KR100285009B1 - Actively mode-locked optical fiber ring laser using a semiconductor optical amplifier as a gain medium - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 광증폭기를 이득매체로 하는 능동형 모드 록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저에 관한 것으로서, 본 발명은 광시분할방식 광통신 시스템에 사용되는 10GHz 급의 초고속 광펄스열을 발생시키기 위하여 소정 전원을 공급하는 파워공급기와, 상기 파워공급기로부터 소정 전원을 공급받아 이득매체 역할을 하는 반도체 광증폭기와, 상기 반도체 광증폭기가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사 비율을 9:1로 하여 연속 발진시키는 출력커플러와, 단일 편광상태로 발진할 수 있도록 편광을 조절하는 편광조절기와, 레이저 중심파장을 원하는 대역에서 발진할 수 있도록 필터링하는 파장가변필터와, 10GHz의 RF신호를 발생하는 RF 신호발생기와, 상기 RF 신호발생기로부터 RF신호를 공급받아 십 수 피코초 수준의 초단 펄스열이 발생되도록 스위칭하는 광세기 변조기와, 레이저 광이 역방향 궤환되는 것을 방지하는 광고립기로 이루어진다.The present invention relates to an active mode locked cyclic semiconductor-optical fiber laser having a semiconductor optical amplifier as a gain medium. The present invention provides a predetermined power source for generating a 10 GHz-class ultrafast optical pulse heat used in an optical time division optical communication system. A power supply, a semiconductor optical amplifier serving as a gain medium by receiving a predetermined power from the power supply, and an output coupler for continuously oscillating with a transmission-to-reflection ratio of laser light of 9: 1 as the semiconductor optical amplifier is operated. A polarization controller for controlling polarization to oscillate in a single polarization state, a wavelength variable filter for filtering the laser center wavelength in a desired band, an RF signal generator for generating a 10 GHz RF signal, and the RF signal The RF signal is supplied from the generator to generate a very short pulse train of tens of picoseconds. And the optical intensity modulator call, made ad group lip to prevent the laser light from the reverse feedback.
본 발명에 의하면 종래의 광섬유 레이저에 비해 주위환경의 섭동, 즉 온도변화나 진동에 대한 영향을 덜 받게 되어 출력 광펄스열의 안정성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, it is less affected by the perturbation of the surrounding environment, that is, the temperature change or the vibration, than the conventional fiber laser, thereby improving the stability of the output optical pulse train.
Description
본 발명은 반도체 광증폭기를 이득매체로 하는 능동형 모드 록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저에 관한 것으로서, 특히 초고속 광통신 시스템의 광시분할방식(Optical Time Division Multiplexing)에 활용할 수 있는 초고속 광펄스열 발생장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an active mode locked cyclic semiconductor-optical laser using a semiconductor optical amplifier as a gain medium, and more particularly, to an ultra-fast optical pulse heat generating apparatus that can be utilized for optical time division multiplexing in an ultrafast optical communication system. will be.
최근 초고속 대용량 광통신 시스템을 구현하기 위해 파장 다중화(이하, WDM : Wavelength Division Multiplexing) 또는 광시분할 다중화(이하, OTDM : Optical Time Division Multiplexing) 방식에 의한 광전송 시스템 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, researches on optical transmission systems using wavelength multiplexing (WDM: Wavelength Division Multiplexing) or optical time division multiplexing (OTDM) have been actively conducted to implement high-speed, high-capacity optical communication systems.
여기서, 각각의 전송광원은 다중화 특성상 WDM의 경우, 다중화 파장발진이 가능한 파브리-페로(Fabry Perot)형 반도체 레이저를 중심으로 연구가 진행되고, 40Gbps 이상의 OTDM일 경우에는 초고속 펄스열을 구현하기가 용이한 모드 록킹된 광섬유 레이저를 중심으로 시스템이 구축되고 있다.In the case of WDM, each transmission light source is studied based on a Fabry Perot type semiconductor laser capable of multiplexing wavelength oscillation in the case of WDM, and in the case of OTDM of 40Gbps or more, it is easy to implement an ultra-fast pulse train. The system is being built around mode locked fiber lasers.
특히, 상기 광섬유 레이저는 어븀첨가 광섬유(Erdium-doped otical fibre)를 이득 매체로 하여 고차 조화 모드 록킹방법에 의해 10Gbps급의 광펄스열을 발생시킨다. 또한, 레이저 이득물질인 어븀첨가 광섬유는 상준위 여기시간이 수 밀리초로 길고 광통신 파장대(1.5μm)에 중심 천이선이 존재하므로 광통신 응용을 위한 광섬유 레이저에 관한 연구는 어븀첨가된 특수 광섬유가 최초로 개발된 1988년부터 시작되었다. 그러나, 당시에는 주로 연속 발진이나 수 MHz 반복율 정도의 낮은 주파수로 동작되었다.In particular, the optical fiber laser generates 10 Gbps optical pulse heat by a higher-order harmonic mode locking method using an erbium-doped optical fiber as a gain medium. In addition, since the erbium-doped optical fiber, a laser gain material, has a high level of excitation time of several milliseconds and a center transition line in the optical communication wavelength band (1.5 μm), research on optical fiber lasers for optical communication applications was first developed by an erbium-added special optical fiber. Started in 1988. At that time, however, it was primarily operated at low frequencies, such as continuous oscillation or a few MHz repetition rate.
통상적으로 시분할 방식에 의한 광통신 광원은 적어도 10GHz 이상의 고반복율 펄스 동작을 요구하는데, 이 때문에 공진기 길이가 긴 광섬유 레이저의 구조에서는 고차 조화파 모드록킹 방법을 사용할 수밖에 없다.In general, an optical communication light source using a time division method requires a high repetition rate pulse operation of at least 10 GHz, and therefore, a high order harmonic mode locking method is required in a structure of a fiber laser having a long resonator length.
상기 고차 조화파 모드 록킹이란 펄스동작을 위해 레이저 공진기안에 위치한 광변조기의 스위칭 주파수가 레이저 공진기 길이에 해당하는 광펄스 왕복 주파수의 정수배가 되면 모드 록킹이 되어 수 피코초 수준의 짧은 레이저 광펄스열 동작을 일으키게 되는 원리이다.The higher harmonic mode locking means mode locking when the switching frequency of the optical modulator located in the laser resonator becomes an integer multiple of the optical pulse reciprocating frequency corresponding to the laser resonator length for pulse operation, thereby performing short laser optical pulse train operation of several picoseconds. It is a principle that is raised.
이와같이 모드 록킹된 어븀첨가 광섬유 레이저는 일본의 NTT 그룹 등 시분할 광통신(OTDM) 시스템을 연구하는 그룹 등에서 전송 및 동기 회로 광원으로서 많이 연구되어 왔다.This mode-locked erbium-doped fiber laser has been studied as a transmission and synchronization circuit light source in a group studying time division optical communication (OTDM) systems such as NTT Group in Japan.
상기 어븀 첨가 광섬유 레이저의 구성은 파장가변필터, 커플러, 광세기 변조기, 펌핑용 반도체 레이저, 편광조절기와 이득 매체인 어븀첨가 광섬유로 되어 있고, 모드 록킹방법에 의하면 레이저 공진기 길이에 해당되는 주파수의 정수배로 RF파를 광변조기에 인가해주면 고차 조화파 모드 록킹에 의해 수 피코초 수준의 초단 펄스열이 발생되게 된다.The erbium-doped fiber laser is composed of a wavelength variable filter, a coupler, an optical intensity modulator, a pumping semiconductor laser, a polarization controller, and an erbium-doped optical fiber, which is a gain medium. According to the mode locking method, the frequency of the frequency corresponding to the laser resonator length is determined. When the RF wave is applied to the optical modulator, ultra-high harmonic mode locking generates an ultra-short pulse train of several picoseconds.
한편, 모드 록킹된 반도체 레이저에 의한 광통신 시스템도 연구되어 왔는데 이러한 반도체 레이저는 도 1에 도시된 바와같이, EAM(Electroabsorption modulator)(1), 패러데이 고립기(Faraday isolator)(2), 편광조절기(3), 반도체 레이저 증폭기(SLA: Semiconductor Laser Amplifier)(4), 파장가변필터(5) 및 커플러(6)로 이루어져 있으며, 소형이지만 10GHz 이상 동작되면 주파수 처핑효과가 크고 펄스형태가 가우시안(Gaussian)이 아니기 때문에 장거리 시분할 광통신 시스템 구성에는 적합하지 않은 것으로 보고되어지고 있다.Meanwhile, optical communication systems using mode locked semiconductor lasers have also been studied. Such semiconductor lasers have an electroabsorption modulator (EAM) 1, a Faraday isolator 2, and a polarization regulator (Fig. 1). 3) It consists of a semiconductor laser amplifier (SLA) (4), a wavelength variable filter (5) and a coupler (6), and small, but when operated above 10GHz, the frequency chirping effect is large and the pulse shape is Gaussian Because of this, it is reported that it is not suitable for the construction of a long time division optical communication system.
특히, 광반도체의 여기시간은 어븀첨가 광섬유에 비해 1 나노초 이하로 짧아 레이저의 특성에 있어서는 광섬유 레이저와는 달리 수 GHz 대역의 이완진동 주파수(Relaxation oscillation frequency)를 갖게 된다.In particular, the excitation time of the optical semiconductor is shorter than 1 nanosecond compared to the erbium-doped optical fiber, and unlike the optical fiber laser, it has a relaxation oscillation frequency of several GHz.
따라서, 레이저 이득체는 광 반도체 증폭기(SOA: Semiconductor Optical Amplifier)로 하되 공진기 구성은 광섬유 레이저와 같이 장반경으로 하는 결합형(Hybrid) 형태의 레이저 구성이 제안되어 왔는데 1997년 M.J. Guy 등에 의해 CLEO/QLES'97 학회에서 반도체 광 증폭기와 EA 변조기(Electroabsorption modulator)를 주된 소자로 사용하여 1.3μm 대에서 발진하는 반도체-광섬유 레이저를 구성하여 발표한 바 있다.Therefore, the laser gain body is a semiconductor optical amplifier (SOA), but the resonator structure has been proposed in the hybrid (Hybrid) type laser configuration having a long radius, such as a fiber laser, M.J. At the CLEO / QLES'97 conference, Guy et al. Presented a semiconductor-optical fiber laser that oscillates in the 1.3μm range, using semiconductor optical amplifiers and EA modulators as main devices.
그런데, 상술한 바와같이 종래의 어븀 첨가 광섬유 레이저는 충분한 이득을 얻기 위하여 십 수미터 이상의 긴 공진기 구조를 갖을 수밖에 없었고 이러한 이유에서 이득매체로서 사용되는 어븀첨가 광섬유의 상준위 여기시간이 수 밀리초로 길어지기 때문에 주위환경의 섭동에 의한 출력 펄스열의 불안정성이 존재하는 문제점이 있었다.However, as described above, the conventional erbium-doped fiber laser had to have a long resonator structure of several tens of meters or more in order to obtain a sufficient gain, and for this reason, the phase-level excitation time of the erbium-doped optical fiber used as a gain medium is long by several milliseconds. There is a problem that the instability of the output pulse train due to the perturbation of the surrounding environment exists.
이와같은 긴 공진기 구조는 주위환경의 온도나 진동에 의한 영향에 민감하여 광펄스열의 세기가 불안정해지기 쉬우므로 최근까지도 이러한 광펄스의 불안전성을 제어하기 위한 많은 노력이 진행되고 있으며, 최근 반도체 광증폭 제조기술의 발달로, 수백 마이크로미터 길이에서도 어븀첨가 광섬유와 동등한 이득을 낼 수 있는 증폭기가 개발되어 이를 이용한 여러가지 능동형 광소자의 개발이 추진중에 있다.Since the long resonator structure is sensitive to the influence of temperature and vibration of the surrounding environment, the intensity of the optical pulse heat tends to be unstable, and until recently, many efforts have been made to control the instability of the optical pulse. With the development of manufacturing technology, amplifiers that can achieve the same gain as the erbium-doped fiber even in the length of several hundred micrometers have been developed, and various active optical devices using the same are being promoted.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 어븀 첨가 광섬유 대신 반도체 광증폭기를 이득매체로 하여 초단 광펄스열을 발생시킴으로써 광섬유 레이저에 비해 주위환경의 섭동, 즉 온도변화나 진동에 대한 영향을 덜 받게 되어 출력 광펄스열의 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 반도체 광증폭기를 이득매체로 한 능동형 모드 록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention generates ultra-short optical pulse heat by using a semiconductor optical amplifier instead of a conventional erbium-doped optical fiber as a gain medium, thereby reducing the influence of the perturbation of the surrounding environment, that is, temperature change or vibration, compared to the optical fiber laser. It is an object of the present invention to provide an active mode locked cyclic semiconductor-optic laser using a semiconductor optical amplifier as a gain medium to receive less and improve the stability of the output optical pulse train.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술사상으로서, 단일모드 광섬유로 연결되어 있는 레이저 공진기를 갖는 능동형 모드 록킹된 광섬유 레이저에 있어서,As a technical idea for achieving the object of the present invention, in the active mode locked optical fiber laser having a laser resonator connected by a single mode optical fiber,
상기 레이저 공진기의 내부손실보다 이득이 많도록 내부손실에 상응하는 초기 파워전원을 공급하는 파워공급기와, 상기 파워공급기로부터 공급된 전기에너지를 레이저 광으로 변환시키는 이득체 역할을 하는 반도체 광증폭기와, 상기 반도체 광증폭기가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사를 소정 비율로 하여 연속 발진시키는 출력커플러와, 상기 레이저 공진기 내의 레이저 광펄스가 단일 편광상태로 발진할 수 있도록 편광을 조절하는 편광조절기와, 상기 레이저 공진기 내의 광 파장을 안정시키기 위해 레이저 중심파장이 원하는 영역에서 발진할 수 있도록 필터링하는 파장가변필터와, 상기 레이저 공진기 내에서 레이저 광의 연속발진상태가 확인되면 상기 레이저 공진기의 길이에 해당되는 주파수의 정수배로 RF 주파수를 공급하는 RF 신호발생기와, 상기 RF 신호발생기로부터 소정 주파수를 공급받아 십 수 피코초 수준의 초단 펄스열이 발생되도록 소정 반복율를 갖고 스위칭하는 광세기 변조기와, 상기 레이저 공진기 내에서 레이저 광이 역방향 궤환되는 것을 방지해주는 광고립기를 포함하는 발명이 제시된다.A power supply for supplying an initial power source corresponding to an internal loss so that the gain is greater than an internal loss of the laser resonator, a semiconductor optical amplifier serving as a gain body for converting electrical energy supplied from the power supply into laser light; An output coupler for continuously oscillating with a predetermined ratio of transmission to reflection of laser light as the semiconductor optical amplifier is operated, a polarization controller for controlling polarization so that laser light pulses in the laser resonator can be oscillated in a single polarization state; A wavelength tunable filter for filtering the laser center wavelength to oscillate in a desired region to stabilize the optical wavelength in the laser resonator, and when the continuous oscillation state of the laser light is confirmed in the laser resonator, a frequency corresponding to the length of the laser resonator is determined. RF signal to supply RF frequency by integer multiple And an optical intensity modulator for switching the RF signal generator with a predetermined repetition rate to receive a predetermined frequency from the RF signal generator and generating a few tens of picoseconds, and an advert that prevents the laser light from being reversely feedback in the laser resonator. An invention comprising a group is presented.
도 1은 종래의 모드 록킹된 반도체 레이저의 구성을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a conventional mode locked semiconductor laser.
도 2는 본 발명에 의한 능동형 모드 록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저의 구성을 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing the configuration of an active mode locked cyclic semiconductor-optical fiber laser according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 능동형 모드 록킹된 고리형 반도체-광섬유 레이저의 출력 광펄스열을 나타내는 파형도이다.3 is a waveform diagram showing an output optical pulse train of an active mode locked cyclic semiconductor-optical fiber laser according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 광펄스의 발진 스펙트럼 특성을 나타내는 파형도이다.4 is a waveform diagram showing oscillation spectral characteristics of an optical pulse according to the present invention.
도 5는 본 발명에 의한 출력 광펄스의 RF 스펙트럼을 나타내는 파형도이다.5 is a waveform diagram showing an RF spectrum of an output light pulse according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 단일모드 광섬유 11 : 레이저 공진기10: single mode fiber 11: laser resonator
12 : 파워공급기 13 : 반도체 광증폭기12 power supply 13 semiconductor optical amplifier
14 : 출력커플러 15 : 편광조절기14: output coupler 15: polarization controller
16 : 파장가변필터 17 : RF 신호발생기16: wavelength variable filter 17: RF signal generator
18 : 광세기 변조기 19 : 광고립기18: light intensity modulator 19: Advertiser
이하에서는 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment according to the present invention will be described.
도 2에 도시된 바와같이, 본 발명은 단일모드 광섬유(10)로 연결되어 있는 레이저 공진기(11)에 있어서,As shown in FIG. 2, the present invention relates to a laser resonator 11 connected to a single mode optical fiber 10.
상기 레이저 공진기(11)의 내부손실보다 이득이 많도록 내부손실율에 따라 초기 파워전원을 공급하는 파워공급기(12)와, 상기 파워공급기(12)로부터 공급된 전기에너지를 레이저 광으로 변환시키는 이득체인 반도체 광증폭기(13)와, 상기 반도체 광증폭기(13)가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사 비율을 9:1로 하여 연속 발진시키는 출력커플러(14)와, 상기 레이저 공진기(11) 내의 레이저 광펄스가 단일 편광상태로 발진할 수 있도록 편광을 조절하는 편광조절기(15)와, 상기 레이저 공진기(11) 내의 광 파장을 안정시키기 위해 레이저 중심파장이 원하는 영역에서 발진할 수 있도록 필터링하는 파장가변필터(16)와, 상기 레이저 공진기(11) 내에서 레이저 광의 연속발진상태가 소정 관측수단에 의해 확인되면 상기 레이저 공진기(11)의 길이에 해당되는 주파수의 정수배로 RF 주파수를 공급하는 RF 신호발생기(17)와, 상기 RF 신호발생기(17)로부터 소정 주파수를 공급받아 십 수 피코초 수준의 초단 펄스열이 발생되도록 소정 반복율을 갖고 스위칭하는 광세기 변조기(18)와, 상기 레이저 공진기(11) 내에서 레이저 광이 역방향 궤환되는 것을 방지해주는 광고립기(19)로 이루어져 있다.A power supply 12 for supplying initial power power according to an internal loss ratio, and a gain chain for converting electrical energy supplied from the power supply 12 into laser light so that the gain is greater than the internal loss of the laser resonator 11. A semiconductor optical amplifier 13, an output coupler 14 for continuously oscillating with a transmission-to-reflection ratio of laser light 9: 1 as the semiconductor optical amplifier 13 is operated, and the laser light in the laser resonator 11 A polarization controller 15 for controlling polarization so that pulses can be oscillated in a single polarization state, and a wavelength tunable filter for filtering the laser central wavelength to oscillate in a desired region in order to stabilize the wavelength of light in the laser resonator 11 (16) and the frequency corresponding to the length of the laser resonator 11 when the continuous oscillation state of the laser light in the laser resonator 11 is confirmed by a predetermined observation means. An RF signal generator 17 for supplying an RF frequency at an integer multiple of and an optical intensity modulator for switching at a predetermined repetition rate so as to generate an ultrashort pulse train of about ten picoseconds by receiving a predetermined frequency from the RF signal generator ( 18) and an advertiser 19 for preventing the laser light from being backward fed back in the laser resonator 11.
또한, 상기 관측수단은 광 스펙트럼 분석기(도면에 도시되지 않음) 또는 IR 카드(도면에 도시되지 않음) 등을 사용한다.In addition, the observation means uses an optical spectrum analyzer (not shown) or an IR card (not shown).
또한, 상기 레이저 공진기(11)는 반도체 광증폭기(13)를 이득매체로 하여 1500nm 파장 영역대에서 파장 가변이 되며 발진하게 된다.In addition, the laser resonator 11 oscillates in the wavelength range of 1500 nm using the semiconductor optical amplifier 13 as a gain medium.
또한, 상기 반도체 광증폭기(13)는 캐리어 라이프 타임(Carrier Life Time)이 800ps이고 양면에 반사율이 10-3∼10-4정도의 무반사 박막증착된 반도체 증폭기로서 광섬유 대 광섬유 이득은 약 23dB이고, ASE(Amplified Spontaneous Emission) 선폭은 40nm 정도이며 TE/TM 모드(Transverse Electric/Transverse Magnetic mode) 간의 이득차는 0.9dB 이하로 매우 작다. 참고적으로, 여기서 TE/TM 모드는 광 전계의 방향 즉, 편파방향에 관한 것으로서 전계가 y방향 성분만을 갖는 것이 TE 모드이고, 자계가 y방향 성분만을 갖는 것을 TM 모드이다.In addition, the semiconductor optical amplifier 13 is a semiconductor amplifier having a carrier life time of 800 ps and an antireflective thin film deposited with reflectivity of about 10 −3 to 10 −4 on both sides, and an optical fiber-to-optic gain is about 23 dB. ASE (Amplified Spontaneous Emission) line width is about 40nm and the gain difference between TE / TM mode (Transverse Electric / Transverse Magnetic mode) is very small, below 0.9dB. For reference, the TE / TM mode here relates to the direction of the optical field, that is, the polarization direction, in which the electric field has only the y-direction component, and the TM mode is that the magnetic field has only the y-direction component.
또한, 상기 광세기 변조기(18)는 모드 록커로 사용되며 마아-젠더 간섭형으로 되어있어 굴절율이 변하면서 보강간섭, 상쇄간섭이 번갈아 일어나 스위칭 동작을 하게 되는데, 입력단에 편광조절기(15)를 두어 TE 모드에서 최대의 변조폭을 나타내도록 한다.In addition, the light intensity modulator 18 is used as a mode locker and is a magnetic-gender interference type, so that the refraction and the destructive interference alternately change and the switching operation occurs. The polarization controller 15 is provided at the input terminal. In TE mode, indicate the maximum modulation width.
또한, 상기 레이저 공진기(11) 내의 각 구성소자는 단일모드 광섬유와 FC 또는 SC 커넥터로 연결되어 있어 각 구성소자의 위치를 쉽게 바꿀 수 있으며 커넥터 단면에서 발생하는 공진기의 내부 반사 효과를 최대한 줄이기 위해 매번 세심한 세척이 필요하다.In addition, each component in the laser resonator 11 is connected to a single-mode optical fiber and FC or SC connector so that the position of each component can be easily changed and each time to minimize the internal reflection effect of the resonator generated in the connector cross section Careful cleaning is required.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the present invention having the configuration as described above are as follows.
본 발명은 광 시분할방식(OTDM) 광통신 시스템에 사용되는 10Gbps 급의 초고속 광펄스열 발생장치인 고차 조화파 모드 록킹된 고리형 반도체 광섬유 레이저를 구현하기 위한 것으로서, 종래의 광섬유 레이저에 비해 주위환경적 섭동영향에 우수한 성질이 있으므로 시분할 광통신 시스템의 송신용 광원 또는 위상 동기회로(PLL: Phase Lock Loop)의 클럭펄스로 활용할 수 있다.The present invention is to implement a high-order harmonic mode-locked annular semiconductor fiber laser, which is a 10 Gbps ultrafast optical pulse heat generator used in an optical time division system (OTDM) optical communication system, and is more environmentally perturbated than conventional fiber lasers. Due to its excellent properties, it can be used as a clock source for a transmission light source or a phase lock loop (PLL) in a time division optical communication system.
이러한 용도를 갖는 본 발명에 의한 반도체 광증폭기를 이득매체로 하는 능동형 모드 록킹된 고리형 반도체 광섬유 레이저는 도 1에 나타난 바와같이, 파장가변필터(16), 출력커플러(14), 광세기 변조기(18), RF 신호발생기(17), 광고립기(19), 편광조절기(15) 및 이득 매체인 반도체 광증폭기(13)가 단일모드 광섬유(10)에 의해 링형태로 연결되어 있는 구조를 갖는다.An active mode locked cyclic semiconductor fiber laser having a semiconductor optical amplifier according to the present invention having such a purpose as a gain medium has a wavelength variable filter 16, an output coupler 14, and an optical intensity modulator as shown in FIG. 18), the RF signal generator 17, the adsorber 19, the polarization controller 15 and the semiconductor optical amplifier 13, which is a gain medium, are connected in a ring shape by the single mode optical fiber 10.
본 발명에 의한 광펄스열 발생과정을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the optical pulse heat generation process according to the present invention.
광의 흡수보다도 유도방출을 강하게 하여 레이저 광 발진을 시키기 위해서는 증폭작용만으로는 안되고 필히 귀환작용을 갖게 하여 공진기내에서 잃은 전력의 비율보다도 증폭작용에 의한 이득을 크게 할 필요가 있다.In order to make the laser emission by making the induced emission stronger than the absorption of light, it is necessary not only to have an amplification effect but also to give a feedback effect so that the gain by the amplification effect is larger than the ratio of power lost in the resonator.
이를 위하여 먼저, 광세기 변조기(18)가 동작되지 않은 상태에서 파워공급기(12)에 의해 반도체 광증폭기(13)로 소정 전원이 인가되는데 이때 상기 반도체 광증폭기(13)에 공급되는 전원이 레이저 공진기(11)의 내부손실율에 상응하여 결정되게 된다.To this end, first, a predetermined power is applied to the semiconductor optical amplifier 13 by the power supply 12 in a state where the light intensity modulator 18 is not operated. At this time, the power supplied to the semiconductor optical amplifier 13 is a laser resonator. The internal loss rate in (11) will be determined.
즉, 상기 레이저 공진기(11)에 구비되는 각종 소자로 인해 발생되는 내부손실량을 보상해주기 위해서는 상기 파워공급기(12)의 공급전원으로 작동되는 반도체 광증폭기(13)가 이득체 역할을 하므로 출력커플러(14)에서 충분한 광세기가 관측되도록 상기 파워공급기(12)를 조절해주어야 한다.That is, in order to compensate for the internal loss generated by the various elements provided in the laser resonator 11, the semiconductor optical amplifier 13 operated by the supply power of the power supply 12 serves as a gain body, and thus an output coupler ( The power supply 12 must be adjusted so that sufficient light intensity is observed at 14).
그런데, 상기 반도체 광증폭기(13)의 레이저 광 세기를 결정하는 것이 상기 파워공급기(12)의 공급전원 레벨이므로 항상 상기 파워공급기(12)의 전력을 적절히 결정하여 일정 이득을 갖게 해야 한다. 즉, 상기 반도체 광증폭기(13)의 이득율을 레이저 공진기(11)의 내부손실율보다 높게 해주어야만 유효한 레이저 광펄스열을 얻을 수 있다.However, since determining the laser light intensity of the semiconductor optical amplifier 13 is a power supply level of the power supply 12, it is always necessary to properly determine the power of the power supply 12 to have a certain gain. That is, effective laser light pulse train can be obtained only when the gain ratio of the semiconductor optical amplifier 13 is higher than the internal loss ratio of the laser resonator 11.
상기와 같이 상기 반도체 광증폭기(13)에 소정 전압이 인가되면 반도체 광증폭기(13)는 상기 파워공급기(12)로부터 제공받은 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜 레이저광을 발생시키게 된다.When a predetermined voltage is applied to the semiconductor optical amplifier 13 as described above, the semiconductor optical amplifier 13 converts electrical energy provided from the power supply 12 into light energy to generate laser light.
이와같이 상기 반도체 광증폭기(13)가 작동되면 극히 짧은 시간내에 출력커플러(14)에서 연속발진이 일어나게 되는데 이때 상기 출력커플러(14)는 레이저 반사경의 역할을 하게 되며 투과 대 반사 비율을 9:1로 하여 레이저광을 발진시키게 된다.As described above, when the semiconductor optical amplifier 13 is operated, continuous oscillation occurs in the output coupler 14 within a very short time. The output coupler 14 acts as a laser reflector and has a transmission-to-reflection ratio of 9: 1. To oscillate the laser beam.
이 경우, 상기 반도체 광증폭기(13)의 좌우 양측으로 각각 구비되는 광고립기(19)에 의해 레이저 광이 역방향으로 궤환되지 않고 한쪽 방향으로만 발진되게 된다.In this case, the laser light is oscillated only in one direction without being fed back in the reverse direction by the advertisers 19 provided on the left and right sides of the semiconductor optical amplifier 13, respectively.
또한, 상기 출력커플러(14)의 좌측에 위치한 파장가변필터(16)에 의해 레이저 중심파장이 원하는 영역에서 발진할 수 있도록 해 줌으로써 레이저 광 파장을 안정화시킨다. 즉, 상기 파장가변필터(16)는 광 밴드패스 필터(Optical bandpass filter)로 되어있으며 1.2 nm의 대역폭(Bandwidth)을 갖게 된다.In addition, the wavelength variable filter 16 located on the left side of the output coupler 14 stabilizes the laser light wavelength by allowing the laser center wavelength to oscillate in a desired region. That is, the wavelength variable filter 16 is an optical bandpass filter and has a bandwidth of 1.2 nm.
이때, 너무 넓은 대역폭을 가진 필터를 쓰게되면 광섬유 대 광섬유 커넥터에서 내부 반사가 발생되어 원하지 않는 발진이 생기게 되고 이에 따라 광 파장이 불안정하게 된다.In this case, the use of a filter with a too wide bandwidth may cause internal reflection in the fiber-to-fiber connector, causing unwanted oscillation, resulting in unstable light wavelengths.
또한, 상기 파장가변필터(16)의 중심주파수 튜닝에 의해 진동 파장(oscillation wavelength)을 1540 nm 에서 1565 nm 까지 조절할 수 있게 된다.In addition, it is possible to adjust the oscillation wavelength (oscillation wavelength) from 1540 nm to 1565 nm by tuning the center frequency of the wavelength variable filter 16.
그리고, 상기 출력커플러(14)의 우측에 위치한 편광조절기(15)에 의해 상기 레이저 공진기(11)내의 광펄스가 단일 편광상태로 발진할 수 있게 된다.In addition, the polarization controller 15 located on the right side of the output coupler 14 enables the light pulse in the laser resonator 11 to oscillate in a single polarization state.
특히, 상기 고리형 반도체 광섬유 레이저의 편광 불안정성을 억제하기 위하여 레이저 공진기(11)를 이루는 광섬유는 모두 테이블에 테이프로 고정시켜서 진동에 의한 편광 불안정성을 최소화한다.In particular, in order to suppress polarization instability of the annular semiconductor fiber laser, all optical fibers forming the laser resonator 11 are fixed to a table with tape to minimize polarization instability due to vibration.
한편, 상기 반도체 광증폭기(13)가 활성화되면 광 스펙트럼 분석기(Optical spectrum analyzer) 또는 IR 카드(Infrared card)를 사용하여 상기 출력커플러(14)단에서 연속발진 상태를 관측할 수 있는데, 특히 상기 광 스펙트럼 분석기에 의해 파장을 좀 더 정확하게 관측할 수 있어 IR 카드보다는 광 스펙트럼 분석기가 많이 이용되고 있다.Meanwhile, when the semiconductor optical amplifier 13 is activated, a continuous oscillation state may be observed at the output coupler 14 using an optical spectrum analyzer or an infrared card. In particular, the optical Spectrum analyzers can observe wavelengths more accurately, so optical spectrum analyzers are used more than IR cards.
예컨데, 상기 광 스펙트럼 분석기에 의해 한 파장이 0.1 nm 이하로 관측되면 레이저 광 펄스열이 연속발진 상태에 있다고 판단할 수 있다.For example, when a wavelength is observed to 0.1 nm or less by the optical spectrum analyzer, it may be determined that the laser light pulse train is in a continuous oscillation state.
상기 광 스펙트럼 분석기에 의해 연속 발진이 일어나고 있는 것이 확인되면 이때, RF 신호발생기(17)는 반복율 10Gbps의 광펄스열을 발생시키기 위해 상기 레이저 공진기(11)의 길이에 해당되는 주파수(f0)의 정수배(fm= mf0m: 정수)로 광세기 변조기(18)에 RF파를 인가해준다.When it is confirmed that the continuous oscillation is occurring by the optical spectrum analyzer, at this time, the RF signal generator 17 is an integer multiple of the frequency f 0 corresponding to the length of the laser resonator 11 to generate an optical pulse train having a repetition rate of 10 Gbps. RF wave is applied to the light intensity modulator 18 with (f m = mf 0 m: integer).
이에 따라서, 마하-젠더 간섭계 형태의 광세기 변조기(18)가 자체 굴절율의 변화에 따라 보강 또는 상쇄 간섭을 번갈아 일으키면서 반복적으로 스위칭 동작을 하게 되고 이때, 고차 조화 모드 록킹(Harmonically mode-locking)에 의해 십 수 피코초 수준의 초단 펄스열이 발생된다.Accordingly, the Mach-Gender interferometer type light intensity modulator 18 repeatedly performs switching operation by alternating constructive or destructive interference according to a change in its refractive index, and at this time, in a higher order harmonic mode-locking, This generates a very short pulse train of tens of picoseconds.
다시말해, 상기 레이저 공진기(11) 안에 위치한 광세기 변조기(18)는 규칙적으로 반복 스위칭을 시켜주면 레이저 모드간의 위상이 같게 되어 초단 펄스가 발생되는 동작원리를 갖고 있다.In other words, the light intensity modulator 18 located in the laser resonator 11 has an operation principle in which ultra-short pulses are generated because phases between the laser modes are the same when repeated regular switching is performed.
특히, 상기 RF파는 10GHz의 반복율을 가진 펄스를 얻기 위하여 기본 모드록킹 주파수(11.91MHz)의 838번째 조화주파수인 10.002 GHz의 RF신호로서 광세기 변조기(18)에 인가된다.In particular, the RF wave is applied to the light intensity modulator 18 as an RF signal of 10.002 GHz, which is the 838th harmonic frequency of the basic mode locking frequency (11.91 MHz) to obtain a pulse having a repetition rate of 10 GHz.
이와같이 상기 반도체 광증폭기(13)를 이득매체로 사용했을 경우, 반도체 광증폭기(13)의 길이는 1mm 이하이므로 이를 사용하여 구성한 고리형 반도체 광섬유 레이저는 종래의 어븀첨가 광섬유 레이저에 비해 레이저 공진기(13)의 길이를 10미터 이상 줄일 수 있게 된다.As described above, when the semiconductor optical amplifier 13 is used as a gain medium, the length of the semiconductor optical amplifier 13 is 1 mm or less, so that the annular semiconductor fiber laser constructed by using the semiconductor optical amplifier 13 is a laser resonator 13 compared to a conventional erbium-doped fiber laser. ) Can reduce the length of more than 10 meters.
따라서, 상기 레이저 공진기(11)의 길이가 줄어들면 주위환경의 섭동, 즉 온도변화나 진동에 대한 영향을 덜 받게 되므로 출력 광펄스열의 안전성이 향상된다.Therefore, when the length of the laser resonator 11 is reduced, the perturbation of the surrounding environment, that is, the influence of temperature change or vibration is less affected, so that the safety of the output optical pulse train is improved.
도 3, 도 4 및 도 5는 출력 광펄스의 시간적 파형, 발진 스펙트럼, RF 주파수 특성을 나타낸 것인데, 도 3는 광세기 변조기(18)를 10GHz로 구동시켰을 때 고차조화 모드 록킹이 되어 펄스간 간격이 100bps이고, 반복율이 10Gbps의 광 펄스열이 발생되는 것을 나타낸 것이고, 도 4는 1500nm 영역대에서 발진파장의 미세 스펙트럼을 나타낸 것으로서, 1562 nm에서 10GHz의 비교적 안정된 출력 펄스열과 광 스펙트럼을 나타내며 광 스펙트럼의 발진모드 간격이 0.08 nm로서 10 GHz 간격으로 모드록킹 주파수와 일치함을 나타낸 것이다.3, 4, and 5 show the temporal waveform, oscillation spectrum, and RF frequency characteristics of the output optical pulses. FIG. 3 shows the inter-pulse mode locking when the optical intensity modulator 18 is driven at 10 GHz. Is 100bps and shows that the optical pulse train of 10 Gbps repetition rate is generated, and FIG. 4 shows a fine spectrum of the oscillation wavelength in the 1500 nm region, showing a relatively stable output pulse train and light spectrum of 1 GHz at 10 GHz. The oscillation mode interval is 0.08 nm, which coincides with the mode locking frequency in 10 GHz intervals.
또한, 광 스펙트럼의 전체 파형 반치폭은 0.6nm이고 광펄스 폭은 가우시안 펄스(Gaussian pulse)임을 가정할 때 자기상관기(Autocorrelator)로 측정한 결과 21ps이었고 광펄스 폭과 파장 선폭의 곱은 1.2로서 (푸리에 변환 한계값=0.44) 주파수 처핑이 되어 있음을 알 수 있다.Also, assuming that the full waveform half-width of the optical spectrum is 0.6 nm and the optical pulse width is a Gaussian pulse, the autocorrelator results in 21 ps.The product of the optical pulse width and the wavelength line width is 1.2 (Fourier Transform). Limit value = 0.44) It can be seen that frequency is chirped.
즉, 10GHz 펄스열과 스펙트럼은 일단 모드 록킹 영역에 들어가면 최적의 조화주파수에서 100KHz 이내의 범위로 변조기 주파수를 변화시켜도 항상 일정한 펄스폭과 선폭을 유지하게 된다.In other words, once the 10 GHz pulse train and spectrum enter the mode locking region, the pulse frequency and line width are always maintained even if the modulator frequency is changed within the range of 100 KHz at the optimum harmonic frequency.
도 5는 출력 광펄스열의 RF 주파수 특성이 배경 잡음에 비해 50dB 이상의 신호 대 잡음 비율을 갖고 10Gbps의 반복율로 동작하고 있음을 나타낸다.5 shows that the RF frequency characteristics of the output optical pulse train operate at a repetition rate of 10 Gbps with a signal-to-noise ratio of 50 dB or more relative to background noise.
또한, 도 5는 본 발명에 의해 발생된 출력 광 펄스열을 광 스펙트럼 분석기로 관측한 결과, 이완진동(Relaxation oscillation)이 없음을 보여주고 있는데 이는 반도체 광증폭기의 캐리어 라이프 타임(Carrier life time)이 광펄스의 공진기 1회 왕복시간에 비해 짧아서 레이저 공진기(11) 내부에 발생된 조그만 섭동이 더 이상 진동으로서 성장하지 않기 때문이다.In addition, FIG. 5 shows that there is no relaxation oscillation as a result of observing the output light pulse train generated by the present invention with an optical spectrum analyzer, in which the carrier life time of the semiconductor optical amplifier is light. This is because the small perturbation generated inside the laser resonator 11 is no longer grown as a vibration because the pulse resonator is shorter than one round trip time.
상기와 같은 이유로 이완 진동(Relaxation oscillation)에 의한 스파이킹이 있는 종래의 어븀첨가 광섬유 레이저에 비해 진폭 안정성이 우수하다.For the same reason, amplitude stability is superior to conventional erbium-doped fiber lasers with spiking by relaxation oscillation.
또한, 수 백 마이크로미터의 짧은 공진기 길이로 구성된 종래 반도체 레이저의 경우에는 파브리-페로형의 공진기내 1회 왕복시간이 수 피코초 정도로 짧아 보통 수 GHz의 이완진동(Relaxation oscillation) 주파수 성분이 존재한다. 그러나, 본 발명과 같이 반도체 광증폭기를 이용한 십 미터 이상의 긴 공진기 구성에서는 섭동에 대해 초과 감쇄 진동(Over-damping oscillation)가 일어나서 이완진동(Relaxation oscillation)이 존재하지 않는다. 이는 광자수명시간과 이득체의 여기 시간상수를 각각 이에 상응하는 질량과 스프링 상수로 특징지어지는 단진자운동에 유추하여 설명할 수 있다.In addition, in the case of a conventional semiconductor laser having a short resonator length of several hundred micrometers, one round-trip time in the Fabry-Perot type resonator is short by several picoseconds, and thus there is a relaxation oscillation frequency component of several GHz. . However, in the long resonator configuration of 10 meters or more using the semiconductor optical amplifier as in the present invention, there is no relaxation oscillation due to over-damping oscillation due to perturbation. This can be explained by inferring the photon lifetime and the excitation time constant of the gain body in terms of a single pendulum motion characterized by the corresponding mass and spring constant, respectively.
즉, 공진기 광자수명이 이득체 여기 시상수에 비해 대단히 큰 경우에는 스프링 상수에 질량이 크므로 초과감쇄가 일어나서 이완진동(Relaxation oscillation)이 일어나지 않는다. 따라서, 공진기 내의 조그만한 섭동은 레이저 출력에 영향을 주지않고 급격히 감쇄된다고 볼 수 있다.In other words, when the resonator photon life is very large compared to the gain excitation time constant, the spring constant is large so that the over attenuation does not occur and relaxation oscillation does not occur. Therefore, it can be seen that the small perturbation in the resonator is rapidly attenuated without affecting the laser output.
한편, 조화모드 록킹이기 때문에 항상 10GHz의 슈퍼모드 그룹(Super mode set)이 12MHz 간격으로(공진기 모드간격) 존재하는데 모드록킹 주파수를 정확히 조정하면, 이들 슈퍼모드 중 한 그룹만이 발진 가능성이 가장 높게 되어 그 슈퍼모드 그룹만을 고정적으로 발진시킬 수 있다. 이는 광세기 변조기(18)에 인가하는 RF주파수가 정확히 기본 공진기 주파수의 정수배가 되어 모드 록킹 대역에 들어서면 슈퍼모드 경쟁이 억압되기 때문이다. 모드록킹 영역내에서 의도적으로 수 KHz 내에서 상기 광세기 변조기(18)에 인가하는 RF 주파수를 변화시키면 수퍼모드 경쟁을 관측할 수 있다.On the other hand, because of the harmonic mode locking, there is always a super mode set of 10 GHz at 12 MHz intervals (resonator mode interval). When the mode locking frequency is correctly adjusted, only one of these super modes has the highest oscillation potential. Only the supermode group can be fixedly oscillated. This is because the super mode competition is suppressed when the RF frequency applied to the light intensity modulator 18 is exactly an integer multiple of the basic resonator frequency and enters the mode locking band. Supermode competition can be observed by varying the RF frequency applied to the light intensity modulator 18 within a few KHz intentionally within the mode locking region.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명은 단일모드 광섬유(10)로 연결되어 있는 레이저 공진기(11)를 갖는 능동형 모드 록킹된 광섬유 레이저에 있어서, 상기 레이저 공진기(11)의 내부손실보다 이득이 많도록 내부손실율에 상응하는 초기 파워전원을 공급하는 파워공급기(12)와, 상기 파워공급기(12)로부터 공급된 전기에너지를 레이저 광으로 변환시키는 이득체 역할을 하는 반도체 광증폭기(13)와, 상기 반도체 광증폭기(13)가 작동됨에 따라 레이저 광의 투과 대 반사 비율을 9:1로 하여 연속 발진시키는 출력커플러(14)와, 상기 레이저 공진기(11) 내의 레이저 광펄스가 단일 편광상태로 발진할 수 있도록 편광을 조절하는 편광조절기(15)와, 상기 레이저 공진기(11) 내의 광 파장을 안정시키기 위해 레이저 중심파장이 원하는 영역에서 발진할 수 있도록 필터링하는 파장가변필터(16)와, 상기 레이저 공진기(11) 내에서 레이저 광의 연속발진 상태가 확인되면 상기 레이저 공진기(11)의 길이에 해당되는 주파수의 정수배로 RF 주파수를 공급하는 RF 신호발생기(17)와, 상기 RF 신호발생기(17)로부터 소정 주파수를 공급받아 십 수 피코초 수준의 초단 펄스열이 발생되도록 소정 반복율로 스위칭하는 광세기 변조기(18)와, 상기 레이저 공진기(11) 내에서 레이저 광이 역방향 궤환되는 것을 방지해주는 광고립기(19)로 구성하여 종래의 어븀 첨가 광섬유 대신 반도체 광증폭기(13)를 이득매체로 하여 초단 펄스열을 발생시킴으로써 종래의 광섬유 레이저에 비해 주위환경의 섭동, 즉 온도변화나 진동에 대한 영향을 덜 받게 되어 출력 광펄스열의 안정성을 향상시킬 수 있다.As can be seen from the above description, in the active mode locked optical fiber laser having the laser resonator 11 connected to the single mode optical fiber 10, the gain is higher than the internal loss of the laser resonator 11. A power supply 12 for supplying an initial power source corresponding to an internal loss rate as much as possible, a semiconductor optical amplifier 13 serving as a gain body for converting electrical energy supplied from the power supply 12 into laser light, As the semiconductor optical amplifier 13 is operated, an output coupler 14 for continuously oscillating with a transmission-to-reflection ratio of laser light of 9: 1 and a laser light pulse in the laser resonator 11 may oscillate in a single polarization state. Polarization controller 15 for controlling the polarization so that the polarization, and the laser center wavelength to oscillate in the desired region to stabilize the light wavelength in the laser resonator 11 An RF signal generator for supplying an RF frequency at an integer multiple of a frequency corresponding to the length of the laser resonator 11 when the wavelength variable filter 16 to filter and the continuous oscillation state of the laser light in the laser resonator 11 are confirmed ( 17) a light intensity modulator 18 which receives a predetermined frequency from the RF signal generator 17 and switches at a predetermined repetition rate so that ultrashort pulse trains of tens of picoseconds are generated, and a laser in the laser resonator 11 It is composed of an advertiser 19 which prevents the light from being backward-converted, and generates ultra-short pulse trains using the semiconductor optical amplifier 13 as a gain medium instead of the conventional erbium-doped optical fiber. It is less susceptible to changes in temperature or vibration, thereby improving the stability of the output optical pulse train.
따라서, 본 발명은 초고속 대용량 광통신을 실현하기 위한 40Gbps급 광시분할방식(OTDM) 초고속 광통신시스템에서 10Gbps급 송신단 광원 또는 수신부의 디멀티플랙싱(Demultiplexing)에 사용되는 광 위상잠금회로(Optical phase locked loop)내의 클럭 펄스광원으로서 유용하게 활용할 수 있다.Accordingly, the present invention provides an optical phase locked loop used for demultiplexing a 10 Gbps transmitter light source or a receiver in a 40 Gbps optical time division system (OTDM) ultra high speed optical communication system for realizing high speed and large capacity optical communication. It can be usefully used as a clock pulse light source in the frame.
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| KR20000066752A (en) | 2000-11-15 |
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