KR100327899B1 - 모드 로킹 광섬유 레이저 안정화 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 루우프 거울의 반사 신호를 에러 신호로 검출하여 이 신호를 최소화하는 방향으로 광신호를 레이저 공진기에 되먹임시키고 광섬유 레이저 공진기의 길이를 안정화시키는 모드 로킹 광섬유 레이저 안정화 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 광펌핑(Laser Pumping)된 레이저를 비선형적으로 증폭시키기 위한 비선형 광증폭 루우프 거울(NALM : Non-linear Amplitude Loop Mirror)과; 상기 비선형 광증폭 루우프 거울에 의하여 충분히 증폭된 레이저를 가두기 위한, 폐쇄된 루우프 형태의 선형 루우프 거울과; 상기 선형 루우프 거울에서 가두어진 광을 한쪽 방향으로 진행시키기 위한 광 고립기(Isolator)와; 상기 비선형 증폭 루우프 거울에서 광이 비선형 위상 변화를 일으켜서 선형루우프 거울의 광 고립기의 반대 방향으로 진행하는 빛을 검출하기 위한 광 검출기와; 상기 광 검출기에서 반대 방향으로 진행하는 광이 검출되면, 상기 반대 방향으로 진행하는 광량을 최소화시키기 위한 신호 처리를 구현하고, 이를 다시 되먹임(feedback)시켜서 안정화시키는 PZT(PieZo-electric Transducer) 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치가 제공된다.
Description
본 발명은 광섬유 레이저 안정화 장치 및 그 방법에 관한 것이며, 특히, 광신호를 레이저 공진기에 되먹임시킴으로서 모드 로킹 광섬유 레이저의 안정화를 꾀하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
대부분의 능동형 모드 로킹 광섬유 레이저에서 안정화가 이루어지지 않으면, 광신호에서 상당한 에러를 발생시키게 된다. 이러한 에러 발생은 실제 시스템에서 레이저를 사용할 수 없게 한다.
이러한 기술적인 문제점을 해결하기 위하여 모드 로킹된 광섬유 레이저의 광신호 안정화 기술이 연구되어 왔다. 지금까지 능동형 모드 로킹 광섬유 레이저에서 안정화 구도는 여러 방법으로 이루어졌다.
종래의 능동형 모드 로킹 광섬유 레이저에서의 안정화 기술은 외부 환경의 변화에 의한 레이저 공진기의 길이 변화를 보상해주는 것으로, 광신호의 이완 발진(Relaxation Oscillation)의 신호를 이용하거나, 2x2 광 변조기를 이용하여 광신호를 모니터링함으로써, 레이저 공진기의 길이 변화를 보상하여 주는 신호 처리방법등이 이용되어 왔다.
이러한 선행 기술을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
'Xuekang Shan'이 권리권자인 선행 특허 'Mode - locked fiber ring laser stabilization'(미국 특허 등록 번호 : 5,590,142)은 모드 로킹 광섬유 레이저 출력 안정화에 관한 특허로서, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진기의 길이 변화를 최소화하기 위하여 링 레이저의 공진기 길이를 조절하는 과정이 있고, 이득 광섬유의 Lifetime 보다 적은 어떠한 주파수를 이용하여 레이저 공진기 변화를 알아낸 후, 레이저 출력 광펄스의 위상을 잠금시켜 줌으로써, 레이저 광펄스를 안정화시키는 내용을 담고 있다. 광섬유 레이저의 길이는 PZT(PieZo-electric Transducer)를 이용하여 조절이 가능하고, 링 레이저는 신서사이저(Synthesizer)를 이용하여 광 변조기에 공진기의 조화 주파수에 해당하는 주파수로 변조를 해 줌으로써, 구현할 수 있다. 상기 PZT 소자는 레이저 출력의 위상을 신서사이저의 위상과 비교하여 에러 신호를 검출한 후, 신호 처리되는 되먹임 신호에 의하여 구동된다.
또한, 'Hidehiko Takara'가 권리권자인 선행 특허 'Mode - Locked laser stabilization method and apparatus'(미국 특허 등록 번호 : 5,646,774)는 이완 발진 주파수를 이용하여 모드 로킹된 광섬유 레이저의 공진기를 안정화시키는 특허로서, 특히, 레이저 출력의 안정화에 중점을 두고 있다. 모드 로킹된 광섬유 레이저의 출력 안정화의 방법으로서, 광변조기 부분, 전기적인 신호로 레이저 공진기 길이의 변화를 보상하여 주기 위하여 광경로 길이를 변화시켜 주는 광소자, 변조된 광신호를 증폭시켜 주는 증폭 부분 및 이완 발진 주파수 성분과 레이저 광출력의조화 주파수 성분을 뽑아낼 수 있는 광소자를 포함하여 에러 신호를 되먹임해 주는 것을 포함하는 링형 모드 로킹 광섬유 레이저의 안정화 장치에 관한 것이다. 여기서 이완 발진 주파수 성분을 측정하여 상기 신호가 최소화하도록 신호 처리를 하여 레이저 공진기 안의 길이 변화를 줄 수 있는 소자에 되먹임하여 레이저 공진기를 안정화하는 것이다.
위에서 살펴본 종래의 선행 기술들 모두 레이저 공진기의 안정화 방법을 제시하고 있으나, 신호 처리 부분이 복잡하여 구현하기가 간단하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 루우프 거울의 반사 신호를 에러 신호로 검출하여 이 신호를 최소화하는 방향으로 광신호를 레이저 공진기에 되먹임시키고 광섬유 레이저 공진기의 길이를 안정화시키는 모드 로킹 광섬유 레이저 안정화 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 안정화 장치의 구성도이다.
* 도면에 사용된 기호의 설명
101 : 펌프 레이저(Pump Laser)
102 : 어븀(Er) 첨가 광섬유
103 : 비선형 광증폭 루우프 거울(NALM : Non-linear Amplitude Loop Mirror)
104 : 편광 유지 단일 모드 광섬유(PM - SM Fiber)
105 : 50 % 광섬유 결합기
106 : PZT(PieZo-electric Transducer)
107 : 광 변조기(Modulator)
108 : 광 고립기(Isolator)
109 : 10 % 광섬유 결합기
110 : 광 검출기(Photo Diode)
111 : 회로부
120 : 선형 루우프 거울
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 광펌핑(Laser Pumping)된 레이저를 비선형적으로 증폭시키기 위한 비선형 광증폭 루우프 거울(NALM : Non-linear Amplitude Loop Mirror)과; 상기 비선형 광증폭 루우프 거울에 의하여 충분히 증폭된 레이저를 가두기 위한, 폐쇄된 루우프 형태의 선형 루우프 거울과; 상기 선형 루우프 거울에서 가두어진 광을 한쪽 방향으로 진행시키기 위한 광 고립기(Isolator)와; 상기 비선형 증폭 루우프 거울에서 광이 비선형 위상 변화를 일으켜서 선형루우프 거울의 광 고립기의 반대 방향으로 진행하는 빛을 검출하기 위한 광 검출기와; 상기 광 검출기에서 반대 방향으로 진행하는 광이 검출되면, 상기 반대 방향으로 진행하는 광량을 최소화시키기 위한 신호 처리를 구현하고, 이를 다시 되먹임(feedback)시켜서 안정화시키는 PZT(PieZo-electric Transducer) 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치가 제공된다.
또한, 광펌핑(Laser Pumping)된 레이저를 비선형적으로 증폭시킨 후, 이를 가두는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 가두어진 광을 한쪽 방향으로 진행시키는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 한쪽 방향으로만 진행하는 광이 위상 변화를 일으켜서 반대 방향으로 진행하는 광이 있으면, 이를 검출하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계에서 반대 방향으로 진행하는 광이 검출되면, 상기 반대 방향의 광량을 최소화시켜 주는 방향으로 신호 처리를 구현하고, 이를 다시 되먹임(Feedback)시켜서 안정화시키는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 방법이 제공된다.
아래에서, 본 발명에 따른 양호한 일 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 안정화 장치의구성도로서, 상기 레이저 안정화 장치는 이득 매질을 광펌핑할 수 있는 펌프 레이저(101, Pump Laser), 비선형 효과를 주기 위한 어븀(Er)이 첨가된 광섬유(102), 비선형 광증폭 루우프 거울(103, NALM : Non-linear Amplitude Loop Mirror), 비선형성을 주기 위한 편광 유지 단일 모드 광섬유(104, PM-SM Fiber), 50 % 광섬유 결합기(105, Photo Coupler), 광 신호의 되먹임에 의하여 레이저 공진기의 길이를 보상해 주는 전기적으로 가변되는 PZT 소자(106), 일정한 주파수로 공진기의 손실이나 위상을 변조하여 능동형 모드 로킹을 구현하기 위한 광 변조기(107, Photo Modulator), 한 방향으로 광이 진행하도록 하기 위한 광 고립기(108, Photo Isolator), 레이저 출력을 모니터링하기 위한 10 % 광섬유 결합기(109, Photo Coupler), 광 검출기(110, Photo Diode), 회로부(111) 및 선형 루우프 거울(120)로 구성되어 있다.
이의 작용은 다음과 같다.
먼저, 광 섬유 레이저가 발진하기 위하여 상기 펌프 레이저(101)를 이용하여 광 펌핑을 해주면, 상기 펌핑된 광은 상기 어븀 첨가 광섬유(102)를 통과하여 상기 비선형 광증폭 루우프 거울(103)에서 충분히 증폭이 된다. 이 때, 상기 비선형 광증폭 루우프 거울(103) 내의 광은 상기 편광 유지 단일 모드 광섬유(104)에 의하여 편광이 유지된다.
한편, 상기 비선형 광증폭 루우프 거울(103)의 광은 충분히 증폭이 되면, 상기 50 % 광섬유 결합기(105)에 의하여 상기 선형 루우프 거울(120)로 진행하며, 이 때, 상기 광 변조기(107)에 의하여 능동형 모드 로킹이 구현이 된다. 또한, 상기선형 루우프 거울(120) 내의 광은 상기 광 고립기(108)에 의하여 한쪽 방향으로만 진행이 되며, 이것은 상기 10 % 광섬유 결합기(109)를 통하여 모니터링 된다.
여기서 광섬유 레이저를 안정화하기 위해서 상기 10 % 광섬유 결합기의 출력 포트 반대 방향에서(즉, 상기 광 고립기와 반대 방향으로 진행하는 광) 상기 선형 루우프 거울(120)로부터 진행한 빛을 상기 광 검출기(110)에 의하여 모니터한다.
이상적인 루우프 거울의 경우에 루우프 거울에서 모드 로킹이 구현되면, 광신호는 완전히 투과하게 되고, 루우프 거울에서 반사하는 광은 거의 없게 된다. 반면 루우프 거울에서 광의 위상 변화가 생기면, 에러 신호로 작용하여 어느 정도의 빛이 반사되고, 이는 상기 10 % 광섬유 결합기(109)의 출력 반대 포트에서 검출할 수 있게 된다.
여기서 모드 로킹된 광섬유 레이저가 이상적으로 발진하게 되며, 상기 비선형 증폭 루우프 거울(103)은 광을 모두 투과하게 되지만, 길이 변화나 편광 변화 등에 의하여 루우프 거울에서 위상 변화가 생기면, 반사하는 방향에서 빛을 검출 할 수 있다. 이렇게 검출된 빛의 양을 최소화시켜 주는 방향으로 신호 처리를 구현하고, 이를 다시 되먹임 시켜서, 상기 PZT 소자(106)로 광신호를 입력하여 주어 광섬유 레이저 공진기의 길이를 안정화할 수 있다.
한편, 상기 회로부(111)는 상기 광 검출기(110)에서 모니터링된 역방향 광량에 따라, 상기 PZT 소자(106)의 전기적 제어를 담당한다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 광섬유 루우프 거울의 반사 신호를 에러 신호로 검출하여 이 신호를 최소화하는 방향으로 광신호를 레이저 공진기에 되먹임시키고, 광섬유 레이저 공진기의 길이를 안정화하는 것으로서, 기존의 광섬유 안정화 장치에 비하여 매우 간단하고 쉽게 레이저를 안정화할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
Claims (9)
- 광펌핑(Laser Pumping)된 레이저를 비선형적으로 증폭시키기 위한 비선형 광증폭 루우프 거울(NALM : Non-linear Amplitude Loop Mirror)과;상기 비선형 광증폭 루우프 거울에 의하여 충분히 증폭된 레이저를 가두기 위한, 폐쇄된 루우프 형태의 선형 루우프 거울과;상기 선형 루우프 거울에서 가두어진 광을 한쪽 방향으로 진행시키기 위한 광 고립기(Isolator)와;상기 비선형 증폭 루우프 거울에서 광이 비선형 위상 변화를 일으켜서 선형루우프 거울의 광 고립기의 반대 방향으로 진행하는 빛을 검출하기 위한 광 검출기와;상기 광 검출기에서 반대 방향으로 진행하는 광이 검출되면, 상기 반대 방향으로 진행하는 광량을 최소화시키기 위한 신호 처리를 구현하고, 이를 다시 되먹임(feedback)시켜서 안정화시키는 PZT(PieZo-electric Transducer) 소자를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 선형 루우프 거울 내의 광을 모드 로킹(Mode-Locking) 시키기 위한 광 변조기(Modulator)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의공진기 안정화 장치.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 비선형 광증폭 루우프 거울 내를 통과하고 있는 광의 이득 매질을 광펌핑하기 위한 펌프 레이저(Pump Laser)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치.
- 제 3 항에 있어서,광의 이득 매질을 얻고, 상기 펌프 레이저에 의하여 광펌핑된 광을 상기 비선형 광증폭 루우프 거울로 도파시키기 위하여 상기 펌프 레이저와 상기 비선형 광증폭 루우프 거울 사이에 설치된 어븀(Er)을 첨가한 광섬유를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 비선형 광증폭 루우프 거울을 통과하고 있는 광의 편광을 유지시키기 위한 편광 유지 단일 모드 광섬유(PM - SM Fiber)를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 비선형 광증폭 루우프 거울 내의 광을 상기 선형 루우프 거울로 도파시키기 위하여 상기 비선형 광증폭 루우프 거울과 상기 선형 루우프 거울 사이에 설치된 광섬유 결합기를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 장치.
- 광펌핑(Laser Pumping)된 레이저를 비선형적으로 증폭시킨 후, 이를 가두는 제 1 단계와;상기 제 1 단계에서 가두어진 광을 한쪽 방향으로 진행시키는 제 2 단계와;상기 제 2 단계에서 한쪽 방향으로만 진행하는 광이 위상 변화를 일으켜서 반대 방향으로 진행하는 광이 있으면, 이를 검출하는 제 3 단계와;상기 제 3 단계에서 반대 방향으로 진행하는 광이 검출되면, 상기 반대 방향의 광량을 최소화시켜 주는 방향으로 신호 처리를 구현하고, 이를 다시 되먹임(Feedback)시켜서 안정화시키는 제 4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 1 단계는,가두어진 광을 모드 로킹(Mode-Locking) 시키는 서브 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 방법.
- 제 7 항에 있어서,상기 제 1 단계는,광펌핑된 레이저를 비선형적으로 증폭시킬 때, 상기 증폭된 광의 편광을 유지하는 서브 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저의 공진기 안정화 방법.
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