KR0151555B1 - 레이저 및 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 및 광증폭기에 관한 것으로서, 850nm레이저 및/또는 증폭기는 Er³⁺로 도프된 단일모드 불화 지르콘산염 파이버(20)를 포함하고, 통상적인 자기 종결 레이징전이⁴S_3/2∼⁴I_13/2의 CW 동작은 레이징 준위들 사이에서 반전분포를 유지하여 2단계의 여기처리에 의해⁴I_15/2기저상태에서⁴I_9/2준위까지 그리고 다음에 ESA에 의해²H_9/2준위까지 점유입자수를 증가시키는 여기에너지를 801nm에서 인가하므로서 달성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 및 증폭기

본 발명은 레이저 및 광증폭기에 관한 것이다.

실리카 광파이버(섬유)로 설치된 850nm 통신윈도우를 이용하는 광통신시스템에 관한 관심이 증가하고 있다.

펌프의 파장과 같거나 또는 달라도 되는 파장에서 광신호를 방출하거나 또는 증폭하는 증폭기 또는 광파이버 레이저를 위한 펌프신호의 소스로서 반도체 레이저를 이용하는 것은 광소스 또는 증폭기를 설치하는데 있어서 공지된 것이다. 이것은 레이저 다이오드의 상용성, 높은 효율성 및 비용절감의 잇점을 취할 수 있는 방법으로 신호파장과 근접하도록 한 잇점을 가진다.

레이저 및 증폭기는 각각 이온의 기저상태 준위 이상인 레이징 매개물의 이온의 높은쪽 레이징 준위와 낮은쪽 레이징 준위 사이에서 레이징전이시에 동작하는 것이다. 높은쪽 레이징 준위(upper lasing level(ULL))에 있는 이온의 평균 수명이 낮은쪽 레이징 준위(lower lasing level(LLL))에 있는 이온의 수명보다 길면, 이온의 여기에 의해 기저상태로부터 ULL로 점유입자수를 증가시킬 수 있도록 하는 레이저 매개물의 펌핑은 가정상 ULL이상의 준위를 거쳐서 레이징 작용을 하도록 ULL과 LLL사이의 반전분포(population inversion)를 유지하는데 이용 될 수 있다. 그러나, ULL의 수명이 LLL의 수명보다 짧으면, LLL에 있는 이온의 빌트업(build up)이 레이징에 요구되는 ULL과 LLL사이의 반전분포를 파괴하기 때문에 레이징 전이는 자기종결(self terminating)로서 알려져있다. 결과적으로 이러한 자기종결 레이저는 통상 LLL이 펌핑 펄스들 사이를 비우는 시간으로 주어지는 펄스형으로만 동작한다.

출원인이 공개한 출원 WO 89/11744 호에는 통상적인 자기종결전이⁴I_11/2∼⁴I_13/2의 CW 동작을, 레이징시에 높은쪽 레이징 준위와 낮은쪽 레이징 준위 사이에서 반전분포를 유지하도록 낮은쪽 레이징준위로부터 이온을 상승시키게 하는 여기에너지를 인가하므로서 달성할 수 있는 불화 지르콘산염 광파이버 레이저 및 증폭기에 대해서 기재되어 있다.

CW레이징을 생성하도록 반전분포를 유지하는 수단을 설치한 여기상태흡수 (ESA(excited state absorption))의 이용은 이온-이온 에너지 전달에 의해 LLL로부터 윗쪽으로 변환하는데 필요한 높은 도펀트 농도를 이용할 필요성을 없앤다. 대신에, 낮은 도펀트 농도는 예를들어 레이저에 의해 보다 효율적으로 펌핑시키는데 이용될 수 있다. 특히, 레이저매개물가 파이버수단의 도파특성으로서 도프된 광파이버로 구성된 경우에, 높은 파워밀도가 큰 상호작용 길이에 걸쳐서 유지될 수 있다. 이것은 파이버중심이 높은 표면대체적비를 가지기 때문에 열적으로도 효율적이다.

이러한 구성은 가정상 보다 에너지화한 레벨을 거쳐서 기저상태로부터 ULL로 이온을 여기하는데 충분한 강도로 파장에서 펌프에너지를 역시 공급하는 펌프수단을 요구한다.

상술한 출원에서 거론된 바와같이, 특정한 호스트내의 어떤 이온의 에너지 준위에서 LLL로부터 이온을 상승시키는 펌프 여기 에너지의 강도 및 파장은 가정상 ULL자체, 즉 ULL에서 점유입자수를 증가시켜서 에너지 준위와 기저상태 사이의 에너지차와도 일치하도록 선택될 수 있다. 이것은 포화를 방지하기 위해서 이온을 펌핑하여 LLL에서 점유입자수를 줄이는데 하나의 파장소스를 사용할 수 있는 간단화된 구성을 제공하는 것이다. 그렇지만 이러한 에너지 준위의 일치는 항상 존재하지는 않는다.

본 발명에 따르면, 광증폭기는 높은쪽 레이징 준위 및 낮은쪽 레이징 준위가 통상적인 자기종결 레이저전이 형태이고, 이온의 기저상태준위 이상인 높은쪽 레이징 준위 및 낮은쪽 레이징 준위를 각각 가지는 레이징 이온을 결합하는 매개물 및, 높은쪽 레이징 준위와 낮은쪽 레이징 준위 사이에서 반전분포를 유지하도록 낮은쪽 레이징 준위로부터 이온을 상승시키는 적당한 파장 및 강도의 여기에너지를 인가하는 펌핑수단을 포함하며, 여기에너지의 파장 및 강도는 기저상태 준위로부터 제1 에너지 준위로 양쪽 다 이온을 여기하므로서 기저상태 준위로부터 높은쪽 레이징 준위로 그리고 여기된 상태흡수로 제1 에너지 준위로부터 제2 에너지 준위로 이온을 상승시키는데에도 적합한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 높은쪽 레이징 준위가 펌프신호의 하나의 광자흡수로 이온 기저상태로부터 직접 점유입자수를 증가할 수 있도록 한 에너지 준위보다 큰 에너지인 높은쪽 레이징 준위에 있는 도펀트 이온의 높은쪽 레이징 준위의 점유입자수의 증가 그리고 낮은쪽 레이징 준위의 점유입자수의 감소를 동시에 공급할 수 있도록한 단일펌프소스의 단일한 구성을 사용하는 펌핑구성을 제공하는 것이다.

이러한 구성은 게인매개물로서 이러한 증폭기를 이용하는 레이저에 똑같이 적용할 수 있다.

레이저 또는 증폭기는 약 800nm에서 펌핑되는 Er³⁺로 도프된 불화 지르콘산염 단일모드 광파이버에 따른다. 이것은⁴S_3/2로부터⁴I_13/2까지의 약 850nm 전이에서 레이징 또는 게인을 제공하는 것이다. 본 발명의 펌핑구성이 주어진 호스트내에 있는 적당한 에너지 준위를 가지는 도펀트 이온들에 일반적으로 적용될 수 있고 그리고 호스트와 도펀트 이온의 어떤 특정한 조합에 제한되지 않는다는 것은 중요하다. 또한 플레이너 도파관과 같은 다른 도파관 또는 광학장치에도 응용되어도 된다.

이하, 본 발명은 첨부도면을 참조해서 설명될 것이다.

제1도는 상대레이저, 형광성 및 ESA 전이를 나타내는 ZBLAN 광파이버내의 에르붐에 대한 에너지 준위를 도시한 도면.

제2도는 본 발명에 따른 레이저의 개략도.

제3도는 제2도의 레이저의 레이징특성을 도시한 그래프.

제4도는 제2도의 레이저에 대한 여기 스펙트럼의 그래프.

제5도는 본 발명에 따른 증폭기의 개략도.

제6도는 제5도의 증폭기의 게인을 전개한 그래프이다.

제1도를 참조하면 제1도는 불화지르콘산염 호스트에 있는 미소한 에르붐의 에너지 준위도(대(band)의 확장성을 표시하지 않음)를 도시한 도면이다. 제2도를 참조해서 설명될 레이저는 약 850nm 파장에서 (⁴S_3/2∼⁴I_13/2)전이를 이용하는 것이다. 낮은쪽 레이징준위⁴I_13/2는 통상적으로 레이징 전이자기 종결을 하는 약 11ms의 수명을 가진다.

801nm에서의 펌핑은²H_11/2준위까지 ESA에 의해⁴I_13/2의 점유입자수를 감소시킬 뿐만 아니라, 2단계처리, 즉²H_9/2준위까지 ESA에 의한 기저상태⁴I_15/2준위에서⁴I_9/2준위까지의 여기에 의해⁴S_3/2준위의 점유입자수를 증가시킨다.

펌핑구성은 이 파장에서 펌핑에 의해 기저상태준위로부터 직접 점유입자수를 증가시킬 수 있는 가장높은 에너지 준위, 즉⁴I_9/2준위보다 높은 에너지에서 있다고 하더라도⁴S_3/2준위의 점유입자수의 증가를 제공하는 것이다.

제2도의 레이저는 본 발명의 구성에 따라 도프된 에르붐, 즉 펌핑되는 ZBLAN 파이버(2) 레이저의 동작특성을 결정하도록 실험적 구성을 포함하고 있다. 레이저(2)는 한쪽에 93%반사경(4)을, 다른쪽에 4%의 반사를 하는 클리브된 파이버끝(6)을 갖고 파브리페로 캐비티에 있는 500ppm/wt의 에르붐으로 도프된 3미터길이의 ZBLAN 파이버이다. 이 파이버는 펌프파장에서 V값 4.5를 가진다. 입력단에서 3%비임스플리터(8)는 출력파워를 결정하는 레이징광의 고정비율을 추출한다. Ti : 사파이어 펌핑레이저(10)로부터의 파이버에 결합된 거의 모든 에너지가 흡수된다. 파이버(2)를 통과하는 레이저(10)로부터의 출력은 비임스플리터(8)를 거쳐서 렌즈(12)에 의해 파이버(2)에 결합된다.

잔존펌프광, 레이징광 및 어떤 자발적인 방출은 출력단에서 섬광 회절격자(14)를 이용하여 분리되어지고, 레이징 및 펌프파장에서의 광파워는 각각 한쌍의 검출기(16)(18)에 의해 하나의 종류로 측정되어진다. 레이저의 출력 파워는 다음에 벌크광 및 비임스플리터비의 손실을 알도록 계산해준다.

다른 펌프소스는 필요한 광펌프파워를 약 800nm에서 Er³⁺가 도프된 ZBLAN 파이버 레이저, 특히 반도체 레이저에 공급하는데 사용되어도 된다.

제3도는 펌프레이저(10)가 801nm로 동조될때 제2도의 레이저의 레이징 특성을 도시한 것이다. 이 레이징 한계 값은 캐비티의 로우 Q때문에 높지만 슬로프 효율성이 역시 38%에서 높다. 이것은 특별히 다수광자 여기처리에 효율적이다.

제4도는 펌프파워 396m로 발사된 상수(대략 한계값)을 위한 펌프파장에 대한 레이저의 상대 출력 파워의 변동을 플로트한 것이다. 여기 스펙트럼은 1/2 파워점 9nm에서 폭을 가진다. 이러한 동조곡선은 기저상태전이의 브리칭(bleaching)을 따른다. 그러므로 ESA 흡수처리는 기저상태 흡수의 피크로 되게 한다. 792nm에서 비동조 펌프레이저(10)는 3준위전이 (⁴I_11/2∼⁴I_15/2)시에 레이징이 980nm에서 발생되는 정도로 빌트업되도록⁴I_11/2준위의 점유입자수의 증가를 허락한다.

제5도는 500ppm/wt의 에르붐으로 도프된 3미터 길이의 ZBLAN파이버(20)가 반사억압 파이버끝(22)(24)을 가진다. 펌프레이저(26)는 색선별 비임스플리터(28)및 렌즈(30)를 거쳐서 파이버(20)및 그 끝(22)에 결합되고 801nm에서 광펌프파워를 제공하는 것이다. 시그날 소스는 역시 850nm에서 비임스플리터(28)를 거쳐서 파이버(20)의 끝(22)에 역시 도입되어도 된다. 파이버끝(24)을 여기하는 증폭된 850nm 시그날의 파워는 시그날이 렌즈(34)에 의해 포커싱될때 검출기(32)에 의해 측정되게 된다.

제6도는 제5도의 장치에 있어서 801nm에서의 펌프파워로 850nm에서의 게인의 추출을 도시한 것이다. 제3도의 캐비티의 Q는 한계값 7dB에 이르도록 단일패스게인을 요구하고 펌프파워 200mW를 요구한다. 이것은 제3도의 레이징 특성으로 부터 확인한 것이다.

Claims (28)

1. 정상적인 자기 종결 레이저 전이를 형성하는, 이온의 기저 상태보다 높은 상위 및 하위 레이징 준위를 갖는 이온을 포함하는 매개물; 및 상위 및 하위 레이징 준위 사이에 반전 분포를 유지하기 위해 하위 레이징 준위에 있는 이온을 상위 레이징 준위로 옮기는 데 적절한 파장과 세기를 가지는 여기 에너지를 제공하는 펌핑수단을 구비하며, 상기 여기 에너지의 파장과 세기는 여기 상태 흡수에 의하여 상기 기저 상태에 있는 이온을 제1 에너지 준위로, 그리고 제1 에너지 준위에 있는 이온을 제2 에너지 준위로 여기하므로써 상기 기저 상태에 있는 이온을 상기 상위 레이징 준위로 옮기는 데 적절한 것을 특징으로 하는 광증폭기.
2. 제1항에 있어서, 상기 매개물은 광파이버 도파관인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
3. 제2항에 있어서, 상기 도파관은 불화 지르콘산염 유리로 이루어지며 도펀트는 Er³⁺인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
4. 제2항에 있어서, 상기 도파관은 약 500ppm/wt의 Er³⁺로 도핑된 ZBLAN 파이버인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 펌프 파장은 약 801nm인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
6. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌핑수단이 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
7. 정상적인 자기 종결 레이저 전이를 형성하는, 이온의 기저 상태 보다 높은 상위 및 하위 레이징 준위를 갖는 이온이 있는 매개물을 포함하는 공진 캐버티; 및 상위 및 하위 레이징 준위 사이에 반전 분포를 유지하기 위해 하위 레이징 준위에 있는 이온을 상위 레이징 준위로 옮기는 데 적절한 파장과 세기를 가지는 여기 에너지를 제공하는 펌핑 장치를 구비하며, 상기 여기 에너지의 파장과 세기가 여기 상태 흡수에 의하여 상기 기저 상태 준위에 있는 이온을 제1 에너지 준위로, 그리고 제1 에너지 준위에 있는 이온을 제2 에너지 준위로 여기하므로써 상기 기저 상태에 있는 이온을 상기 상위 레이징 준위로 옮기는 데 적절한 것을 특징으로 하는 레이저.
8. 제7항에 있어서, 상기 매개물은 광파이버 도파관인 것을 특징으로 하는 레이저.
9. 제8항에 있어서, 상기 도파관(2)은 불화 지르콘산염 유리로 형성되며 도펀트가 Er³⁺인 것을 특징으로 하는 레이저.
10. 제9항에 있어서, 상기 도파관은 약 500ppm/wt의 Er³⁺로 도프된 ZBLAN 파이버인 것을 특징으로 하는 레이저.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 펌프 파장은 약 801nm인 것을 특징으로 하는 레이저.
12. 제7항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌핑수단이 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
13. 제5항에 있어서, 상기 펌핑수단이 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
14. 제11항에 있어서, 상기 펌핑수단이 반도체 레이저인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
15. 정상적인 자기 종결 레이저 전이를 형성하는, 이온의 기저 상태보다 높은 상위 및 하위 레이징 준위를 갖는 이온을 포함하는 매개물을 광학적으로 펌프하기 위해 광학 에너지를 제공하며, 상기 펌프 에너지가 상위 및 하위 레이징 준위 사이에 반전 분포를 유지하기 위해 이온을 하위 레이징 준위에서 상승시키고, 여기 상태 흡수에 의하여 기저 상태에 있는 이온을 제1 에너지 준위로, 그리고 제1 에너지 준위에 있는 이온을 제2 에너지 준위로 여기하므로써 상기 기저 상태에 있는 이온을 상기 상위 레이징 준위로 옮기는 데 적절한 파장과 세기를 가지는 것을 특징으로 하는 광학 신호를 증폭하는 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 매개물은 광파이버 도파관인 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 도파관이 Er³⁺로 도핑된 불화 지르콘산염 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 도파관이 약 500ppm/wt의 Er³⁺로 도핑된 ZBLAN 파이버인 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 광학 펌프 에너지의 파장이 약 800nm인 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제15항 내지 제18항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광학 펌프 에너지가 반도체 레이저에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제19항에 있어서, 상기 광학 펌프 에너지가 반도체 레이저에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 정상적인 자기 종결 레이저 전이를 형성하는, 이온의 기저 상태 보다 높은 상위 및 하위 레이징 준위를 갖는 공명 캐버티내에 있는 매개물의 레이징 이온을 포함하는 매개물을 광학적으로 펌프하기 위해 광학 에너지를 제공하며, 상기 펌프 에너지가 상위 및 하위 레이징 준위 사이에 반전 분포를 유지하기 위해 이온을 하위 레이징 준위에서 상승시키고, 여기 상태 흡수에 의하여 기저 상태에 있는 이온을 제1 에너지 준위로, 그리고 제1 에너지 준위에 있는 이온을 제2 에너지 준위로 여기하므로써 상기 기저 상태에 있는 이온을 상기 상위 레이징 준위로 옮기는 데 적절한 파장과 세기를 가지는 것을 특징으로 하는 광학 신호를 증폭하는 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 매개물은 광파이버 도파관인 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 도파관이 Er³⁺로 도핑된 불화 지르콘산염 유리로 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 도파관이 약 500ppm/wt의 Er³⁺로 도핑된 ZBLAN 파이버인 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 광학 펌프 에너지의 파장이 약 800nm인 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제22항 내지 제25항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 광학 펌프 에너지가 반도체 레이저에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제26항에 있어서, 상기 광학 펌프 에너지가 반도체 레이저에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.