KR100313431B1 - 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기 - Google Patents

하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 펌프광원을 사용하여 초단 솔리톤 광 펄스를 발진하는 동시에 발진된 모드록킹 광섬유 레이저의 광 펄스신호를 증폭시키는 광 증폭기에 관한 것이다.
이러한 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기는, 펌프광원과 연결된 가변형 방향성결합기와, 상기 가변형 방향성결합기의 한 출력포트에 연결되어 상기 펌프광원의 펌프출력을 입력받아 솔리톤 광 펄스를 출력하는 모드록킹 광섬유 레이저, 및 상기 가변형 방향성결합기의 다른 출력포트에 연결되어 상기 펌프광원의 펌프출력을 입력받고, 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 출력되는 솔리톤 광 펄스를 입력받아 상기 솔리톤 광 펄스를 증폭하는 광 증폭기를 포함한다.

Description

하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기 {Mode locked fiber laser and fiber amplifier using single pump laser}
본 발명은 수동형 모드록킹 광섬유 레이저에 관한 것으로서, 하나의 펌프광원을 사용하여 초단 솔리톤 광 펄스를 발진하는 동시에 발진된 모드록킹 광섬유 레이저의 광 펄스신호를 증폭시키는 광 증폭기에 관한 것이다.
광섬유 레이저에서 발생되는 솔리톤 펄스는 짧은 펄스폭을 갖고 있기 때문에 초고속 광통신에 이용할 수 있는 각광받는 광원 중의 하나이다. 기존의 수동형 모드록킹 광섬유 레이저에서 솔리톤 펄스를 발진시키려면 펌프광원의 출력을 높여야 하는데, 이때 솔리톤 펄스는 다발(bunch) 형태로 발진한다. 따라서, 단일 솔리톤 펄스를 발진시키기 위해서는 펌프광원의 출력을 문턱전류 근처까지 내려야 한다.
이러한 종래기술로서, D. J. Richardson, R. I. Laming, D. N. Payne, V. J. Matsas, M. W. Philips 등이 1991년 4월과 8월에 발표한 논문들에 개시되어 있다.
1991년 4월에 발표된 논문의 제목은 '320 fs soliton generation with passively mode-locked erbium fiber laser'이며, IEEE Electronics Letters, 제27권 제9호(pp 730∼732)에 발표되었다. 1991년 8월에 발표된 논문의 제목은 'Pulse repetition rates in passive, selfstarting, femtosecond soliton fiber laser'이며, IEEE Electronics Letters, 제27권 제16호(pp. 1451∼1453)에 발표되었다.
이 선행논문들에 따르면 광섬유 레이저에서 펌프 출력을 최대로 증가시키면스스로 펄스를 발진하는데, 한 주기안에 다중 솔리톤 광 펄스가 발진된다. 이 상태에서 펌프 출력을 서서히 감소시키면 발진된 다중 솔리톤 광 펄스의 개수가 감소되고, 펌프 출력이 문턱전류 근처에 도달하면 한 주기안에 하나의 솔리톤 광 펄스만이 발진하게 된다.
그러나, 이와 같이 펌프 출력을 문턱전류 근처까지 낮추면 광섬유 레이저에서 출력되는 단일 솔리톤 광 펄스의 출력이 매우 낮은 값을 갖게 되며, 이로써 펌프 출력을 효과적으로 이용할 수 없게 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다. 모드록킹 광섬유 레이저에서 솔리톤 광 펄스를 발진시킬 때 펌프광원의 출력은 상당히 낮은 문턱 전류에서 구동하게 되며, 이 경우 남는 펌프광원은 사용할 수 없게 된다. 본 발명은 솔리톤 광 펄스를 발진하고 남는 펌프광원을 효율적으로 사용하기 위하여, 하나의 펌프광원으로 모드록킹 광섬유 레이저를 구동시키는 동시에 발진된 솔리톤 광 펄스를 증폭시키는 광 증폭기를 구동하는 장치를 제공하기 위한 것이다.
도 1은 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기의 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기의 상세 구성도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 기호의 설명 ※
10 : 모드록킹 광섬유 레이저 20 : 광 증폭기
30 : 가변형 방향성결합기 40 : 펌프광원
11 : 광섬유 방향성결합기 12 : 파장분할 광섬유 커플러
13 : 광섬유 방향성결합기 14 : 편광조절기
15 : 편광조절기 16 : 광 고립기
17 : 분산천이 광섬유 18 : 어븀첨가 광섬유
21 : 광 고립기 22 : 파장분할 광섬유 커플러
23 : 어븀첨가 광섬유 24 : 광 고립기
25 : 광섬유 방향성결합기 41 : 패러데이 회전거울
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기가 제공되며, 이는 펌프광원과 연결된 가변형방향성결합기와; 상기 가변형 방향성결합기의 한 출력포트에 연결되어 상기 펌프광원의 펌프출력을 입력받아 솔리톤 광 펄스를 출력하는 모드록킹 광섬유 레이저; 및 상기 가변형 방향성결합기의 다른 출력포트에 연결되어 상기 펌프광원의 펌프출력을 입력받고, 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 출력되는 솔리톤 광 펄스를 입력받아 상기 솔리톤 광 펄스를 증폭하는 광 증폭기를 포함한다.
양호하게는 상기 가변형 방향성결합기는, 상기 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기로 제공되는 펌프출력의 분할비율을 조절할 수 있다.
보다 양호하게는, 상기 가변형 방향성결합기는, 초기에는 상기 펌프광원의 모든 펌프출력을 상기 모드록킹 광섬유 레이저로 연결한 후, 상기 광 증폭기 쪽으로의 분할비율을 점차적으로 늘림으로써, 초기에는 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 다중 솔리톤 광 펄스가 출력된 후, 점차적으로 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 단일 솔리톤 광 펄스가 출력되어 상기 광 증폭기에서 증폭되도록 한다.
양호하게는, 상기 모드록킹 광섬유 레이저는 링구조 광섬유 레이저, 8자형구조 광섬유 레이저, 선형구조 광섬유 레이저, 또는 그 외의 모든 희토륨 첨가 광섬유 레이저를 사용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 '하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기'를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기를 도시한 구성도이다. 이는 모드록킹 광섬유 레이저(10)와, 광 증폭기(20), 가변형 방향성결합기(30), 및 펌프광원(40)으로 구성된다.
펌프광원(40)은 가변형 방향성결합기(30)와 연결되고, 이 가변형 방향성결합기(30)의 2개의 출력포트는 모드록킹 광섬유 레이저(10)와 광 증폭기(20)에 각각 연결된다. 모드록킹 광섬유 레이저(10)는 2개의 출력포트를 통해 솔리톤 광 펄스를 출력한다. 출력1에서 출력되는 솔리톤 광 펄스는 모니터하는데 사용하고, 출력2에서 출력되는 솔리톤 광 펄스는 광 증폭기(20)로 입력되어 증폭된다.
광 증폭기(20)는 가변형 방향성결합기(30)로부터 입력되는 펌프출력을 이용하여 상기 모드록킹 광섬유 레이저(10)로부터 입력되는 솔리톤 광 펄스를 증폭한다. 광 증폭기(20)의 출력부에서는 증폭된 솔리톤 광 펄스를 모니터한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.
펌프광원(40)의 펌프출력은 가변형 방향성결합기(30)로 연결되는데, 가변형 방향성결합기(30)는 먼저 펌프출력을 모두 모드록킹 광섬유 레이저(10)에 연결한다. 모드록킹 광섬유 레이저(10)는 모드록킹을 발진시킴으로써 다발형 솔리톤 광 펄스가 얻어진다. 이때, 가변형 방향성결합기(30)는 분할비율을 변화시켜서 모드록킹 광섬유 레이저(10)로 입사되는 펌프출력을 점차 감소시키는 바, 이로써 다발형 솔리톤 광 펄스가 감소하여 단일 솔리톤 광 펄스만 발진된다.
여기서, 가변형 방향성결합기(30)가 분할비율을 조절하여 모드록킹 광섬유 레이저(10)에 입사되는 펌프출력을 감소시키면, 상대적으로 광 증폭기(20) 쪽으로 입사되는 펌프출력은 증가하게 되어 광 증폭기(20)가 증폭기의 역할을 수행할 수 있게 된다.
즉, 모드록킹 광섬유 레이저(10)로 제공되고 남은 펌프출력은 광 증폭기(20)로 입력되어 광 증폭기(20)를 구동시킨다. 한편, 모드록킹 광섬유 레이저(10)에서 생성된 단일 솔리톤 광 펄스는 광 증폭기(20)의 입력부에 연결시켜서 광 증폭기(20)를 통과시킴으로써 그 출력을 향상시킨다.
이와 같이 본 발명을 이용하면, 모드록킹 광섬유 레이저(10)가 단일 솔리톤 광 펄스로 발진시킬 때, 남은 펌프출력을 광 증폭기(20)에 입사시켜서 단일 솔리톤 광 펄스를 증폭시키는 데 사용할 수 있다. 모드록킹 광섬유 레이저(10)의 출력1은 생성된 솔리톤 광 펄스의 약 10%를 출력하는 바, 이를 이용하여 솔리톤 광 펄스를 모니터한다.
도 2는 도 1에 도시된 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기의 한 실시예를 상세하게 도시한 구성도이다.
모드록킹 광섬유 레이저(10)는 선형거울과 루우프거울로 구성한다. 광 증폭기(20)는 일반적인 광 증폭기를 사용할 수 있다. 상기한 모드록킹 광섬유 레이저(10)는 미국특허 제5734665호에 상세하게 개시되어 있는 바, 이 선행특허는 한국전자통신연구원(ETRI)이 권리권자이고, 발명의 명칭이 'Optical Fiber Laser'로서, 1998년 3월 31일자로 특허 등록되었다.
이 모드록킹 광섬유 레이저(10)는, 선형거울로써 패러데이 회전거울(41)과 편광조절기(15)로 구성하고, 루우프거울은 광섬유 레이저 공진기 내부의 분산값을 조절해 주기 위한 분산천이 광섬유(17)와, 광섬유 방향성결합기(12), 편광조절기(14), 및 어븀첨가 광섬유(18)로 이루어진다. 이 선형거울과 루우프거울은 3dB 광섬유 방향성결합기(11)로 서로 연결되어 있으며, 생성된 광 펄스는 광 고립기(16)를 통해 출력된다.
이 발명에 의한 광섬유 레이저는, 패러데이 회전거울을 이용하여 서로 반대방향으로 진행하는 빛 사이에 편광을 90도 회전시켜서 편광에 의한 위상지연을 상쇄시켜주기 때문에, 결과적으로 외부 환경의 편광변화에 안정한 솔리톤 광 펄스를 발진하도록 되어 있다.
모드록킹 광섬유 레이저(10)에서 생성된 솔리톤 광 펄스는 10% 방향성결합기(13)를 통해 분할되는 바, 10%의 솔리톤 광 펄스는 모니터를 위해 출력되고, 나머지 90%의 솔리톤 광 펄스는 광 증폭기(20)의 입력부로 입사된다. 한편, 펌프광원(40)은 가변형 방향성결합기(30)를 통해 모드록킹 광섬유 레이저(10)와 광 증폭기(20)로 모드출력을 제공한다.
솔리톤 광 펄스를 발진시키기 위하여, 가변형 방향성결합기(30)는 모드출력을 모두 모드록킹 광섬유 레이저(10)로 제공한다. 그후, 다중 솔리톤 광 펄스가 발진되면 가변형 방향성결합기(30)를 조절하여 광 증폭기(20) 쪽으로 분할비율을 점차적으로 높이면, 모드록킹 광섬유 레이저(10)는 단일 솔리톤 광 펄스로 발진하면서 동시에 광 증폭기(20)의 펌프출력이 증가하여 솔리톤 광 펄스를 증폭시킨다.
이와 같이, 본 발명은 수동형 모드록킹된 광섬유 레이저에서 발진되는 솔리톤 광 펄스의 출력을 향상시키고, 남는 펌프출력을 효율적으로 사용하기 위한 것이다. 즉, 하나의 펌프광원을 이용하여 모드록킹 광섬유 레이저로부터 솔리톤 광 펄스를 출력하고, 광 증폭기를 동시에 구동시켜서 생성된 솔리톤 광 펄스를 증폭시킨다.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의 숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 하나의 펌프광원을 이용하여 광섬유 레이저와 광 증폭기를 동시에 구동할 수 있으므로 펌프광원을 효율적으로 사용할 수 있으며, 동시에 출력된 낮은 출력의 솔리톤 광 펄스를 증폭시켜서 높은 출력의 솔리톤 광 펄스를 얻어낼 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 펌프광원과 연결된 가변형 방향성결합기와,
    상기 가변형 방향성결합기의 한 출력포트에 연결되어 상기 펌프광원의 펌프출력을 입력받아 솔리톤 광 펄스를 출력하는 모드록킹 광섬유 레이저, 및
    상기 가변형 방향성결합기의 다른 출력포트에 연결되어 상기 펌프광원의 펌프출력을 입력받고, 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 출력되는 솔리톤 광 펄스를 입력받아 상기 솔리톤 광 펄스를 증폭하는 광 증폭기를 포함한 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변형 방향성결합기는, 상기 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기로 제공되는 펌프출력의 분할비율을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가변형 방향성결합기는, 초기에는 상기 펌프광원의 모든 펌프출력을 상기 모드록킹 광섬유 레이저로 연결한 후, 상기 광 증폭기 쪽으로의 분할비율을 점차적으로 늘림으로써,
    초기에는 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 다중 솔리톤 광 펄스가 출력된후, 점차적으로 상기 모드록킹 광섬유 레이저로부터 단일 솔리톤 광 펄스가 출력되어 상기 광 증폭기에서 증폭되도록 하는 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모드록킹 광섬유 레이저는 링구조 광섬유 레이저인 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 모드록킹 광섬유 레이저는 8자형구조 광섬유 레이저인 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 모드록킹 광섬유 레이저는 선형구조 광섬유 레이저인 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모드록킹 광섬유 레이저는 희토륨 첨가 광섬유 레이저인 것을 특징으로 하는 하나의 펌프광원을 사용한 모드록킹 광섬유 레이저와 광 증폭기.
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