KR100225281B1 - 광 도파관 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광도파관레이져 특히 솔리톤레이져들에 관한 것으로써, 레이져가 도파관에서 전파하는 솔리톤들이 레이져의 증폭주기보다 큰 솔리톤주기를 가지며 동작된 0.015의 코어클래딩굴절율차 및 2.5㎛의 코어반경을 가지는 광섬유와, 1100ppm의 에르븀도핑레벨을 가진 SiO₂-Al₂O₃-P₂O₅의 도파관을 지지하는 솔리톤을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

광 도파관 레이저

본 발명은 광 도파관 레이저, 특히 솔리톤 레이저(soliton laser)에 관한 것이다.

초고속 광 펄스 소스가 장래 고비트율 통신 시스템에서 중요한 핵심 성분이 될 것이며, 특히 솔리톤 펄스 소스는 장거리 고비트율 시스템에서 매우 가치있게 인식되고 있다. 현재 1.55㎛ 실리카 광 파이버 전송 윈도우내의 솔리톤 전파를 위한 피코초 광 펄스 및 충분한 피크 전력의 발생이 요구된다.

비록 솔리톤 펄스가 처프(chirp) 및 위상 잡음 모두의 영향에 강하다 할지라도, 이러한 펄스가 전개되는데 있어서 연속적으로 전개되는 배경 성분상에 중첩되는 덜 강한 솔리톤 뒤에 남게되는 방사의 발산(shedding)이 필연적으로 포함된다. 이 분산 방사는 솔리톤 비트들간에 상호작용을 일으켜서 시스템의 정보 능력을 제한하게 된다. 따라서 이상적인 솔리톤 소스는 전송 파이버에서 기본적인 솔리톤 펄스의 시간적인, 스펙스럼 및 전력 특성과 조화되는 특성을 가지는 피코초 펄스를 제공하는 것이다.

피코초 펄스를 발생시키는 한 방법이 J.D.Kafka, T.Baer 및 D.W.Hall 이 Optics Letters 14 No.22 (1989년 11월)에 기재한 Mode-locked erbium-doped fibre laser with soliton pulse shaping 제목의 논문에 논의되어 있다. 모드 동기된 에르븀 도핑된 파이버 레이저는 이득 파이버, 집적된 변조기 및 2km 길이의 통신 파이버로서 70m의 긴 에르븀 도핑된 파이버와 통합되는 링 레이저(ring laser)의 형태이다. 전기통신 파이버는 레이저에서 발생된 펄스로 솔리톤 펄스 형태 정도를 제공한다.

본 발명에 따르면, 도파관내를 진행하는 솔리톤이 레이저의 증폭 주기보다 더 큰 도핑된 주기를 갖도록 동작하는 광 이득을 제공할 수 있는 재료로 도핑된 솔리톤 지지 도파관을 포함하는 레이저를 제공한다.

상기 펄스의 펄스 에너지는 펄스가 도파관의 비선형성, 즉 광강도로 도파관의 굴절률 변화(포지티브 또는 네가티브일 수 있음)를 통해 이상(異常) 그룹 지연 분산의 효과를 없애기에 충분해야만 한다. 이것이 솔리톤 형성의 기본적인 메커니즘이다.

본 출원인은 펄스들이 피크 전력에서 큰 이탈을 감수할 수 있다 하더라도, 예를들어 100% 및 4%의 반사율 미러를 가진 레이저에서, 이 레이저가 본 발명에 따른 레이저인 경우에는 솔리톤 본성의 안정적인 해결책이라고 결정했다.

적절하게는, 상기 레이저는 주어진 어느 시간에서 많아야 5개의 펄스가 상기 레이저내를 진행하도록 동작하고 펄스가 기본적으로 모드 동기되게 하는 펄스 반복율을 가지고 동작한다.

펌프 파워를 조정함으로써 주어진 광 도파관 레이저에 대해 조정될 수 있는 상기 펄스 에너지의 값은 중요하지 않다.

아래에 서술된 바와 같이, 만일 에너지가 너무 높은 경에에는 낮은 레벨의 페디스틀(pedestal) 성분이 유도된다.

레이저는 바람직하게는 링 레이저로서 배치된다. 편리하게는, 레이저는 다음에 진정한 솔리톤 펄스가 되는 초기 펄스를 형성하기 위한 모드 동기 레이저 이다. 펄스들을 시딩(seeding)하는 방법은 본 발명의 필수적 요소는 아니며, 따라서 셀프 시딩을 포함하는 다른 방법들이 사용될 수 있다.

본 발명은 일반적으로 광 도파관에 적용할 수 있는데, 여기서 광(optical)은 광 파이버와 같은 유전체 광 도파관에 의해 전송될 수 있는 가시영역의 각 끝의 적외선 및 자외선 영역과 함께 가시영역으로 일반적으로 알려져 있는 전자기 스펙트럼 부분을 의미한다.

본 발명은 실리카 광 파이버의 1.5㎛ 전송 윈도우를 일반적으로 사용하는 장거리 통신 시스템에 특히 적용된다. 따라서 바람직하게는, 광 도파관은 1.52㎛에서 1.58㎛ 파장 범위에 걸쳐있는 높은 동작효율을 가지는 에르븀 도핑된 광 파이버로 구성되고, 광 네트워크와 쉽게 결합한다.

다른 호스트와 도핑물들이 다른 네트워크의 여러 전송 윈도우내에서의 사용을 위해 또는 연구실험을 위한 솔리톤 펄스의 발생을 위해 이용될 수 있다는 것을 인식하게 될 것이다.

1480nm 또는 980nm에서 에르븀 파이버 레이저의 반도체 다이오드 펌핑은 다이오드 펌프 주파수 더블 YAG 레이저에 의한 펌핑과 함께 있을 수 있다.

지금부터 첨부된 도면을 참고하여 단지 예의 방법으로 본 발명의 실시예를 설명하도록 하겠다.

제1도는 본 발명에 따른 에르븀 광 파이버 솔리톤 레이저의 개략적 다이어그램;

제2도 및 제3도는 도1의 레이저의 출력된 펌프 파워와 출력 파워의 그래프;

제4도 내지 제6도는 상이한 동작 조건에서 제1도의 레이저에 대한 출력의 자기상관 추적 오실로그래프; 제7도는 1T²(ps^-2)의 함수로서 쇼트 펄스성분의 P_peak(W) 그래프; 제8도는 입력 에너지에 의해 정규화된 14dB 출력 커플링에 대한 증폭 주기의 솔리톤 펄스의 에너지 프로파일 그래프; 제9도는 (a)3dB, (b)6dB, (c)14dB 출력 커플링에 대한 L/Z_o함수로써 싱글 증폭 주기후 N=1 솔리톤에 대해 펄스 영역에서의 변화, 즉 δS의 그래프; 제10(a)도 및 제10(b)도는 20km에 걸쳐 전파되는 L/Z_o=0.026(1000 증폭주기) 및 1km에 걸쳐 전파되는 L/Z_o=1.93 에 대한 각각의 수치 시뮬레이션에 대한 결과의 그래프; 제11도는 본 발명의 구체화하는 파이버 링 레이저의 개략도; 및 제12(a)도 및 제12(b)도는 제11도의 레이저 출력의 자기상관 추적의 그래프이다.

제1도를 참고하면, 솔리톤 레이저는 코어 클래딩 굴절률 차이가 0.015, 코어 반지름이 2.5㎛인 1100ppm의 Er³⁺도핑레벨을 가지는 10m 길이의 SiO₂-Al₂O₃-P₂O₅광 파이버 호스트(2)로 구성되어 있다. 색선별 빔 스플리터(4)는 1.55㎛ 에르븀 레이저 출력의 높은(∼90%) 스루풋 및 파이버(2)의 끝(10)에 인접하는 노출된 현미경(8)렌즈를 통해 모드-동기된 cw Nd:YAG 레이저(6)의 출력을 두배로 한 주파수로부터 532m에서 펌프 방사의 효율적인 결합을 허용한다.

명목상 100% 반사하는 미러(12)가 레이저 공진기를 완성하는 동안 파이버(2)의 끝(10)은 거의 4% 출력 반사기를 형성하기 위해 닦여졌다.

파이버(2)의 끝(16)에 인접하여 1.55㎛에서 송출하기에 적합한 추가의 현미경(14)렌즈는 광 파이버의 끝(16)에서 나온 빛을 미러(12)에 근접 위치된 리튬 니오베이트 모드 동기장치(20) 및 1mm 두께의 실리콘 필터(18)로 조준하여 향하게 하는데 사용된다. 필터(18)는 모드 동기장치(20)에 대해 광굴절 손상을 막기 위해 잔류 펌프 빛의 통과를 저지한다.

미러(12)는 대역폭 제한 및/또는 동조성을 제공하는 회절격자로 대체될 수 있다. 파이버의 끝(16)에서의 반사는 5°각도를 가지고 표면을 닦음으로써 효율적으로 억제되었다.

블록 파이버(block fibre) 인터페이스를 분기하는 계수-매칭(index-matchin

g) 겔의 블럽(blob)(19)과 함께 광 파이버의 끝(16)에 실리카 블록(17)을 근접 배치함으로써 추가의 억제가 달성되었다. 레이저 캐비티 길이의 미세 조정은 정밀 변환단계(22)상에 미러(12)를 설치함으로써 이루어졌다.

모드 동기장치(20)는 20ps 만큼 짧은 펄스를 발생시키는 Nd³⁺파이버 레이저를 사용하는 A.E.Siegman University Science Books ISBN D-935-7 02-11-5 의 교재인 LASERS에서 설명된 위상변조구조에 의해 레이저를 모드 동기하는데 사용되고, 420MHz로 동조된 공진 LC 회로내에 설치된 브루스터(Brewster) 각을 가진 3x3x10mm 리튬 니오베이트 슬랩(slab)으로 구성되어 있다.

파이버 편광 제어기(24)는 변조기상에 입사하는 빛의 편광을 최적화하기 위해 포함되어 있다.

모드 동기된 레이저의 출력 펄스 간격은 제2조파 자기상관기술인 표준 비콜리니어(non-collinear)를 사용하여 기록하였다. 스펙트럼 데이터는 스캐닝 회절격자 스펙트로메터(도시하지 않음)를 사용하여 기록하였다. 출력 파워는 Scientech 362 메터로 측정하였고, 렌즈(8) 및 빔스플리터(4) 결합의 공지된 송출 특성을 위해 보정하였다.

Er³⁺이온의 최고 상태 라이프타임이 9.8ms로 길기 때문에, 펌프 펄스열(76MHz 의 반복 주파수에서 ∼50ps 간격)은 통합되어 분명히 cw 펌프처럼 보인다.

532nm 펌프된 cw 에르븀 레이저의 수행능력이 제2도 및 제3도의 그래프에 표시되어 있다. 이들 두 그래프에 나타난 데이터가 얻어진 실험을 위해, 1200 line/mm 금 코우팅된 격자가 제1도의 미러(12)와 모드 동기장치(20)의 배치를 대체하였다. 100mW 초과한 파워가 제2도에 나타난 바와 같이 600mW 발진 펌프파워에 대해 1.52∼1.58㎛에 걸쳐 유용할 수 있었다. 동조 커브의 피크, 약 1.56㎛에서, 약 140mW의 출력이 제3도에 나타난 바와 같이 얻어졌다.

회절격자에 대한 반사율이 70%라고 가정하면, 최대로 기대되는 기울기 효율은 약 26%이다. 이것은 제2도로부터 추정된 24% 기울기 효율과 잘 일치하며 532nm에서 낮게 여기된 상태흡수의 결과이다.

제1도의 에르븀 파이버 레이저의 모드 동기된 동작이 제4도 내지 제6도에 나타나 있는데, 여러 조건하에서 레이저 출력의 자기상관 추적들을 보여주고 있다. 왕복 에르븀 파이버 길이가 20m 였으므로, 어느 시간에서도 캐비티는 ∼40 레이저 펄스가 있다.

레이저 공진기내에 복굴절 튜너 플레이트같은 적절한 대역폭 제한소자를 통합시켜, 40ps부터 15ps 까지의 펄스간격(sech²펄스모양)이 각각 0.5∼1.0의 시간-대역폭 곱으로 발생되었다. 더 짧은 펄스들에 대한 더 큰 곱들은 펄스형성 처리에서 비선형 현상의 증가된 역할을 가리킨다. 제4도는 0.5mm 두께의 수정 복굴절 튜너 플레이트로 얻어진 17.3ps 펄스의 자기 상관 추적을 보여주고 있다. 레이저의 평균 출력 파워는 제2도에 도시된 수행능력으로 유지되었다. 위상변조 모드동기에 대해 예상된 바와 같이, 두세트의 420MHz 펄스열이 위상 변조 어느 한쪽 끝에 해당하는 것으로 관찰되었다. 어느 한쪽 세트는 렌즈(14) 촛점의 미세조정 및 에탈롱 동조(etalon tuning) (펄스(18)에 의해)를 선택될 수 있다. 부가하여, 이들 조정들은 레이저 대역폭 즉 펄스폭의 일부 제어를 용이하게 한다.

레이저 대역폭 제한이 제거된 경우, 또 다른 펄스 압축이 관찰되었다. 3∼5ps 범위의 간격이 있는 낮은 출력펄스(∼5W 피크 이하)를 위해 ∼0.4의 시간-대역폭 곱으로 기록되었다. 그러나, 펌프 파워를 증가함으로써, 0.3∼0.35 범위내의 시간-대역폭 곱으로 2∼3ps 펄스간격이 발생되었다.

제5도는 8.5mW(6.9W)의 평균(피크) 파워에서 기록된 2.9ps 펄스들의 자기상관을 보여주고 있다. sech²펄스모양이 자기상관에 매우 잘맞고 또한 측정된=0/3과 일치한다. 이들 페디스틀-프리(pedestal-free) 펄스는 분명히 기본적인 솔리톤에 대해 적절한 시간 및 스펙트럼 특성을 가진다. 상기 파이버에 대해 유사한 도우펀트 레벨과 코어 기하학적 형태를 가진 에르븀 파이버에서 펨토초 증폭에 관한 앞서의 작업은 낮은 포지티브 그룹 지연 분산과 일치한다. 만약 D=5ps/nm/km이고 A_eff=30㎛²이라면, 3ps의 펄스폭에 대해 최종 솔리톤 파워 P₁는 0.5W로 계산된다.

이것이 측정된 출력보다 훨씬 낮다 할지라도, 레이저 출력이 분포된 증폭기내에 발생하는 에너지 변화의 피크치에 해당한다는 것을 고려할 때, 불일치는 놀라운 것은 아니다.

더 큰 출력 파워에서, 펄스폭의 큰 압축이 관찰되었다 할지라도, 낮은 레벨 페디스틀 성분이 증명되었다. 제6도는 48mW 평균파워에서의 레이저 출력을 보여주고 있다.

자기상관과 스펙트럼 모두의 측정으로부터, 출력에너지의 ∼53%는 페디스틀에 있게 되는 것으로 평가되는데, 이는 짧은 1.2ps 성분에 대해서는 44W의 피크파워를 암시한다. 페디스틀 영역에서조차도 짧은 성분의 자기상관과 스펙트럼 측정은 여전히 sech²펄스모양을 따르고 있다는 것은 주목할만하다.

제7도는 펌프파워가 페디스틀 영역으로 증가되는 것에 따른 출력파워의 범위에 걸쳐 기록된 데이터의 그래프이다. 이것은 짧은 성분의 피크파워가 1/t²에 비례함을 나타내고 있다. 이 결과는 솔리톤 형성의 개념에 또 다른 영향력을 더하는 것이다.

이 결과를 균등하게 분포된 레이저 매체에 대한 표준 Kuizenga 및 Siegman FM 모드동기 모델의 예상과 비교하면 참고가 된다. 제로 주파수 이조(detuning)의 경우, 포화된 왕복 이득계수(G_o∼1.6)와 변조 깊이의 전형적인 값은 주로에 의존하는 Gaussian 펄스폭으로 된다. (f_m:변조주파수,:유효 이득 대역폭)

f_m=420MHz 2^1/20.44이고를 취하면, ∼50ps의 간격을 가진 처프된 ()펄스가 예상된다. 구동주파수를 이조함으로써, 모드-동기된 펄스는 압축(∼35ps)될 수 있어서로 비처프(unchirp) 된다. 상기 모델이 본 발명자의 실험에서 관찰된 펄스모양과 간격 모두를 부정확하게 예측한다는 것은 분명하다.

본 출원의 발명자의 관찰을 완전하게 설명하기 위해서는, 파이버 비선형성과 분산 사이의 상호작용이 밝혀져야 한다. 그룹 지연분산이 포지티브인 경우, 피코초 간격 sech²펄스모양에 대해 솔리톤같은 압축은 다음과 같이 예상된다. 실제로, 위의 예와 유사한 코어 기하학 형태와 도우펀트 레벨을 가진 에르븀 파이버에서 펨토초 펄스 증폭은 낮고 포지티브한 그룹 지연분산(λ₀∼1.5㎛)과 일치한다.

본 명세서에 기재된 모델에서, 주기적으로 변화하는 펄스 에너지를 가지는 비선형 슈뢰딩거 방정식(NLSE)을 수치적으로 해결했다. 레이저 구성에 있는 그대로 접근하면서, 본 발명자들은 공진기에 대해 큰 집중손실 출력 커플링(96%송출)이 정확하게 없어진 분포된 이득(G∼14dB)을 사용하였다. 공진기의 왕복 파이버 길이인 20m 증폭주기 L을 선택하였다. 본 발명자들은 또한 에르븀 파이버의 분산-시프트된 특성을 유지하면서 낮고 포지티브한 그룹 지연분산 D=5ps/nm/km를 취하였다. 간단하고 균일한 진폭이득계수(G)는 펄스 에너지가 E=E_ine^2GZ가 되도록 증폭주기를 통해 추정된다. (E_in: 입력에너지, Z : 펄스가 파이버를 따라 전파하는 거리)

제8도는 컴퓨터 시뮬레이션에서 가정된 펄스 에너지 프로파일을 나타내고 있다. 점선은 평균 에너지(E_av)를 나타낸다. 부가하여, 긴 라이프타임(10ms)과 에르븀 이온의 저이득 단면적(10^-25cm²)으로 인해, 펄스동안 이득포화의 효과는 무시된다 (피코초 펄스에 대해 계산된 포화에너지는 전형적인 출력펄스 에너지보다 큰 6배 크기의 20μJ 이다).

수치 시뮬레이션의 주요 결과는 다음과 같다 : 안정적인 기본적 솔리톤 전파는 증폭주기내의 평균에너지(E_av)가 기본적 솔리톤 에너지(E₁)와 같을 때 긴 솔리톤 주기(즉 Z_o≫L)의 제한에서 이루어진다. 따라서 입력 펄스 에너지는 다음과 같은 식으로 설정된다.

E_in= E₁·2GL / (e^2GL-1) ········· (1)

예를들어 14dB 손실의 경우(즉, exp^2GL=25), E_in=0.134E₁이 된다.

제9, 10(a), 10(b)도는 이 시뮬레이션의 결과를 보여주고 있다. 제9도는 싱글 증폭주기후 L/Z_o의 함수로써 기본적인 솔리톤(위에서 계산된 E_in으로)에 대해 펄스영역에서의 변화(δS)(1로 정규화된)를 보여주고 있다. (펄스진폭의 절대값의 시간 적분으로 제한된)펄스영역은 실제 솔리톤으로부터의 왜곡의 감도표시로서 보통 이용된다. 명확하게, 긴 Z_o제한에서, 상기 계산된 펄스 왜곡은 무시할 수 있다. 이것은 또한 20km의 전체 거리에 걸친 시뮬레이션(26 솔리톤주기)이 L/Z_o=0.026과 14dB 출력손실(t_3ps)에 대해 서술되어 있는 제10(a)도에서 명백하다.

제9도에는 또한 3dB와 6dB 출력손실들에 대한 계산된 펄스 왜곡들이 나타나 있다. 예상된 바와 같이, 에너지 편이의 진폭을 축소함으로써(그리하여 이상적인 무손실 제한에 접근하게 되는) 펄스 왜곡이 크게 줄어들 수 있다.

긴 솔리톤 제한에서의 동작은 바람직하지만 본 발명의 동작영역은 아래 설명된 바와 같이 Z_o〉L로 연장된다는 것을 주목하는 것이 중요하다.

이것은 레이저에 의해 발생된 펄스들과 결합된 솔리톤 파라미터를 계산하기 위한 정보를 준다. 3ps펄스, 5ps/nm/km의 분산 및 유효한 영역 A_eff=30㎛²에 대하여, Z_o=705m와 기본적 솔리톤파워 P₁=∼0.5W가 얻어 진다. 명백하게, 긴 솔리톤주기 표준은 L/Z_o∼0.03에 의해 쉽게 충족된다. 그러나, P₁의 계산된 값은 측정된 출력 파워 5W 보다 훨씬 작다. 이것은 제8도의 용어에 이해될 수 있다. 중요한 솔리톤 파라미터는 제8도에서 점선으로 표시된 경로 평균값(E_av)이라는 것을 기억해야한다. 본 발명의 단순화된 에너지 모델의 경우에, 프로파일의 피크 에너지(결합된 것의 96%)는 거의 3xE_av이다. 실제로, 예를들어 추가 캐비티내 손실과 펌프흡수의 효과를 포함하는 에너지 프로파일의 더 정확한 모델은 적절한 증배계수(multiplication factor)를 증가시키는 것으로 예상될 수 있다.

본 모델의 조건으로서 이해될 수 있는 레이저의 또 하나의 특성은 P_peakvs 이다. 1/t²의 행적이 제7도에 나타나 있다. 펄스영역(S)이 전파하는 동안 유지된다면, D/t 또는 동등하게 P_peak로서의 E 스케일은 D/t²에 비례한다. 한계 Z_o≫L에서 S는 에너지 변화율이 작다 즉, 단열적이라면 잘 유지된다.

이것은 편리하게 αZ_o≪1 로 표현되는데, 여기서 α는(전체 파이버경로에 걸쳐 평균적인) 평균이득계수 이다. 제1도의 레이저에서, (∼10⁶km!의 전체 파이버 경로길이에 해당하는)수초의 주기에 걸쳐 계수 2에 의해 솔리톤 펄스 에너지를 증가시킴으로써 α∼3x10^-5km^-1로 이동한다. 전형적인 Z_o∼0.7km(t∼3ps)에 대해서는, 단열성이 Z_o∼2x10^-5로 보장된다. 1/t²스케일 행적에 대한 기본적인 한계는 솔리톤주기(Z_o는 t²에 비례함)의 압축이다. 결국 펄스 압축으로서, Z_o는 L과 비교가능하게 되고 펄스영역은 왜곡이 있게 된다. L/Z_o=1.93과 14dB 손실에 대한 시뮬레이션이 제10(b)도에 나타나 있고, 확산 방사성분과 함께 솔리톤 펄스의 전개를 보여주고 있다. 제10(b)도는 다소 극단적인 경우이지만, 펄스가 연속해서 에너지를 발산하고 결국 안정하고 다소 확장된 솔리톤 펄스가 전개되는 것을 증명하고 있다. 펄스왜곡의 이러한 메카니즘은 실험에서 관찰된 저레벨 페디스틀의 근원이 되는 것이 가능하다.

여기에 나타난 모델은 에르븀 솔리톤 레이저의 관찰된 특성을 설명하는데 있어서 매우 성공적이다. 이것은 펄스 구성에서 비선형과 분산의 현저한 역할의 결과이다. 본 모델은 완전한 기술이 되기위한 의도는 아니며, 엄격히 말해서 펄스전개형 노이즈가 있게된다. 명백하게, 변조기(20)의 중요 역할은 분산 및 SPM의 압축조합이 작용할 수 있는 시드(seed)변조를 제공하는 것이다. 넓게 말하면, 이러한 전개는 고차수 솔리톤 압축의 형태를 취해야 한다. 안정된 상태에서, 비록 변조기가 솔리톤 펄스에 관해 측정할 수 없는 주파수 처프(chirp)를 부여한다 할지라도, 그것은 위상변조가 펄스 페디스틀을 형상화하는데 있어서, 즉 확산 복사파를 트래핑하는데 있어서 절대적인 역할을 하게 된다. 또한, 증폭 처리에 포함된 더 복잡한 이득 다이내믹을 모델화 하는데 효과가 없어 진다. 사실상, 본 발명자들은 긴 Z_o한계에서는, 솔리톤펄스는 에너지 프로파일의 정확한 세부사항에는 민감하지 않는 것을 알아냈다. 본 명세서에 표시된 시뮬레이션들은 D를 상수값으로 가정했다. 또한 전체적으로 통합된 솔리톤 레이저 구조를 모델화 했는데, 여기서 분산성분의 변화는 결합된다. 이제 Z_o》L의 경우 관련된 분산은 증폭주기에 걸쳐 평균값이다. 실험 및 이론적인 조사연구는 파이버 비선형성 및 분산 사이의 상호작용이 펄스형성에 결정적이라는 개념을 강하게 뒷받침하고 있다. 실제로 레이저 출력의 시간적, 스펙트럼 및 파워특성은 기본적인 솔리톤 펄스에 대해 적절하다. 이론적인 연구로부터, 한계 Z_o〉L에서 레이저는 E_av=E₁인 간단한 NLSE 모델에 의해 잘 기술된다는 것을 알게 되었다. 특히 솔리톤 에너지(E)는 D/t 변화에 따른 변화에 의해 관찰하였다. 이 스케일 관계는 제안된 출원에 특히 관련되는 것이다. 예를들어 비선형의 모든 광 스위칭 경우에, 서브 피코초 간격 펄스는 스위칭 소스로부터 평균 파워 요구를 줄이는데 바람직하다. t는 주어진 펄스 에너지에 대해 D에 비례하므로, 그때 저분산 에르븀 파이버는 가장 짧은 펄스가 요구된다. 부가하여 펄스압축에 따라 발생된 펄스 왜곡을 최소화하기 위해, 저손실, 쇼트 공진기를 권할말 하다(제9도 참조). 한편, 솔리톤 통신 시스템을 위해 수십 피코초 간격을 가진 펄스가 요구된다. 이것은 집중적이도 크게 분산적인 소자, 예를들어 회절격자를 캐비티내에서 결합함으로써 성취될 수 있다. 본 모델의 관점에서 긴 Z_o한계에서 솔리톤은 캐비티 분산의 평균값을 채택할 것이다. 또한 펄스 처프를 없애기 위해 순 AM 변조구조가 모드동기 처리를 시작하는데 적합할 수 있다.

제11도는 계수차가 0.01이고 코어반지름이 2.5㎛이며 200-300ppm의 에르븀 도핑레벨을 가진 13m의 긴 Al₂O₃-GeO₂-SiO₂호스트 파이버(42)를 결합하는 링 레이저를 보여주고 있다. 레이저(40)에는 또한 X 표시점에서 함께 꼬아서 이은 광 파이버 결합기(46,48) 및 집적된 광 리튬 니오베이트 위상 변조기(44)도 포함되어 있다.

파이버 편광 제어기(50,52,54)는 위상 변조기(44)에 입사하는 빛의 정확한 편광을 보장하기 위해 제11도의 링 레이저에 결합되어 있다.

위상 변조기(44)는 3GHz 의 전기대역폭, 약 6dB의 삽입손실 및 10V의 스위칭 전압을 가진다. 위상변화에 대해 요구된 저변조 전압과 함께 기가 헤르쯔 변조 대역폭은 이 장치들을 집적된 광파이버 레이저의 모드동기에 대해 전위적으로 매우 만족하게 한다. 모드 동기장치가 끝부분의 미러에 근접하여 위치되어야만하는 제1도를 참고하여 앞서 설명된 선형 캐비티 레이저와는 달리, 링 레이저에서는 변조의 위치에 관한 똑같은 제약은 없다. 따라서 제11도의 링 모양의 선택은 고속, 피크테일(pigtail)리튬 니오베이트 기술의 사용을 매우 쉽게 한다. 출력 피그테일(56)을 가지게 패키지 되고 피그테일된 GRINSCH(GRraded Index Separate Confinement Hetrostructure) InGaAsP MQW 반도체 레이저(54)는 링 레이저(40)에 대해 펌프 소스를 제공한다. 1000㎛ 긴 레이저(54)에 대한 임계 전류는 ∼25mA 였다. 그 파워 출력은 1.473㎛ 주위에 중심이 된 7nm의 스펙트럼폭(FWHM)을 가진 출력 36mW, 450mA의 전류에 따라 선형적으로 증가했다. MQW 장치(54)의 파이버 피그테일(56)은 에르븀 파이버(42)의 펌프광의 효율적인 커플링을 허용하는 파이버 결합기(48)와 꼬와 이었다. 동시에 광결합기(4

6)는 캐비티에 대해 3dB 출력커플링이 제공된 결합기(48)를 통해 일직선으로 결합 되도록 에르븀 방출을 허용했다.

높은 캐비티 손실에도 불구하고, 레이저 작용은 결합기(48)로의 입력에서 단지 ∼15mW의 펌프파워로 성취되었다. 이 임계파워는 MQW 장치(54)에 전형적으로 적용된 200mA 전류로부터 평가 되었다. 링 레이저(40)에는 두 개의 역전파 광 빔이 있어서 3dB 결합기(46)로부터 두 개의 출력이 가능하다. 레이저(54)에 구동전류가 증가됨에 따라 이들 두 출력의 cw 출력파워가 선형적적으로 증가했다. 반 시계방향 빔에 대하여 ∼2mW 의 cw 출력은 450mA 의 전류에서 전형적으로 기록되었다. 시계방향 출력빔이 출력 커플링보다 바로 앞서 변조기를 가로지름으로써 파워에서 크게 (∼6dB 만큼) 더 낮아졌다.

모드-동기된 동작은 변조기(44)의 구동주파수를 기본적인 캐비티 주파수의 고조파로 간단히 동조함으로써 성취되었다. 주파수 합성기(58)의 증폭된 사인파 출력(5-10Vrms)을 사용하였다. 구동 주파수들은 아래 기록된 결과들을 위해 합성기/증폭기 결합에 의해 1GHz 보다 작게 제한하였다. 파이버 캐비티의 전체 길이가 ∼13m 였으므로, 캐비티에서 어느때라도 ∼60 펄스라는 것이 추정된다. 전형적으로 페디스틀-프리 펄스들은 0.5-1.2mW(0.2-0.5W) 범위에서 평균(피크)출력(반시계 방향출력)과 간격 ∼3ps가 얻어졌다. 이러한 링 구조에서 변조기(44)의 피그테일 및 결합기(46,48)와 결합된 표준 전기통신 파이버는 솔리톤 형성에 필수적인 것이 아니고 사실상 전체적으로 비솔리톤이 지지될 수 있는데 이는 레이저(40)를 위해 이득을 제공하는 에르븀 도핑된 도파관이 솔리톤 펄스 발생을 보장하기 위해 전체 포지티브 그룹 지연분산을 제공하기 위해 선택되었기 때문이다.

제12(a)도는 0.6mW의 평균파워와 810.6MHz의 반복 주파수로 기록된 링 레이저(40)의 출력에 대한 자기상관 추적을 보여주고 있다. 2.8ps(FWHM) sech²강도이익의 자기상관함수는 묘사된 이론적인 포인트들에 의해 명확히 나타난 바와같이 실험데이터와 잘 맞는다. 해당하는 스펙트럼은 0.9nm의 스펙트럼(FWHM)폭을 측정한 제12(b)도에 나타나 있다. 0.31의 시간-대역 곱은 또한 sech²펄스모양과 잘 일치한다.

상기 측정된 파워들은 기본적인 솔리톤 펄스들에 대해 예상된 값들과 일치한다. 긴 솔리톤주기(Z_o)구조(Z_o≫L)에서는 적절한 솔리톤 양(예를들어 에너지 및 분산)이 증폭주기에 걸친 단순한 평균값들이라는 것에 주목하자. 13m 길이의 에르븀 파이버(42)에 대해, 낮고 포지티브한 그룹 지연분산이 예상된다.

부가하여 링 구조는 피그테일 변조기(44) 및 결합기(46,48)와 결합된 약 2m의 표준 전기통신 파이버를 포함한다. 예를 들어 에르븀 파이버 및 표준 파이버에 대해 각각 분산 파라미터 D가 +2와 +15ps/nm/km 이라면, 평균분산은 ∼3.7ps/nm/km로 계산될 수 있다.

3ps 펄스의 경우, Z_o≫L 기준을 쉽게 민족시키는 솔리톤 주기 Z_o=950m가 계산된다. 덧붙여서, (A_eff=30㎛²로 가정할 때)솔리톤 파워(P₁)는 ∼0.4W로 계산된다. 이것은 차례로 캐비티내에 경로 평균 솔리톤파워의 합리적인 평가인 반시계 방향빔의 측정된 출력파워와 잘 일치된다. 본 명세서에서 사용된 진행파 변조기(44)에 대하여, 역전파 광 빔들은 구동주파수가 1GHz 보다 작게된다면 등가 위상변조 깊이를 갖게된다. 시계방향 출력이 파워에서 크게 떨어진다 할지라도 측정된 시간적 특성 및 스펙트럼 특성들은 다른 것과 유사하다. 이것은 두 방향에 대한 경로평균파워가 실질적으로 동일하다라는 사실을 유지하는 것이다.

더 큰 펌프파워에서, 출력펄스의 약간의 압축은 저레벨 페디스틀 성분(∼30ps FWHM)과 함께 ∼2.4ps 로 관찰되었다. 대응하는 스펙트럼 측정들이 넓은(∼1nm) 솔리톤 스펙트럼의 피크에 근접하는 좁은(∼0.1nm FWHM) 스파이크의 모습을 드러냈다. 제11도의 형태에서 펌프파워를 증가시킴에 따라 제1도의 실시예에 관하여 앞서 주목했던 1/t²스케일링에 비례하는 P₁은 발생하지 않았다. 본 발명자는 이것을 리튬니오베이트 위상변조기(44)에서 잔류 에탈롱효과 또는 복굴절에 의한 레이저 대역폭의 제한 때문인 것으로 생각한다. 이것과 일치하여, 본 발명자는 cw 및 cw 모드동기된 동작 모두를 위해, 변조기(44)를 포함함으로써 ∼0.7nm에 의해 분리된 파장들로 한정된 레이저(40)의 출력에서 강한 파장 판별을 하게 된다는 것을 관찰했다.

Claims (10)

1. 도파관내를 진행하는 솔리톤이 레이저의 증폭 주기보다 더 큰 솔리톤 주기를 갖도록 동작하는 광 이득을 제공할 수 있는 재료로 도핑된 솔리톤 지지 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저.
2. 제1항에 있어서, 상기 레이저는 모드-동기된 레이저인 것을 특징으로 하는 레이저.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 레이저에 대역폭 제한 소자가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저.
4. 제3항에 있어서, 상기 대역폭 제한 소자는 집중된 고 분산 소자인 것을 특징으로 하는 레이저.
5. 제4항에 있어서, 상기 고 분산 소자는 회절 격자로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 동조 필터가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 레이저.
7. 제1항에 있어서, 주어진 어느 시간에서 많아야 5개의 펄스가 상기 레이저내를 진행하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저.
8. 제2항에 있어서, 펄스가 기본적으로 모드 동기되도록 하는 펄스 반복률을 갖게 동작하는 것을 특징으로 하는 레이저.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광 도파관은 에르븀 도핑된 실리카를 기본으로하는 광 파이버인 것을 특징으로 하는 레이저.
10. 제9항에 있어서, 상기 광 파이버는 에르븀 도핑 레벨이 1100ppm 인 SiO₂-Al₂O₃-P₂O₅이고 코어 반지름이 2.5㎛ 이며 코어-클래딩 굴절률 차이가 0.015인 것을 특징으로 하는 레이저.