KR19980079262A - 레이져, 광 증폭기 및 증폭방법 - Google Patents

레이져, 광 증폭기 및 증폭방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이져, 낮은 잡음 및 높은 이득을 갖는 광 증폭기, 및 증폭 방법에 관한 것으로서, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질은 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 크리스탈, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택되며, 상기 Er3+이온은 적어도 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위중의 한 파장으로 여기상태가 되고, 레이져 또는 광 증폭기에는 이 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질이 포함되어 있다. 또한, 광 증폭 방법은 상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 갖는 광 증폭기를 사용하여 광 증폭을 수행하여, 광 통신 분야내에 상기 광 증폭기가 적용될 수 있고, 상기 광 증폭 방법이 제공될 수 있는데, 상기 광 증폭기는 낮은 잡음 및 높은 이득을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

레이져, 광 증폭기 및 증폭 방법
본 발명은 레이저, 저잡음 및 고이득의 특성을 갖는 광 증폭기및 증폭방법에 관한 것이다.
최근 몇 년사이에 광통신 분야에 적용하기 위한 희토류로 도핑된 코어를 가지는 광섬유가 증폭 물질로서 제공되는 광 증폭기가 계속 개발되고 있다. 특히 에르븀(Er3+)이 도핑된 섬유 증폭기(EDFA)가 개발되었고, 또한 광통신 시스템에 EDFA를 보다 많이 적용하기 위한 개발 노력이 행해지고 있다.
최근 파장 분할 다중화(WDM)기술은 미래에 예측되는 통신 서비스의 변화에 대응하기 위해 광범위하게 연구되고 있다. WDM 기술은 전송량의 확대를 초래하는 이용가능한 전송물질의 효율적인 사용을 위해 파장을 다중화하는 시스템을 사용하는 광통신 기술이다. WDM 기술에 적용된 EDFA는 신호 파장에 대하여 증폭 이득의 변화가 적어야 한다. 그 이유는 다단 구성의 EDFA를 통과함으로써 일시적으로 증폭된 광신호중 전력 미분이 존재하여 사용되는 모든 파장에 따라 유지되는 일정한 특성으로 신호 전송을 실행하기 어렵기 때문이다. 따라서 최근 지정된 파장에 대하여 균일한 이득 영역을 보여주는 EDFA가 당업자에 의해 연구되고 있다.
가장 가능성 있는 EDFA로서 에르븀(Er3+)이 도핑된 플루오르화물 섬유 증폭기(F-EDFA)가 주목되고 있고, 이 플루오르화물 섬유는 Er3+의 호스트로서 사용된다. F-EDFA는 1.55㎛의 파장대에서 플루오르화물 유리내의 Er3+이온의4I13/2준위로부터4I15/2준위로의 천이에 의해 야기된 방출 스펙트럼으로 특징지워진다.
도 1은 F-EDFA의 통상적인 자연 진폭 방출(ASE)을 보여준다. 도 1은 또한 Er3+이 도핑된 실리카 유리 섬유(S-EDFA)의 ASE 스펙트럼을 보여준다. 도 1에 도시된 바와 같이, F-EDFA의 방출 스펙트럼(도면에서 실선)은 S-EDFA의 방출 스펙트럼(도면에서 사선)보다 넓다. 게다가 F-EDFA의 응답 곡선은 S-EDFA보다 완만하며, 상단에서 지정된 파장 영역내의 파장에 따른 급격한 부분이 없이 편평하다(1996년, M. 야마다외 다수의 IEE Photon. Techno. Lett., vol. 8, 882-884페이지). 게다가, 파장 분할 다중화는 다단 F-EDFA를 사용하여 실험이 실행되고, 실시예에 있어서는 980㎚ 펌프된 S-EDFA와 1480㎚ 펌프된 F-EDFA를 가지는 캐스캐이드(cascade) 구성이다(1996년, M. 야마다외 다수의 IEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, 620-622페이지).
이러한 개발 노력에도 불구하고, F-EDFA는 다음과 같은 이유 때문에 S-EDFA에서 관찰되는 것만큼 잡음지수(NF)를 줄일 수 없다는 문제를 가지고 있다.
도 2는 Er3+의 에너지 준위도이다. EDFA가 증폭 물질로서 실리카 광섬유를 사용할 때(즉, S-EDFA의 경우에) 광자 에너지는 1,100㎝-1의 값을 가지며, 이에 따라 4I13/2준위와4I15/2준위 사이의 적당한 반전 분포가 0.98㎛의 펌프 빛에 의해4I13/2로 여기된 후 보다 높은 에너지 준위로부터4I13/2로의 광자 방출 이완의 결과로 발생하는4I13/2의 효율적인 여기에 의해 형성될 수 있다(도 2의 (A)). 결과적으로 S-EDFA는 잡음지수(NF)를 양자 한계(3㏈)에 가까운 4㏈까지 줄일 수 있다. 반면에 F-EDFA는 낮은 광자 에너지 때문에4I15/2준위로부터4I11/2로의 천이를 사용하여4I13/2로의 여기를 실행할 수 없다. 다시 말하면, F-EDFA는 S-EDFA의 광자 에너지의 약 1/2인 500㎝-1의 광자 에너지를 가지며, 따라서4I11/2준위로부터4I13/2로의 광자 방출 이완을 초래하기 어렵고, 0.98㎛의 펌프 빛에 의해 증폭 이득을 얻기 어렵다. 따라서 이 경우에 1.55㎛의 파장에서 증폭 이득은 약 1.48㎛의 펌프 파장을 갖는 빛을 사용하여4I15/2준위로부터4I13/2로의 직접 여기함으로써 얻어진다(도 2의 (B)). 그러나, 이러한 종류의 여기는 보다 높은 에너지 준위로의 글랜드(gland) 에너지 준위의 초기 여기이며, 따라서 높은 NF를 발생하는 보다 높은 에너지 준위에서의 Er3+이온의 수가 보다 낮은 에너지 준위에서의 수를 초과하는 적당한 반전 분포를 형성하기 어렵다.
따라서 S-EDFA와 비교하여 적당한 잡음 특성을 갖는 종래의 F-EDFA는 구현되지 않았다.
도 1은 F-EDFA의 통상적인 자연 진폭 방출(ASE)을 도시하는 도면;
도 2는 종래의 S-EDFA(A)와 F-EDFA(B)에 대한 Er3+의 에너지준위도;
도 3은 파장과4I15/2준위와4I11/2준위사이의 에너지상태에 대한 흡수 또는 방출단면과의 관계를 도시하는 그래프;
도 4는 본 발명의 F-EDFA에 대한 Er3+의 에너지준위도;
도 5는 본 발명에 따른 Er3+가 도핑된 ZrF4플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기의 개략적인 블럭도;
도 6은 도 5의 Er3+가 도핑된 ZrF4플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기에 대한 펌프 파장과 신호이득 사이의 관계를 도시하는 그래프;
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광 증폭기의 개략블럭도;
도 8 의 (A),(B),(C) 및 (D)는 Er3+의 서로 다른 여기방식을 도시하는 본 발명의 레이저와 광 증폭기에 적용되는 Er3+의 에너지 준위도;
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광 증폭기의 개략 블럭도;
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 레이저의 개략 블럭도;
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 레이저의 개략 블럭도;
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광 증폭기의 개략 블럭도;
도 13은 펌프 파장과4S3/2준위의 여기밀도와의 관계를 도시하는 그래프;
도 14는 파장과4S3/2준위와4I13/2준위사이의 에너지상태에 대한 흡수 또는 방출단면과의 관계를 도시하는 그래프;
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 광학 도파관의 형태를 가진 광 증폭기의 주요부를 도시하는 사시도;
도 16은 Er3+이온중 상호작용에 관계되는 Er3+의 에너지준위도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 16 : 광 아이솔레이터 3, 5, 11, 12, 19 : 광원
4, 15 : 광 섬유 13, 14 : 광 커플러
17 : 공명 거울 110 : 코어부
111 : 클래딩부 112 : 기판부
본 발명의 목적은 종래의 F-EDFA의 상기와 같은 문제(즉, 높은 잡음지수)를 해결하고, 레이저, 저잡음, 고이득의 특성을 갖는 광 증폭기및 증폭 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 파장 중 한 파장의 빛으로 Er3+이온을 여기시키는 단계를 구비하고, 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납 베이스 유리중에서 광 증폭 물질을 선택하는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 사용하는 광 증폭 방법을 제공한다.
여기서 광 증폭 물질은 섬유 형태일 수도 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 갖는 광 증폭기에 있어서, 상기 광 증폭 물질은 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택되고, 상기 Er3+이온은 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 파장 중 한 파장의 빛에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
광 증폭 물질은 섬유 형태일 수도 있다.
광 증폭기는4I13/2준위로의 여기를 위한 광원을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 제 3 측면에 따르면, Er3+이온으로 도핑되고, 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택된 광 증폭 물질; 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 발진 파장으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 광원; 및4I13/2준위까지의 여기를 위한 광원을 갖는 광 증폭기를 이용하고, 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 발진 파장으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 상기 광원으로부터 상기 광 증폭 물질로 신호 빛을 방출하는 방향과 같은 방향으로 펌프 빛을 런치하는 단계; 및 상기 광 증폭 물질로4I13/2준위까지 여기 시키기 위한 상기 광원으로부터 상기 펌프 빛의 방출 방향과는 반대 방향으로 빛을 런치하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 방법이 제공된다.
여기서 광 증폭 물질은 섬유 형태일 수도 있다.
본 발명의 제 4 측면에 따르면, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질 및 상기 광 증폭 물질의 여기를 위한 펌프 광원을 가지며,4I13/2준위에서4I15/2준위까지 Er3+이온의 유도된 방출을 사용하고, 상기 광원엔 방출 빛의 파장이 다른 적어도 제1 광원 및 제2 광원이 포함되어 있으며; 상기 제1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하는 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져가 제공된다.
여기서, 상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공된다.
상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위 및4F9/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공된다.
레이져는 제3 광원을 더 구비하고, 상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I13/2준위,4S3/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되고; 상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며; 그리고 상기 제3 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공된다.
제 1 광원은 0.82㎛ 내지 0.88㎛의 파장에서 빛을 방출하는 광원으로서 제공될 수 있고,
제 2 광원은 0.96㎛ 내지 0.99㎛의 파장에서 빛을 방출하는 광원으로서 제공될 수 있다.
Er3+이온으로 도핑된 상기 광 증폭 물질은, Er3+이온으로 도핑된 플르오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 크리스탈 그룹에서 선택될 수 있다.
본 발명의 제 5 측면에 따르면, Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질; 상기 광 증폭 물질로 1.5㎛ 의 파장에서 신호 빛을 유도 및 절연하는 수단; 및 상기 광 증폭 물질의 여기를 위한 펌프 광원을 적어도 구비하고 있으며, 상기 펌프 광원에는 다른 파장에서 빛을 방출하는 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원이 적어도 포함되어 있고,
상기 제1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위 및4F9/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 광 증폭기는 제3 광원을 더 구비하고, 상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4S3/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되고; 상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며; 그리고 상기 제3 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공된다.
상기 제1 광원은 0.82㎛ 내지 0.88㎛ 의 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며, 상기 제2 광원은 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 의 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
상기 제2 광원은4I15/2준위와 Er3+이온의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공될 수 있다.
Er3+이온으로 도핑된 상기 광 증폭 물질은, Er3+이온으로 도핑된 플르오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 텔루르화물 섬유, 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 크리스탈의 그룹에서 선택될 수 있다.
본 발명의 제 6 측면에 따르면, 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하고,4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 적어도 한 빛,4I15/2준위와 상기 Er3+이온의 상기4I11/2준위보다 더 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 적어도 한 빛, 및 같은 방향으로 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭 물질내로4I13/2준위에서4I15/2준위까지 유도된 방출 천이에 의해 증폭될 적어도 한 빛을 런치하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
상기 신호 빛과는 다르며4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I15/2준위간의 에너
지 차이에 해당하는 파장에서 빛이 상기 같은 방향과는 다른 방향으로 상기 광 증폭 물질고 런치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 7 측면에 따르면, 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하고,4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛,4S3/2준위와 상기 Er3+이온의 상기4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛, 및 같은 방향으로 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭 물질내로4I13/2준위에서4I15/2준위까지 유도된 방출 천이에 의해 증폭될 빛을 런치하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기가 제공된다.
상기 신호 빛과는 다르며4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I15/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛이 상기 같은 방향과는 다른 방향으로 상기 광 증폭 물질고 런치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 8 측면에 따르면, 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하고, 0.82㎛ 내지 0.88㎛ 의 파장의 빛, 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 의 파장의 빛, 및 상기 같은 방향으로 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭 물질로4I13/2준위에서4I15/2준위까지 유도된 방출 천이에 의해 증폭될 빛을 런치하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 각각의 레이저, 광 증폭기및 증폭방법은 그라운드 준위로부터4I11/2준위로의 여기를 위해 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 파장인 적어도 하나의 펌프 빛을 적용하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 펌프 파장과4I15/2준위와4I11/2준위사이의 에너지상태에 대한 단면(도면에서, 실선은 흡수단면, 점선은 유도된 방출단면)과의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 약 980㎚의 파장영역에서 유도된 방출영역(점선)은 흡수단면영역(실선)보다 더 크게 되기 시작한다. 따라서.4I11/2준위로부터4I15/2준위로 유도된 방출 천이는4I15/2준위로부터4I11/2준위로의 흡수 천이에 비해 더욱 강하게 되어4I11/2준위로의 여기는 효과적으로 발생하지 않는다. 대안으로, 도 3에서 명백한 바와 같이4I11/2준위로의 여기는 980㎚보다 더 짧은 파장으로 펌프하는 것에 의해 효과적으로 달성될 수 있다. 이 경우에 있어서,4I11/2준위로부터4F7/2준위로의 펌프 ESA(여기된 상태의 흡수)가 일어날 가능성이 더욱 높다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같이4I13/2로의 여기는4F7/2준위를4I13/2준위로 이완시키는 단계에 의해 달성될 수 있다.
(제1 실시예)
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예중의 하나인 Er3+가 도핑된 ZrF4플루오르화물 섬유를 갖는 광 증폭기의 기본구성을 도시한다. 더욱 상세한 설명을 위해, 상기 섬유의 여기 스펙트럼(신호 이득에 따른 펌프 파장)이 도 6에 도시되어 있다.
광 증폭기는 2개의 광 아이솔레이터(1, 2), 펌프 광원(3) 및 광 아이솔레이터(1, 2)사이에 끼워진 Er3+가 도핑된 ZrF4플루오르화물 섬유를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 섬유(4)는 1㎛의 파장에서 잘려진 25㎛의 길이를 가지며, 코어내의 Er3+도핑 농도는 200ppm이다. 따라서, 이 실시예에 있어서 신호파장은 1530㎚, 입력신호 전력은 -30dBm 및 펌프 빛 전력은 60mW이다.
전술한 광 증폭기는 970㎚의 펌프 파장에서 최대 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 980㎚의 펌프 파장에서는 부정적인 이득이 관측된다. 이 파장은4I11/2준위로 여기하기 위해 사용된 종래의 파장이기 ㄸ문에 본 발명자들은 980㎚의 펌프 파장에서 상기 이득을 얻을 수 없다는 것을 인지하였다. 따라서, 960㎚ 내지 980㎚의 파장범위에서, 바람직하게는 약 970㎚가4I11/2준위로의 여기에 효과적이다.
상기 섬유(4)의 증폭 특성은 970㎚의 파장에서의 펌프 빛(즉, 광선(3)에 의해 섬유(4)의 상류 측면으로부터 섬유(4)내로 런치된 펌프 빛)을 사용하는 여기전송에 의해 조사되었다. 펌프 빛 전력이 132mW이면 1.53㎛의 파장에서 얻어진 이득은 30dB이며, 잡음 지수(NF)는 4.5dB이다. 또한, NF는 파장이 1.55㎛이면 3.5dB이다. 상기 섬유(4)가 1.48㎛의 파장을 갖는 펌프 빛에 의해 여기되면 NF는 5dB또는 그 이상의 1.55㎛에서의 NF에 관해 1.5dB로 되거나 또는 그 이상이다. 추가로, 본 발명자들은 펌프 빛이 960㎚ 내지 980㎚의 파장범위에 있을 때 1.48㎛에서의 여기와 비교하여 NF가 개선(감소)된다는 것을 확인하였다. 더우기, NF가 960㎚ 내지 980㎚ 범위의 2개 또는 그 이상의 파장을 사용하는 여기에 의해 개선되었다.
(제2 실시예)
제1 실시예와 유사한 광 증폭기가 본 실시예에 사용되었으며, 1530㎚ 내지 1560㎚의 서로다른 8개의 파장에서의 유도 WDM신호로 NF를 측정하였다. 광 증폭기내로 런치된 입력신호 전력은 1 파장당 -20dBm이다. 여기가 970㎚의 펌프 파장을 사용하는 150mW의 전체 펌프 빛 전력으로 실행되면 1530㎚ 내지 1560㎚의 파장범위에서의 WDM 신호를 유도하는 것에 의해 관측된 NF는 5dB 또는 그 이하이다.
(제3 실시예)
이 실시예에 있어서, 광 증폭기의 증폭특성은 아래 설명을 제와하고는 제2 실시예와 동일한 WDM 신호를 사용하여 평가하였다. 이 실시예에 있어서, 광 증폭기는 양자합성 펌프방법이 섬유(4)내로 서로 다른 펌프 빛을 런치하기 위해 사용된 것을 제외하고는 제1 실시예 및 제2 실시예와 동일하다. 상기 방법은 전방(즉, 신호광의 방향과 동일한 섬유(4)의 상류측면)으로부터 960㎚ 내지 980㎚의 파장범위의 펌프 빛을 공급하는 단계와, 후방(죽, 섬유(4)의 하류 측면)으로부터 1480㎚ 파장의 펌프 빛을 동시에 공급하는 단계로 이루어진다.
도 7은 광 증폭기의 구성을 도시하고 있다. 도 5의 광 증폭기의 구성과 비교하면,4I13/2준위로의 여기를 위해 광 증폭기내에 설치되고 Er3+가 도핑된 플루오르화물 섬유(4)의 하류 측면에 위치된 추가 광원(5)을 포함하고 있다. 전방용 펌프 빛 전력은 50mW이며, 후방용 펌프 빛 전력은 100mW내지 150mW의 범위이다. 추가로, 광 증폭기는 1530㎚ 내지 1560㎚에 대해 5dB 또는 그 이하의 NF를 나타내어 신호파장에 대해 2dB 또는 그 이하의 이득을 허용한다.
(제4 실시예)
전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예에는 그의 증폭 물질로써 Er3+가 도핑된 ZrF4플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기의 증폭 특성을 구하였다. 이 실시예에서는 광 증폭기를 제조하기 위한 Er3+의 호스트로써 ZrF4플루오르화물 섬유 대신에 칼로겐화물 유리 섬유, TeO2섬유 및 PbO 섬유의 그룹으로부터 선택된 섬유를 사용하하였다. 상기 섬유중의 하나를 갖는 광 증폭기는 이의 증폭특성을 구하기 위해 제1 실시예 내지 제3 실시예와 같은 실험을 실시하였다. 그 결과, 증폭 물질로써 전술된 섬유중의 하나를 갖는 광 증폭기는 5dB 또는 그 이하의 NF를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 제1 실시에 내지 제4 실시예는 Er3+의 호스트로써 사용된 플루오르화물과 같은 적외선 투명 섬유는 저잡음 증폭의 발생을 가능하게 하는4I11/2준위로의 여기에 의한 1.5㎛ 밴드의 증폭을 허용한다. 그 결과, 폭넓은 증폭대역과 저잡음을 갖는 광 증폭기를 얻을 수 있다. 따라서, 광 증폭기는 전송량을 증가시킬 수 있는 통신 시스템에 적용될 수 있으며, 광통신의 넓은 분산을 달성할 수 있는 시스템 구성의 다양화를 제공하며, 제조원가를 감소시킬 수 있다.
(제5 실시예)
이번 실시예의 광 증폭기는4I13/2준위와 펌프 빛 및 신호 빛에 부가하여 Er3+도핑된 섬유로 상위 준위간의 차이에 해당하는 제3 빛으로 적어도 하나의 빛을 안내하기 위해 구성되어 있다. 본 실시예에 인가될 Er3+이온의 에너지 준위는 도 8을 참고하여 자세하 설명하도록 하겠다. 도 8에서, 다른 에너지 준위로 Er3+이온의 여러 여기 방법을 설명하기 위해 (A) 에서 (D)가 도시되어 있다. 도면에서 볼 수 있듯이,4I11/2준위에서4I5/2준위까지 천이에 의한 펌프 빛의 펌프 여기 상태 흡수(펌프 ESA)는 Er3+이온이 0.98㎛ 펌프 빛에 여기될 때 발생하여, 그 결과4F11/2준위로 여기된다. 그러면4F7/2준위에서4S3/2준위로 포논 방출 이완(phonon emission relaxation)가 발생한다. 이것은 Er3+이온의 부분이4S3/2준위로 펌프되었음을 의미한다. 만일4S3/2준위에서4I13/2준위까지의 유도 방출이4S3/2준위와 증폭기로 인가된 0.85㎛ 파장의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 빛의 런치에 의해 발생한다면,4S3/2준위의 갯수 밀도는4I13/2준위의 여기상태 밀도가 증가할 수 있는 동안 감소될 수 있을 것이다. 또한, 도 8의 (A)에서 볼 수 있듯이, 광 증폭기의 이득 효율은4I15/2준위(즉, 하위 에너지 준위)을 얻는4I13/2준위(즉, 상위 에너지 준위)에서 Er3+이온 수의 역 갯수 밀도의 증가로 인해 향상될 수 있다. 에너지 준위는 펌프 ESA 가 도 8에 도시된 것 처럼,4S3/2준위 뿐만 아니라4I5/2준위 및 4F9/2준위인 (B),(C) 각 각에 의해 여기된다. 또한, 0.98㎛ 파장에서 바로 여기될4I11/2준위는 도 8의 (D)에서 볼 수 있듯이, 큰 여기 상태 밀도를 갖고 있다. 따라서,4I13/2준위의 여기상태 밀도는 0.85㎛의 파장 빛을 상기 섬유에 런치하는 경우처럼4I13/2준위와 1.65, 1.16, 또는 2.7㎛ 파장에 각 각 대응하는4I9/2,4F9/2또는4I11/2준위간의 에너지 차이가 있는 빛을 런치하여 증가될 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따라, 0.98㎛ 펌프 빛은 종래의 S-EDFA 에 일반적으로 사용될 수 있어서, 종래의 F-EDFA 의 증폭 및 이득에 비해 더 낮은 잡음 증폭 및 더 높은 증폭 이득을 실현하기 위해 인가될 수 있는 좋은 증폭 이득을 얻을 수 있다.
도 9는 본 실시예의 광 증폭기의 구조를 설명하는 블록 다이어그램이다. 이 도면에서, 참조번호 11 및 12 는 펌프 광원을 나타내고, 13 및 14 는 광 커플러를 나타내고, 15 는 Er3+도핑된 광 섬유를 그리고 16 은 광 아이솔레이터(optic isolator)를 나타낸다. 또한, 도면의 화살표는 신호의 입력과 출력을 각 각 나타낸다. 즉, 신호(레이져 발진)의 출력이 화살표 방향이다. 이번 실시예에서는, 광원(11)로서 0.98㎛ 발진의 반도체 레이져가 사용되고, 광원(12)로서는 0.85㎛ 발진의 반도체 레이져가 사용된다. 광원(11)에서 나온 펌프 빛과 광원(12)에서 나온 펌프 빛은 광 커플러(13)에서 같이 결합된다. 그러면 광 커플러(13)에서 결합된 펌프 빛은 광 커플러(14)에 의해 화살표(A) 방향으로 입력신호와 더 결합된다.
그러면 광 커플러(14)의 출력 빛은 ZrF4-BaF2-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-HfF4의 구성성분 유리로 된 10m 길이의 Er3+도핑된 광 증폭 섬유(15)로 런치된다. 이번 실시예에서, 상기 섬유(15)는 지름이 2.5㎛ 이고 파단 파장은 1㎛인 1000ppm Er3+으로 도핑된 섬유이다. 상기 증폭기에 0.98㎛ 파장의 200mW 전력 펌프 빛이 런치되는 경우에만 1.55㎛ 파장에서 5㏈ 이득이 얻어진다. 또한, 상기 증폭기에 0.85㎛ 파장의 50mW 전력 펌프 빛이 런치되는 경우에만 1.55㎛ 파장에서 30㏈ 이득이 얻어진다. 이 경우, 상기 증폭기는 NF 측정을 더 받아 4㏈ 의 NF 결과가 나오게 된다.
1.48㎛ 파장의 펌프 빛으로 본 실시예의 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유를 사용하는 광 증폭기의 NF 값이 측정되고, 이득이 1.55㎛ 파장에서 30㏈ 일 때 NF 는 6㏈ 가 된다. 1.48㎛ 파장의 여기에 의해 NF 의 이득을 얻기위한 본 실시예의 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유를 사용하여, 이득이 1.55㎛ 파장에서 30㏈ 일 때 NF 는 6㏈ 가 얻어진다. 또한, 본 실시예는 0.98㎛ 파장의 여기로 종래의 광 증록기에서는 얻을 수 없었던 30㏈의 높은 이득을 얻을 수 있다. 또한, 본 실시예는 1.48㎛ 파장의 여기에서 얻을 수 있던 감소와 비교하여 NF 의 약 20㏈ 감소를 얻을 수 있는데, 본 실시예의 0.97㎛ 펌프 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 증폭기는 0.98㎛ 펌프 S-EDFA 에서 얻어지는 값과 충분히 동일한 NF 값을 보여주고 있다.
(제6 실시예)
제5 실시예에서는 0.85㎛ 파장의 주입 빛을4S3/2준위에서4I13/2준위로의 천이에 해당하는 빛으로 사용했다. 반면에, 이번 실시예에서는, 2.7㎛ 파장 빛을4I11/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 빛으로 사용하는데, 0.98㎛ 파장에서 여기된4I11/2준위의 수를 바로 줄이는 것으로4I13/2준위의 수를 증가시킨 목적으로 YAG 레이져(12)로부터 증폭기로 런치되어4I11/2준위에서4I13/2준위까지 천이에 의해 유도 방출이 일어나게 된다. 이 경우, 0.98㎛ 펌프 빛의 이득과만 비교해 보면, 1.55㎛ 파장에서의 이득은 증가하고, NF 내에서는 감소하는 것이 관찰되었다. 대신, 반도체 레이져를 광원(12)로 사용하여 섬유로 1.16㎛ 파장의 빛을 런치하는 것으로 증폭기의 증폭 특성을 향상시킬 수 있었다.
(제7 실시예)
이번 실시예에서는 광원(즉, 반도체 레이져)로부터 1.65㎛ 파장의 빛을4I9/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 빛으로 사용한다.
이 경우, 0.98㎛ 여기만의 이득 및 NF 와 비교해 볼 때, 1.55㎛ 파장에서의 이득의 증가 및 NF 내의 감소가 관찰되었다.
제6 실시예 및 제7 실시예에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 광원(12)가 0.85, 2.7, 1.16 또는 1.65㎛ 파장의 주입 빛을 방출한다.4S3/2,4I9/2, 또는4I11/2준위에서4I13/2준위까지의 천이 에너지의 폭이 있게 된다. 따라서, 상기 광원(12)에서 런치된 에너지 폭의 주입 빛이 효과적이라는 것은 설명하지 않겠다.
사용가능한 광원(12)로는 반도체 레이져나 Er:YAG 레이져 등의 솔리드 스테이트 레이져를 선택하는 것 뿐만 아니라, 2.7㎛ 파장의 방출 빛의 소스로서 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 레이져 등의 섬유 레이져도 선택할 수 있다.
앞의4S3/2,4I9/2및4I11/2의 세 에너지 준위에 더하여,4I13/2준위보다 더 높은 에너지 준위와4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 에너지를 갖는 주입 빛으로 증폭기의 증폭 특성을 향상시킬 수 있다.
더욱이, 상기 더 높은 에너지 준위에서4I13/2준위까지 천이를 위한 빛은 한 가지 타입으로는 제한되지 않는다. 여러 파장의 다수의 빛 빔들이 상기 펌프 빛으로 동시에 증폭기로 런치되기도 한다. 펌프 빛은4I9/2준위보다 더 높은 에너지 준위로 직접 여기되는, 예를들어4I9/2준위에서4S3/2준위까지 직접 여기되는 원인이 되기도 한다.
(제8 실시예)
상기 제5 실시예 내지 제7 실시예에 있어서, Er3+도핑된 ZrF4-베이스 플루오르화물 섬유가 증폭 물질로 사용된다. 그런데, 0.98㎛ 펌프(4I11/2준위까지 여기)가 Er3+도핑된 ZrF4-AlF2베이스 플루오르화물 섬유, Er3+도핑된 InF3베이스 섬유, Er3+도핑된 칼코겐화물 유리 섬유, 및 Er3+도핑된 텔루르화물 유리 섬유중의 어느 하나가 증폭 물질로 제공된 증폭기에 적용되었을 때 1.55m의 이득을 얻는 것이 매우 어렵다고 알려져있다. 따라서 본 실시예에서는, 낮은 포논 에너지를 갖는 물질이 호스트로 사용되는 증폭 물질들중의 어느 하나를 본 발명에 따라서 효과적으로 사용할 수 있다.
또한,4I11/2준위보다 높은 에너지 준위까지 여기시키는 것이 0.98㎛까지는 제한되지 않는다. 이 여기는 0.8㎛ 펌프(4F9/2준위까지 여기)에 의해서도 도달될 수 있다. 이 경우, 1.55㎛ 파장에서 이득의 증가 및 NF의 감소는 0.8㎛ 펌프 빛을4I13/2보다 높은 준위로부터4I13/2준위까지의 천이 에너지에 해당하는 에너지를 갖는 부가적인 조사 빛(즉, 0.8㎛ 파장의 빛)과 동시에 조사함으로써 얻어진다.
(제9 실시예)
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예의 하나인 레이져의 개략적인 블록도이다. 상기 도면에서, 도면부호 11 및 12는 광원, 13은 빛 커플러, 17 및 17' 은 공명 거울을 나타내고, 18은 증폭 물질로서의 크리스탈을 나타낸다. 또한, 화살표는 신호 출력의 방향을 나타낸다. 증폭 물질로서 사용되는 크리스탈은 LaF3, BaF2, LaC13, 및 YF3등의 Er3+도핑된 할로겐화물 크리스탈중의 어느 하나이다. 본 실시예에서, 1.5㎛ 증폭 및 할로겐화물 크리스탈을 사용하는 레이져의 레이져 발진의 특성이 조사되었다. 그 결과, 높은 에너지 준위로부터4I13/2준위까지 유도 방출된 빛이 섬유에 0.8㎛ 및 0.98㎛ 파장의 펌프 빛과 함께 동시에 조사되었을때 이득의 증가 및 레이져 효율의 증가를 얻었다.
(제10 실시예)
도 11은 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 레이져의 개략적인 블럭도이다. 상기 도면에서, 도면부호 11 및 12는 광원, 13은 빛 커플러, 15는 증폭용 Er3+도핑된 광섬유를 나타내고, 17 및 17' 은 공명 거울을 나타낸다. 또한, 화살표는 출력(레이져 발진)의 방향을 나타낸다. Er3+도핑된 광섬유는, ZrF4-BaF2-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-HfF4의 유리 조성을 포함하고 도 11에 도시된 레이져에 인가되어, 파장 1.5㎛의 발진을 일으키도록 하기 위해 준비된다. 본 실시예에서, 0.98 및 0.85㎛ 파장의 광원이 펌프 광원(2,3)으로 사용되었다. 0.85㎛ 파장의 광원으로부터 빛의 통과가 차단될 때, 레이져 발진의 강도는 크게 감소한다.
(제11 실시예)
도 12는 본 발명의 다른 바람직한 실시예의 레이져의 개략적인 블럭도이다. 상기 도면에서, 도면부호 11 은 0.98㎛ 발진의 반도체 레이져로 구성된 광원, 12는 0.85㎛ 발진의 반도체 레이져로 구성된 광원, 13, 14, 14' 은 빛 커플러를 나타내고, 15는 증폭용 Er3+도핑된 광섬유를 나타낸다.
광원(11,12)로부터의 펌프 빛을 빛 커플러(13)에 의해 함께 결합한 후, 빛 커플러(13)에서 생성된 출력 펌프 빛은 도면에서 화살표에 의해 지시된 방향으로 입사되는 신호빛에 빛 커플러(14)에 의해 결합된다.
또한, 광원(19)로부터의 펌프 빛은 빛 커플러(14)를 통해 Er3+도핑된 광섬유(15)에 조사된다.
상기 Er3+도핑된 광섬유는 본 실시예에서 증폭 물질로 제공되고, 실시예 10에서와 동일한 유리 조성 즉, ZrF4-BaF2-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-HfF4의 조성을 갖도록 준비된다. 또한, 섬유(15)는 Er3+도핑된 농도가 1000ppm, 길이 10m, 2.5%의 높은 상대 굴절율 차이, 및 차단 파장이 1㎛이다. 파장 0.98㎛의 펌프 광원만이 섬유에 200mW로 조사될 때, 파장 1.5㎛에서의 이득은 5dB이다. 파장 0.85㎛의 펌프 빛이 섬유에 30mW로 조사될 때, 파장 1.55㎛에서의 이득은 15dB이다. 파장 1.85㎛의 펌프 빛에 더하여 파장 1.48㎛인 부가적인 펌프 빛이 조사될 때, 파장 1.55㎛에서의 이득은 40dB이다. 이 경우, 증폭기의 NF의 측정값은 3.8dB이다.
또한, 본 실시예의 Er3+도핑된 광섬유를 포함하는 증폭기의 NF가 또한 파장 1.48㎛에서의 여기에 의해 측정된다. 6dB의 NF가 파장 1.55㎛에서 이득이 40dB일때 얻어진다. 따라서, 본 실시예의 증폭기 구성에 의하면, 종래 0.98㎛ 펌프 증폭기에 의해서 얻을 수 없었던 높은 40dB 이득을 갖고 또한 NF의 감소가 1.48㎛ 펌프에 비해 적은 2dB 또는 그 이하인 증폭기를 제공할 수 있다. 본 발명자등은 본 실시예의 증폭기 NF가 0.98㎛ 펌프 S-EDFA의 NF와 실질적으로 같은 수준인 것을 확인했다.
(제12 실시예)
제11 실시예에서, 0.85㎛ 파장의 빛이4S3/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 빛으로 사용된다. 이에 비해 본 실시예에서는,4I11/2로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 빛이 광원(2)(즉, 광원으로 2.7㎛ 발진이 사용되는 ER:YAG 레이져)에서 섬유로 조사된다. 이 경우, 파장 1.55㎛에서의 이득의 증가 및 증폭기 NF의 감소가 관찰된다. 증폭기의 증폭 특성은 또한 파장 1.16㎛의 입사빛을 광원(12)으로 제공된 반도체로부터 증폭 물질로 조사함으로써 향상된다.
(제13 실시예)
제11 실시예에서, 0.85㎛ 파장의 빛이4S3/2준위에서4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 빛이 증폭기에 조사된다. 실시예 12에서는4I11/2로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 빛이 광원(12)으로부터 증폭기에 조사된다. 이에 비해 본 실시예에서는,4I9/2로부터4I13/2준위까지의 천이에 해당하는 1.65㎛ 파장의 빛이 광원(12)(반도체 레이져)으로부터 증폭기에 조사된다. 이 경우, 1.55㎛의 파장에서의 이득의 증가 및 NF의 감소가 관찰되었고, 이는 0.98㎛ 여기 자체의 이득 및 NF와 비교된다.
상기 제11 실시예 내지 제13 실시예에 있어서, 광원(12)은 0.85, 2.7, 1.16 또는 1.65㎛ 파장의 입사빛을 방출한다.4S3/2,4I9/2또는4F9/2또는4I11/2준위로부터4I13/2준위까지의 천이 에너지 폭이 있음을 알 수 있다. 따라서 말할 필요도 없이 에너지 폭이 있는 입사빛을 광원(12)로부터 조사하는 것이 효율적일 수 있다.
광원(12)은 Er:YAG 레이져등의 반도체 레이져 또는 솔리드 스테이트 레이져뿐만아니라 Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 레이져등의 섬유 레이져중에서 2.7㎛ 파장의 빛을 방출하는 광원을 선택할 수 있다.
또한, 상기 세 개의 에너지 준위 :4S3/2,4I9/2및4I11/2을 위해,4I13/2준위보다 높은 다른 에너지 준위(도시되지 않음)가 있다. 따라서, 높은 에너지 준위와4I13/2준위 사이의 에너지 차에 해당하는 에너지를 갖는 입사빛에 의해 증폭기의 증폭 특성은 개선될 수 있다.
또한, 높은 에너지 준위로부터4I13/2준위까지 천이에 해당하는 빛의 수는 한 형태로 제한되지 않는다. 파장이 다른 복수의 빛이 펌프 빛과 함께 동시에 증폭기에 조사될 수 있다. 펌프빛은4I9/2준위보다 높은 에너지 준위, 예를 들면4F9/2준위 및4S3/2준위까지 직접 여기시키기 위한 것일 수 있다.
(제14 실시예)
본 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 두 개의 광원(11,12)을 갖는 광 증폭기가 준비되고, 여기서 광원(11)은 0.97㎛ 파장에서 발진하는 반도체 레이져이고 광원(12)는 0.85㎛ 파장에서 발진하는 반도체 레이져이다. 광원(11,12)에서 나오는 빛을 빛 커플러(13)에 의해 결합한 후, 빛 커플러(13)로부터의 출력 펌프빛은 다른 빛 커플러(14)를 통과하여 도면에서 화살표(A)에 의해 지시되는 방향으로 빛고립기(도시 안함)로부터 제공된 입사 신호빛과 결합된다. 그 후, 빛 커플러(14)로부터의 출력 펌프빛은 증폭되기 위해 Er3+도핑된 광섬유(15)에 조사된다.
상기 Er3+도핑된 광섬유(15)의 유리 조성은 ZrF4-BaF3-LaF3-YF3-AlF3-PbF2-LiF-NaF-HfF4의 조성이고, 그 코어는 1000ppm의 Er3+으로 도핑된다. 또한, 섬유(10)는 길이 10m, 코어부분과 피복부분의 굴절율 차이가 2.5%이고 차단 파장이 1㎛인 것이 준비된다. 본 실시예에서, 전력 10mW 파장 0.85㎛인 부가적인 빛이 0.97㎛ 펌프 빛과 함께 동시에 섬유에 조사될 때 40dB의 이득을 얻을 수 있다. 이 경우, 3.8dB의 NF가 얻어진다.
본 실시예의 증폭 시스템은 다음 단계를 포함하는4I13/2준위까지의 여기 과정: 4I15/2준위가4I11/2준위까지 여기되고 그 후4I11/2준위가4F7/2준위까지 여기되는 2단계 여기; 및4S3/2준위로부터4I13/2준위까지의 유도 천이과정을 이용한다. 따라서, 효율적으로 처음에 상기 2단계 여기과정을 실행하여4I13/2준위까지의 도달하기 위해 적당한 펌프 파장이 선택되어야 한다.
도 13은 펌프 파장을 이동시킴에 의한4S3/2준위의 여기 밀도 변화를 나타낸다. 도면에 도시된 결과는4S3/2준위로부터4I11/2준위까지의 천이시 증폭기의 방출강도를 변화시킴으로써 얻어진다. 도 13에 도시된 바와 같이, Er3+도핑된 플루오르화물 섬유는 960 nm 내지 980 nm 범위의 펌프 파장에서 효율적으로4S3/2준위까지 여기될 수 있고, 특히4S3/2까지 높은 효율의 여기는 약 969 nm 펌프 파장에서 얻어진다.
4S3/2준위부터4I13/2준위까지의 유도 방출에 해당하는 빛을 위해, 펌프 파장은 0.82㎛ 부터 0.88㎛까지 선택되며, 이는4S3/2준위부터4I13/2준위까지 천이 방출교차 부분이 도 14에 도시된 바와 같기 때문이다. 파장 범위가 0.98㎛ 부터 0.88㎛일때 유도 방출 교차부분은 흡수 교차부분보다 크고, 따라서4S3/2준위부터4I13/2준위까지 효율좋은 유도방출은 상기 범위내의 파장의 빛을 이용하여 얻을 수 있다.
(제15 실시예)
본 실시예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, Er3+도핑된 플루오르화물 섬유 증폭기(F-EDFA)가 제5 실시예(도 9 참조)의 F-EDFA에서 사용된 광원(11,12)에 더하여 제 3 광원(19)을 설치함으로써 준비된다. 또한, 부가적인 빛 커플러(14')가 빛 아이솔레이터(16) 대신 사용되고 제3 광원에 연결된다. 따라서, 다른 펌프 빛이 Er3+도핑된 섬유(5)에 F-EDFA의 다운스트림 부분안의 빛 커플러(14')를 통해 조사된다. 또한 본 실시예에서, 펌프 파장 1.48㎛의 빛이 사용된다. 따라서, 본 실시예의 F-EDFA는, 큰 신호가 F-EDFA에 조사된 경우 고출력과 저잡음 특성(NF)을 얻기 위해,4I13/2준위까지의 직접 여기를 실행하기 위한 1.48㎛ 파장에서의 부가적인 여기를 도입하도록 구성된다.
Er3+도핑된 실리카 섬유를 사용한 경우, 증폭기(즉, Er3+도핑된 실리카 섬유 증폭기: S-EDFA)는 고출력 및 저잡음 특성(NF)을 나타내는 특성을 가지며, 파장 0.98㎛의 펌프빛을 업스트림에서 섬유로 조사하는 수단으로 구성될 수 있다. Er3+도핑된 플루오르화물 섬유를 사용하는 경우, 반대로, 두 개의 다른 파장 0.97 및 0.855㎛의 펌프 빛 빔이 동시에 섬유로 조사되어 파장 0.97㎛인 펌프 빛만을 섬유로 조사함으로써 발생하는4I13/2준위까지 여기 효율의 연속적인 감소를 방지한다.
15dB 또는 그 이상의 증폭 이득 및 5dB 또는 그 이하의 NF는 상기 범위내의 파장에서, 섬유로 조사된 0.97㎛ 펌프 빛의 펌프 전력이 100mW이고 섬유로 조사된 0.85㎛ 펌프 빛의 펌프 전력이 20mW 일때 여기를 실행함으로써 얻어진다. 신호 빛 입력은 광 증폭기(도 13에 도시 안함)를 통해 실행된다. 따라서, 본 실시예에 따른 여기 방법은 F-EDFA의 증폭 특성을 개선하므로 저잡음이고 고출력 특성을 갖는 증폭기를 구성하는데 효과적이다.
(제16 실시예)
도 15는 본 발명에 따른 빛 도파관 형태의 광 증폭기의 주요 구성부분의 사시도이다. 도면에서, 도면부호 110은 코어부, 111은 클래딩부, 112은 기판부를 나타낸다. 본 실시예에서, 코어부 및 클래딩부는 플루오르화물 유리로 만들어진다. 또한, 코어부(110)는 Er3+100 중량%로 도핑된다.
본 실시예에서, 파장 1.48㎛인 빛과 파장 0.86㎛인 빛으로 이루어진 복합 빛이 코어부(110)로 조사된다. 코어부(110)의 Er3+도핑된 농도가 증가하면, 상기 농도의 증가에 비례하여 플루오르화물 유리내 Er3+간의 거리 감소에 기인한 전기 다이폴 상호작용에 의해 에너지 이동이 일어난다.
도 16은 Er3+이온간의 상호작용을 고려한 Er3+이온의 여기상태를 설명하는 Er3+이온의 에너지 준위를 나타낸다. 파장 2.48㎛ 의 펌프 빛이4I13/2준위까지 여기하기 위해 조사되면, 공동 업-변환(cooperative up-conversion)이4I13/2준위부터4I15/2준위까지 천이와4I13/2준위부터4I9/2준위까지 여기에 의해 일어난다.4I9/2준위까지 여기 후,4I9/2준위부터4I11/2준위까지의 안정화가 복수의 빛자 방출에 의해 일어나고, 그 결과4I11/2준위까지 여기된다. 그러면,4I11/2의 여기상태 밀도는 증가하고 계속해서 공동 업-변환이4I11/2준위부터4I15/2준위까지의 천이와4I11/2준위부터4F7/2준위까지의 여기에 의해 일어난다. 그 결과,4F7/2준위까지 여기된다. 마지막으로,4S3/2및4F9/2와 같은 에너지 준위까지의 여기가 얻어질 수 있고, 상기 준위들은 파장 1.48㎛인 펌프 빛에 의해서는 직접 여기되지 않는다. 따라서,4I13/2준위까지의 여기 효율은 감소하고, 파장 1.55㎛에서 빛 증폭을 일으킬 확률은 실질적으로 사라진다. 본 실시예에 의하면, 증폭기는4I13/2준위의 여기상태 밀도를4S3/2준위부터4I11/2준위까지의 유도방출을 일으킴으로써 증가시키도록 구성된다.
그 결과, 1.48㎛ 펌프 전력이 150mW이고 0.86㎛ 펌프 전력이 20mW일때, 30dB 증폭이득이 1.55㎛에서 얻어진다. 1.48㎛ 펌프전력이 사용되면, 적절한 증폭 이득이 얻어지지 않는다. 따라서, 0.8㎛ 파장의 입사 빛은 증폭 효율에 큰 영향을 나타낸다.
또한 본 실시예에서,4S3/2준위부터4I13/2준위까지의 유도 여기를 일으키는 빛이 증폭기에 조사된다. 전술한 바와 같이, 에너지 준위4F9/2,4I9/2, 및4I11/2가 여기되므로 파장 1.48㎛의 펌프 입사 빛에 더하여 상기 에너지 준위부터4I13/2준위까지 유도방출을 일으키는 빛을 증폭기에 조사함으로써 증폭효율이 개선된다.
(제17 실시예)
빛 도파관 형태의 증폭기는 다음 사항을 제외하고는 도 14에 도시된 실시예 16과 동일한 구성이다. 즉, 코어 및 클래딩부는 텔루르화물 유리로 만들어진다. 또한, 코어부는 Er3+-20중량%로 도핑된다. 그 후, 상기 특성을 갖는 증폭기의 동작특성을 고찰하여 다음 결과를 얻었다. 빛 도파관 재료로 텔루르화물 유리를 사용한 경우, 에너지 준위 4S3/2,4F9/2,4I9/2, 및4I11/2등이 Er3+이온 농도가 높을때 Er3+이온간의 상호작용을 통해 여기된다. 따라서,4I13/2준위까지의 여기는, 이전 준위에 해당하는 빛을 증폭기내로 조사함에 의한 상기 에너지 준위부터4I13/2준위까지의 유도방출의 결과로 인해 효과적으로 실행된다. 본 실시예에서, 파장 0.875㎛의 빛이 1.48㎛ 펌프 빛과 동시에 조사된다. 그 결과, 1.48㎛ 펌프 전력이 150m이고 0.875㎛ 펌프 전력이 20mW일 때, 파장 1.55㎛에서 30dB 증폭이득이 얻어진다. 1.48㎛ 펌프 전력만이 사용된 경우, 적절한 증폭 이득이 얻어지지 않는다. 따라서, 파장 0.875㎛ 입사 빛은 증폭효율에 큰 영향을 준다.
본 실시예에서, 1.48㎛ 펌프 빛 및 0.875㎛ 펌프 빛은 동일 방향으로부터 빛 도파관내로 조사된다. 그러나, 이들은 반대 방향으로부터 조사될 수 있다.
(제18 실시예)
빛 도파관 형태의 빛 증폭기는, 코어 및 클래딩부가 실리카 유리로 만들어지고 코어부분이 Er3+1중량%로 도핑된 점을 제외하면, 도 15에 도시된 제16 실시예 및 제17 실시예의 광 증폭기와 동일한 구성이다.
상기 구성의 증폭기의 동작 특성을 고찰하여 다음 결과를 얻었다. 빛 도파관 재료로 실리카 유리를 사용한 경우, 에너지 준위4S3/2,4F9/2,4I9/2, 및4I11/2등은 Er3+이온 농도가 높을때 Er3+이온간의 상호작용을 통해 여기된다.
따라서,4I13/2준위까지의 여기는, 이전 준위에 해당하는 빛을 증폭기내로 조사함에 의한 상기 에너지 준위부터4I13/2준위까지의 유도방출의 결과로 인해 효과적으로 실행된다. 1.48㎛ 펌프 전력만이 사용된 경우, 적절한 증폭 이득이 얻어지지 않는다. 따라서, 파장 0.875㎛ 입사 빛은 증폭 효율에 큰 영향을 준다.
전술한 바와 같이, 제5 실시예 내지 제18 실시예의 광 증폭기 및 레이져는 펌프빛용으로 다른 파장의 제1 및 제2 광원을 갖는 것이 특징이다. 또한, 제1 광원은 에르븀의4I13/2준위와4I13/2준위보다 더 높은 에너지 준위간의 에너지 차에 해당하는 파장의 빛을 방출하기 위한 것이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 플루오르화물 섬유(본 기술분야의 당업자가 부적절한 물질이라고 생각하는)와 같은 적외선-투과 섬유가 Er3+의 호스트로 사용된 경우, 저잡음 증폭을 가능하게 하는 0.98㎛ 펌프에 의해 1.55㎛ 대역의 증폭을 할 수 있게 한다.
그러므로, 넓은 증폭대역 및 저잡음 평탄 이득 특성을 갖는 광 증폭기가 얻어진다.
따라서, 얻어진 광 증폭기는 통신시스템에 적용되어 전송 볼륨을 증가시키고, 다양한 시스템 형태를 제공하여 빛 통신망을 넓게 분포시킬 수 있고 제조비용을 크게 감소시킬 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질은 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 크리스탈, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택되며, 상기 Er3+이온은 적어도 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위중의 한 파장으로 여기상태가 되고, 레이져 또는 광 증폭기에는 이 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질이 포함되어 있다. 또한, 광 증폭 방법은 상기 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 갖는 광 증폭기를 사용하여 광 증폭을 수행하여, 광 통신 분야내에 상기 광 증폭기가 적용될 수 있고, 상기 광 증폭 방법이 제공될 수 있어서, 상기 광 증폭기는 낮은 잡음 및 높은 이득을 가질 수 있다.

Claims (25)

  1. 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 파장 중 한 파장의 빛으로 Er3+이온을 여기시키는 단계를 구비하고,
    플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납 베이스 유리중에서 광 증폭 물질을 선택하는 것을 특징으로 하는 Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 사용하는 광 증폭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 증폭 물질은 섬유 형태인 것을 특징으로 하는 광 증폭 방법.
  3. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질을 갖는 광 증폭기에 있어서,
    상기 광 증폭 물질은 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택되고,
    상기 Er3+이온은 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 파장 중 한 파장의 빛에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 증폭 물질은 섬유 형태인 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    4I13/2준위 여기를 위한 광원을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  6. Er3+이온으로 도핑되고, 플루오르화물 유리, 칼코겐화물 유리, 텔루르화물 유리, 할로겐화물 결정, 및 산화납 베이스 유리중에서 선택된 광 증폭 물질; 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 발진 파장으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 광원; 및4I13/2준위까지의 여기를 위한 광원을 갖는 광 증폭기를 이용하고,
    0.96㎛ 내지 0.98㎛ 범위의 발진 파장으로 상기 Er3+이온을 여기시키는 상기 광원으로부터 상기 광 증폭 물질로 신호 빛을 방출하는 방향과 같은 방향으로 펌프 빛을 런치하는 단계; 및 상기 광 증폭 물질로4I13/2준위까지 여기 시키기 위한 상기 광원으로부터 상기 펌프 빛의 방출 방향과는 반대 방향으로 빛을 런치하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 빛 증폭 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광 증폭 물질은 섬유 형태인 것을 특징으로 하는 빛 증폭 방법.
  8. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질 및 상기 광 증폭 물질의 여기를 위한 펌프 광원을 가지며,4I13/2준위에서4I15/2준위까지 Er3+이온의 유도된 방출을 사용하고,
    상기 광원엔 방출 빛의 파장이 다른 적어도 제1 광원 및 제2 광원이 포함되어 있으며; 상기 제1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하는 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위 및4F9/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져.
  11. 제 8 항에 있어서,
    제3 광원을 더 구비하고,
    상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I13/2준위,4S3/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되고;
    상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며; 그리고
    상기 제3 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 0.82㎛ 내지 0.88㎛ 의 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며, 상기 제2 광원은 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 의 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 레이져.
  13. 제 8 항에 있어서,
    Er3+이온으로 도핑된 상기 광 증폭 물질은, Er3+이온으로 도핑된 플르오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 크리스탈 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 레이져.
  14. Er3+이온으로 도핑된 광 증폭 물질;
    상기 광 증폭 물질로 1.5㎛ 의 파장에서 신호 빛을 유도 및 절연하는 수단; 및
    상기 광 증폭 물질의 여기를 위한 펌프 광원을 적어도 구비하고 있으며,
    상기 펌프 광원에는 다른 파장에서 빛을 방출하는 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원이 적어도 포함되어 있고,
    상기 제1 광원은 상기 Er3+이온의4I13/2준위와 상기4I13/2준위보다 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위,4I9/2준위,4F9/2준위, 및4S3/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위 및4F9/2준위 그룹에서 선택된 한 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  17. 제 14 항에 있어서,
    제3 광원을 더 구비하고,
    상기 제1 광원은4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4S3/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되고;
    상기 제2 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며; 그리고
    상기 제3 광원은4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 광원은 0.82㎛ 내지 0.88㎛ 의 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되며, 상기 제2 광원은 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 의 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2 광원은4I15/2준위와 Er3+이온의4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛을 방출하기 위한 광원으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  20. 제 14 항에 있어서,
    Er3+이온으로 도핑된 상기 광 증폭 물질은, Er3+이온으로 도핑된 플르오르화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 칼코겐화물 섬유, Er3+이온으로 도핑된 텔루르화물 섬유, 및 Er3+이온으로 도핑된 할로겐화물 크리스탈의 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  21. 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하고,
    4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 적어도 한 빛,4I15/2준위와 상기 Er3+이온의 상기4I11/2준위보다 더 높은 에너지 준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 적어도 한 빛, 및 같은 방향으로 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭 물질내로4I13/2준위에서4I15/2준위까지 유도된 방출 천이에 의해 증폭될 적어도 한 빛을 런치하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 신호 빛과는 다르며4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I15/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛이 상기 같은 방향과는 다른 방향으로 상기 빛 증폭 물질로 런치되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  23. 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하고,
    4I15/2준위와 상기 Er3+이온의4I11/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛,4S3/2준위와 상기 Er3+이온의 상기4I13/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장의 빛, 및 같은 방향으로 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭 물질내로4I13/2준위에서4I15/2준위까지 유도된 방출 천이에 의해 증폭될 빛을 런치하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 신호 빛과는 다르며4I13/2준위와 상기 Er3+이온의4I15/2준위간의 에너지 차이에 해당하는 파장에서 빛이 상기 같은 방향과는 다른 방향으로 상기 빛 증폭 물질로 런치되는 것을 특징으로 하는 광 증폭기.
  25. 증폭 능동 소자로서 Er3+이온을 사용하고,
    0.82㎛ 내지 0.88㎛ 의 파장의 빛, 0.96㎛ 내지 0.98㎛ 의 파장의 빛, 및 상기 같은 방향으로 상기 Er3+이온으로 도핑된 증폭 물질로4I13/2준위에서4I15/2준위까지 유도된 방출 천이에 의해 증폭될 빛을 런치하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 빛 증폭 방법.
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