KR0160582B1 - 광섬유 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 레이저에 관한 것으로 특히, 사냑(Sagnac) 루프 거울과 패러데이 회전 거울을 이용하여 편광에 매우 안정하고, 큰 에너지를 갖는 초단 펄스를 생성할 수 있는 광섬유 레이저에 관한 것이다.
본 발명은 광펌핑 레이저 다이오드; 이득매질 첨가 광섬유; 파장분할 광섬유 결합기; 위한 분산 천이 광섬유; 및 제1편광조절기가 루프 형으로 결합된 비선형 증폭 루프 거울: 제2편광조절기; 및 진행되는 광파의 편광면을 회전시키는 패러데이 회전 거울로 구성되는 선형 거울: 및 상기 비선형 증폭 루프 거울과 상기 선형 거울 사이에 연결되는 광섬유 방향성 결합기로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 레이저 (Optical Fiber Laser)
제1도는 종래의 8자형 모드록킹 광섬유 레이저의 구조도.
제2도는 종래의 고리형 모드록킹 광섬유 레이저의 구조도.
제3도는 본 발명의 원리를 설명하기 도면.
제4도는 본 발명에 의한 광섬유 레이저의 구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : (50 : 50) 광섬유 방향성 결합기 12 : 파장분할 광섬유 결합기
13 : (90 : 10) 광섬유 방향성 결합기 21, 22 : 편광조절기
31 : 광 아이솔레이터 32 : 광변조기
41 : 분산 천이 광섬유 42 : 어븀 첨가 광섬유
51 : 980㎚ 광펌핑 레이저 다이오드 52 : 패러데이 회전 거울
71 : 광 스펙트럼 분석기 72 : 자기상관계 측정기
101 : 비선형 증폭 루프 거울 103 : 선형 거울
본 발명은 광섬유 레이저에 관한 것으로 특히, 사냑(Sagnac) 루프 거울과 패러데이 회전 거울을 이용하여 편광에 매우 안정하고, 큰 에너지를 갖는 초단 펄스를 생성할 수 있는 광섬유 레이저에 관한 것이다.
광섬유 레이저에서 발생된 초단 펄스는 짧은 펄스폭을 갖고 있기 때문에 초고속 광통신에 이용할 수 있는 각광받는 광원중의 하나이다. 그러나 이 광원은 광섬유로 구성되어 있기 때문에 외부 환경에 대해 매우 민감하여 안정된 광펄스 출력을 얻는 것이 가장 큰 어려움이다.
제1도는 종래의 8자형 모드록킹 광섬유 레이저의 구조도이고, 제2도는 종래의 고리형 모드록킹 광섬유 레이저의 구조도이다.
제1도와 제2도에서, 11은 (50 : 50) 광섬유 방향성 결합기, 12는 파장분할 광섬유 결합기, 13은 (90 : 10) 광섬유 방향성 결합기, 21과 22는 편광조절기, 31은 광 아이솔레이터, 41은 분산 천이 광섬유, 42는 어븀 첨가 광섬유, 51은 980㎚ 광펌핑 레이저 다이오드를 각각 나타낸다.
종래의 광섬유 레이저에서의 모드록킹된 광섬유 레이저는 8자형 구조(제1도)나 고리형 구조(제2도)에서 대부분 이루어졌다.
이 구도에서는 광섬유의 복굴절성에 의해 매우 불안정한 펄스 신호가 얻어졌다.
또한 종래의 구도에서는 솔리톤 펄스방생으로 펄스의 에너지는 낮은 편이었다(보통 100 pJ 이하).
따라서, 본 발명에서는 새로운 구조로 사냑 루프 거울과 패러데이 회전거울을 이용하여 편광에 매우 안정하고, 큰 에너지를 갖는 초단 펄스를 생성할 수 있는 광섬유 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소요 광파의 발진을 위해 이득매질을 여기하는 광을 출력하는 광펌핑 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 광이 입력될 경우 상/하의 두 에너지 준위간에 반전 분포를 이루고, 순차적으로 상기 소요 광파를 발진시키는 이득 매질을 첨가한 이득매질 첨가 광섬유; 상기 레이저 다이오드와 상기 이득매질 첨가 광섬유 사이에 연결되어, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 상기 이득매질 첨가 광섬유에 전달하기 위한 파장분할 광섬유 결합기; 상기 이득매질 첨가 광섬유에서 발진되어 진행되는 광에 비선형 효과를 주기 위한 분산 천이 광섬유; 및 상기 진행되는 광의 편광을 조절하여 연속 발진되는 광파의 출력이 최대가 되도록 하는 제1편광조절기가 루프 형으로 결합된 비선형 증폭 루프 거울: 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 발진된 광파가 수동형 모드록킹이 되도록 편광을 조절하는 제2편광조절기; 및 진행되는 광파의 편광면을 회전시키는 패러데이 회전 거울로 구성되어 상기 광펌핑 레이저 다이오드의 광파와 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 출력되는 광파 사이의 편광차를 보상하는 선형 거울: 및 상기 비선형 증폭 루프 거울과 상기 선형 거울 사이에 연결되어, 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 출력되는 광파의 일부를 상기 선형 거울에 전달하고, 다른 일부는 출력부로 전달하며, 상기 선형 거울에서 반사되는 광파를 상기 비선형 증폭 루프 거울로 전달하는 광섬유 방향성 결합기로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제3도는 본 발명에서 제안한 새로운 구조의 발진 원리를 설명하기 위한 도면이다.
제3도에서, 사냑 루프 거울(101)과 입사하는 빛을이라 하고 반사되어 나오는 빛을라 하자.
여기서 은 규격화된 필드 벡터이다.
그러면 사냑 루프 거울(101)에서 반사되어 나오는 빛는
로 나타낼 수 있다.
여기서 B는 빛이 루프를 시계방향으로 돌 때의 빛의 존스 행렬(Jones Matrix)이다.
이 행렬에는 방향성 결합기와 루프의 복굴절 등 루프에서 일어나는 모든 것을 포함한다.
또한, BT는 시계 반대방향으로 또는 빛에 해당하는 존수행렬이다.
즉, B의 전치행렬이다.
ØNR 은 루프에서 두 빛 사이에 일어나는 비선형 위상차이다.
사냑 루프 거울에서 수동형 모드록킹이 일어나는 최적의 조건은 연속파 빛에 대해서는 반사율이 0이 되어야 하고, 펄스에 대해서는 최대의 반사율을 갖도록 해야 한다.
즉, 펄스의 신호가 최대의 반사율(R=1)을 갖는 조건은 ØNR = π가 될 때이다.
이 조건을 만족하는 B의 값은
일 때이다.
이 행렬은 루프 내의 편광조절기의 적당한 조절에 의하여 얻어낼 수 있다.
ØNR = π일 때, B의 값을 (식. 1)에 대입하면 수동형 모드록킹에서
이 된다.
이것은 다음과 같이 해석할 수 있다.
사냑 루프 거울에서 반사된 수동형 모드록킹된 빛의 편광 상태는 입사한 빛의 편광 상태에 대해 90°회전한 것으로 볼 수 있다.
따라서 90°돌아간 편광 상태를 보상해 주기 위해서는 루프 거울 바깥 쪽에 편광 회전을 해줄 수 있는 소자가 필요하다.
이 소자가 패러데이 회전 거울(52)이다.
이것은 빛이 한 주기 동안 진행할 때, 발진되는 빛의 편광 상태는 한 주기 진행 전과 한 주기 돌고 난 후가 동일하여야 한다는 레이저 공진기 조건을 잘 만족한다.
따라서 초단 펄스가 발진되는 동안 레이저 공진기의 한 주기 동안 편광 상태가 잘 맞아 안정된 펄스 신호가 나옴을 기대할 수 있다.
또한 이와 같은 구조에서 루프 거울 내에 있는 광변조기를 삽입하면 높은 반복율을 갖는 안정된 펄스 신호의 능동형 모드록킹된 광펄스가 발진될 것이다.
제4도는 본 발명에서 제안된 사냑 루프 거울과 패러데이 회전 거울을 이용하여 구성한 광섬유 레이저의 심험 장치도이다.
제4도에서, 11은 (50 : 50) 광섬유 방향성 결합기, 12는 파장분할 광섬유 결합기, 13은 (90 : 10) 광섬유 방향성 결합기, 21과 22는 편광조절기, 31은 광 아이솔레이터, 32는 광변조기, 41은 분산 천이 광섬유, 42는 어븀 첨가 광섬유, 51은 980 ㎚ 광펌핑 레이저 다이오드, 52 는 패러데이 회전 거울, 71은 광 스펙트럼 분석기, 72는 자기상관계 측정기, 101은 비선형 증폭 루프 거울, 103은 선형 거울을 각각 나타낸다.
이득매질로 어븀 첨가율이 800ppm인 광섬유(42) 10m를 루프 한쪽 끝에 위치하고, 비선형 효과를 주기 위하여 나머지 부분에 영분산 파장이 1550㎚인 분산 천이 광섬유(41)를 17m를 연결하였다.
또한, 루프 내의 편광을 돌려줄 수 있도록 하기 위하여 편광조절기(21)를 삽입하였다.
1550㎚에서 분산 천이 광섬유의 분산값은 ｜D ｜ = 3.5 ps/㎚/㎞이다.
980/1550 파장분할 광섬유 결합기(12)를 이용하여 980㎚ 의 반도체 레이저(51)로 광 펌핑을 해준다.
선형 거울(103) 쪽의 앞에서 살펴본 원리에 따라서 패러데이 회전 거울(52)로 연결하였고, 편광을 맞추어 주기 위하여 편광조절기(22)를 삽입하였다.
사냑 루프 거울(101)과 패러데이 회전 거울(52) 사이는 3㏈ 방향성 결합기(11)로 연결하였다.
사냑 루프 거울(101)의 길이는 총 29m 이고, 선형 거울(103)의 길이는 약 5m 이다.
이 길이에 해당하는 공진기 종모드 간격은 5.1㎒ 이다.
출력된 광신호는 사냑 루프 거울의 다른 나머지 포트를 통해서 받아 보았다.
보통 편광조절기를 이용하여 수동형 모드록킹을 구현하지만, 제4도에서 보듯이 루프 내에 광변조기를 삽입하여 고 반복율을 갖는 능동형 모드록킹된 광섬유 레이저도 구현할 수 있다.
사냑 루프 거울 내에 있는 980㎚ 의 반도체 레이저(51)의 펌핑 출력을 연속 발진 문턱값(7 ㎽)보다 훨씬 큰 약 40㎽ 정도까지 펌핑해주고, 루프 거울(101) 내에 있는 편광조절기(21)를 적당히 조절하여 연속 발진되는 출력이 거의 최대가 되도록 맞추어 준다.
이것은 앞의 원리에서 살펴 본 바와 같이 루프 거울(101) 내를 양방향으로 도는 빛의 위상차가 π가 되도록 해주는 것과 같다.
이 상태에서 수동형 모드록킹이 발진하도록 선형 거울(103) 내에 있는 편광조절기(22)를 조절한다.
상기한 본 발명에 의하여, 매우 안정되고, 피크 펄스의 에너지도 매우 높은 모드록킹된 광펄스를 발진시킬 수 있는 효과를 가지고 있다.

Claims (2)

  1. 소요 광파의 발진을 위해 이득매질을 여기하는 광을 출력하는 광펌핑 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 광이 입력될 경우 상/하의 두 에너지 준위간에 반전 분포를 이루고, 순차적으로 상기 소요 광파를 발진시키는 이득매질을 첨가한 이득매질 첨가 광섬유; 상기 레이저 다이오드와 상기 이득매질 첨가 광섬유 사이에 연결되어, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 상기 이득매질첨가 광섬유에 전달하기 위한 파장분할 광섬유 결합기; 상기 이득매질 첨가 광섬유에서 발진되어 진행되는 광에 비선형 효과를 주기 위한 분산 천이 광섬유; 및 상기 진행되는 광의 편광을 조절하여 연속 발진되는 광파의 출력이 최대가 되도록 하는 제1편광조절기가 루프형으로 결합된 비선형 증폭 루프 거울: 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 발진된 광파가 수동형 모드록킹이 되도록 편광을 조절하는 제2편광조절기; 및 진행되는 광파의 편광면을 회전시키는 패러데이 회전 거울로 구성되어 상기 광펌핑 레이저 다이오드의 광파와 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 출력되는 광파 사이의 편광차를 보상하는 선형 거울: 및 상기 비선형 증폭 루프 거울과 상기 선형 거울 사이에 연결되어, 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 출력되는 광파의 일부를 상기 선형 거울에 전달하고, 다른 일부는 출력부로 전달하며, 상기 선형 거울에서 반사되는 광파를 상기 비선형 증폭 루프 거울로 전달하는 광섬유 방향성 결합기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비선형 증폭 루프 거울에, 높은 반복율을 갖는 안정된 펄스신호가 발진되도록 하는 광변조기가 부가되는 것을 특징으로하는 광섬유 레이저.
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