KR100265788B1

KR100265788B1 - 높은소신호이득을갖는광섬유증폭기

Info

Publication number: KR100265788B1
Application number: KR1019970030823A
Authority: KR
Inventors: 황성택
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-07-03
Filing date: 1997-07-03
Publication date: 2000-09-15
Also published as: FR2765752B1; GB9814354D0; GB2326998A; US6104528A; DE19829854A1; FR2765752A1; CN1204776A; RU2160949C2; JPH1187822A; CN1114113C; KR19990008734A; GB2326998B

Abstract

본 발명은 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기에 관한 것으로서, 신호광의 세기가 작은 입사신호광을 증폭하기 위해 펌핑용 광을 인가하는 펌프 LD; 입사신호광과 펌프 LD에서 출력되는 펌프광을 하나의 광섬유로 결합시키는 WDM; WDM으로부터 인가되는 입사신호광을 펌프 LD의 펌핑용 광으로 증폭하며, 증폭된 입사신호광이 귀환되어 재입사되는 귀환신호광도 증폭하는 광섬유증폭매질; 광섬유증폭매질을 지나면서 증폭된 입사신호광을 루프미러 형태로 귀환시켜 다시 광섬유증폭매질로 보내며, 루프미러 형태로 부착된 커플러; 및 WDM 앞단에 위치하여, 신호광의 세기가 작은 입사신호광을 받아들여 WDM으로 전달하며, 광섬유증폭매질을 통해 증폭된 귀환신호광이 WDM을 통과할 때 통과한 최종 신호를 출력하는 서큘레이터를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 1530nm-1560nm 전 파장 영역에서 높은 소신호 이득을 얻을 수 있으며, 파장에 따른 이득차이도 같은 길이의 EDF를 사용한 기존의 방법에 비해서 현저히 줄일 수 있다.

Description

높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기{Optical fiber amplifier having high small signal gain}

본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 특히 광 커플러를 루프미러 형태로 연결하여 신호광의 세기가 작은 소신호의 이득을 높게하는 광섬유증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 장거리 광통신을 위한 중계기에 있어서, 종래의 광통신 중계방식은 약해진 광신호를 전기신호로 변환하여 증폭시킨 후 다시 이를 광신호로 변환하여 통신하는 방식이었다. 이러한 중계방식에서는 중계용 증폭기 시스템이 지나치게 비대화되고 잡음이 증가하는 등의 많은 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하고 효율적으로 광증폭을 수행하기 위한 중계기로서 광신호 자체를 증폭시키는 광증폭기가 요구된다.

상기와 같은 광증폭 중계기로서 어븀도핑 광섬유 증폭기(Erbium Doped Fiber Amplifier:이하 EDFA라 함)는 차세대 광통신용 광 중계기로서 많은 각광을 받고 있다. 상기 EDFA는 대량의 데이터가 한가닥의 광섬유를 통해 장거리에 걸쳐 전송될 때, 장거리 전송에 따르는 광신호의 감쇠를 막기 위하여 주기적으로 광신호를 증폭해 주는데 사용된다.

도 1은 일반적인 단일 순방향(single forward) EDFA의 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 광신호 증폭매질인 어븀도핑 광섬유(Erbium Doped Fiber:이하 EDF라 함, 130), 상기 EDF(130)내의 기저상태에 있는 어븀(Erbium) 이온을 여기시키기 위한 광원 역할을 하는 펌프 레이저 다이오드(Pump LD, 120), 서로 다른 여러 가지 파장의 광에 실린 정보를 묶어 단일 선로로 통신하는 파장분할다중화기(Wavelength Division Multiplexor:이하 WDM라 함, 110), 광신호의 역방향 진행을 차단하는 아이솔레이터(Isolator, 100, 140)로 구성된다.

상기 WDM(110)은 신호광과 펌프광을 하나의 광섬유로 결합시켜 EDF(130)로 입사한다. 상기 WDM(110) 앞단에 사용한 Optical Isolator(100)는 상기 EDF(130)에서 발생한 증폭된 자발방출(Amplified Sponstaneous Emission:ASE)이 신호 입력 콘넥터(connector)와 같은 광소자로부터 반사되어 EDF(130)에 다시 입사함으로써 신호광의 증폭효율을 떨어뜨리는 것을 방지하기 위함이다. 마찬가지로 EDF(130)의 뒷단의 아이솔레이터(140)는 신호 출력 콘넥터와 같은 광소자로부터 반사되어 EDF(130)에 재입사된 ASE와 증폭된 신호광으로 인한 EDFA의 증폭효율을 저하시키는 것을 막아주기 위함이다. 상기 펌프 LD(120)는 파장이 980nm이고 신호광과 같은 방향인 순방향 펌핑을 사용하는 것으로 하고, 파워(power)는 120mW로 고정되어 있다. 그리고 상기 EDF(130)는 고 알루미늄 도핑 EDF이고, 어븀의 농도는 290ppm이다.

한편, 광증폭기는 레이저의 원리를 이용하여 펌프광의 에너지를 신호광의 에너지로 변환시켜주는 장치이므로, 신호광의 세기가 충분히 작은 경우 일반적인 광섬유증폭기에서는 신호광이 EDF를 한번만 지나므로 높은 출력의 펌프광에 의해서 충분히 여기된 여기상태의 어븀(Erbium)을 효과적으로 기저상태로 천이시키지 못한다. 따라서 증폭효율이 높지 않다. 즉 같은 종류의 EDF를 사용하고 같은 세기의 펌프광을 이용할 때 펌프광의 에너지를 효율적으로 신호광의 에너지로 변환시키지 못한다. 따라서 소신호이득을 높이는데는 한계가 있으며, 신호광의 파장에 따라서 이득의 차이가 상대적으로 크다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 EDFA의 전 파장대에서 소신호 이득을 높이고 이 파장영역에서 파장에 따른 이득차이를 줄이기 위해, EDF 뒷단에 광커플러를 이용하여 루프 미러(loop mirror) 형태로 EDFA를 구성하여, 상기 루프미러를 통해 나온 신호광이 EDF를 지나면서 다시 증폭되고 광 서큘레이터(Optical Circulator)를 사용하여 상기 증폭된 신호광을 최종 출력시키는, 높은 소신호 이득을 갖는 EDFA를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 단일 순방향(single forward) EDFA의 구성을 블록도로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기의 일실시예의 구성을 블록도로 도시한 것이다.

도 3은 두 종류의 EDFA의 소신호이득을 비교한 파장에 따른 이득을 그래프로 도시한 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

200 : 서큘레이터, 210 : 펌프 레이저 다이오드

220 : 파장분할멀티플렉서(WDM) 230 : 어븀도핑 광섬유

240 : 광커플러

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한, 높은 소신호 이득을 갖는 EDFA는, 신호광의 세기가 작은 입사신호광을 증폭하는 광섬유증폭기에 있어서, 상기 입사신호광을 증폭하기 위해 펌핑용 광을 인가하는 펌프 레이저다이오드; 입사신호광과 상기 펌프 레이저다이오드에서 출력되는 펌프광을 하나의 광섬유로 결합시키는 파장분할멀티플렉서; 상기 파장분할 멀티플렉서로부터 인가되는 상기 입사광 신호를 상기 펌프 레이저 다이오드의 펌핑용 광으로 증폭하며, 상기 증폭된 입사신호광이 귀환되어 재입사되는 귀환신호광도 증폭하는 광섬유증폭매질; 상기 광섬유증폭매질을 지나면서 증폭된 입사신호광을 루프미러 형태로 귀환시켜 다시 상기 광섬유증폭매질로 보내며, 루프미러 형태로 부착된 커플러; 및 상기 파장분할 멀티플렉서의 앞단에 위치하여, 신호광의 세기가 작은 상기 입사신호광을 받아들여 상기 파장분할멀티플렉서로 전달하며, 상기 광섬유증폭매질을 통해 증폭된 귀환신호광이 상기 파장분할멀티플렉서를 통과할 때 상기 통과한 최종 신호를 출력하는 서큘레이터를 포함함이 바람직하다.

또한 상기 광섬유증폭기는 루프미러 역할을 하는 상기 커플러 내부 또는 상기 광섬유증폭매질과 상기 커플러 사이에 위치하며, 보다 높은 소신호 이득을 얻기 위해 ASE(Amplified Spontaneous Emission)를 차단하는 필터를 더 구비함이 바람직하다.

또한 상기 광섬유증폭기는 루프미러 역할을 하는 상기 커플러 내부 또는 상기 광섬유증폭매질과 상기 커플러 사이에 위치하며, 상기 광섬유증폭기의 이득을 평탄화하는 이득이퀄라이저(gain equalizer)를 더 구비함이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 의한 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기의 일실시예의 구성을 블록도로 도시한 것으로서, 펌프 레이저다이오드(210), 파장분할멀티플렉서(220), 어븀도핑광섬유(230), 커플러(240) 및 서큘레이터(200)으로 이루어진다.

상기 펌프 레이저다이오드(210)는 신호광의 세기가 작은 입사신호광을 증폭하기 위해, 증폭매질인 상기 EDF 내의 기저상태에 있는 어븀이온을 여기시키기 위한 광원인 펌핑용 광을 인가한다.

상기 파장분할멀티플렉서(WDM, 220)는 입사신호광과 상기 펌프 레이저다이오드(210)에서 출력되는 펌프광을 하나의 광섬유로 결합시켜 상기 EDF(230)로 입사하게 한다.

상기 어븀도핑광섬유(EDF, 230)는 상기 파장분할 멀티플렉서(220)로부터 인가되는 상기 입사광 신호를 상기 펌프 레이저 다이오드(210)의 펌핑용 광으로 증폭하며, 상기 증폭된 입사신호광이 귀환되어 재입사되는 귀환신호광도 증폭한다.

상기 커플러(240)는 1550nm 용 50:50 커플러로서, 상기 어븀도핑광섬유(230)을 지나면서 증폭된 입사신호광을 루프미러(Loop Mirror) 형태로 귀환시켜 다시 상기 어븀도핑광섬유(230)로 보내며, 루프미러 형태로 부착되어 있다.

상기 서큘레이터(200)는 상기 파장분할 멀티플렉서(220)의 앞단에 위치하여, 신호광의 세기가 작은 상기 입사신호광을 받아들여 상기 파장분할멀티플렉서(220)로 전달하며, 상기 어븀도핑광섬유(230)을 통해 증폭된 귀환신호광이 상기 파장분할멀티플렉서(220)를 통과할 때 상기 통과한 최종 신호를 출력한다.

상기 서큘레이터(200)의 포트1 -＞ 포트 2는 입력신호광을 지나게 하고 포트2 -＞ 포트3는 출력신호광을 통과시키는 소자로 입출력 포트의 삽입손실은 각각 1.2dB, 1.73dB 이다. 그리고 상기 포트2 - ＞ 포트1과 포트3 -＞포트2의 아이솔레이션(isolation)은 모두 40dB 이상으로 기존의 구조에서 입출력단에 사용하던 아이솔레이터(isolator)의 기능을 포함하므로 별도의 아이솔레이터를 사용할 필요가 없다.

그리고 본 발명의 결과를 도 1에 도시된 Normal Single Forward EDFA와 비교하기 위하여 펌프 LD(210)는 파장이 980nm이고, 기존구조와 같은 파워인 120mW로 고정하였으며, 신호광과 같은 방향인 순방향 펌핑으로 하였다. WDM(220)은 Fused Type 이며, 사용된 EDF는 고 알루미늄도핑(High Al-doped ) EDF이고, 어븀 농도는 290ppm으로 5m를 사용하였다.

상기의 구성에 의거하여 본 발명의 동작을 설명하기로 한다. 먼저 입사된 신호광은 서큘레이터(200)의 포트1 -＞ 포트2를 지나 WDM(220)에서 펌프광과 결합된 후 EDF(230)로 들어가서 1차로 증폭되고, 증폭된 신호광은 커플러(240)에서 50:50으로 갈라진 후 한바퀴 회전하여 다시 합해진다. 루프미러를 통해 되돌아온 신호광은 다시 EDF(230)를 지나서 증폭된 후 서큘레이터(200)의 포트2 -＞ 포트3을 통해 최종 출력된다.

본 발명에서 EDFA의 특성을 측정하기 위해 사용된 입력신호광의 세기는 -30dBm이고 펌프광의 파장은 980nm로 그 세기는 120mW로 고정하였다. 측정된 데이터는 Normal Single forward EDFA와 비교하기 위하여 WDM 등의 광소자는 같은 제품을 사용하였고 EDF도 동일한 제픔으로 길이가 같게 하였다. 입력 신호광의 파장은 1530nm - 1560nm 사이에서 5nm 간격으로 측정하였고, 그 결과는 Normal EDFA와 비교하기 위하여 도 3에 함께 나타내었다. 도 3에서 알아 볼 수 있듯이 1530nm - 1560nm 파장범위에서 루프미러 방식을 이용한 EDFA가 기존의 Single forward 펌핑방식을 이용한 EDFA보다 전체적으로 소신호 이득이 높고 파장에 다른 이득차이도 13dB에서 6dB로 작음을 알 수 있다. 특히 1560nm에서는 7dB 이상 더 높은 소신호 이득을 얻을 수 있었다.

한편 필터(도시안됨)를 루프미러 역할을 하는 상기 커플러(240) 내부 또는 상기 어븀도핑광섬유(230)과 상기 커플러(240) 사이에 위치하게 하여, ASE(Amplified Spontaneous Emission)를 차단하게 하여 보다 높은 소신호 이득을 얻을 수 있다. 그리고 상기 광섬유증폭기의 이득을 더욱 평탄화시키기 위해서는, 이득이퀄라이저(gain equalizer, 도시안됨)를 상기 루프미러 역할을 하는 상기 커플러(240) 내부 또는 상기 광섬유증폭매질과 상기 커플러 사이에 위치하게 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 1550nm 용 50:50 커플러를 루프미러로 사용하여 1530nm - 1560nm 전 파장 영역에서 높은 소신호 이득을 얻을 수 있다.

그리고 파장에 따른 이득차이도 같은 길이의 EDF를 사용한 기존의 방법에 비해서 현저히 줄일 수 있다.

또한 본 발명에서 사용한 EDFA의 구조인 루프미러 방식은 더블패스방법(double pass method)이므로 기존의 single pass method 에 비해서 신호광이 EDF를 두 번 지나감으로 EDF의 길이를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한 장거리 전송에서 EDFA의 이득이 크면 클수록 증폭기 사이의 간격을 크게 할 수 있어 주어진 거리에서 사용되는 증폭기의 수를 줄일 수 있으므로 보다 경제적이며, 증폭기의 수를 줄일 수 있으므로 증폭기에서 발생할 수 있는 에러 확률을 줄일 수 있다.

Claims

입사된 신호광을 증폭하는 광섬유증폭기에 있어서,

상기 입사신호광을 증폭하기 위해 펌핑용 광을 인가하는 펌프 레이저다이오드;

상기 입사신호광과 상기 펌프 레이저다이오드에서 출력되는 펌프광을 하나의 광섬유로 결합시키는 파장분할멀티플렉서;

상기 파장분할 멀티플렉서로부터 인가되는 광신호를 상기 펌프 레이저 다이오드의 펌핑용 광으로 증폭하며, 상기 증폭된 신호광이 귀환되어 재입사되는 귀환신호광도 증폭하는 광섬유증폭매질;

상기 광섬유증폭매질을 지나면서 증폭된 신호광을 루프미러 형태로 귀환시켜 다시 상기 광섬유증폭매질로 보내며, 루프미러 형태로 부착된 커플러;

상기 파장분할 멀티플렉서의 앞단에 위치하여, 상기 입사신호광을 받아들여 상기 파장분할멀티플렉서로 전달하며, 상기 광섬유증폭매질을 통해 증폭된 귀환신호광이 상기 파장분할멀티플렉서를 통과할 때 상기 통과한 최종 신호를 출력하는 서큘레이터; 및

상기 커플러 내부 또는 상기 광섬유증폭매질과 상기 커플러 사이에 위치하며 ASE(Amplified Spontaneous Emission)를 차단하는 필터를 포함함을 특징으로 하는 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기.
제1항에 있어서,

루프미러 역할을 하는 상기 커플러 내부 또는 상기 광섬유증폭매질과 상기 커플러 사이에 위치하며, 상기 광섬유증폭기의 이득을 평탄화하는 이득이퀄라이저(gain equalizer)를 더 구비함을 특징으로 하는 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기.
제1항에 있어서, 상기 광섬유증폭매질은

어븀도핑 광섬유임을 특징으로 하는 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기.
제1항에 있어서, 상기 커플러는

1550nm 용 50:50 커플러임을 특징으로 하는 높은 소신호 이득을 갖는 광섬유증폭기.