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KR100269177B1 - 장파장 광섬유 증폭기 - Google Patents

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KR100269177B1
KR100269177B1 KR1019980031702A KR19980031702A KR100269177B1 KR 100269177 B1 KR100269177 B1 KR 100269177B1 KR 1019980031702 A KR1019980031702 A KR 1019980031702A KR 19980031702 A KR19980031702 A KR 19980031702A KR 100269177 B1 KR100269177 B1 KR 100269177B1
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Abstract

본 발명은 장파장 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유; 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 어븀첨가광섬유에 펌프광을 공급하는 펌핑부; 및 어븀첨가광섬유 및 펌핑부의 전단에 위치하여 어븀첨가광섬유에서 발생하는 자연방출을 장파장 입력 광신호와 결합해서 어븀첨가광섬유에 출력하는 자연방출 반사부를 포함한다.
본 발명에 의하면, ASE를 반사시키는 반사체를 구비함으로써 장파장의 광신호를 증폭할 때, 보다 적은 수의 펌프광원 및 광소자를 필요로하며 소신호 입력의 경우 이득이 증가된다.

Description

장파장 광섬유 증폭기
본 발명은 장파장 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 1580nm대의 장파장 광신호를 증폭하는 광섬유 증폭기에 관한 것이다.
광전송시스템에서 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier)는 광신호 전송시 약해진 광신호를 전기신호로 변환하지않고도 광신호를 직접 증폭하게 되어 전송거리를 획기적으로 향상시키게 되었다. 또한 현재 각광받고있는 파장분할다중 전송방식에서는 이득평탄화된 광섬유 증폭기가 요구되고 있다. 동시에 더 큰 용량의 데이터를 전송하기위해 더 많은 채널을 동시에 보내고자하여 계속적으로 평탄화된 넓은 영역의 요구로 종래에 사용하지 못했던 1580nm 파장대의 광신호의 증폭이 요구되었다.
도 1은 이러한 장파장 광신호를 증폭하는 종래의 광섬유 증폭기에 대한 구성도이다. 도 1에 따른 광섬유 증폭기는 제1아이솔레이터(100), 제1펌프광원(LD, 102), 제1파장선택결합기(Wavelength Selective Coupler, WSC, 104), 어븀첨가광섬유(Erbium Doped Optical Fiber, 106, 이하 EDF라 약함), 제2LD(108), 제2WSC(110) 및 제2아이솔레이터(112)로 구성된다. 그 동작은 다음과 같다.
입력되는 광신호는 EDF(106)의 전단에 위치한 제1LD(102)에서 생성되는 펌프광과 제1WSC(104)에서 결합되어 EDF(106)로 입사된다. EDF(106)의 후단에 위치한 제2LD(108)에서 생성되는 펌프광은 제2WSC(110)를 통해 EDF(106)로 입사된다. 입사된 순방향, 역방향 펌프광은 EDF(106)내의 기저상태에 있는 어븀 이온을 여기시킨다. 여기된 어븀의 유도방출(stimulated emmission)에 의해 광신호가 증폭된다. 제1 및 제2아이솔레이터(100, 112)는 EDF(106)에서 발생한 자연방출(Amplified Spontaneous Emission, ASE)이 신호입출력커넥터(Signal Input/Output Connector)와 같은 광소자로부터 반사되어 EDF(106)에 다시 입사하므로써 광신호의 증폭효율을 떨어뜨리는 것을 방지한다.
그러나, 이러한 증폭기는 1550nm대의 파장을 증폭할 때 각각 100mW정도의 펌프광 파워를 필요로하나, 1580nm대의 경우에는 600mW정도의 큰 파워가 필요하다. 따라서, 150mW정도의 최대출력을 갖는 종래의 LD를 사용한다면, 다수의 LD와 특별한 광부품이 필요하고 취급이 어렵다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 광섬유 증폭시 발생하는 ASE를 반사할 수 있는 반사체를 구비하여 EDF내에서 어븀이온에 대해 장파장 증폭에 필요한 만큼의 밀도반전(population inversion)이 되게하는 장파장 광섬유 증폭기를 제공하는데 있다.
도 1은 종래의 장파장 광섬유 증폭기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 장파장 광섬유 증폭기의 구성도이다.
도 3은 밀도반전 분포에 따른 이득특성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 장파장 광섬유 증폭기의 다른 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 장파장 광섬유 증폭기의 또 다른 실시예이다.
도 6은 도 2, 4 및 5에 도시된 각 광섬유 증폭기에 대한 실험결과를 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유(EDF); 상기 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에 펌프광을 공급하는 펌핑부; 및 상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 전단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 발생하는 자연방출을 상기 장파장 입력 광신호와 결합해서 상기 어븀첨가광섬유에 출력하는 자연방출 반사부를 포함한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유; 상기 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유의 어븀을 여기시키도록 펌프광을 생성하는 펌핑부; 및 상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 후단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 발생하는 자연방출을 상기 어븀첨가광섬유에 출력하는 자연방출 반사부를 포함한다.
상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명은 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유; 상기 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유의 어븀을 여기시키도록 펌프광을 생성하는 펌핑부; 상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 전단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 출력되는 자연방출을 상기 장파장 입력 광신호와 결합해서 상기 어븀첨가광섬유에 출력하는 제1자연방출 반사부; 및 상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 후단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 출력되는 자연방출을 상기 어븀첨가광섬유에 반사하는 제2자연방출 반사부를 포함한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 반사부(200), 1480nm의 펌프광을 생성하는 제1펌프광원(210), 1480nm와 1550nm를 결합하는 제1WSC(220), 980nm의 펌프광을 생성하는 제2펌프광원(230), 980nm와 1550nm를 결합하는 제2WSC(240), EDF부(250), 1480nm의 펌프광을 생성하는 제3펌프광원(260), 1480nm와 1550nm를 결합하는 제3WSC(270) 및 아이솔레이터(280)를 포함한다. 여기서, 각 수동소자의 삽입손실은 1550nm대의 파장에서보다 1580nm대의 파장에서 0.2dB정도 높아 1550nm대에서 사용되는 수동소자를 그대로 사용할 수 있다.
반사부(200)는 3dB 결합기(201), 써큘레이터(202), 가변파장필터(Tunable Filter, 203) 및 감쇠기(204)를 구비한다.
EDF부(250)은 EDF(251, 253)의 중간에 제2아이솔레이터(252)를 구비한다. EDF(251, 253)의 길이는 1550nm대의 EDFA에서 사용되는 EDF의 10~20배 정도 긴 길이의 EDF를 사용한다.
그 동작은 다음과 같다. 제1펌프광원(210)은 1480nm의 펌프광을 생성하고. 제2펌프광원(230)은 980nm의 펌프광을 생성한다. 각 펌프광은 제1WSC(220) 및 제2WSC(240)을 통해 1580nm대의 광신호와 결합되어 EDF부(250)에 순방향으로 입력된다. 제3펌프광원(260)은 1480nm의 펌프광을 생성하고, 제3WSC(270)는 생성된 펌프광을 EDF부(250)에 역방향으로 입력한다. 펌프광은 낮은 잡음지수를 갖는 980nm 파장의 펌프광과 최대 파워를 갖는 1480nm 파장의 펌프광을 동시에 이용한다. 980nm나 1480nm대의 펌프광을 입사시킬 경우, EDF의 양끝에서 1530~1560nm대의 큰 ASE가 발생하여 1580nm대의 광신호의 손실이 커지게된다. 이 때 1550nm대의 장파장 펌프광을 사용한다면 ASE에 의한 손실을 줄일 수 있으나 이 파장대의 펌프광원은 아직 없다.
EDF부(250)는 상술한 각 펌프광에 의해 입력되는 1580nm대의 광신호를 증폭한다. 제2아이솔레이터(252)는 EDF(251, 253)의 중간에 삽입되어 잡음지수를 개선한다.
반사부(200)는 EDF부(250)에서 발생되어 입력단측으로 오는 역방향 ASE를 반사하여 EDF부(250)에 재입사시킨다. 써큘레이터(202)는 제1포트(202-1)를 통해 들어오는 역방향 ASE를 제2포트(202-2)로 출력한다. 가변파장필터(203) 및 감쇠기(204)는 역방향 ASE의 파장과 파워를 조절하고, 3dB결합기(201)는 감쇠기(204)의 출력을 써큘레이터(202)의 제3포트(202-3)로 출력한다. 써큘레이터(202)는 이 광신호를 제1포트(202-1)로 출력한다.
써큘레이터(202)의 제1포트(202-1)로부터 입사된 ASE는 펌프광에 의해 높게 밀도반전된 EDF(251, 253)의 상태를 억제시켜 장파장 광신호의 증폭을 돕는다. 도 3은 밀도반전 분포에 따른 이득 특성을 도시한 것으로, 도 3에 따르면 이득이 가장 높은 1530nm 파장대에서 밀도반전이 가장 높고, 1580nm대의 장파장에서는 밀도반전이 적다. 따라서, 장파장 광신호를 증폭할 때 펌프광에 의해 일어난 밀도반전이 장파장 광신호의 증폭에 알맞는 정도가 되도록 하기위해 상술한 ASE를 이용한다. 즉, 써큘레이터(202)를 통해 반사된 ASE는 EDF(251, 253)내에서 여기된 어븀이온의 밀도반전분포를 약화시켜 1530nm~1560nm대의 단파장 이득과 ASE에 의한 손실을 약하게 혹은 제거할 수 있다. 또한, 이러한 ASE는 밀도반전이 높은 EDF의 양끝에서 펌프광의 영향이 약하게 미치는 긴 EDF를 지나며 재흡수되므로 손실되지않고 펌프광과 함께 장파장 신호이득을 증가시킨다. 증가된 이득과 출력파워는 재입사되는 파장과 파워에 따라 달라지게된다.
아이솔레이터(280)는 EDF부(250)에서 발생한 ASE가 출력 커넥터 등에 의해 반사되어 재입사됨을 방지한다.
도 4는 본 발명에 따른 장파장 광섬유 증폭기의 다른 실시예이다. 도 4에 따른 광섬유 증폭기는 1480nm의 펌프광을 생성하는 제1펌프광원(400), 1480nm와 1550nm를 결합하는 제1WSC(410), 980nm의 펌프광을 생성하는 제2펌프광원(420), 980nm와 1550nm를 결합하는 제2WSC(430), EDF부(440), 1480nm의 펌프광을 생성하는 제3펌프광원(450), 1480nm와 1550nm를 결합하는 제3WSC(460), 반사부(470) 및 아이솔레이터(480)을 포함한다.
EDF부(440)는 EDF(441, 443)의 중간에 제2아이솔레이터(442)를 구비한다. EDF(251, 253)의 길이는 1550nm대의 EDFA에서 사용되는 EDF의 10~20배 정도 긴 길이의 EDF를 사용한다.
반사부(470)는 광섬유 단주기 격자(short period grating)가 바람직하다.
그 동작은 도 2의 경우와 동일하며 다만 반사부(470)의 동작이 다르다. 반사부(470)는 EDF부(440)에서 발생하는 순방향 ASE중 선택된 파장의 ASE를 반사시켜 EDF부(440)에 재입사시킨다.
도 5는 본 발명에 따른 장파장 광섬유 증폭기의 또 다른 실시예이다. 도 5에 따른 광섬유 증폭기는 제1반사부(500), 1480nm의 펌프광을 생성하는 제1펌프광원(510), 1480nm와 1550nm를 결합하는 제1WSC(520), 980nm의 펌프광을 생성하는 제2펌프광원(530), 980nm와 1550nm를 결합하는 제2WSC(540), EDF부(550), 1480nm의 펌프광을 생성하는 제3펌프광원(560), 1480nm와 1550nm를 결합하는 제3WSC(570), 제2반사부(580) 및 아이솔레이터(590)을 포함한다.
제1반사부(500)는 3dB 결합기(501), 써큘레이터(502), 가변파장필터(503) 및 감쇠기(504)를 구비한다.
EDF부(550)은 EDF(551, 553)의 중간에 제2아이솔레이터(552)를 구비한다. EDF(251, 253)의 길이는 1550nm대의 EDFA에서 사용되는 EDF의 10~20배 정도 긴 길이의 EDF를 사용한다.
제2반사부(580)는 광섬유 단주기 격자(short period grating)로서, 그 반사 조건은 제1반사부(500)를 고려하여 결정된다.
도 6은 도 2, 4 및 5에 도시된 각 광섬유 증폭기에 1588.6nm 파장의 광신호를 입력시켰을 때 평탄화된 이득에 대한 증폭된 신호파워와 잡음지수를 도시한 것이다. EDF는 저마노실리케이트(Germanosilicate) EDF이다. 재입사되는 순방향 ASE의 파장은 1553nm이며, 역방향 ASE의 파장은 1548.6nm이다.
이득이 19dB정도가 되고 총 입력이 1dBm 정도로 높은 경우, ASE 재입사가 영향이 없음을 알 수 있으나, 이득이 31dB인 총 입력이 -15dBm인 경우에는 5dB 정도의 이득 증가효과를 얻었으며, 총 입력이 -20dBm일 때는 더 큰 폭의 이득증가를 얻게된다. 따라서, ASE의 재입사는 소신호 입력인 경우 보다 유리하다.
본 발명에 의하면, ASE를 반사시키는 반사체를 구비함으로써 장파장의 광신호를 증폭할 때, 보다 적은 수의 펌프광원 및 광소자를 필요로하며 소신호 입력의 경우 이득이 증가된다.

Claims (13)

  1. 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유(EDF);
    상기 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에 펌프광을 공급하는 펌핑부; 및
    상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 전단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 발생하는 자연방출을 상기 장파장 입력 광신호와 결합해서 상기 어븀첨가광섬유에 출력하는 자연방출 반사부를 포함함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펌핑부는
    상기 장파장 입력 광신호가 입사하는 방향을 순방향이라 하고, 상기 어븀첨가광섬유로부터 증폭된 광신호가 출력되는 방향과 반대방향을 역방향이라 할 때, 1480nm 및 980nm 파장의 펌프광을 순방향으로, 1480nm 파장의 펌프광을 역방향으로 공급함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 어븀첨가광섬유는
    잡음지수를 감소하도록 중간에 아이솔레이터를 더 구비함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자연방출 반사부는
    제1포트를 통해 입사되는 상기 자연방출을 제2포트로 출력하고, 제3포트로부터 입사되는 광을 상기 제1포트로 출력하는 써큘레이터;
    상기 제2포트로부터 입사되는 자연방출중 소정의 파장을 선택하여 출력하는 가변파장필터;
    상기 가변파장필터의 출력 자연방출의 크기를 조절하는 감쇠기; 및
    상기 감쇠기의 출력 자연방출과 상기 장파장 입력 광신호를 결합하여 상기 제3포트로 출력하는 광 결합기를 구비함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  5. 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유;
    상기 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유의 어븀을 여기시키도록 펌프광을 생성하는 펌핑부; 및
    상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 후단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 발생하는 자연방출을 상기 어븀첨가광섬유에 출력하는 자연방출 반사부를 포함함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 펌핑부는
    상기 장파장 입력 광신호가 입사하는 방향을 순방향이라 하고, 상기 어븀첨가광섬유로부터 증폭된 광신호가 출력되는 방향과 반대방향을 역방향이라 할 때, 1480nm 및 980nm 파장의 펌프광을 순방향으로, 1480nm 파장의 펌프광을 역방향으로 공급함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 어븀첨가광섬유는
    잡음지수를 감소하도록 중간에 아이솔레이터를 더 구비함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  8. 제6항에 있어서, 상기 자연방출 반사부는
    상기 자연방출중 소정 파장의 자연방출을 반사하는 광섬유 단주기 격자임을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  9. 펌프광에 의해 1580nm대의 장파장 입력 광신호를 증폭하는 어븀첨가광섬유;
    상기 어븀첨가광섬유의 전후에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유의 어븀을 여기시키도록 펌프광을 생성하는 펌핑부;
    상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 전단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 출력되는 자연방출을 상기 장파장 입력 광신호와 결합해서 상기 어븀첨가광섬유에 출력하는 제1자연방출 반사부; 및
    상기 어븀첨가광섬유 및 상기 펌핑부의 후단에 위치하여 상기 어븀첨가광섬유에서 출력되는 자연방출을 상기 어븀첨가광섬유에 반사하는 제2자연방출 반사부를 포함함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 펌핑부는
    상기 장파장 입력 광신호가 입사하는 방향을 순방향이라 하고, 상기 어븀첨가광섬유로부터 증폭된 광신호가 출력되는 방향과 반대방향을 역방향이라 할 때, 1480nm 및 980nm 파장의 펌프광을 순방향으로, 1480nm 파장의 펌프광을 역방향으로 공급함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  11. 제9항에 있어서, 상기 어븀첨가광섬유는
    잡음지수를 감소하도록 중간에 아이솔레이터를 더 구비함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  12. 제9항에 있어서, 상기 제1자연방출 반사부는
    제1포트를 통해 입사되는 상기 자연방출을 제2포트로 출력하고, 제3포트로부터 입사되는 광을 상기 제1포트로 출력하는 써큘레이터;
    상기 제2포트로부터 입사되는 자연방출중 소정의 파장을 선택하여 출력하는 가변파장필터;
    상기 가변파장필터의 출력 자연방출의 크기를 조절하는 감쇠기; 및
    상기 감쇠기의 출력 자연방출과 상기 장파장 입력 광신호를 결합하여 상기 제3포트로 출력하는 광 결합기를 구비함을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제2자연방출 반사부는
    상기 제1자연방출 반사부의 반사특성을 고려하여 선택된 파장을 반사하는 광섬유 단주기 격자임을 특징으로하는 장파장 광섬유 증폭기.
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