KR101331657B1 - Single longitudinal-mode fiber laser divece with a controllable saturable absorber - Google Patents

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김경헌
이승훈
윤효근
최상현
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a single longitudinal mode optical fiber laser device using a transformative saturable absorber capable of controlling output power widely by inserting the transformative saturable absorber into the device as well as reducing the threshold current of laser and increasing energy converting efficiency. Moreover a saturable absorbing level of the laser can be widely controlled by inserting pump light, which is having a pulse of a C-band (Conventional band, 1530 nm ~ 1560 nm), into a rate-earth added optical fiber saturable absorber. Moreover wide band pulse transformative single longitudinal optical fiber laser, which is having a planarization processed output applied with the transformative saturable absorber, is provided.

Description

가변형 포화 흡수체를 이용하는 단일 종모드 광섬유 레이저 장치{SINGLE LONGITUDINAL-MODE FIBER LASER DIVECE WITH A CONTROLLABLE SATURABLE ABSORBER}SINGLE LONGITUDINAL-MODE FIBER LASER DIVECE WITH A CONTROLLABLE SATURABLE ABSORBER}

본 발명은 광섬유 레이저에 관한 것으로, 공진기 내부에 가변형 포화 흡수체를 삽입하여 출력 파워를 광범위하게 조절할 수 있을 뿐 아니라, 레이저의 문턱 전류를 낮추고 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있는 단일 종모드 광섬유 레이저에 관한 것이다.The present invention relates to a fiber laser, and to a single longitudinal mode fiber laser that can insert a variable saturable absorber inside the resonator to not only control the output power extensively, but also to lower the threshold current of the laser and increase the energy conversion efficiency. will be.

단일 종모드 (single longitudinal mode, single frequency) 광섬유 레이저는 광통신, 광센서 시스템 등에 응용이 가능하다. 특히, 단일 종모드 광섬유 레이저는 선 폭이 좁고, 세기 잡음이 작으며, 파장 가변영역이 넓은 장점이 있어 파장 분할 다중화 전송(WDM, Wavelength Division Multiplexing)이나 브릴루앙 산란 센서용 광원으로 유용하다. Single longitudinal mode (single frequency) fiber lasers can be applied to optical communication, optical sensor systems, etc. In particular, the single-mode fiber laser has a narrow line width, low intensity noise, and a wide wavelength variable region, which is useful as a light source for wavelength division multiplexing (WDM) or a Brillouin scattering sensor.

그러나 일반적인 광섬유 레이저는 공진기의 길이가 길기 때문에 발진 가능한 종모드 간의 간격이 매우 좁은 반면 이득 영역이 넓어 다중 종모드로 발진하기 쉽고, 최적화를 통해 단일 종모드로 발진하더라도 온도 및 진동 등 주위 환경에 민감하여 모드 호핑(Mode hoping) 등이 발생한다. However, because the length of resonator is long, general fiber laser has very narrow interval between possible oscillation modes, but wide gain area makes it easy to oscillate in multiple longitudinal mode, and it is sensitive to surrounding environment such as temperature and vibration even when oscillating in single longitudinal mode through optimization. Mode hoping and the like occur.

안정적인 단일 종모드 광섬유 레이저는 일반적 형태의 광섬유 레이저에 포화 흡수체를 추가하여 구현될 수 있다. 포화 흡수체로 어븀(Erbium: Er)이 첨가된 광섬유에 펌프 광이 주입되지 않도록 한 펌프되지 않은 어븀 첨가 광섬유(Unpumped Er-doped fiber)가 널리 사용된다. 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체는 레이저 공진기의 내부에서 주요 발진모드 만을 투과시키고 나머지 고차 종모드를 모두 흡수하여 레이저의 선 폭을 줄이는 좁은 대역 파장 필터로써의 기능을 한다. Stable single-mode fiber lasers can be implemented by adding saturable absorbers to conventional fiber lasers. Unpumped Er-doped fiber, which prevents pump light from being injected into an optical fiber containing Erbium (Er) as a saturated absorber, is widely used. The erbium-doped fiber saturable absorber functions as a narrow band wavelength filter that transmits only the main oscillation mode inside the laser resonator and absorbs all remaining higher-order longitudinal modes to reduce the line width of the laser.

하지만 포화 흡수체로 동작하는 광섬유의 길이를 너무 길게 하면 레이저가 발진하기 시작하는 문턱 전류가 높아지는 동시에 레이저의 출력 파워가 작아지게 되어 에너지 변환 효율이 낮아지는 반면에, 포화 흡수체의 길이가 너무 짧으면 고출력 동작 시에 다중 모드로 발진할 가능성이 높다. 따라서 포화 흡수체의 길이를 정확히 선택해야 하는 번거로움이 있으며, 최적화된 길이를 선택하여 레이저를 구성하더라도 단일 모드로 발진하는 출력 범위가 제한된다.However, if the length of the optical fiber acting as a saturable absorber is too long, the threshold current at which the laser starts to oscillate increases and the output power of the laser is reduced, resulting in a low energy conversion efficiency. Is likely to oscillate in multiple mode at. Therefore, it is cumbersome to accurately select the length of the saturated absorber, and even if the laser is configured by selecting the optimized length, the output range of oscillation in single mode is limited.

이러한 단점을 개선한 종래의 기술로 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체에 980nm 파장의 펌프 광을 약하게 인가하는 가변형 포화 흡수체를 사용하는 방법이 있다. 980nm 파장의 펌프 광을 포화 흡수체에 임계 이득 파워 값 이하로 주입하면 발진하는 레이저 광의 흡수율이 줄게 되어, 포화 흡수체의 길이를 최적화 하지 않고 조금 길게 사용하더라도 단일 종모드 광섬유 레이저의 구현이 가능하다. The conventional technique to solve this disadvantage is a method of using a variable saturable absorber for weakly applying pump light of 980nm wavelength to the erbium-doped optical fiber saturable absorber. Injecting pump light of 980nm wavelength into the saturated absorber below the critical gain power value reduces the absorption rate of the oscillating laser light. Thus, a single longitudinal mode fiber laser can be realized even if it is used slightly longer without optimizing the length of the saturated absorber.

그러나 이러한 종래 기술은 일반적으로 사용되는 광섬유 증폭기의 구조이므로 포화 흡수레벨을 가변시킬 수 있는 범위가 좁은 단점이 있다. 포화 흡수체로 입력되는 펌프 광의 출력이 임계 이득 파워보다 크게 되면 모드들이 필터되지 않고 오히려 증폭된다. 즉, 펌프광의 세기를 정밀하게 제한하지 않으면 광증폭기로 작동하게 된다. 더욱이, 광증폭기는 소신호 증폭률이 더 큰 특징을 가지므로, 주요 종 모드대비 고차 종 모드들의 세기 차이가 줄어들게 된다. However, such a prior art has a disadvantage that the range of varying the saturation absorption level is narrow because of the structure of the optical fiber amplifier generally used. If the output of the pump light input to the saturated absorber is greater than the threshold gain power, the modes are not filtered but rather amplified. That is, unless the intensity of the pump light is precisely limited, the optical amplifier operates. Moreover, since the optical amplifier has a feature of having a small signal amplification rate, the intensity difference between the higher order species modes compared to the main species mode is reduced.

한편, 파장변환 필터를 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체와 함께 레이저 공진기 내부에 삽입하면 파장변환이 가능한 단일 종모드 광섬유 레이저를 구현할 수 있으나, 이득 물질의 흡수 및 이득 계수의 파장 의존성 및 수동 소자들의 손실의 파장 의존성으로 인해 출력 파워가 파장에 따라 다르게 되는 단점이 있다.On the other hand, when the wavelength conversion filter is inserted into the laser resonator with the erbium-doped fiber saturation absorber, it is possible to realize a single-mode fiber laser capable of wavelength conversion, but the wavelength of the absorption of the gain material and the wavelength of the gain coefficient and the loss of the passive components. The dependency is that the output power varies with wavelength.

본 발명은 희토류 첨가 광섬유를 포화 흡수체로 사용하는 단일 종모드 광섬유 레이저에 있어서, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 넓은 범위의 포화 흡수 레벨이 조절 가능하게 함으로써, 출력 파워의 광범위한 조절이 가능하고 포화 흡수체의 길이 선택이 상대적으로 자유롭고 발진하는 레이저의 문턱 전류를 낮출 수 있음과 동시에 에너지 변환 효율이 높은 단일 종모드 광섬유 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art in a single-mode fiber laser using a rare earth-added optical fiber as a saturable absorber, and by controlling a wide range of saturation absorption levels, it is possible to control a wide range of output power It is an object of the present invention to provide a single longitudinal mode fiber laser device having a high energy conversion efficiency while reducing the threshold current of a laser that is relatively free and capable of selecting a saturable absorber.

또한 본 발명은 조절 범위가 큰 가변형 포화 흡수체를 적용하여 출력의 평탄도가 높은 파장 가변형 단일 종모드 광섬유 레이저를 제공하고자 한다.In addition, the present invention is to provide a variable wavelength single-mode fiber laser having a high flatness of output by applying a variable saturable absorber having a large adjustment range.

광섬유 레이저 장치에 있어서, 상기 장치는 포화 흡수체를 이용한 것으로써 포화 흡수체의 포화 흡수율을 조절하여 장치의 출력을 조절하는 가변형 포화 흡수체부를 포함하는 단일 종모드 광섬유 레이저 장치를 제공한다.In the optical fiber laser device, the device provides a single longitudinal mode optical fiber laser device including a saturable absorber portion for controlling the output of the device by adjusting the saturation absorption rate of the saturated absorber by using the saturated absorber.

일측에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 희토류를 첨가한 광섬유를 포함한다. In one side, the optical fiber laser device includes an optical fiber to which rare earth is added.

또 다른 측면에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 이득 매질인 상기 광섬유; 이득 매질을 여기 시키는 980nm 또는 1480 nm 파장대 펌프 레이저; 펌프 레이저에서 나오는 펌프 광과 공진하는 레이저 광을 결합시켜 주는 980/1550nm 또는 1480/1550 nm 파장 다중(WDM) 커플러; 설정에 따라 레이저광의 일부를 출력시키고 나머지는 순환하도록 분리해 주는 방향성 결합기; 및 공진하는 레이저 광을 가변형 포화 흡수체부로 보내고 받는 광순환기를 더 포함한다.In another aspect, an optical fiber laser device comprises: the optical fiber being a gain medium; A pump laser of 980 nm or 1480 nm wavelength band to excite the gain medium; A 980/1550 nm or 1480/1550 nm wavelength multiplexing (WDM) coupler for coupling the resonant laser light with the pump light exiting the pump laser; A directional coupler that outputs a portion of the laser light and separates the rest to circulate according to a setting; And an optical circulator for sending and receiving the resonant laser light to the variable saturable absorber portion.

또 다른 측면에 있어서, 가변형 포화 흡수체부는 희토류 첨가 광섬유 포화 흡수체; 및 포화 흡수체의 희토류 이온을 여기 시켜 포화 흡수 레벨을 변화시키는 C-밴드대 파장의 펌프 광원; 펌프 광원의 펌프 광을 포화 흡수체로 입력시키고, 발진되는 레이저 광을 분리하는 파장 분배기; 특정한 파장영역을 선택적으로 반사시키는 광섬유 격자 필터를 포함한다.In another aspect, the variable saturable absorber portion is a rare earth addition optical fiber saturable absorber; And a pump light source having a C-band band wavelength that excites the rare earth ions of the saturated absorber to change the saturated absorption level. A wavelength divider for inputting the pump light of the pump light source into the saturated absorber and separating the laser light being oscillated; And an optical fiber grating filter for selectively reflecting specific wavelength ranges.

또 다른 측면에 있어서, 펌프 광원은 반도체 레이저와 광증폭기로 이루어지고, 파장 분배기는 CWDM (Coarse WDM) 또는 DWDM (Dense WDM) 커플러를 사용하며, 격자 필터는 반사율이 높고 반사 선 폭은 좁은 것을 선택할 수 있다. In another aspect, the pump light source consists of a semiconductor laser and an optical amplifier, the wavelength divider uses a CWDM (Coarse WDM) or DWDM (Dense WDM) coupler, and the grating filter selects a high reflectivity and a narrow reflection line width. Can be.

또 다른 측면에 있어서, 가변형 포화 흡수체부의 광섬유 격자 필터는 레이저의 발진 파장을 선택하는 파장 가변 필터와 고반사 거울로 대체될 수 있다.In another aspect, the optical fiber grating filter of the variable saturable absorber portion may be replaced by a variable wavelength filter and a high reflection mirror to select the oscillation wavelength of the laser.

또 다른 측면에 있어서, 광섬유 레이저 장치는 광섬유 레이저의 출력을 모니터하는 수단; 및 광섬유 레이저의 신호를 받아 포화 흡수체의 흡수율 조절용 펌프 광원의 세기를 조절하는 수단을 포함한다.In yet another aspect, a fiber laser device comprises means for monitoring an output of a fiber laser; And means for adjusting the intensity of the pump light source for adjusting the absorption rate of the saturated absorber in response to a signal of the fiber laser.

본 발명에 의하면, 단일 종모드 광섬유 레이저에 있어서 포화 흡수 레벨의 광범위한 조절이 가능한 가변형 포화 흡수체를 사용하므로, 레이저의 출력을 광범위하게 조절할 수 있을 뿐 아니라 문턱 전류를 감소시킬 수 있고, 에너지 변환 효율을 증가시킬 수 있으며, 포화 흡수체의 길이를 비교적 쉽게 선택할 수 있게 된다.According to the present invention, since a variable saturable absorber capable of extensive control of the saturation absorption level in a single longitudinal mode fiber laser is used, not only can the laser output be controlled extensively, but also the threshold current can be reduced, and the energy conversion efficiency is improved. It is possible to increase the length of the saturated absorber relatively easily.

또한, 본 발명에 의한 파장 가변형 단일 종모드 광섬유 레이저는 광범위한 포화 흡수레벨의 가변 특성의 도움으로 출력의 평탄도를 유지한 상태로 파장 가변 영역을 넓힐 수 있는 효과가 있다.In addition, the tunable single-mode fiber laser according to the present invention has the effect of widening the tunable region while maintaining the flatness of the output with the help of a variable characteristic of a wide range of saturation absorption levels.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 단일 종모드 광섬유 레이저 장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저의 펌프 출력에 따른 레이저 출력의 그래프를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저의 광 출력 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저의 RF 주파수 출력 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 단일 종모드 광섬유 레이저 장치의 다른 실시예를 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing a single longitudinal mode fiber laser device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a graph of the laser output according to the pump output of the laser in one embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the light output spectrum of the laser in one embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the RF frequency output spectrum of the laser in one embodiment of the present invention.
Figure 5 is a block diagram showing another embodiment of a single longitudinal mode fiber laser device in one embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 포화 흡수체 기반의 단일 종모드로 발진하는 광섬유 레이저를 제공함에 있어서, C-밴드(Conventional band, 1530 nm ~ 1560 nm) 영역의 파장을 갖는 광원의 펌프광을 포화 흡수체에 주입하여 발진하는 레이저 광의 포화 흡수 레벨을 광범위하게 조절 할 수 있도록 함으로써, 출력 파워의 광범위한 조절이 가능하게 하고, 포화 흡수체의 길이 선택이 상대적으로 자유로워지며, 발진하는 레이저의 문턱 전류를 낮춤과 동시에 에너지 변환 효율을 높일 수 있다. The present invention provides a fiber laser that oscillates in a single longitudinal mode based on a saturable absorber, wherein the laser beam is injected by injecting the pump light of a light source having a wavelength of C-band (Conventional band, 1530 nm to 1560 nm) into the saturable absorber. By allowing extensive control of the saturation absorption level of the light, it is possible to control the output power in a wide range, to freely select the length of the saturation absorber, to lower the threshold current of the oscillating laser and to increase the energy conversion efficiency. Can be.

단일 종모드 광섬유 레이저 장치에 있어서, 포화 흡수체를 이용한 것으로써 포화 흡수체의 포화 흡수율을 조절하여 광섬유 레이저 장치의 출력을 조절하는 가변형 포화 흡수체부를 포함한다. 광섬유 레이저 장치는 희토류를 첨가한 광섬유를 포함하는데, 예컨대 희토류 원소인 어븀(Erbium: Er,), 이터븀(Ytterbium: Yb) 등이 첨가된 광섬유로서, 희토류를 첨가한 광섬유는 흡수율이 펌프광의 세기가 커질수록 작아지며 다중 파장의 광원이 입사될 때 작은 파워를 갖는 파장의 빛은 모두 흡수되고 포화흡수 레벨 이상의 파워를 갖는 한 모드만 투과시키는 좁은 대역 투과 필터(Narrow Band pass Filter)와 같은 특징을 가지는 흡수체 필터의 역할을 한다.A single longitudinal mode optical fiber laser device comprising a saturable absorber portion that uses a saturable absorber to control the output of the optical fiber laser device by adjusting the saturation absorption rate of the saturated absorber. The optical fiber laser device includes an optical fiber containing rare earth. For example, an optical fiber containing rare earth elements such as erbium (Erbium) and ytterbium (Yb) is added. Is larger as it becomes smaller, and when a light source of multiple wavelengths is incident, it is characterized by a narrow band pass filter that absorbs all light having a small power and transmits only one mode having power above the saturation absorption level. The branches serve as absorber filters.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 단일 종모드 광섬유 레이저 장치의 구성을 나타낸 것이다. 발명의 실시예에 있어서 도 1에 따르면, 단일 종모드 광섬유 레이저 장치는 고리형 광섬유 레이저부(110)와 가변형 포화 흡수체부(120)를 포함하여 구성된다. 1 illustrates a configuration of a single longitudinal mode fiber laser device according to an embodiment of the present invention. In an embodiment of the invention, according to FIG. 1, the single longitudinal mode fiber laser device includes a ring-shaped fiber laser unit 110 and a variable saturable absorber unit 120.

고리형 광섬유 레이저부(110)는 이득 매질을 여기 시키기 위한 980 nm 또는 1480 nm 파장대 펌프 레이저(111), 이 펌프 광과 공진하는 레이저 광을 결합시켜 주는 980/1550 nm 또는 1480/1550 nm 파장 다중(WDM) 커플러(112), 이득 매질인 희토류(발명의 실시예에 있어서 어븀) 첨가 광섬유(113), 발진된 레이저의 일부를 출력시키고 그 나머지는 장치를 순환하도록 분리해 주는 방향성 결합기(114), 그리고 공진하는 레이저를 포화 흡수체부(120)로 보내고 받는 광순환기(115)를 포함할 수 있다. The annular optical fiber laser unit 110 has a 980 nm or 1480 nm wavelength band pump laser 111 for exciting a gain medium, and a 980/1550 nm or 1480/1550 nm wavelength multiple which combines the laser light resonating with the pump light. (WDM) coupler 112, a rare earth (erbium in the embodiment of the invention) addition of gain medium, an directional coupler 114 that outputs a portion of the oscillated laser and separates the rest to circulate the device. And an optical circulator 115 for transmitting and receiving the resonating laser to the saturable absorber unit 120.

또한, 가변형 포화 흡수체부(120)는 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체(123), 포화 흡수체(123)의 어븀 이온을 여기 시켜 포화 흡수 레벨을 변화시키기 위해 구비한 반도체 레이저와 광증폭기로 이루어진 C-밴드대 파장의 펌프 광원(121)과 이 펌프 광원(121)의 펌프 광을 포화 흡수체(123)로 입력시켜 주고 발진되는 레이저 광과 분리해 주는 파장 분배기(122), 특정한 파장영역을 선택적으로 반사시키는 광섬유 격자 필터(124)로 구성될 수 있다. 여기에서, 파장 분배기(122)는 CWDM (Coarse WDM(Wavelength Division Multiplexing) 또는 DWDM(Dense WDM) 커플러를 사용하는 것이 바람직하며 광섬유 격자 필터(124)의 반사율은 높고 반사 선 폭은 좁을수록 바람직하다.In addition, the variable saturable absorber portion 120 is a C-band band composed of a semiconductor laser and an optical amplifier provided to change the saturation absorption level by exciting the erbium-doped optical fiber saturable absorber 123 and the erbium ions of the saturated absorber 123. A wavelength splitter 122 that inputs the pump light source 121 having the wavelength and the pump light of the pump light source 121 to the saturable absorber 123 and separates the laser light from the oscillation, and an optical fiber that selectively reflects a specific wavelength region. Lattice filter 124. Here, the wavelength divider 122 preferably uses CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) or DWDM (Dense WDM) coupler. The higher the reflectance of the optical fiber grating filter 124 and the narrower the line width, the better.

이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 가변형 포화 흡수체를 적용한 단일 종모드 광섬유 레이저는 이하와 같은 원리로 동작할 수 있다. The single longitudinal mode optical fiber laser to which the variable saturable absorber according to the present invention having such a configuration is applied can operate on the following principle.

광순환기(115)가 제거되었다고 가정하면, 공진하는 레이저를 포화 흡수체부(120)로 보내고 받는 것을 생략하게 되어, 고리형 광섬유 레이저부(110)는 전형적인 고리형 광섬유 레이저 장치의 구조가 된다. 고리 형태의 단방향 공진기는 레이저 광이 진행파의 형태를 가짐으로써, 이득 매질 내에서 정상파(Standing wave)에 의한 간섭이나 공간 홀버닝(Spatial hole burning)이 일어나지 않아 단일모드 발진에 유리할 수 있다. 이득 매질인 어븀 첨가 광섬유(113)에 980nm 펌프 레이저(111)를 파장 다중 커플러(112)를 통해 주입하면 바닥상태에 있던 어븀 이온 (Er3 +)이 에너지를 흡수하였다가 C-밴드의 에너지를 갖는 빛들이 자연방출(Spontaneous emission)되고 공진기를 순환하면서 이득과 손실의 차이가 가장 큰 파장에서 유도방출이 일어나서 레이저가 발진할 수 있으며, 이때 발진된 레이저는 방향성 결합기(114)를 통해 출력될 수 있다.Assuming that the optical circulator 115 is removed, it is omitted to send and receive the resonant laser to the saturable absorber portion 120, so that the annular optical fiber laser unit 110 has a structure of a typical annular optical fiber laser device. In the ring-shaped unidirectional resonator, since the laser light has a traveling wave shape, interference by spatial waves or spatial hole burning does not occur in the gain medium, and thus may be advantageous for single mode oscillation. A gain medium is Er-doped optical fiber when the 980nm pump laser 111 to 113 is introduced through the wavelength division multiplexing coupler (112) to absorb the erbium ion (Er + 3) which was in the ground state energy of the C- band energy When the light has spontaneous emission and the resonator circulates, the induced emission may occur at a wavelength having the largest difference in gain and loss, and the laser may be oscillated, and the emitted laser may be output through the directional coupler 114. have.

발명에서 제안한 바와 같이, 고리형 광섬유 레이저부(110)에서 광순환기(115)를 삽입하면, 자연 방출된 빛은 파장 분배기(122)를 거쳐, 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체(123)에 입력된다. 이때, 일부는 흡수되고 일부는 투과한 후, 광섬유 격자 필터(124)에서 특정 파장들만 반사되는데, 반사된 빛은 다시 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체(123)에서 일부가 흡수되고 파장 분배기(122)를 거쳐 고리형 광섬유 레이저부(110)로 돌아갈 수 있다. As proposed in the present invention, when the optical circulator 115 is inserted in the annular fiber laser unit 110, the naturally emitted light is input to the erbium-doped optical fiber saturable absorber 123 via the wavelength divider 122. At this time, after some are absorbed and some are transmitted, only specific wavelengths are reflected by the optical fiber grating filter 124, and the reflected light is again absorbed by the erbium-doped optical fiber saturable absorber 123 and passes through the wavelength divider 122. It may return to the annular fiber laser unit 110.

이러한 순환 과정을 반복하면서 이득이 공진기의 손실과 포화 흡수체의 흡수의 합보다 커지게 되면 레이저가 발진한다. 광섬유 격자 필터(124)의 반사 파장 영역 내에도 공진 조건을 만족시키는 다수의 주파수가 존재하지만, 포화 흡수체(123)가 충분히 길면 주요 모드를 제외한 다른 주파수 모드들은 흡수되고 결국 광 세기가 가장 큰 주요 모드만 남아, 단일 종모드로 발진하는 것이다. By repeating this cycle, the laser oscillates when the gain is greater than the sum of the loss of the resonator and the absorption of the saturated absorber. Even in the reflected wavelength region of the optical fiber grating filter 124, there are a number of frequencies that satisfy the resonance condition, but if the saturable absorber 123 is long enough, other frequency modes except the main mode are absorbed and eventually the main mode with the largest light intensity. Only remains, is to oscillate in single species mode.

이때, 발진하는 레이저 파장과 같은 에너지 준위에 해당하는 C-밴드 파장(본 실시예에서 보여지는 바와 같이 어븀 첨가 광섬유에서 흡수율이 가장 큰 파장영역에 해당하는 1532 nm 파장을 사용)을 갖는 펌프 광원(121)을 파장 분배기(122)를 통해 어븀 첨가 광섬유 포화 흡수체(123)에 입력시킨다. 그러면 포화 흡수체(123)에서 흡수가 추가로 일어나므로 바닥상태의 에너지를 갖는 어븀 이온의 수가 줄어들어 고리형 레이저에서 발진하는 파장의 레이저가 포화 흡수체(123)에서 흡수되는 흡수율이 줄어들 수 있다.At this time, the pump light source having a C-band wavelength (1515 nm wavelength corresponding to the wavelength region of the largest absorption in the erbium-doped optical fiber, as shown in this embodiment) corresponding to the same energy level as the oscillating laser wavelength ( 121 is input to the erbium-doped optical fiber saturable absorber 123 through the wavelength divider 122. Then, since absorption occurs in the saturated absorber 123, the number of erbium ions having energy in the ground state is reduced, so that the absorption rate of the laser of the wavelength oscillated by the cyclic laser is absorbed in the saturated absorber 123.

포화 흡수 레벨의 조절을 위해서 종래의 기술처럼 980 nm 펌프 광원을 사용하면, 흡수한 포화 흡수체의 어븀 이온은 빠르게 C-밴드의 에너지 레벨로 전이되어 고리형 광섬유 레이저부(110)의 어븀 첨가 광섬유(113)에서 나온 빔이 입력되었을 때 유도 방출이 일어나 증폭이 되는 반면에, C-밴드의 광원을 펌프 광으로 사용하면 어븀 이온은 입사된 파장의 빛을 유도 흡수하고, 또 입사된 파장의 빛으로 다시 유도 방출을 연속적으로 하기 때문에, 같은 주파수 밴드 내의 다른 파장 영역에서 발진하는 고리형 레이저 빔의 증폭은 잘 일어나지 않게 된다. When the 980 nm pump light source is used to adjust the saturation absorption level, as in the conventional art, the erbium ions of the absorbed saturated absorber are quickly transferred to the energy level of the C-band, and the erbium-doped optical fiber of the cyclic fiber laser unit 110 ( While induced emission occurs and amplifies when the beam from 113) is input, when a C-band light source is used as pump light, erbium ions induce and absorb light of the incident wavelength, and then into the light of the incident wavelength. Since the induced emission is continuous again, the amplification of the annular laser beam oscillating in different wavelength regions in the same frequency band is less likely to occur.

따라서, C-밴드의 펌프 광원 파워를 조절하면, 포화 흡수체의 흡수율을 최대에서 완전한 포화상태에 도달하는 최소 값까지 조절할 수 있으며, 레이저의 출력 파워를 광범위하게 변화시킬 수 있게 되고, 또한 레이저가 발진하는 문턱 전류를 낮출 수 있으며 에너지 변환 효율을 높일 수 있다.Thus, by adjusting the pump light source power of the C-band, it is possible to adjust the absorption rate of the saturated absorber from the maximum to the minimum value that reaches full saturation, and can vary the output power of the laser extensively, and also the laser oscillation The threshold current can be lowered and the energy conversion efficiency can be improved.

광섬유 레이저 장치에 있어서, 광섬유 레이저의 출력을 모니터하는 수단; 및 광섬유 레이저의 신호를 받아 포화 흡수체의 흡수율 조절용 펌프 광원의 세기를 조절하는 수단을 포함하여, 포화 흡수체의 흡수율을 조절함으로써, 레이저의 출력을 광범위하게 조절할 수 있다. A fiber laser apparatus comprising: means for monitoring an output of a fiber laser; And means for adjusting the intensity of the pump light source for adjusting the absorption rate of the saturated absorber in response to the signal of the optical fiber laser. By controlling the absorption rate of the saturated absorber, the output of the laser can be controlled in a wide range.

이에, 도 2의 그래프는 도 1의 실시예에 있어서, 레이저의 펌프 출력에 따른 레이저 출력의 그래프를 나타낸 것이다. 실시예에 의한 단일 종모드 광섬유 레이저에서 이득 매질인 광섬유에 입력하는 980 nm 파장의 펌프 파워에 따른 레이저의 출력 결과로 포화 흡수체에 입력되는 1532 nm 펌프 광원의 입력이 없을 때와 17.8 mW의 파워를 입력할 때의 레이저 출력을 비교한 그래프이다. 포화 흡수체에 입력되는 1532 nm 펌프 파워가 17.8 mW일 때가 입력되는 파워가 없을 때에 비해 레이저가 발진하기 시작하는 문턱 펌프 파워가 작아지고, 레이저의 출력이 향상되는 것을 도 2의 그래프를 통해 확인할 수 있다.2 shows a graph of laser output according to the pump output of the laser in the embodiment of FIG. 1. As a result of the laser output according to the pump power of 980 nm wavelength input to the optical fiber which is a gain medium in the single-mode fiber laser according to the embodiment, there is no power of 1532 nm pump light source and 17.8 mW input to the saturated absorber. This is a graph comparing the laser output when inputting. It can be seen from the graph of FIG. 2 that the threshold pump power at which the laser starts oscillating becomes smaller and the output of the laser is improved compared to when the input power to the saturation absorber is 17.8 mW when there is no input power. .

나아가, 같은 실시예에 따라 레이저의 광 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프가 도 3에 도시되어 있다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 17.8 mW의 파워를 가지는 1532 nm 파장의 광원을 포화 흡수체에 입력하여 포화 흡수 레벨을 조절하고, 이득 매질인 광섬유에 980 nm 펌프 광을 220 mW로 입력했을 때 출력되는 레이저의 광 출력 스펙트럼으로, 분해능이 0.07 nm인 광 스펙트럼 분석기로 측정되었으며, 단일 모드로 출력되는 레이저의 신호대 잡음의 소광비는 약 65dB로 나타난다. Furthermore, a graph showing the light output spectrum of the laser is shown in FIG. 3 according to the same embodiment. FIG. 3 shows a saturation absorption level by inputting a 1532 nm wavelength light source having a power of 17.8 mW to a saturated absorber according to an embodiment of the present invention, and inputting 980 nm pump light at 220 mW into an optical fiber as a gain medium. The light output spectrum of the output laser was measured by an optical spectrum analyzer with a resolution of 0.07 nm, and the extinction ratio of the signal-to-noise of the laser output in a single mode was about 65 dB.

도 4는 레이저의 출력 파워가 약 1 mW로 동일한 출력 파워를 갖는 조건에서 가변형 포화 흡수체를 삽입했을 때와 하지 않았을 때의 20 GHz 광 검출기로 광전변환 후 측정한 RF 출력 스펙트럼을 각각 나타낸 것으로, 그래프 (a)는 가변형 포화 흡수체를 삽입하지 않았을 때의 RF 출력 스펙트럼으로, 종모드 간의 간섭에 의한 비트 주파수가 나타났지만, 그래프 (b)는 가변형 포화 흡수체를 삽입했을 때의 RF 출력 스펙트럼으로, 비트 주파수가 사라진 것으로 볼 수 있으므로, 따라서 가변형 포화 흡수체를 삽입하게 되면 단일 종모드로 발진한다고 볼 수 있다. 또한, 도 1의 실시예에 있어서 구성된 광섬유 레이저가 출력하는 모든 광범위한 파워 영역에서 단일 종모드로 발진하는 것이라 예상할 수 있다. 4 is a graph showing RF output spectra measured after photoelectric conversion with a 20 GHz photodetector with and without a variable saturable absorber under the condition that the output power of the laser is about 1 mW and having the same output power. (a) is the RF output spectrum when the variable saturable absorber is not inserted, and the bit frequency due to the interference between the longitudinal modes is shown, but (b) is the RF output spectrum when the variable saturable absorber is inserted, the bit frequency. Can be seen as disappeared, therefore, the insertion of the variable saturable absorber can be seen to oscillate in a single longitudinal mode. In addition, it can be expected to oscillate in a single longitudinal mode in all the wide ranges of power output by the optical fiber laser constructed in the embodiment of FIG.

위와 같이 설명한 단일 종모드 광섬유 레이저는 도 5와 같이, 광섬유 격자 필터 대신 파장 가변 필터와 고반사 거울로 대체 할 수 있다. 도 5는 본 발명에 의한 실시예로 출력이 평탄화된 광대역 파장 가변 단일 종모드 광섬유 레이저의 구성도를 나타낸 것이다. 도 1의 실시예의 가변형 포화 흡수체부(120)에서 광섬유 격자 필터(124)가 제거되고 파장 가변 필터(525)와 고반사 거울(526)로 대체 된 것을 볼 수 있다. 상기 파장 가변 필터(525)의 파장 이동은 전압 인가형이나 역학적 튜닝 방식 등으로 가능하고, 삽입 위치는 구성의 편의에 따라 공진기 내부에서 적절히 변경이 가능하다. 고반사 거울(526)은 광섬유 끝 단이나 패룰(Parrule) 끝 단에 다층 유전체 박막 구조의 고반사 코팅을 하거나, 패러데이 회전기(Faraday rotator) 거울을 광섬유에 밀착 접속하여 사용할 수 있다.As described above, the single longitudinal mode fiber laser described above may be replaced with a tunable filter and a high reflection mirror instead of an optical fiber grating filter. FIG. 5 shows a schematic diagram of a wideband wavelength tunable single-mode fiber laser having an flattened output according to an embodiment of the present invention. In the variable saturable absorber portion 120 of the embodiment of FIG. 1, the optical fiber grating filter 124 is removed and replaced with the wavelength tunable filter 525 and the high reflection mirror 526. The wavelength shift of the tunable filter 525 may be performed using a voltage application type or a mechanical tuning method, and the insertion position may be appropriately changed in the resonator according to the configuration. The high reflection mirror 526 may be a high reflection coating of a multilayer dielectric thin film structure at the end of the optical fiber or the end of the parrule, or a Faraday rotator mirror may be closely connected to the optical fiber.

일반적인 구조의 광섬유 레이저에서 파장 가변 필터(525)를 사용하여 레이저의 출력 파장을 변화시켰을 때 출력파워는 파장에 따라 다르게 나타난다. 희토류가 첨가된 이득 광섬유의 이득율이 파장에 따라 다르기 때문이다. 이득이 작아 레이저 출력이 작아지게 되는 파장 영역에서는 포화 흡수체(523)에 입력되는 C-밴드 펌프광의 세기를 증가시켜 포화 흡수체의 투과도를 높이면 레이저의 출력을 높일 수 있다. 특히, 본 발명에서 제안하는 방식을 통해 포화 흡수 레벨을 광범위하게 조절 할 수 있으므로, 단일 종모드 레이저의 출력이 균일하게 유지된 상태에서 파장 가변 영역을 넓힐 수 있다.When the output wavelength of the laser is changed by using the tunable filter 525 in the optical fiber laser having a general structure, the output power is different depending on the wavelength. This is because the gain ratio of the gain optical fiber to which rare earth is added varies depending on the wavelength. In the wavelength range where the gain is small and the laser output becomes small, the output of the laser can be increased by increasing the intensity of the C-band pump light input to the saturated absorber 523 to increase the transmittance of the saturated absorber. In particular, since the saturation absorption level can be controlled in a wide range through the method proposed in the present invention, the wavelength variable region can be widened while the output of the single longitudinal mode laser is kept uniform.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 광섬유 레이저 장치에 가변형 포화 흡수체를 첨가하여, 레이저 발진 파장 영역에서의 이득을 잘 유도하지 않고 포화 흡수율이 잘 조절 될 수 있는 파장 영역에서의 펌프 광원으로 포화 흡수율을 조절함으로써 레이저의 출력을 광범위하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 문턱 전류를 낮춤과 동시에 에너지 변환 효율을 높이고, 포화 흡수체의 길이 선택을 상대적으로 자유롭게 할 수 있다. 또한, 가변형 포화 흡수체와 더불어, 파장 가변 필터를 적용하여 출력의 평탄도가 높은 광대역 파장 가변 단일 종모드 광섬유 레이저 장치를 제공할 수 있다. Thus, according to the embodiment of the present invention, by adding a variable saturable absorber to the optical fiber laser device, it is saturated with the pump light source in the wavelength region where the saturation absorption can be well controlled without inducing a gain in the laser oscillation wavelength region. By controlling the absorption rate, not only can the output of the laser be extensively adjusted, but also the threshold current can be lowered, the energy conversion efficiency can be increased, and the length of the saturated absorber can be relatively free. Further, in addition to the variable saturable absorber, a wavelength tunable filter can be applied to provide a wideband wavelength tunable single-mode fiber laser device having high flatness of output.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

110, 510: 광섬유 레이저부
111, 511: 980 nm 또는 1480 nm 파장대 펌프 레이저
112, 512: 파장 다중 커플러
113, 513: 이득 광섬유
114, 514: 방향성 결합기
115, 151: 광순환기
120, 520: 가변형 포화 흡수체부
121, 521: 펌프 광원
122, 522: 파장 분배기
123, 523: 포화 흡수체
124: 광섬유 격자 필터
525: 파장가변 필터
526: 고반사 거울110, 510: fiber laser unit
111, 511: 980 nm or 1480 nm wavelength band pump laser
112, 512: wavelength multiple coupler
113, 513: gain optical fiber
114, 514: Directional coupler
115, 151: optical circulator
120, 520: variable saturated absorber portion
121, 521: pump light source
122, 522: wavelength divider
123 and 523: saturated absorbents
124: fiber optic grating filter
525: wavelength variable filter
526: high reflection mirror

Claims (7)

단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치에 있어서,
고리형 광섬유 레이저부; 및
포화 흡수체의 포화 흡수율을 C-밴드대 파장의 펌프 광원으로 펌프하여 단일 주파수의 레이저가 안정적으로 발진하도록 하는 가변형 포화 흡수체부
를 포함하고,
상기 가변형 포화 흡수체부는
희토류 첨가 광섬유 포화 흡수체; 및
상기 희토류 첨가 광섬유 포화 흡수체의 희토류 이온을 여기시켜 포화 흡수 레벨을 변화시키는 C-밴드대 파장의 펌프 광원;
상기 펌프 광원의 펌프 광을 상기 포화 흡수체로 입력시키고, 발진되는 레이저 광을 분리하는 파장 분배기;
단일 주파수 대역의 파장을 선택적으로 투과시키는 광섬유 격자 필터
를 포함하고,
상기 고리형 광섬유 레이저부는
어븀 첨가 광섬유 이득 매질을 여기 시키는 펌프 레이저;
상기 펌프 레이저에서 나오는 펌프 광과 공진하는 레이저 광을 결합시켜 주는 파장 다중(WDM, Wavelength Division Multiplexing) 커플러;
이득 매질인 광섬유;
설정에 따라 상기 레이저광의 일부를 출력시키고 나머지는 순환하도록 분리해 주는 방향성 결합기; 및
상기 공진하는 레이저광을 상기 가변형 포화 흡수체부로 보내고 받는 광순환기
를 포함하는 단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치.In an erbium-doped fiber laser device that oscillates a single frequency laser,
Annular fiber laser unit; And
A variable saturable absorber section that pumps the saturation absorbance of the saturable absorber to a pump light source with a C-band band wavelength so that a single frequency laser can be stably oscillated.
Lt; / RTI >
The variable saturation absorber portion
Rare earth addition optical fiber saturated absorbers; And
A pump light source having a C-band band wavelength that excites rare earth ions of the rare earth-added optical fiber saturated absorber to change the saturation absorption level;
A wavelength divider for inputting pump light of the pump light source into the saturable absorber and separating laser light that is oscillated;
Fiber-optic grating filters selectively transmit wavelengths in a single frequency band
Lt; / RTI >
The annular fiber laser unit
A pump laser to excite the erbium-doped fiber-optic gain medium;
A wavelength division multiplexing (WDM) coupler for coupling the resonant laser light with the pump light emitted from the pump laser;
Optical fiber which is a gain medium;
A directional coupler that outputs a portion of the laser light and separates the rest to circulate according to a setting; And
Optical circulator for sending and receiving the resonant laser light to the variable saturable absorber portion
Erbium-doped fiber laser device for oscillating a laser of a single frequency comprising a. 제1항에 있어서,
상기 펌프 레이저는
980nm의 파장을 갖는 펌프 레이저인 단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치.The method of claim 1,
The pump laser
An erbium-doped fiber laser device for oscillating a single frequency laser which is a pump laser having a wavelength of 980 nm. 제1항에 있어서,
상기 펌프 레이저는
1480nm의 파장을 갖는 펌프 레이저인 단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치.The method of claim 1,
The pump laser
An erbium-doped fiber laser device for oscillating a single frequency laser that is a pump laser having a wavelength of 1480 nm. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 펌프 광원은 반도체 레이저와 광증폭기로 이루어지고,
상기 파장 분배기는 CWDM(Coarse WDM) 또는 DWDM(Dense WDM) 커플러를 사용하며,
상기 격자 필터는 반사율이 높고 반사 대역폭은 좁은 것을 선택하는 것
을 특징으로 하는 단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치.The method of claim 1,
The pump light source is composed of a semiconductor laser and an optical amplifier,
The wavelength divider uses a Coarse WDM (CWDM) or a Dense WDM (DWDM) coupler,
The grating filter is to choose a high reflectance and narrow reflection bandwidth
An erbium-doped fiber laser device for oscillating a single frequency laser, characterized in that. 제1항에 있어서,
상기 광섬유 격자 필터는,
레이저의 발진 파장영역을 선택하는 파장 가변 필터와 고반사 거울로 대체하는 것
을 특징으로 하는 단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치.The method of claim 1,
The optical fiber grating filter,
Substituting with tunable filter and high reflection mirror which select the oscillation wavelength range of laser
An erbium-doped fiber laser device for oscillating a single frequency laser, characterized in that. 제1항에 있어서,
상기 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치는
광섬유 레이저의 출력을 모니터하는 수단; 및
상기 광섬유 레이저의 신호를 받아 상기 포화 흡수체의 흡수율 조절용 펌프 광원의 세기를 조절하는 수단
을 포함하는 단일 주파수의 레이저를 발진하는 어븀 첨가 광섬유 레이저 장치.The method of claim 1,
The erbium-added optical fiber laser device
Means for monitoring the output of the fiber laser; And
Means for adjusting the intensity of the pump light source for controlling the absorption rate of the saturated absorber in response to the signal of the optical fiber laser
Erbium-doped fiber laser device for oscillating a laser of a single frequency comprising a.
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