KR100634208B1

KR100634208B1 - 광섬유 및 이를 이용한 광섬유 증폭기

Info

Publication number: KR100634208B1
Application number: KR20040081608A
Authority: KR
Inventors: 서홍석; 정운진; 안준태
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-10-16
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP2006114858A; EP1648055A1; KR20060032696A

Abstract

본 발명은 희토류 원소인 제1 원소가 도핑된 클래딩과, 비선형 라만 현상을 유도하기 위하여 제2 원소가 포함된 코어를 구비하는 광섬유 및 이를 이용한 광섬유 증폭기를 제공한다. 본 발명의 광섬유에서는 코어를 통해서 펌프광이 진행하면 클래딩의 희토류 원소에 의해 제1 밴드 광신호가 증폭되고, 제2 원소에 의해 제2 밴드 광신호가 라만 증폭된다.

광섬유 증폭기, 희토류, 라만,

Description

광섬유 및 이를 이용한 광섬유 증폭기 {Optical Fiber And Optical Amplifier Using The Same}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유의 개략적인 구성도이다.

도 2 및 도 3은 도 1의 광섬유의 단면도의 일예들이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 증폭기의 개략적인 구성도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 증폭기의 전산모사에서 광섬유의 길이를 변화시켰을 때 이득의 변화를 계산한 결과이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유에서 펌핑 파워를 조절하여 얻어진 이득변화를 도시한 그래프이다.

도 7a 및 도 7b는 도 5의 광섬유 증폭기에서 클래딩 내의 어븀 농도를 변화시켰을 때 최적의 광섬유 길이와 펌핑 에너지에 대해 이득레벨과 노이즈 특성을 도시한 그래프들이다.

도 8a 내지 도 8c는 Er 첨가 광섬유와 Ge 도핑된 광섬유(high germanium doped fiber)를 서로 직렬로 연결하여 광증폭기를 구성하여, 한 파장의 펌핑 소스로 C-밴드와 L-밴드를 동시 증폭할 수 있는 광섬유 구성의 도식도 들이다.

도 9는 도 8a 내지 도 8c의 3가지 광섬유 구성에 대해 전산모사를 통해 각 경우에 대해 얻어진 이득과 잡음지수(노이즈)를 도시한 그래프이다.

본 발명은 광섬유 및 이를 이용한 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 클래딩에 희토류 원소를 도핑하여 희토류 원소에 의한 광신호 증폭을 하고, 광섬유 코어 내의 조성물질의 비선형성을 이용한 라만 효과에 의한 광증폭을 동시에 발생시키는 광섬유를 제공하는 것이다.

일반적으로 광섬유 증폭기로는 어븀 첨가 광섬유 증폭기, 라만 현상을 이용한 비선형 라만 광증폭기, 반도체 광증폭기 등이 개발되고 있다. 이 중에서 라만 광증폭기와 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 고출력 반도체 레이저 다이오드의 발전으로 파장다중 광통신 시스템에서 아주 중요한 증폭기로서 광범위하게 연구되어 왔다.

어븀 첨가 광섬유 증폭기는 주로 C-밴드 광증폭기로 사용되고 있고 그 구조를 달리하여 L-밴드 광증폭기로 광증폭이 가능하다. 그러나, C-밴드와 L-밴드를 동시에 증폭하는 방식은 C-밴드 증폭기와 L-밴드 증폭기를 각각 병렬로 연결하면 되는데 이때 사용되는 광소자가 많고 전체적으로 그 구조가 다소 복잡한 문제점이 있다.

라만 광섬유 증폭기는 이득 영역이 펌핑 파장에 따라 달라지기 때문에 어븀 첨가 광증폭기가 증폭할 수 없는 대역을 증폭하는 것이 가능하다. 또한 다파장 펌핑으로 이득 대역폭을 100 nm 이상 확장하는 것이 가능하고, 전송미디엄 자체를 증폭미디엄으로 사용하는 분산형 라만 증폭기(distributed type Raman amplifier)는 신호대 잡음비가 크게 개선되는 효과도 있다. 그러나, 긴 길이의 증폭용 비선형 광섬유 미디엄이 필요하고, 원하는 광이득을 얻으려면 서로 다른 파장의 C-밴드 광증폭용 고출력 반도체 레이저와 L-밴드 광증폭용 고출력 반도체 레이저가 다수 필요한 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 희토류 원소에 의한 광신호 증폭과 비선형 라만효과에 의한 광신호 증폭이 동시에 발생하도록 하는 광섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 희토류 원소(ex, 어븀)의 클래딩 내의 농도에 따른 이득 특성을 분석하고 희토류에 의한 증폭대역과 라만 증폭 대역을 광펌핑 파워와 광섬유 길이를 조절하여 최적의 이득 평탄화를 얻은 광섬유를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단순한 구조를 갖는 광섬유 및 이를 이용한 광섬유 증폭기를 제공하도록 하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제1 측면은 희토류 원소인 제1 원소가 도핑된 클래딩; 및 비선형 라만 현상을 유도하기 위하여 제2 원소가 포함된 코어를 구비하며, 상기 코어를 통해서 펌프 광이 진행하면 상기 클래딩의 상기 제1 원소에 의해 제1 밴드 광신호가 증폭되고, 상기 제2 원소에 의해 제2 밴드 광신호가 라만 증폭되는 광섬유를 제공한다.

바람직하게는, 제1 밴드와 제2 밴드는 서로 동일 또는 서로 다른 대역이며, 상기 제1 원소는 적어도 상기 코어에 인접한 영역에 도핑된다.

본 발명의 제2 측면은 희토류 원소인 제1 원소가 첨가된 광섬유와 비선형 라만 증폭을 유발하기 위한 제2 원소가 첨가된 광섬유를 각각 적어도 하나씩 포함하여 직렬 조합으로 연결하되, 상기 코어를 통해서 소정 파장의 펌프 광이 진행하면 상기 제1 원소에 의해 제1 밴드 광신호가 증폭되고, 상기 제2 원소에 의해 제2 밴드 광신호가 라만 증폭되는 광섬유를 제공한다. 바람직하게는, 상기 제1 원소는 어븀이 첨가된 실리카 광섬유이고, 상기 제2 원소가 첨가된 광섬유는 Ge가 10~30 mol % 사이 첨가된 실리카 광섬유이며, 상기 펌프광은 어븀에 의해 C-밴드로 증폭되고, Ge에 의해 L-밴드로 라만 증폭된다.

본 발명의 제3 측면은 입력단으로부터 광신호를 입력받아 증폭하여 출력단으로 전달하는 상기 광섬유; 상기 광섬유에 펌핑광을 출력하기 위한 적어도 하나의 광원; 및 상기 광신호와 상기 광원으로부터 출력되는 상기 펌핑광을 결합하기 위한 적어도 하나의 결합기를 포함하는 하이브리드 광섬유 증폭기를 제공한다.

바람직하게는, 상기 광원과 상기 결합기는 상기 입력단과 상기 출력단에 각각 하나씩 존재하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 광섬유 증폭기.

바람직하게는, 상기 입력단의 결합기의 전단에는 입력단으로부터 입력되는 광신호를 그대로 통과시키며 그 역방향으로 입력되는 광을 차단하는 제 1 아이솔레이터를 더 포함하고, 상기 출력단의 결합기의 후단에는 출력되는 광신호를 그대로 통과시키며 그 역방향으로 입력되는 광을 차단하는 제 2 아이솔레이터를 더 포함한다.

본 발명에서 사용된 "광섬유"라는 용어는 그 모양, 매질 등에 관계없이 빛을 일정한 방향으로 전달하는 기능을 수행하는 것이면 특별히 한정되지 않는 총칭으로, 광도파로, 광도파관 등을 모두 포함하는 개념으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

도 1을 참조하면, 광섬유(1)는 클래딩(20)과, 클래딩(20)의 굴절율 보다 큰 굴절율을 갖는 코어(10)를 포함하여 구성되며, 클래딩(20)에는 희토류 원소인 제1 원소가 도핑되고, 코어(10)에는 비선형 라만 현상을 유도하기 위하여 제2 원소가 포함된다. 광섬유의 조성물은 실리카, 텔루라이트, 플로라이드, 또는 황화물계를 이용할 수 있다. 바람직하게는, 제1 원소(희토류 원소)는 어븀, 이터븀, 프라세오디뮴, 니오디뮴, 홀뮴, 툴륨 또는 디스프로슘이고, 라만 증폭에 사용되는 제2 원소는 유리조성을 만드는 실리콘, 게르마늄, 인, 황, 텔루륨 또는 셀레늄이다. 또한, 제1 원소 및 제2 원소 각각은 1개 종류 이상의 원소들을 첨가하여 이용하는 것도 가능하다.

코어(10)를 통해서 펌프 광이 진행하면 클래딩(20)의 제1 원소에 의해 제1 밴드 광신호가 증폭되고, 제2 원소에 의해 제2 밴드 광신호가 라만 증폭된다. 제1 밴드와 제2 밴드는 서로 동일 또는 다른 대역일 수 있다. 펌프 광은 코어(20)를 따라 진행하며 그 광의 소멸파(evanescent wave)에 의해 클래딩(20)에 도핑된 어븀이 여기되고, 코어(10)로 진행하는 펌프 광은 코어(10) 내의 게르마늄으로 인해 라만 산란이 일어나고 이 파장대역을 지나는 입력 채널 들은 라만 광증폭된다.

예를 들어, 실리카 원소를 이용하는 광섬유의 경우, 1480~1500 nm 대역의 파장으로 펌핑하고, 제 1 원소로는 어븀, 제 2 원소로는 게르마늄을 이용하여 구현가능하다. 실리카 원소로 광섬유를 제조하고 코어 부분에는 게르마늄 원소를 도핑하고 클래딩 부분에는 어븀 원소를 도핑한다. 이 광섬유는 어븀에 의한 광증폭으로 C-밴드(1530~1570 nm)를, 게르마늄의 비선형 라만 증폭으로 L-밴드(1570~1610 nm)를 각각 증폭할 수 있다. 따라서, 1530 내지 1610 nm의 대역이 평탄화된 광 이득을 얻을 수 있다. 이 때, 클래딩(20)에는 어븀을 10¹⁵ cm^-3 ~ 10¹⁷ cm ^-3정도 도핑 하고, 코어(10)에는 게르마늄은 10 ~30 mol%로 도핑하여 구현할 수 있다.

전형적인 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 C-밴드 광신호를 30dB 이상 증폭하는데 10m 정도의 광섬유가 필요하고, 라만 증폭기의 경우는 같은 조건의 광신호를 증폭하기 위해 수 km 정도의 광섬유가 필요하게 된다.

따라서, 전술한 본 발명과 같이, 어븀에 의하여 C-밴드를 증폭하고, 라만 광이득에 의해 L-밴드를 증폭하는 광섬유를 구성하는 경우, 라만 광증폭을 L-밴드에서 얻기 위해서는 적어도 수 km의 광섬유 길이가 필요하게 된다. 따라서, 실리카 광섬유 내 어븀의 농도는 동일 길이의 수 km 내에서 C-밴드 대역 광 증폭을 얻어야 하므로 그 농도를 기존의 일반적으로 사용되는 어븀 첨가 광섬유의 수 백분의 1 정도(10¹⁵ ~ 10¹⁷ cm^-3)로 도핑이 되도록 구현하는 것이 바람직하다. 또한, 게르마늄 농도가 10 mol % ~ 30 mol % 사이에 있게 되면 코어와 클래딩 사이의 굴절률 차이는 0.015 ~ 0.03 정도가 되어 1-10 km 길이에서 충분히 라만 광증폭을 얻을 수 있게 된다. 만약 1.495 ㎛의 파장에서 동작하는 고출력 레이저 다이오드로 이 광섬유를 펌핑하면, C-밴드 내의 광신호는 클래딩의 어븀에 의해 광증폭되고, 어븀에 의해 흡수되지 않고 남은 펌프광은 코어에서 비선형 현상에 의한 라만 광증폭에 사용되어 L-밴드 광신호는 펌프광의 라만 천이에 해당되는 1.59㎛ 대역에서 광증폭이 일어나게 된다.

한편, C-밴드 대역과 L-밴드 대역에 걸쳐 얻어지는 이득의 크기는 클래딩 내의 어븀의 농도와 코어 내의 게르마늄의 농도, 광섬유 구조, 광섬유 길이, 광손실, 펌프파워에 따라 달라지면 이득 평탄화를 위해서 광섬유 길이와 펌프 파워를 조절하게 되면 5dB 내에서 이득 평탄화를 얻을 수 있다. 따라서, 광섬유 코어내의 최적의 어븀 농도는 C-밴드와 L-밴드 사이의 평탄한 이득을 얻기 위해 최적의 농도값을 가져야 한다. 어븀농도가 너무 크게 되면 모든 C-밴드 광신호는 여기되지 않은 어븀 이온들에 의해 흡수되고 L-밴드 광신호는 펌핑광의 파워가 낮아 증폭이 안 일어난다. 바람직하게는, 어븀의 농도는 클래딩에 10¹⁵~10¹⁷ cm^-3 범위 내에서 도핑된다. 어븀농도가 너무 낮게 되면 L-밴드 광신호가 C-밴드 광신호에 비해 더 크게 증폭이 된다.

한편, 광섬유의 조성물이 텔루라이트인 경우, 1470~1500 nm 대역의 단일 파장으로 펌핑할 수 있고, 텔루라이트에 의한 광증폭으로 L-밴드(1570~1610 nm)를, 게르마늄의 비선형 라만 증폭으로 U-밴드(1610~1700 nm)를 각각 증폭하도록 구성가능하다.

또 다른 예로서 어븀에 의해 C-밴드를 증폭하고 동시에 라만에 의해 C-밴드를 증폭하는 것도 가능하다. 이 경우 C-밴드 대역의 광신호는 좀 더 큰 이득을 얻을 수 있고, 높은 출력을 얻을 수 있다. 이때 C-밴드 대역에 SRS (stimulated Raman scattering)을 일으키기 위한 광 펌핑 파장은 1430~1450 nm 대역에 있으면 된다. 이 경우 이 펌프 파장에 대해 어븀의 흡수가 있어 어븀에 의한 증폭 또한 가능하게 된다.

도 2 및 도 3은 도 1의 광섬유의 단면도의 일예들이다.

도 2를 참조하면, 광섬유(1)의 단면은 코어(10)와 클래딩(20), 그리고 클래딩 내의 희토류 원소인 제1 원소의 도핑영역(25)를 구비한다. 코어(10)로 진행하는 펌프광은 코어(10) 내의 게르마늄으로 인해 라만 산란이 펌프에서 100 nm 떨어진 곳에서 일어나고 이 파장대역을 지나는 입력 채널들은 라만 광증폭된다. 희토류 원소 예컨대, 어븀의 도핑영역(25)은 도 2에서 처럼 코어(10)와 바로 인접한 클래딩 (20) 영역에 링 타입을 가질 수 있다.

한편, 이 도핑영역(25)의 위치에 따라서 어븀에 의한 광증폭 특성이 매우 민감하게 변한다. 예를 들어 어븀 도핑 영역(25)이 코어의 중심에 있는 경우 광섬유 제조시 코어(10)에서의 광 손실을 크게 하여 라만 광증폭 특성을 감쇄시킬 수 있다. 또한 희토류 원소에 의한 이득과 라만에 의한 광 이득을 같게 하기 위해 라만 증폭을 위해 필요한 광섬유 길이에 해당하는 만큼 희토류 원소의 농도를 낮게 유지 하는 것이 바람직하다. 그러나, 희토류 원소를 클래딩(20)의 영역에 도핑 시키면 도핑시 발생하는 추가적인 광 손실이 클래딩(20) 영역에 형성되므로 전체적으로 광손실을 줄일 수 있게 되며 어븀의 농도를 코어에 도핑하는 경우보다 약간 크게 할 수 있어서 농도 조절의 민감도를 다소 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 2의 도핑 영역(25)은 코어(10)에 바로 인접하여 링 타입으로 형성되어 있고 그 두께(D)는 바람직하게는 1 내지 5 um고, 클래딩(20)에 도핑되는 희토류 원소의 농도는 10¹⁵~10¹⁷ cm^-3 범위이다. 도 2에서는 클래딩(20)에 어븀의 도핑 영역은 코어에 인접한 클래딩(20) 영역으로 도시하고 있는데 클래딩(20) 전체에 어븀을 도핑할 경우도 가능함은 물론이다. 클래딩(20) 내의 희토류 도핑 영역(25) 도핑농도 등은 희토류에 의한 광증폭 특성과 라만에 의한 광증폭 특성에 밀접하게 영향을 미친다.

또한, 도핑 영역(25)이 코어와 떨어진 정도(도 3의 A)에 따라서 광증폭 특성이 민감하게 변하고 광섬유의 백그라운드 손실 값도 변하게 된다. 도 3의 도핑영역(25)과 코어(10)는 거리(A) 만큼 이격되어 있다. 한편, 도핑 영역(25)의 굴절률은 주변 클래딩(20)과 같거나 10^-3정도의 오차 범위를 갖고 조절된다.

도 4는 도 1의 광섬유를 이용한 광섬유 증폭기의 개략적인 구성도이다.

광섬유 증폭기(100)는 제1 및 제2 아이솔레이터(140, 150)와, 광섬유(110)와, 제1 및 제2 결합기(120, 130)와, 제1 및 제2 광원(160, 170)을 포함하여 구성된다.

제1 아이솔레이터(140)는 광섬유 증폭기로 입력된 광신호를 그대로 통과시키며 그 역방향으로 입력되는 광은 차단하는 역할을 수행하고, 제2 아이솔레이터(150)는 제2 결합기(130)를 통하여 입력된 광은 통과시키고 역방향으로 입력되는 광신호는 차단하는 역할을 수행한다. 제1 및 제2 아이솔레이터(140, 150)는 반드시 포함되어야 하는 구성요소는 아니다.

광섬유(110)는 코어와 클래딩을 포함하여 구성되며, 클래딩에는 희토류 원소에 의해 제1 밴드로 광증폭을 하는 제1 원소가 첨가되고, 코어에는 비선형 라만 광증폭에 의해 제2 밴드로 광증폭을 하는 제2 원소가 첨가된다.

제1 및 제2 광원(160, 170)은 예컨대 1480~1500 nm 대역의 단일 파장으로 광을 펌핑하여 광섬유(110)에 출력하는 레이저 다이오드이다.

제1 결합기(120)는 제1 아이솔레이터(140)를 통과하여 진행하는 광신호와 제1 광원(160)으로부터 출력된 광을 결합하여 광섬유(110)에 입력하고, 제2 결합기(130)는 광신호는 통과시키고 제2 광원(170)으로부터 입력되는 광은 광섬유(110)에 역방향으로 입력하는 기능을 수행한다.

한편, 본 실시예에서는 광원과 WDM 결합기가 각각 2개씩 이용되는 구조를 가지고 있으나, 이에 대한 변형으로 광섬유(110)의 양쪽 중 일측에만 광원과 WDM 결합기를 각각 1개씩 채용하는 구조를 가지도록 구성하는 것도 가능하다.

(전산모사)

다음으로, 도 4의 광섬유 증폭기의 전산모사를 실시한 결과를 설명한다. 전산모사를 실시한 구조는 광섬유 5km를 1.495 um 파장의 펌프 레이저로 양방향으로 펌핑한다. 사용된 광섬유 길이는 C-밴드 광증폭기에서 사용되는 길이에 비해 충분히 길며 분산형 어븀-첨가형 광섬유 증폭기에 비해서는 짧다. 전산모사를 위해 사용된 광섬유 변수는 코어 지름이 5.2 ㎛ 이고 차단파장은 1.41 ㎛로 고정시켰다. 그리고 클래딩 영역에는 어븀이 도핑되어 있는 도핑 영역이 있으며, 코어 영역에 바로 인접하여 링타입으로 도핑되어 있고 그 두께는 약 2.6 ㎛로 하였다. 이러한 값들은 어븀에 의한 광증폭 특성과 라만에 의한 광증폭 특성에 밀접하게 영향을 미친다.

또한, 어븀의 도핑영역이 코어와 떨어진 정도에 따라서 광증폭 특성이 민감하게 변하고 광섬유의 백그라운드 손실값도 변하게 된다. 코어와 클래딩 굴절률 차는 0.015이다. 이때 라만이득 계수는 게르마늄 농도와 유효 코어 단면적에 의해 결정된다. 광섬유 코어에 인접한 클래딩내의 어븀농도는 C-밴드와 L-밴드 사이의 평탄한 이득을 얻기 위해 최적의 농도값을 가져야 한다. 어븀 농도가 너무 크게 되면 모든 C-밴드 광신호는 여기되지 않은 어븀 이온들에 의해 흡수되고 L-밴드 광신호는 펌프광의 파워가 낮아 증폭이 안 일어난다. 어븀 농도가 너무 낮게 되면 L-밴드 광신호가 C-밴드 광신호에 비해 더 크게 증폭이 된다.

전산모사에서 사용된 광섬유의 백그라운드 손실은 현재 어븀을 코어가 아닌 클래딩에 넣고 제작하기 때문에 어븀첨가에 따른 OH 본드(bond)에 의한 손실의 증가가 클래딩에서 주로 형성되므로 코어에 도핑하는 경우보다는전체 광손실 값이 향상된다. 입력 광신호원과 펌프 레이저 다이오드는 WDM 커플러에 의해 도 4에서 도시된 바와 같이, 광섬유와 연결되었고 펌프 레이저 다이오드의 파장은 C-밴드 광증폭과 L-밴드 라만 광증폭을 동시에 수행할 수 있도록 하기 위해 최적의 파장인 1.495 ㎛로 고정시켰다.

도 5는 도 4의 광증폭기 구조의 전산모사에서 -25dBm의 균일 입력 광신호를 넣었을 때 나온 출력을 파장축에 대해 나타낸 그래프이다. 사용된 펌핑 파워는 순 방향 역방향 각각 450 mW이고 어븀의 농도는 3 x 10¹⁶ cm^-3 이고 게르마늄의 농도는 10 mol%이며, 광섬유의 길이를 변화 시켰을 때 이득의 변화를 계산하였다. 이 결과에서 알 수 있듯이, 3개의 피크가 1.53, 1.56, 1.60 ㎛에서 나타난다. 첫번째 피크는 클래딩의 어븀에 의한 직접천이 피크이고 세번째 피크는 라만에 의한 이득 피크이다. 두번째 피크는 어븀에 의해서 증폭된 광신호가 라만에 의해서 더 증가되어 생긴 것이다. 광섬유의 길이를 증가 시킬 경우 그 이득 값들은 전체적으로 점점 증가함과 동시에 두번째 피크인 1.56 ㎛ 대역이 점점 증가하고 있다.

이것은 긴 광섬유 길이에서 펌프에너지의 길이에 따른 고갈로 낮게 반전된 어븀 이온의 이득 천이에 의해 일어난다. 따라서 광섬유 길이를 조절하여 두번째 피크를 첫번째 피크에 맞추는게 이득 평탄화를 위해 바람직하다. 다시 말하면 두번째 피크는 어븀 이온의 광섬유내의 수와도 관계되기 때문에 (어븀 이온이 많으면 이득 천이도 짧은 길이에서 일어남) 광섬유내 어븀 농도에 따라 최적의 광섬유 길이를 조절하면 된다.

도 6은 도 4의 구조에서 펌프 파워를 조절하여 얻어진 이득변화를 도시한 그래프이다. 광섬유 길이는 4.5 km로 고정되어 있고 어븀의 농도는 3 x 10¹⁶ cm^-3 이고 게르마늄의 농도는 10 mol%이다. 펌프 파워를 증가시킴에 따라 라만 이득의 증가에 의해서 세번째 피크(1.60 ㎛)가 점점 증가하고 있다. 또한 펌프파워의 증가와 함께 두번째 피크도 약하게 라만 이득을 얻어서 증가하고 있다. 따라서 두번째 피크는 광섬유의 길이를 조절함으로써 제어할 수가 있고 세번째 피크는 펌프파워를 조절함으로써 첫번째 피크에 맞추는 것이 가능하다.

도 7a 및 도 7b는 도 5의 광섬유 증폭기에서 클래딩 내의 어븀 농도를 변화시켰을 때 최적의 광섬유 길이와 펌핑 에너지에 대해 이득 레벨(Gain)과 노이즈 특성(NF)을 도시한 그래프들이다.

도 7a는 어븀이 도핑된 영역이 코어와 바로 인접한 클래딩으로 그 영역이 코어의 중심으로부터 2.6~ 5.2 um 에 도핑된 경우 어븀의 농도를 변화시켰을 때의 결과이다. 어븀 농도가 8X10¹⁶cm^-3일때 최적의 광섬유 길이와 양방향 펌핑 파워는 이득 평탄화를 위해 각각 2 km와 1.09 W였다. 이 조건에서 평균이득은 32 dB가 얻어졌으며 노이즈는 5.5 ~ 7.9 dB가 얻어졌다. 광섬유 전 길이에서 흡수되지 않고 남은 펌프파워는 250 mW이다. 이와 같은 고농도의 어븀이 첨가된 광섬유의 경우 두번째 피크를 첫번째 크기에 맞추기 위해 짧은 길이의 광섬유를 사용해야 했고 그로 인한 비선형 라만 이득의 부족으로 세번째 크기의 이득 평탄화를 위해 높은 파워펌프가 요구되었다.

어븀 농도가 3 X 10¹⁶cm^-3였을때 최적의 광섬유길이와 펌프파워는 4.8 km 와 510 mW였고 평균이득은 24 dB, 노이즈는 6.0 ~ 8.5 dB 사이에 있었다. 흡수되지 않고 남은 펌프파워는 67 mW로 얻어졌다. 저농도 어븀 첨가 광섬유의 경우 긴 길이의 광섬유가 사용되기 때문에 적은 펌핑 파워로도 이득평탄화가 얻어진다. 결과적으로 고농도 어븀 첨가 광섬유는 높은 이득과 낮은 노이즈 특성을 갖지만 요구되는 펌프 파워가 매우 높아서 비효율적이며, 그에 반해 낮은 농도의 어븀첨가광섬유는 비록 긴 길이가 요구되지만 낮은 펌핑 파워를 이용하기 때문에 효율적이다. 게르마늄의 농도를 좀더 조절하게 되면 광섬유의 길이를 효율적으로 줄일 수 있고 펌프파워도 감소시킬수 있어 좀더 효율적인 증폭기 구성이 가능하다.

도 7b는 어븀이 도핑된 영역이 코어와 바로 인접한 클래딩에 도핑되지 않고 약간 떨어져 있는 경우를 어븀의 농도에 따라 최적의 이득 평탄화를 얻을 수 있는 조건(펌핑 파워, 광섬유 길이 조절)에서 얻어진 전산모사 결과이다. 다만, 도 7a 및 도 7b 모두 어븀이 도핑 되어있는 단면적은 동일하게 하였다.

도 7b의 경우 어븀 도핑 영역은 코어의 중심으로부터 2.8~ 5.3 um 이고 어븀의 농도를 변화시켰을 때의 결과이다. 전체적으로 도 7a의 경우보다 이득이 작고 노이즈가 다소 커진 것을 알 수 있다. 다만, 여기서 전산모사 결과는 도 7a와 도 7b 경우 모두 광섬유의 백그라운드 손실을 1.0 dB/km로 두었기 때문에(실제적으로는 둘 사이의 차이가 있음) 실제 제작시의 결과와 약간 다를 수 있다. 그러나, 코어에 직접 어븀과 게르마늄을 같이 넣은 경우 코어에서의 OH loss에 의한 손실이 크게 증가하는 반면 클래딩에 어븀을 넣어 따로 분리하는 경우 제작시 광손실을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

상기에서는 분산형 어븀-Ge(distributed type Er-Ge) 첨가 광섬유와 그것의 광증폭기와 이의 전산모사 결과를 설명하였다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 바와 같이 광섬유 전체에 어븀을 약하게 분포시켜 도핑하는 것이 아니라 분포된 어븀을 어느 한쪽으로 혹은 국부적으로 모아서 그 일부분에만 어븀 도핑 농도 를 크게 하는 경우도 전술한 바와 비슷한 결과를 얻을 수 있다.

예를 들어, 2개의 광섬유의 앞단, 광섬유의 중간 또는 광섬유의 뒷단의 코어에 어븀이 고농도로(예를 들어, 전술한 실시예 에서 보다 100배 이상의) 첨가된 광섬유와 10 내지 20 mol% 정도의 게르마늄이 첨가된 2개의 광섬유를 서로 연결하여 광증폭기를 구성할 경우 한파장의 펌핑 광원으로 C-band 와 L-band를 동시에 증폭하는 것이 가능하다.

도 8a 내지 도 8c는 Er 첨가 광섬유와 고농도 Ge 첨가 광섬유(high germanium doped fiber)를 서로 직렬로 연결하여 광증폭기를 구성하여, 한 파장의 펌핑 소스로 C-밴드와 L-밴드를 동시 증폭할 수 있는 광섬유 구성의 도식도 들이다. 도 8a는 어븀 첨가된 광섬유를 광증폭기를 앞단에 25m 길이로 구성하고 뒷단에 고농도 Ge 첨가 광섬유 4km와 직렬 연결한 경우이다. 도 8b는 Ge 고농도 도핑된 광섬유 4km를 앞단에 구성하고 뒷단에 어븀 첨가된 광섬유를 25m 직렬 연결한 경우이다. 도 8c는 고농도 Ge 첨가 광섬유 4km 중간에 어븀 첨가된 광섬유 25m를 연결하여 구성한 경우이다. 이러한 광섬유 조합들을 도 4의 광증폭기 구조에서 도면부호 110에 해당하는 광섬유로 구성한다면 예컨대 C-밴드와 L-밴드의 동시 증폭이 가능하다.

도 9는 도 8의 3가지 구도에 의해 얻어진 전산모사 결과이다. 광 이득의 경우 도 8a와 도 8c가 거의 비슷하지만 도 8b의 경우는 C-밴드 이득이 다소 작았다. 잡음지수의 경우 도 8a의 경우가 가장 좋고 도 8b의 경우가 가장 낮은 것으로 나타났다. 도 8c의 경우는 도 8a와 도 8b의 중간정도의 분포를 나타내고 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시 예들을 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 희토류 원소에 의한 광신호 증폭과 비선형 라만효과에 의한 광신호 증폭이 동시에 발생하도록 하는 광섬유를 제공할 수 있고, 넓은 이득 대역의 광증폭기를 구현할 수 있다.

또한 희토류를 코어가 아니라 인접 클래딩으로 도핑함으로써 코어에서의 백그라운드 손실 경감시킬 수 있어 라만 이득을 좀더 높일 수 있다는 장점을 가진다.

또한, 종래 상업적으로 사용되는 어븀 첨가 광증폭기에 비해 좀더 간단한 구조로 C-밴드와 L-밴드를 동시에 증폭하는 것이 가능하며 종래의 라만 광증폭기가 C-밴드와 L-밴드를 동시에 증폭하기 위해 사용하는 고출력 다파장 펌프레이저에 비하여 제작 가격비 면에서 경쟁력이 있다.

또한 종래 상업적으로 사용 가능한 어븀 첨가 광섬유와 고농도 게르마늄첨가 광섬유를 서로 연결하여 한 파장으로 펌핑할 경우 쉽게 C-밴드와 L-밴드를 동시에 증폭하는 광증폭기를 꾸며 볼 수도 있음이 밝혀져 쉽게 상용화도 가능하다.

Claims

희토류 원소인 제1 원소가 도핑된 클래딩; 및

비선형 라만 현상을 유도하기 위하여 제2 원소가 포함된 코어를 구비하며,

상기 코어를 통해서 펌프 광이 진행하면 상기 클래딩의 상기 제1 원소에 의해 제1 밴드 광신호가 증폭되고, 상기 제2 원소에 의해 제2 밴드 광신호가 라만 증폭되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1 항에 있어서,

상기 제1 밴드와 제2 밴드는 서로 동일한 대역인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1 항에 있어서,

상기 제1 밴드와 제2 밴드는 서로 다른 대역인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제1 항에 있어서,

상기 제1 원소는 적어도 상기 코어에 인접한 영역에 도핑된 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 1 항에 있어서,

상기 광섬유의 조성물은 실리카, 텔루라이트, 플로라이드, 황화물계 또는 셀레나이드계인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 원소는 어븀, 이터븀, 프라세오디뮴, 니오디뮴, 홀뮴, 툴륨 또는 디스프로슘이고, 상기 제2 원소는 유리조성을 만드는 실리콘, 게르마늄, 인, 황, 텔루륨 또는 셀레늄인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 1 항에 있어서,

상기 광섬유의 조성물이 실리카인 경우, 펌핑 파장은 1480~1500 nm 대역의 단일파장이고, 광섬유의 클래딩에 도핑된 어븀에 의해 C-밴드(1530~1570 nm) 광신호가, 코어에 도핑된 게르마늄에 의한 비선형 라만 증폭으로 L-밴드(1570~1610 nm) 광신호가 각각 증폭하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 7 항에 있어서,

상기 어븀은 상기 클래딩에 10¹⁵ cm^-3 ~ 10¹⁷ cm^-3로 도핑되어 있고, 상기 게르마늄은 상기 코어에 10 ~30 mol %로 도핑되어 코어와 클래딩의 굴절률 차이는 0.015 ~ 0.03 인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 1 항에 있어서,

상기 광섬유의 길이는 1 내지 10 km 인 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 1 항에 있어서,

상기 광섬유의 조성물이 텔루라이트인 경우, 상기 소정의 펌핑 파장은 1470~1500 nm 대역의 단일 파장이고, 클래딩의 어븀에 의한 광증폭으로 L-밴드(1570~1610 nm) 신호를, 코어 내의 텔루라이트에 의한 비선형 라만 증폭으로 U-밴드(1610~1700 nm)를 각각 증폭하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
희토류 원소인 제1 원소가 코어에 첨가된 광섬유와 비선형 라만 증폭을 유발하기 위해 제2 원소가 코어에 첨가된 광섬유를 각각 적어도 하나씩 포함하여 직렬 조합으로 연결하되,

상기 조합된 광섬유를 통해서 소정 파장의 펌프 광이 진행하면 상기 제1 원소가 포함된 광섬유에 의해 제1 밴드 광신호가 증폭되고, 상기 제2 원소가 포함된 광섬유에 의해 제2 밴드 광신호가 라만 증폭되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
제 11 항에 있어서,

상기 제1 원소는 어븀이 10¹⁵ cm^-3 ~ 10¹⁷ cm^-3로 도핑되고,

상기 제2 원소는 게르마늄(Ge)이 10~30 mol %로 되핑되며,

제1 원소인 어븀이 코어에 도핑된 광섬유로부터 C-밴드 광신호가 증폭되고, 제2 원소인 게르마늄(Ge)이 코어에 도핑된 광섬유로부터 L-밴드 광신호가 라만 증폭되는 것을 특징으로 하는 광섬유.
입력 단으로부터 광신호를 입력받아 증폭하여 출력단으로 전달하는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 의한 광섬유;

상기 광섬유에 펌핑광을 출력하기 위한 적어도 하나의 광원; 및

상기 광신호와 상기 광원으로부터 출력되는 상기 펌핑광을 결합하기 위한 적어도 하나의 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제 13 항에 있어서,

상기 광원과 상기 결합기는 상기 입력단과 상기 출력단에 각각 하나씩 존재하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.
제 14 항에 있어서,

상기 입력단의 결합기의 전단에는 입력단으로부터 입력되는 광신호를 그대로 통과시키며 그 역방향으로 입력되는 광을 차단하는 제 1 아이솔레이터를 더 포함하고,

상기 출력단의 결합기의 후단에는 출력되는 광신호를 그대로 통과시키며 그 역방향으로 입력되는 광을 차단하는 제 2 아이솔레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.