KR20010111163A - 1530㎚ 파장대역의 광원으로 여기된 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기 - Google Patents
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Abstract
잡음특성의 큰 변화없이 이득특성을 향상시킨 1530nm 파장대역의 여기광원으로 여기된 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 이를 위한 본 발명은 장파장대역의 광신호가 입력되는 입력단, 1530nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 여기부, 상기 여기 광원과 입력 광신호를 결합시켜주는 파장분할다중화결합기, 및 상기 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력 광신호를 증폭하는 에르븀첨가 광섬유를 포함하여 이루어지고, 상기 여기부는 상기 1530nm파장대역의 여기 광원이 입력신호광과 같은 방향인 순방향여기, 반대방향인 역방향여기, 순방향여기와 역방향여기를 함께 이용한 양방향여기 또는 2단 증폭구조중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 광통신 시스템 소자에 관한 것으로, 특히 에르븀 첨가 광섬유 증폭기 (Erbium doped fiber amplifier; EDFA)를 이용하여 1570nm 파장대역 이상의 장파장 대역에서 이득을 갖는 장파장 대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)에 관한 것이다.
최근 국내외적으로 정보량의 급증에 따라 전송 시스템의 대용량화가 진행되고 있는데, 특히, 여러 채널의 광파장을 사용함으로써 광섬유(Optical Fiber)가 제공하는 넓은 대역폭을 효과적으로 이용할 수 있는 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing: 이하 'WDM')에 의한 전송방식이 높은 관심을 끌고 있다.
이러한 WDM 전송장치를 이용하는 통신망에서 핵심 요소가 되는 것이 광증폭기(Optical Amplifier; OA)이다. 상기한 광증폭기(OA)는 광전변환없이 광신호를 증폭하는 장치로서, 광섬유의 전송 손실이나 분배망의 분할손실을 쉽게 보상할 수 있는데, 희토류 금속인 에르븀(Erbium)이 첨가된 광섬유를 이용한 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier: 이하 'EDFA')가 널리 사용되고 있다.
이러한 EDFA는 전송 손실이 가장 작은 1.52㎛∼1.63㎛파장대역의 넓은 파장 범위에 걸쳐 높은 이득으로 광신호의 증폭이 가능하므로 광통신에서 광전력 증폭기 및 광중계기로 활용되고 있다. 특히 서로 다른 파장의 광신호들을 누화(crosstalk)없이 거의 한 번에 증폭할 수 있으므로 WDM 방식에 매우 유용하다. 따라서, WDM 방식의 초대용량 국간 전송망이나 가입자용 광통신 시스템의 핵심요소로 자리를 잡아가고 있다.
일반적으로 EDFA는 광증폭 매질인 에르븀 첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber;이하 EDF)와, 상기 첨가된 에르븀 이온을 여기시키기 위한 광펌프용 광원 (Pumping Light; PL), 입력 신호광 파장과 펌프광 파장의 광원을 각각 분리 또는 결합하기 위한 파장분할다중결합기(이하 WDM), 순방향으로 진행하는 광원은 통과시키고 역방향으로 진행하는 광원은 차단하는 광고립기(Optical Isolator; ISO)로 구성되어. 펌프용 광원으로부터 펌프광이 WDM을 거쳐 EDF에 입사되면 EDF 내의 에르븀 이온이 여기되며, 입력 신호광이 EDF를 따라 진행하는 동안 여기된 에르븀 이온이 낮은 에너지 상태로 천이하면서 신호광의 증폭이 이루어진다. 여기서, 상기 여기 광원(PL)으로는 800nm, 980nm, 1480nm 파장 대역의 광원이 주로 이용되며, 상기 여기 광원(PL)에 의해서 EDFA의 특성이 크게 영향을 받는다. 그리고 EDFA는 입력 광신호를 어느 정도 증폭시키는가의 측도로 사용되는 이득(Gain; G)과, 신호대 잡음(Signal/Noise; S/N)의 비가 얼마나 악화되었나를 나타내는 잡음지수(Noise figure)로 그 특성이 표현된다.
이러한 이득과 잡음지수는 어떠한 파장대역의 여기 광원을 사용하는지 그리고 어떤 여기구조를 사용하는지에 크게 영향을 받는데, 상기 여기 광원으로 1480nm 파장 대역의 레이저 다이오드(Laser Diode; 이하 LD)와 980nm 파장 대역의 티타늄:사파이어(Ti:sapphire)가 1989년에 연구되었고, 이후 상기 두개의 파장대역은 가장 일반적인 여기 광원의 파장으로 사용되고 있다.
그리고 여기 방법으로는 입력 신호광과 여기 광원의 진행방향에 따라서 결정되는데 둘의 진행 방향이 같으면 순방향 여기(Forward pump), 다르면 역방향 여기(Backward pump)라 하며, 순방향 여기와 역방향 여기가 함께 사용되면 양방향여기가 된다. 특히, 순방향 여기는 잡음지수의 감소에, 역방향 여기는 이득의 향상에 유리하므로 이들은 EDFA의 중요한 설계 요소가 된다. 여기서, 양방향 여기시는 두개 모두 동일 파장의 여기 광원을 사용하거나, 또는 순방향은 980nm 파장 대역, 역방향은 1480nm 파장대역의 다른 두개의 여기 광원을 사용하여 EDFA의 성능을 향상시키고 있다.
이러한 EDFA가 주로 1550nm 파장 대역의 신호를 증폭시키기 위해 사용되어 왔으나 전송용량의 증가에 따라 증폭대역의 확장필요성과 분산천이광섬유(Dispersion Shifted Fiber: DSF)를 사용할 경우의 비선형 현상때문에, 1570nm 파장대역 이상의 장파장 대역의 EDFA(L-band EDFA)가 등장하게 되었다.
상기의 장파장대역 EDFA와 비교하여 종래의 1550nm 파장 대역의 EDFA를 C-band EDFA라고 부르며 여기 방법에서는 양자사이에 차이가 없으나 장파장 대역 EDFA는 약 40%의 밀도반전 상태를 이용하므로 C-band EDFA와 비교하여 EDF의 길이가 약 5~10배 이상 길어지는 차이를 보인다.
상술한 바와 같은 EDFA를 구현한 종래기술을 살펴보면, 여기광원으로 LD를 이용하며, WDM 대신 단순히 두 광섬유를 융착결합(fusion coupling)을 시킨 구조를 사용하여 EDFA를 구성하였고, 응용으로 링(Ring) 구조의 레이저(Laser)도 가능함을 보여주었다(미국특허 4,955,025). 여기 구조에 관한 기술로, 순방향 여기광원으로980nm LD를 이용하고 역방향 여기광원으로 1480nm LD를 사용하여 양방향 여기 구조를 제안하므로써 1530∼1570nm 파장대역의 광섬유증폭기의 잡음지수를 낮추고 이득 특성을 향상시키고자 하였다(미국특허 5,140,456).
또 다른 종래기술로서, EDF를 사용한 1570∼1600nm 파장대역의 광섬유증폭기에서 여기세기의 신호세기로의 전환 효율을 향상시키기 위해 980nm LD와 함께 1550nm LD를 보조 여기 광으로 사용한 장파장대역의 EDFA가 제안되었다.(R.Di Muro, N.E.Jolley, J.Mun, "Measurement of the quantum efficiency of long wavelength EDFAs with and without an idler signal" ECOC'98 technical digest, 20∼24p, sep. 1998).
상술한 바와 같은 종래기술들은 EDF와 이를 이용한 광섬유증폭기의 일반적인 구조에 관한 것이거나, 980nm LD와 1480nm LD를 사용하지만 입력신호와 여기파장을 결합시켜주는 WDM의 파장특성이나 구조에 대한 언급이 전혀 개시되어 있지 않고, 980nm LD와 1480nm LD의 보조적인 여기로 1550nm LD를 사용하지만 이득 향상은 10%정도로 입력세기변환효율(Power Conversion Efficiency; PCE)과 장파장대역의 광증폭기의 이득특성을 향상시키는데는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)에서 장파장대역(1570~1600nm)의 입력광을 증폭시키기 위한 여기용 광원으로 1530nm 파장대역을 사용함으로써, 입력세기변환효율(PCE)을높혀 장파장대역 입력신호의 이득효율을 향상시키는데 적합한 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 1530nm 파장대역 여기 광원을 이용하여 양방향 여기 구조나 2단 증폭구조를 채택하므로써 1530nm 파장대역 순방향 여기(forward pumping)만 하는 경우보다 잡음특성을 감소시키고 이득특성을 향상시키는데 적합한 장파장대역 에르븀첨가 광섬유증폭기를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 1530nm 파장대역의 여기 광원을 이용하여 순방향 여기된 장파장 대역 EDFA 구성도,
도 2a는 2단 증폭구조와 광가변필터를 사용하여 구현한 1530nm 파장대역 여기 광원의 구성도,
도 2b는 2단 증폭구조, 광순환기와 광섬유격자를 사용하여 구현한 1530nm 파장대역 여기 광원의 구성도,
도 2c는 레이저 다이오드와 광섬유격자를 사용하여 구현한 1530nm 파장대역의 여기 광원의 구성도,
도 3은 1530nm 파장대역의 역방향 여기와 980nm 파장대역의 순방향 여기를 사용한 양방향여기 구조의 장파장 대역 EDFA 구성도,
도 4는 980nm파장대역의 여기광원이 순방향 여기되는 제 1 증폭단과, 1530nm파장대역의 여기광원이 순방향 및 역방향 여기되는 제 2 증폭단으로 구성되는 장파장대역 EDFA구성도,
도 5는 광가변필터(OTF)와 광섬유격자(FBG)를 사용한 1530nm 파장대역 여기광원의 스펙트럼,
도 6은 파장분할다중화기(WDM)의 여기광원과 입력신호광원의 삽입손실(N.F)의 파장의존 특성 그래프,
도 7은 1530nm 파장 대역의 여기광원으로 여기된 장파장 대역 EDFA의 파장별 이득(G) 및 잡음지수(N.F.)를 나타낸 도면,
도 8은 장파장 대역에서 15dB의 균일한 이득을 얻기 위해 요구되는 여기 세기의 여기파장에 따른 비교도,
도 9는 입력신호의 관점에서 1530nm 파장대역 여기 광원의 파장변화에 따른 이득의 변화를 나타내는 그래프,
도 10은 5 채널 신호입력시 1530nm파장대역의 여기광원으로 여기된 장파장 대역 EDFA의 이득 및 잡음지수를 나타낸 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 입력단 20 : 1530nm 파장대역의 여기부
30 : WDM결합기 40 : EDF
50 : 광스펙트럼분석기(OSA) 61,62 : 광고립기
70 : 파장가변광원(TLS) 80 : 광가변필터(OTF)
90 : 광순환기 91 : 광섬유격자(FBG)
100a : 제 1 증폭단 200a : 제 2 증폭단
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 실시예는 광섬유 증폭기에 있어서, 장파장대역의 광신호가 입력되는 입력단, 1530nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 여기부, 상기 여기 광원과 입력 광신호를 결합시켜주는 파장분할다중화결합기, 및 상기 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력 광신호를 증폭하는 에르븀첨가 광섬유를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하고, 상기 여기부는 여기광원의 파장을 변화시킬 수 있는 파장가변광원, 980nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 980nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 파장 가변된 여기광원을 결합시키는 순방향 제 1 파장분할다중화결합기, 상기 제 1 파장분할다중화결합기에서 결합된 여기광원을 증폭하는 제 1 에르븀첨가 광섬유를 포함하는 제 1 증폭단; 및 1480nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 제 1 1480nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 여기광원을 결합하는 순방향 제 2 파장분할다중화결합기, 1480nm파장대역의 여기광원을 여기시키는 제 2 1480nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 제2 1480nm파장대역의 레이저다이오드로부터 여기된 여기광원을 결합하는 역방향 제 3 파장분할다중화결합기, 상기 순방향 여기광원과 역방향 여기광원을 증폭하는 제 2 에르븀첨가 광섬유, 상기 제 2 에르븀첨가 광섬유에서 출력된 증폭광 중 증폭된 자기방출 잡음광을 제거하여 증폭광만을 출력단으로 출력시키는 광가변필터를 포함하는 제 2 증폭단으로 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시예는 장파장대역의 광신호가 입력되는 입력단, 순방향으로 980nm 파장 대역의 여기광원을 출력하는 980nm파장대역의 레이저다이오드, 상기 입력 광신호와 여기광원을 파장분할 다중화하여 결합하는 순방향 제 1 파장분할다중화결합기, 역방향으로 1530nm파장대역의 여기광원을 출력하는 1530nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 역방향 여기광원을 파장분할 다중화하여 결합하는 역방향 제 2 파장분할다중화결합기, 상기 순방향 및 역방향 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력된 광신호를 증폭하는 에르븀첨가 광섬유, 상기 증폭된 광신호의 스펙트럼을 분석하는 광스펙트럼분석기, 및 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위해 상기 입력단과 제 1 파장분할다중화결합기, 상기 제 2 파장분할다중화결합기와 광스펙트럼분석기 사이에 연결된 광고립기를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 실시예는 2단 증폭구조의 광증폭기에 있어서, 광신호가 입력되는 입력단, 980nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 980nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 입력 광신호와 여기광원을 파장분할다중화하여 결합하는 제 1 파장분할다중화결합기, 상기 제 1 파장분할다중화결합기에서 다중화된 광신호를 증폭하는제 1 에르븀첨가 광섬유로 이루어진 제 1 증폭단; 및 1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 순방향 제 1 1530nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 제 1 에르븀첨가 광섬유에서 증폭된 증폭광원과 상기 1530nm파장대역의 여기광원을 결합하는 순방향 제 2 파장분할다중화결합기, 1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 역방향 제 2 1530nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 1530nm파장대역의 역방향 여기광원을 결합하는 역방향 제 3 파장분할다중화결합기, 상기 순방향 여기광원과 역방향 여기광원을 증폭하는 제 2 에르븀첨가 광섬유로 이루어진 제 2 증폭단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 1530nm 파장 대역의 여기광원을 이용하여 순방향 여기된 장파장 대역 EDFA를 나타낸 구성도로서, 순방향 여기 구성을 따르는데, 이는 EDFA의 특성을 좌우하는 요소를 간소화하여 여기 광원의 파장 차이에 따른 효과만을 효과적으로 구현하기 위함이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예는 장파장대역 (1570~1600nm)의 광신호가 입력되는 입력단(10), 순방향으로 1530nm 파장 대역의 여기광원을 여기하는 여기부(20), 상기 입력 광신호와 여기광원을 결합하는 WDM결합기(30), 상기 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력된 광신호(input light)를 증폭하는 EDF(40), 상기 증폭된 광신호의 스펙트럼을 분석하는 광스펙트럼분석기(Optical Spectrum Analyzer; OSA)(50)로 구성되며, 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위해 입력단(10)과 WDM결합기(30), EDF(40)와 광스펙트럼분석기(OSA)(50)사이에 연결된 광고립기(Optical isolator)(60a,60b)로 구성된다.
상기한 제 1 실시예의 광증폭기는 순방향여기(Forward pumping) 구조의 광증폭기로서, 상기 입력단(10)에 입력된 1570~1600nm 파장대역의 광신호는 여기부(20)로부터 여기된 1530nm 파장 대역의 여기 광원과 1530nm 파장 대역용 순방향 WDM결합기(30)에 의해 결합된 후, 65m의 EDF(40)에 삽입되어 증폭되고 상기 EDF(40)에 의해 증폭된 신호는 광스펙트럼분석기(50)에 의해 측정된다.
이 때, 상기 WDM결합기(30)는 여기광원의 파장 잡음(Noise)이 장파장대역 EDFA의 특성에 영향을 주지 않도록 입력 신호광원의 파장대역에서 여기광원의 파장 삽입부의 삽입손실(Insertion Loss)이 크게 하도록 설계한다.
상기와 같은 제 1 실시예에 따른 장파장대역 EDFA는 약 40%수준의 낮은 밀도반전상태를 이용하므로 1530nm 파장대역의 빛을 흡수하는 것이 가능하며 나아가 1530nm 파장대역의 빛의 사용이 EDFA의 역방향 자기방출 잡음광(ASE)을 억제할 수 있어 입력세기변환효율(PCE)이 1480nm 파장대역의 여기광보다 2배정도 높은 효율을 갖게 한다.
도 2a내지 도 2b는 도 1의 여기부를 나타낸 도면으로서, 2단 증폭(Two stage amplifier)구조를 이용하여 1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시킨다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 증폭단(100)은 여기광원의 파장을 변화시킬수 있는 파장가변광원(Tunable Light Source; TLS)(70), 980nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 980nm 파장대역의 LD(21), 상기 파장 가변된 여기광원을 결합시키는 순방향 제 1 WDM결합기(WDM1)(31), 상기 제 1 WDM결합기(31)에서 결합된 여기광원을 증폭하는 제 1 EDF(41)로 이루어지고, 제 2 증폭단(200)은 1480nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 제 1 1480nm 파장대역의 LD(22a), 상기 여기광원을 결합하는 순방향 제 2 WDM결합기(WDM2)(32), 1480nm파장대역의 여기광원을 여기시키는 제 2 1480nm 파장대역의 LD(22b), 상기 제 2 1480nm파장대역의 LD(22b)로부터 여기된 여기광원을 결합하는 역방향 제 3 WDM결합기(WDM3)(33), 상기 순방향 여기광원과 역방향 여기광원을 증폭하는 제 2 EDF(42), 증폭된 자기방출 잡음광을 제거하기 위한 광가변필터(OTF)(80)로 이루어지며, 상기 제 1 증폭단(100)과 제 2 증폭단(200), 제 2 증폭단(200)과 출력단 사이에 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위한 광고립기(63,64)를 더 포함하여 구성된다.
상기와 같은 2단 증폭구조는 고출력 여기 광원을 가능하게 하며, 파장가변광원(TLS)(70)을 이용하여 여기광원의 파장을 변화시키고, 제 1 증폭단(100)의 제 1 EDF(41)는 980nm 파장대역의 LD(21)와 순방향 제 1 WDM결합기(41)에 의해 여기되고, 제 2 증폭단(200)의 제 2 EDF(42)는 1480nm 파장대역의 LD(22a)와 순방향 제 2 WDM(32), 1480nm 파장대역의 LD(22b)와 역방향 제 2 WDM(33)에 의해 양방향 여기된다. 이 때, 파장가변광원(TLS)(70)은 레이징광과 증폭된 자기방출(Amplified Spontaneous Emission; ASE) 잡음광으로 이루어지는데, 이 중 후자인 불필요한 잡음광이 레이징광과 함께 2단 증폭기에 의해 증폭된 뒤 -20dBm 정도의 세기를 유지하면서 1560nm 파장대역 이상의 파장 범위까지 존재하게 된다. 이 같이 증폭된 여기광원의 잡음광이 증폭된 여기광의 레이징광과 함께 출력단으로 나가지 못하도록 여기광원의 잡음광의 파장의 빛은 차단하고 증폭된 여기광의 레이징광의 파장대역의 빛을 투과시키기 위해 광가변필터(Optical Tunable Filter; OTF)(80)를 이용한다.
도 2b는 도1의 여기부의 다른 구성을 나타낸 도면으로서, 도 2a의 광가변필터(80) 대신 광순환기(Optical Circulator)(90)와 광섬유 브래그격자(Fiber Bragg Grating, 이하 FBG)(91a)를 이용한다. 이 때, 상기 광순환기(90)는 상기 제 2 EDF (42)로부터 증폭된 광신호가 입력될 경우, 반사나 감쇄없이 광섬유 브래그격자 (FBG)로 출력되고, 상기 광섬유 브래그격자(FBG)(91a)는 여기광의 파장만을 반사시키므로써, 증폭된 자기방출(ASE) 잡음광을 제거한다.
여기서, 광섬유 격자는 특정 파장에서 반사율이 큰 반사형 필터 소자로서 반사되지 않은 대부분의 빛은 손실없이 투과하는 특성을 가지고, 외견상 일반 광섬유와 동일한 형태로서 전송용 광섬유나 에르븀 첨가 광섬유와의 접속이 용이하고, 접속 손실이 매우 작으므로 저렴한 가격에 양산될 가능성이 있는 등 광통신 시스템 및 장치에서 매우 바람직한 소자 형태이다.
상술한 바와 같이, 브래그 파장에서 최대 반사율을 가지며 그 이외의 파장에서는 반사가 거의 일어나지 않는 FBG 또는 이 광섬유 격자와 동일한 투과/반사 특성을 갖는 유전체 박막 필터와 같은 반사형 필터를 여기광 출력단측에 부착하므로써 증폭된 자기방출 잡음광을 효과적으로 제거할 수 있다.
도 2c는 1530nm 파장대역의 여기광원으로 1530nm파장대역의 LD를 이용한 순방향 여기구조(Forward pumping)를 도시하고 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 광신호가 입력되는 입력단(11), 1530nm 파장 대역의 여기광원을 출력하는 1530nm 파장대역의 LD(23), 상기 입력 광신호와 여기광원을 결합하는 순방향 WDM결합기(34), 상기 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력된 광신호를 증폭하는 EDF(43), 상기 증폭된 광신호의 스펙트럼을 분석하는 광스펙트럼분석기(Optical Spectrum Analyzer; OSA)(51)로 구성되며, 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위해 입력단(11)과 WDM결합기(34), EDF(43)와 광스펙트럼분석기(51)사이에 연결된 광고립기(Optical isolator)(65,66)로 구성된다.
여기서, 파장특성을 향상시키기 위해 FBG(91b)를 갖춘 단일 파장 발진 LD가 바람직하며, 또한 발진 선폭이 넓은 일반적인 페브리페롯레이저다이오드(FP LD)를 1530nm파장대역의 여기광원으로 이용할 수도 있는데, 이 경우는 피크 파장(Peak wavelength)이 1530nm 파장에 가까이 위치시켜 잡음지수가 악화되는 것을 방지한다. 그리고, WDM결합기(30)의 여기파장의 삽입손실이 1540nm파장대역에서부터 급격히 증가하도록 설계한다. 여기서, 도 2b의 FBG(91a)가 단순히 반사의 목적으로 이용되는 반면, 도 2c의 FBG(91b)는 반사도를 낮추어 브래그파장대역에서 레이저다이오드가 레이징할 수 있도록 도와주는 목적으로 이용된다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 장파장대역 EDFA를 나타낸 도면으로서, 양방향 여기 구조를 도시하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광신호가 입력되는 입력단(12), 순방향으로 980nm 파장 대역의 여기광원을 출력하는 980nm파장대역의 LD(24), 상기 입력 광신호와 여기광원을 파장분할 다중화하여 결합하는 순방향 제 1 WDM결합기(35), 역방향으로 1530nm파장대역의 여기광원을 출력하는 1530nm 파장대역의 LD(25), 상기 역방향 여기광원을 파장분할 다중화하여 결합하는 역방향 제 2 WDM결합기(36), 상기 순방향 및 역방향 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력된 광신호를 증폭하는 EDF(44), 상기 증폭된 광신호의 스펙트럼을 분석하는 광스펙트럼분석기(OSA; OSA)(52)로 구성되며, 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위해 입력단(12)과 제 1 WDM결합기(35), 제 2 WDM결합기(36)와 광스펙트럼분석기(52) 사이에 연결된 광고립기(67,68)로 구성된다.
상기한 바와 같은 양방향 여기구조를 이용하면, 장파장대역 EDFA의 잡음특성을 낮춤과 동시에 이득특성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 2단 증폭구조의 장파장대역 광증폭기를 나타낸 도면으로서, 제 1 증폭단(100a)은 광신호가 입력되는 입력단(13), 980nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 980nm 파장대역의 LD(26), 상기 입력 광신호와 여기광원을 파장분할다중화하는 결합하는 제 1 WDM결합기(WDM1)(37), 상기 제 1 WDM결합기(37)에서 결합된 광신호가 증폭되는 제 1 EDF(45)로 이루어지고, 제 2 증폭단(200a)은 1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 제 1 1530nm 파장대역의 여기광원(27a), 상기 여기광원을 결합하는 순방향 제 2 WDM결합기(WDM2)(38), 1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 제 2 1530nm 파장대역의 여기광원(27b),상기 여기광원을 결합하는 역방향 제 3 WDM결합기(WDM3)(39), 상기 순방향 여기광원과 역방향 여기광원에 의해 신호광의 증폭이 일어나는 제 2 EDF(46), 상기 제 1 증폭단(101)과 제 2 증폭단 (201), 제 2 증폭단(200)과 출력단 사이에 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위한 광고립기(69a,69b)를 더 포함하여 구성된다.
상기와 같은 2단 광증폭기는 잡음특성을 낮추고 이득특성을 증가시키는 특성을 갖는데, 제 1 증폭단(100a)의 제 1 EDF(45)는 980nm 파장대역의 LD(26)와 순방향 제 1 WDM결합기(37)에 의해 여기되고, 제 2 증폭단(201)의 제 2 EDF(46)는 1530nm 파장대역의 여기광원(27a)과 순방향 제 2 WDM결합기(38), 1530nm 파장대역의 여기광원(27b)과 역방향 제 2 WDM결합기(39)에 의해 양방향 여기된다.
상술한 바와 같이, 도 1 , 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명은 1530nm파장대역의 광원을 이용한 여기구조로 순방향 여기외에 980nm파장대역 또는 1480nm파장대역의 여기광원을 함께 사용하여 양방향 여기구조나 2단 증폭구조를 사용하므로써 잡음특성은 낮추고 이득특성은 보다 향상시킬 수 있다.
도 5는 파장가변필터(OTF)와 광섬유격자(FBG)를 사용하여 구현한 1530nm 여기광원의 스펙트럼을 나타낸 도면으로서, 투과스펙트럼 특성이 피크(Peak)로부터 10nm 떨어진 장파장대역 부분의 삽입손실(Insertion Loss)이 충분히 큼을 알 수 있고 파장가변 필터(OTF)를 이용한 여기광이나 광섬유격자(FBG)를 이용한 여기광의 파장 특성이 없음을 알 수 있다.
도 6은 WDM결합기(30)의 여기광원과 입력신호 광원의 삽입손실의 파장의존특성을 나타낸 그래프로서, 여기광원 대역과 신호광원 대역이 잘 분리되어 있음을 알수 있다. 하지만 여기광원의 삽입손실이 1565nm부근에서부터 증가하기 시작하므로 1560nm 파장대역까지 여기광원이 WDM결합기(30)를 통과할 수 있게 되고 따라서 여기 광원의 ASE 잡음광이 EDFA의 특성에 악화시키게 된다. 이러한 여기광원의 ASE잡음을 억제하기 위해 WDM와 함께 광가변필터(OTF)를 사용한다. 따라서, 이와 같은 WDM결합기의 파장 선택 특성이 보다 적절히 설계될 경우 광가변 필터를 사용하지 않아도 된다.
도 7은 도 1, 도2의 구성을 이용하여 소신호 입력시 1530nm 파장대역에서 여기된 장파장 대역 EDFA의 이득(Gain)과 잡음지수(Noise Figure)를 도시한 것으로, 44mW의 순방향여기로 30nm 파장대역이 1dB 오차 내에서 균등한 15dB 이득을 보여주고 잡음지수도 1571.5nm에서 6.36dB를 나타낸다.
도 8은 장파장대역에서 15dB의 균일한 이득을 얻기 위해 요구되는 여기세기의 여기파장에 따른 비교도로서, 1530nm 파장 대역에서 여기 광원의 파장 의존 특성을 조사하기 위해 3nm 간격으로 1530∼1560nm 파장 대역까지 여기 광원의 파장을 변화시켰고, 입력 광신호가 1571.5~1601.5nm 에서 이득이 균일하게 15dB를 유지하는데 요구되는 여기세기를 측정하였다. 이와 함께 비교를 위해 도 1과 동일한 구성하에서 여기광의 파장을 1480nm파장대역으로 변경후 실험하였다.
그 결과, 1480nm 파장대역에서 여기할 때 74mW가 요구되었으나, 1530nm 파장대역에서 여기할 때에 40mW전후의 값을 가진다. 여기파장(Pump wavelength, nm)에 변화하는 여기광원세기(Pump power, mW)를 입력세기변환효율(PCE)로 표현할 수 있는데 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
상기 수학식1에 나타난 바와 같이, Pout는 출력신호광원의 세기, Pin은 입력신호광원의 세기 그리고 Ppump는 여기광원의 세기를 나타내며, 균일한 이득을 얻기 위해 여기광원세기를 조정하는데, 1530nm 파장대역으로 여기시키는 경우(40mW)는 1480nm 파장대역으로 여기시키는 경우(74mW)에 비해 2배정도 높은 효율을 보인다.
그러나, 여기광의 파장이 1550nm 파장대역 이상으로 증가하면 2 레벨(Two-level) 레이저의 단점이 나타나 가해준 여기광이 EDF의 밀도반전에 효율적으로 사용되지 못하고 여기효율이 악화되며 잡음지수는 급격히 증가하게 된다.
도 9는 입력신호의 관점에서 1530nm 파장대역의 여기광원의 파장변화에 따른 이득의 변화를 나타낸 그래프로서, 각 측정 파장별(1571nm, 1581nm, 1591nm, 1601nm) 4개의 그래프가 도시되었다. 즉, 최고 이득을 위한 여기 파장 대역값이 여기 광세기가 증가할수록 단파장쪽으로 이동하는 것을 알 수 있는데, 이는 여기 광세기가 증가할수록 밀도 반전을 증가시키고 밀도반전이 증가될수록 1530nm 파장대역의 장파장영역의 흡수효율이 감소되기 때문이다. 도 9의 가장 큰 의미는 여기파장의 스펙트럼의 기울기가 단파장쪽에서는 완만하고 장파장쪽에서는 급하므로 발진 선폭이 넓은 여기광을 사용할 때 중심파장이 1540nm 이하에 위치하는 것이 유리하다는 것이다.
도 10은 5채널의 파장분할다중화(WDM) 신호 즉, 광신호의 전송에서 복수개의 채널을 파장을 분할하여 전송하는 방식의 신호가 입력될 시, 1530nm 파장대역으로 여기된 장파장대역 EDFA의 이득 및 잡음지수를 나타낸 스펙트럼으로서, 1533nm 파장으로 여기된 5채널 WDM 신호의 증폭실험 결과를 도시하였다. 이 때, 상기 실험 조건은 1590nm 파장 대역의 포화신호(Saturation Tone)를 사용하였고, 프로브(Probe) 신호는 -30∼-10 dBm 의 세기를 가졌다. 그 결과, 소신호 증폭 실험과 같이 대역폭 내에서 균일한 이득을 얻을 수 있었는데, 예를 들어, 10 dBm 입력 광신호의 경우 이득편차가 0.1dB 이내가 되는 범위는 26nm, 1dB 이내인 범위는 32nm에서 13.5 dBm의 균일한 이득을 얻을 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 1530nm파장대역의 여기광원을 이용하여 1550nm 파장 대역에서 이득을 얻는 경우, 1480nm 파장대역이 가장 입력신호의 파장에 근접한 여기광원이지만 장파장 대역 EDFA(L-band EDFA)에서는 1570nm 파장대역 이상에서 이득이 발생한다는 사실과 이 때의 밀도반전(Population inversion)이 약 40%이기 때문에, 1530nm 파장 대역이 단순히 발광영역이 아니라 빛을 흡수할 수 있는 영역이 될 수 있다는 것을 이용하므로써 약간의 잡음특성의 증가는 있지만 이득특성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 1530nm파장대역의 여기 광원으로 DFB구조를 사용한 LD나 광섬유브래그격자(FBG)를 사용한 좁은 대역폭의 광원이나 페브리페롯(FP)구조의 넓은 대역폭을 가진 광원을 사용하고, 1560nm보다 긴 파장대역에서 EDF로 입사되는 여기광원의 세기가 입력신호광원의 세기보다 최소 -20dB이하가 되도록 설계된 WDM 을 이용하여상기 두 광원을 결합시켜주므로써 여기광원의 잡음신호에 의해 입력파장의 잡음을 증가시키고 이득특성을 감소시키는 현상을 방지한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 1530nm 파장대역 광원으로 여기되는 장파장 대역 EDFA는 1480nm 파장대역 광원으로 여기되는 장파장 대역 EDFA에 비해 2배정도 큰 입력세기효율(PCE)를 얻을 수 있어 EDFA의 여기 효율을 증진시킬 수 있고, 또한 980nm 파장대역 또는 1480nm 파장대역의 여기 광원을 순방향으로 1530nm 파장 대역의 여기 광원을 역방향으로 하는 양방향여기 구조나, 1단 증폭은 980nm 또는 1480nm 파장 광원을 사용하여 순방향 여기하고 2단은 1530nm 파장대역 광원을 이용하여 양방향 여기하는 2단 증폭 구조를 사용함으로써 장파장대역 EDFA의 잡음특성을 낮춤과 동시에 이득특성을 크게 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (12)
- 광섬유 증폭기에 있어서,장파장대역의 광신호가 입력되는 입력단;1530nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 여기부;상기 여기 광원과 입력 광신호를 결합시켜주는 파장분할다중화결합기; 및상기 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력 광신호를 증폭하는 에르븀첨가 광섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 여기광원은 1530nm 파장대역의 레이저 다이오드를 이용하여 출력되는 것을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 여기광원은 광섬유 격자 또는 레이저 다이오드 자체에 형성된 격자구조에 의해 스펙트럼의 대역폭을 줄인 1530nm 파장대역의 레이저 다이오드를 이용함을특징으로 하는 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 여기 광원의 파장 대역 범위는 1520∼1560nm 인 것을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 파장분할다중화결합기는 상기 입력 광신호의 파장대역에서 상기 여기광원의 삽입손실이 크도록 설계된 것을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀 첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 입력단은 1570nm∼1630nm파장대역의 광신호가 입력되는 것을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 여기부는 상기 1530nm파장대역의 여기 광원이 입력신호광과 같은 방향인 순방향여기, 반대방향인 역방향여기 또는 순방향여기과 역방향여기를 함께 이용한 양방향여기 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
- 제 7 항에 있어서,상기 양방향여기는,980nm파장대역 또는 1480nm파장대역의 여기광원을 사용하는 순방향여기와 1530nm파장대역의 여기광원을 사용하는 역방향여기로 이루어짐을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
- 제 1 항에 있어서,상기 여기부는,여기광원의 파장을 변화시킬 수 있는 파장가변광원, 980nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 980nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 파장 가변된 여기광원을 결합시키는 순방향 제 1 파장분할다중화결합기, 상기 제 1 파장분할다중화결합기에서 결합된 여기광원을 증폭하는 제 1 에르븀첨가 광섬유를 포함하는 제 1 증폭단; 및1480nm 파장대역의 여기광원을 여기시키는 제 1 1480nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 여기광원을 결합하는 순방향 제 2 파장분할다중화결합기, 1480nm파장대역의 여기광원을 여기시키는 제 2 1480nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 제 2 1480nm파장대역의 레이저다이오드로부터 여기된 여기광원을 결합하는 역방향 제 3 파장분할다중화결합기, 상기 순방향 여기광원과 역방향 여기광원을 증폭하는 제 2 에르븀첨가 광섬유, 상기 제 2 에르븀첨가 광섬유에서 출력된 증폭광 중 증폭된 자기방출 잡음광을 제거하여 증폭광만을 출력단으로 출력시키는 광가변필터를 포함하는 제 2 증폭단으로 이루어지며,상기 제 1 증폭단과 제 2 증폭단, 제 2 증폭단과 출력단 사이에 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위한 광고립기를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
- 제 8 항에 있어서,상기 제 2 에르븀첨가 광섬유에서 출력된 증폭광 중 증폭된 자기방출 잡음광을 제거하기 위해 광순환기와 광섬유 격자를 이용하는 것을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
- 광증폭기에 있어서,장파장대역의 광신호가 입력되는 입력단;순방향으로 980nm 파장 대역의 여기광원을 출력하는 980nm파장대역의 레이저다이오드;상기 입력 광신호와 여기광원을 파장분할 다중화하여 결합하는 순방향 제 1 파장분할다중화결합기;역방향으로 1530nm파장대역의 여기광원을 출력하는 1530nm 파장대역의 레이저다이오드;상기 역방향 여기광원을 파장분할 다중화하여 결합하는 역방향 제 2 파장분할다중화결합기;상기 순방향 및 역방향 여기광원에 의해 고에너지준위를 가진 반전상태에서 상기 입력된 광신호를 증폭하는 에르븀첨가 광섬유; 및신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위해 상기 입력단과 제 1 파장분할다중화결합기, 상기 증폭신호광의 출력단에 연결된 광고립기를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
- 2단 증폭구조의 광증폭기에 있어서,광신호가 입력되는 입력단, 980nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 980nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 입력 광신호와 여기광원을 파장분할다중화하여 결합하는 제 1 파장분할다중화결합기, 상기 제 1 파장분할다중화결합기에서 결합된광신호를 증폭하는 제 1 에르븀첨가 광섬유로 이루어진 제 1 증폭단; 및1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 순방향 제 1 1530nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 제 1 에르븀첨가 광섬유에서 증폭된 증폭광원과 상기 1530nm파장대역의 여기광원을 결합하는 순방향 제 2 파장분할다중화결합기, 1530nm 파장대역의 여기광원을 발생시키는 역방향 제 2 1530nm 파장대역의 레이저다이오드, 상기 1530nm파장대역의 역방향 여기광원을 결합하는 역방향 제 3 파장분할다중화결합기, 상기 순방향 여기광원과 역방향 여기광원을 증폭하는 제 2 에르븀첨가 광섬유로 이루어진 제 2 증폭단을 포함하여 이루어지며,상기 제 1 증폭단과 제 2 증폭단, 제 2 증폭단과 출력단 사이에 신호의 반사에 의한 잡음을 방지하기 위한 광고립기를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 장파장대역 에르븀첨가 광섬유 증폭기.
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