KR100362058B1 - 광증폭기 - Google Patents

Abstract

EDF를 증폭매체로 하는 광 증폭기에 관하여 기재되어 있다. 이는 에르븀이 도우프 된 증폭매체로서의 제1 광섬유와, 이 제1 광섬유 사이에 접속되어 있는 사마륨이 도우프 된 제2 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 광섬유만을 이용하여 증폭매체를 구성함으로써 광 증폭기의 구조를 더욱 간단하게 하였다.

Description

광 증폭기

본 발명은 광 증폭기에 관한 것으로, 특히 잡음지수를 효과적으로 감소시키는 EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)에 관한 것이다.

광통신 시스템이란 레이저나 발광 다이오드 등의 빛을 반송파로 사용하는 통신 방식을 말한다. 이는 공간 전파, 광섬유 케이블, 광렌즈 가이드, 광빔 가이드 등을 전송 매체로 사용하여 강도 변조, 주파수 변조등에 따라 광대역을 전송할 수 있는 통신 방식이다. 특히, 저손실의 광섬유, 반도체 레이저 또는 발광 다이오드를 사용하는 광통신 방식은 적용 영역이 넓고, 경제성이 좋은 전송 방식으로 장래의 광통신 방식으로 크게 기대된다.

광 증폭기란 광섬유의 물리적 특징을 이용하여 빛의 증폭을 꾀하는 시스템으로, 일반적으로 EDFA가 많이 사용되고 있다. EDFA란 순수 광섬유에 에르븀(Erbium)원소를 첨가하여 만든 EDF (Erbium Doped Fiber)를 증폭매체로써 사용한 증폭기로서 입력단으로 입사된 광은 EDF로 전송된 후, 이 EDF에 의해 증폭되도록 되어 있다. EDFA와 같은 1,500nm 통신 윈도우용 광섬유 증폭기의 사용은 중장거리 광통신 및 광 회로망 분야에 현재 사용되는 IM/DD (Intensity Modulation/ Direct Detection) 방식에 필수적이다.

제1도는 일반적인 광 증폭기의 구조를 도시한 개략도로서, 도면부호 "10"은 광섬유 접속 부위 (Splicing Point)를 "20"은 파장분할다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing Coupler)을 "30"은 광 아이솔레이터 (Optical isolator)를, "40"은 EDF를, 그리고 "60"은 펌핑용 레이저 다이오드 (Pump LD)를 나타낸다.

입력단을 통해 전송되는 신호전송용 광과 증폭매체에 에너지를 공급하기 위해 펌핑용 레이저 다이오드(60)에서 전송되는 펌핌용 광은 파장분할다중(20)에서 결합되고, EDF(40)로 전송된 후, 증폭매체인 EDF에서 증폭되어 출력단으로 출력된다. 이때, EDF(40) 사이에 위치하는 광 아이솔레이터(30)는 EDF에서 발생하는 잡음을 없애기 위한 장치로써, 통상 편광자, 회전자 및 검광자로 구성된다.

EDFA에서 증폭매체로서 사용되는 EDF는 특성상 넓은 대역폭을 가지며 그 길이가 충분히 걸기 때문에 자연방출 (Spontaneous Emission: 입사광이 없는 경우 광섬유를 구성하는 매질로 부터 방출되는 광자)의 영향을 받고, 이것은 광 증폭기의 중요한 잡음원으로 작용한다.

중폭매체의 후반부에서 발생하고 방향성이 없는 상기의 자연방출된 광자는 신호광자 (신호전송용 광과 펌핑용 광이 결합된 신호)들의 반대방향으로 진행하면서 신호광자들에 의해 증폭매체로 이용되어야 할 원자 (즉, 상기한 EDF에서는 에르븀 이온)을 매체로하여 증폭된 자연방출광자군 (ASE)을 형성한다. 신호광자와 반대방향으로 진행하는 이 ASE는 증폭매체의 앞단 부분에 존재하는 에르븀 이온들을 소모하여 신호광자가 증폭되는 것을 제한하게 되고, 이는 입력단의 삽입손실(Input-End Insertion Noise)과 동일한 역할을 하게 된다. 따라서 이것이 잡음지수에 미치는 영향은 크다.

그러므로, EDFA에 미치는 ASE의 영향을 감소시키는 것은, 광통신 시스템의 주요 잡음원을 제거 또는 감소시키는 것이기 때문에, 광통신 시스템의 신속 및 정확성을 위해서 개발되어야 할 하나의 과제이다.

광 아이솔레이터(30)은 ASE가 EDFA에 미치는 영향을 감소시키기 위한 소자로서, 제2A도 및 제2B도에서는 편광자, 회전자 및 검광자로 구성된 광 아이솔레이터의 개략 구조를 도시한다.

상기 도면에 있어서, 도면부호 "80"은 회전자를, "90"은 검광자를 그리고 "←" 또는 "→"는 광신호의 진행방향을 나타내며, 특히, 제2A도는 순방향으로 (광 아이솔레이터의 앞단에서 뒷단으로의 방향) 진행하는 광신호의 흐름을 설명하기 위해 도시하였고, 제2B도는 역방향으로 (광 아이솔레이터의 뒷단에서 앞단으로의 방향) 진행하는 광신호의 흐름을 설명하기 위해 도시하였다.

순방향으로 진행하는 광신호는 편광자(70)에 의해 편광성분이 선택되어 회전자(80)로 입사된 후, 파라데이 효과 (전기광학효과)에 의해 편광면을 45도 회전한다. 여기서 검광자(90)의 편광면을 편광자(70)의 편광면에 대해서 45도 경사되게하면 광신호는 큰 손실없이 광 아이솔레이터를 통과한다 (제2A도 참조). 그러나, 역방향으로 진행하는 광신호의 경우엔, 편광자의 편광면에 대해 45도 경사되는 편광성분이 검광자(90)에 의해 회전자(80)로 입사된 후, 이 회전자에 의해 다시 45도 회전하여 편광자(70)으로 나올때는 편광자(70)의 편광면에 대해 90도 회전한 광이 되므로, 신호광은 편광자(70)에 의해 제거된다 (제2B도 참조).

상술한 일반적인 광 증폭기의 구조는, ASE에 의한 잡음지수의 증가를 순방향으로 진행하는 광은 큰 손실없이 통과하고, 역방향으로 진행하는 광은 제거하는 광 아이솔레이터의 동작원리를 이용하여 잡음지수를 감소시킨 경우이다. 제1도에 있어서, 광 아이솔레이터 쪽으로 진행하는 신호광은 이를 통과하여 출력단으로 진행하게 되고, 이 신호광의 진행방향과 반대방향으로 진행하는 ASE는 상술한 원리에 의해 제거된다. 따라서 ASE에 의한 EDFA의 잡음지수는 감소하게 된다.

그러나, 상술한 일반적인 광 증폭기의 구조는. ASE의 영향을 감소시키기 위해, 광섬유 소자가 아닌 소자, 예컨대 광 아이솔레이터를 첨가하거나 기존에 사용되는 다른 소자들의 개선을 통한 새로운 구조로 이루어 졌다. 이는 광증폭기의 구조를 더욱 복잡하게 하거나 신호이득 감소와 같은 부작용을 동반하였다.

본 발명의 목적은 광섬유 소자만을 이용하여 EDFA의 잡음지수를 감소시키는 광 증폭기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 간단한 구조의 광 증폭기를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광 증폭기는 에르븀이 도우프 된 증폭매체로서의 제1 광섬유와, 상기 제1 광섬유 사이에 접속되어 있는 사마륨이 도우프 된 제2 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 광 증폭기에 있어서, 상기 제1 광섬유의 앞단은 파장분할다중 (WDM)과 접속되고, 상기 제1 광섬유의 뒷단은 출력단과 접속되는 것이 바람직하며, 상기 파장분할다중은 입력단 및 펌핑용 레이저 다이오드와 동시에 접속되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광 증폭기는 1,500nm의 전송대역폭을 가지며, 상기 사마륨이 도우프 된 제2 광섬유는 1,520nm 이상에서 1530nm 이하의 흡수대역, 특히 1,520nm의 흡수대역을 가지는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 의한 광 증폭기에 의하면, EDF 내에 발생한 자연방출을 SDF (Samarium Doped Fiber)를 이용하여 흡수하므로, EDFA의 잡음지수를 감소시킨다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 더욱 자세하게 설명하고자 한다. 계속해서 소개되는 도면들에 있어서 상기 제1도의 도면부호와 동일한 부호는 동일 부분을 의미한다.

제3도는 본 발명에 의한 광 증폭기의 구조를 도시한 개략도로서, 도면부호 "50"은 사마륨이 도우프 된 광섬유, 즉 SDF를 나타낸다.

입력단을 통해 전송되는 신호전송용 광자 증폭매체에 에너지를 공급하기 위해 펌핑용 레이저 다이오드(60)에서 전송되는 펌핑용 광은 파장분할다중(20)에서 결합되고, 제1 광섬유인 EDF(40)로 전송된 후, 증폭매체인 EDF에서 증폭되어 출력만으로 출력된다. 이때, SDF(50)는 EDF에서 발생하는 잡음을 없애기 위한 장치로써, 사마륨 (Sm, 원소번호 62) 이온을 순수 광섬유에 도우프 한 것이다.

SDF는 그 특성상 일정 대역폭의 광신호를 흡수하는데, 통상 그 흡수대역은 1,520nm에서 1,530nm(특히 1,520nm)정도이다. SDF는 광 아이솔레이터와는 달리 방향성을 갖고 있지 않으므로 신호광자의 방향 및 그 반대의 방향으로 진행하는 신호들 중, SDF의 흡수대역에 존재하는 것은 모두 흡수한다 (광 아이솔레이터의 경우, 순방향으로 진행하는 신호광만 통과시켰음). 따라서, 1,520nm 부근에서 증폭기의 신호이득이 다소 낮아지기도 하지만, EDFA의 특성상 1,520nm 파장대는 증폭대역폭을 벗어날 뿐만아니라, 1,530nm 부근에 존재하는 EDFA의 신호이득 피크(peak)때문에 이 파장대의 손실은 없다.

본 발명의 방법에서와 같이, 증폭매체, 즉 EDF(40) 사이에 사마륨이 도우프 된 광섬유 (SDF)(50)를 삽입하면, 사마륨의 흡수대역 중 1,520nm 파장대에 의해 1,520nm이상에서 1,530nm이하 까지의 에너지 (신호광 및 ASE 둘 다)가 사마륨의 원자에 의해 흡수되어 비복사 천이(non-radiative transition) 하게 된다. 이렇게 차단된 신호외의 광자들은, 기존의 구조에서 나타난 이온 포화 (ion saturation), 즉 신호광자들에 의해 증폭용으로 사용되어야 할 원자들을 이용한 증폭을 일으키지 못하게 된다. 그 결과 신호 광자는 더 많은 증폭기 신호이득을 얻게 되어, 결국 광섬유 증폭기의 작동대역폭을 감소시킨다고 보여지나, EDFA의 경우 부가첨가물질 (co-dopant)에 따라 다소의 차이는 있으나 일반적으로 1,530nm 파장 부근에 이득의 피크가 존재함으로 증폭기의 작동파장대에는 영향을 주지 않는다.

본 발명에 의한 광 증폭기는 ASE에 의한 잡음지수를 감소시키기 위해, 광 아이솔레이터등의 중간 아이솔레이트 (Midway isolator)를 EDF에 접속하던 일반적인 광 증폭기와는 달리 일정한 파장대의 광을 흡수하는 성질을 갖는 SDF를 상기 EDF에 접속시킴으로써 ASE에 의해 EDFA의 잡음지수가 커지는 것을 방지하였다. 따라서, 광섬유만을 이용하여 증폭매체를 구성함으로써 광 증폭기의 구조를 더욱 간단하게 하였다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명이 속한 기술적 사상내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 가능함은 명백하다.

제1도는 일반적인 광 증폭기의 구조를 도시한 개략도이다.

제2A도 및 제2B도는 일반적인 광 아이솔레이터를 도시한 입체도이다.

제3도는 본 발명에 의한 광 증폭기의 구조를 도시한 개략도이다.

Claims (3)

1. 에르븀이 도우프 된 증폭매체로서의 제1 광섬유와,

   1,520nm에서 1,530nm 까지의 흡수대역을 가지며, 상기 제1 광섬유 사이에 접속되어 상기 흡수대역의 광신호를 흡수하는 사마륨이 도우프 된 제2 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 광섬유의 앞단은 파장분할다중(WDM)과 접속되어 있고, 상기 제1 광섬유의 뒷단은 출력단과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
3. 제2항에 있어서, 상기 파장분할다중은 입력단 및 펌핑용 레이저 다이오드와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.