KR100319760B1 - A high frequency modulated laser generator with coupled fiber cavity structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로, 특히 고주파수 레이저 광원은 향후의 동영상 무선 멀티미디어 서비스를 위한 밀리미터파 무선전송 시스템의 기지국 사이의 광선로망에 사용될 것으로 예측되고 있는 고주파수 레이저 광 발생기에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 광원의 변조 주파수 영역을 넓히고, 그 구현이 용이하면서도 우수한 성능을 가지는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 링형 광섬유 레이저 공진기와 선형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 공진기 내에 이중 레이저 모드를 발진시켜 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 초고주파수(최대 20GHz)로 변조되는 레이저 광원이다. 두 개의 안정된 레이저 공진기에서 이중모드의 레이저가 발진하여, 변조된 고주파수 레이저 광원이 발생되어 나오며, 편광 조절기에 의한 공진기 내에서의 이득의 변화를 이용하여 발진되는 레이저의 변조 주파수를 가변(10MHz∼20GHz)시키는 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to wireless communication technology, and more particularly, to a high frequency laser light generator that is expected to be used in an optical fiber network between base stations of a millimeter wave wireless transmission system for a future video wireless multimedia service. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ultra-high frequency modulated laser light generator that widens the modulation frequency range of a laser light source and is easy to implement and has excellent performance. The present invention combines a ring-shaped fiber laser resonator and a linear fiber laser resonator with a 50% optical fiber coupler to oscillate a dual laser mode in the resonator to modulate at a very high frequency (up to 20 GHz) by a pulsation phenomenon between the two laser modes. The dual mode laser oscillates in two stable laser resonators, and a modulated high frequency laser light source is generated, and the modulation frequency of the oscillated laser is varied by using a change of gain in the resonator by the polarization regulator (10 MHz to 20 GHz). )
Description
본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로, 특히 고주파수 레이저 광원은 향후의 동영상 무선 멀티미디어 서비스를 위한 밀리미터파 무선전송 시스템의 기지국 사이의 광선로망에 사용될 것으로 예측되고 있는 고주파수 레이저 광 발생기에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to wireless communication technology, and more particularly, to a high frequency laser light generator that is expected to be used in an optical fiber network between base stations of a millimeter wave wireless transmission system for a future video wireless multimedia service.
대용량의 정보를 전송하는 방법으로 매질 내에 전파하는 광의 주파수를 변조시켜 정보를 보내는 기술이 있는데, 이를 고주파수 아날로그 광전송 기술이라고 한다. 고주파수 발생 광원은 고주파수 아날로그 광전송 시스템의 핵심 부품으로서, 차세대 무선 멀티미디어 서비스 기술을 위한 밀리미터파 무선전송 시스템에 있어서 기지국 사이의 광선로로 초고주파 광신호 전송망을 구축하는 데에 응용 될 것이다.As a method of transmitting a large amount of information, there is a technology for transmitting information by modulating the frequency of light propagating in a medium, which is called a high frequency analog light transmission technology. High-frequency generating light source is a key part of high-frequency analog optical transmission system, and it will be applied to construct ultra-high frequency optical signal transmission network as optical fiber path between base stations in millimeter wave wireless transmission system for next generation wireless multimedia service technology.
현재까지 이 분야의 기술은 세계적으로 5∼6년 전부터 반도체 레이저 다이오드를 비롯한 고체 레이저 등 여러 가지 형태의 광원이 연구 개발되었으나, 광원의 변조 주파수 영역이 낮게 제한되어 있으며, 광원 제작 공정이 난이하여 실용성이 없는 문제점이 있었다.Until now, the technology of this field has been researched and developed various types of light sources such as solid state lasers including semiconductor laser diodes for 5 to 6 years ago, but the modulation frequency range of the light source is low and the light source manufacturing process is difficult and practical. There was no problem.
본 발명은 레이저 광원의 변조 주파수 영역을 넓히고, 그 구현이 용이하면서도 우수한 성능을 가지는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ultra-high frequency modulated laser light generator that widens the modulation frequency range of a laser light source and is easy to implement and has excellent performance.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 공진기 구조를 이용한 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 개략적인 구성도.1 is a schematic diagram of an ultra-high frequency modulated laser light generator using a composite resonator structure according to an embodiment of the present invention.
도 2는 편광 조절기의 각의 변화에 따른 본 발명의 레이저 공진기의 이득 변화 특성도.2 is a gain change characteristic diagram of the laser resonator of the present invention according to the change of the angle of the polarization regulator.
도 3은 광섬유 내에 존재하는 광파장에 따른 복굴절(birefringence)의 변화 특성도.3 is a characteristic diagram of the change of birefringence according to the light wavelength existing in the optical fiber.
도 4는 광증폭 광섬유에서의 이득과 복굴절의 변화에 의한 이득을 결합한 레이저 공진 모드의 종합 이득 특성도.Fig. 4 is a comprehensive gain characteristic diagram of the laser resonance mode combining the gain by the change of the birefringence with the gain in the optical amplification optical fiber.
도 5는 편광 조절기의 각 변화에 따른 레이저의 변조 주파수 변화 특성도.5 is a characteristic diagram of modulation frequency variation of a laser according to each change of the polarization controller.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10 : 광섬유 레이저 공진기 11 : 광증폭섬유10 fiber optic laser resonator 11 optical amplified fiber
12, 22 : 분산보상섬유 14, 21 : 편광 조절기12, 22: dispersion compensation fiber 14, 21: polarization regulator
13 : 광방향 조절기 15 : 10% 출력포트13: Light direction controller 15: 10% output port
16 : WDM 결합기 20 : 선형 광섬유 레이저 공진기16: WDM combiner 20: linear fiber laser resonator
23a, 23b : 100% 거울 30 : 50% 광섬유 결합기23a, 23b: 100% mirror 30: 50% fiber optic coupler
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 초고주파수 변조 레이저 광 발생기는, 링형 광섬유 레이저 공진기; 선형 광섬유 레이저 공진기; 및 상기 링형 광섬유 레이저 공진기와 상기 선형 광섬유 레이저 공진기를 결합하여 이중 레이저 모드를 발진시킴으로써 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상을 유도하기 위한 광섬유 결합기를 구비한다.The characteristic ultra-high frequency modulated laser light generator of the present invention for achieving the above technical problem is a ring-type fiber laser resonator; Linear fiber laser resonator; And an optical fiber coupler for coupling the ring-shaped fiber laser resonator and the linear fiber laser resonator to oscillate a dual laser mode to induce a beat phenomenon between the two laser modes.
또한, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기 및 상기 선형 광섬유 레이저 공진기는 각각, 출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기를 구비하는 것을 특징으로 한다.The ring-shaped fiber laser resonator and the linear fiber laser resonator may each include a polarization controller for modulating the frequency of the output light.
바람직하게, 상기 링형 광섬유 레이저 공진기는 펌프레이저를 입력으로 하는 파장분할다중(WDM) 결합기; 상기 파장분할다중 결합기를 통해 입력된 광을 증폭하기 위한 광증폭섬유; 상기 광증폭섬유로부터 전달된 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산보상섬유; 상기 분산보상섬유로부터 전달된 광의 방향을 조절하기 위한 광방향 조절기; 상기 광방향 조절기로부터 전달된 광의 각을 조절하기 위한 상기 편광 조절기; 및 상기 광섬유 결합기로부터 전달된 광을 출력하기 위한 출력포트를구비하며, 상기 선형 광섬유 레이저 공진기는, 상기 선형 광섬유 레이저 공진기의 양단부에 배치된 실질적인 100% 반사율을 가지는 제1 및 제2 거울; 상기 제1 거울과 상기 광섬유 결합기 사이에 제공되어 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산보상섬유; 및 상기 분산보상섬유와 상기 광섬유 결합기 사이에 제공되어 상기 광의 각을 조절하기 위한 상기 편광 조절기를 구비한다.Preferably, the ring-shaped fiber laser resonator includes: a wavelength division multiplexer (WDM) coupler for inputting a pump laser; An optical amplification fiber for amplifying light input through the wavelength division multiplexer; Dispersion-compensated fiber for obtaining a nonlinear polarization effect of light transmitted from the optical amplified fiber; A light direction controller for controlling a direction of light transmitted from the dispersion compensation fiber; The polarization controller for adjusting the angle of light transmitted from the light direction controller; And an output port for outputting light transmitted from the optical fiber combiner, wherein the linear fiber laser resonator comprises: first and second mirrors having substantially 100% reflectivity disposed at both ends of the linear fiber laser resonator; A dispersion compensation fiber provided between the first mirror and the optical fiber coupler to obtain a nonlinear polarization effect of light; And a polarization controller provided between the dispersion compensation fiber and the optical fiber coupler to adjust the angle of the light.
즉, 본 발명은 링형 광섬유 레이저 공진기와 선형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 공진기 내에 이중 레이저 모드를 발진시켜 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 초고주파수(최대 20GHz)로 변조되는 레이저 광원이다. 두 개의 안정된 레이저 공진기에서 이중모드의 레이저가 발진하여, 변조된 고주파수 레이저 광원이 발생되어 나오며, 편광 조절기에 의한 공진기 내에서의 이득의 변화를 이용하여 발진되는 레이저의 변조 주파수를 가변(10MHz∼20GHz)시키는 것이다.That is, the present invention combines a ring-shaped fiber laser resonator and a linear fiber laser resonator with a 50% optical fiber coupler to oscillate the dual laser mode in the resonator to modulate at a very high frequency (up to 20 GHz) by the pulsation phenomenon between the two laser modes. to be. The dual mode laser oscillates in two stable laser resonators, and a modulated high frequency laser light source is generated, and the modulation frequency of the oscillated laser is varied by using a change of gain in the resonator by the polarization regulator (10 MHz to 20 GHz). )
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be introduced in order to enable those skilled in the art to more easily implement the present invention.
첨부된 도면 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 공진기 구조를 이용한 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 개략적인 구성을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.1 is a schematic diagram of an ultra-high frequency modulated laser light generator using a complex resonator structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 초고주파수 변조 레이저 광 발생기는 크게 링형 광섬유 레이저 공진기(10), 선형 광섬유 레이저 공진기(20) 및 두 공진기(10, 20)를 결합하기 위한 50% 광섬유 결합기(30)로 구성된다.The ultra-high frequency modulated laser light generator according to the present embodiment is mainly composed of a ring-shaped fiber laser resonator 10, a linear fiber laser resonator 20, and a 50% optical fiber combiner 30 for coupling the two resonators 10 and 20. .
우선, 링형 광섬유 레이저 공진기는 광증폭을 위한 10m 광증폭섬유(LAF)(11), 비선형 편광 효과를 위한 20m 분산보상섬유(DSF)(12), 광방향 조절기(13), 편광 조절기(14)로 구성된다.First, the ring-type fiber laser resonator includes a 10m optical fiber (LAF) 11 for optical amplification, a 20m dispersion compensation fiber (DSF) 12 for a nonlinear polarization effect, a light direction controller 13, and a polarization controller 14 It consists of.
다음으로, 선형 광섬유 레이저 공진기는 실질적인 100% 반사율을 가지는 거울(23a, 23b)이 양단부에 배치되며, 20m 분상보상섬유(22)와 편광 조절기(21)로 구성된다.Next, in the linear fiber laser resonator, mirrors 23a and 23b having substantially 100% reflectance are disposed at both ends, and are composed of a 20m complementary compensation fiber 22 and a polarization controller 21.
한편, 50% 결합율을 가지는 2×2 광섬유 결합기(30)가 두 공진기(10, 20)를 결합하고 있다. 펌핑은 파장이 980nm인 레이저 다이오드를 사용하며, WDM(wave-length division multiplexing) 결합기(16)를 이용하여 광증폭섬유(11)의 일단부에 입력하였다. 미설명 도면 부호 '15'는 10% 출력포트를 나타낸 것이다.Meanwhile, a 2 × 2 optical fiber coupler 30 having a 50% coupling rate couples the two resonators 10 and 20. The pumping uses a laser diode having a wavelength of 980 nm and is input to one end of the optical amplified fiber 11 using a wave-length division multiplexing (WDM) coupler 16. Unexplained reference numeral 15 denotes a 10% output port.
이하, 본 실시예에 따른 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 작용을 설명한다.Hereinafter, the operation of the ultrahigh frequency modulated laser light generator according to the present embodiment will be described.
우선, 광증폭섬유(11)에서 펌핑에 의해 발생되는 넓은 영역의 광 분포에서 분산보상섬유(12)에서 겪는 복굴절과 편광 조절기(14)에 의해 공진이 가능한 편광 상태만을 선택한다. 링형 광섬유 공진기는 복굴절의 영향을 그대로 반영하는 편광 상태를 고유모드로 발진할 수 있게 되며, 선형 광섬유 공진기는 공진기를 왕복하는 종합복굴절에 맞는 편광모드를 선택하게 된다. 2개의 공진기를 결합하면, 한 개의 레이저 광 발생기 안에 2개의 공진기가 존재하여, 각각의 공진기에 적합한 레이저모드가 같이 발진하게 된다. 발진되는 2개의 레이저 모드는 공진 주파수가 다르며, 복굴절의 효과도 다르기 때문에 편광 상태도 다르고 파장도 다르다. 이 2개의 레이저 모드가 같이 발진하면 모드 사이의 주파수 차에 따른 맥놀이 주파수로 광전력이 변조되어 발진하게 된다.First, only the birefringence experienced by the dispersion compensation fiber 12 and the polarization state that can be resonated by the polarization controller 14 are selected in the light distribution of the wide area generated by the pumping in the optical amplification fiber 11. The ring-type optical fiber resonator can oscillate the polarization state in the eigen mode that reflects the influence of birefringence, and the linear optical fiber resonator selects the polarization mode suitable for the comprehensive birefringence reciprocating the resonator. When two resonators are combined, two resonators exist in one laser light generator, so that a laser mode suitable for each resonator oscillates together. The two laser modes oscillated have different resonant frequencies and different birefringence effects, resulting in different polarization states and different wavelengths. When the two laser modes oscillate together, the optical power is modulated and oscillated at the beat frequency according to the frequency difference between the modes.
링형 레이저 공진기에서는 편광 조절기(14)의 각(orientation angle, phase retardation) 조절에 의해 공진기의 이득 변화가 복굴절의 크기에 대해 첨부된 도면 도 2의 3차원 그래프와 같이 민감하게 변하게 된다.In the ring laser resonator, the gain change of the resonator is sensitively changed with respect to the size of the birefringence due to the adjustment of the angle (orientation angle, phase retardation) of the polarization regulator 14, as shown in FIG.
한편, 레이저 공진기를 구성하는 광섬유 내에는 첨부된 도면 도 3과 같이 광섬유 제작시 복합적인 원인에서 존재하는 파장에 따른 변화가 심한 복굴절(birefringence)들이 존재한다.On the other hand, in the optical fiber constituting the laser resonator there is a birefringence (various birefringence) according to the wavelength present in a complex cause when manufacturing the optical fiber as shown in Figure 3 attached.
따라서, 광증폭 광섬유의 이득 곡선과 구성된 공진기 내의 복굴절에 의한 이득이 서로 결합된 파장에 대한 레이저 모드의 이득은 첨부된 도면 도 4와 같이 나타나게 된다. 이와 같은 이득의 변화는 레이저 광의 편광과 파장의 변화도 크게 가져오기 때문에 복합 공진기 구조에서 편광 조절기로 넓은 범위로 광파장을 변화시킬 수 있으며, 이에 따른 맥놀이 주파수도 첨부된 도면 도 5와 같이 변화시킬 수 있게 된다.Therefore, the gain of the laser mode with respect to the wavelength where the gain curve of the optical amplified optical fiber and the gain due to birefringence in the configured resonator are combined with each other is shown as shown in FIG. 4. Such a change in gain also causes a large change in the polarization and wavelength of the laser light, so that the optical wavelength can be varied in a wide range with the polarization controller in the complex resonator structure, and the beat frequency can also be changed as shown in FIG. 5. Will be.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
전술한 본 발명은 단일의 레이저 광 발생기로부터 편광 조절기를 조정하여 발생하는 레이저의 변조 주파수 폭이 20GHz까지 가변되는 연속파 레이저를 발생시키는 기술을 확보하게 되었다. 이로써, 기존의 레이저보다 간단하고, 넓은 범위에서 변조 주파수가 가변되는 레이저 광원은 무선 멀티미디어 서비스를 위한 대용량 아날로그 광전송 시스템에 적용되면 수입품 대체 및 경비 절감 효과를 가져 올 수 있을 것으로 기대된다.The present invention described above has secured a technique for generating a continuous wave laser in which the modulation frequency width of the laser generated by adjusting the polarization controller from a single laser light generator is varied up to 20 GHz. As a result, the laser light source, which is simpler than a conventional laser and whose modulation frequency is variable in a wide range, is expected to bring import substitution and cost reduction effect when applied to a large capacity analog optical transmission system for wireless multimedia service.
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