KR100279062B1 - 광섬유고리형극초단펄스레이저장치및이를이용한펄스의폭및반복성조절방법 - Google Patents

Abstract

능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 펄스의 폭 및 반복성 조절 방법이 개시된다. 종래의 능동형 모드 록킹된 펄스형 레이저 장치에서 출력되는 펄스의 펄스 폭과 반복성이 광 변조기의 주파수에 관계되기 때문에 레이저 장치에서 출력되는 펄스의 반복성과 펄스 폭은 광 변조기가 작동하는 최대 주파수에 의해서 제한된다는 문제가 있었다. 따라서, 본 발명에서는 종래의 능동형 모드 록킹된 레이저 장치에 두 개의 광 변조기를 사용하여, 상기 두 개의 광 변조기에 0 또는 π이외의 위상차 신호를 인가하여 반복성을 변화시키지 않으면서 레이저 출력의 펄스 폭을 줄일 수 있고, 또 위상차가 π인 신호를 인가하여 반복성은 두배로 되면서 펄스 폭이 줄어든 레이저 펄스를 얻을 수 있도록 하였다. 따라서, 레이저 장치의 출력 외부에서 펄스를 압축하는 종래의 방법에 비하여 방법이 극히 간단하고, 레이저 펄스의 펄스 폭만 또는 반복성과 펄스 폭을 동시에 줄일 수 있는 작용 효과가 있다.

Description

광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치 및 이를 이요한 펄스의 폭 및 반복성 조절 방법

본 발명은 능동형 모드 록킹된 극초단 펄스형 레이저 장치(active mode-locked pulsed laser) 및 이를 이용한 펄스의 폭 및 반복성 조절 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 초고속망 광 통신에서 필요한 레이저의 반복성은 광 변조기가 작동하는 주파수 영역보다 높기 때문에 보다 높은 반복성과 짧은 펄스 폭을 가진 레이저 광원이 초고속망 광 통신 시스템에 필수적이며, 특히, 시분할 방식 멀티플렉싱(optical time domain multiplexing)에서는 펄스 폭이 짧고 반복성이 높은 광원이 요구된다.

모드 록킹된 극초단 펄스형 레이저 장치의 펄스 폭은 변조기에 인가되는 주파수에 관계되며, 광 변조기의 특성이 결정되면 모드 록킹된 레이저에서 출력되는 펄스 폭이 결정된다. 광 변조기의 작동 영역의 주파수에 의해서 제한되는 모드 록킹된 펄스형 레이저 장치에 있어서는 높은 반복성과 짧은 펄스 폭을 갖도록 하는 것이 극히 어렵다. 또한, 인가 변조 주파수가 고정되어 있을 때 반복성을 높이는 것은 용이하지 않다. 종래, 펄스 폭을 줄이기 위하여 레이저 장치의 출력 외부에서 펄스를 압축하는 방법을 이용하고 있으나, 이는 시스템 구성을 복잡하게 하는 문제가 있다.

이하, 도 1을 참조하여 능동형 모드 록킹된 펄스형 광섬유 고리형 레이저 장치의 기본 구성과 그 동작, 및 이를 이용한 펄스폭의 축소 방법을 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 능동형 모드 록킹된 펄스형 레이저 장치(1)의 기본 구성도이다. 레이저 장치(1)는 주로 실리콘으로 된 단일 루프형의 광섬유(20)를 포함한다. 광섬유(20) 루프의 일부분에 에르븀 첨가 광섬유(20)를 연결하여 이득 매질로서 사용한다. 에르븀 첨가 광섬유(21)에서 광자를 증폭시키기 위해, 파장이 주로 980nm 또는 1480nm인 펑핌 광원(10)을 이용하여 외부에서 광을 입사시킨다. 이때, 펌핑 광원(10)에서 나오는 광의 파장과 상기 증폭된 광자가 발생시키는 광의 파장이 다르기 때문에, 광의 효율을 높이기 위해 파장 분할 방향성 결합기(23)를 이용하여 서로 다른 파장을 갖는 광을 결합한다. 상기 방향성 결합기(23)가 상기 광의 파장들을 결합하는 결합 비율은 상기 방향성 결합기(23)가 일반 레이저 장치에서의 거울과 비슷한 효과로 작용하도록 한다. 상기 방향성 결합기(22)로부터의 레이저를 안정시키기 위해, 한쪽 방향으로의 광을 차단시키는 광 고립기(optical isolator)(30)를 이용하여 레이저를 한쪽 방향으로 발진시키며, 또 파장 필터(31)를 이용하여 파장을 변환시키면서 안정화시키는 방법이 사용된다. 이와 같은 구성의 광섬유 고리형 레이저 장치에서 광 변조기(32)를 이용하여 광의 세기를 변조하면, 레이저는 레이저안의 각 모드들이 서로 록킹 (모드 록킹)되어 펄스 형태로 출력된다. 이때, 펄스의 특성은 상기 광 변조기(32)에 인가되는 신호의 특성과 관계가 있다. 또한, 상기 광 변조기(32)로부터 출력되는 광 펄스의 주파수는 상기 광 변조기(32)에 인가되는 신호의 주파수와 일치하고, 광 펄스의 폭 Δt은 다음의 수학식 1

(G는 이득 계수(gain coefficient), A_M는 최대(peak to peak) 변조 크기, f_m는 광 변조 주파수, Δf_g는 이득 선폭(gain bandwidth)을 나타낸다)로 표현된다.

상기 수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 레이저 장치의 출력 펄스의 폭은 레이저 장치의 이득 계수에 비례하고, 변조 신호의 크기 및 주파수, 레이저 장치의 이득 선폭에는 반비례하며, 레이저 장치의 이득 계수와 이득 선폭은 레이저 장치를 구성하는 증폭기의 물질 종류에 따라 결정이 된다. 이와 같이, 능동형 모드 록킹된 펄스형 레이저 장치(1)는 증폭기의 물질과 광 변조기의 특성에 관계된다. 이와 같이, 종래 기술에서 특정한 물질을 사용한 레이저 장치는 펄스 폭을 줄이기 위해 광 변조기에 인가되는 신호의 크기를 크게 하거나 또는 주파수를 크게 하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 광 변조기에 작동 주파수 이상의 주파수를 인가하면 신호의 크기가 급격히 저하되어 광변조기로서 제대로 작동하지 않기 때문에 광 펄스의 폭이 넓어지게 된다. 또한 광 변조기에 인가하는 신호를 너무 크게 하면 광변조기 내의 집적광학 소자가 파괴된다.

따라서, 광 변조기에 인가되는 신호 및 주파수의 크기를 일정 레벨 이상으로 크게 할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 두개의 광 변조기를 사용하여 광 변조기의 최대 주파수에서 발생되는 펄스 폭보다 더 짧은 펄스 폭을 가지며, 변조기의 최대 주파수 보다 더 빠른 반복성을 갖는 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 펄스의 폭 및 반복성 조절 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치는 단일 루프형의 광섬유; 상기 광섬유에 광을 공급하기 위한 광원-상기 광섬유에는 상기 광원으로부터의 광을 여기시키기 위한 이득 매질로 작용하는 에르븀 첨가 광섬유가 연결됨-; 상기 광섬유의 일부가 상기 광원 사이에 연결되어 상기 광섬유의 일부로부터의 광의 파장과 상기 광원으로부터의 광의 파장을 결합시키기 위한 파장 분할 방향성 결합기; 상기 광섬유 일부에 접속되어 한쪽 방향으로만 광을 진행시키기 위한 광 고립기; 상기 광섬유를 통과하는 광의 세기를 변조하기 위한 두 개의 광 변조기; 상기 광 고립기와 상기 광 변조기의 사이의 상기 광섬유의 광로 상에 연결되어 특정한 파장을 갖는 광만을 통과시키기 위한 파장 필터; 및 상기 파장 분할 방향성 결합기와 상기 광 변조기의 사이의 상기 광섬유의 광로 상에 연결되어 레이저 광을 출력하기 위한 방향성 결합기를 구비하되, 상기 두 개의 광 변조기는 서로 직렬로 접속되어 있으며, 상기 두개의 광 변조기는 상기 광 변조기에 병렬로 접속되어 상기 변조기로부터의 광의 위상을 조절하기 위한 위상 조절기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 두 개의 광 변조기에 인가되는 위상차의 크기를 조정하여 반복성은 변화시키기 않으면서 레이저 출력의 펄스 폭을 감소시키는 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 펄스이 폭 및 반복성 조절 방법를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 두 개의 광 변조기에 인가되는 위상차의 크기를 조절하여 반복성이 2배가 되면서 펄스 폭이 감소된 레이저 펄스를 출력시킬 수 있는 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치 및 이를 이용한 펄스의 폭 및 반복성 조절 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 장점 및 특징은 첨부하는 도면을 참조한 다음 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1은 종래 기술의 능동형 모드 록킹된 펄스형 광섬유 고리 레이저 장치의 기본적인 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 두개의 광 변조기를 이용한 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치의 전체 구성도.

도 3은 제2도에 도시된 광 변조기 부분의 세부도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 광 변조기에 다양한 위상차의 신호가 인가되는 경우, 한 개의 광 변조기를 통과한 후의 시간에 따른 광 출력, 및 두개의 광 변조기를 통과한 후의 시간에 따른 광 출력 변화를 도시하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 펌핑용 광원 20 : 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber)

21 : 에드븀 첨가 광섬유(Erbuim Doped Fiber)

22 : 방향성 결합기(Directional Coupler)

23 : 파장 분할 방식 방향성 결합기(Wavelength Division Multiplexing Coupler)

30 : 광 고립기(Optical Isolator) 31 : 파장 필터(Wavelength Filter)

32,33 : 광 변조기(Optical Modulator)

40 : 신호 발생기(Signal Generator)

41 : 위상 조절기(Phase Controller)

이하, 본 발명에 따른 두 개의 광 변조기를 이용한 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치 이를 이용한 펄스의 폭 및 반복성 조절 방법을 제2도 내지 제4도를 참조로 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 장치의 기본 구성 및 이의 동작은 제1도의 그것과 유사하므로, 유사한 부분에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

제2도 및 제3도는 본 발명에 따른 두 개의 광 변조기를 사용한 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치(2)의 전체 구성도, 및 제2도에 도시된 광 변조기 부분의 세부도를 각각 도시한 도면이다.

제1도의 레이저 장치에서는 고리형으로 연결한 광섬유 부분(21)이 이득 매질로서 사용되고 있지만, 제2도의 본 발명에 따른 레이저 장치에서는 실리콘에 에르븀(Er+)을 첨가한 에르븀 첨가 광섬유 부분이 상기 광섬유(20)의 중간에 연결된다. 따라서, 상기 광원(10)으로부터 광이 입력되면 그 광을 흡수하여 광자를 여기(exciting)시켜 다른 파장 (주로, 약 1550nm)의 광을 발생시키게 된다. 또한, 제2도의 본 발명의 레이저 장치에서는 직렬로 접속된 두 개의 광 변조기(32,33)를 사용하고 있으며, 상기 광 변조기에 병렬로 접속되어 위상의 크기를 변화시키기 위한 위상 조절기(41)를 구비하고 있다. 기타의 부분에 있어서는, 본 발명에 따른 레이저 장치의 구성은, 제1도의 종래 기술의 레이저 장치의 구성과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 구성에 의해, 광섬유(20)을 통해 각각의 광 변조기(32,33)에

E₁= E₀cos(ωt)

E₂= E₀cos(ωt+Δψ)

(여기서, E₀와 ω는 광 변조기(32,33)에 인가되는 신호의 최대 진폭, 및 주파수를, 그리고 Δψ는 광 변조기(32,33)에 인가되는 신호의 위상차를 나타낸다.)의 값을 갖는 신호가 인가된 경우, 광 변조기(32,33)로부터의 광 출력을 제3도을 참조하여 설명한다.

먼저, 첫번째 광 변조기(32)를 통과한 빛의 세기 I₁는

(여기서, I₀는 첫번째 광 변조기(32)에 입력되는 광의 세기이다.)

로 표현된다. 두 개의 광 변조기(32,33)를 모두 통과한 빛의 세기는

(여기서, Δψ는 위상차를 나타낸다.)

로 표현된다.

다음에, 본 발명의 실시예에 따라 광 변조기에 다양한 위상차의 신호가 인가되는 경우, 한 개의 광 변조기를 통과한 후의 시간에 따른 광 출력, 및 두 개의 광 변조기를 통과한 후의 시간에 따른 광 출력 변화에 대해 제4도를 참조하여 설명한다.

제4도에서, 위상차가 0일 때 광 변조기의 신호는 한 개의 광 변조기를 통과한 후의 광 변조기 신호와 거의 차이가 없다. 만일 위상차가 π/2인 경우에는 광 출력의 모양이 뾰족한 형태를 갖는 것을 알 수 있다. 즉, 이는 광 출력의 변조 주파수가 큰 것과 동일한 형태를 갖게 된다는 것을 알 수 있다. 만일 위상차가 π인 경우에는 광 출력의 모양이 한 개의 광 변조기를 통과한 빛의 주파수에 비하여 거의 2배가 된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 이 경우에는 레이저에서 출력되는 광 펄스의 반복성이 한 개의 광 변조기를 사용한 경우에 비하여 거의 두배가 되기 때문에 펄스 폭만을 줄이는 경우에는 사용하기 어렵다. 그러나, 광 변조기의 최대 주파수보다 더 빠른 반복성을 가진 광 펄스를 얻고자 할 경우에는 매우 유용하게 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명은 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치에 두 개의 광 변조기를 사용함으로써 출력 바깥 부분에서 펄스를 압축하는 종래의 방법에 비하여 극히 간단하고, 두 개의 광 변조기에 0 또는 π 이외의 위상차를 인가하여 반복성은 변화시키지 않으면서 레이저 출력의 펄스 폭을 줄일 수 있고, 또 두 개의 광 변조기에 π인 위상차 신호를 인가하여 반복성은 두배로 되면서 펄스 폭이 줄어든 레이저 펄스를 얻을 수 있는 작용 효과가 있다.

비록 본 발명에서는 두 개의 광 변조기를 사용하였지만, 2개 이상의 광 변조기가 사용될 수 있다는 것을 본 기술 분야의 숙련자는 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되어 있지 않으며, 본 발명의 본질과 영역으로부터 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변경될 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims (5)

1. 능동형 모드 록킹 된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치(active mode-locked ultra-short pulsed fiber ring laser)에 있어서,

   단일 루프형 광섬유(20);

   상기 광섬유에 광을 공급하기 위한 광원(10) - 상기 광섬유에는 상기 광원으로부터의 광을 여기시키기 위한 이득 매질로 작용하는 에르븀 첨가 광섬유가 연결됨 -;

   상기 광섬유의 일부와 상기 광원 사이에 연결되어 상기 광섬유의 일부로부터의 광의 파장과 상기 광원으로부터의 광의 파장을 결합하기 위한 파장 분할 방향성 결합기(23);

   상기 광섬유의 일부에 접속되어 한쪽 방향으로만 광을 진행시키기 위한 광 고립기(30);

   상기 광섬유(20)를 통과하는 광의 세기를 변조하기 위한 두 개의 광 변조기(32,33);

   상기 광 고립기와 상기 광 변조기의 사이의 상기 광섬유의 광로 상에 연결되어 특정한 파장을 갖는 광만을 통과시키기 위한 파장 필터(31); 및

   상기 파장 분할 방향성 결합기와 상기 광 변조기의 사이의 상기 광섬유의 광로 상에 연결되어 레이저 광을 출력하기 위한 방향성 결합기(22)

   를 구비하되,

   상기 두 개의 광 변조기는 서로 직렬로 접속되고, 상기 두 개의 광 변조기는 각각에 병렬로 접속되어 상기 광 변조기들로부터의 광의 위상을 조절하기 위한 위상 조절기(41)를 구비하는

   능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광 변조기에는

   E₁= E₀cos(ωt)

   E₂= E₀cos(ωt+Δψ)

   (여기서, E₀, ω, 및 Δψ는 각각 광 변조기에 인가되는 신호의 최대 진폭, 및 주파수, 및 위상차를 나타냄).

   의 값을 갖는 신호 E¹, E₂가 인가되는

   능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 두 개의 광 변조기와 직렬로 접속된 하나의 광 변조기

   를 더 포함하는 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치.
4. 상기 제2항 기재의 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치를 이용하여 광 펄스의 폭을 조절하는 방법에 있어서,

   상기 두 개의 광 변조기에 위상차 Δψ가 π/2인 신호를 인가하여 광 펄스의 폭을 감소시키는

   광 펄스 폭 조절 방법.
5. 상기 제2항 기재의 능동형 모드 록킹된 광섬유 고리형 극초단 펄스 레이저 장치를 이용하여 광 펄스의 반복성을 증가시키는 방법에 있어서,

   상기 두 개의 광 변조기에 위상차 Δψ가 π인 신호를 인가하여 광 펄스의 반복성을 증가시키는

   광 펄스 반복성 증가 방법.

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