KR100395430B1 - 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치 - Google Patents

라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치에 관한 것으로서, 그 목적은 라만 광섬유 증폭기와 반도체 광증폭기를 결합한 하이브리드 광증폭기의 크기를 줄이고, 제조가격을 낮추도록 패키지화하고, 충분한 이득, 낮은 잡음지수와 새로운 증폭대역을 쉽게 얻을 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 목적은 라만광증폭수단과 반도체 광증폭수단을 결합하는 하이브리드 광증폭기에 있어서, 라만광증폭을 위해 레이저를 발생 조사하는 레이저다이오드칩과, 입사하는 신호광은 통과시키고 상기 레이저다이오드칩으로부터 조사된 레이저광은 상기 입사 신호광의 역방향으로 조사하는 파장분할 다중화부와, 상기 파장분할 다중화부로부터 조사된 광신호를 증폭하는 반도체 광증폭칩이 광섬유없이 직접연결되고, 상기 레이저다이오드칩, 파장분할 당중화부 및 반도체 광증폭칩을 하나로 패키지화 한것을 특징으로 한다.

Description

라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치 {Hybrid apparatus of Raman fiber amplifier and semiconductor optical amplifier}
본 발명은 광통신용 광증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 광증폭기 칩과 라만 광증폭기용 레이저칩을 한 개의 칩으로 패키지(package)화하도록하므로서, 가격을 낮추고 크기를 현저히 축소시키도록 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치에 관한 것이다.
최근 급증하는 광통신 용량에 대처하기 위하여 기간 통신망의 대용량화와 가입자 수준까지의 광섬유 연결에 대한 개발이 활발하다. 이러한 시스템에서 광증폭기는 장거리 전송 또는 부품의 삽입등으로 발생되는 손실을 보상해주기 위해 매우 중요한 장치이다.
이와 같은 광증폭기로는 에르븀첨가 광섬유증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier : 이하 "EDFA"라 약칭함)가 주로 사용되고 있으며, 현재 사용 가능대역이나 크기, 가격면에서 보다 우수한 새로운 광증폭기에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 광증폭기로는 반도체 광증폭기, 라만 광섬유증폭기, 그리고 이들을 동시에 사용하는 하이브리드 광증폭기가 있다.
여기서, 반도체 광증폭기는 크기가 작고 전력 소모가 작으면서 가격을 낮출 수 있는 가능성이 높으며, 증폭대역 조절이 용이하다는 장점이 있다. 그러나 출력이 낮고 잡음지수가 기존의 EDFA보다 나쁜 문제점이 있다.
현재, 수요가 많은 메트로 파장분할 (Wavelength Division Multiplexing : 히하 "WDM"라 약칭함) 광통신 시스템에의 사용을 위한 연구가 제한적으로 시작되었으나 출력과 잡음지수 때문에 사용에 어려움이 많다.
또한, 라만 광섬유증폭기는 포설되어 있는 광섬유를 이득 매질로 사용하며 펌프 레이저 파장을 변화시킴으로써 증폭대역 조절이 용이한 있다. 특히 기존의 EDFA와 연결하여 사용하게 되면 이득을 증가시키면서, 유효 잡음지수를 낮추어 더먼 거리로의 전송을 가능하게 한다.
그러나, EDFA와 같이 다른 증폭기와 함께 사용하지 않고, 라만 광섬유증폭기만을 사용하는 경우 충분한 이득, 즉 20 dB 이상을 얻기 위해서는 단일모드 광섬유로 1W 이상의 펌프광을 넣어야 하기에 실제로 단독으로 사용하기에는 어려운 점이 많다.
최근에 상기한 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier : 이하 "SOA"라 약칭함)와 라만 광섬유증폭기(Raman Fiber Amplifier : 이하 "RFA"라 약칭함)의 어려운 점을 해결하기 위하여 상기 두가지 증폭기를 결합한 하이브리드(Hybrid)형 광증폭기가 개발되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기를 결합한 하이브리드 형 광증폭기의 구성도로서, 전송용 광섬유(11)를 따라 전송 입사된 신호광은 RFA와 SOA를 결합한 하이브리드 광증폭기(20)를 통해 증폭한 후 아이솔레이터(31)로 전송한다.
하이브리드 광증폭기(20)에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
전송용 광섬유(11)를 통해 입사하는 신호광은 파장분할 다중화기(22)를 통해 역방향으로 진행하는 높은 출력의 라만광증폭용 레이저다이오드(21)에에 의해 나타나는 전송용 광섬유(11)내에서의 유도라만 산란현상에 의해 증폭된다. 이와 같이 역방향 펌핑 라만광증폭기에 의해 증폭된 신호는 제 1 아이솔레이터(23)를 통하여 SOA(24)에 입사되어 충분히 증폭되어 수십km를 진행하고 다음 단에서 다시 같은 작용을 반복하게 된다.
SOA(24)로 입사하기 전에 잡음이 거의 없는 상태로 증폭되기 때문에 SOA(24)에서 추가되는 잡음의 크기가 상대적으로 줄어들어 유효잡음지수는 낮아지게 된다. 이와 같은 방법으로 SOA(23)의 문제점인 낮은 이득, 출력을 라만 이득을 이용하여 높여주고, 다른 문제점이던 잡음지수를 낮추어 좋은 성능의 광증폭기로 작용할 수 있다. 이 경우 반도체 칩으로 만들어진 SOA와 또 다른 반도체칩을 사용한 펌프용 레이저다이오드(LD)를 사용하게 되어 시스템의 가격이 낮아질 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래기술은 반도체 칩을 광섬유에 패키지화하는 어려운 기술로 광섬유피그테일(pigtail)이 되어있는 SOA와 레이저다이오드 원가의 대부분을 패키지화하는데 소요되므로 전체적으로 가격을 낮추는데 한계가 있었다. 뿐만 아니라 각 부품이 짧지 않은 광섬유로 연결되며, 각 광섬유마다 광신호 입출력을 위한 렌즈가 필요하기 때문에 하이브리드 광증폭기의 전체크기가 커지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 라만 광섬유 증폭기와 반도체 광증폭기를 결합한 하이브리드 광증폭기의 크기를 줄이고, 제조가격을 낮추도록 패키지화하고, 충분한 이득, 낮은 잡음지수와 새로운 증폭대역을 쉽게 얻을 수 있도록 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기 결합구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치의 구성도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
101, 102 : 입, 출력 광섬유 200 : 하이브리드 광증폭기
201 : 레이저 다이오드칩
202, 203, 214, 218 : 제 1 내지 제 4 렌즈
210 : 이색성거울 212 : 아이솔레이터
216 : 반도체 광증폭칩
본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치는 라만광증폭수단과 반도체 광증폭수단을 결합하는 하이브리드 광증폭기에 있어서, 라만광증폭을 위해 레이저를 발생 조사하는 레이저다이오드칩과, 입사하는 신호광은 통과시키고 상기 레이저다이오드칩으로부터 조사된 레이저광은 상기 입사 신호광의 역방향으로 조사하는 파장분할 다중화부와, 상기 파장분할 다중화부로부터 조사된 광신호를 증폭하는 반도체 광증폭칩이 광섬유없이 직접연결되고, 상기 레이저다이오드칩, 파장분할 다중화부 및 반도체 광증폭칩을 하나로 패키지화한 것을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 입사된 광신호를 평행광으로 만들어주는 제 1 렌즈와, 상기 레이저다이오드칩으로부터 조사된 레이저를 평행광으로 만들어주는 제 2 렌즈와, 상기 반도체 광증폭칩의 전 후단에 입출력되는 광신호를 집광하는 적어도 제 3, 제 4 렌즈를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반도체 광증폭칩으로부터의 역광이 상기 파장분할 다중화부로 조사되지 않도록 방지하는 아이솔레이터를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이와 같이 이루어진 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치의 구성도로서, 전송용 광섬유(101)(102)와, 라만 광증폭용 레이저다이오드칩(201)과, 제 1 렌즈(202)를 통과한 입사 신호광은 통과시키고 상기 라만 광증폭용 레이저다이오드칩(201)으로부터의 레이저광은 입사 신호광과 역방향으로 조사하는 2색상거울(210)과, 라만 광증폭부와 반도체 광증폭부를 격리시키는 아이솔레이터(212)와, 상기 아이솔레이터(212)를 통과한 광신호를 증폭하는 반도체 광증폭칩(216)과, 상기 라만 광증폭용 레이저다이오드칩(201)에서 발생된 레이저광을 상기 이색성거울(210)로 조사하는 제 2 렌즈(203)와, 상기 아이솔레이터(212)로부터 전송된 광신호를 집광하여 상기 반도체 광증폭칩(216)에 조사하는 제 3 렌즈(214)와, 상기 반도체 광증폭칩(216)에서 출력되는 신호광을 광섬유에 입력시키기 위해 집광하는 제 4 렌즈(218)를 하나의 패키지로 구성한다.
여기서, 이색성거울(210)에 공급하는 라만 광증폭용 레이저광은 패키지화된 하이브리드 광증폭기(200)의 내부에 구성된 라만광증폭용 레이저다이오드(201)로부터 공급받거나, 외부로부터 제공받을 수 있도록 구성한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 작용을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 반도체 광증폭기의 문제점인 낮은 이득, 출력을 라만이득을 이용하여 높여주고 또 다른 문제점이던 잡음지수를 낮추어 좋은 성능의 광증폭기로 작용할 수 있고, 또한 여러 가지 기능을 가지면서도 기존의 통신용 레이저와 같은 패키지를 사용할 수 있기에 사용에 편리하며 광증폭기 가격도 대폭 낮출 수 있게된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치의 구성도로서, 하이브리드 광증폭기(200)는 제 1 내지 제 4 렌즈(202)(203)(214)(218), 레이저다이오드(201), 이색성거울(210), 아이솔레이터(212), 반도체 광증폭칩(216)을 하나로 패키지화하고, 그 입,출력단에접속된 광섬유(101)(102)를 통해 입사된 광신호를 증폭하도록 한다.
이와 같이 패키지화된 하이브리드 광증폭기(200)에 입사된 광신호는 제 1 렌즈(202)와 이색성거울(210)을 통해 아이솔레이터(212)에 입사된다.
이때, 라만광증폭용 레이저다이오드칩(201)에서 발생된 레이저는 제 2 렌즈(203)를 통해 이색성거울(210)에 입사되어 입사하는 신호광의 역방향으로 조사하게된다.
이색성거울(210)을 통해 아이솔레이터(212)에 입사된 광신호는 제 3 렌즈(214)를 통해 반도체 광증폭기(218)로 입력된다. 아이솔레이터(212)는 반도체 광증폭기(218)로부터의 역광을 방지하여 라만 광증폭부와 반도체 광증폭부를 격리시키도록 한다.
반도체 광증폭칩(216)을 통해 증폭된 광신호는 제 4 렌즈(218)를 통하여 하이브리드 광증폭기(200)에 접속된 광섬유(102)로 출력한다.
제 1 렌즈(202)와 이색성거울(210) 사이, 제 2 렌즈(203)와 이색성거울(210) 사이, 이색성거울(210)과 아이솔레이트(212)사이, 아이솔레이터(212)와 제 3렌즈(214)사이를 각각 광섬유를 사용하지 않고, 직접 광신호를 조사하여 전송하도록 한다.
또한, 라만광증폭용 레이저다이오드칩(201)은 하이브리드 광증폭기(200) 패키지 내부에 내장하여 라만광신호를 제공하거나, 패키지 외부로부터 라만 광신호를 공급하도록 한다.
한편, 파장분할다중(WDM : Wavelength Division Multiplexing) 네트워크에서채널의 수가 변함에 따라 광증폭기의 이득이 변하는 현상을 없애고 신호누화 현상을 해결하기 위해 이득고정 반도체 광증폭기가 개발되고 있다. 특히, 이득고정 반도체 광증폭기는 수직으로 레이저 공동(cavity)을 만들어 이득을 고정시키는 구조를 이용하였는데, 입력신호의 변화에도 이득변화와 과도현상(transient)이 전혀보이지 않는 좋은 특성을 보이고 있다.
또한, 최근에 연구되고 있는 반도체 양자점 광증폭기는 신호가 광증폭기를 여러 번 통과할 때 채널수가 변하더라도 이득변화와 과도현상이 거의 없으며 이득평탄성을 유지하는 특성이 있다.
본 발명의 광증폭 모듈에 단지 기존의 반도체 광증폭기 칩을 이러한 이득고정반도체 광증폭 칩이나 반도체 양자점 광증폭칩으로 바꾸어 정렬하면 채널수가 변할 수 있는 WDM 네트워크에서 아주 좋은 특성을 가진 광증폭모듈이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용 조건에 따라 아이솔레이터를 더 첨가할 수도 있고, 아이솔레이터를 제거할 수도 있으며, 입력신호와 출력신호를 감시하기 위한 탭 광섬유단을 추가할 수도 있다.
본 발명의 실시예에서 결합장치내에 위치한 라만광증폭용 레이저다이오드칩을 내장하지 않고 외부에서 광섬유로 연결할 수 있도록 제2렌즈(203)에서 집광되는 빛이 제3의 광섬유를 사용할 수 있다.
본 발명의 광증폭 모듈에 단지 기존의 반도체 광증폭기 칩을 이러한 이득고정반도체 광증폭 칩이나 반도체 양자점 광증폭칩으로 바꾸어 정렬하면 채널수가 변할 수 있는 WDM 네트워크에서 아주 좋은 특성을 가진 광증폭모듈이 될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로 파장이 서로 다른 복수개의 라만광증폭용 레이저다이오드칩을 사용하여 광증폭 이득값과 대역폭을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 파장이 다른 두 개의 라만 광증폭용 레이저다이오드칩에서 각각 조사된 레이저를 이색성 거울(도면에 미도시)을 사용하여 한 개의 평행광으로 만든 후 상기 이색성 거울(210)로 보냄으로 광증폭 이득값과 대역폭을 증가시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 아이솔레이터를 추가하거나 제거할 수 있으며, 탭 광섬유단을 추가할 수 있으며, 라만 광증폭용 레이저다이오드칩을 내장하지 않고 외부에서 광섬유로 연결할 수 있으며, 다수개의 레이저다이오드칩을 사용할 수 있는 등 다양한 변화가 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치는 라만 이득을 이용하여 출력을 높여주고, 잡음지수를 낮추어 성능을 높일 수 있으며, 이득 파장을 반도체의 에너지 갭을 조절함으로써, 반도체 광증폭기의 이득 대역을 손쉽게 바꾸고 펌프 레이저다이오드의 파장을 바꿈으로써 라만 광증폭 대역도 손쉽게 조절할 수 있어 기존의 'EDFA'나 희토류 첨가 광섬유증폭기가 증폭할 수 없는 대역에서 손쉽게 이득을 가질 수 있어 앞으로 통신용량이 증가하게 되면 새로운 대역에서 손쉽게 이득을 가질 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 라만광증폭수단과 반도체 광증폭수단을 결합하는 하이브리드 광증폭기에 있어서,
    라만광증폭을 위해 레이저를 발생 조사하는 레이저다이오드칩;
    입사하는 신호광은 통과시키고 상기 레이저다이오드칩으로부터 조사된 레이저광은 상기 입사 신호광의 역방향으로 조사하는 파장분할 다중화부; 및
    상기 파장분할 다중화부로부터 조사된 광신호를 증폭하는 반도체 광증폭칩이 광섬유없이 직접연결되고, 상기 레이저다이오드칩, 파장분할 다중화부 및 반도체 광증폭칩을 하나로 패키지화한 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파장분할 다중화부는 상기 입사하는 신호광은 통과시키고, 상기 레이저다이오드칩으로부터 조사된 레이저광은 상기 입사하는 신호광과 역방향으로 반사시키는 이색성(dichroic)거울인 것을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 반도체 광증폭기용 반도체칩은 이득고정 반도체광증폭칩또는 반도체 양자점 광증폭칩 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 입사된 광신호를 집광하는 제 1 렌즈;
    상기 레이저다이오드칩으로부터 조사된 레이저를 집광하는 제 2 렌즈; 및
    상기 반도체 광증폭칩의 전 후단에 입출력되는 광신호를 집광하는 적어도 제 3, 제 4 렌즈를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 광증폭칩으로부터의 역광이 상기 파장분할 다중화부로 조사되지 않도록 방지하는 적어도 하나 이상의 아이솔레이터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저다이오드는 상기 패키지화된 하이브리드 광증폭기의 외부에 구비함을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저다이오드에 부가하여, 상기 레이저다이오드와 다른 파장의 레이저광을 발생시키는 적어도 하나이상의 레이저다이오드;
    상기 각 레이저다이오드에서 발생된 광신호를 하나의 평행광으로 만들어 상기 파장분할 다중화부로 조사하는 이색성거울을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 패키지화된 하브리드 증폭기에 입출력단에 부가하여 입력신호와 출력신호를 감시하는 탭 광섬유단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라만 광섬유증폭기와 반도체 광증폭기의 결합장치.
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