KR20030028661A - 광대역용 광섬유 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1530∼1560nm와, 1570∼1600nm대역의 광대역 입력광을 동시에 증폭시켜 출력할 수 있는 광대역용 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

본 발명에서는, 입력광의 단파장 대역을 증폭하는 제1 증폭 수단, 상기 제1 증폭 수단으로부터 인가되는 증폭광을 파장 대역별로 분리하여 장파장대역 광은 제1 출력단으로 출력하고, 단파장대역 광은 제2 출력단으로 출력하는 파장분할수단, 상기 파장분할수단의 제1 출력단과 결합되어, 상기 제1 출력단으로부터 인가되는 장파장대역 광을 소정 레벨 증폭하여 출력하는 제2 증폭 수단, 상기 제2 출력단으로부터 인가되는 단파장대역 광과 상기 제2 증폭 수단으로부터 인가되는 장파장 대역광을 결합하여 출력하는 파장결합수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기가 제공된다.

이로 인해, 광분리 소자의 결합으로 인한 결합손실이 감소되어 증폭이득을 향상시킬 수 있으며, 광대역에서의 증폭이득이 평탄화 된 특성을 나타낸다.

Description

광대역용 광섬유 증폭기 {Optical Fiber Amplifier}

본 발명은 광대역용 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세히는 1530nm∼1560nm와 1570nm∼1600nm 대역의 광대역 입력광을 동시에 증폭시켜 출력할 수 있는 광대역용 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

일반적으로 광통신 시스템은 하나의 전송 선로를 통해 파장이 각기 다른 광신호를 동시에 전송함으로써, 선로의 전송 효율을 높일 수 있는 파장분할다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing, 이하 WDM 이라 함)기술을 이용하여 주로 1530nm∼1560nm 대역의 신호광을 예컨대 0.8nm 정도의 간격을 두고 전송하도록 구성된다. 이때, 광통신 시스템은 원할한 원거리 신호 전송을 위해 광섬유 증폭기를 이용하여 신호광을 증폭시켜 전송하게 된다.

그러나, 통신 기술이 점차 발전되면서 상기한 파장대역, 즉, 1530nm∼1560nm의 단파장 대역만을 통한 신호전송 용량의 한계를 가져오게 되었으며, 이에 따라 보다 넓은 신호대역을 확보하기 위한 노력이 시도되었다.

그 결과, 최근에는 1530nm∼1560nm의 단파장 대역과 1570nm∼1600nm의 장파장 대역을 신호대역으로 이용하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 이러한 광대역의 광신호 전송을 수행하는 광통신 시스템을 구성하기 위해 광대역, 즉,1530nm∼1560nm의 단파장 대역과 1570nm∼1600nm의 장파장 대역의 광을 동시에 증폭시키기 위한 광대역용 광섬유 증폭기가 개발되고 있는 추세이다.

도 1a와 도 1b는 일반적인 광섬유 증폭기의 내부 구성을 도시한 블록 구성도이다.

도 1a 및 도 1b를 보면, 펌핑용 레이저 다이오드(2)로부터 출력되는 펌핑광은 아이솔레이터(isolator, 1)로부터 인가되는 광(S)과 파장분할 다중화기(3)에서 결합된 후 광증폭광섬유(EDF : Erbium Doped Fiber, 4)로 입력된다. 이후, 광증폭 광섬유(4)는 광증폭 광섬유(4)에 도우핑(doping)되어 있는 희토류(rare-earth)이온을 여기시켜 소정 파장의 유도 광자를 발생시키게 되고, 이 때 발생된 유도 광자가 광(S)에 유입됨으로써, 해당 광(S)이 증폭되어 출력된다.

이때, 광증폭 광섬유(4)에서 증폭되는 파장별 특성은 광증폭 광섬유(4)의 길이 및 펌핑광 레벨에 따라 달라지는데, 일반적으로 단파장대역용 광증폭 광섬유(6)는 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이, 1530nm∼1560nm 대역에서 비교적 높은 증폭 특성을 나타내며, 장파장 대역용 광증폭 광섬유(7)는 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이, 1570nm∼1600nm 대역에서 높은 증폭 특성을 나타낸다.

따라서, 근래에는 입력된 광을 커플러를 통해 단파장과 장파장 대역별로 분리하고, 분리된 광을 단파장용 광섬유증폭기과 장파장용 광섬유증폭기를 통해 각각 분리한 후, 증폭 처리된 단파장 광신호와 장파장 광신호를 커플러를 통해 결합하여 출력하는 광대역 광섬유 증폭기가 제안된다. 즉, 단파장용 광섬유증폭기와 장파장용 광섬유증폭기가 병렬 결합된 구조를 갖는 광대역 광섬유 증폭기가 제안되고 있다.

그러나, 상기 광대역 광섬유 증폭기는 입력되는 광을 커플러를 통해 분리한 후 파장별 증폭처리를 함으로써, 입력 광에 대한 커플러 삽입 손실이 발생하게 되며, 이는 결과적으로 입력광의 증폭이득을 감소시키는 원인으로 작용한다.

또한, 증폭 이득이 감소된 상태에서 커플러를 통한 단파장 증폭광과 장파장 증폭광을 결합하는 경우에는 신호파장 대역간 결합손실, 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 단파장 광증폭 광섬유에서 출력되는 증폭광의 장파장 대역광과 장파장 광증폭 광섬유에서 출력되는 증폭광의 단파장 대역광이 상호 영향을 미치게 됨으로써, 광대역 전송신호 대역에서의 소정 대역, 즉 도 3의 (α)와 (β)대역을 광신호 전송대역으로 이용하지 못하게 된다.

또한, 상기한 광통신 시스템은 광신호의 전송처와 수신처 사이에 다수의 광섬유 증폭기가 설치되게 되는 바, 광섬유 증폭기로부터 출력된 증폭이득이 파장에 따라 다른 경우에는 전송처와 수신처간의 통신 경로에 따라 각 파장별 신호광이 광섬유 증폭기를 통과하면서 점차 다른 이득을 갖게 된다. 따라서, 수신처에 수신되는 수신광은 그 파장에 따라 비교적 큰 크기의 이득차이를 갖게 되고, 이는 국가간의 데이터 전송과 같이 초장거리 전송시에 크게 발생하여 실질적으로 다파장의 신호광을 이용하여 데이터를 전송하는 것은 불가능해진다.

따라서, 각 신호대역, 즉, 1530nm∼1560nm의 단파장 대역과 1570nm∼1600nm의 장파장 대역에서의 각 파장별 증폭이득이 평탄한 특성을 갖는 광대역 광섬유 증폭기가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 광대역의 입력 광신호에 대해 1차 증폭을 수행하고, 1차 증폭된 광신호에서 장파장대역의 광신호만을 분리 증폭시킴으로써, 광대역용 광섬유증폭기의 증폭 효율을 향상시킬 수 있는 광대역용 광섬유 증폭기를 제공함으로 목적으로 하고 있다.

또한, 광대역의 입력 광신호에 대해, 평탄한 증폭 이득특성을 갖는 광대역용 광섬유 증폭기를 제공함을 목적으로 하고 있다.

도 1a와 도 1b는 일반적인 광섬유 증폭기의 내부 구성을 도시한 블록 구성도,

도 2는 도 1에 도시된 광증폭 광섬유의 증폭 특성을 도시한 그래프도,

도 3은 기존의 광대역용 광섬유 증폭기의 출력 증폭 특성을 도시한 그래프도,

도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광대역용 광섬유 증폭기의 내부 구성을 도시한 블록 구성도,

도 5a는 도 4에 도시된 제1 증폭부의 다른 구성 예를 도시한 도면,

도 5b는 도 4에 도시된 제2 증폭부의 다른 구성 예를 도시한 도면,

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 광대역용 광섬유 증폭기의 증폭특성 실험 과치를 나타낸 그래프도,

도 8a와 도 8b는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광대역용 광섬유 증폭기의 내부 구성을 도시한 블록 구성도,

도 9는 도시된 브래그 격자 필터의 투과 특성을 나타낸 도면이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 제1 증폭부 20 : 제2 증폭부

30 : 제1 커플러 40 : 제2 커플러

50 : 써큘레이터 60 : 브래그격자필터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광대역용 광섬유 증폭기는,

입력광의 단파장 대역을 증폭하는 제1 증폭 수단;

상기 제1 증폭 수단으로부터 인가되는 증폭광을 파장 대역별로 분리하여 장파장대역 광은 제1 출력단으로 출력하고, 단파장대역 광은 제2 출력단으로 출력하는 파장분할수단;

상기 파장분할수단의 제1 출력단과 결합되어, 상기 제1 출력단으로부터 인가되는 장파장대역 광을 소정 레벨 증폭하여 출력하는 제2 증폭 수단; 및

상기 제2 출력단으로부터 인가되는 단파장대역 광과 상기 제2 증폭 수단으로부터 인가되는 장파장 대역광을 결합하여 출력하는 파장결합수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기가 제공된다.

또한, 상기 제1 증폭 수단은 입력광의 단파장대역 증폭이득을 평탄화시켜 출력하는 것을 특징으로 한다.

즉, 상기한 바에 의하면, 1차 증폭된 입력광을 파장 대역별로 분리하여 장파장대역에 대해 2차 증폭을 수행하도록 함으로써, 광분리소자의 결합으로 인한 결합손실을 감소시켜 증폭이득을 향상시킬 수 있으며, 1차 증폭이득을 평탄화시키도록 하여 광대역에서의 증폭이득이 평탄화 된 특성을 갖는 광대역용 광섬유 증폭기가 제공된다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 일 실시 예에 따른 광대역용 광섬유 증폭기에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광대역용 광섬유 증폭기의 내부 구성을 도시한 블록 구성도이다. 도 4를 보면, 광대역용 광섬유 증폭기는 단파장대역 광을 증폭하기 위한 제1 증폭기(10) 및 장파장대역 광을 증폭하기 위한 제2 증폭기(20)가 소정의 파장 분할 수단인, 예컨대 제1 커플러(30) 및 제2 커플러(40)를 통해 직렬 결합된 것을 특징으로 한다.

제1 증폭기(10)는 아이솔레이터(11)를 통해 제1 파장분할다중화기(13)로 입력되는 광대역의 입력광(S)과, 제1 펌핑용레이저다이오드(12)로부터 제공되는 펌프광을 인가하고, 상기 제1 파장분할다중화기(13)를 통해 입력광(S)과 펌프광을 제1 광증폭광섬유(14)로 송출하도록 구성된다.

이 때, 상기 제1 광증폭광섬유(14)는 입력된 펌핑광에 따라, 광대역 입력광 (S) 중, 단파장대역 광을 소정 레벨 증폭하여 제1 커플러(30)로 출력하게 된다.

한편, 제1 커플러(30)는 제1 광증폭광섬유(14)로부터 인가되는 입력광을 소정 파장대역별로 분리하여 제2 커플러(40) 및 제2 증폭기(20)로 각각 출력한다.즉, 제1 커플러(30)는 입력광에서 1530nm∼1560nm의 단파장대역 광은 제2 커플러 (40)로 출력하고, 1570nm∼1600nm의 장파장대역 광은 제2 증폭기(20)로 출력한다.

이 때, 제1 증폭기(10)는 단파장대역 광을 증폭시킴에 있어, 장파장대역 광도 소정 레벨 증폭시켜 출력하게 되는 바, 광선로와 제1 커플러(30)의 결합으로 발생되는 입력광에 대한 삽입 손실을 소정 레벨 보상받게 된다.

한편, 상기 제2 증폭기(20)는 제1 커플러(30)로부터 제21 파장분할다중화기 (22)에 인가되는 입력 광신호와, 제21 펌핑용레이저다이오드(21)로부터 인가되는 펌핑광을 인가하며, 제21 파장분할다중화기(22)는 인가된 장파장대역의 입력광신호와 펌핑광을 장파장 대역용 제2 광증폭광섬유(23)로 출력하도록 구성된다.

이때, 상기 제2 광증폭광섬유(23)의 일단은 제21 파장분할다중화기(22)와 결합되고, 그 타탄은 제22 파장분할다중화기(25)와 결합된다. 이로 인해, 상기 제22 파장분할다중기(25)는 제2 광증폭광섬유(23)로부터 인가되는 장파장대역 광은 아이솔레이터(26)로 출력하고, 제22 펌핑용레이저다이오드(24)로부터 인가되는 펌핑광은 제2 광증폭광섬유(23)로 역방향 인가함으로써, 장파장 대역 광신호의 이득만을 증폭시킨다.

한편, 상기 아이솔레이터(26)는 제22 파장분할다중화기(25)부터 인가되는 장파장대역 광을 제2 커플러(40)로 출력하는 바, 제2 커플러(40)는 상기 제1 커플러 (30)로부터 인가되는 단파장대역 증폭광과 제2 증폭기(20)로부터 인가되는 장파장대역 증폭광을 합성하여 광대역의 출력광을 출력한다.

이 때, 제2 증폭기(20)는 제1 증폭기(10)를 통해 소정 레벨 증폭된 장파장대역 광을 증폭함과 더불어, 제2 광증폭광섬유의 양단으로 펌핑광을 제공하도록 함으로써, 입력광신호의 장파장대역광을 바로 증폭하는 구성에 비해, 장파장대역광의 증폭 효율이 향상된다.

또한, 상기 제2 증폭기(20)는 제21 및 제22 펌핑용레이저다이오드(21, 24)의 펌핑광의 레벨과 제2 광증폭광섬유의 길이를 조절함으로써, 장파장대역에서 그 출력이득특성이 평탄한 특성을 갖도록 한다.

한편, 제1 증폭기(10)도 단파장대역에서 그 출력이득이 평탄한 특성을 갖도록 구성하여 실시할 수 있는 바, 도 5는 도 4에 도시된 제1 증폭기의 다른 내부 구성을 도시한 블록 구성도이며, 도 6은 도 4에 도시된 제2 증폭기의 다른 내부 구성을 도시한 블록 구성도이다.

도 5를 보면, 제1 증폭기(도 4의 10)는 제1 광섬유증폭기(14)로부터 출력되는 1차 증폭광을 아이솔레이터(15)를 통해 이득평탄화필터(16)로 인가함으로써, 1 차 증폭된 단파장대역 입력광의 증폭레벨을 평탄화하게 된다.

이때, 상기 이득평탄화필터(16)는 단파장대역 입력광에 대해, 그 증폭이득이 평탄화되도록 소정의 이득감쇠기능을 수행함으로써, 특정 파장의 신호레벨을 근거로 하여 다른 단파장의 신호레벨을 감쇠시키거나, 단파장 대역의 신호레벨이 기 설정된 신호 레벨이 되도록 증폭이득을 감쇠시킨다.

이후, 이득평탄화필터(16)로부터 출력되는 이득평탄화된 1차 증폭광은 제11 펌핑용 레이저 다이오드(17)로부터 제공되는 펌핑광과 함께 제11 파장 분할 다중화기(18)로 인가되며, 제11 파장 분할 다중화기(18)는 인가되는 입력광과 펌핑광을제11 광증폭광섬유(19)로 인가한다. 이후, 제11 광증폭광섬유(19)는 입력광, 특히 단파장 대역광을 소정 레벨 증폭한 후, 제1 커플러(30)로 출력한다.

따라서, 입력광을 1차 증폭한 단파장대역의 증폭광을 평탄화시킨 후, 다시 증폭시키도록 함으로써, 단파장대역 증폭광의 증폭이득을 향상시킴과 더불어 이득특성 또한 평탄화된다.

그리고, 제1 증폭기에서의 입력광에 대한 이단 증폭 수행은 제2 증폭기로 인가되는 장파장대역 광의 신호레벨을 높이게 되는 효과가 있으며, 이로 인해, 장파장대역 광의 증폭 효율도 향상된다.

도 6과 도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 이득 평탄화 기능을 갖는 제1 증폭기를 포함하여 구성된 광대역용 광섬유 증폭기의 증폭특성을 도시한 그래프도이다.

도 6을 보면, 입력광의 신호레벨이 -12.5dBm인 경우의 제2 커플러의 출력광특성으로서, 도시된 바와 같이, 단파장 대역과 장파장 대역에서 평탄한 이득특성을 나타낸다.

도 7을 보면, 광대역의 입력광에 대한 이득과 잡음지수특성을 나타낸 것으로서, (X)는 파장별 이득특성을, (Y)는 잡음지수특성을 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역용 광섬유 증폭기는 입력광에 대해, 평균이득 22dB와 잡음지수 6dB이하를 가지며, 특히, 약 63nm대역에서 1dB이내의 평탄한 이득특성을 갖게 된다.

또한, 본 발명에 따른 광대역용 광섬유 증폭기는 현재의 신호전송대역인 1530nm∼1560nm대역과 1570nm∼1600nm대역보다 더 넓은 대역인 1530nm∼1562nm대역과 1570nm∼1600nm대역에서 평탄한 이득특성을 갖게 된다.

도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광대역용 광섬유 증폭기의 내부 구성을 도시한 블록 구성도이다. 도 8을 보면, 제1 증폭부(10)를 통해 단파장대역 입력광이 증폭되며, 증폭된 입력광은 써큘레이터(50)로 인가된다.

써큘레이터(50)는 제1 증폭부(10)로부터 인가되는 증폭광을 브래그 격자 필터(60)로 송출하며, 브래그 격자 필터(Bragg Grating Filter, 60)로부터 인가되는 반사광은 제2 증폭부로 출력하도록 구성된다.

이때, 상기 브래그 격자 필터(60)는 도 9에 도시된 바와 같이, 1530nm∼1560nm대역 광을 투과시키는 특성이 있어, 써큘레이터(50)로부터 인가되는 광대역 광 중, 제1 증폭부(10)에 의해 증폭된 단파장대역 광은 제2 커플러(40)로 출력하고, 장파장대역 광은 써큘레이터(50)로 반사시킨다.

즉, 제1 증폭부(10)를 통해 증폭된 단파장대역 광은 써큘레이터(50) 및 브래그 격자 필터(60)를 통해 제2 커플러(40)로 출력되는 반면, 제1 증폭부(10)를 통해 증폭된 장파장대역 광은 브래그 격자 필터(60)에 의해 반사되어 써큘레이터(50)와 결합된 제2 증폭부(20)로 인가됨으로써, 장파장대역 광이 증폭되어 제2 커플러(40)의 입력으로 인가된다.

다시 말하면, 1차 증폭된 입력광을 광소자인 써큘레이터 및 브래그 격자 필터를 통해 파장대역별로 분리함으로써, 커플러를 이용한 광섬유 증폭기에 비해, 광 삽입 손실을 감소시켜 증폭이득을 향상시킬 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 입력광에 대해 단파장대역 위주의 1차 증폭을 수행하고, 1차 증폭된 입력광을 파장대역별로 분리하여 장파장대역 광에 대해 2차 증폭을 수행한 후, 1차 증폭된 단파장대역 광과 2차 증폭된 장파장대역 광을 합성함으로써, 소자 결합으로 인한 입력광의 삽입 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 입력광에 대한 증폭이득을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 1차 증폭이득을 평탄화시킴으로써, 광대역에서의 증폭이득이 평탄화 된 특성을 나타낼 수 있는 효과가 있다.

또한, 단파장대역과 장파장대역간의 상호 결합 손실을 감소시켜 가이드밴드 영역을 줄임으로써, 넓은 신호대역의 확보가 가능해지는 효과가 있다.

또한, 입력광에 대한 1차 증폭 시, 입력광에 대한 증폭이득을 평탄화시킨 후 2차 증폭을 수행함으로써, 광대역에서의 이득평탄화된 광섬유 증폭기를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 입력광의 단파장 대역을 증폭하는 제1 증폭 수단,

   상기 제1 증폭 수단으로부터 인가되는 증폭광을 파장 대역별로 분리하여 장파장대역 광은 제1 출력단으로 출력하고, 단파장대역 광은 제2 출력단으로 출력하는 파장분할수단,

   상기 파장분할수단의 제1 출력단과 결합되어, 상기 제1 출력단으로부터 인가되는 장파장대역 광을 소정 레벨 증폭하여 출력하는 제2 증폭 수단,

   상기 제2 출력단으로부터 인가되는 단파장대역 광과 상기 제2 증폭 수단으로부터 인가되는 장파장 대역광을 결합하여 출력하는 파장결합수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 파장분할수단은,

   상기 제1 증폭 수단 및 상기 제2 증폭 수단과 직렬 결합된 파장분할 제1커플러와 파장분할 제2 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 파장분할수단은,

   상기 제1 증폭 수단으로부터 인가되는 증폭광을 제1 입출력단으로 출력하고, 상기 제1 입출력단으로부터 인가되는 광을 상기 제2 출력단으로 출력하는 써큘레이터,

   상기 써큘레이터의 제1 입출력단 및 상기 제2 증폭 수단과 결합되어, 상기 써큘레이터로부터 인가되는 단파장대역 광을 상기 써큘레이터의 제1 입출력단으로 반시키는 브래그 격자 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 증폭 수단은 입력광 중, 단파장대역 광의 증폭이득을 평탄화하여 출력하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 증폭 수단은,

   펌핑광과 입력광을 하나의 전송로로 송출하는 제1 파장분할다중기,

   상기 제1 파장분할다중기로부터 인가되는 입력광을 소정 레벨 증폭하는 제1 광증폭광섬유,

   상기 제1 광증폭광섬유로부터 출력되는 증폭광의 이득을 평탄화시키기 위한 이득 평탄화 필터,

   상기 이득 평탄화 필터로부터 인가되는 광과 펌핑광을 하나의 광선로로 출력하는 제11 파장분할다중화기 및,

   상기 제11 파장분할다중화기로부터 인가되는 광을 소정레벨 증폭하는 제11 광증폭광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기.
6. 제1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 제2 증폭 수단은,

   상기 파장분할수단으로부터 인가되는 장파장대역 광과 소정의 펌핑광을 하나의 전송로로 출력하는 제21 파장분할다중화기,

   상기 제21 파장분할다중화기로부터 인가되는 장파장대역 광을 소정 레벨 증폭하여 출력하는 제2 광증폭광섬유,

   상기 제2 광증폭광섬유의 출력단에 결합되어, 상기 소정의 펌핑광을 제2 광증폭광섬유로 역방향 인가함과 더불어, 상기 제2 광증폭광섬유로터 인가되는 장파장대역 증폭광을 상기 파장분할수단으로 출력하는 제2 파장분할다중화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광대역용 광섬유 증폭기.