 관계없이, 각 증폭기에 대한 광 섬유간의 총 결합 손실은 -10dB로 산정되었다. 광 아이솔레이터(94),(96) 및 (98)를 인접한 증폭기들 사이에 삽입했다. 증폭기(80) 및 (82)는 그들과 광 섬유 관 사이에 아이솔레이터를 가져 강하게 펌프될 수 있기 때문에 광 섬유 관 전방에 아이솔레이터를 갖지 않는 증폭기(78) 및 (84)와 비교할 때 더 높은 순 이득을 갖게 다.
선행 증폭기로 부터의 자연 방출 잡음은 후속 증폭기에 의해 증폭된다. 결국, 이렇게 증폭된 잡음은 신호보다 더 크게 되어, 전송 경로를 따라 증폭기의 이득 포화를 촉진하게 된다. 또한, 자연-자연 방출 맥놀이(beat) 잡음 및 포화 효과는 수신기의 성능을 저하시킬 것이다. 따라서, 이러한 효과를 감소시키기 위하여, 파장 필터로서 작용하는 회절격자(100)를 증폭기(98)의 출력에 삽입시켰다. 필터의 FWHM은 15Å였고, 신호 파장과 가장 가까운 통과대역(파브리-페로 모드)을 제외한, 모든 자연 방출 잡음을 필터하였다.
집접 GaAs 상호 임피던스 회로를 포함한, PIN InGaAsP-다이오드(102) 및 증폭기(103)를 수신기로서 수용했다. 직접 검파를 이용하여 1Gb/s에서의 수신기의 비트-에러-율(BER)을 측정했다. 어떠한 광 섬유 또는 증폭기도 갖고 있지 않은 경우, 수신기의 감도(BER=10-9)는 -30.5dB였다. 313km의 광 섬유 및 네개의 광 증폭기를 갖고 있는 경우, 수신기의 감도는 어떠한 징후의 에러 플로어(floor)(즉, 더 높게 수신된 전력에서 BER의 포화)도 나타내지 않고, 단지 1.4dB 내지 -29.1dBm 만큼 저하되었다. 이러한 저하는 신호-자연 맥놀이 잡음의 효과, 증폭기에서 이득 포화에 기인한 패턴 효과, 및 분산과의 혼합에 의한 것이다. 자연-자연 맥놀이 잡음으로 부터의 손실은 무시했다. 아이-다이어그램(eye-diagram)으로 본 313km의 전송후 수신된 신호의 질은 우수했다.
이 실시예는 직접 변조된 1Gb/s 신호를 종래의 무분산 전이 광 섬유를 통하여 총 길이 313km에 걸쳐 전송시키는데 네개 레이저 증폭기를 사용했다. 이것은 현재까지 입증된 직접 변조를 이용하는 가장 긴 무-발생 광 섬유 전송이다. SCBR-레이저원의 낮은 처프는, 무-발생 광 증폭에 관심을 끌게 여, 총 전송거리가 종래보다 176km 만큼 더 연장되었다. 인접한 증폭기들 간에 광 아이솔레이터를 사용하면 시스템 성능이 좋아지기 때문에 중요하다. 그러나, 각각의 증폭기와 각각의 광 섬유 사이에 다른 아이솔레이터를 사용하는 것이 또한 유익할 것이며, 이렇게 함으로써, 광 섬유로 부터의 레일리(Reyleigh) 및 접속 반사에 기인한 각 증폭기로의 귀환이 감소된다. 광 파장 필터(100)를 증폭기 열(chain)에서 발생한 증폭된 자연 방출을 감소시키는데 사용함으로써, 후속 증폭기에서의 이득 포화를 감소시켰다. 그러나, 이러한 부가적인 파장 필터링은 시스템 작동에 필수적인 것은 아니다. 다수의 광 증폭기 및 긴 전송거리를 사용한 결과, 수신기 감도는 단지 1.4dB 저하되었다.
[실시예 II]
이 실시예는 약 410MHz의 주파수 전이 및 800MHz의 IF 주파수를 갖는 주파수 전이 전건조작(FSK)을 사용한 400Mb/s 간섭 검파 시스템을 기술한다. 제10도에 도시된 바와 같이, 단일 주파수의 동조 가능한 외부 공동 레이저로 부터의 출력을 국부 발진기(104)로서 사용한다. 기준선의(증폭기 없음) 수신기 감도는 -50.0dBm 또는 192 광자/비트였다. 대략 75 군데의 접속부에서의 손실을 포함하는 총 광 섬유 손실은 83.9dB 또는 0.225dB/km였다.
송신기 레이저(106)는 실시예 I에서 사용된 형태의 실리콘 칩 브래그 반사기(SCBR)레이저로 구성했다. 그 자체의 협소한 선폭(1MHz 보다 적음)이외에, 간섭 시스템에서 이 레이저의 근본적인 장점은 직류 변조하에서 그 자체의 FM 응답이 균일하다는 것이다. 주파수 편차는 대략 80MHz/mA였고, 100KHz 내지 1GHz 변조 주파수 범위에서 근본적으로 균일하였다. 레이저를 70.5mA에서 바이어스시켰으며, 데이타 발생기(140)로 부터의 400Mb/s의 5.2mA 피크-피크값 215-1NRZ 의사 불규칙 비트 스트림으로 직접 주파수 변조시켰다. 1.538μm의 파장에서 측정된 -2.6dBm 전력을 레이저 패키지에 결합된 광 섬유 세그먼트(112)(피그테일(pigtail))내로 입력시켰다. 광 아이솔레이터(108)를 피그테일과 전송섬유(112) 사이에 개재시켜, 레이저를 광 섬유에서의 광 반사 및 제1증폭기(112)로부터 발생된 자연 방출 잡음으로 부터 감결합시켰다.
실시예 I에서와 같은 다른 공동 길이(대략 500μm)를 갖는 1/4-파장 AR 코팅된 CSBH 레이저 칩으로 네개의 광 증폭기(112),(114),(116) 및 (118)를 만들었다. 네번째 증폭기(118)는(유효성에만 기인한) 약 3%의 잉여 반사도를 갖기 때문에, 더 협소한 대역폭을 갖게 된다. 따라서, 구동 전류 및 장치온도를 다른 증폭기들 보다 더 정밀하게 조절하여야 했다. 이 실시예의 시스템에서 사용된 동작조건하에서, 증폭기(112),(114) 및 (116)의 3dB 광 대역폭을 대략 15GHz였다.
증폭기(112) 및 (118)는 그들 입력 및 출력에서 렌즈형 광 섬유 피그테일을 이용하여 시스템에 결합했다. 증폭기(114)는 그 자체와 입력 및 출력 광 섬유들 간의 시준(collimating) 및 재집속(refocusing) 렌즈를 이용하여 결합했다. 증폭기(116)는 그 입력에 렌즈형 광 섬유 피그테일을 그리고 그 출력 단부에 렌즈를 사용했다. 증폭기(116) 및 (118) 사이에도 회절격자 스펙트럼 필터(125)를 삽입했다. 이 필터의 대역폭은 15Å였다. 총 입력 및 출력 결합 손실은 증폭기당 10dB로 산정되었다. 이 시스템 실험에서 사용한 네개의 증폭기에 대한 순 이득은 각기 11.0dB, 13.6dB, 12.7dB 및 10.4dB였다. 수동 편광 조정기(126),(128),(130) 및 (132)를 각 증폭기 전방에 삽입하고 조정하여 TE 입력을 만들었다. TE 이득은 TM 이득 보다 더 큰 대략 7dB였다.
광 섬유 결합기를 사용하여, OAMP(118)로 부터의 신호 및 LO(104)의 신호를 PIN 광 다이오드(144)에 결합시켰다. 광 다이오드 출력의 IF 신호는 증폭되어, 한편으로는 압전 변환기 PZT(150)에 의해 회절격자거울(148)의 위치를 조정하는 LO 제어회로(146)로 분할되고, 다른 한편으로는 300MHz 저역 통과 필터 LPF(154)를 통해 BER 시험 장치(156)로 가는 출력을 발생하는 이중 평형 혼합기 DBX(152)로 분할된다.
자연 방출 잡음의 영향을 감소시키기 위해서는, 광 증폭기를 가능하면 높은 입력 전력으로 동작시켜야 한다. 그러나, 최대 입력 전력은 이득 포화에 의해 제한된다. 증폭기(112),(114),(116) 및 (118)의 입력 전력(입력 광 섬유에서 측정됨)은 각기 -24.6dBm, -26.6dBm, -24.3dBm 및 -26.2dBm였다. 이러한 입력 전력에서, 이득은 약간(1 내지 2dB)만 포화되었다. 372km의 광 섬유을 다음과 같이 분배했다 : 증폭기(112) 전방이 78.9km, 증폭기(112)와 (114) 사이에 64.5km, 증폭기(114)와 (116) 사이에 54km, 증폭기(116)와 (118) 사이에 63.6km, 그리고 증폭기(118)와 수신기 사이에 111km.
단지 짧은 부분의 광 섬유(78.9km)만을 갖고 아무 증폭기도 없는 상태에서 수신된 전력의 함수로서 비트 에러율(BER)을 측정함으로써 기준선 시스템 성능을 설정했다. 이와 같이 측정된 수신기 감도는 -50dBm였다. 전체 길이(372km)의 광 섬유 및 4개 증폭기를 사용하면, -48.5dBm의 수신된 전력이 10-9BER에 대해 필요했으며, 이때, 손실된 단지 1.5dB였다. 수신된 전력을 증가시키면, 어떠한 에러 플로어의 징후도 나타나지 않고 BER은 감소한다.
탠덤(tandem) 증폭기를 갖는 간섭 시스템에서, 주 과잉 잡음원은 국부 발진기(LO)의 자연 방출 맥놀이 잡음이다. 이 실험에서, 이 잡음원은 LO 산탄(shot) 잡음에 1.8dB이 가산되어 수신기의 열 잡음 이상으로 총 5dB의 광 잡음을 발생한다. LO 산탄 잡음에 가산된 부가적인 1.8dB의 잡음은 상술된 1.5dB 손실과 아주 일치한다. 이유는 알 수 없었지만, 대부분의 과잉 잡음이 증폭기(114)에서 발생했다. 이전에 기술된 바와 같이, 광 아이솔레이터를 인접한 증폭기들 사이에 삽입하여 안정 작동을 하게 했다. 이와 같은 아이솔레이터는 주로 증폭기들 간의 상호 작용을 제거시킨다. 그러나, 아이솔레이터를 증폭기와[증폭기(114)에 대한] 광 섬유 사이에 배치시켜 가장 좋은 성과를 얻었다. 따라서 광 섬유로 부터 레일리 및 접속 산란으로 부터의 귀환을 감소시켰다.
결론적으로, 이러한 실험은 SCBR 레이저 광원 및 네개의 탠덤 광 증폭기를 이용하는 372km의 광 섬유에 걸친 400Mb/s 간섭 FSK 전송을 입증했다. 87.7dB의 총 증폭기 이득으로, 47.7dB의 순 이득을 달성하여 89.6dB의 전체 시스템 이득을 얻었다. 광 증폭기와 연관된 저 손실 및 고 이득은 광학 통신 시스템에서 그들의 유용함을 분명히 입증하였다.
상술한 장치들이 본 발명 원리의 응용을 표현하기 위해 생각될 수 있는 많은 가능한 특정 실시태양중의 단순한 예시임을 알 것이다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 원리에 따라서 수많은 변형된 다른 장치를 고안할 수 있다. 특히, 실시예 I 및 II에서는 편광 조정기를 이용했지만, 무감성 편광 증폭기 및 아이솔레이터를 이용하면, 이들 소자를 생략할 수 있다.
게다가, 상술된 광 증폭기를 광전 중계기의 대용으로 사용할 수 있고, 또한 그에 대한 부속물로서 사용할 수도 있다. 예를 들어, 연장된 거리에 광 증폭을 사용할 수도 있지만, 분산이 너무 많이 발생한다면, 중계기가 필요하게 되고 또는 바람직할 수도 있다. 일단 재생된다면, 광 증폭은 부가적인 연장 거리등에 걸쳐 이용할 수 있다.
그 대신에, 개별의 광 섬유를 서로 다른 채널에 사용할 때, 중계기 하우징의 공간 때문에, 같은 하우징에서 큰 부피를 차지하게 될 개별 중계기의 사용이 금지될 수 있다. 이러한 경우에, 광 증폭기를 한 채널에서 중계기 대신으로 대체시킬 수 있다. 마찬가지로, 그 다음의 중계기 스테이션, 광 증폭기를 다른 채널에서 중계기 대신 대체시킬 수 있다. 그리하여, 재생 및 광 증폭은 대체 채널의 대체 스테이션에 발생할 것이다.
다른 용도는 광 스위치에서 손실을 보상하는데 광 증폭기를 사용하는 것이다. 제11도는 일렬로 배열된 그와 같은 다수의 스위치(200) 및 (202)를 도시한 것이다. 간략성을 위해 단지 두개의 스위치만을 도시하였으며, 이들 각각은 일반적으로 M XN 스위치로서 표시된다. 즉, 각각의 스위치는 M입력 경로(204) 및 N출력 경로(206) 사이에서 선택적으로 접속을 이루기 위한 수단을 포함한다[차단(blocking) 및 개방(non-blocking) 스위치가 고려된다]. 예를 들면, 스위칭 단의 스위칭 소자는 리니오베이트 광 스위치를 포함한다. 스위치들 사이에는 본 발명에 따라 설계된 다수의 OAMP(28)들을 개재시켜, 한 스위치(200)의 출력 신호를 증폭하여, 다음 스위치(202)에 도달되게 한다. 상술한 바와 같이, 잡음 필터(210)를 OAMP(208)의 출력에 배치시켜, 잡음이 두번째 스위치(202) 다음에 있는 OAMP(212)를 포화시키지 못하게 하는 것이 바람직하다. 물론, 광 아이솔레이터(214)를 각 증폭기의 입력 및 출력에 사용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 하나의 제1광 주파수에서 광 반사 신호를 발생하는 단일 종 모드 광원을 갖는 송신기와, 상기 신호의 수신기와, 상기 송신기로 부터 상기 수신기로 상기 신호를 전달하는 섬유 광학 통신 링크를 포함하는 광 통신 시스템에 있어서, 상기 링크내에서 일렬로 배열되어 있는 상기 신호의 다수의 반도체 광 증폭기(16),(18)와, 상기 각각의 증폭기는 서로 다른 주파수의 다수의 통과대역을 가지며 상기 통과대역들내에서 자연 방출 잡음을 발생하고, 상기 제1주파수는 상기 통과대역들 중의 한 통과대역에 위치되며; 상기 한 통과대역을 벗어나 상기 증폭기들 중의 어느 한 증폭기에서 발생되고, 상기 증폭기들 중의 다른 증폭기에서 증폭되는 상기 잡음의 양을 감소시키기 위한 필터 수단(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터 수단은 상기 한 통과대역을 벗어나 상기 두 증폭기중의 한 증폭기에서 발생되고, 상기 두 증폭기중의 다른 wmdvhrrl에서 증폭되는 상기 잡음의 양을 감소시키기 위해 충분히 다른 길이를 갖는 상기 증폭기들의 적어도 두개의 인접한 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭 장치.
  3. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 증폭기의 각각은 상기 제1주파수보다 더 큰 주파수 fm에서 최대 이득을 나타내는 이득 스펙트럼을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 증폭 장치.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 증폭기들 각각의 상기 한 통과 대역이 상기 제1주파수와 중첩하도록 상기 증폭기들을 제어하기 위한 귀환 수단과; 상기 증폭기들 중 어느 한 증폭기를 통하여 전송된 어떠한 상당한 양의 방사도 상기 증폭기들중 어느 한 증폭기로 재입력되는 것을 방지하기 위한 아이솔레이션 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 송신기는 하나의 다른 광 주파수에서 각기 다수의 광 반사 신호를 발생하기 위한 광원 수단을 가지며, 상기 모든 신호의 주파수는 상기 한 통과대역에 위치하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 송신기는 다른 광 주파수에서 각기 다수의 광 반사 신호를 발생하기 위한 광원 수단을 가지며, 상기 모든 신호의 주파수들은 상기 통과대역들 중의 다른 통과대역들에 위치하며, 상기 필터 수단은 상기 신호를 내포하는 상기 통과대역을 벗어나 상기 증폭기 중의 한 증폭기에서 발생된 어떠한 상당한 양의 상기 잡음도 상기 증폭기들 중의 다른 증폭기에서 증폭되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭 장치.
  7. 하나의 제1광 주파수의 광 신호의 증폭기에 있어서, 상기 신호를 전파하는 반도체 이득 매체와, 상기 매체는 상기 제1주파수보다 더 큰 주파수 fm에서 최대 이득을 나타내는 것을 특징으로 하는 이득 스펙트럼을 가지며, 이득을 발생하기 위해 상기 매체를 펌핑하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 매체는 상기 신호를 도파시키기 위한 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 매체는 InGaAsP를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 매체는 상기 매체의 단일 통과 이들 G 및 코팅의 반사도 R이 부등식 0.3
    Figure kpo00003
    GR＜1을 만족하고 상기 신호가 단일 종 모드 광원에 의해 발생되도록 입력 및 출력 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭기.
  11. 제7항에 있어서, 상기 매체는 상기 매체의 이득 G 및 코팅의 반사도 R이 부등식 GR
    Figure kpo00004
    0.06을 만족하고 상기 신호가 다중 종 모드 광원에 의해 발생되도록 입력 및 출력 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 증폭기.
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