KR100317575B1 - 파장 가변 단일 주파수 레이저 - Google Patents
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Abstract
넓은 파장영역에서 파장을 변화시킬 수 있으며 단일 주파수의 좁은 선폭을 가지는 레이저에 관해 개시하고 있다. 양단이 반사체로 이루어지고, 내부에 레이저 이득매질과 광경로를 포함하는 선형 공진기를 가지는 본 발명의 레이저는, 상기 레이저 이득매질을 양방향으로 통과하는 빛의 주파수가 서로 다르도록 만들어 주어 하나의 종모드만이 발진할 수 있도록, 상기 공진기 내부에서 상기 레이저 이득매질의 양측에 위치한 주파수 증가 변환수단 및 주파수 감소 변환수단과; 상기 공진기의 발진 파장을 변화시키기 위해 자신의 중심파장이 변화가능한 파장 가변 제1 광필터수단과; 상기 공진기 내에서 한 개의 종모드가 안정되게 유지되도록, 모드 호핑을 억제하는 비교적 좁은 선폭의 제2 광필터수단을 구비하여 넓은 파장영역에서 파장을 변화시킬 수 있을 뿐 아니라 단일 주파수의 좁은 선폭을 가진다.
Description
본 발명은 레이저에 관한 것으로, 특히 넓은 파장영역에서 파장을 변화시킬 수 있으며 단일 주파수의 좁은 선폭을 가지는 레이저에 관한 것이다.
단일 주파수의 좁은 선폭을 가지는 동시에 발진 파장을 넓은 파장 영역에서 변화시킬 수 있는 레이저는 광원으로서 여러 가지의 응용 가능성을 가진다. 특히, 최근의 광통신 분야에서 1.55㎛ 파장 영역에서의 파장 분할 광통신 시스템 (Wavelength Division Multiplexed Communication System)의 연구, 개발과 함께 이 파장 영역에서 발진 파장을 변화시킬 수 있는 레이저에 관한 관심이 증대하고 있다. 그 중, 파장 가변 반도체 레이저에 관한 연구가 많이 이루어지고 있으나, 아직 상용화에는 어려움이 있는 상황이다. 한편, 파장 가변 광섬유 레이저에 관한 연구는 상대적으로 적게 이루어졌으나, 반도체 레이저에 비하여 광섬유 레이저는 좁은 발진 선폭, 작은 광세기 잡음, 및 큰 출력을 얻을 수 있는 등의 장점을 가지는 것으로 알려져 있다.
광섬유 레이저에서는 일반적으로 여러 개의 종모드가 동시에 발진하거나 발진 종모드가 다른 종모드 위치로 옮겨 다니는 호핑(hopping)에 의해 발진 주파수가 안정하지 않는 현상이 발견된다. 선형 공진기에서 공진기 내부의 한 종모드는 정상파를 이루게 되는데 정상파의 마디(node) 부분은 빛의 세기가 0에 가까워 레이저 이득이 큰 상태로 남아 있는 반면, 정상파의 배(anti-node) 부분은 빛의 세기가 강해서 레이저 이득이 작다. 이렇게 공간적으로 이득의 분포가 다른 데 기인하여 공간 홀 버닝(spatial hole burning) 현상이 발생한다. 따라서, 이 정상파를 이룬 종모드는 정상파의 배 부분에서만 레이저 이득을 소모하므로 이와 다른 주파수의 빛은 공간 상에서 레이저 이득을 공유할 수 있게 되는데, 이 때문에 여러 개의 종모드가 동시에 발진할 수 있게 되며, 이 여러 모드간의 이득 다툼(gain competition)에 의해 발진 주파수가 불안정하게 된다. 광원으로서 좋은 특성을 가지기 위해서는 레이저의 발진 종모드가 한 개로 제한되어야 하며, 그 발진 주파수 또한 안정화되어야 한다.
따라서, 광섬유 레이저에서 단일 종모드의 발진 주파수를 얻기 위해 여러 가지 방법이 제안되었는데, 이에는, 첫째, 원형 공진기에서 한 방향으로만 빛을 진행하게 하여 정상파가 생기지 않게 하는 방법, 둘째, 선형 공진기에 2개의 위상 변조기, 또는 2개의 주파수 변조기를 적용하여 정상파를 없애는 방법 등이 포함된다.
한편, 레이저의 발진 파장을 넓은 파장 영역에서 변화시키는 방법에는, 첫째, 광섬유 레이저에서 PZT(piezo electric transducer) 등을 이용하여 광섬유의 길이를 늘이는 방법, 둘째, 원형 공진기에서 좁은 선폭의 패브리-페로(Fabry-Perot) 광필터를 이용하는 방법 등이 있다.
그러나, 상기한 종래기술에 의하면, 단일 종모드의 발진과 발진 파장의 가변을 동시에 구현하기 어려울 뿐 아니라 발진 파장의 가변영역이 좁다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 단일 종모드의 발진과 발진 파장의 가변을 비교적 간단한 장치구성에 의해 구현할 수 있는 파장 가변 단일 주파수 레이저를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 레이저가 발진 가능한 전 영역에서 발진 파장의 가변이 가능한 파장 가변 단일 주파수 레이저를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 개략적 구성도;
도 2a 및 2b는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저에 사용된 주파수 감소 변환기 및 주파수 증가 변환기를 각각 나타낸 개략도;
도 3a 및 3b는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저에 사용된 주파수 변환기들이 음향광학 가변 광필터로 동작할 경우의 특성을 나타내는 그래프들;
도 4는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 출력 스펙트럼을 나타내는 그래프;
도 5a 및 5b는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 특성을 나타내는 그래프들로서, 도 5a는 RF 주파수 변화에 따른 레이저의 발진 스펙트럼 특성을 나타내는 그래프, 도 5b는 RF 주파수에 따른 발진 파장의 위치를 나타내는 그래프; 및
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 가변 단일 주파수 레이저의 개략적 구성도이다.
상기 기술적 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 파장 가변 단일 주파수 레이저는: 양단이 반사체로 이루어지고, 내부에 레이저 이득매질과 광경로를 포함하는 선형 공진기를 가지는 레이저로서, 상기 레이저 이득매질을 양방향으로 통과하는 빛의 주파수가 서로 다르도록 만들어 주어 하나의 종모드만이 발진할 수 있도록, 상기 공진기 내부에서 상기 레이저 이득매질의 양측에 위치한 주파수 증가 변환수단 및 주파수 감소 변환수단과; 상기 공진기의 발진 파장을 변화시키기 위해 자신의 중심파장이 변화가능한 파장 가변 제1 광필터수단과; 상기 공진기 내에서 한 개의 종모드가 안정되게 유지되도록, 모드 호핑을 억제하는 비교적 좁은 선폭의 제2 광필터수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 주파수 증가 변환수단 및 주파수 감소 변환수단 중의 적어도 어느 하나는 상기 파장 가변 제1 광필터수단과 겸용할 수 있다.
상기 레이저 이득매질은, 희토류 첨가 광섬유, 염료 셀, 반도체 다이오드 증폭기, Nd-YAG 막대, Nd:유리 막대, 및 Nd 막대로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직한데, 상기 레이저 이득매질이 희토류 첨가 광섬유일 경우, 상기 희토류 원소는 어븀, 니오디뮴, 및 이터븀으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 광경로는 광섬유, 진공, 대기, 무기재료 도파로, 및 유기 재료 도파로로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 주파수 증가 변환수단 또는 상기 주파수 감소 변환수단은 음향광학 주파수 변환기, 전자광학 주파수 변환기, 및 집적광학 주파수 변환기로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
상기 파장 가변 제1 광필터수단은 패브리-페로 광필터, 음향광학 광필터, 전자광학 광필터, 및 집적광학 광필터로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비교적 좁은 선폭의 제2 광필터수단은 포화 흡수체에 의한 흡수 광필터, 패브리-페로 광필터, 음향광학 광필터, 전자광학 광필터, 및 집적광학 광필터로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 개략적 구성도이다. 도 1을 참조하면, 레이저 공진기가 그 양단에 반사경들(105, 106)을 가지는 선형 공진기임을 알 수 있다. 반사경들(105, 106)은 광섬유의 끝에 반사코팅한 것들이 사용된다. 레이저 이득매질(101)로는 어븀 첨가 광섬유가 이용되며, 이것은 980㎚ 파장의 레이저 다이오드(107)에 의해 펌핑된다. 주파수 감소 변환기(102) 및 주파수 증가 변환기(103)는 모두 음향광학 가변 광필터로 이루어져, 통과광의 주파수를 -F, +F만큼씩 각각 변환시키는 주파수 변환기의 역할 뿐만 아니라 공진기의 발진 파장을 변화시키기 위한 파장 가변 광필터 역할도 수행한다. 레이저 공진기를 이루는 광경로(109)는 일반 단일모드 광섬유를 이용하였다. 도 1에서, 광섬유 결합기(108)는 공진기 밖으로 나오는 레이저의 출력을 관찰하기 위한 것이다.
이와 같이 구성된 레이저 공진기 내에서, 주파수 감소 변환기(102)를 지나는 광은 -F만큼 그 주파수가 감소되어 중간영역(110)을 지난 후, 주파수 증가 변환기(103)에서 다시 +F만큼 그 주파수가 변환된다. 이 광은 반사경(106)에 의해 반사되어 다시 주파수 증가 변환기(103)를 지나면서 +F만큼 그 주파수가 변환되며, 다시 중간영역(110)을 지난 후 다시 주파수 감소 변환기(102)에서 -F만큼 그 주파수가 변환되는 과정을 겪는다. 즉, 중간영역(110)에서 서로 반대방향으로 진행하는 광들은 서로 2F만큼의 주파수 차이를 가지므로, 이득매질(101)에서는 정상파가 생길 수 없게 된다. 결과적으로, 단일 종모드의 발진만으로도 충분히 레이저 이득을 모두 사용할 수 있게 되어 공간 홀 버닝 (spatial hole burning). 이와 같은 방법으로 단일 종모드를 얻을 수 있으나, 이러한 레이저 종모드는 레이저 외부에서의 작은 섭동에 의해 쉽게 다른 종모드의 위치로 옮겨 다닐 수 있다. 이 종모드를 안정시키기 위해 좁은 선폭의 광필터(104)가 공진기의 한쪽 끝에 마련된다. 좁은 선폭의 광필터(104)로서 펌핑되지 않는 어븀 첨가 광섬유를 사용하는데. 이는 레이저내에서 포화 흡수체로 동작한다. 이 포화 홉수체에서 레이저 모드의 정상파에 의해 형성되는 흡수 광필터는 레이저 발진 모드를 안정화시킬 수 있도록 선폭이 좁은 광필터로 동작한다. 본 발명의 실시예에서 주파수 감소 및 증가 변환기(102, 103)는 주파수를 변환시키는 동시에 파장가변 광필터로도 동작하며, 필터의 중심파장을 변화시킴에 따라 레이저의 발진 파장을 변화시킬 수 있다.
도 2a 및 2b는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저에 사용된 주파수 감소 변환기(200) 및 주파수 증가 변환기(250)를 각각 나타낸 개략도이다. 이들은 이중모드 광섬유 음향광학 주파수 변환기이며, 동시에 파장가변 광필터로서 동작한다.
도 2a 및 2b를 참조하여 이들의 동작을 설명한다. RF(Radio Frequency) 주파수 인가기(208)에 의해 음향혼(acoustic horn; 205)에 RF 주파수 신호가 가해지면, 이중모드 광섬유(210)에 주기적인 굴곡이 형성된다. 이러한 굴곡은 이중모드 내의 두 모드인 LP01 모드와 LP11 모드 사이에 결합을 주게 되며, 이 때 동시에 F만큼의 주파수 변환이 일어난다. 또한, 모드분할 방향성 결합기(220, 270)는 이중모드 광섬유(210, 290)의 LP11 모드와 단일모드 광섬유(230, 280)의 LP01 모드 사이에 모드 결합을 주게 된다. 따라서, 입력측의 LP01 모드가 이중모드 광섬유를 지나면서 LP11 모드로 바뀌었다가 출력측에서 다시 LP01 모드로 변환된다. 이 때 출력되는 광의 주파수는 도 2a의 주파수 감소 변환기(200)에서는 F만큼 작아지고, 도 2b의 주파수 증가 변환기(250)에서는 F만큼 커지는데, 이러한 모드변환은 정해진 파장에서 발생하며 주파수 F를 변화시킴에 따라 모드변환이 일어나는 파장을 변화시킬 수있다.
도 3a 및 3b는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저에 사용된 주파수 변환기들이 음향광학 가변 광필터로 동작할 경우의 특성을 나타내는 그래프들로서, 도 3a는 인가 RF 주파수에 따른 광필터의 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프이며, 도 3b는 RF 주파수와 광필터 투과 스펙트럼의 중심파장과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3a에서, 2.97㎒, 3.00㎒, 3.03㎒, 3.06㎒, 3.09㎒ 및 3.12㎒의 RF 주파수 신호를 광필터에 인가했을 때, 광필터의 투과특성이 1, 2, 3, 4, 5 및 6의 투과 스펙트럼으로 각각 나타나는 것이다. 광필터의 선폭은 약 6.5㎚ 정도였다. 도 3b를 참조하면, 광필터의 중심파장이 인가되는 RF 주파수 F의 값에 따라 선형적으로 변함을 알 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 동작을 설명한다.
광섬유 음향광학 가변 광필터로도 동작하는 주파수 감소 변환기(102) 및 주파수 증가 변환기(103)에 주파수 F의 RF 신호를 인가하고, 레이저 다이오드(107)를 이용하여 어븀 첨가 광섬유인 레이저 이득매질(101)을 광펌핑하면, 레이저가 발진하게 된다. 이 때 광섬유 결합기(108)를 통해 공진기 밖으로 나오는 레이저의 출력특성을 관찰할 수 있다.
도 4는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 출력 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 이 스펙트럼은 FSR(Free Spectral Range)이 대략 6㎓인 주사형패브리-페로(scanning Fabry-Perot) 광필터를 이용하여 측정한 것이다. 도 4를 참조하면, 레이저에서 단 한 개의 종모드만이 발진함을 알 수 있으며, 이 레이저 모드의 선폭은 주사형 패브리-페로 광필터의 해상도인 1㎒ 이하임을 확인할 수 있다.
도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저에서 주파수 감소 변환기(200) 및 주파수 증가 변환기(250)에 인가하는 RF 신호의 주파수 F를 변화시킴에 따라서 음향광학 가변 광필터의 중심파장을 변화시킬 수 있으며, 레이저의 발진파장도 변화시킬 수 있다.
도 5a 및 5b는 도 1의 파장 가변 단일 주파수 광섬유 레이저의 특성을 나타내는 그래프들로서, 도 5a는 RF 주파수 변화에 따른 레이저의 발진 스펙트럼 특성을 나타내는 그래프, 도 5b는 RF 주파수에 따른 발진 파장의 위치를 나타내는 그래프이다.
도 5a를 참조하면, 어븀이 가지는 이득의 전체 파장영역에서 발진이 가능하며, 가변 발진영역이 약 40㎚에 달하는 것을 알 수 있다. 도 5b를 참조하면, RF 주파수에 따른 발진 파장의 위치는 대략 선형적인 관계에 있음을 알 수 있다. 따라서, 레이저는 발진파장에 관계없이 항상 한 개의 종모드만이 발진함을 확인할 수 있었으며, 이와 같은 방법으로 선형 공진기에서 단일 주파수의 파장 가변 레이저를 구현할 수 있었다.
상기와 같은 파장 가변 단일 주파수 레이저는 광섬유 레이저에서 구현한 것이지만, 광섬유 레이저 이외의 다른 형태의 레이저에서도 마찬가지로 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 가변 단일 주파수 레이저의 개략적 구성도이다. 도 6을 참조하면, 외부로부터의 에너지(607)가 레이저 이득매질(601)을 펌핑한다. 공진기는 반사형 거울들(605, 606)에 의해 선형으로 형성된다. 레이저가 발진하게 되면, 한 쪽 거울을 통해 공진기 밖으로 나오는 레이저 출력(610)을 얻을 수 있다. 레이저 이득매질(601)은 주파수 증가 변환기(602)와 주파수 감소 변환기(603) 사이에 위치함으로써 레이저 이득매질(601)에서 정상파가 형성되지 않도록 하여 한 개의 종모드가 발진하도록 해준다. 본 실시예에서는 별도의 파장 가변 광필터(609)를 설치하고 그 중심파장을 변화시켜 줌으로써 레이저의 발진파장을 변화할 수 있도록 하였다. 한편, 좁은 선폭의 광필터(604)는, 도 1의 실시예와 마찬가지로, 종모드를 선택하고 다른 종모드로의 모드 호핑을 막아 안정한 레이저 스펙트럼을 얻도록 하는 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 선형 공진기의 형태를 가지며, 한 개의 종모드를 가지고 넓은 파장영역에서 발진파장을 변화시킬 수 있는 파장 가변 단일 주파수 레이저를 구현할 수 있다.
Claims (9)
- 양단이 반사체로 이루어지고, 내부에 레이저 이득매질과 광경로를 포함하는 선형 공진기를 가지는 레이저에 있어서,상기 레이저 이득매질을 양방향으로 통과하는 빛의 주파수가 서로 다르도록 만들어 주어 하나의 종모드만이 발진할 수 있도록, 상기 공진기 내부에서 상기 레이저 이득매질의 양측에 위치한 주파수 증가 변환수단 및 주파수 감소 변환수단과;상기 공진기의 발진 파장을 변화시키기 위해 자신의 중심파장이 변화가능한 파장 가변 제1 광필터수단과;상기 공진기 내에서 한 개의 종모드가 안정되게 유지되도록, 모드 호핑을 억제하는 비교적 좁은 선폭의 제2 광필터수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 주파수 증가 변환수단 및 주파수 감소 변환수단 중의 적어도 어느 하나를 상기 파장 가변 제1 광필터수단과 겸용하는 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 레이저 이득매질이, 희토류 첨가 광섬유, 염료 셀, 반도체 다이오드 증폭기, Nd-YAG 막대, Nd:유리 막대, 및 Nd 막대로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제3항에 있어서, 상기 레이저 이득매질이 희토류 첨가 광섬유일 경우, 상기 희토류 원소가 어븀, 니오디뮴, 및 이터븀으로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 광경로가 광섬유, 진공, 대기, 무기재료 도파로, 및 유기 재료 도파로로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 주파수 증가 변환수단이 음향광학 주파수 변환기, 전자광학 주파수 변환기, 및 집적광학 주파수 변환기로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 주파수 감소 변환수단이 음향광학 주파수 변환기, 전자광학 주파수 변환기, 및 집적광학 주파수 변환기로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 파장 가변 제1 광필터수단이 패브리-페로 광필터, 음향광학 광필터, 전자광학 광필터, 및 집적광학 광필터로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
- 제1항에 있어서, 상기 비교적 좁은 선폭의 제2 광필터수단이 포화 흡수체에 의한 흡수 광필터, 패브리-페로 광필터, 음향광학 광필터, 전자광학 광필터, 및 집적광학 광필터로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 파장 가변 단일 주파수 레이저.
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