KR100269040B1 - 파장이동 레이저 광원 및 파장이동 레이저 광 생성방법 - Google Patents

Abstract

파장이동 레이저 광원 및 파장이동 레이저 광 생성방법에 대해 개시하고 있다. 본 발명은, 레이저 공진기 내에 광의 세기에 따라 굴절률이 달라지는 비선형 매질과 중심파장이 시간에 따라 변하는 파장가변필터를 두고, 비선형 매질에서 일어나는 스펙트럼 퍼짐현상과 필터에 의한 비대칭적인 스펙트럼 필터링 현상에 의해 발생하는 자발적인 모드록킹을 이용하여 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 펄스를 발생시키는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다른 구성은, 필터의 이동속도와 주파수 변환의 속도를 맞추어 주어서 모드록킹을 억제하고 연속발진을 얻는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 여러 가지 광학소자 및 시스템의 진단이 가능하며, 광센서 및 파장분할 다중방식의 광통신에 다양하게 응용할 수 있다.

Description

파장이동 레이저 광원 및 파장이동 레이저 광 생성방법

본 발명은 레이저 광원 및 레이저 광 생성방법에 관한 것으로서, 특히 자발적인 모드록킹을 이용하여 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 파장이동 레이저 펄스광원 및 이러한 파장이동 레이저 펄스광를 생성하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 모드록킹을 억제하고 연속발진을 얻을 수 있는 파장이동 레이저 광원 및 이러한 파장이동 레이저 광을 생성하는 방법에 관한 것이기도 하다.

파장이동 레이저는 출력파장이 시간에 대해 연속적으로 변화하는 광원을 말한다. 파장이동 레이저를 구현하기 위해서는 광대역 이득매질과 함께 파장 가변수단이 있어야 한다. 그 파장 가변수단으로서 가장 효율적인 것은 공진기 안에 파장가변필터를 두고 그 중심파장을 시간에 대해 연속적으로 변화시키는 것이다. 예를 들어, 와이소키(Wysocki) 등이 1990년 옵틱스 레터스 제15권 879쪽 이하에 발표한 논문에 의하면, 어븀첨가 광섬유를 이득매질로 하고 음향광학 필터를 이용해서 약 15㎚의 파장영역을 수 백 ㎐로 스캔하는 레이저를 구성한 바 있다. 이러한 파장이동 레이저는 기존에 널리 알려진 파장가변 레이저와 함께 응용분야가 많다.

파장이동 레이저는 저간섭성 분포계측 센서, 주파수영역 분포계측 센서 및 광섬유 격자어레이 센서에 광원으로 사용된 예가 있다. 또한, 광소자의 파장특성을 빠른 시간 내에 분석하는 용도로 활용될 수도 있다. 이 밖에도 분광학, 광통신 등에서 기존의 파장가변 레이저를 대체하는 응용이 기대되지만 이 분야에서 아직 구체적인 응용사례가 없다.

그러나, 기존의 파장이동 레이저는 모두 연속발진 출력을 갖고 있었고, 아직까지 모드록킹된 파장이동 레이저를 발표한 사례가 없다. 펄스형태의 출력을 얻기 위해서는 다른 레이저에서 이미 널리 사용되고 있는 여러 가지 능동형, 수동형 모드록킹 기술을 추가적으로 적용시켜야 한다. 하지만, 파장이동 레이저는 공진기 안의 필터의 중심 파장이 고정되어 있지 않고 연속적으로 이동된다는 특징을 갖는다는 점에서 새로운 모드록킹 원리가 적용될 가능성이 있으나 지금까지 알려진 것이 없었다.

일반적으로 레이저에서 발진할 수 있는 광은 공진기를 일주하였을 때 발생하는 위상지연이 2π의 정수배가 되는 조건을 만족해야한다. 이 조건을 만족하는 광을 공진기 모드라고 한다. 따라서, m-번째 공진기 모드의 주파수는 fm = mc/L의 값을 갖는다. 여기서 c는 빛의 속도, L은 공진기 일주 광경로 길이이다. 레이저가 단일 공진기 모드로 발진할 경우는 아주 좁은 선폭의 단일 주파수의 빛이 얻어지고 그 출력세기는 시간에 대해 일정한 값을 갖는다. 만일 여러 개의 모드가 동시에 발진할 경우에 각 모드의 진폭과 위상 관계에 따라 레이저 출력 특성이 상이한 두 개의 상태로 나눌 수 있다. 첫째로 모드간의 진폭과 위상이 임의의 관계를 갖거나 또는 시간에 따라 변할 경우는 출력세기가 시간에 대해 임의로 변하는 소위 모드 분할 잡음(mode partition noise)을 갖는 연속발진 출력이 얻어진다. 하지만, 진폭이 일정하고 모드간에 위상차가 일정한 상수값을 갖는 경우에는 각 모드의 진폭이 간섭(coherent inteference)하여 짧은 광펄스의 출력형태를 갖는다. 이런 상태를 모드록킹이라고 한다.

이러한 모드록킹을 구현하는 종래의 기술로서는, 진폭변조기나 위상변조기, 주파수변환기 등을 사용하여 변조 주파수를 공진기 종모드 간격이나 그 정수배에 맞추는 능동형 방법과, 포화흡수체를 사용하거나 이와 같은 역할을 하는 소자나 공진기 구성을 이용하는 수동형 방법이 있었다. 그러나, 이러한 모드록킹 기술에서는 고가의 변조기나 별도의 포화흡수체를 사용하여야 한다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 고가의 변조기나 별도의 포화흡수체를 사용하지 않고도 짧은 레이저 광펄스를 얻을 수 있는 파장이동 레이저 펄스광원 및 이러한 레이저 펄스광를 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 파장이동 레이저에서 모드록킹을 억제하고 연속발진을 얻을 수 있는 파장이동 레이저 광원 및 이러한 레이저 광을 생성하는 방법을 제공하는 데 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 파장이동 레이저의 개략적 구성도들;

도 2a는 본 발명에 따른 파장이동 레이저의 작동원리를 설명하기 위해 이득곡선 및 레이저 스펙트럼을 광 주파수에 대해 나타낸 그래프;

도 2b는 필터의 중심주파수가 시간에 대해 삼각파 형태로 이동하는 경우의 레이저의 발진 파장을 나타낸 그래프;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 파장이동 레이저의 구성도;

도 4는, 도 3에 도시한 레이저에 대해, 펌프광 세기를 변화시켜가며 측정한 레이저 출력세기의 그래프;

도 5a는, 도 3에 도시한 레이저에 대해, 펌프광 세기가 약 35㎽일 때의 레이저출력을 광감지기와 오실로스코프로 측정한 사진;

도 5b는 도 5a의 결과를 더 짧은 시간간격에 대해 오실로스코프로 측정한 사진;

도 6은, 도 5a의 실험조건에서, 광 스펙트럼 분석기를 이용해 최대값 고정모드로 레이저 출력 스펙트럼을 측정한 그래프;

도 7a는 도 3의 파장이동 레이저에 대한 레이저 스펙트럼의 순간 선폭을 측정하기 위해서 사용되었던 장치의 구성도;

도 7b는 도 7a의 장치를 사용하여 광경로차가 2㎜일 때 광 감지기에서 검출된 신호를 오실로스코프로 본 사진;

도 8은 전산시늉을 통해 도 3의 광섬유 파장이동 레이저의 출력 스펙트럼과 광펄스 모양을 계산한 결과그래프;

도 9a 및 도 9b는 도 3의 광섬유 파장이동 레이저의 펄스폭과 선폭에 대한 측정결과와 전산시늉결과를 비교한 그래프들;

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장이동 레이저 광원에 있는 음향광학 주파수변환기에 삼각파 전기신호를 인가하고 레이저 출력을 관찰한 오실로스코프 사진;

도 11a와 도 11b는 본 발명의 실시예들에 따른 파장이동 레이저의 응용에 대한 개념도이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 파장이동 레이저 펄스광원은, 넓은 파장대역에서 광을 증폭할 수 있는 광 이득매질과, 최소손실 중심파장영역을 가지는 파장가변필터와, 광세기에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 갖는 비선형 매질을 광경로에 포함하는 공진기; 상기 광 이득매질의 밀도반전을 위한 광 펌핑수단; 및 상기 파장가변필터의 최소손실 중심파장영역을 시간에 대해 연속적으로 변화시키기 위한 필터변조 신호발생수단을 구비함으로써 광출력이 모드록킹된 짧은 펄스형태인 동시에 그 중심파장이 시간에 대해 연속적으로 이동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 광 이득매질이, 희토류이온이 첨가된 단일모드 광섬유, 희토류이온이 첨가된 단일모드 평면 도파로, 타이타늄 첨가 사파이어 및 Nd-YVO₄로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 상기 광 이득매질을 반도체 증폭기로 선택할 수 있으며, 이 경우 상기 광 펌핑수단이 전류를 공급하는 전류발생기로서, 그 전류의 세기가 상기 공진기의 종모드 간격 또는 그 간격의 정수배인 주파수로 변조되어 상기 반도체 증폭기의 이득률을 변조함으로써 모드록킹된 상기 광펄스의 발생을 돕고, 펄스발생 타이밍을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 파장가변필터로서, 음향광학 파장가변필터, 패브리-페로 간섭계형 파장가변필터, 회전에 의해 그 반사 중심파장이 가변되는 반사형 회절격자로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.

또, 상기 파장가변필터가: 진행하는 광의 방향을 조절할 수 있는 빔 방향조절기와; 빔 방향에 따라 투과 또는 반사되는 광이 공진기에 결합될 때 특정 파장영역에서 광손실을 적게 줄 수 있는 광소자를 포함할 수도 있는데, 이 경우에는 상기 빔 방향조절기가, 음파의 주파수에 따라 방향이 조절되는 음향광학 변조기이거나, 광을 여러 경로로 나눈 후 다시 모았을 때 각각의 광 위상차에 따라 방향이 조절되는 다중 위상어레이인 것이 바람직하다.

한편, 상기 비선형 매질은 일정 길이의 단일모드 광섬유를 포함하는 것, 또는 반도체를 포함하여 자기위상 변조효과를 향상시키고 광세기에 따라 흡수율이 감소하는 포화흡수체의 역할을 하여 모드록킹된 광펄스의 발생을 돕는 것이 바람직하다.

그러나, 상기 이득매질이 하나의 광소자로서 상기 비선형 매질의 역할까지 수행할 수도 있는데, 이 경우에 상기 이득매질이, 비선형 계수가 큰 희토류이온 첨가 광섬유 또는 타이타늄 첨가 사파이어 결정인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 공진기 내에: 모드록킹의 발생을 돕고 광펄스발생의 타이밍 조절을 위한 광진폭 변조기와; 상기 광진폭 변조기에 공진기의 종모드 간격이나 그 정수배의 주파수를 갖는 교류 전기신호를 공급하는 변조신호 발생기를 더 구비할 수 있다. 또는 상기 공진기 내에: 모드록킹의 발생을 돕고 광펄스발생의 타이밍 조절을 위한 광위상 변조기와; 상기 광위상 변조기에 공진기의 종모드 간격이나 그 정수배의 주파수를 갖는 교류 전기신호를 공급하는 변조신호 발생기를 더 구비할 수도 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 레이저 펄스광 생성방법은, 광세기에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 갖는 비선형 매질 및 파장가변필터를 공진기 내에 마련하는 단계와; 상기 비선형 매질에 광펄스를 통과시켜 자기위상변조를 유발함으로써 상기 광펄스의 스펙트럼이 넓어지게 하는 동시에 최소손실 파장영역이 시간에 따라 연속적으로 이동되도록 상기 파장가변필터를 조절하는 단계와; 넓어진 상기 광펄스의 스펙트럼 중 상기 최소손실 파장영역 부근의 성분을 증폭하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 파장필터의 최소손실 중심파장이 시간에 따라 연속적으로 이동되도록 상기 파장가편필터를 조절하는 단계는, 최소손실 중심파장이 단위 시간당 변하는 양 V가 파장이 이동되고 있는 대부분의 시간동안 일정한 임계속도 Vc보다 커서 여러개의 공진기 모드가 동시에 발진할 수 있도록 하는 단계인 것이 바람직하다. 즉, V＞Vc, Vc=ln(r)Δ⁴/b², 여기서 Δ는 공진기 모드간의 파장 간격, b는 상기 파장필터의 반치 파장폭, ln(r)은 각 모드가 갖는 최대 광세기와 최소 광세기의 비율의 자연로그로서 15와 25 사이에서 정해진 값을 갖는다.

이 경우, 상기 파장가변필터를 조절하는 단계는: 상기 파장가변필터에 주파수 및/또는 전압이 일정한 영역 사이를 연속하여 주기적으로 변하는 전기신호를 인가하는 것이 바람직하며, 상기 전기신호의 반복되는 매 주기의 앞부분에 짧은 전기펄스를 더 실어서 광펄스의 발생을 돕고 펄스 타이밍을 상기 전기펄스에 동조시키게 할 수도 있다.

한편, 상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 파장이동 레이저 광원은, 특정 파장대역에서 광을 증폭할 수 있는 광 이득매질과, 최소손실 중심주파수영역을 가지는 파장가변필터와, 광의 주파수를 변환시키는 주파수변환기를 광경로에 포함하는 공진기; 상기 광 이득매질의 밀도반전을 위한 광 펌핑수단; 상기 파장가변필터의 최소손실 중심주파수영역을 시간에 대해 연속적으로 변화시키기 위한 필터변조 신호발생수단; 및 상기 주파수변환기의 주파수변환의 크기가, 상기 공진기 일주시간동안 상기 파장가변필터의 중심주파수 변환량의 크기와 대략 비슷하도록 조절하여 광펄스의 발생을 억제하는 수단을 구비하여, 광출력이 연속발진형태를 갖고 그 중심 주파수가 시간에 따라 연속적으로 이동하도록 한 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 주파수변환기로서, 일정 주파수의 교류 전기신호로 구동되며, 그 전기신호로부터 발생된 음파에 의해 광의 굴절현상과 도플러 이동현상을 주는 음향광학 주파수변환기를 사용할 수 있다.

아니면, 상기 주파수변환기 및 파장가변필터의 역할을 한 개의 음향광학 파장가변필터가 담당하며, 상기 파장가변필터의 중심주파수를 이동시키기 위해 상기 파장가변필터에 인가되는 전기신호의 주파수가 시간에 대해 작은 양만큼 변화하고, 주파수변환의 방향은 필터 주파수 이동방향과 같으며, 공진기 일주당 주파수변환의 크기와 필터 중심주파수 이동크기가 대략 같도록 조절하여도 무방하다.

상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 파장이동 레이저 광 생성방법은, 최소손실 중심주파수영역을 가지는 파장가변필터와, 광의 주파수를 변환시키는 주파수변환기를 광경로에 포함하는 공진기를 마련하는 단계; 상기 주파수변환기에 의해 광 주파수를 일정 크기 f_FS만큼 변환시키는 단계; 상기 파장가변필터의 중심주파수가 상기 공진기 일주 시간동안 f_FI만큼 연속적으로 변화하도록 하는 단계; 및 상기 공진기 내의 레이저 스펙트럼이 항상 상기 파장가변필터의 중심주파수 부근에서 발진하도록 f_FS와 f_FI가 대략 같은 값을 갖도록 상기 파장가변필터를 조절하는 단계를 구비함으로써, 광펄스 발생이 억제되고 연속발진성분이 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

요약하자면, 본 발명의 파장이동 레이저 펄스광원 및 이러한 레이저 펄스광를 생성하는 방법은, 파장이동 레이저의 경우에 적용되는 모드록킹 방법으로서 공진기 안에 설치한 비선형 매질이 충분한 크기의 비선형 위상을 줄 수 있다면 자발적으로 모드록킹이 발생할 수 있다는 새로운 원리를 제시하고 있다. 펄스는 자기위상변조 효과를 통해 스펙트럼 퍼짐을 겪으면서 연속발진 성분보다 파장이동 필터에 의한 광손실을 적게 겪기 때문에 모드록킹이 발생한다. 이 방법은 모드록킹을 위해 기존의 고가의 변조기나 별도의 포화흡수체를 사용하지 않고도 수 십 피코초(pico second)의 짧은 광펄스를 안정되게 얻을 수 있다는 점에서 활용가치가 크다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 파장이동 레이저의 개략적 구성도들로서, 도 1a는 공진기의 구조를 선형으로, 도 1b는 공진기의 구조를 고리형으로 각각 구성한 경우를 나타낸 것이다.

도 1a를 참조하면, 대향하는 반사경들(110, 112) 사이를 광이 왕복하면서, 이득매질(120)에 의해 광세기가 증폭된다. 광 펌핑수단(122)은 이득매질(120)에 의한 레이저 발진이 가능하도록 에너지 준위사이에서의 전자밀도반전을 일으킨다. 파장가변필터(130)는 일정한 파장영역의 광만을 통과시키거나 반사시키는 소자이다. 파장가변필터(130)의 필터파장을 변조하기 위해 파장가변필터(130)에 인가되는 신호는 전기신호발생기(132)에 의해 공급된다. 전기신호발생기(132)는 여러 가지 형태의 주기적 전기신호를 파장가변필터(130)에 공급할 수 있다. 전기신호발생기(132)에 의해 파장가변필터(130)의 중심주파수를 시간에 대해, 예컨대 톱니파나 삼각파 형태로 변화시킬 수 있다. 한편, 비선형 매질(140)은 광의 세기에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 지닌 것으로서, 예를 들어 굴절률이 수학식 1을 만족하는 형태로 정해질 수 있다.

n=n₀+n₂I

여기서, n₀ 는 상수이며, I 는 광세기, n₂ 는 비선형계수를 각각 나타낸다.일반적인 물질에서 n₂ 는 양수이지만 음수를 갖는 물질도 본 실시예에서 사용될 수 있다. 비선형 매질에 짧은 광펄스가 통과할 때 광세기가 시간에 따라 달라지므로, 소위 자기위상 변조효과가 발생하여 펄스의 앞쪽과 뒤쪽에서 광주파수가 서로 다른 부호로 변화를 겪게 되고 펄스의 스펙트럼이 전체적으로 퍼지는 현상이 일어난다. 이 스펙트럼 퍼짐현상은 본 발명에 관련한 모드록킹에 필수 요소 중의 하나이다.

경우에 따라서 이득매질(120)의 한쪽 면이 반사경(110)을 대체할 수 있다. 예를 들어, 이득매질(120)로서 반도체 증폭기를 사용할 경우, 비선형매질(140) 및 파장가변필터(130)로 향하는 면은 무반사 코팅을 하고 그 반대쪽 면은 고반사 코팅을 하거나 수직으로 잘라서 반사경 역할을 할 수 있다. 만약 파장가변필터(130)가 브래그 격자와 같이 반사형일 경우, 반사경(112)을 대체할 수 있다. 공진기 내의 소자를 잇는 광경로(150)는 그냥 자유공간일 수도 있고 단일모드 광섬유와 같이 광도파로로 구성될 수도 있다. 광섬유로 구성될 경우 그 자체가 비선형 계수를 가지므로 별도의 비선형 매질(140)이 필요하지 않을 수 있다. 이득매질(120), 비선형 매질(140) 및 파장가변필터(130)의 놓인 순서는 서로 바뀌어도 무방하다.

공진기의 구조가 고리형인 경우, 자유공간인 다수의 광경로와 다수의 반사경을 사용하여 구성할 수 있고, 도 1b에 도시한 바와 같이 반사경을 별도로 설치하지 않고 광경로(150)를 광섬유로 구성할 수도 있다. 도 1a에서와 마찬가지로 이득매질(120), 비선형 매질(140) 및 파장필터(130)가 사용되며, 추가로 한쪽방향으로만 빛을 통과시키는 광고립기(160)가 사용될 수도 있다. 고리형 공진기의 경우에는 반사형 이득매질이나 반사형 필터는 사용할 수 없다. 단일모드 광섬유가 충분한 크기의 비선형 굴절률 변화를 줄 경우에는 별도의 비선형 매질(140)이 반드시 필요하지는 않다.

이와 같이 구성된 파장이동 레이저의 작동원리에 대해 설명하기로 한다.

중심주파수가 시간에 따라 변화하지 않고 고정되어 있는 필터를 사용하는 기존의 레이저에서 만일 이득매질이 균일퍼짐(homogenous broadening)을 가진 경우, 필터의 중심주파수와 가장 가까운 공진기 모드 하나만이 발진하게 된다. 하지만, 중심주파수가 시간에 대해 연속적으로 변하는 파장이동 레이저에서는 그렇지 않다. 먼저 레이저에 비선형 매질이 없는 경우를 살펴보자. 이 경우 레이저의 출력은 연속발진이며 그 스펙트럼은 도 2a와 같이 나타낼 수 있다. 도 2a의 가로축은 광 주파수를, 세로축은 광의 세기 또는 유효 이득률을 각각 나타낸다. 이득곡선(210)은 주파수에 따른 공진기 내의 유효 이득률인데 파장필터로 인하여 필터중심(220)에서 최대값을 갖고 중심에서 멀어질 수로 필터폭에 의해 결정되는 폭을 갖고 급격히 감소한다. 이 경우 필터의 중심주파수는 시간에 대해 일정한 속도로 오른쪽으로 이동하고 있다고 가정한다. 화살표(222)는 중심주파수 이동의 속도벡터를 나타낸다. 필터의 이동속도가 커서 하나의 공진기 모드가 자발방출 빛으로부터 증폭되어 이득매질을 단독으로 포화시킬 만큼의 에너지를 가질 만큼의 공진기 순환을 허락하지 않는다면 공진기 모드 하나만이 발진할 수 없고 여러 개의 종모드가 한꺼번에 존재하게 된다. 즉, 필터의 중심파장이 단위시간당 변하는 양 V가 수학식 2에 정의된 임계속도 Vc보다 크다면 레이저가 여러 개의 종모드로 발진한다.

V_c=ln(r)Δ⁴/b²

여기서, Δ(=λ²/L)는 공진기 모드간의 파장간격, b는 파장필터의 반치 파장폭, ln(r)은 각 모드가 갖는 최대 광세기와 최소 광세기의 비율의 자연로그로서 대부분의 경우 15에서 25의 값을 갖는다.

스펙트럼곡선(230)은 어느 한 순간에서의 레이저 스펙트럼의 모양을 나타낸다. 스펙트럼곡선(230)은 종모드 간격보다 훨씬 넓은 선폭(232)을 가지며, 스펙트럼중심(234)이 필터중심(220)으로부터 중심주파수 이동방향의 반대 방향으로 일정한 옵셋(236)만큼 떨어진다. 선폭(232)과 옵셋(236)은 대략적으로 필터 반치폭의 2/3제곱에 필터의 이동속력의 1/3제곱에 비례하는 값을 가짐이 알려져 있다.

직선(240)은 이득률이 1이 되는 선을 나타낸다. 이득률이 1보다 큰 주파수 영역에서는 광의 세기가 증가하며, 이득률이 1보다 작은 주파수 영역에서는 광의 세기가 감소한다. 즉, 스펙트럼(230)에서 필터중심에 가까운 쪽(250)은 이득을 얻어 광세기가 커지고 그 반대쪽(252)은 광손실을 겪어 광세기가 감소한다. 따라서 일정한 시간이 흐른 후에는 스펙트럼이 전체적으로 오른쪽으로 이동하게 된다. 이런 과정이 되풀이되면서 레이저 스펙트럼이 필터의 중심주파수 이동에 따라 함께 이동하게 되는 것이다. 스펙트럼이 이동하면서 앞쪽에 있는 주파수 성분(도 2a에서 가까운 쪽(250) 부근과 그 오른쪽에 있는 성분)들은 필터의 중심주파수가 이동해 오면서 이득매질에서 자발 방출된 광으로부터 성장하게 된다. 자발 방출광은 주파수 성분마다 위상관계가 없는 잡음같은 특성을 가지고 있으므로, 이 경우 파장이동 레이저의 출력은 연속발진임은 물론이며 증폭된 자발방출(Amplified Spontaneous Emission)광과 같은 통계적 특성을 갖게 된다.

한편, 필터의 중심주파수가 시간에 대해 삼각파 형태로 이동한다면 레이저의 발진 파장은 도 2b에 도시한 바와 같이 변하게 된다. 일정한 주기를 가지고 선형적으로 파장 증가(260)와 감소(262)를 반복하게 된다. 파장이동의 반복주기(270)는 필터의 튜닝속도와 레이저 이득매질의 완화속도에 의해 일정한 값을 넘을 수 없다. 특히, 파장이동 반복률이 레이저 공진기의 완화진동 주파수와 비슷해지면 완화진동이 크게 일어나게 된다. 따라서, 반복률을 증가시키기 위해서는 동적 특성이 빠른 이득매질과 튜닝속도가 빠른 파장필터가 필수적이다. 한편 파장이동 영역(280)은 필터의 튜닝 범위와 이득매질의 대역폭에 의해 최대값이 결정된다. 희토류 첨가 광섬유의 경우는 최대 수 십 ㎚까지 파장을 이동할 수 있고 몇몇 반도체나 고체 결정에서는 100㎚ 이상도 파장이동을 할 수 있다.

이제 공진기 안에 비선형 매질이 있는 경우를 살펴보자. 만일 공진기 안에 작은 광펄스가 생성되었다고 가정하자. 이 경우, 앞서 언급한 데로 비선형 매질의 자기위상변조 현상이 일어나서 스펙트럼이 넓어지게 된다. 이 넓어진 성분들은 자발 방출광과는 달리 각 주파수 성분마다 일정한 위상관계를 갖고 있다. 만약 그 성분이 필터의 중심주파수 부근 영역에서 자발 방출광의 세기보다 크다면 이 영역에서 발달할 레이저 스펙트럼은 주파수 성분마다 특정한 위상관계를 갖게 될 것이다. 이렇게 모드간에 위상 관계가 성립되는 것이 모드록킹이며 이 경우 레이저광이 펄스의 형태를 띄게 된다.

모드록킹된 펄스는 스펙트럼 퍼짐 현상으로 인해 필터가 이동할 주파수영역에 에너지를 전달하기 때문에 이 영역에서 광이 더 빨리 발달할 수 있게 된다. 따라서, 도 2a에 나타나 있는 스펙트럼중심(234)과 필터중심(220)의 차이, 즉 옵셋(236)이 감소하게 된다. 옵셋(236)이 감소하면 필터에 의한 광손실이 감소하므로 더 큰 에너지의 빛을 얻을 수 있다. 즉, 펄스가 연속발진 성분보다 더 작은 광손실을 겪으므로 발진하기에 유리하다. 모드록킹의 전제조건으로는 필터중심 부근에서 비선형 매질에 의해 생성된 스펙트럼 성분이 이득매질에서 자발 방출된 광성분과 비슷하거나 이보다 더 큰 세기밀도를 가져야 한다. 따라서, 모드록킹 문턱을 낮추기 위해서는 비선형 계수를 늘리거나 자발 방출광이 작은, 즉 잡음수치가 낮은 이득매질을 사용해야 한다.

이득매질로는 희토류 첨가 광섬유, 희토류 첨가 평면 광도파로, 반도체 증폭기, 타이타늄 첨가 사파이어 결정, Nd-YVO₄등이 있다. 파장필터로는 패브리-페로 필터, 음향광학 필터, 반사형 브래그 격자, 광섬유 브래그 격자, 음향광학 빔 방향조정기(beam deflector)와 반사형 브래그 격자로 구성된 필터, 빔 방향조정기와 반사경으로 구성된 필터, 광도파로 빔 방향조정기와 반사형 브래그 격자, 광도파로 빔 방향조정기와 반사경으로 구성된 필터 등이 사용 될 수 있다. 비선형 매질로는 반도체 포화흡수체, 단일모드 광섬유 등이 사용될 수 있고, 희토류 첨가 광섬유나 타이타늄 첨가 사파이어 결정 등과 같이 비선형 계수가 큰 이득매질을 사용할 경우 별도의 비선형 매질이 필요하지 않다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 파장이동 레이저의 구성도이다.

본 실시예에서는 일반 통신용 단일모드 광섬유로 된 고리형 공진기 내에, 1550㎚에서 흡수율이 약 12dB/m인 어븀첨가 광섬유(310)를 이득매질로서 사용하였다. 도 3을 참조하면, 광섬유 파장분할결합기(312)를 통해 레이저 다이오드(314)에서 1470㎚의 펌프광이 입사된다. 파장필터(320)로서는, 압전소자로 튜닝되는 패브리-페로 에탈론 필터가 사용되었다. 파장필터의 반치폭은 0.23㎚였고, 자유파장변환영역(free spectral range)은 33㎚였다. 이 파장필터(320)는 1V의 인가전압 변화에 따라 14㎚만큼 중심파장이 변화하는 특성을 가지고 있었다. 본 실시예의 파장이동 레이저를 구동시킴에 있어서, 주파수 발생기(322)에서 2V 진폭의 삼각파를 발생시켜서 파장필터의 중심파장이 약 28㎚ 영역을 선형 왕복하도록 하였다. 레이저 출력은 50% 결합률을 가지는 광섬유 분할기(330)를 통해 얻어진다. 공진기 안에는 두 개의 편광 조절기(340, 342)를 두어 레이저 편광을 조절하였다. 모드록킹 발생 여부는 편광상태에 무관하였지만 가장 안정된 펄스를 얻기 위해서는 편광 조절이 필요하였다. 이득매질 양단에 광고립기(350, 352)를 두어 한 쪽 방향으로만 레이저가 발진하도록 하였다. 광고립기가 없을 때에는 양방향으로 모드록킹이 발생한다. 공진기의 총 길이는 17.2m였고, 광손실은 필터에서 약 4dB, 출력 광분할기에서 3dB, 광고립기에서 0.5dB 등 총 10dB 정도였다. 공진기 내의 광섬유가 모두 실리카 재료를 기본으로 제작되었기 때문에 비슷한 크기의 비선형 계수를 갖고 있지만 대부분의 자기위상변조는 빛의 세기가 가장 크고 모드직경이 작은 영역인 어븀첨가 광섬유의 끝의 몇 미터 길이에서 발생할 것이다. 보통 단일모드광섬유에서는 모드직경이 9미크론(micron)인데 반하여 어븀첨가 광섬유는 약 3.6미크론 밖에 되지 않는다.

도 4는, 도 3에 도시한 레이저에 대해, 펌프광 세기를 변화시켜가며 측정한 레이저 출력세기의 그래프이다. 점선(410)은 파장필터에 일정한 전압을 인가하여 레이저 출력파장이 1550㎚일 경우이고, ○를 연결한 선(412)과 □를 연결한 선(414)은 필터에 2V 진폭으로 각각 200㎐, 600㎐ 주파수의 삼각파를 인가했을 경우의 실험결과이다. 모든 경우 펌프광이 약 4㎽일 때 레이저가 문턱을 넘어 연속발진을 시작한다. 필터가 변조되지 않을 때는 펌프광에 선형적으로 비례하도록 레이저 출력광이 얻어졌다. 필터가 변조될 경우, 발진 초기에서는 연속발진이 얻어지지만, 원형표시부(420)에 도시한 바와 같이 펌프광이 25㎽보다 강할 때는 모드록킹된 펄스 출력이 얻어졌다. 원형표시부(420)에서 직선의 기울기가 변화하는 것으로부터 알 수 있듯이, 모드록킹이 시작될 때는 갑자기 레이저 출력세기가 증가하게 되는데, 이는 앞서 언급했던 바와 같이 펄스가 형성되어 공진기 내의 유효 광손실이 감소했다는 것을 의미한다.

도 5a는, 도 3에 도시한 레이저에 대해, 펌프광 세기가 약 35㎽일 때의 레이저출력을 50㎒ 대역폭을 갖는 광감지기와 오실로스코프로 측정한 사진이다.

위에 보이는 신호(430)는 필터에 인가된 2V, 250㎐의 삼각파이다. 아래에 보이는 신호(440, 442)는 모드록킹된 펄스열을 보여준다. 이 사진에서 각각의 펄스를 구별하기는 곤란하나, 삼각파에서 전압이 증가할 때는 출력파장이 증가한 신호(440)를 얻고, 삼각파에서 전압이 감소할 때는 출력파장이 감소한 신호(442)를 얻는 것을 알 수 있다. 펄스열의 높이가 파장에 따라 일정하지 않은 것은 주로 파장변화에 따른 어븀첨가 광섬유의 이득률 차이 때문이며, 그 양상이 파장이 증가할 때와 감소할 때가 다른 것은 주로 필터의 비대칭적인 면에 기인한다고 생각된다. 공진기 일주 주기가 83㎱이고 파장이동의 반주기가 2㎳이므로, 파장이 27㎚영역에서 증가한 신호(440)나 감소한 신호(442)에서 발생되는 펄스의 수는 각각 약 24100개이다.

도 5b는 도 5a의 결과를 더 짧은 시간간격에 대해 오실로스코프로 측정한 사진이다. 도 5를 참조하면, 공진기 일주시간 간격에 해당하는 간격(450)으로 펄스가 한 개씩 구별되어 나타나 있으나, 펄스의 발생 타이밍은 필터에 인가되는 전기신호와 동조되어 있지 않았음을 알 수 있다. 타이밍의 시간요동은 100㎱ 이상으로 오실로스코프에서 전기신호를 트리거(trigger)로 사용할 경우 파장이동이 반복될 때 모두 다른 임의의 위치에서 펄스가 발생하는 것을 볼 수 있었다. 그 이유는 모드록킹이 노이즈 펄스에서부터 시작되기 때문인 것으로 생각된다. 필터가 튜닝되면서 발생하는 혼돈 특성의 진동도 또 한가지 원인으로 생각된다. 따라서, 펄스의 타이밍을 조절할 수 있도록 하기 위해서는, 필터에 인가되는 전기신호의 각 주기의 앞부분에 임펄스를 실어서 순간적으로 노이즈 광펄스를 발생시킴으로써 펄스의 타이밍을 동조시킬 수 있다. 다른 방법으로는 진폭변조기나 위상변조기를 공진기에 설치하고 공진기 종모드 주기에 맞추어 변조를 시켜주어 펄스가 진폭 최대시간이나 위상이 변하지 않는 시간에 발생하도록 하는 방법이 있다. 반도체 증폭기를 이득매질로 사용할 경우는 증폭기에 인가하는 전류를 공진기 종모드 주기나 그 배수로 변조하여 펄스에 대한 이득이 가장 높은 시간에 펄스가 발생하도록 하는 방법도 있다.

도 6은, 도 5a의 실험조건에서, 광 스펙트럼 분석기를 이용해 최대값 고정 (peak-hold)모드로 레이저 출력 스펙트럼을 측정한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 레이저 스펙트럼이 순간적으로는 좁은 선폭을 갖지만 오랜 시간동안 최대값만을 측정하면 최소파장(460)인 1538㎚에서 최대파장(462)인 1565㎚ 사이의 27㎚ 영역을 덮고 있음을 보여준다. 이 파장이동 폭은 필터에 인가되는 신호의 진폭을 조절함으로써 변화시킬 수 있다.

도 7a는 도 3의 파장이동 레이저에 대한 레이저 스펙트럼의 순간 선폭을 측정하기 위해서 사용되었던 장치의 구성도이다. 도 7a를 참조하면, 파장이동 레이저(510)의 출력을 마이켈슨 간섭계에 입사시키고 그 출력을 광감지기(520)와 오실로스코프로 받았음을 알 수 있다. 레이저 출력은 50% 광섬유 결합기(530)를 거쳐 마이켈슨 간섭계의 두 팔(532, 534)로 나뉜다. 두 팔의 광경로차는 반사경(536)을 선형으로 움직여서 0을 중심으로 약 4㎝ 정도까지 조절할 수 있다. 편광조절기(538)를 조절하여 두 팔을 지나는 광의 편광이 반사후 광결합기(530)에서 만날때 같은 상태가 되도록 하였다. 광경로차가 L일 때 이 간섭계는 파장에 대한 투과율이 λ²/L 주기의 코사인의 제곱 형태를 갖는 필터의 역할을 한다. 레이저의 출력파장이 시간에 대해 변하므로 간섭계를 통과한 후의 광세기는 시간에 대해 주기적으로 변한다. 그 변조신호의 간섭도를 측정하여 레이저 선폭을 측정할 수 있다.

도 7b는 도 7a의 장치를 사용하여 광경로차가 2㎜일 때 광 감지기에서 검출된 신호를 오실로스코프로 본 사진이다. 광세기가 변조된 파장간격은 1.2㎚, 파장이동 반복률은 250㎐였다. 파장이 증가하거나 감소하는 시간동안 약 22.5개 사이클이 들어 있으므로 전체 파장이동 폭은 27㎚인 것을 알 수 있다. 각 파장이동의 첫부분(540)에서의 세기변조 사이클의 시간간격이 다른 곳에서의 것에 비해 약간 더 큰 것은 필터의 압전소자의 반응이 충분히 빠르지 않고 비선형으로 움직이고 있기 때문이다.

도 7c는 도 7a의 장치에서 파장이동 반복률이 600㎐일 때 광경로차를 변화시키면서 간섭도를 측정한 결과이다. 파장이 감소하고 있을 때(곡선:550)와 파장이 증가하고 있을 때(곡선:552)를 구별하여 측정하였다. 실험결과는 크기비가 3:1, 선폭비가 1:3 정도인 두 개의 가우시안 함수로 잘 근사되었다. 이로부터 레이저 스펙트럼 모양이 단순 가우시안 함수꼴에서 벗어난 형태라는 것을 알 수 있다. 스펙트럼이 가우시안 형태가 아닌 이유는 비선형 매질의 효과가 너무 커서 자기위상변조가 너무 크게 일어나기 때문이다. 비선형성이 더 작거나, 파장이동속도가 더 크거나, 또는 필터폭이 더 작은 경우에는 단일 가우시안 스펙트럼이 얻어질 것이고, 펄스 모양도 가우시안 형태를 갖게 될 것이다. 펌프광의 세기를 늘려서 자기위상변조를 더 크게 하면 레이저 출력세기가 불안해지는데 이 역시 비선형성이 너무 커서 레이저 펄스가 여러 개로 나뉘어지려는 경향 때문이다.

도 7c를 참조하면, 파장 증가시(곡선:552)의 간섭도가 파장 감소시(곡선:550)의 간섭도보다 광경로차에 대해 더 급격히 감소하는 것을 보아 파장 증가시 레이저 선폭이 더 넓다는 것을 알 수 있다. 이 현상은 패브리-페로 필터가 갖는, 주파수에 대한 3차 색분산 효과로 잘 설명된다. 앞서 기술한 대로 파장이 증가, 감소할 때 레이저 스펙트럼의 위치는 필터 중심에 대해 각각 다른 방향으로 옵셋을 갖게 된다. 그런데, 필터에 의한 색분산을 구해보면 필터 중심주파수보다 큰 주파수 영역은 소위 이상 색분산 영역이고, 중심 주파수보다 작은 영역은 정상 색분산 영역이다. 레이저 파장이 증가할 때는 스펙트럼이 필터 중심주파수보다 더 큰 영역에 있게 되는데, 이상 색분산과 비선형 매질에 의한 자기위상변조가 펄스가 짧아지는 솔리톤 효과를 주게 되어 펄스폭이 감소하고 스펙트럼은 더 넓어진다. 그 반대로 레이저 파장이 감소할 때는 필터에 의한 분산이 펄스를 넓히는 역할을 하여 펄스폭이 증가하고 스펙트럼은 상대적으로 더 좁게 된다. 필터폭이 1㎚ 이하인 경우 필터에 의한 분산 효과가 수 십 m의 광섬유가 주는 분산 보다 훨씬 크기 때문에 광섬유의 색분산 효과는 무시할 수 있다. 하지만, 음향광학 필터를 사용할 경우는 필터의 특성상 이런 비대칭성은 없다. 한편, 자기위상변조가 너무 큰 경우에는 옵셋의 부호가 반대가 될 수 도 있는데 이 경우 펄스의 모양은 가우시안 형태에서 더욱 벗어나고 위에 언급한 비대칭성도 복잡한 양상을 띄게 될 것이다.

광펄스의 폭은 2차 고조파 발생을 이용한 자기상관계를 사용하여 측정하였다. 실험에서는 모든 경우에 대해서 펄스의 모양이 가우시안에 상당히 근접하게 측정되었다. 파장이동 반복률이 1㎑일 때 파장 증가와 파장 감소 때를 나누어 펄스폭을 측정하였는데, 차이가 10%정도로 파장 감소일 때가 더 크게 측정되었다. 이 결과는 파장 감소일 때 선폭이 약 10% 더 짧았던 것과 일치한다.

도 8은 전산시늉(simulation)을 통해 도 3의 광섬유 파장이동 레이저의 출력 스펙트럼과 광펄스 모양을 계산한 결과그래프이다. 전산시늉에 사용된 공진기 광손실, 어븀첨가 광섬유의 이득률, 공진기 길이, 광섬유 색분산, 파장필터의 선폭, 비선형 계수 등의 파라미터는 모두 실제 실험에서 사용되었던 값을 기준으로 하였고, 유효 비선형 매질의 길이를 자유파라미터로 하여 실험결과와 가장 가까운 결과를 내는 값을 취하였다. 그 값은 공진기 내의 광의 세기가 가장 클 때의 값을 기준으로 했을 때 사용된 어븀첨가 광섬유의 2m 길이에 해당하였다. 도 8의 결과는, 파장이동영역이 28㎚, 반복률이 250㎐이고, 레이저 출력 광세기가 2.1㎽인 경우의 전산시늉 결과이다. 도 8a 및 도 8b는 각각 필터 주파수가 공진기 일주시간동안 150㎒만큼 증가할 때, 즉 레이저 출력파장이 1.2pm만큼 감소할 경우에 스펙트럼과 펄스모양이고, 도 8c와 도 8d는 필터 주파수가 같은 속도로 감소할 때의 스펙트럼과 펄스 모양이다. 스펙트럼의 최대값이 필터 중심 즉 유효 이득률 곡선의 중심에서 벗어난 것과 단순 가우시안 형태가 아닌 것이 뚜렷이 보인다. 따라서, 광펄스 모양도 단순 가우시안 형태에서 약간 벗어난 것이 분명히 나타나 있다. 펄스폭과 선폭을 곱한 값은 파장감소 경우가 0.43, 파장증가 경우가 0.47였다.

전산시늉에서 비선형 매질의 유효길이를 2m보다 수 배정도 더 작은 양을 취하면, 스펙트럼의 옵셋이 증가하며 스펙트럼 모양과 펄스 모양이 모두 가우시안 형태를 갖게 된다. 반면에 유효길이를 2m에서 점점 더 증가시키면, 스펙트럼이 불안한 단계를 거쳐 몇 개의 조각으로 나뉘고 다수의 광펄스가 생성되는 상태가 얻어진다. 이는 전술한 바와 같이 단일 펄스로는 공진기 안에 자기위상변조가 너무 크기 때문에 여러 개의 펄스로 나뉘어져서 자기위상변조 효과를 감소시키는 것이 보다 안정된 상태가 되기 때문이다.

도 9a 및 도 9b는 도 3의 광섬유 파장이동 레이저의 펄스폭과 선폭에 대한 측정결과와 전산시늉결과를 비교한 그래프들이다.

측정값은 파장이 증가할 때와 감소할 때를 구별하지 않고 얻어진 것이다. 도 9a의 점(■)들은 파장이동 반복률이 각각 100㎐(610), 200㎐(612), 600㎐(614)일 때의 측정결과이다. 가로축은 필터 중심주파수가 공진기 일주시간동안 이동한 양으로 환산하여 나타내었다. 곡선 620과 곡선 622는 각각 파장이 감소, 증가 할 경우 전산시늉의 결과이다.

선폭은 파장 증가와 감소 경우를 나누어 측정하였다. 도 9b에서 점 650과 점652는 파장 증가의 경우 파장이동 반복률이 각각 200㎐, 600㎐일 때 측정된 값이고, 점 654와 점 656은 그 각각의 반복률에서 파장 감소의 경우 측정한 값이다. 곡선 660과 곡선 662는 각각 파장 증가와 감소의 경우 전신시늉 결과이다. 측정값과 전산시늉 결과가 절대값에서는 약간의 차이를 보이지만, 파장이동 속도에 따른 변화 경향성과 방향에 따른 비대칭성에 있어서는 서로 잘 일치한다.

결론적으로 본 실시예에서는 파장이동 광섬유 레이저에서 특별히 다른 광소자, 예컨대 고가의 변조기나 별도의 포화흡수체의 도움없이도 100피코초 정도의 폭을 갖는 광펄스를 안정되게 얻을 수 있었다.

앞서 기술한 이 모드록킹의 기본조건 중의 하나는 필터의 주파수가 연속적으로 이동하여 레이저 스펙트럼에 비대칭적인 광손실을 준다는 것이다. 따라서, 만일 광 스펙트럼을 필터의 움직임과 같은 속도로 이동시켜 준다면 모드록킹은 발생하지 않을 것이다. 따라서, 이 원리에 입각하여 본 발명의 다른 실시예에 따른, 연속발진을 얻을 수 있는 파장이동 레이저 광원을 구성할 수 있다.

이러한 파장이동 레이저 광원은 도 3에 도시된 레이저 공진기 내의 출력 광분할기(330)와 광고립기(362)사이에 음향광학 주파수변환기를 설치함으로써 구성할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 이 주파수변환기는 54㎒ 주파수의 교류신호로 구동되며, 1550㎚ 부근의 100㎚에 이르는 넓은 영역에서 투과율이 거의 일정하고 54㎒만큼 광의 주파수를 증가시켜 준다. 이 소자로 인하여 공진기 길이가 19.2m로 증가하였다. 따라서, 주파수 변환양과 같은 속도인 580㎓/㎳로 필터중심을 이동시키기 위해서는, 파장이동 폭 28㎚의 경우, 이론적으로 필터에 인가된 삼각파의 주파수가 약 83㎐가 되어야 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 파장이동 레이저 광원에 있는 음향광학 주파수변환기에 주파수 77㎐, 진폭 2V의 삼각파 전기신호를 인가하고 레이저 출력을 관찰한 오실로스코프 사진을 도 10에 나타내었다.

삼각파의 전압이 증가할 때(710), 즉 레이저 출력 주파수가 감소할 때(712)는 필터중심의 이동방향이 주파수 변환 방향과 반대이므로 모드록킹이 발생하여 펄스가 발생된다. 하지만, 전압이 감소하여(720) 레이저 출력 주파수가 증가할 때(722)는 레이저 빛이 필터 이동 속도에 맞추어 주파수 변환을 겪기 때문에 항상 필터의 중심에서 발진을 할 수 있으므로 모드록킹이 억제되고 대신 연속발진을 하고 있다. 주파수 변환과 파장필터 이동의 속도가 가장 잘 맞는 곳은 724 부근인 것으로 생각된다. 필터 내의 압전소자의 비선형성으로 인하여 실제로 필터 중심이 완벽히 선형으로 움직이고 있지 못하므로 726과 같은 곳은 파장이동과 주파수 변환이 수 ㎐만큼 차이가 나고 있다. 이 곳에서는 모드록킹이 되지는 않은 상태이지만 레이저의 출력광 세기가 완화진동을 동반하며 상당히 불안함을 알 수 있다.

즉, 주파수변환기의 주파수변환의 크기가, 공진기 일주시간동안 파장가변필터의 중심주파수 변환량의 크기와 대략 비슷하도록 조절하여 광펄스의 발생을 억제하는 수단을 구비함으로써 연속발진을 얻을 수 있다.

이와 같은 파장이동 레이저의 연속발진은 다음과 같은 방법을 통해 이루어진다.

우선, 최소손실 중심주파수영역을 가지는 파장가변필터와, 광의 주파수를 변환시키는 주파수변환기를 광경로에 포함하는 공진기를 마련한다. 그 다음, 주파수변환기에 의해 광 주파수를 일정 크기 f_FS만큼 변환시키고, 파장가변필터의 중심주파수가 상기 공진기 일주 시간동안 f_FI만큼 연속적으로 변화하도록 한다. 그리고, 공진기 내의 레이저 스펙트럼이 항상 상기 파장가변필터의 중심주파수 부근에서 발진하도록 f_FS와 f_FI가 대략 같은 값을 갖도록 상기 파장가변필터를 조절하면, 광펄스 발생이 억제되고 연속발진성분이 유지된다.

결론적으로 이 두 번째 실시예에서는 주파수 변환기를 사용하여 필터의 이동속도와 주파수 변환의 속도를 맞추어 주어서 모드록킹을 억제하고 연속발진을 얻을 수 있음을 보였다.

도 11a와 도 11b는 이러한 파장이동 레이저의 응용에 대한 개념도를 보여준다.

도 11a는 파장이동 레이저(810)의 출력을 자유공간이나 광섬유 등의 광경로(820)를 거쳐 파장필터나 비선형 효과를 이용한 광 스위치 등의 광소자, 혹은, 격자 센서나 간섭계형 광센서, 혹은 광섬유 통신 시스템 등의 광시스템(830)을 투과시켜 광검출기(840)로 측정할 경우 이 광시스템의 파장 특성을 시간영역에서 분석할 수 있다. 파장이동 반복률이 빠를 경우, 기존의 느린 스펙트럼 분석기로는 불가능하던 빠른 동적 특성을 파악할 수도 있다.

도 11b는 광분할기(850)를 이용해 광시스템(830)에서 반사된 빛의 파장특성을 측정하는 경우이다.

상기한 본 발명의 파장이동 레이저 광원 및 파장이동 레이저 광 생성방법에 따르면 여러 가지 광학소자 및 시스템의 진단이 가능하며, 광센서 및 파장분할 다중방식의 광통신에 다양하게 응용할 수 있다.

Claims (22)

1. 넓은 파장대역에서 광을 증폭할 수 있는 광 이득매질과, 최소손실 중심파장영역을 가지는 파장가변필터와, 광세기에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 갖는 비선형 매질을 광경로에 포함하는 공진기;

   상기 광 이득매질의 밀도반전을 위한 광 펌핑수단; 및

   상기 파장가변필터의 최소손실 중심파장영역을 시간에 대해 연속적으로 변화시키기 위한 필터변조 신호발생수단을 구비함으로써 광출력이 모드록킹된 짧은 펄스형태인 동시에 그 중심파장이 시간에 대해 연속적으로 이동되는 레이저 펄스광원.
2. 제1항에 있어서, 상기 광 이득매질이, 희토류이온이 첨가된 단일모드 광섬유, 희토류이온이 첨가된 단일모드 평면 도파로, 타이타늄 첨가 사파이어 및 Nd-YVO₄로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
3. 제1항에 있어서, 상기 광 이득매질이 반도체 증폭기인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
4. 제3항에 있어서, 상기 광 펌핑수단이 전류를 공급하는 전류발생기로서, 그 전류의 세기가 상기 공진기의 종모드 간격 또는 그 간격의 정수배인 주파수로 변조되어 상기 반도체 증폭기의 이득률을 변조함으로써 모드록킹된 상기 광펄스의 발생을 돕고, 펄스발생 타이밍을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
5. 제1항에 있어서, 상기 파장가변필터가, 음향광학 파장가변필터, 패브리-페로 간섭계형 파장가변필터, 회전에 의해 그 반사 중심파장이 가변되는 반사형 회절격자로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
6. 제1항에 있어서, 상기 파장가변필터가:

   진행하는 광의 방향을 조절할 수 있는 빔 방향조절기와;

   빔 방향에 따라 투과 또는 반사되는 광이 공진기에 결합될 때 특정 파장영역에서 광손실을 적게 줄 수 있는 광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
7. 제6항에 있어서, 상기 빔 방향조절기가, 음파의 주파수에 따라 방향이 조절되는 음향광학 변조기인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
8. 제6항에 있어서, 상기 빔 방향조절기가, 광을 여러 경로로 나눈 후 다시 모았을 때 각각의 광 위상차에 따라 방향이 조절되는 다중 위상어레이인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
9. 제1항에 있어서, 상기 비선형 매질이 일정 길이의 단일모드 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
10. 제1항에 있어서, 상기 비선형 매질이 반도체를 포함하여 자기위상 변조효과를 향상시키고 광세기에 따라 흡수율이 감소하는 포화흡수체의 역할을 하여 모드록킹된 광펄스의 발생을 돕는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
11. 제1항에 있어서, 상기 이득매질이 하나의 광소자로서 상기 비선형 매질의 역할까지 수행하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
12. 제11항에 있어서, 상기 이득매질이, 비선형 굴절률 변화가 큰 희토류이온 첨가 광섬유 또는 타이타늄 첨가 사파이어 결정인 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
13. 제1항에 있어서, 상기 공진기 내에:

    모드록킹의 발생을 돕고 광펄스발생의 타이밍 조절을 위한 광진폭 변조기와;

    상기 광진폭 변조기에 공진기의 종모드 간격이나 그 정수배의 주파수를 갖는 교류 전기신호를 공급하는 변조신호 발생기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
14. 제1항에 있어서, 상기 공진기 내에:

    모드록킹의 발생을 돕고 광펄스발생의 타이밍 조절을 위한 광위상 변조기와;

    상기 광위상 변조기에 공진기의 종모드 간격이나 그 정수배의 주파수를 갖는 교류 전기신호를 공급하는 변조신호 발생기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 펄스광원.
15. 광세기에 따라 굴절률이 달라지는 특성을 갖는 비선형 매질 및 파장가변필터를 공진기 내에 마련하는 단계와;

    상기 비선형 매질에 광펄스를 통과시켜 자기위상변조를 유발함으로써 상기 광펄스의 스펙트럼이 넓어지게 하는 동시에 최소손실 파장영역이 시간에 따라 연속적으로 이동되도록 상기 파장가변필터를 조절하는 단계와;

    넓어진 상기 광펄스의 스펙트럼 중 상기 최소손실 파장영역 부근의 성분을 증폭하는 단계를 구비하는, 모드록킹된 레이저 광펄스 생성방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 파장필터의 최소손실 중심파장이 시간에 따라 연속적으로 이동되도록 상기 파장가편필터를 조절하는 단계는, 최소손실 중심파장이 단위 시간당 변하는 양 V가 파장이 이동되고 있는 대부분의 시간동안 일정한 임계속도 Vc보다 커서 여러개의 공진기 모드가 동시에 발진할 수 있도록 하는 단계인 것을 특징으로 하는, 모드록킹된 레이저 광펄스 생성방법. 단, Vc=ln(r)Δ⁴/b², Δ는 공진기 모드간의 파장 간격, b는 상기 파장필터의 반치 파장폭, ln(r)은 각 모드가 갖는 최대 광세기와 최소 광세기의 비율의 자연로그로서 15와 25 사이에서 정해진 값.
17. 제15항에 있어서, 상기 파장가변필터를 조절하는 단계는:

    상기 파장가변필터에 주파수 및/또는 전압이 일정한 영역 사이를 연속하여 주기적으로 변하는 전기신호를 인가하는 것을 특징으로 하는, 모드록킹된 레이저 광펄스 생성방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 전기신호의 반복되는 매 주기의 앞부분에 짧은 전기펄스를 더 실어서 광펄스의 발생을 돕고 펄스 타이밍을 상기 전기펄스에 동조시키는 것을 특징으로 하는, 모드록킹된 레이저 광펄스 생성방법.
19. 특정 파장대역에서 광을 증폭할 수 있는 광 이득매질과, 최소손실 중심주파수영역을 가지는 파장가변필터와, 광의 주파수를 변환시키는 주파수변환기를 광경로에 포함하는 공진기;

    상기 광 이득매질의 밀도반전을 위한 광 펌핑수단;

    상기 파장가변필터의 최소손실 중심주파수영역을 시간에 대해 연속적으로 변화시키기 위한 필터변조 신호발생수단; 및

    상기 주파수변환기의 주파수변환의 크기가, 상기 공진기 일주시간동안 상기 파장가변필터의 중심주파수 변환량의 크기와 대략 비슷하도록 조절하여 광펄스의 발생을 억제하는 수단을 구비하여,

    광출력이 연속발진형태를 갖고 그 중심 주파수가 시간에 따라 연속적으로 이동하는 특징을 가지도록 하는 레이저 광원.
20. 제19항에 있어서, 상기 주파수변환기가 일정 주파수의 교류 전기신호로 구동되며, 그 전기신호로부터 발생된 음파에 의해 광의 굴절현상과 도플러 이동현상을 주는 음향광학 주파수변환기인 것을 특징으로 하는 레이저 광원.
21. 제19항에 있어서, 상기 주파수변환기 및 파장가변필터의 역할을 한 개의 음향광학 파장가변필터가 담당하며, 상기 파장가변필터의 중심주파수를 이동시키기 위해 상기 파장가변필터에 인가되는 전기신호의 주파수가 시간에 대해 작은 양만큼 변화하고, 주파수변환의 방향은 필터 중심주파수 이동방향과 같으며, 공진기 일주당 주파수변환의 크기와 필터 중심주파수 이동크기가 대략 같은 것을 특징으로 하는 레이저 광원.
22. 최소손실 중심주파수영역을 가지는 파장가변필터와, 광의 주파수를 변환시키는 주파수변환기를 광경로에 포함하는 공진기를 마련하는 단계;

    상기 주파수변환기에 의해 광 주파수를 일정 크기 f_FS만큼 변환시키는 단계;

    상기 파장가변필터의 중심주파수가 상기 공진기 일주 시간동안 f_FI만큼 연속적으로 변화하도록 하는 단계; 및

    상기 공진기 내의 레이저 스펙트럼이 항상 상기 파장가변필터의 중심주파수 부근에서 발진하도록 f_FS와 f_FI가 대략 같은 값을 갖도록 상기 파장가변필터를 조절하는 단계를 구비함으로써, 광펄스 발생이 억제되고 연속발진성분이 유지되도록 하는 레이저광 생성방법.