KR20020014173A - 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치에 관한 것이다. 특히, 초고속 광신호처리용 광원이나 광통신용 광원으로 사용되기 위한 여러파장을 초고속으로 동시에 발진시킬 수 있는 새로운 형태의 반도체-광섬유 레이저에 관한 것이다.

본 발명은 반도체 광증폭기를 이득체로 사용하면서 공진기 내부에 표본화된 광섬유 그레이팅(SFG)과, 세기 변조기를 사용하여 구조가 간결한 능동 모드록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저(SFRL)를 구성하여 다파장의 펄스열을 생성하는 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치가 제시된다.

따라서, 본 발명에 따르면 출력 손실이 적고, 실온에서 동시 발진이 가능한 10G bit/s 급의 초고속 다파장 레이저를 구성함으로써 초고속 파장분할 다중방식 광통신용 광원이나 초고속 신호처리용 광원으로 사용 할 수 있다.

Description

표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치{ULTRA HIGH SPEED MULTI WAVELENGTH LASER APPARATUS USING A SAMPLED FIBER GRATING}

본 발명은 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치에 관한 것이다. 특히, 초고속 광신호처리용 광원이나 광통신용 광원으로 사용되기 위한 여러파장을 초고속으로 동시에 발진시킬 수 있는 새로운 형태의 반도체-광섬유 레이저에 관한 것이다.

최근에 초고속, 대용량의 정보의 전송이 필요하게 되면서 파장 분할 다중화 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)와 광 시분할 다중화(Optical Time Division Multiplexing, OTDM)방식에 의한 광 전송 연구가 활발히 진행되고 있다.

이에 따라 전송 채널 수와 각 채널의 전송 속도를 증가시키기 위해서 다파장, 초고속 광원에 관한 연구들이 전세계적으로 이루어지고 있다.

지금까지 많은 연구가 이루어지고 있는 방법들은 물리적으로 분리된 레이저들로부터 얻어지는 서로 다른 파장들을 하나의 광섬유로 결합시켜 내보내는 방식이나 발광다이오드(LED)나 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier 이하, EDFA) 등의 광대역 스펙트럼의 빛을 내는 광원과 광필터의 조합을 이용한 스펙트럼 슬라이싱(spectrum slicing)방식 등이 있다.

그러나, 이러한 방법들은 광통신 전송을 위해서는 궁극적으로 각 파장별로 광 변조기를 필요로 하며 그 구조가 복잡하다. 따라서, 한 개의 이득체를 사용하여 초고속 다파장 레이저를 만드는 방법들이 주목을 받고 있다.

상기의 EDFA를 이용한 방식은 광섬유 레이저 공진기 안에 콤바인더 필터를 이용하여 11개의 CW(continuous wave) 다파장 발진 레이저를 구성하고 있으나, 상온에서는 이득체의 균일선폭확대(homogeneous line broading)현상에 의해 파장별 광원의 안정화가 어려웠다. 따라서, 이를 막기위해 EDFA를 절대온도 77℃로 유지해 주어야 하는 단점이 있다.

한편, 최근에 외부 주입 변조 방식에 의해 반도체 광증폭기를 이득체로 이용한 다파장 레이저를 보고한바 있는데, 이는 외부에서 레이저 공진기의 기본 주파수의 정수배에 해당하는 주파수로 세기 변조하여 주입시켜 주면 외부 변조 주파수의 정수배 만큼 증가된 고조 모드-록킹된 다파장 레이저가 구성 된다.

이때, 발진 파장수는 모드-록킹된 발진 모드 수와 같은 초고속 다파장 레이저가 구현된다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 초고속 광신호처리용 광원이나 광통신용 광원으로 사용되기 위한 여러 파장을 초고속으로 상온에서 동시에 발진시키는 새로운 형태의 반도체-광섬유 레이저를 구현토록 하는 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치가 제공된다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 반도체 광증폭기를 이득체로 사용하면서 공진기 내부에 표본화된 광섬유 그레이팅(Sampled Fiber Grating 이하: SFG)과, 세기 변조기를 사용하여 구조가 간결한 능동 모드록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저(Semiconductor- Fiber Ring Laser 이하: SFRL)를 구성하여 다파장의 펄스열을 생성하는 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치가 제시된다.

도 1은 본 발명에 따른 초고속 다파장 레이저의 실험 장치를 나타낸 개략 구성도

도 2는 본 발명에 따른 표본화된 광섬유 격자(SFG)의 투과광 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명에 따른 표본화된 광섬유 격자(SFG)의 반사광 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 4는 본 발명에 따른 다파장 능동형 모드 록킹 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 CW 출력광 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 5는 본 발명에 따른 다파장 능동형 모드 록킹 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 모드 록킹된 광 스펙트럼을 나타낸 그래프

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 광 필터에 의해 선택된 각 파장의 10 GHz 펄스열을 나타낸 도면

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 출력가변광섬유필터 20 : 편광조절기

30 : 광세기변조기 30a : RF 합성기

40 : 광고립기 50 : 반도체광증폭기

50a : SDA 구동기 60 : 광순환기

60a : 표본화된 광섬유 격자(SFG)

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다파장 능동형 모드 록킹 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 장치 구성도이다.

도 1에 도시된 능동형 모드-록킹 SFRL의 구성 소자는 광섬유의 출력을 가변시켜 커플링시키는 출력가변 광섬유커플러(Variable Coupler, 10)와, 광섬유의 편광을 조절하는 편광조절기(Polarization Controller, 20)와, 리튬나오베이트를 이용하여 광섬유의 세기를 변조시키는 광세기변조기(Optical Intensity Modulator, 30)와, 광파장을 전송시키는 광 고립기(Isolator, 40), 반도체-광섬유의 광파장을 증폭시키는 반도체 광증폭기 (Semiconductor Optical Amplifier 이하: SOA, 50), 표본화된 광섬유 격자를 순환시키는 광순환기(Optical circulator, 60)와, 표본화된 광섬유 격자(Sampled Fiber Grating 이하:SFG, 60a)로 이루어져 있다.

SOA(50)는 길이가 1 mm, 운반자 수명이 2 ns정도이고, 양면에 반사율이 10^-3∼ 10^-4정도가 되도록 무반사 박막 증착 되었으며, 200 mA의 최대 펌핑 전류에서 약 23 dB의 fiber-to-fiber 이득과 7.5 dBm 정도의 포화 출력 파워를 가지고 있다.

이어서, 도 1과 같은 실험 장치를 이용하여 초고속 다파장 레이저를 구현 과정을 살펴보면, SOA(50)에 전기적 파워(160 ∼ 180 mA)를 가해주고, 광세기 변조기(30)를 10 GHz로 동작시키기 전에는 단지 스펙트럼이 SFG(60a)에 의해 필터링된 0.8 nm의 주기적 간격으로 4개의 다파장 발진을 하며, 시간 상으로는 연속 광출력의 레이저광이 발생된다.

이때, 광세기 변조기(30)를 레이저 공진기의 길이에 해당하는 기본 주파수( 10 MHz)의 정수배(대략 1000배)에 해당하는 10GHz로 동작시키면 고차-조화 모드록킹이 되면서 펄스폭이 약 20 피코초(psec)정도로 매우 짧고 펄스와 펄스 간격이 100 피코초(psec)인 레이저광이 발생된다.

따라서, 시간상으로는 10 Gbit/s의 초고속 펄스열이 발생되고, 파장 스펙트럼은 0.8 nm(100 GHz) 간격으로 약 3 ∼ 4개의 다파장 펄스열이 발생된다.

도 1를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 보통 초고속 광 펄스열 생성에 사용되는 EDFA는 실온에서 이득 매질인 EDF의 균일 선폭 확대(homogeneous line broadening)에 의한 이득 상호 포화로 여러 파장의 발진이 어려워 액화 질소로 EDF를 냉각시킨 상태에서 사용해야 하는 단점을 지니고 있다.

반면에, SFRL의 이득 매질인 반도체 광증폭기(SOA,50)는 비균일 선폭확대(inhomogeneous line broadening)에 의한 이득 포화 현상이 우세하므로 실온에서 동시에 여러 파장의 발진이 이루어진다.

또한, SFRL은 SOA(50)의 운반자 수명이 공진기 왕복시간에 비해 충분히 짧아 진동 완화가 일어나지 않아 EDFA에 비해 단기간 진폭이 안정된 특성을 보인다.

그리고, 이러한 구조에서는 발진 파장들을 결정하는 필터로서 표본화된 광섬유 격자(SFG)를 사용하는 방법은 기존의 광섬유 피그테일드 벌크(pigtailed bulk)형 파브리-페로트 에타론(Fabry-Perot etalon)에 비해 손실이 적고 이득 매질 내의 불균일한 스펙트럼을 보상할 수 있도록 보다 쉽게 필터 모양을 설계할 수 있다는 장점이 있다.

도 2는 본 발명에 따른 표본화된 광섬유 격자(SFG)의 투과광 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 3은 표본화된 광섬유 격자(SFG)의 반사광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광섬유 격자 제작에 사용된 위상 마스크 길이(1인치)의 한계로 인해 90 % 이상의 반사율을 갖는 반사 파장의 개수는 4개 정도로 한정 된다는 것을 알 수 있다.

이러한 표본화된 광섬유 격자 필터의 FSR(Free Spectral Range)은 0.8 nm (100 GHz @1550 nm)이었으며, FWHM (Full-Width at Half Maximum)은 대략 0.3 nm 정도이었다.

도 4는 본 발명에 따른 다파장 능동형 모드 록킹 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 CW 출력광 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 5는 다파장 능동형모드 록킹 반도체-광섬유 레이저(SFRL)의 모드 록킹된 광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.

도 4 및 도 5를 살펴보면, SOA(50)의 펌핑 전류가 164 mA일 때, 각각 CW (Continuous Wave: 광세기 변조기를 작동시키지 않을 때)에서와 10 GHz로 능동 모드록킹된 SFRL의 출력 광 스펙트럼을 보여 주고 있다.

먼저, 도 4에 도시된 CW 동작에서는 5개 파장에서의 능동 모드록킹 동작에서는 3개의 파장에서 발진이 이루어지고 있음을 볼 수 있다. 발진 파장의 수와 각 파장에서의 파워는 SOA(50)의 펌핑 전류, SOA(50)의 이득 스펙트럼 모양과 SFG(60a)의 반사 스펙트럼의 모양, 그리고 공진기 내의 편광 상태가 서로 결합되어 영향을 미치게 된다.

보통 SOA(50)의 펌핑 전류가 커질수록 발진 파장의 수가 많아진다. 그리고, 편광 상태를 조절함에 따라 상기 조건에서 CW 발진 파장 수는 4개가 되기도 했으며, 능동 모드록킹된 발진 파장 수는 2 ∼ 4개로 바뀌었다.

그러나, 4 개의 파장에서 능동 모드록킹이 일어날 때에는 각 파장의 파워가 불안정 하였으며, 3 개의 파장에서 비교적 안정되고 파워가 서로 비슷한 출력을 얻을 수 있었다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 광 필터에 의해 선택된 각 파장의 10 GHz 펄스열을 나타낸 도면이다.

이 때, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 각 파장은 6a는 1547.2 nm 이고, 6b는 1548.0 nm이며, 6c는 1548 nm 이다.

상기와 같이 도 6a 내지 도 6c에서 0.3 nm 투과 대역폭의 파장가변 필터에 의해 걸러진 10 GHz로 능동 모드록킹된 SFRL의 각 파장에서의 동기화된 펄스열을 보여주고 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치에 따르면, 출력 손실이 적고 실온에서 동시 발진이 가능한 10Gbit/s 급의 초고속 다파장 레이저가 구성되어 이를 초고속 파장분할 다중방식(Highspeed WDM) 광통신용 광원이나 초고속 신호처리용 광원으로 적용되어 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 능동형 모드-록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저 장치에 있어서,

   광섬유의 출력을 가변시켜 커플링시키는 출력가변 광섬유커플러와;

   광섬유의 편광을 조절하는 편광조절기와;

   리튬나오베이트를 이용하여 광섬유의 세기를 변조시키는 광세기변조기와;

   광파장을 전송시키는 광고립기와;

   반도체-광섬유의 광파장을 증폭시키는 반도체 광증폭기(SOA)와;

   표본화된 광섬유 격자를 순환시키는 광순환기와;

   표본화된 광섬유 격자(SFG)를 포함하여 싱글 모드 광섬유의 사이클로 구성함으로써 상기 반도체 광증폭기에 전기적 파워를 가해주고, 상기 광세기변조기를 레이저공진기의 길이에 해당하는 기본주파수의 정수배 주파수로 동작시켜 고차-조화 모드록킹되는 다파장 레이저 광원의 펄스열을 생성하는 것을 특징으로 하는 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 다파장 레이저 광원은 3 ∼ 4개의 다파장 펄스열을 생성하는 것을 특징으로 하는 표본화된 광섬유 격자를 이용한 초고속 다파장 레이저 장치.