KR100280822B1 - 광섬유 모드 록킹 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 모드 록킹 레이저에 관한 것이다.

본 발명은 펌프 광원에 의해 상하 두 에너지 준위간에 반전 분포를 이루고 순차적으로 소요 광파를 발진시키기 위한 이득 매질 첨가 광섬유와, 상기 펌프 광원의 파장은 투과시키며 상기 이득 매질 첨가 광섬유에서 펌프 광원에 의해 발진된 광파의 파장에 대해서는 원편광 반사경으로 작용하도록 하기 위한 콜레스테릭 액정 원편광 거울과, 상기 이득 매질 첨가 광섬유에서 발진되어 진행되는 광의 편광 상태를 조절하기 위한 편광 조절기와, 상기 편광 조절기를 지나 진행하는 광에 비선형 효과를 주기 위한 분산 천이 광섬유와, 상기 진행되는 광의 일부는 투과시켜 출력하고 일부는 반사시켜 공진기가 형성되도록 하기 위한 광섬유 레이저 출력경을 포함하여 이루어진다.

본 발명에 의하면 단순한 구조를 통해서 적은 부품수를 가지고 효과적으로 초단 펄스를 생성할 수 있으므로 경제성을 향상시킬 수 있다.

Description

광섬유 모드 록킹 레이저

본 발명은 초단 펄스를 생성하기 위한 광섬유 모드 록킹 레이저에 관한 것으로, 특히 콜레스테릭 액정 원편광 거울을 사용하여 구조를 단순화시키고, 모드 록킹(mode locking) 동작에 필요한 펌프광의 문턱 세기를 낮출 수 있는 광섬유 레이저 구도에 관한 것이다.

광섬유 레이저에서 발생된 초단 펄스는 짧은 펄스폭을 갖고 있기 때문에 초고속 광통신에 이용할 수 있는 각광받는 광원중의 하나이다. 이와 같은 초단 펄스를 발생시키기 위하여 가장 효과적으로 사용되는 방법은 모드 록킹 동작이다. 종래의 모드 록킹된 광섬유 레이저는 8자형이나 고리형의 공진기 구조에서 대부분 이루어지고 있으며, 선형 구조에서도 모드 록킹 동작을 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 8자형 모드 록킹 광섬유 레이저의 구조도이고, 도 2는 종래의 고리형 모드 록킹 광섬유 레이저의 구조도이며, 도 3은 종래의 선형 모드 록킹 광섬유 레이저의 구조도이다. 도 1, 도 2 및 도 3에서 도면 부호 11은 (50 : 50) 광섬유 방향성 결합기, 12는 파장 분할 광섬유 결합기, 13은 (90 : 10) 광섬유 방향성 결합기, 21 및 22는 편광 조절기, 31은 광 아이솔레이터, 41은 어븀 첨가 광섬유, 42는 분산 천이 광섬유, 51은 광펌핑 레이저 다이오드, 61은 레이저 공진기 거울, 62는 레이저 출력경, 82는 선 편광기를 각각 나타낸다.

위와 같이 종래의 광섬유 레이저에서의 모드 록킹된 광섬유 레이저는 8자형 구조(도 1)나 고리형 구조(도 2)에서 대부분 이루어졌다. 이 구도는 구조가 복잡하고 광 아이솔에이터와 같이 공진기내에서 비교적 손실이 크며, 또한 고가인 광 부품을 필요로 하므로 효율성과 경제성이 떨어진다. 선형 구조(도 3)의 경우 광 아이솔레이터를 필요로 하지는 않지만 정상파 형성에 의한 공간적 홀 버닝에 의하여 모드 록킹 동작을 발진시키기 위한 펌프광의 세기가 상대적으로 높은 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 콜레스테릭 액정 원편광 거울을 사용하여 구조를 단순화 시키고, 모드 록킹 동작에 필요한 펌프광의 문턱 세기를 낮출 수 있는 구도의 초단 펄스를 생성하기 위한 광섬유 레이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펌프 광원에 의해 상하 두 에너지 준위간에 반전 분포를 이루고 순차적으로 소요 광파를 발진시키기 위한 이득 매질 첨가 광섬유와, 상기 펌프 광원의 파장은 투과시키며 상기 이득 매질 첨가 광섬유에서 펌프 광원에 의해 발진된 광파의 파장에 대해서는 원편광 반사경으로 작용하도록 하기 위한 콜레스테릭 액정 원편광 거울과, 상기 이득 매질 첨가 광섬유에서 발진되어 진행되는 광의 편광 상태를 조절하기 위한 편광 조절기와, 상기 편광 조절기를 지나 진행하는 광에 비선형 효과를 주기 위한 분산 천이 광섬유와, 상기 진행되는 광의 일부는 투과시켜 출력하고 일부는 반사시켜 공진기가 형성되도록 하기 위한 광섬유 레이저 출력경을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1는 종래의 8자형 광섬유 모드 록킹 레이저의 구조도.

도 2는 종래의 고리형 광섬유 모드 록킹 레이저의 구조도.

도 3는 종래의 선형 광섬유 모드 록킹 레이저의 구조도.

도 4는 본 발명에 따른 광섬유 모드 록킹 레이저의 구조도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : (50 : 50) 광섬유 방향성 결합기

12 : 파장 분할 광섬유 결합기

13 : (90 : 10) 광섬유 방향성 결합기

21 및 22 : 편광 조절기 31 : 광 아이솔레이터

32 : 광변조기 41 : 이득 매질 첨가 광섬유

42 : 분산 천이 광섬유 51 : 광펌핑 레이저 다이오드

61 : 레이저 공진기 거울 62 : 레이저 출력경

71 : 좌측으로 진행하는 좌선 원편광 빛

72 : 우측으로 진행하는 좌선 원편광 빛

81 : 콜레스테릭 액정 원편광 거울

82 : 선 편광기

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 모드 록킹 레이저의 구성도이다. 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)을 사용한 단일 종모드 레이저의 구조는 콜레스테릭 액정의 선택적 반사(selective reflection)의 고유의 광학적 특성을 이용한다.

본 발명의 실시 예에 따른 관섬유 모드 록킹 레이저를 구동시키기 위해서는 콜레스테릭 액정 셀의 피치를 이득 매질 첨가 광섬유에서 펌프 광원에 의해 발생되는 광의 파장과 일치하도록 제작하여야 한다. 이 경우 액정 셀은 좌선형과 우선형중 어느 방향으로 제작하여도 동작 가능하며, 여기서는 좌선형으로 제작된 경우에 대해서만 설명하겠다.

액정 셀을 좌선형으로 제작하면, 콜레스테릭 액정 셀의 피치에 해당하는 파장의 빛이 입사될 경우 좌선 원편광의 빛을 반사시키고, 우선 원편광의 빛을 투과시킨다. 액정 셀의 피치에 해당하지 않는 파장의 빛이 입사될 경우 상태에 관계 없이 전부 투과시킨다. 일반적인 거울은 좌선 원편광의 빛이 반사할 경우 우선 원편광으로 바뀌어 반사되지만, 콜레스테릭 액정의 경우에는 반사되는 원편광이 바뀌지 않아 반사된 빛은 다시 좌선으로 원편광된다. 즉 좌선형으로 제작된 콜레스테릭 액정(81)에 입사하는 좌측으로 진행하는 좌선 원편광의 빛(71)은 반사하여 방향이 반대인 우측으로 진행하는 좌선 원편광의 빛(72)으로 진행한다.

광 펌핑용 레이저 다이오드(51)에서 나온 광의 파장은 액정 셀의 피치에 하당하지 않으므로 콜레스테릭 액정 편광 거울(본 실시 예에서는 좌선으로 제작된 콜레스테릭 액정)(81)을 투과하여 이득 매질 첨가 광섬유(41)에 의하여 흡수되어 유도 산란을 유발시켜 레이저 광을 발생시킨다. 이 이득 매질 첨가 광섬유(41)에서 발생한 광은 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)에 의하여 원편광 상태(72)로 변하여 반사된다(본 실시 예에서는 좌선 원편광). 이 빛은 편광 조절기(21)에 의하여 타원 편광으로 편광 상태가 변하게 되며, 다시 분산 천이 광섬유(42)에 의하여 비선형 복굴절을 경험하게 되어 편광 상태가 추가로 변한다. 이렇게 진행된 광은 레이저 출력경(62)에 의하여 일부는 투과되어 출력되며, 일부는 반사되어 다시 분산 천이 광섬유(42)에서 비선형 복굴절을 경험하고 편광 조절기(21)를 지나 편광이 변화되어 이득 매질 첨가 광섬유(41)에서 재증폭된다. 이 과정에서 빛의 편광 상태는 분산 천이 광섬유(42)에서의 비선형 복굴절과 편광 조절기(21)에 의하여 변하게 되기 때문에 편광 조절기(21)를 사용하면 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)에 입사하는 편광 상태를 조절할 수 있다. 편광 조절기(21)를 조절하여 좌선으로 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)에 입사하는 빛의 편광 상태를 좌선 원편광 상태로 조절하면 이 빛은 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)에 의하여 전반사하며, 이 경우 반사된 빛의 편광 상태는 변하지 않게 되어 최초 편광 상태의 방향(72)이 유지된다. 따라서 레이저가 발진하기 위한 공진기의 최적 조건은 편광 조절기(21)를 조절하여 좌선으로 콜레스테릭 액정 편광 거울에 입사하는 빛의 편광 상태를 좌선 원편광 상태(71)로 조절하는 것이다.

광섬유 레이저에서 수동형 모드 록킹이 일어나는 최적의 조건은 연속파 빛에 대하여서는 반사율이 0이 되어야 하고, 펄스에 대해서는 최대의 반사율을 갖도록 해야한다. 펄스의 경우 빛의 세기가 크기 때문에 분산 천이 광섬유(42)내에서 비선형 복굴절을 많이 경험하게 되어, 연속파 빛과는 다른 편광 상태로 진행하게 된다. 따라서, 편광 조절기(42)를 펄스의 경우에 대하여 최대의 반사율을 지니도록 조절하면 수동형 모드 록킹 동작이 일어나게 된다. 이 경우 빛이 한 주기동안 진행할 때, 발진되는 빛의 편광 상태는 한 주기 진행전과 한 주기 돌고 난 후가 동일하여야 한다는 레이저 공진 조건을 잘 만족한다. 따라서 초단 펄스가 발진되는 동안 레이저 공진기의 한 주기동안 편광 상태가 잘 맞아 안정된 펄스 신호가 나옴을 기대 할 수 있다. 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)의 파장에 따른 선폭은 매우 넓게 제작할 수 있기 때문에 극초단파의 수동형 모드 록킹 동작에 적합하다.

여기서 주의하여야 할 점은 콜레스테릭 액정 편광 거울(81)의 고유의 반사 특성에 의하여 이득 매질 첨가 광섬유(41)의 양방향으로 진행하는 빛의 원편광 상태가 일치한다는 점이다. 진행 방향이 서로 반대이며 같은 원편광 상태의 두 빛은 서로 수직으로 간섭할 수 없게 된다. 따라서 이득 매질 첨가 광섬유(41)에 두파의 간섭에 의한 정상파가 형성이 되지 않기 때문에 선형 공진기에서 문제시 되었던 공간적 홀 버닝이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 또한 이와 같은 구조에서 레이저 공진기에 광변조기(32)를 삽입하면 수동형과 능동형이 결합되어 높은 반복율을 갖은 안정된 펄스 신호의 모드 록킹된 광 펄스가 발진될 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 있어 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 모드 록킹 동작을 위한 레이저 구조는 선형 공진기의 정상파 형성에 의한 공간적 홀 버닝이 일어나는 단점을 제거하기 때문에 고리형 공진기에 비하여 요구되는 광섬유의 길이가 반으로 줄며, 구조가 단순하고 사용되는 광 부품의 수가 적고 광 아이솔레이터와 같은 손실이 크며 또한 고가의 장비를 필요로 하지 않기 때문에 고효율의 안정된 레이저 동작이 가능하여 경제성이 매우 높다.

Claims (2)

1. 펌프 광원에 의해 상하 두 에너지 준위간에 반전 분포를 이루고 순차적으로 소요 광파를 발진시키기 위한 이득 매질 첨가 광섬유와,

   상기 펌프 광원의 파장은 투과시키며 상기 이득 매질 첨가 광섬유에서 펌프 광원에 의해 발진된 광파의 파장에 대해서는 원편광 반사경으로 작용하도록 하기 위한 콜레스테릭 액정 원편광 거울과,

   상기 이득 매질 첨가 광섬유에서 발진되어 진행되는 광의 편광 상태를 조절하기 위한 편광 조절기와,

   상기 편광 조절기를 지나 진행하는 광에 비선형 효과를 주기 위한 분산 천이 광섬유와,

   상기 진행되는 광의 일부는 투과시켜 출력하고 일부는 반사시켜 공진기가 형성되도록 하기 위한 광섬유 레이저 출력경을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 모드 록킹 레이저.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 조절기와 상기 분산 천이 광섬유 사이에 수동형과 능동형이 결합된 형태의 높은 반복률을 갖도록 하기 위한 광변조기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광섬유 모드 록킹 레이저.