KR100201009B1 - Oscillating loop for optical control of erbium doped optical fiber amplifier gain - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에 사용하기 위한 발진루프에 관한 것이다. 본 발명의 발진루프는 에르븀 첨가 광섬유; 상기 에르븀 첨가 광섬유에서 증폭된 자연방출광의 일부를 파장선택적으로 에르븀 첨가 광섬유로 귀환시키고, 발진광이 신호광과 함께 출력단으로 나오는 것을 차단하는 두 가지 기능을 함께 수행하기 위한 반사형 필터 수단; 상기 반사형 필터 수단에서 반사되어 뒤돌아 오는 발진광을 분할하기 위한 신호광 출력단측의 제1광섬유 결합기; 루프 경로; 및, 상기 루프 경로를 따라 뒤돌아 온 발진광을 다시 에로븀 첨가 광섬유로 입사시키기 위한 신호광 입력단측의 제2광섬유 결합기를 포함하여 구성된다. 본 발명의 발진루프는 간단하고 저렴한 구성으로 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 증폭 이득을 입력 신호광의 파워 변화나 펌프광의 파워 변화에 무관하게 일정한 값으로 안정하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 저속 변조된 신호의 증폭시에 파형 왜곡을 최소화할 수 있다.The present invention relates to an oscillation loop for use in a gain controlled erbium-doped fiber amplifier. The oscillation loop of the present invention is an erbium-doped optical fiber; Reflective filter means for returning a part of the natural emission light amplified by the erbium-doped optical fiber to the erbium-doped optical fiber and performing both functions of preventing the oscillated light from coming out of the output terminal together with the signal light; A first optical fiber combiner at the signal light output end side for dividing the oscillation light reflected by the reflective filter means and returned; Loop paths; And a second optical fiber coupler at the signal light input end side for injecting the oscillated light returned along the loop path back into the erbium-doped optical fiber. The oscillation loop of the present invention can not only stably control the amplification gain of an erbium-doped fiber amplifier with a simple and inexpensive configuration at a constant value irrespective of power change of input signal light or power change of pump light, and amplification of a low speed modulated signal. Waveform distortion can be minimized at time.
Description
제 1도는 발진 루프가 없는 종래의 광섬유 증폭기의 기본 구성도이다.1 is a basic configuration diagram of a conventional optical fiber amplifier without an oscillation loop.
제 2도는 본 발명의 발진루프를 포함하는 이득 제어형 광섬유 증폭기의 기본 구성도이다.2 is a basic block diagram of a gain control optical fiber amplifier including the oscillation loop of the present invention.
제 3도는 본 발명의 발진루프를 구성하는 광섬유 격자 또는 유전체 박막 필터의 반사 및 투과 특성을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing the reflection and transmission characteristics of the optical fiber grating or dielectric thin film filter constituting the oscillation loop of the present invention.
제 4도는 본 발명에 따른 발진루프의 기본 구성도이다.4 is a basic configuration of the oscillation loop according to the present invention.
제 5도는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 입력 신호광의 파워 변화에 따른 이득 변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing a change in gain according to a change in power of an input signal light in an erbium-doped fiber amplifier.
제 6도는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 저속 변조된 광신호를 증폭시킨 경우의 출력 파형을 나타내는 사진이다.6 is a photograph showing an output waveform when the erbium-doped optical fiber amplifier amplifies a slow modulated optical signal.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
101,104,202,205,402,403 : 광 아이솔레이터101,104,202,205,402,403: Optical Isolator
102,204 : 파장분할 다중소자 103,203 : 펌프용 레이저 다이오드102,204: wavelength division multiple device 103,203: pump laser diode
206,404 : 제1광섬유 결합기 201,401 : 제2광섬유 결합기206,404: first optical fiber combiner 201,401: second optical fiber combiner
207,405 : 광섬유 격자 또는 유전체 박막 필터207,405: fiber optic grating or dielectric thin film filter
208 : 가변 광감쇄기 209,406 : 루프 경로208: variable optical attenuator 209,406: loop path
본 발명은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(erbium-doped fiber amplifier)의 이득을 광학적으로 제어하기 위한 발진루프에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로 본 발명은 에르븀 첨가 광섬유를 광이득 매질(optical gain medium)로 하는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(fiber amplifier)에서 증폭 이득을 입력 신호광 파워의 변화에 무관하게 일정하게 유지 및 제어하기 위한 목적으로 신호광 출력단측에 하나의 광섬유 격자 또는 동일한 투과/반사 특성을 갖는 유전체형 박막 필터를 부착한 신규한 발진루프 구성에 관한 것이다.The present invention relates to an oscillation loop for optically controlling the gain of an erbium-doped fiber amplifier. More specifically, an object of the present invention is to maintain and control the amplification gain constant in an erbium-doped fiber amplifier in which an erbium-doped fiber is an optical gain medium, irrespective of the change in the input signal optical power. The present invention relates to a novel oscillation loop configuration in which one optical fiber grating or a dielectric thin film filter having the same transmission / reflection characteristics is attached to the signal light output end side.
일반적으로 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 1.55㎛파장 대역의 광통신에서 미약한 광신호를 직접 광증폭하여 큰 파워의 광신호 출력을 얻기 위한 것으로서, 통상적인 기본 구성은 제1도에 나타낸 바와 같다.In general, an erbium-doped fiber amplifier is for directly amplifying a weak optical signal in optical communication of 1.55 占 퐉 wavelength band to obtain a high power optical signal output. A typical basic configuration is shown in FIG.
종래의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 제1도에 나타낸 바와 같이, 광증폭 매질인 에르븀 첨가 광섬유와 첨가된 에르븀 이온을 여기(excitation)시키기 위한 광 펌프(pump)용 레이저 다이오드(laser diode, 103), 신호광 파장과 펌프광 파장의 빛을 각각 분리 또는 결합하기 위한 파장분할 다중소자(wavelength division multiplexer, 102), 그리고 순방향으로 진행하는 빛은 통과시키고 역방향으로 진행하는 빛은 차단하는 광 아이솔레이터(optical isolator, 101, 104)등으로 구성되어 있다 .펌프용 레이저 다이오드로부터 펌프광이 파장분할 다중소자를 거쳐 에르븀 첨가 광섬유에 입사되면 광섬유 내의 에르븀 이온이 여기(excitation)되며, 입력 신호광이 에르븀 첨가 광섬유를 따라 진행하는 동안 여기된 에르븀 이온이 낮은 에너지 상태로 천이하면서 신호광의 증폭이 이루어진다. 따라서 종래의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서는 일반적으로 입력 신호광의 파워가 증가하면 광섬유 증폭기의 이득은 감소하게 되며, 입력 신호광의 파워 레벨이 높을수록 입력 신호광의 파워에 대한 이득의 감소율은 더욱 커지게 된다.Conventional erbium-doped fiber amplifiers, as shown in FIG. 1, include an optical amplification medium, an erbium-doped optical fiber, a laser diode 103 for an optical pump for excitation of the added erbium ions, and a signal light. A wavelength division multiplexer (102) for separating or combining light of a wavelength and a pump light wavelength, and an optical isolator (101, which passes light in a forward direction and blocks light in a reverse direction); When the pump light enters the erbium-doped optical fiber from the pump laser diode through the wavelength division multiplexed element, the erbium ions in the optical fiber are excited, while the input signal light is excited along the erbium-doped optical fiber. As the erbium ions transition to a low energy state, amplification of the signal light is performed. Therefore, in the conventional erbium-doped fiber amplifier, in general, as the power of the input signal light increases, the gain of the fiber amplifier decreases. As the power level of the input signal light increases, the rate of reduction of the gain for the power of the input signal light increases.
한편, 파장분할 다중화(wavelength-division multiplexing)된 가입자(subscriber)용 광통신 시스템에서 여러 파장 채널의 신호광들이 함께 광섬유 증폭기로 입사되는 경우에 각 파장 채널들이 독립적으로 임의로 온-오프(ON-OFF)되는 경우를 가정한다면, 광섬유 증폭기의 입력 신호광 파워(모든 채널 신호광 파워의 합)레벨이 상당한 범위에 걸쳐 시간적으로 변화할 수 있으며, 이러한 경우에는 광섬유 증폭기의 이득이 채널들의 온-오프상태에 따라 상당한 범위에 걸쳐 흔들림이 있을 수 있다. 따라서 , 어느 특정 채널에 대한 증폭 이득이 다른 채널들의 온-오프에 따라 영향받게 되며, 이와 같은 이득의 불안정성은 전체 시스템의 운용에도 지장을 초래할 수 있는 문제점이 있다.Meanwhile, in the optical communication system for subscribers having wavelength-division multiplexing, each wavelength channel is arbitrarily turned on and off independently when signal signals of several wavelength channels are incident together into an optical fiber amplifier. Assuming the case, the level of the input signal optical power (sum of all channel signal optical powers) of the optical fiber amplifier can vary over a significant range over time, in which case the gain of the optical fiber amplifier varies considerably with the on-off states of the channels. There can be a shake over. Therefore, the amplification gain for one particular channel is affected by the on-off of the other channels, there is a problem that such instability of the gain may interfere with the operation of the entire system.
이러한 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방법은, 광섬유 증폭기를 신호광 파장 이외의 특정 파장에서 발진시켜 일종의 레이저로 동작시킴으로써, 신호광 파장에 대한 광섬유 증폭기의 이득이 입력 신호광이나 펌프광의 파워 레벨의 변화에도 불구하고 일정치에 묶여 안정화되도록 제어하는 것이다. 이와 같이 광섬유 증폭기를 레이저로서 발진시키려면 귀환(feedback)구조를 형성해 주어야 하는데, 귀환 구조에는 원하는 특정 파장에서 발진하도록 파장을 선택하는 기능의 소자와, 발진광이 증폭된 신호광과 함께 출력단으로 나가지 못하도록 발진광 파장의 빛은 차단하고 그 외의 신호광 파장 대역의 빛은 투과시키는 기능의 필터가 필요하다.One way to solve this problem is that the optical fiber amplifier oscillates at a specific wavelength other than the signal light wavelength and operates with a kind of laser, so that the gain of the optical fiber amplifier with respect to the signal light wavelength is changed despite the change in the power level of the input signal light or the pump light. It is to control to be stabilized tied to a certain value. In order to oscillate the fiber amplifier as a laser as described above, a feedback structure must be formed. The feedback structure includes a device having a function of selecting a wavelength to oscillate at a specific wavelength desired, and preventing the oscillating light from going to the output terminal together with the amplified signal light. A filter having a function of blocking light of the oscillating light wavelength and transmitting light of the other signal light wavelength band is required.
지른기블(M. Zirngible) 등 및 오카무라(H. Okamura)등은 광섬유 증폭기의 출력광의 일부를 입력단으로 귀환시키는 링 공진기(ring resonator)를 구성함으로써 광섬유 증폭기를 링 레이저 형태로 발진시켜 증폭 이득을 제어하는 방식을 제안하였다[참조: M. Zirngible et al., Electron. Lett., 27:560(1991); 및 H. Okamura et al., Electron. Lett., 27:2155(1991)]. 이 방식에서는 링을 이루는 발진 루프 내의 신호광 증폭경로에서 벗어난 부분에 가변형 광감쇄기(variale optical attenuator)를 두어 발진광의 손실, 즉 레이저 공진기 손실을 변화시킴으로써 광섬유 증폭기의 제어된 이득을 변화시킬 수 있었다. 그러나 이 방식은 단순 링 구조의 발진 루프로서 링 내부에 발진 파장을 선택하기 위한 광필터가 필요하며, 또한 출력단에서 발진광 성분을 차단하기 위한 또 다른 광필터가 필요하다.M. Zirngible et al. And H. Okamura et al. Form a ring resonator that returns a portion of the optical fiber amplifier's output light to its input stage to control the amplification gain by oscillating the fiber amplifier in the form of a ring laser. A method of M. Zirngible et al., Electron. Lett., 27: 560 (1991); And in H. Okamura et al., Electron. Lett., 27: 2155 (1991)]. In this method, a variable optical attenuator was placed at the part of the ring oscillation loop outside the signal amplification path to change the controlled gain of the fiber amplifier by changing the loss of the oscillation light, that is, the laser resonator loss. However, this method is a simple ring structure of the oscillation loop, and requires an optical filter to select the oscillation wavelength inside the ring, and another optical filter to block the oscillation light component at the output stage.
또한, 델리베이퀴(E. Delevaque)등은 광섬유 증폭기를 발진시키기 위한 방법으로서 광섬유 증폭기의 입력단과 에르븀 첨가 광섬유의 출력단측 단면에 각각 광섬유 격자를 부착시켜 패브리-페로(Fabry-Perot)형 공진기를 구성하여 특정 파장에서 발진시키는 방식을 제안하였다[참조:E. Delevaque et al., Electron. Lett., 29:1112(1993)],Also, E. Delevaque et al., A method for oscillating an optical fiber amplifier, attaches an optical fiber grating to an end surface of an optical amplifier and an output end of an erbium-doped optical fiber, respectively, to fabricate a Fabry-Perot resonator. A method of oscillation at a specific wavelength has been proposed [E. Delevaque et al., Electron. Lett., 29: 1112 (1993)],
광섬유 격자는 특정 파장에서 반사율이 큰 반사형 필터 소자로서 반사되지 않은 대부분의 빛은 손실 없이 투과하는 특성을 가진다. 광섬유 격자는 외견상 일반 광섬유와 동일한 형태로서, 전송용 광섬유나 에르븀 첨가 광섬유와의 접속이 용이하고 접속 손실이 매우 작으므로, 앞으로 저렴한 가격에 양산될 가능성이 있는 등 광통신 시스템 및 장치에서 매우 바람직한 소자 형태이다. 상기한 지른기블 및 오카무라 등의 방식에서는 링 내부에 투과형 필터만이 사용될 수 있으므로, 단순하고 간편한 광섬유 격자를 사용할 수 없다.The optical fiber grating is a reflective filter element with a large reflectance at a specific wavelength, and most of the light that is not reflected is transmitted without loss. The optical fiber grating is the same form as general optical fiber, and it is easy to connect with transmission optical fiber or erbium-doped optical fiber and connection loss is very small, so it is very desirable device in optical communication system and apparatus, such as possibility of mass production at low price in the future. Form. In the above-described methods, such as the zigzag and the Okamura, only a transmissive filter can be used inside the ring, and thus a simple and simple optical fiber grating cannot be used.
한편, 상기 델리베이퀴 방식은 광섬유 격자를 사용하여 발진 구조를 단순화시켰다는 이점은 있으나, 패브리-페로 발진 구조이므로, 광섬유 증폭기 내에서 발진광 경로와 신호광 증폭 경로가 일치하게 된다. 이러한 이득 제어형 광섬유 증폭기에서는 제어 이득의 조절을 위해 발진광 손실을 신호광 손실과 독립적으로 조절하는 것이 필요한 데, 이 방식에서는 발진광 경로와 신호광 경로가 일치하므로 제어 이득의 조절이 구조적으로 어려운 단점이 있다.On the other hand, the deliberate method has an advantage of simplifying the oscillation structure by using an optical fiber grating, but because it is a Fabry-Perot oscillation structure, the oscillation light path and the signal light amplification path in the fiber amplifier are matched. In such a gain-controlled fiber amplifier, it is necessary to adjust the oscillation light loss independently of the signal light loss to control the control gain. In this method, the control gain is structurally difficult because the oscillation light path and the signal light path coincide. .
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명자는 종래의 단순한 링 형태의 발진 루프 귀환 구조를 변형하여, 브라그 파장에서 최대 반사율을 가지며 그 외의 파장에서는 반사율이 거의 0인 반사특성을 갖는 광섬유 격자 또는 이 광섬유 격자와 동일한 투과/반사 특성을 갖는 유전체 박막 필터와 같은 반사형 필터를 단지 1개만 발진 루프의 신호광 출력단측에 부착하면, 하나의 광섬유 격자 또는 유전체 박막 필터가 발진 파장을 선택하는 기능과, 발진광이 증폭된 신호광과 함께 출력단으로 나가지 못하도록 발진광 파장의 빛은 차단하고 그 외의 신호광 파장 대역의 빛은 투과시키는 기능의 두 가지 기능을 동시에 수행할 수 있고, 또한 발진 루프의 손실을 조절함으로써 제어 이득을 변화시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.Accordingly, the present invention is to solve the above problems of the prior art, the inventor modified the conventional simple ring-shaped oscillation loop feedback structure, has a maximum reflectance at Bragg wavelength, the reflectance is almost 0 at other wavelengths If only one reflective filter such as an optical fiber grating having a phosphorous reflection characteristic or a dielectric thin film filter having the same transmission / reflection characteristics as the optical fiber grating is attached to the signal light output end side of the oscillation loop, one optical fiber grating or dielectric thin film filter It can simultaneously perform two functions: selecting the oscillation wavelength and blocking the light of the oscillation light wavelength and transmitting the light of the other signal light wavelength band so that the oscillation light does not go to the output terminal together with the amplified signal light. We also verify that the control gain can be varied by adjusting the loss of the oscillation loop. Leading to the completion of the person.
결국 본 발명의 목적은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 증폭 이득을 입력 신호광 파워의 변화에 무관하게 일정하게 유지 및 제어할 수 있는, 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 단순화된 발진 루프를 제공하는 것이다.It is, therefore, an object of the present invention to provide a simplified oscillation loop of an erbium-doped fiber amplifier, in which the amplification gain in the erbium-doped fiber amplifier can be kept constant and controlled irrespective of the change in the input signal optical power.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 이하의 상세한 설명으로 부터 명백해질 것이다.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 발진 루프는,The oscillation loop of the gain-controlled erbium-doped fiber amplifier for achieving the object of the present invention,
에르븀 첨가 광섬유;Erbium-doped optical fiber;
상기 에르븀 첨가 광섬유에서 증폭된 자연방출광의 일부를 파장선택적으로 에르븀 첨가 광섬유로 귀환시키고, 발진광이 신호광과 함께 출력단으로 나오는 것을 차단하는 두 가지 기능을 동시에 수행하는 반사형 필터 수단;Reflective filter means for simultaneously returning a portion of the natural emission light amplified by the erbium-doped optical fiber to the erbium-doped optical fiber and simultaneously performing two functions of preventing the oscillated light from coming out of the output terminal together with the signal light;
상기 반사형 필터 수단에서 반사되어 뒤돌아 오는 발진광을 분할하는 신호광 출력단측의 제1광섬유 결합기;A first optical fiber coupler at a signal light output end side for dividing the oscillation light reflected by the reflective filter means;
루프 경로; 및,Loop paths; And,
상기 루프 경로를 따라 상기 반사형 필터 수단으로 부터 뒤돌아 온 발진광을 다시 에르븀 첨가 광섬유로 입사시키기 위한 신호광 입력 단측의 제2광섬유 결합기A second optical fiber coupler at the signal light input end side for injecting the oscillated light returned from the reflective filter means back into the erbium-doped optical fiber along the loop path;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.Characterized in that it comprises a.
본 발명의 발진 루프에서는 상기 반사형 필터 수단이 신호광 출력단과 상기 제1광섬유 결합기 사이에 위치하고, 상기 제1광섬유 결합기와 제2광섬유 결합기는 상기 루프 경로에 의해 연결됨으로써 발진루프 구조가 이루어진다.In the oscillation loop of the present invention, the reflective filter means is positioned between the signal light output terminal and the first optical fiber coupler, and the first optical fiber coupler and the second optical fiber coupler are connected by the loop path to form an oscillation loop structure.
본 명세서에 있어서 에르븀 첨가 광섬유란 이득 매질로서 에르븀이 단독으로 첨가되거나 또는 에르븀을 주성분으로 하고 여기에 소량의 다른 금속이 첨가된 광섬유를 의미한다.In the present specification, the erbium-doped optical fiber means an optical fiber in which erbium is added alone or erbium as a main component and a small amount of other metal is added thereto as a gain medium.
본 발명의 발진루프를 구성하는 데에는 1개의 반사형 필터 수단만이 필요하며, 이러한 반사형 필터 수단으로서는 광섬유 격자(fiber grating)또는 이 광섬유 격자와 동일한 파장 대역에서 동일한 반사 및 투과 특성을 갖는 유전체 박막 피러(dielectric thin film filter)가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 광섬유 격자가 사용된다.Only one reflective filter means is required to construct the oscillation loop of the present invention, and as such a reflective filter means, a fiber grating or a dielectric thin film having the same reflection and transmission characteristics in the same wavelength band as this fiber grating Dielectric thin film filters may be used, preferably optical fiber gratings.
본 발명의 발진루프를 구성하는 상기 광섬유 격자는 광섬유 코어내의 굴절률이 광섬유의 축방향으로 주기적으로 변조되어 있는 광섬유 형태의 소자로서, 굴절률 변조 주기, 즉 격자 주기에 의해 결정되는 브라그(Bragg)파장(제3도에서 ***)에서 최대 반사율을 가지며, 그위의 파장에서 반사율이 거의 0인 반사 특성을 가진다.The optical fiber grating constituting the oscillation loop of the present invention is a device in the form of an optical fiber in which the refractive index of the optical fiber core is periodically modulated in the axial direction of the optical fiber, and the Bragg wavelength determined by the refractive index modulation period, that is, the grating period. (* In FIG. 3) has the maximum reflectance, and the reflection characteristic at the wavelength above that is almost zero.
본 발명에 따른 발진루프의 상기 루프 경로에는 루프 손실 조절수단을 포함할 수 있으며, 이 루프 손실 조절 수단으로는 가변형 광감쇄기(variable optical attenuator)를 사용하거나, 가변형 광감쇄기를 사용하지 않고 상기 제1및 제2광섬유 결합기 중 어느 하나를 광파워 분할 비율을 변화시킬 수 있는 가변형 광섬유 결합기(tunable fiber coupler)를 사용할 수도 있다.The loop path of the oscillation loop according to the present invention may include a loop loss adjusting means, and the loop loss adjusting means may include a variable optical attenuator or the first optical amplifier without using a variable optical attenuator. And a tunable fiber coupler capable of changing the optical power splitting ratio of any one of the second optical fiber couplers.
이하, 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에 사용되는 본 발명에 따른 발진 루프의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the oscillation loop according to the present invention used in the gain control erbium-doped fiber amplifier will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 발진루프를 포함하는 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 기술적 원리를 제2도 내지 제 4도를 참조하여 설명한다.First, the technical principle of the gain-controlled erbium-doped optical fiber amplifier including the oscillation loop of the present invention will be described with reference to FIGS.
제2도는 본 발명에 따른 발진루프를 포함하는 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 기본 구성도이다. 제2도에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에 따른 발진 루프는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 신호광 출력단측과 입력단측에 각각 제1광섬유 결합기(206) 및 제2광섬유 결합기(201)를 두었으며, 제2광섬유 결합기(201)의 3번 광섬유 단말과 제1광섬유 결합기(206)의 3번 단말이 루프 손실 조절 수단인 가변 광감쇄기(208)를 통하여 루프 경로에 의해 연결되어 있는 형태로 구성된다.2 is a basic configuration diagram of a gain controlled erbium-doped fiber amplifier including an oscillation loop according to the present invention. As shown in FIG. 2, the oscillation loop according to the present invention has a first optical fiber coupler 206 and a second optical fiber coupler 201 at the signal optical output end side and the input end side of the erbium-doped optical fiber amplifier, respectively. The optical fiber terminal 3 of the optical fiber combiner 201 and the third terminal of the first optical fiber combiner 206 are configured to be connected by a loop path through the variable optical attenuator 208 which is a loop loss control means.
또한, 신호광 출력단측의 제1광섬유 결합기(206)의 2번 단말에는 제3도에 나타낸 바와 같은 반사 및 투과 특성을 갖는 반사형 필터인 광섬유 격자(207) 또는 이와 동일한 반사/투과 특성을 갖는 유전체 박막 필터가 연결된다.Further, the second terminal of the first optical fiber coupler 206 on the signal light output end side has an optical fiber grating 207, which is a reflective filter having reflection and transmission characteristics as shown in FIG. 3, or a dielectric having the same reflection / transmission characteristics. The thin film filter is connected.
제2도를 참조하여 신호광의 경로를 살펴보면, 입력 신호광이 입력단으로 입사하여 입력단측의 제2광섬유 결합기(201)와 광 아이솔레이터(202)를 거쳐 에르븀 첨가 광섬유로 입사된다. 에르븀 첨가 광섬유에서 증폭된 신호광은 또 다른 광 아이솔레이터(205)와 신호광 출력단측의 제1광섬유 결합기(206)을 거쳐 광섬유 격자(207)를 지나 출력단으로 나오게 된다. 광섬유 격자(207)는 브라그 파장 외의 신호광 파장에 대해서 높은 투과율을 가지므로, 광섬유 격자로 입사한 증폭된 신호광은 반사없이 대부분 출력단으로 나오게 된다.Looking at the path of the signal light with reference to Figure 2, the input signal light is incident to the input terminal is incident to the erbium-doped optical fiber via the second optical fiber coupler 201 and the optical isolator 202 on the input end side. The signal light amplified in the erbium-doped optical fiber passes through another optical isolator 205 and the first optical fiber coupler 206 on the signal light output end side, and then passes through the optical fiber grating 207 to the output end. Since the optical fiber grating 207 has a high transmittance for a signal light wavelength other than the Bragg wavelength, most of the amplified signal light incident on the optical fiber grating comes out to the output terminal without reflection.
한편, 에르븀 첨가 광섬유에서는 신호광만이 증폭되는 것이 아니라, 넓은 파장 대역에 걸쳐 발생하는 자연 방출광(spontaneous emission)도 함께 증폭되어 광섬유 격자(207)로 입사하게 된다. 증폭된 자연 방출광(ASE:amplified spontaneous emission)중에서 광섬유 격자의 브라그 파장과 일치하는 파장 성분은 광섬유 격자에서 반사되어 에르븀 첨가 광섬유쪽으로 역류하게 된다. 반사광은 출력단측의 제1광섬유 결합기(206)에서 분할되는데, 1번 단말로 나가는 빛은 광 아이솔레이터에서 차단되며, 3번 단말로 나가는 빛은 제2도에 도시된 바와 같이, 연결된 루프 경로를 따라 가변 광감쇄기(208)를 거쳐 입력단측의 제2광섬유 결합기(201)의 3번 단말을 통해 들어가 2번 단말로 나온 후 에르븀 첨가 광섬유로 입사되어 다시 증폭되며, 이러한 과정이 반복된다.On the other hand, in the erbium-doped optical fiber, not only the signal light is amplified, but also spontaneous emission generated over a wide wavelength band is also amplified to enter the optical fiber grating 207. In amplified spontaneous emission (ASE), the wavelength component that matches the Bragg wavelength of the fiber grating is reflected from the fiber grating and flows back toward the erbium-doped fiber. The reflected light is split in the first optical fiber coupler 206 on the output side, and the light exiting to terminal 1 is blocked by the optical isolator, and the light exiting to terminal 3 is along the connected loop path as shown in FIG. After entering the terminal 2 of the second optical fiber coupler 201 on the input end side through the variable optical attenuator 208, and exits to terminal 2, it is incident on the erbium-doped optical fiber and amplified again, and this process is repeated.
따라서 증폭된 자연 방출광 중 광섬유 격자의 브라그 파장 성분은 루프 경로를 따라 순환하면서 반복적으로 증폭되는데, 광섬유 증폭기에서의 증폭 이득이 루프 전체의 손실과 같아지면, 레이저로서 발진이 이루어진다. 여기서, 루프 전체의 손실이라 함은, 두 개의 광섬유 결합기에서 분할로 인한 손실, 가변 광감쇄기에서의 손실 및 모든 광섬유 연결 부위의 접속 손실을 포함하여 발진광이 겪는 총손실을 의미한다.Therefore, the Bragg wavelength component of the optical fiber grating of the amplified natural emission light is repeatedly amplified while circulating along the loop path. When the amplification gain in the optical fiber amplifier is equal to the loss of the entire loop, oscillation is performed as a laser. Here, the loss of the entire loop refers to the total loss experienced by the oscillating light, including the loss due to the splitting in the two optical fiber couplers, the loss in the variable optical attenuator, and the connection loss of all the optical fiber connection sites.
일반적으로, 광섬유 증폭기는 정상상태(steady state)에서 동작하게 되는데, 정상상태의 경우에 레이저 발진은 증폭 이득이 루프 전체의 손실과 같은 크기에 묶여(clamping)고정된 채로 이루어진다. 일단 광섬유 증폭기가 광섬유 격자의 브라그 파장에 의해 레이저로서 발진하게 되면, 균질 분광선 형태(homogeneous spectral lineshape)를 가지는 에르븀 원소의 분광학적 특성으로 인하여 분광선 내의 다른 파장(신호광 파장)에 대해서도 이득이 특정한 값에 묶여 고정된다. 따라서, 정상상태로 동작하는 경우에 광섬유 증폭기가 발진하는 한도 내에서는 입력 신호광 레벨이나 펌프장 파워 레벨이 변화하더라도 신호광 파장에 대한 이득이 변화하지 않고 일정하게 유지된다.In general, fiber amplifiers operate in a steady state, in which case the laser oscillation is fixed with the amplification gain clamped to the same magnitude as the loss of the entire loop. Once the fiber amplifier is oscillated as a laser by the Bragg wavelength of the fiber grating, the gain for other wavelengths in the spectral line (signal wavelength) is due to the spectroscopic properties of the element of erbium having a homogeneous spectral lineshape. It is tied to a specific value and fixed. Therefore, when operating in the steady state, even if the input signal light level or the pump field power level changes within the limit of the oscillation of the optical fiber amplifier, the gain with respect to the signal light wavelength does not change and remains constant.
한편, 가변 광감쇄기(208)를 이용하면 루프의 손실을 조절할 수 있는데, 레이저 발진시에 이득은 손실과 같은 크기에서 묶여 고정되므로 가변 광감쇄기를 조절하여 루프의 손실을 증감시키면 광섬유 증폭기의 동작이득도 함게 증감된다. 따라서, 가변 광감쇄기(208)로써 광섬유 증폭기의 동작 이득을 제어할 수 있으며, 제2도에서 두 개의 광섬유 결합기(201,206) 중 어느 하나를 광파워 분할 비율을 변화시킬 수 있는 가변형 광섬유 결합기(tunable fiber coupler)로 대체하면 광감쇄기를 사용한 것과 마찬가지로 광섬유 증폭기의 동작 이득을 제어할 수 있다.On the other hand, the variable optical attenuator 208 can control the loss of the loop. When the laser oscillation, the gain is tied and fixed at the same size as the loss. Therefore, when the variable optical attenuator is adjusted to increase or decrease the loop loss, the operation gain of the optical fiber amplifier is increased. It increases and decreases together. Accordingly, a variable optical attenuator 208 can control the operating gain of the optical fiber amplifier, and a tunable fiber that can change the optical power split ratio of any one of the two optical fiber couplers 201 and 206 in FIG. By using a coupler, the operating gain of the fiber amplifier can be controlled just as with an optical attenuator.
제4도는 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기의 핵심이 되는 본 발명에 따른 발진루프의 기본 구성도이다.4 is a basic configuration diagram of an oscillation loop according to the present invention, which is the core of a gain-controlled erbium-doped fiber amplifier.
발진광은 광섬유 격자(405)에서 반사되며, 반사광의 일부가 제4도에 도시된 바와 같이 제1광섬유 결합기(404)를 거쳐 루프 경로(406)를 따라 제2광섬유 결합기(401)로 들어간 후 다시 에르븀 첨가 광섬유로 입사되어 광섬유 증폭기 내로 루프 귀환됨으로써 발진에 기여한다. 한편, 증폭된 신호광은 신호광 파장에서 광섬유 격자의 반사율이 거의 0이므로, 광섬유 격자에서 반사없이 투과하여 출력단으로 나오게 된다.The oscillating light is reflected by the optical fiber grating 405, and a part of the reflected light enters the second optical fiber coupler 401 via the loop path 406 via the first optical fiber coupler 404 as shown in FIG. It is incident again on the erbium-doped fiber and looped back into the fiber amplifier, contributing to oscillation. On the other hand, since the amplified signal light has almost zero reflectance of the optical fiber grating at the wavelength of the signal light, the amplified signal light passes through the optical fiber grating without reflection and exits to the output terminal.
이러한 귀환 루프의 구성에서 광섬유 격자는 증폭된 자연 방출광의 일부를 광섬유 증폭기로 귀환시켜 발진이 이루어지도록 함과 동시에, 발진광이 신호광과 함께 출력단으로 나오는 것을 차단하는 기능을 수행한다.In the configuration of the feedback loop, the optical fiber grating returns a part of the amplified natural emission light to the optical fiber amplifier to perform oscillation, and at the same time, blocks the oscillated light from coming out to the output terminal together with the signal light.
제5도는 본 발명에 따라 귀환 루프를 이룬 에르븀 첨가 광섬유 증폭기와 귀환 루프를 이루지 않은 종래의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기에서 입력 신호광의 파워 변화에 따른 증폭 이득 변화를 측정하고, 그 결과를 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the results of measuring the amplification gain change according to the power change of the input signal light in the erbium-doped fiber amplifier with feedback loop and the conventional erbium-doped fiber amplifier without feedback loop.
제5도의 그래프에서은 가변형 광감쇄기(208)에서의 광손실이 무한대가 되도록 조절한 경우, 즉 귀환 루프가 형성되지 않은 경우의 이득 변화를 나타낸 것이다. 귀환 루프가 이루어지지 않은 경우에는 통상적인 광섬유 증폭기와 차이가 없으며, 입력 신호광 파워가 증가함에 따라 이득이 감소하는 특성을 나타낸다.In the graph of Figure 5 Denotes a gain change when the optical loss in the variable optical attenuator 208 is adjusted to infinity, that is, when no feedback loop is formed. When the feedback loop is not performed, there is no difference from the conventional optical fiber amplifier, and the gain decreases as the input signal optical power increases.
이와 비교하여 제5도의 그래프에서와는 귀환 루프가 형성된 경우의 이득 변화를 나타내는데, 각각 가변 광감쇄기를 이용하여 루프 손실을 크게 한 경우(루프 손실 23 dB)와 작게 한 경우(루프 손실 20 dB)에 해당한다. 각 경우에 대하여 제5도에서 볼 수 있는 바와 같이, -12dBm과-8dBm보다 작은 입력 신호광 파워 범위에서 각각 발진하게 되는 데, 일단 발진이 이루어지면 이득은 입력 신호광의 파워의 변화에 무관하게 일정한 값에 고정되어 유지된다. 이때, 펌프광의 파워 변화가 있더라도 이 광섬유 증폭기가 발진하는 한 이득은 변화하지 않는다. 루프 손실을 크게 한 경우에는 루프 손실이 작은 경우에 비하여 이득이 큰 상태에서 고정되어 동작하게 된다. 그러나, 이 경우에 제5도에서 볼 수 있는 바와 같이 이득을 감소시킬 수 있는 입력 신호광의 파워의 손실은 감소된다.In comparison, in the graph of FIG. Wow Represents the gain change when the feedback loop is formed, which corresponds to the case where the loop loss is increased by using a variable optical attenuator (loop loss of 23 dB) and the case of decreasing (loop loss of 20 dB). As can be seen in FIG. 5 for each case, oscillations are made in the input signal light power range of less than -12 dBm and -8 dBm, respectively. Is fixed on the At this time, even if there is a power change of the pump light, the gain does not change as long as the optical fiber amplifier oscillates. In the case where the loop loss is increased, the loop operation is fixed while the gain is large compared to the case where the loop loss is small. In this case, however, the loss of power of the input signal light, which can reduce the gain as shown in FIG. 5, is reduced.
제6도는 비교적 저속(약 10kbps)으로 변조된 디지틀 입력 광신호를 종래의 통상적인 에르븀 첨가 광섬유 증폭기와 본 발명에 따라 발진 루프를 포함하는 이득 제어형 광섬유 증폭기에 입력하여 출력 신호광의 출력 파형 변화를 비교하고, 그 결과를 나타낸 것이다.FIG. 6 compares the output waveform change of the output signal light by inputting a digital input optical signal modulated at a relatively low speed (about 10 kbps) to a gain-controlled optical fiber amplifier including an oscillation loop according to the present invention and a conventional conventional erbium-doped fiber amplifier. The result is shown.
제6도에서 볼 수 있는 바와 같이, 통상적인 에르븀 광섬유 증폭기에서는 비교적 저속(약 10kbps)으로 변조된 디지틀 입력 광신호가 입력된 경우에, 신호가 1이 되는 순간에는 이득이 크나, 신호가 '1'인 상태가 지속되는 동안에는 에르븀 원소의 반전밀도 감소에 의해 이득이 점차 감소하므로, 증폭된 출력 파형에 왜곡이 생겼다. 그러나, 본 발명에 따른 이득 제어형 루프 광섬유 증폭기에서는 매 순간 이득이 일정한 값으로 유지되므로 출력 파형에 왜곡이 발생하지 않는 것으로 나타났다.As can be seen in FIG. 6, in a conventional erbium fiber amplifier, when a digital input optical signal modulated at a relatively low speed (about 10 kbps) is input, the gain is large at the time the signal becomes 1, but the signal is '1'. While the phosphorus state persists, the gain gradually decreases due to the reduction of the inversion density of the erbium element, which causes distortion in the amplified output waveform. However, in the gain-controlled loop optical fiber amplifier according to the present invention, since the gain is kept at a constant value every moment, the distortion is not generated in the output waveform.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 발진루프는 브라그 파장에서 최대 반사율을 가지며, 그 외의 파장에서는 반사율이 거의 0인 반사 특성을 갖는 광섬유 격자 또는 이와 동일한 투과/반사 특성을 갖는 유전체 박막 필터를 단지 1개만 사용함으로써 간단하고 저렴하게 구성할 수 있으며, 본 발명의 발진 루프를 포함하는 이득 제어형 에르븀 첨가 광섬유 증폭기는 증폭 이득을 입력 신호광의 파워 변화나 펌프광의 파워 변화에 무관하게 일정한 값으로 안정하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 저속 변조된 신호의 증/폭시에 파형 왜곡을 최소화할 수 있다.As described in detail above, the oscillation loop of the present invention has a maximum reflectance at the Bragg wavelength, and at other wavelengths, an optical fiber grating having a reflection characteristic of which the reflectance is almost zero, or a dielectric thin film filter having the same transmission / reflection characteristics. Simple and inexpensive configuration can be achieved by using only one, and the gain-controlled erbium-doped optical fiber amplifier including the oscillation loop of the present invention can stably amplify the gain to a constant value irrespective of power change of input signal light or power change of pump light. In addition to controlling, waveform distortion can be minimized during amplification / depth of a slow modulated signal.
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