KR100199031B1 - 수동형 모드록킹 광섬유 레이저 구조 - Google Patents

수동형 모드록킹 광섬유 레이저 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수동형의 장점인 짧은 시간폭을 갖는 특성을 살리면서도 출력광펄스의 반복율을 향상시키기 위한 레이저 구조에 관한 것으로서, 일반적으로 수동형으로 모드록킹된 레이저는 능동형으로 모드록킹된 레이저에 비해 펄스의 시간폭이 짧은 반면에 공진기의 길이에 의해서 반복율이 결정되는 이유로 출력광펄스의 반복율을 향상시키는 측면에서는 능동형 보다 어렵다.
따라서 본 발명에서 제안한 레이저의 구조는 종래의 8자형 광섬유 레이저의 선형 고리부에 지연광경로를 추가하여 지연광경로의 길이를 적절히 맞추어서 지연광경로에 의해 생기는 두 공진기의 일주시간(round trip time) T1과, T2의 차이 △T가 각 공진기 일주시간의 약수가 되는 모드록킹된 레이저의 출력광펄스는 반복율이 1/T1 ㎐ 또는 1/T2 ㎐에서 1/△T ㎐로 향상된다.
그러므로 짧은 시간폭을 갖는 광펄스를 발생시키는 수동형 모드록킹의 장점을 유지하면서 출력광펄스의 반복율도 향상시킬 수 있는 본 발명은 앞으로 광통신과 초고속 광현상분석 등에 활용될 수 있을 것이다.

Description

수동형 모드록킹 광섬유 레이저 구조
제1도는 종래기술에 따른 제1실시예 8자형 공진기 구조를 이용한 수동형 모드록킹 광섬유 레이저 구조도.
제2도는 종래기술에 따른 제2실시예인 서브링 캐버티(Sub-ring cavity)의 사용을 통해 반복율을 향상시킨 광섬유 레이저 구조도.
제3도는 종래기술의 제3실시예인 초 귀환(Extra feedback)을 이용해 반복율을 향상시킨 광섬유 레이저 구조도.
제4도는 본 발명에서 제안한 지연광경로를 갖는 광섬유 레이저 구조도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 비선형 증폭 루프 거울 20 : 선형 고리부
11 : 광섬유 12, 22 : 파장분할 다중화기
13, 23 : 편광조절기 14 : 서브링 캐버티
15 : 지연 회선 16, 26 : 어븀첨가 광섬유
17, 27 : 레이저 다이오드 18, 28 : 광 아이소레이터
19, 29 : 방향성 결합기 30 : 거울
40 : 지연광경로
본 발명은 수동형 모드록킹 광섬유 레이저 구조에 관한 것으로서, 특히 출력광펄스의 반복율을 향상시키기 위한 레이저 구조에 관한 것이다. 일반적으로 광섬유 레이저는 어븀(erbium)과, 니오디뮴(neodymium) 등의 희토류(rate earth) 원소가 첨가된 광섬유를 이득매질로 하는 레이저로서 이득선폭이 매우 넓어 피코초(10-12second) 이하의 초단 광펄스를 얻기에 적합하다.
한편, 모드록킹(mode locking)은 높은 첨두출력(peak power)을 갖는 광펄스를 얻는 기술로서 크게 능동형 모드록킹과 수동형 모드록킹으로 분류된다.
상기 능동형 모드록킹은 외부에서 신호를 걸어주어 공진기의 손실 등을 변조시키는 방법으로, 출력되는 광펄스의 시간폭은 수동형에 비해 나쁘지만 광펄스의 반복율은 변조기에 걸어주는 신호의 주파수를 조절함으로써 쉽게 변화시킬 수 있다.
반면에 수동형 모드록킹은 빛의 강도에 따라 투과율이 달라지는 포화흡수체(saturable absorber)를 이용하는 것으로서, 능동형에 비해 시간폭이 짧은 광펄스를 얻을 수 있다.
하지만 출력되는 광펄스의 반복율이 공진기의 기본주파수(cavity round trip frequency)로 결정되는 단점이 있다.
상기에 따른 종래의 광섬유 레이저의 수동형 모드록킹은 빛의 강도에 따른 광섬유의 비선형 효과를 이용하는 것으로서, 크게 두가지 구조의 레이저를 통해 연구되었다.
상기 구조의 한 방법은 비선형 증폭 루프 거울(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)을 이용한 8자형 레이저(figure-8 laser)이고, 다른 하나는 비선형 편광회전(nonlinear polarization rotation)을 이용한 고리형 레이저(ring laser)이다.
본 발명은 상기한 단점을 극복하기 위한 것으로서, 광섬유 레이저의 공진기에 지연광경로(delayed optical path, DOP)를 부착한 구조를 통해 수동형으로 모드록킹된 광섬유 레이저의 반복율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저 구조는 8자형 레이저의 선형 고리부에 지연광경로가 추가된 형태로서 지연광경로에 의해 두 개로 구분되는 공진기의 일주시간(round trip time)의 차이를 적절히 조절함으로써 출력 광펄스의 반복율을 향상시키는 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 종래기술에 따른 제1실시예인 8자형 공진기 구조를 이용한 수동형 모드록킹 광섬유 레이저 구조도이다.
상기 광섬유 레이저는 이득매질과, 파장에 따라 결합효율이 달라지는 광섬유 파장분할 다중화기(wavelength division multiplexer, WDM)(12)와, 비선형 효과를 얻기 위한 광섬유(11) 등으로 구성된 비선형 증폭 루프 거울(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)(10)의 수동형 모드록킹을 위해 필요한 포화흡수체 역할을 한다.
또한 상기 비선형 증폭 루프 거울(10)의 두 단자를 광아이소레이터(28)를 이용해 연결한 것이 선형 고리부(linear loop, LL)(20)이며, 이 선형 고리부(20)에는 레이저 출력을 위한 방향성 결합기(directional coupler, DC)(29)가 있다.
따라서 상기 비선형 증폭 루프 거울(10)과 선형 고리부(20)에 있는 편광 조절기(polarization controller, PC)(13)(23)를 적절히 조절하여 레이저의 모드 록킹을 얻는다.
상기 공진기의 일주시간 T는 빛이 상기의 비선형 증폭 루프 거울(10)과 선형 고리부(20)를 한번 일주하는데 소요되는 시간으로서 수동형으로 모드록킹된 레이저에서 나오는 광펄스의 반복율은 1/T로 결정되므로 일주 시간이 길어질수록 출력 광펄스의 반복율은 낮아진다.
그런데 광섬유 레이저의 수동형 모드록킹은 충분한 크기의 비선형 효과를 얻어야 가능하므로 상기 공진기의 길이는 수십 m 또는 수백 m 정도로 매우 길다.
따라서, 수동형으로 모드록킹되는 광섬유 레이저는 초단 광펄스를 생성하기는 하지만 발진 반복율이 공진기 기본주파수로 제한되어 반복율이 낮은 단점이 있다.
다음의 제2도는 종래기술에 따른 제2실시예인 서브링 캐버티(Sub-ring cavity)(14)의 사용을 통해 반복율을 향상시킨 레이저 구조도이다.
상기 레이저 구조도는 상기 제1도의 8자형 레이저의 선형 고리부(20)에 서브링 캐버티(14)를 부착함으로써 반복율을 향상시킨 레이저 구조로서, 출력광펄스의 시간 간격이 레이저 공진기의 일주 시간에서 서브링의 일주 시간으로 짧아진다.
그렇지만 상기 서브링(sub-ring)에는 광경로의 길이를 조절할 수 있는 지연 회선(delay line)(15)이 반드시 필요하고 이 지연 회선(15)은 어느 정도의 길이를 가져야 하기 때문에 이 구조는 반복율을 향상시키는데 구조적 한계가 있다.
제3도는 종래기술의 제3실시예인 초 귀환(Extra feedback)을 이용해 반복율을 향상시킨 레이저 구조도로서, 레이저 출력을 얻기 위한 광섬유 결합기의 반대쪽 단자에서 거울(HR)(30)을 사용해 빛을 공진기 안으로 되반사시키는 엑스트라캐버티 피드백(extracavity feedback) 방법을 사용해 반복율을 향상시킨 레이저 구조도이다.
상기 레이저 구조는 비선형 증폭 루프 거울(10)에서 반사된 빛을 이용한다는 점에서 본 발명에서 제시하는 구조와는 다르다.
다음의 제4도는 본 발명에서 제안한 지연광경로(40)를 갖는 광섬유 레이저 구조도이다.
상기 레이저 구조를 보면 비선형 증폭 루프 거울(nonlinear amplifying loop mirror, NALM)(10)과, 선형 고리부(linear loop)(20)로 구성되어 있다.
먼저 비선형 증폭 루프 거울(10)은 공진기의 복굴절을 조절하는 편광조절기(Polarization controller)(23)와, 레이저의 이득매질을 포함한 어븀첨가 광섬유(erbium-doped fiber)(26)와, 상기 어븀첨가 광섬유(26)를 광펌핑하는 광펌핑용 레이저 다이오드의 출력을 레이저 공진기로 결합시키는 파장분할 다중화기(wavelength division multiplexer, WDM)(22)로 이루어져 있다.
그리고 상기 구성을 포함하여 3㏈ 방향성 결합기(directional coupler, DC)(29)에서 둘로 나뉘어져 각각 시계 및 반시계 방향으로 상기 비선형 증폭 루프 거울(10)을 진행하는 두 빛 사이에서 수동형 모드록킹이 일어날 수 있을 만큼 충분한 비선형 위상차를 얻기 위한 비선형 광섬유로 구성된 비선향 증폭루프 거울은 수동형 모드록킹에 필요한 포화흡수체(saturable absorber) 역할을 한다.
또한 상기 선형 고리부(20)는 상기 비선형 증폭 루프 거울(10)에서 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛만 진행하게 하는 광 아이소레이터(Optical isolator)(25)와, 상기 어븀첨가 섬유(26)와 파장분할 다중화기(22)와 펌프 레이저 다이오드(27)를 사용하여 반복율이 높아지는 것만큼 필요하게 되는 이득을 공급하기 위한 광 증폭기 세트로 이루어져 있다.
그리고 상기 구성을 포함하여 상기 비선형 증폭 루프 거울(10)에 입사되는 빛의 편광을 조절하는 편광조절기(23)와, 반복율이 향상될 수 있는 조건으로 상기 지연광경로의 길이를 정확히 맞추어주기 위한 지연 회선(Delay line)(25)과, 상기 지연광경로를 진행하는 빛의 편광을 조절하여 레이저의 발진이 잘 일어나도록 하기 위한 편광조절기(PC3)(23)로 구성되어 있다.
상기 구성을 통해 지연광경로(40)의 길이를 적절히 조절해서 지연광경로(40)에 의해 지연되는 시간차 △T가 원래 공진기 일주시간 T의 약수가 되도록 하면 레이저에서 출력되는 광펄스의 반복율은 1/T ㎐에서 1/△T로 향상된다.
상기 구성에 따르면 향상되는 반복율의 크기가 지연광경로(40)의 절대 길이가 아니라 지연광경로에 의해 발생되는 두 공진기 사이의 시간차 △T에 의해 결정된다는 점이다.
그러므로 본 레이저 구조는 길이를 맞추기 위해 반드시 필요한 지연 회선(25)의 길이에 의해 제한받지 않고서 반복율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 8자형 광섬유 레이저 구조를 예로들어 설명한 상기 지연광경로(40)의 방법은 고리형(ring) 공진기 및 파브리-페로(Fabry-Perot)형 공진기 레이저에 사용해도 똑같은 원리로 출력광펄스의 반복율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에서 제시한 광섬유 레이저 구조는 초단 광펄스를 얻는 수동형 모드록킹의 장점을 살리면서 반복율을 향상시킬 수 있는 효과를 가지므로 앞으로 광통신과 초고속 광현상분석 등에 응용될 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 수동형 모드록킹 광섬유 레이저의 출력광펄스 반복율을 증가시키기 위한 광섬유 레이저에 있어서, 공진기의 복굴절을 조절하여 투과율을 변화시키는 편광조절기와, 상기 편광조절기에서 변화된 투과율을 가진 레이저의 이득매질을 포함한 어븀첨가 광섬유와, 상기 어븀첨가 광섬유를 광펌핑하는 레이저 다이오드의 출력을 레이저 공진기로 결합시키는 파장분할 다중화기와, 입출력되는 신호를 나뉘어지도록 하는 방향성 결합기와, 상기 방향성 결합기에서 둘로 나뉘어진 신호를 각각 시계와 반시계 방향으로 진행하는 두 빛 사이에서 수동형 모드록킹이 일어나도록 비선형 위상차를 얻기 위한 비선형 광섬유로 구성되어 수동형 모드 록킹에 포화흡수체 역할을 하는 비선형 증폭 루프 거울과; 상기 비선형 증폭 루프 거울에서 반사된 빛은 차단하고 투과된 빛만 진행하게 하는 광 아이소레이터와, 상기 투과되어 입력되는 신호를 나뉘어지도록 하는 방향성 결합기와, 지연 출력되는 광펄스의 반복율을 증가시키기 위해 상기 방향성 결합기로부터 출력된 어느 하나의 입력 신호를 입력으로 받아 지연광경로의 길이를 조절하는 지연 회선과, 상기 지연 회선을 통해 입사되는 빛의 편광을 조절하는 편광조절기와, 편광조절된 출력신호를 나뉘어지도록 하는 방향성 결합기와, 반복율의 상승에 따라 필요하게 되는 이득을 공급하기 위한 어븀첨가 광섬유와, 상기 어븀첨가 광섬유를 광펌핑하는 레이저 다이오드의 출력을 레이저 공진기로 결합시키는 파장분할 다중화기와, 상기 어븀첨가 광섬유의 광펌핑용 레이저 다이오드와, 상기 지연광경로를 진행하는 빛의 편광을 조절하여 레이저의 발진이 일어나도록 하기 위한 편광조절기로 구성된 선형 고리부로 이루어진 것을 특징으로 하는 수동형 모드록킹 광섬유 레이저.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지연 회선은 상기 지연광경로에 의해 두 개로 구분되는 공진기의 일주시간의 차이를 조절하는 것을 특징으로 하는 수동형 모드록킹 광섬유 레이저.
  3. 제2항에 있어서, 상기 지연 회선은 상기 지연광경로에 의해 지연되는 시간차를 원래 공진기 일주시간의 약수가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 수동형 모드록킹 광섬유 레이저.
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