KR100318520B1 - 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 이용한 광 차단기 및 이를 적용한 광 증폭계 - Google Patents

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Abstract

완벽한 광 차단률을 가지는 광 차단기와 이를 이용한 광 증폭계에 대해 개시하고 있다. 이를 위해 비선형 반사율을 가지는 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 사용하였고, 이를 십자형의 광학계에 대칭으로 양쪽에 설치함으로써 광학계의 정렬에 둔감하도록 장치를 구성하였다. 이러한 광 증폭계를 레이저 증폭계에 적용할 경우 같은 반복률을 가지면서도 원하는 대로 출력 에너지를 증가시킬 수 있다.

Description

유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 이용한 광 차단기 및 이를 적용한 광 증폭계{OPTICAL ISOLATOR USING STIMULATED BRILLOUIN SCATTERING PHASE CONJUGATION MIRROR AND ITS APPLICATION TO OPTICAL AMPLIFIER SYSTEMS}
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 특히 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 이용한 광 차단기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 광 차단기를 이용하여 구성한 광 증폭계에 관한 것이기도 하다.
레이저와 더불어 어떤 장치를 사용하는 경우에 그 장치로부터 되반사된 광선이 레이저로 돌아가면 레이저가 교란되는 문제가 발생할 수 있다. 특히 펄스형 레이저의 경우 되반사된 광선이 엉뚱하게 증폭되어 레이저의 광학부품을 손상시키기도 한다. 따라서, 이를 방지하기 위해 광 차단기(Optical isolator)가 사용된다.
종래의 광 차단기에는, 1/4 파장판(Quarter Wave plate; 이하 'QW')이나 패러데이 편광 회전자(Faraday Rotator; 이하 'FR')를 이용한 수동형(passive) 광 차단기와, 포켈스 셀(Pockels Cell; 이하 'PC')을 이용한 능동형(active) 광 차단기가 있다. 그런데 이러한 종래의 광 차단기들은 편광자가 수직인 다른 편광성분을 차단하는 차단률(rejection ratio)이 완전하지 못하기 때문에 차단효과 역시 완전하지 않다. 예를 들면, 비선형 결정형 편광자(nonlinear crystal polarizer)의 차단률의 보통 1000이고, 다층 박막형 편광자(multi-layered polarizer)의 차단률이 보통 100 정도이다. 즉, 종래의 광 차단기들의 차단률이 100 내지 1000 정도인데, 이 정도의 차단률이라면 되반사된 광선이 레이저 내에서 다시 증폭되거나 다음 단계에 있는 증폭기와 결합할 경우에 심각한 레이저 손상이 발생할 수 있다.
도면을 참조하여 이와 같은 종래의 광 차단기의 작동원리를 설명하고 그 문제점에 대해 알아보기로 한다.
도 1a는 종래기술에 따른 수동형 광 차단기의 구성도이다. 이 수동형 광 차단기(100)는 편광 광 분할기(110; polarizing beam splitter, 이하 'PBS')와 편광 변환수단(120)으로 구성된다. PBS(110)는, 수평편광은 투과시키고 수직편광은 반사시키는, 편광 분리기의 역할을 한다. 한편, 편광 변환수단(120)으로 1/4 파장만큼 위상을 지연시키는 QW, 또는 편광면을 45도 회전시키는 FR이 사용된다. 즉, 광이 QW를 한 번 통과할 때 직선편광이 원편광으로, 또는 원편광이 직선편광으로 바뀌게 된다. 따라서, 광선이 QW를 왕복할 때에는 이전의 편광에 직교하는 편광으로 바뀌게 된다. 한편, 편광면을 45도 회전시키는 FR에 광선이 왕복할 때에도, 이전의 편광에 직교하는 편광으로 바뀌는 동일한 결과가 발생한다. 이 수동형 광 차단기(100)의 작동을 알아보기 위해, 도 1a에 도시된 바와 같이, 수평으로 편광된 펄스 입력광선(105)이 PBS(110)를 통과한다고 가정하자. PBS(110)를 통과한 광선이 편광 변환수단(120)을 거치면 원편광, 또는 편광면이 45도 회전한 선편광된 광선이 된다. 그 후, 이 광선이 되반사되어 다시 편광 변환수단(120)을 거치면 수평편광에 직교하는 수직편광으로 바뀌었으므로 PBS(110)에서 반사광선(130)이 되어 나가게 된다. 따라서, 광 차단 효과를 기대하게 된다.
도 1b는 종래기술에 따른 능동형 광 차단기의 구성도이다. 이 능동형 광 차단기(150)는 2개의 PBS(160, 165)와 1개의 PC(170)로 구성된다. 제1 PBS(160)는 수평편광을, 제2 PBS(165)는 수직편광을 각각 통과시킨다. PC(170)에 주어진 시간동안만 고전압을 가하면, 그 시간동안만 편광의 방향을 직각(perpendicular)으로 회전시키는 역할을 수행할 수 있다. 이 능동형 광 차단기(150)의 작동을 알아보기 위해, 도 1b에 도시된 바와 같이, 수평으로 편광된 펄스 입력광선(145)이 제1 PBS(160)를 통과한다고 가정하자. 제1 PBS(160)를 통과한 수평편광 광선이 PC(170)에 입사할 때, 입사광선의 펄스폭(pulse-width)과 같은 시간동안만 PC(170)에 고전압을 가한다면 이 수평편광 광선은 PC(170)를 통과하면서 수직편광으로 바뀌어 다음에 있는 제2 PBS(165)를 그대로 통과하게 된다. 그 후, 이 수직편광 광선이 어디에서인가 반사되어 되돌아 온다면, 그 때에는 PC(170)에 더 이상의 고전압이 걸려 있지 않으므로 수직편광된 광선은 제1 PBS(160)를 통과하지 못하고 반사하게 된다. 따라서, 이 경우에도 광 차단 효과를 기대할 수 있다.
그러나, 광 차단기를 구성하는 요소인 PBS, PC 또는 QW나 FR 등에 보통 결함이 있기 마련이다. 예를 들면, PBS는 수직편광과 수평편광의 분리율이 수십 내지 수백 정도밖에 되지 않고, PC나 QW, FR도 편광회전이 완전하지 못하므로 총체적으로 그 차단률이 완벽하지 않다. 이와 같이 완벽하지 못한 광 차단기를 통해서 되반사된 광선이 입사측으로 새어 들어갈 경우에는 이웃한 증폭계 간의 증폭결합이 발생하여 광학계의 손상 또는 레이저 발진기의 출력모드의 불안정한 발진 등의 심각한 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 자켈(Jackel) 등이 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울(Stimulated Brillouin Scattering Phase Conjugation Mirror; 이하 'SBS-PCM')을 이용한 광 차단기에 대해 고안한 바 있다. 그런데, 이 구조에서도 SBS-PCM의 반사율이 100%가 되지 못하기 때문에 증폭기에서 레이저 발진기로 되돌아 가는 광선을 완전히 차단하지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 특별히 고출력 레이저 증폭계를 만들기 위해서는 완벽한 차단율을 가진 광 차단기가 요망된다.
본 발명자는 미국특허 제 5,832,020호에서 고 반복률 및 고 출력을 가지는 고체 레이저에 대해 개시한 바 있다. 고체 레이저에서의 반복률은 냉각속도에 의존하게 되는데, 종래의 기술에서는 원하는 레이저 출력이 커지면 증폭계에서 사용하는 레이저 로드(rod)의 직경이 커져야 하며, 이에 따라 반복률이 줄어드는 단점이 있었다. 미국특허 제 5,832,020호에서 제시한 방법은 이 문제를 해결하였으나, 이러한 레이저의 구조에 의해서도 사용되는 파장판이나 PBS 등이 완벽하지 못할 경우 뒤로 되돌아 오는 광선을 완전히 차단하지 못하므로, 증폭된 광선에 의해 광학계가 손상받을 염려가 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 완벽한 광 차단효과를 나타냄으로써 광학계의 손상을 방지할 수 있는 광 차단기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 레이저 등의 광학계에 손상을 주지 않으면서 그 출력을 증가시킬 수 있는 광 증폭계를 제공하는 데 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 수동형 광 차단기의 구성도;
도 1b는 종래기술에 따른 능동형 광 차단기의 구성도;
도 2는 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울의 반사율을 나타낸 그래프;
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 광 차단기의 구성도들;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭계의 구성도;
도 5는 본 발명의 광 증폭계를 로드형 레이저에 적용한 일 예의 구성도;
도 6은 본 발명의 광 증폭계를 슬랩형 레이저에 적용한 다른 예의 구성도;
도 7a 내지 7c는 광 시스템의 정렬 민감도를 설명하기 위한 도면들이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광 차단기에서는, 편광 광 분할기와 편광 변환수단을 사용하는 점이 종래기술과 동일하지만 편광 변환수단을 통과한 광선을 반사시키기 위해 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 사용한다는 점이 특징적이다. 이 때, 편광 변환수단으로, 1/4 파장만큼 광의 위상을 지연시키는 1/4 파장판이나, 편광면을 45도 회전시키는 패러데이 편광 회전자를 사용할 수 있다.
상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광 증폭계는 적어도 2개 이상의 광 증폭단으로 구성하되, 상기한 본 발명의 광 차단기를 광 증폭단마다 포함하는 것을 특징으로 한다. 즉, 각각의 광 증폭단에는, 광 차단기와, 광 차단기에 포함된 편광 광 분할기를 투과한 광선에, 광 차단기를 거친 광선을 증폭하여 반사시키되 그 편광을 변환함으로써 편광 광 분할기의 반사에 의해 합류시키는 광 증폭기가 마련된다. 그리고, 증폭단들 중 앞의 증폭단에서 나오는 광선이 뒤의 증폭단에 포함된 편광 광 분할기에 입사하도록 이들을 체인형으로 배치한다. 광 차단기를 거친 광선을 반사시키기 위해 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울이, 그 광선의 편광을 변환하기 위해 1/4 파장판이나 편광면을 45도 회전시키는 패러데이 편광 회전자가 각각 사용될 수 있다.
한편, 상기 광 증폭단들 중의 최초의 것에 포함된 편광 광 분할기에 레이저 발진기에서 나오는 광선을 입사시켜 레이저 증폭계를 구성하면 고출력 광을 얻을 수 있다. 이러한 레이저 증폭계에서는 광 증폭단들의 인접한 것들 사이에 광선의 사이즈를 늘리기 위한 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
이 때, 레이저가 로드형(rod-type)인가 또는 슬랩형(slab-type)인가에 따라 증폭계도 이에 맞게 구성할 수 있다. 경우에 따라서는, 광 차단기와 광 증폭기를 어레이 형으로 형성하고 이 어레이의 각각에 광선을 보내기 위해 광경로에 웨지형(wedge-type) 광 분할기를 더 마련할 수도 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
우선 본 발명의 광 차단기 및 광 증폭계에서 사용되는 SBS-PCM에 펄스형 레이저의 광선이 입사할 경우, 입사 에너지에 따른 반사율은 도 2의 그래프와 같이 비선형적으로 나타난다. 도 2에서, SBS-PCM의 비선형 반사율이 0에서 갑자기 증가하기 시작하는 임계치를 Ith로, 반사율이 90%가 되는 입사광의 에너지를 I0.9로 각각 정의한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 실시예에 따른 광 차단기의 구성도들이다.
도 3a를 참조하면, 광 차단기(300)가 PBS(310), QW(320) 및 SBS-PCM(340)으로 구성되어 있다. 도 2의 Ith보다 큰 에너지를 가지며 편광 광 분할기(310)에서 반사하는 편광, 예컨대 수직편광을 가지는 광선(305)이 레이저 발진기(미도시)에서 나와 PBS(310)에 입사되면, PBS(310)에서 반사하여 QW(320)를 통과한 후 SBS-PCM(340)으로 입사하게 된다. 이 때, SBS-PCM(340)에 입사하는 광의 에너지가 Ith보다 클 경우에 SBS-PCM(340)의 반사율이 0이 아니기 때문에 반사를 하게 된다. 특히 I0.9보다 큰 에너지를 갖는 광선을 입사시키는 경우에는 SBS-PCM(340)의 반사율이 90% 이상이 되어 재래식 거울과 같은 정도의 반사율을 가지게 된다. 일반적으로SBS-PCM에 의한 반사광은 위상공액 파로서 입사광과 위상공액(phase conjugation)이라는 관계를 가진다. 이는 광선의 위상이 광학계에 의해 왜곡된 경우에 다시 보상이 되는 것을 의미한다. 또한, 위상공액 파는 입사한 경로를 그대로 따라서 되돌아가는 특성도 가지고 있다.
이 뿐만 아니라, SBS-PCM의 반사율이 도 2에 도시한 바와 같은 비선형성을 가지기 때문에 공간주파수 여과(spatial filtering)의 효과도 가진다. 즉, 광선의 세기가 약한 공간주파수 성분은 SBS-PCM에 의한 반사율이 작고, 광선의 세기가 큰 공간주파수 성분은 SBS-PCM에 의한 반사율이 크기 때문에 광선의 세기가 큰 공간주파수 성분만이 크게 증폭되는 성질에 따라 공간주파수 여과 기능을 가진다. 따라서, SBS-PCM에 의해 반사된 광선의 질(beam quality)은 재래식 거울에 의한 것보다 훨씬 우수하다.
상기와 같은 성질을 가진 SBS-PCM(340)에서 반사된 광선이 다시 QW(320)을 통과하면 입사한 광선과 직교하는 편광, 즉 수평편광을 가진 광선으로 바뀌어 PBS(310)를 투과하게 된다. 한편, PBS(310)를 투과한 출력광이 다음에 있는 광학계에서 반사하여 되돌아 올 때 이 광선(Iback)의 대부분은 PBS(310)에서 반사하고 이 PBS(310)를 투과하는 광선(Ileak)이 다시 SBS-PCM(340)에 입사하게 되는데, 이 광선은 매우 미약하여 SBS-PCM의 반사 임계치인 Ith보다 작게 된다. 따라서, 레이저 발진기로 되돌아 가는 광선은 완전히 없어진다.
도 3b와 같이 PBS(360)를 투과하는 광이 수평편광을 가진 광선(345)인 경우에도 마찬가지로 QW(370)와 SBS-PCM(390)을 거쳐서 되돌아 온 광선이 PBS(360)에서 반사하게 되어 도 3a와 같은 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광 증폭계의 구성도로서, 일반적인 다단계 증폭계에 SBS-PCM 광 차단기를 적용한 구성을 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 광 증폭계는 여러 개의 광 증폭단들(400, 450, …)로 이루어져 있다. 제1 광 증폭단(400)을 주로 하여 광 증폭계의 동작을 설명하기로 한다. 수직편광된 레이저 펄스 광선(395)이 제1 광 차단기(410)에 포함된 PBS1(412)에 입사하면 PBS1(412)에서 반사하여 QW1(414)을 통과하면 원 편광으로 바뀐다. 이 원 편광 광선이 SBS-PCM1(416)에서 반사하여 다시 QW1(414)을 통과하면 수평편광으로 바뀌어 PBS1(412)을 통과할 수 있게 된다. 이 광선이 제1 SBS 광 증폭기(420)에 포함된 다중통과 증폭수단1(422)을 통과하여 증폭된 후에 QW2(424)를 통과하고 SBS-PCM2(426)에서 반사하여 다시 QW2(424)를 통과하면 수직편광으로 바뀐다. QW2(424)는 편광면을 45도 회전시키는 패러데이 편광 회전자로 대치할 수도 있다. 그 다음 다중통과 증폭수단1(422)을 통과하면서 다시 증폭된 후에 PBS1(412)에서 반사되어 제2 광 증폭단(450)의 제2 광 차단기(460)에 포함된 PBS2(462)로 입사된다. 제2 광 증폭단(450)도 제1 광 증폭단(400)과 마찬가지의 구성요소를 가지는데, 제2 광 차단기(460)와 제2 SBS 광 증폭기(470)로 이루어져 있다. 전체적으로 광 증폭단들(400, 450, …)의 각각은 같은 구조로 되어 있으며, 앞의 증폭단에서 나온 광선이 뒤의 증폭단의 PBS에 입사되도록 체인형으로 배치된다. 이와 같은 방법으로 광 증폭계를 구성하면, 레이저 광선이 더욱 증폭되는 반면에 되반사된 광선이 레이저에 손상을 주는 문제점을 해결할 수 있다.
도 5는 본 발명의 광 증폭계를 로드형 레이저에 적용한 일 예의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 레이저 발진기(500)에서 나오는 광선(505)이 제1 증폭단(510)을 거칠 때, 제1 SBS 광 증폭기(530)에 의해 증폭되며 되돌아 오는 광선은 제1 광 차단기(520)에 의해 차단된다. 각각의 광 증폭단에서 도 4의 광 증폭계와 다른 점은 SBS-PCM 앞에 광선의 초점을 조절하기 위한 렌즈가 마련되어 있다는 점이다. 또한, 제2 증폭단(540)에서 제2 SBS 광 증폭기(560)가 2×2 어레이형으로 되어 있으며, 이 어레이의 각각으로 광을 보내주기 위해 웨지형 광 분할기(562)가 사용되었다는 점도 다르다. 제3 증폭단(570)에서 제3 SBS 광 증폭기(590)는 4×4 어레이형으로, 제3 광 차단기(580)는 2×2 어레이형으로 각각 구성된다. 여기서도, 각 어레이에 광을 보내주기 위해 웨지형 광 분할기들(582, 592)이 사용된다. 한편, 증폭단들(510, 540, 570, …)의 사이에는 광선의 사이즈를 조절하기 위한 광선 확대기들(beam expander; 535, 565, …)이 마련되어 있다. 이와 같이 레이저 증폭계를 구성하면, 증폭단을 원하는 대로 계속 이어 붙임으로써 광학계의 손상 없이도 출력 에너지를 얼마든지 늘릴 수 있을 뿐 아니라 반복률은 계속 같은 상태로 유지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 광 증폭계를 슬랩형 레이저에 적용한 다른 예의 구성도이다. 도 5에 경우와 비교할 때, 차이점은 슬랩형 레이저에 맞도록 제2 SBS 광 증폭기(660)가 2×1 어레이형으로, 제3 SBS 광 증폭기(690)가 4×1 어레이형으로, 제3 광 차단기(680)가 2×1 어레이형으로 각각 구성된다는 것이다.
다음에 본 발명의 광학계가 정렬에 둔감하다는 장점을 갖는 것을 나타내기 위해, 여러 가지 광 시스템의 정렬 민감도를 도 7a 내지 7c에 도시하였다. 도 7a 내지 7c에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 7a는 2개의 SBS-PCM을 대칭적으로 사용한 본 발명의 광 증폭계에서의 정렬 민감도를 나타낸 도면이다. 이와 같은 구성에서는 레이저 발진기(700)에서 나오는 광선이 Δθ만큼 정렬에서 벗어난 PBS(710)에 입사하더라도 양쪽에 위치한 SBS-PCM(720)을 거쳐서 나오는 출력 광선의 위치와 방향이 입사광의 방향과 항상 일치한다.
도 7b는 한 쪽에만 SBS-PCM을 사용한 광학계에서의 정렬 민감도를 나타낸 도면이다. 여기서는, PBS(710)가 Δθ만큼 정렬에서 벗어날 경우 출력 광선은 각도 Δψ(=2Δθ)만큼 정렬에서 벗어나게 된다.
도 7c는 양쪽에 보통의 거울(722)을 사용한 광학계에서의 정렬 민감도를 나타낸 도면이다. 이 경우, 출력 광선은 정렬 위치에서 δ만큼 벗어나게 된다.
따라서, 본 발명의 광 차단기를 이용하면, 되반사된 광선에 의한 광학계의 손상을 완벽하게 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 광 증폭계에 의하면 같은 반복률을 유지하면서도 출력 에너지를 원하는 대로 증가시킬 수 있다. 그리고, 광학계가 정렬의 흐트러짐에 둔감하기 때문에 사용이 용이하다.

Claims (8)

  1. 입사광선의 편광에 의존하여 이를 반사 또는 투과시키는 편광 광 분할기와;
    상기 편광 광 분할기에서 반사 또는 투과된 광선이 자신의 내부를 왕복 통과할 때, 통과 전 편광상태와 통과 후 편광상태가 서로 직교하도록 만들어주는 편광 변환수단과;
    상기 편광 변환수단을 통과한 광선을 반사시키기 위한 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 구비한 광 차단기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 편광 변환수단이:
    1/4 파장만큼 광의 위상을 지연시키는 1/4 파장판, 또는 편광면을 45도 회전시키는 패러데이 편광 회전자인 것을 특징으로 하는 광 차단기.
  3. 입사광선의 편광에 따라 일부를 반사시키고 그 나머지를 투과시키는 편광 광 분할기와;
    상기 편광 광 분할기에서 반사된 광선이 자신의 내부를 왕복 통과할 때, 통과 전 편광상태와 통과 후 편광상태가 서로 직교하도록 만들어주는 제1 편광 변환수단과, 상기 제1 편광 변환수단을 통과한 광선을 반사시키기 위한 제1 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 포함하는 유도 브릴루앙 산란 광 차단기와;
    상기 제1 편광 변환수단에 의해 상기 편광 광 분할기를 투과한 광선이 자신을 왕복 통과할 때 증폭시키는 증폭수단과, 상기 증폭된 광이 자신의 내부를 왕복 통과할 때, 통과 전 편광상태와 통과 후 편광상태가 서로 직교하도록 만들어주는 제2 편광 변환수단과, 상기 제2 편광 변환수단을 통과한 광선을 반사시키기 위한 제2 유도 브릴루앙 산란 위상공액 거울을 포함하는 유도 브릴루앙 산란 광 증폭기를 각각이 가지는 적어도 2개 이상의 광 증폭단들을 구비하되,
    상기 증폭단들 중 앞의 증폭단에서 나오는 광선이 뒤의 증폭단에 포함된 편광 광 분할기에 입사하도록 상기 증폭단들이 체인형으로 배치된 것을 특징으로 하는 광 증폭계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광 변환수단이:
    1/4 파장만큼 광의 위상을 지연시키는 1/4 파장판, 또는 편광면을 45도 회전시키는 패러데이 편광 회전자인 것을 특징으로 하는 광 증폭계.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 광 증폭단들 중의 최초의 것에 포함된 편광 광 분할기에 레이저 발진기에서 나오는 광선이 입사되는 것을 특징으로 하는 광 증폭계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광 증폭단들의 인접한 것들 사이에 광선의 사이즈를 늘리기 위한 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 광 증폭계.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유도 브릴루앙 산란 광 증폭기가 로드형 또는 슬랩형인 것을 특징으로 하는 광 증폭계.
  8. 제5항에 있어서, 상기 유도 브릴루앙 산란 광 차단기와 유도 브릴루앙 산란 광 증폭기의 적어도 하나가 어레이 형으로 형성되며, 상기 어레이의 각각에 광선을 보내기 위해 광경로에 웨지형 광 분할기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광 증폭계.
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