KR20180014838A - 모드 동기 극초단 펄스 섬유 레이저에 의한 방사선의 광학 파워 및 스펙트럼 라인의 안정화를 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

모드 동기 극초단 펄스 섬유 레이저에 의한 방사선의 광학 파워 및 스펙트럼 라인의 안정화를 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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Abstract

NPR에 기초하는 섬유 링 발진기의 모드 동기 체제를 안정화하기 위한 개시된 방법 및 장치는 섬유 링 공진기로부터 넓은 스펙트럼 대역폭을 갖는 광의 부분을 적어도 제1 및 제2 제어 채널 내로 탭핑하는 것을 포함한다. 제어 채널은 탭핑된 부분의 각각의 제1 및 제2 부분을 안내하도록 구성된다. 제어 채널 중 하나는 넓은 스펙트럼 대역폭으로부터 영역을 추출하도록 동작하는 대역통과 필터를 구비한다. 이어서, 각각의 풀 스펙트럼 대역폭 및 그 영역을 갖는 부분은, 미리결정된 기준이 부합되지 않으면, 제어 신호를 발생하도록 동작가능한 중앙 처리 유닛에서 평가된다. 제어 신호는 평가가 미리결정된 기준에 부합할 때까지 섬유 링 공진기 내의 광의 편광의 상태를 동적으로 변조하도록 동작하는 하나 이상의 편광 제어기 유닛에 의해 수신된다.

Description

모드 동기 극초단 펄스 섬유 레이저에 의한 방사선의 광학 파워 및 스펙트럼 라인의 안정화를 위한 방법 및 디바이스
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2015년 6월 30일자로 FIPC에 출원된 러시아 특허 출원 제2015125953호의 계속출원이다.
발명의 분야
본 발명은 비선형 편광 회전(non-linear polarization rotation: NPR) 아키텍처에 기초하는 수동 모드 동기(mode-locked) 링 섬유 레이저에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 링 섬유 레이저를 안정한 모드 동기 체제로 유지하기 위해 실시간으로 극초단 광학 펄스의 광학 파워 및 스펙트럼을 모니터링하고 제어하도록 동작하는 제어 방안을 구비한 모드 동기 링 섬유 레이저에 관한 것이다.
고상 펨토초 레이저(solid state femtosecond laser)는 다양한 산업 및 연구 용례에서 성공적으로 사용된다. 고상 펨토초 레이저의 다양한 구성 중에서, 섬유 레이저는 벌크 구성요소에 기초하는 레이저보다 더 소형이고, 간단하고, 신뢰적이며 효율적이다.
본 개시내용의 범주에 특히 중요한 것은 링 공진 캐비티를 갖는 섬유 발진기와 연계된 NPR-기반 모드 동기 기구이다. 통상의 기술자에 잘 알려진 바와 같이, 이 유형의 섬유 링 레이저는 일반적으로 이득 매질(gain medium), 즉 희토류 원소로 도핑된 소정 길이의 섬유, 편광 감응성 격리기, 및 격리기의 측면에 있는 2개의 편광 제어기를 포함한다. 이들 구성요소의 모드는 서로 광학적으로 상호연결되어 포지티브 또는 네거티브 또는 전체-정상 분산(all-normal dispersion) 세그먼트를 갖는 링 공진 캐비티를 형성한다.
NPR에 기초하는 수동 모드 동기 링 레이저에서, 편광 제어기는 펄스의 피크가 편광 격리기를 통해 진행하도록 편광을 최적화하도록 동작가능하다. NPR의 결과로서, 펄스의 중심은 그 날개부와는 상이한 편광을 획득한다. 따라서, 격리기는 이 회전 메커니즘과 함께, 인공 고속 포화가능 흡수기로서 작용함으로써 펄스를 단축한다.
레이저 기술분야의 통상의 기술자에 공지된 바와 같이, NPR에 기초하는 링 섬유 발진기는 이하의 장점:
비교적 간단한 구조;
총 캐비티 분산, 공진기 길이 및 섬유 유형에 따른 다양한 동작 체제;
각각의 이터븀(Yb), 에르븀(Er) 및 툴륨(Tm) 방출 피크에 대응하는 1.06, 1.55 및 1.9 nm 중심 파장에서 더 짧은 약 100 fs의 극초단 광대역 펄스의 발생; 및
자기 시동(self-start)을 갖는다.
그러나, 이 레이저 구성은 심각한 결점 - 외부 응력에 대한 민감성 및 그 결과 불안정한 펄스 발생을 갖는다. 통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, 이 불안정성은 외부 열 응력 및 기계적 응력에 의해 발생되어 직교 편광된 필드 성분 사이의 위상 관계를 변경할 수도 있는 복굴절 변동 프로세스를 유도한다. 교란된 위상 관계는 광학 손실 및 일반적으로 다수의 펄스, 대역폭, 중심 파장 및 펄스 에너지에 의해 특징화되는 모드 동기 체제의 결과적인 손실을 증가시키는 경향이 있다. 따라서, 이 유형의 레이저에서 모드 동기화(mode synchronization)의 안정성은 편광 제어기의 전자 제어에 기초하는 피드백 루프 및 그 동작에 의존한다.
링 캐비티 섬유 레이저의 가능한 구성 중 하나가 US 7477665호('665)에 개시되어 있다. 개시된 캐비티는 Er의 이온으로 도핑된 섬유, WDM 980/1550 nm 멀티플렉서를 통해 Er 섬유를 여기하는 광학 펌프, 2개의 광학 편광 제어기, 제어기 사이의 편광 감응성 격리기 및 출력 커플러를 포함한다. 동작시에, 신호의 작은 퍼센트가 출력 커플러로부터 탭핑되어(tapped) 포토다이오드에 의해 검출되고,
중심 1550 nm 파장에서 좁은 스펙트럼 라인 방사선에 의해 특징화되는 캐비티의 연속 동작 모드에 대응하는 직류(DC) 성분(펄스 발생 체제에서 연속적인 펄스 사이의);
약 20 nm의 스펙트럼 라인폭 및 약 200 fs의 펄스 주기를 갖는 20 내지 100 MHz 범위의 펄스 반복율[1/τ에 상응함, 여기서 τ는 광이 링 공진기의 한바퀴 왕복(one round trip)을 행하는데 소요된 시간임]을 갖는 모드 동기 동작에 상관된 교번 고주파수 성분; 및
모드 동기 상태의 안정성에 관련된 이완 저주파수 성분 - 이 성분은 50 내지 100 kHz 주파수 범위에서 검출되고 또한 DC 성분에 의존함 -
을 포함하는 주파수 의존 신호 성분으로 더 변환된다.
개시된 레이저의 시동 스테이지에서, 전자 제어 루프는 전술된 3개의 성분의 존재를 분석하고 적어도 하나의 편광 제어기의 편광 상태를 변경하도록 동작하여, DC 성분이 최저값으로 감소되고, 반면에 다른 2개의 성분은 증가하는 경향이 있다. 일단 이완 성분이 안정하게 되면 이완 및 교번 성분은 상관되기 때문에, 레이저의 최적 모드 동기 동작 스테이지가 균일하게 성형된 펨토초 펄스로 성취된다.
동작시에, 레이저 방출된 펄스의 중심 주파수를 포함하는 대역폭은 시프트하는 경향이 있다. 이 바람직하지 않은 현상이 제어되지 않으면, 링 레이저는 결국에는 모드 동기 체제에서 동작을 정지한다. 또한 '665 특허는 이러한 가능성을 예상하지 못했으며, 따라서 이 참조문헌에 개시된 제어 수단은 이 문제점을 다루도록 구성되지 않았으며 따라서 펄스 대역폭을 조정할 수 없다. 펄스의 주기는 펄스의 스펙트럼 폭에 반비례하기 때문에, 즉 펄스가 짧을수록 스펙트럼 폭이 넓어지고 그 반대도 마찬가지이기 때문에, '665 특허는 펄스의 주기를 제어하는 것이 가능한 구조를 또한 명백히 개시하고 있지 않다.
모드 동기 링 레이저를 위한 다른 모드 동기화 방법이 전체 펄스 스펙트럼의 서브영역을 처리하도록 동작하는 자동 피드백 루프 기반 제어 방안을 교시하고 있는 KR20120058275호에 개시되어 있다. 처리될 서브영역은 피드백 루프 내에 통합된 포토다이오드의 통과 대역 외부에 위치된다. 개시된 시스템은 펄스 대역폭 및 따라서 펄스 주기를 모드 동기 체제에서 조정하도록 동작하지 않는다.
따라서, 발진기의 안정한 모드 동기 동작을 위해 필수적인 원하는 대역폭을 유지하기 위해 펄스의 대역폭을 모니터링하고 제어하도록 구성된 제어 피드백 루프를 갖는 NPR에 기초하는 모드 동기 섬유 링 발진기에 대한 요구가 존재한다.
이들 요구는 NPR에 기초하는 개시된 섬유 링 캐비티 발진기 및 극초단 펄스를 발생하기 위해 이를 사용하는 방법에 의해 만족된다. 개념적으로, 개시된 발진기의 안정한 모드 동기 동작은 펄스의 스펙트럼 특성을 모니터링하고 제어함으로써 제공된다. 제어가능한 평균 출력 파워에 의해, 소정의 중심 파장에서 원하는 스펙트럼 폭을 갖는 극초단 펄스의 열(train)을 출력하는 개시된 모드 동기 발진기의 미세 조정이 측정된 스펙트럼 폭, 및 따라서 펄스 주기를 자동으로 조정함으로써 실현된다.
본 개시내용의 넓은 양태에서, 본 발명의 NPR에 기초하는 모드 동기 섬유 링 발진기는 복수의 편광 제어기, 및 피드백 제어 루프를 포함하는 단방향성 섬유 링 공진기를 갖고 구성된다. 피드백 제어 루프는 공진기로부터 탭핑되는 공진기 순환광의 부분의 2개의 신호를 수신하는 중앙 처리 유닛(CPU)을 갖고 구성된다. 신호 중 하나는 중심 기본 파장을 갖는 풀 스펙트럼 폭을 갖는 탭핑된 광의 파워에 대응하고, 반면에 다른 신호는 중심 파장을 포함하지 않는 전체 스펙트럼의 필터링된 영역에 대응하는 파워를 표현한다. CPU는 커플링된 신호를 처리하고 처리의 결과가 미리결정된 기준에 부합하는지를 판정하도록 동작한다. 기준이 부합되지 않으면, CPU는 편광 제어기의 적어도 하나 내로 커플링된 제어 신호를 출력한다. 편광 제어기는 풀 스펙트럼 폭 및 그 영역의 평가가 출력 펄스의 안정한 출력 파워 및 넓은 스펙트럼을 지시하는 원하는 기준에 부합할 때까지 제어 신호에 응답하여 순환광의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 동작한다.
본 개시내용의 제2 양태에서, 제1 양태의 섬유 링 발진기는 복수의 단일 모드 수동 섬유와 같은, 각각의 섬유 채널에 의해 제어기를 향해 또한 안내된 광의 부분을 탭핑하도록 구성된 출력 피그테일형 커플러(pigtailed coupler)를 구비한 공진기를 갖는다. 게다가, 공진기는 단방향성 광학 격리기를 포함한다.
본 개시내용의 제3 양태에서, 상기 개시된 양태 또는 이들 양태의 임의의 가능한 조합 중 하나의 섬유 링 공진기는 섬유 채널 중 하나 내로 커플링된 대역통과 필터를 포함한다. 대역통과 필터는 연속파(CW) 방사선의 기본 주파수를 포함하지 않는 풀 스펙트럼의 영역을 추출하여 통과시키도록 동작한다.
본 개시내용의 제4 양태는 임의의 양태 및 이들 양태의 임의의 조합에 개시된 바와 같은 피드백 루프의 복수의 피그테일형 광전자 변환기에 관한 것이다. 변환기는 각각의 섬유 채널 내로 커플링되고 수신된 광을 제어기 내로 커플링된 전기 신호로 변환하도록 동작한다.
전술된 양태 또는 이들의 임의의 가능한 조합의 각각은 또한 신호를 원하는 포맷으로 변환하도록 동작하는 복수의 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기를 포함한다.
상기 양태 또는 이들의 가능한 조합의 각각에 설명된 본 개시내용의 다른 양태에서, 피드백 루프는 탭핑된 광을 수신하는 부가의 섬유 채널을 갖는다. 이 섬유 채널은 수직 스케일에 파워 및 수평 스케일에 파장을 표시함으로써 지정된 파장 범위에 걸쳐 수신된 탭핑된 광의 파워의 분포를 측정하고 표시하도록 동작하는 광학 스펙트럼 분석기(OSA)를 갖고 구성된다. 시동 중에, 레이저 매질의 펌프의 펌프 파워를 증가시키면서, 개시된 레이저는 먼저 좁은 스펙트럼 라인으로서 OSA에 보여질 수 있는 CW 방사선을 방출하기 시작한다. 특정 임계치 후에, 레이저는 넓은 스펙트럼에 의해 특징화된 펄스 체제로 스위칭한다. 펌프 파워에 따라, 양 유형의 스펙트럼을 볼 수 있다. 바람직하게는, 개시된 섬유 링 공진기는 넓은 스펙트럼을 갖는 체제에서만 동작한다.
임의의 전술된 개별 양태 또는 이들 양태의 조합의 개시된 섬유 링 레이저는 또한 공진기의 외부에 배치되면서 레이저 매질을 여기하는 광학 펌프를 갖고 구성된다. 레이저 매질은 임의의 공지의 희토류 이온 및 상이한 이온 유형의 조합으로 도핑된 링 공진기의 부분인 소정 길이의 섬유이다. 펌프는 예를 들어, 다이오드 레이저 또는 섬유 레이저를 포함하는 상이한 구성을 가질 수도 있다.
본 개시내용의 다른 양태에 따르면, 본 발명의 NPR에 기초하는 섬유 링 레이저의 모드 동기 체제를 안정화하는 방법은 링 공진기 내에서 순환하는 광의 부분을 탭핑하는 단계, 탭핑된 광을 복수의 섬유를 통해 안내하는 단계, 탭핑된 광의 풀 스펙트럼 및 그 영역을 표현하는 전기 신호를 각각의 기준값으로 평가하는 단계, 및 각각의 기준값과 전기 신호 사이의 비교가 미리결정된 기준에 부합하도록 편광 제어기를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 및 다른 특징은 NPR 모드 동기 기술을 이용하는 본 발명의 극초단 펄스 섬유 링 발진기를 도시하고 있는 단일의 도면으로부터 더 즉시 명백해질 것이다.
개시된 링 발진기(10)는 광학 발진기(1), 다이오드 레이저(3)에 의해 여기되는 소정 길이의 레이저 매질(2)(능동 섬유), 및 2개의 전체-섬유(all-fiber) 편광 제어기(4, 5)를 갖고 구성된다. 넓은 라인폭 펄스의 안정성은 다수의 광학 및 전기 제어 채널 및 CPU(6)를 갖고 구성된 피드백 메커니즘에 의해 제공된다.
동작시에, 전체 스펙트럼 대역폭(7)의 광학 파워(P1) 및 연속 발생의 중심 주파수를 포함하지 않는 그 영역(8)의 광학 파워(P2)가 광전자 변환기(20, 24)에 의해 결정된다. 검출기는 피드백 루프의 각각의 채널(21, 19')을 통해 CPU(6) 내에 커플링된 각각의 광학 파워(P1, P2)를 표현하는 전기 신호(UP1, UP2)를 출력한다. CPU(6)는 원하는 스펙트럼 대역폭을 표현하도록 지정된 각각의 기준값에 신호(UP1, UP2)를 비교하도록 동작한다. 비교된 값이 미리결정된 최소값을 초과하여 서로 일치하지 않거나 상이하면, CPU(6)는 각각의 전기 채널(11, 11')을 따라 편광 섬유 제어기(4, 5)의 드라이버(12, 12')로 각각 안내되는 제어 신호(Upc1, Upc2) - 도시된 개략도에서 6개 - 를 출력한다. 드라이버(12, 12') 중 하나 또는 양자 모두는 안정한 펄스화된 체제를 제공하기 위해 각각의 기준값으로부터 파워(P1, P2)의 최소 편차 또는 그 사이의 일치를 제공하는 순환광의 편광 상태를 동적으로 변경하도록 동작한다.
일반적으로, 전자 제어형 편광 제어기는 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있는 인가된 신호에 의존하는 두께를 각각 갖는 2개 또는 3개의 플레이트를 갖고 구성된다. 편광 제어기(4, 5)는 편광 유지(PM) 섬유를 사용하는 섬유 디자인을 가질 수도 있다. 드라이버(12', 12)는 세 개(3개)의 전기 채널을 통해 편광 제어기로 각각 안내되는 전류 신호(Ipc1, Ipc2)를 출력함으로써 각각의 편광 제어기(4, 5)를 제어한다. 3개의 전류 신호는 예를 들어, 그 각각이 지정된 위상 플레이트에 열적으로 영향을 미치도록 동작하는 각각의 저항 가열기(도시 생략) 내로 커플링된다. 이들에 한정되는 것은 아니지만, 섬유 기반, 볼륨 플레이트(volume plate) 기반, 결정 기반 편광 제어기 등을 포함하여 모든 유형의 공지의 편광 제어기가 본 발명의 범주 내에서 이용될 수도 있는 것으로 이해된다.
링 발진기(10)는 CPU(6)로부터의 명령에 응답하여, 다이오드 레이저(3)와 같은 펌프의 입력에 전류 신호(Ild)를 인가하는 것으로 시작한다. 다이오드 레이저(3)는 수동 단일 모드 섬유(9)를 통해 입력 섬유 커플러(13)에 안내되는 펌프광을 방출한다. 그 후에, 펌프광은 레이저 매질(2) 내로 커플링되고 이에 의해 레이저 매질을 여기한다. 6개의 임의의 제어 전류 - 각각의 편광 제어기(12, 12')에 대해 3개, 양 편광 제어기가 수반되면 - 가 미리결정된 범위로부터 선택되고 극초단 펄스의 체제가 설정될 때까지 각각의 편광 제어기 내로 커플링된다. 예를 들어, 섬유 링 공진기 내의 광의 편광 상태를 타원형으로 변환하는 편광 제어기(12')는, 섬유 링 공진기의 구성요소의 나머지가 PM 구성을 가지면, 타원 편광을 제공하는 원하는 각도에서 편광 제어기(12)의 출력에 맞접된(spliced) PM 섬유로 교체될 수도 있다는 것을 주목하라.
연속적인 펄스화된 체제의 검출은 링 공진기에서 순환하는 발생된 방사선에 기초한다. 특히, 출력 커플러(18)는 공진기로부터 순환광의 일부를 탭핑한다. 광의 탭핑된 부분은 또한 섬유 분할기(17)의 각각의 광학 채널(14, 15, 16)을 통해 안내된 광의 적어도 3개의 부분으로 분할된다. 각각의 광학 채널은 그 특정 구성을 갖는다.
특히, 광학 채널(14)은 공진기의 현재 체제 상태를 최종적으로 나타낼 수도 있는 광학 스펙트럼 분석기(OSA)(19)를 포함한다. 예를 들어, 공진기의 시동 중에, OSA는 연속 발생의 좁은 스펙트럼 라인을 나타낸다. 레이저(10)가 펄스화된 체제로 진입함에 따라, DC 신호는 점진적으로 감소하고 반면에 펄스 반복율을 표현하는 신호는 증가하는데, 이는 모드 동기 체제에 근접한 특성이다.
일단 펄스화된 체제가 만연하면, 각각의 채널(14 내지 16) 내에서 안내된 부분은 물론 동일한 스펙트럼 대역폭을 갖는다. 채널(15, 16)은 각각의 광전자 제어기(20, 24)를 갖지만, 채널(16)은 부가적으로 광전자 변환기(24)로부터 상류측의 대역통과 필터(23)와 같은 스펙트럼 필터링 구성요소를 갖고 구성된다. 이에 따라, 광전자 변환기(20) 내로 커플링된 광은 전체 스펙트럼 대역폭을 갖고, 반면에 광전자 변환기(24) 내로 커플링된 광은 전체 스펙트럼 대역폭의 영역에 의해서만 특징화된다.
광전자 변환기(20, 24)는 전체 및 적색 대역폭을 갖는 광의 각각의 부분을 연속 아날로그 (전압) 신호(Up1, Up2) 각각으로 변환한다. 각각의 전압 신호의 진폭은 광의 2개의 부분의 각각의 평균 광학 파워에 비례하고, 또한 각각의 아날로그 디지털 변환기(22, 25)를 거쳐 CPU(6) 내로 커플링된다. 부가적으로, 전기 펄스의 열이 펄스의 수를 카운팅하도록 동작하는 CPU(6)의 펄스 카운터 입력(F) 내로 커플링된다.
CPU(6)는 수신된 디지털 신호를 처리하도록 동작한다. 특히, CPU(6)는 원하는 스펙트럼 대역폭을 표현하는 원하는 평균 파워(Po1, Po2)에 각각 대응하는 기준값을 저장한다. 기준값은 수신된 각각의 디지털 신호에 비교된다. 비교의 결과가 미리결정된 기준에 부합하지 않으면, CPU(6)는 각각의 편광 제어기 내로 커플링된 제어 신호(UPc1, UPc2)를 출력함으로써 각각의 변환기(20, 24)(또는 이들 중 하나)의 전류를 조정한다. 기준은 저장된 값으로부터의 측정된 신호의 미리결정된 최소 편차로부터 선택될 수도 있다. 제어된 신호는, 극초단 펄스의 평균 파워 및 대역폭이 원하는 스펙트럼 대역폭을 표현하는 각각의 파라미터에 대응할 때까지 CPU(6)에 의해 계속 출력된다.
개시된 섬유 링 발진기는 나노초 미만 범위의 펄스 주기를 갖는 펄스를 발생하도록 동작한다. 예를 들어, 펄스 주기는 펨토 내지 피코초 범위에 놓일 수도 있다. 펄스 반복율은 링 공진기의 길이에 의존하고, 10 내지 100 MHz 범위에서 다양하다.
레이저 매질(2)은 희토류 및/또는 전이 금속의 이온으로 도핑된다. 바람직하게는, 모드 동기 체제는, -3 dB 레벨에서 방사선 대역폭이 도펀트의 유형에 의존하는 레이저 방사선의 원하는 중심 파장 주위에 중심설정된 10 내지 30 nm 파장 범위 내에 놓일 때 안정화된다.
대역통과 필터(23)는 2 내지 3 nm로 변하는 통과대역을 갖고 구성될 수도 있다. 바람직하게는, 광전자 변환기(20, 24)는 탭핑된 광의 광학 펄스의 열을 광학 파워에 비례하는 진폭을 갖는 DC 전압 신호로 변환하도록 각각 동작한다.
또한, 광전자 변환기(20, 24)는 비교기를 각각 갖는 것이 바람직하다. 이 특징은 펄스의 수를 카운팅하도록 동작하는 CPU(6) 내로 커플링된 이산 전기 신호로의 극초단 광학 펄스의 변환을 허용한다.
CPU(6)는 이들의 가능한 변경을 최소화하기 위해 바람직하게 형성되는 전압 또는 전류 신호일 수도 있는 편광 제어기(12, 12')를 제어하기 위한 전기 신호를 출력한다.
섬유 링 발진기(10)는 필터(23)에 추가하여 하나 이상의 대역통과 필터를 가질 수도 있다. 부가의 대역통과 필터는 전체 스펙트럼 대역폭의 상이한 영역을 커버하는 각각의 서브대역을 가질 수도 있다.
본 발명의 발진기(10)는 예비 테스트의 배터리를 성공적으로 경험하였다. 공진기의 구체적인 구현예는 1.8 m 길이를 갖는 단일 모드(SM) 에르븀 섬유(EDFC-980-HP); 링 공진기를 위해 사용된 SM F28 수동 섬유; PSC-15-0-0 섬유 편광 제어기; WDM 980/1550으로서 구성된 입력 커플러(13); 10% 출력 커플러(18); 섬유 채널(15, 16)이 이 광의 1%를 각각 안내하도록 출력 커플러(18)로부터 수신된 광을 분할하는 섬유 분배기(17); InGaAs 포토다이오드로서 구성된 광전자 변환기(20, 24); 3 nm 라인폭을 갖는 1567 nm 파장에서 섬유 통과대역(r 23); 및 C8051F125 시리즈의 CPU(6)를 포함한다.
테스트 결과는, 개시된 섬유 링 발진기가 CPU(6)에 의해 캘리브레이팅된 후에 25 MHz의 펄스 반복율, 약 19 nm의 1.55 nm 파장에서 중심설정된 풀 스펙트럼 폭 및 150 내지 200 mW의 펌프(3)의 출력 파워를 갖는 안정한 펄스화된 체제에서 동작한다는 것을 나타낸다.
통상의 기술자는 단지 통상의 실험을 사용하여, 본 명세서에 설명된 발명의 특정 실시예에 대한 다수의 등가물을 인식하거나 확인하는 것이 가능할 것이다. 따라서, 상기 실시예는 단지 예로서만 제시된 것이고, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범주 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명된 것 이외로 실시될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시내용은 본 명세서에 설명된 각각의 개별 특징, 시스템, 재료 및/또는 방법에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 광의 비선형 편광 회전(NPR)에 기초하는 모드 동기 광대역 극초단 광 펄스 섬유 발진기이며,
    넓은 범위의 주파수를 각각 갖는 극초단 광 펄스의 열을 발생하도록 동작하는 단방향성 섬유 링 공진기로서, 상기 섬유 링 공진기는 적어도 하나의 광 편광 제어기 유닛을 포함하는, 단방향성 섬유 링 공진기; 및
    상기 링 공진기로부터 탭핑되는 광의 부분을 수신하고, 적어도 2개의 제어 채널, 즉 넓은 범위의 주파수를 갖는 탭핑된 부분의 제1 비필터링된 부분을 수신하는 제1 제어 채널, 및 넓은 범위 내로부터 필터링된 좁은 범위의 주파수를 갖는 탭핑된 부분의 제2 필터링된 부분을 수신하는 제2 제어 채널을 갖고, 상기 제어 피드백 루프는 상기 수신된 제1 비필터링된 및 제2 필터링된 부분을 평가하고 미리결정된 기준이 부합하지 않으면 제어 신호를 출력하도록 구성되고, 하나의 편광 제어기 유닛은 제어 신호를 수신하고, 그에 응답하여 기준이 부합되도록 상기 섬유 링 공진기 내에서 순환하는 극초단 광 펄스의 편광의 상태를 변경하도록 동작하는 광전자 제어 피드백 루프를 포함하는, 모드 동기 극초단 펄스 섬유 발진기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광전자 제어 피드백 루프는 상기 제1 및 제2 제어 채널에 평행하게 상기 탭핑된 부분의 제3 비필터링된 부분을 수신하는 제3 제어 채널을 갖고 구성되고, 상기 제3 채널은 수신된 제3 부분을 처리하도록 동작하고 상기 제3 비필터링된 부분 내의 각각의 DC 성분 및 고주파수 성분의 상대 강도를 결정하도록 동작하는 광학 스펙트럼 분석기를 포함하고, 상기 고주파수 성분은 펄스 반복율에 대응하고 모드 동기 체제를 지시하는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광전자 제어 피드백 루프는
    각각의 제1 및 제2 제어 채널 내로 커플링된 제1 및 제2 광전자 변환기로서, 상기 제1 및 제2 광전자 변환기는 상기 탭핑된 광 부분의 각각의 제1 비필터링된 부분 및 제2 필터링된 부분을 각각의 DC 전압 신호로 변환하도록 구성되는, 제1 및 제2 광전자 변환기,
    DC 전압 신호를 수신하여 이들을 각각의 기준값에 비교하도록 동작하는 중앙 처리 유닛(CPU)으로서, 비교가 미리결정된 기준에 부합하지 않으면, 상기 CPU는 미리결정된 기준이 부합될 때까지 상기 섬유 링 공진기 내에서 순환하는 광의 편광의 상태를 동적으로 변경하는 하나의 편광 제어기 유닛 내로 커플링된 제어 신호를 출력하는, CPU; 및
    각각의 제2 및 부가의 제어 채널에 커플링된 적어도 하나 이상의 대역통과 광학 필터를 더 포함하는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 미리결정된 기준은 상기 탭핑된 부분의 제1 비필터링된 부분 및 제2 필터링된 부분의 각각의 파워에 비례하는 수신된 DC 전압 신호의 진폭과, 원하는 스펙트럼 대역폭을 표현하는 각각의 기준값 사이의 미리설정된 차이를 포함하는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광전자 변환기 중 적어도 하나 또는 모두는 커플링된 전기 신호를 카운팅하도록 동작하는 상기 CPU 내로 커플링된 이산 전기 신호를 발생하도록 동작하는 각각의 비교기를 포함하는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 섬유 링 공진기는 하나의 편광 제어기 유닛과 일렬로 광학적으로 커플링된 소정 길이의 각각의 단일 모드 능동 및 수동 섬유, 상기 하나의 편광 제어기 유닛과 일렬로 커플링된 단방향성 광학 격리기, 상기 능동 섬유에 광학적으로 커플링된 입력 섬유 파장 분할 멀티플렉서(WDM), 및 상기 제어 채널들 사이에서 분할되는 섬유 링 공진기로부터의 광의 부분을 탭핑하는 출력 섬유 커플러를 갖고 또한 구성되는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 능동 섬유 내로 커플링되는 펌프광을 발생하는 광학 펌프를 더 포함하고, 광학 섬유는 희토류 금속, 전이 금속 및 이들 금속의 조합으로부터 선택된 이온으로 도핑되는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광전자 제어 피드백 루프는 제어 신호를 수신하고 하나의 편광 제어기 유닛 내로 커플링된 복수의 전류 신호를 출력하도록 동작하는 하나의 편광 제어기 유닛의 드라이버를 더 포함하는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  9. 제3항에 있어서, 상기 광전자 제어 피드백 루프는 상기 제2 제어 채널에서 추출된 것과는 상이한 넓은 영역의 주파수 내로부터 다른 좁은 영역을 추출하도록 동작하는 부가의 대역통과 스펙트럼 필터를 각각 포함하는 다수의 부가의 제어 채널을 갖고 또한 구성되고, 상기 대역통과 필터는 2 내지 3 nm 통과대역을 각각 갖고, 원하는 중심 파장에서의 극초단 광 펄스는 10 내지 30 nm 범위의 스펙트럼 대역폭을 각각 갖는, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 섬유 링 공진기는 상기 섬유 링 공진기 내의 광의 편광의 상태를 타원형으로 변환하기 위한 제2 편광 제어기 유닛 또는 특정하게 배향된 편광 유지 섬유, 및 상기 제2 편광 제어기 유닛을 위한 부가의 드라이버를 더 포함하는 전체 PM 섬유 링 공진기인, 모드 동기 광대역 극초단 펄스 섬유 발진기.
  11. NPR에 기초하는 섬유 링 발진기의 모드 동기 체제를 안정화하는 방법이며,
    섬유 링 공진기로부터 넓은 스펙트럼 대역폭을 규정하는 넓은 범위의 주파수를 갖는 광의 부분을 탭핑된 부분의 각각의 부분을 안내하는 제1 및 제2 제어 채널 내로 탭핑하는 단계;
    상기 제2 제어 채널을 따라 비필터링된 다른 부분을 계속 안내하면서 상기 제1 제어 채널 내에서 안내된 부분의 스펙트럼 대역폭으로부터 영역을 추출하는 단계;
    필터링된 부분 및 비필터링된 부분을 평가하는 단계;
    평가가 미리결정된 기준에 부합하지 않으면 제어 신호를 발생하는 단계; 및
    상기 필터링된 부분 및 비필터링된 부분의 평가가 출력 극초단 펄스의 원하는 균일한 파워 및 넓은 스펙트럼 대역폭을 지시하는 미리결정된 기준에 부합할 때까지 제어 신호에 응답하여 상기 섬유 링 공진기 내의 광의 편광의 상태를 동적으로 변조하는 단계를 포함하는, 모드 동기 체제를 안정화하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 탭핑 단계는
    상기 탭핑된 부분을 제3 또는 그 초과의 제어 채널을 따라 안내된 적어도 하나의 더 많은 부가의 부분으로 분할하는 단계, 및
    상기 제3 제어 채널 내의 광의 탭핑된 부분의 DC 성분 및 고주파수 성분의 강도를 결정하는 단계로서, 상기 고주파수 성분은 증가하는 펄스 반복율을 표현하고 반면에 상기 DC 성분은 상기 섬유 링 공진기의 펄스화된 체제가 펄스화된 체제로 스위칭할 때 감소하는, DC 성분 및 고주파수 성분의 강도를 결정하는 단계를 포함하는, 모드 동기 체제를 안정화하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 각각의 비필터링된 부분 및 필터링된 부분의 스펙트럼 대역폭을 측정하고 측정의 결과를 각각의 DC 전압으로 변환하는 단계를 더 포함하는, 모드 동기 체제를 안정화하는 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 평가는 필터링된 부분 및 비필터링된 부분을 각각의 기준값과 비교하여 그 사이의 차이가 미리결정된 범위 내에 있게 하는 것을 포함하는, 모드 동기 체제를 안정화하는 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 섬유 링 공진기는 복수의 편광 유지 섬유 성분을 갖고 구성되고, 단일의 편광 유지 유닛을 포함하는, 모드 동기 체제를 안정화하는 방법.
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