KR100319748B1 - 출력 등화된 광대역 다채널 광섬유 레이저 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력 등화된 광대역 다채널 광섬유 레이저에 관한 것이다.
본 발명은 발진하는 레이저의 파장 영역을 확장하여 채널 수를 증가시킴과 동시에 채널별 레이저 출력을 균등하게 만들어 보다 넓은 파장 대역의 유용한 다채널을 제공하는 광섬유 레이저를 제공하고자 한다.
본 발명은 여러파장의 빛이 적어도 하나 이상의 이득 매질을 공유하는 형태의 다채널 광섬유 레이저에 있어서, 이득을 제공하는 이득제공수단; 및 공진 방향 결정과, 공진기 손실 조절 및 편광 조절을 통해 공진된 레이저를 출력하는 공진수단을 구비하되, 상기 공진수단내에 설치되어, 발진하는 레이저의 파장 영역을 확장하여 발진 채널의 개수를 증가시키고, 그 출력을 채널별로 균등화하는 이득평탄화수단을 포함한다.
본 발명은 파장분할다중 광통신 시스템의 전송용 및 성능 평가용 광원으로 이용된다.

Description

출력 등화된 광대역 다채널 광섬유 레이저{WIDEBAND MULTICHANNEL FIBER LASERS WITH OUTPUT POWER EQUALIZATION}
본 발명은 파장 분할 다중(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 광통신 시스템에 이용되는 광대역 다채널 광섬유 레이저에 관한 것으로, 특히 발진하는 레이저의 파장 영역을 확장하여 채널 수를 증가시킴과 동시에 채널별 레이저 출력을 균등하게 만들어 보다 넓은 파장 대역의 유용한 다채널을 제공하는 광섬유 레이저에 관한 것이다.
다채널 광섬유 레이저는 하나의 광섬유 레이저 장치에서 일정한 파장 간격을 갖는 여러 파장의 레이저 빛을 동시에 출력하는 장치이다. 이는 주로 WDM 광통신 시스템의 전송용 광원과 각종 WDM 소자 및 장치의 성능 테스트용 광원으로 사용된다. 광섬유 레이저의 이득 매질로는 여러 가지가 있을 수 있으나, 가장 대표적으로는 광통신 시스템에서 광 증폭용으로 사용하고 있는 에르븀첨가광섬유(EDF: Erbium-Doped Fiber)가 있다. 레이저는 기본적으로 이득 매질과 펌핑 광원, 그리고 공진기로 구성된다. 펌핑 광원으로는 980nm 또는 1480nm 파장의 반도체 레이저를 사용하며, EDF로 펌핑 광원을 입사시키기 위해 WDM 방향성 결합기를 사용한다. WDM 방향성 결합기와 EDF, 그리고 나머지 공진기 부분인 일반 단일 모드 광섬유는 광섬유 접속기를 사용하여 융착 접속된다. EDF에서는 1550nm 대역의 소신호 이득이 펌핑 광원의 세기에 비례하여 형성되고, 이 소신호 이득이 공진기의 손실과 같아지는 파장에서 레이저 발진이 일어난다. 그리고, 레이저가 발진된 상태에서는 레이저 신호에 의한 포화 신호 이득이 공진기의 손실과 항상 같아지도록 레이저의 출력이 결정되므로, 문턱 소신호 이득과 포화 신호 이득은 항상 동일하게 된다.
한편, EDF의 넓은 이득 대역폭 가운데에서 원하는 파장이 발진되도록 하기 위하여 광 필터가 사용된다. 만약, 이 광필터가 한 파장만을 투과시키게 되면, 레이저는 단일 채널로 발진하며, 광필터가 여러 파장의 빛을 투과시키는 다채널 필터인 경우 레이저는 다채널로 발진한다. 하지만, EDF는 상온에서 균일선폭증대 (homogeneous line broadening) 효과가 지배적이기 때문에 단일 종모드 발진에 매우 유리하다. 특히, 레이저를 한쪽 방향으로만 공진시키기 위해 광 분리기(optical isolator)를 삽입하면, 이득 매질에 공간홀버닝(spatial hole burning)이 생기지 않기 때문에, 레이저는 더욱 단일 종모드 발진에 유리하게 된다. 따라서, EDF를 이득 매질로 사용하여 여러 파장에서 동시에 레이저 발진을 얻기 위해서는 이러한 단일 종모드 발진을 억제할 수 있어야 한다.
한편, EDF의 이득 대역폭은 매우 넓어서 1520nm에서부터 1600nm까지 이른다. 이러한 넓은 대역폭에서 ITU-T 그리드(grid)의 WDM 채널 간격인 100GHz 간격으로 레이저를 발진시킨다면 이론적으로 최대 100개의 채널을 한 광원으로부터 동시에 얻을 수 있다. 현실적인 측면에서 가능한 많은 채널 수를 한 레이저로부터 얻어내기 위해서는 앞서 언급한 레이저의 공진 조건을 모든 채널에서 다 만족시킬 수 있어야 한다. 즉, 다채널 필터로부터 선택적으로 투과된 빛의 파장을 λi(i=1, 2, 3 ...)라고 할 때, 파장 λi에서의 레이저 빛에 의한 이득 매질의 포화 이득 GS와 공진기의 손실 A가 로그 스케일에서 다음 수학식 1을 만족하여야 한다.
GS(λi) = A(λi)
일반적으로 공진기의 손실 A는 파장 의존성이 크지 않다. 그러나, 포화 이득 GS는 EDF의 특성상 펌핑 광원과 입력 신호의 세기에 따라 고유한 스펙트럼을 가진다. 따라서 위 수학식1은 보통의 상황에서는 모든 파장에서 다 성립될 수 없다. 오히려 소신호 이득이 가장 큰 파장에서 먼저 위 수학식 1의 조건이 만족되면, 펌핑 광원의 세기를 아무리 증가시켜도 그 파장에서만 이 조건이 만족되므로, 다른 파장에서의 레이저 발진은 일어나지 않게 된다.
그러므로, EDF를 이득 매질로 사용하는 광섬유 레이저로부터 유용한 다채널 레이저 발진을 이끌어 내고, 이를 바탕으로 보다 넓은 파장 대역에서 많은 수의 발진 채널을 얻어내는 기술은 매우 중요하다.
이를 위해, EDF를 이득 매질로 사용하는 다채널 광섬유 레이저에 대한 종래의 기술들로 크게 네가지 기술이 제안되었다.
첫째로는 도1과 같이 이득 매질인 EDF를 액체 질소 등을 사용하여 극저온 상태로 만드는 방법이다. EDF를 극저온으로 냉각시키게 되면 EDF의 균일선폭증대에 의한 선폭을 0.5nm 이하로 줄일 수 있다. 이렇게 되면 파장이 0.5nm 이상 떨어진 두 빛은 EDF의 다른 에르븀 이온으로부터 이득을 얻기 때문에 서로 독립적인 레이저 발진이 가능하다. 다채널 필터로는 편광유지 광섬유(PMF; 5)와 편파기(3) 및 편광 조절기(PC; 4)를 결합시킨 복굴절 필터를 사용하였다. 하지만, 이는 비슷한 작용을 하는 다채널 필터, 예컨대 패브리-페롯(Fabry-Perot) 에탈론 필터 등을 사용하여도 무방하다. 광 분리기(isolator; 6)를 사용하여 빛을 한쪽 방향으로만 공진시켰으며, 10 % 분기율을 갖는 광섬유 결합기를 통해 출력을 얻을 수 있도록 하였다. 이 방법은 EDF의 이득에 관한 물리적인 특성과 이것이 다채널 광섬유 레이저 발진에 어떻게 기여하는지 물리적으로 규명하는데 중요한 역할을 하였으나, 액체 질소와 같은 냉매를 사용하여야 하므로 실험실을 벗어난 환경에서 현실적으로 사용하기에는 어려운 문제점이 있었다.
도2는 두번째 종류의 종래 다채널 광섬유 레이저의 개략도이다. 다분기 광섬유 결합기나 배열된 광도파로 회절격자(AWG: Arrayed Waveguide Grating) 필터와 같이 빛을 파장에 대하여 공간적으로 분리할 수 있는 1×N 광 다중 광섬유 소자 와, 나누어진 빛을 다시 합할 수 있는 N×1 광 역다중 광섬유 소자를 사용하고, 각각의 광 경로가 하나의 파장 빛만을 선택적으로 통과하도록 만든 후, 여기에 EDF를 각각 접속하였다. 이러한 구성으로 인해, 이득 매질부에서는 파장별로 독립적인 이득을 얻으나, 전체로는 하나의 공진기를 형성한다. 이는 상온에서 동작하며, 파장과 출력의 안정성이 독립적으로 보장된다. 그러나, 발진 채널 수만큼 많은 EDF를 각각 여기시켜 주어야 하고, 레이저의 특성을 채널별로 각각 조절해 주기 위해 파장 가변 필터(TF)와 가변 광 감쇄기(ATN)를 각 경로마다 설치해야 하기 때문에 시스템이 복잡해지는 문제점이 있었다.
셋째로는 그 구조상 단일 종모드를 갖는 광섬유 레이저 8A-8B를 직렬로 원하는 개수만큼 연결하여 다채널 광섬유 레이저를 만드는 도3과 같은 방법이다. 도3에서는 직렬로 연결된 경우이지만, 각각의 광섬유 레이저를 병렬로 연결할 수도 있다. 여기에 사용할 수 있는 광섬유 레이저로는 광섬유 DBR(Distributed Bragg Reflector) 레이저와 광섬유 DFB(Distributed FeedBack) 레이저가 있다. 두 가지 레이저 모두 광섬유 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)를 이용하여 만든다. 이는 상온에서 동작하며, 개념과 구조상 매우 간단하나, FBG를 제작할 수 있는 장비가 필요하므로, 반도체 장비와 같이 초기 설비 투자가 많이 필요하다는 단점이 있다. 이는 현재 상용화된 제품이 출시되고 있다.
마지막 네번째로는 도4와 같이 도1과 유사한 구조이나 EDF를 냉각시키지 않고, 대신 주파수 변환기(frequency shifter)를 삽입하여 다채널 광섬유 레이저를 구현하는 방법이다. 이 방법은 본래 EDFA에서 발생되는 자연증폭방출(ASE: Amplified Spontaneous Emission) 빛을 다채널 필터를 투과시켜 만든 스펙트럼 조각(sliced) 소스의 개념에서 출발하였는데, ASE를 보다 고출력화 하기 위해 광섬유 고리 공진기를 통해 여러번 증폭시키려는 시도에서 출발하였다. 이 때 주파수 변환기는 빛이 공진되지 못하도록 하여 단일 종모드 레이저 발진을 일으키는 것을 억제하는 기능을 수행한다. 이는 모든 발진 채널들이 EDFA1과 EDFA2에서 제공되는 이득을 공유하면서도 상온에서 안정적인 발진이 가능하므로 레이저 시스템의 구조적인 면에서나 효율적인 면에서 장점이 있다.
다음으로 다채널 광섬유 레이저에서 발진 채널의 수를 확장하기 위한 종래의 기술로는 위에서 열거한 네 가지 다채널 광섬유 레이저에 대하여 다음과 같은 방법들이 개발되어 있다. 첫번째 방법의 다채널 광섬유 레이저에서는 사실상 EDF를 냉각시키는 것 자체를 곧바로 발진하는 채널 수를 증가시키는 방법으로 볼 수 있다. 그리고, 공진기 내부의 반사를 억제하여 원치 않는 필터 효과를 막는 방법과 EDF의 편광홀버닝(polarization hole burning) 효과를 이용하는 방법도 있다. 그러나, 이러한 방법들은 실험실 수준에서 다채널 레이저 발진에 방해가 되는 요소들을 제거하기 위한 방법에 불과하며, 레이저 시스템의 설계적인 측면에서 원하는 파장 범위에서 원하는 개수의 다채널 발진을 얻기 위해 적용할 수 있는 방법은 발명되지 않았다. 두번째 형태의 다채널 광섬유 레이저에서 발진 채널 수를 확장하기 위해서는 처음부터 원하는 채널 수를 갖는 다중 및 역다중 광섬유 소자를 사용해야 한다. 세번째 형태에서는 파장이 다른 새로운 레이저를 계속 연결하는 것이 채널 수를 확장하는 방법이 된다. 마지막 네번째 형태에서는 첫번째와 마찬가지로 채널 수의 확장과 관련하여 특별한 기술이 발명되지 않았다.
따라서, 본 발명은 이러한 다채널 광섬유 레이저에서 발진 파장 영역을 확장하여 레이저의 발진 채널 수를 확장함과 동시에 모든 채널별 레이저의 출력을 균등하게 만들어 보다 넓은 파장 대역의 유용한 다채널을 제공하는 광섬유 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.
도1은 이득 매질을 냉각시켜 사용한 종래의 다채널 광섬유 레이저의 구성도.
도2는 1×N 광섬유 결합기를 사용한 종래의 다채널 광섬유 레이저의 구성도.
도3은 광섬유 DBR 또는 DFB 레이저를 연결하여 만든 종래의 다채널 광섬유 레이저의 구성도.
도4는 주파수 변환기를 사용한 종래의 다채널 광섬유 레이저의 구성도.
도5는 본 발명에 따른 이득 평탄화 필터를 사용한 다채널 광섬유 레이저의 구성도.
도6a는 펌핑 광원의 세기에 따른 이득 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도6b는 펌핑 광원의 세기에 따른 이득 평탄화 필터를 통과한 후의 이득 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도7a는 세가지 다른 문턱 펌핑광 세기를 주는 이득 평탄화 필터의 투과 특성을 나타낸 그래프.
도7b는 본 발명에 따른 이득 평탄화 필터의 투과 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도8a는 이득 평탄화 필터를 삽입하지 않은 다채널 광섬유 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도8b는 이득 평탄화 필터를 삽입한 다채널 광섬유 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 이득매질부 20 : 공진기부
30 : 이득평탄화부 11 : 펌핑광원
12 : WDM 방향성 결합기 13 : 이득매질
21a,21b,32a,32b : 광분리기 22 : 출력 결합기
23b : 다채널 필터 24a : 주파수 변환기
25 : 편광 조절기 26 : 가변 광 감쇄기
31 : 이득평탄화필터
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 여러파장의 빛이 적어도 하나 이상의 이득 매질을 공유하는 형태의 다채널 광섬유 레이저에 있어서, 이득을 제공하는 이득제공수단; 및 공진 방향 결정과, 공진기 손실 조절 및 편광 조절을 통해 공진된 레이저를 출력하는 공진수단을 구비하되, 상기 공진수단내에 설치되어, 발진하는 레이저의 파장 영역을 확장하여 발진 채널의 개수를 증가시키고, 그 출력을 채널별로 균등화하는 이득평탄화수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이득평판화필터는 광증폭 장치인 에르븀첨가 광섬유 증폭기(EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier)에서 채널별 이득을 평탄화 하기 위하여 사용하는 일종의 대역 필터(band rejection filter)로서, 이는 장주기 또는 단주기 광섬유 격자 필터 혹은 음향 광학 효과를 이용한 파장 가변 필터로 구성될 수 있다. 광증폭기의 설계시 EDFA의 길이와 펌핑광의 세기 등의 설계 파라메터들은 EDFA에 입사하는 신호의 세기와 증폭 후 요구되는 출력 신호의 세기에 의해 결정된다. 일단 EDFA의 파라메터가 결정되면, 이득 스펙트럼의 모양은 하나로 결정된다. 이 때, 이득 스펙트럼의 모양을 원하는 증폭 대역폭 내에서 평탄화 할 수 있도록 이득평판화필터를 설계하게 된다. 일단 설계대로 이득평판화필터를 제작하여 EDFA에 삽입하게 되면 그 이득 스펙트럼은 입력 조건이 바뀌지 않는 한 평탄하게 유지된다.
이러한 이득평탄화필터를 다채널 광섬유 레이저에 적용하면 발진하는 레이저의 채널 수의 확장과 채널별 레이저 출력의 균등화를 동시에 이룩할 수 있다. 그러나, 이 경우 적합한 이득평탄화필터를 제작하기 위한 설계 방법은 EDFA의 그것과 다르다.
이하, 첨부된 도 5 이하를 참조하여 본 발명에 따른 일실시예를 상세히 설명한다.
도5는 본 발명에 따른 다채널 광섬유 레이저의 구성도이다. 본 발명에 따른 다채널 광섬유 레이저는 이득을 제공하는 이득 매질부(10)와, 파장 선택, 공진 방향 결정, 공진기 손실 조절, 편광 조절, 그리고 레이저 출력의 통로 등을 담당하는 공진기부(20), 그리고 본 발명의 핵심 부분인 이득평탄화부(30)로 구성된다. 이득매질부(10)는 펌핑광원(11)과, WDM 방향성 결합기(12), 그리고 이득 매질(13)로 이루어진다. 여기서, 이득매질(13)로써 에르븀첨가광섬유를 사용하는 경우, 펌핑광원(11)은 980nm 또는 1480nm 파장의 레이저 다이오드를 사용할 수 있다. 이득 평탄화부(30)는 이득평탄화필터(31)로 이루어지되, 단주기 광섬유 격자 필터를 이득평탄화필터로 사용한 경우에는 되반사에 의한 영향을 제거하기 위해, 이득평탄화필터(31)의 입출력단에 광분리기(32a,32b)를 연결한다. 다채널 발진의 핵심이 되는 EDF 냉각장치 또는 주파수 변환기 등은 이득 매질부(10) 또는 공진기부(20)에 각각 포함될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 주파수 변환기를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다. 광분리기(21a,21b)는 레이저를 한쪽 방향으로만 공진시키기 위한 것이며, 출력 결합기(22)는 레이저 출력을 공진기 바깥으로 끌어 내기 위해 사용한다. 주파수 변환기(24a)는 입사되는 빛의 주파수를 수 MHz에서 수 GHz 사이의 일정량 만큼 이동시켜 출력시키는 소자이다. 다채널 필터(23b)로는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 에탈론 또는 패브리-페롯(Fabry-Perot) 파장가변필터를 사용할 수 있으며, 이외에도 비슷한 기능을 갖는 필터는 어떠한 것을 사용하여도 무방하다. 편광 조절기(25)는 빛의 편광 상태를 조절하여, 출력 결합기(22) 또는 주파수 변환기(24a)의 한 포트로 출력되는 레이저 출력을 최대로 하기 위해 사용된다. 손실 가변 광 감쇄기(variable attenuator; 26)는 제작된 레이저의 손실 특성을 미세 조절하여 설계된 대로 레이저가 동작할 수 있도록 하기 위해 설치된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 다채널 광섬유 레이저의 동작을 살펴본다. 이득 매질(13)에서 자연방출(spontaneous emssion)에 의하여 발생된 빛은 그 일부가 광섬유를 진행할 수 있는 도파 모드를 형성하여 양쪽 방향으로 전파된다.이 빛은 광 분리기(21a,21b)에 의해 한쪽 방향의 것만이 통과되고, 출력 결합기(22), 주파수 변환기(24a), 다채널 필터(23b), 편광 조절기(25)를 지나면서 손실을 겪은 후, 투과된 빛은 다시 이득 매질(13)로 들어간다. 이 빛은 이득 매질(13)에서 유도방출(stimulated emssion)에 의하여 증폭되어, 다시 전술한 바와 같이 광분리기(21a), 출력 결합기(22), 주파수 변환기(24a), 다채널 필터(23b), 편광 조절기(25)를 지나면서 손실 과정을 반복한다. 증폭과 손실을 반복하며 공진기를 회전하는 빛은 이득 매질에서 얻게 되는 이득과 공진기에서 잃어버리는 손실의 양이 같아지면서 정상 상태를 형성하게 되며, 이 때 레이저 발진이 이루어진다. 단, 레이저 공진기에 다채널 레이저 발진에 필요한 장치가 설정되어 있지 않으면 레이저는 단일 모드로 발진하게 된다.
주파수 변환기(24a)의 작용에 의해 다채널 발진이 이루어지는 광섬유 레이저 장치에서 이득 평탄화부(30)를 삽입하지 않을 경우 레이저의 발진 채널은 문턱 펌핑광 세기에서 이득이 높은 1530 nm 대역 근처에서만 도8a와 같이 존재한다. 만일 이득 스펙트럼의 모양이 문턱 펌핑광의 세기에서 평탄하다면 평탄한 파장 대역에서 레이저 발진이 모두 이루어질 수 있으며 그 출력도 일정하게 된다. 그러나 EDF의 이득 스펙트럼은 일반적으로 평탄한 영역이 제한되어 있으므로, 넓은 파장 영역에서 레이저 발진 채널 수의 확장과 출력 균등화를 위해서는 이득평탄화필터(31)를 정확하게 설계, 제작, 및 설치하여야 한다. 이를 위해서는 공진기의 손실과 이득 매질의 소신호 이득을 정확하게 측정하여야 한다. 이득 평탄화부(30)를 제외한 공진기부(20)의 손실을 정확하게 측정하기 위해, 광원에서 나오는 빛을 공진기부의한쪽 끝에 입사시키고 다른 쪽 끝으로 출력되어 나오는 빛의 세기 Pout을 검출기를 통해 측정한다. 그리고 나서 공진기부(20) 대신에 의사(dummy) 광섬유를 설치하여, 입력 광 세기 Pin을 정확하게 측정한다. 측정 값으로부터 공진기의 손실 A는 다음 수학식 2에 의하여 계산된다.
A(λ) = -10 Log [ Pout(λ)/ Pin(λ)]
파장에 따른 손실을 측정하기 위해서는 광원으로서 선폭이 가는 파장 가변 레이저를 사용하여 파장을 튜닝하면서 검출기로서 광 세기 계측기(power meter)를 사용하여 위의 과정으로 측정하거나, 광원으로서 선폭이 넓은 광원을 사용하고 검출기로서 광 스펙트럼 분석기(Optical spectrum analyzer)를 사용하여 전 파장에 대하여 한꺼번에 측정한다. 이득 매질부(10)의 소신호 이득을 정확하게 측정하기 위해서는, 펌핑 광원(11)을 WDM 방향성 결합기(12)를 통하여 이득 매질(13)로 입사시켜 이득 매질을 여기시키고, -30 dBm 이하의 낮은 출력의 선폭이 가는 파장 가변 레이저를 입사시켜 증폭기를 통과하여 나오는 출력 Pout을 펌핑 광원(11)의 세기를 변화시켜 가며 광 세기 계측기(power meter) 또는 광 스펙트럼 분석기로 측정한다. 이득 매질의 길이는 다른 길이의 경우에 대한 기준으로 삼기 위하여 ±5 cm이하의 정밀도로 정확히 측정하여 사용하되, 이득의 용이한 측정을 위하여 10 m 이상을 사용한다. 역시 입력 조건을 정확히 측정하기 위하여 이득 매질부(10)를의사(dummy) 광섬유로 교체한 후, 광 신호의 세기를 측정하여 Pin을 정확히 구해 낸다. 순방향(Forward) 펌핑인 경우 이득이 충분히 클 때, 순방향 ASE 스펙트럼과 이득 스펙트럼이 비례한다는 사실을 이용하여, 특정 펌핑광 출력에 대하여 다음 수학식 3을 이용하여 이득을 계산해 내고, 그 때의 ASE 스펙트럼을 측정한 후, 그 결과를 토대로 다른 펌핑광 출력에 대하여는 ASE 스펙트럼만을 광 스펙트럼 분석기로 직접 측정하여 이득을 쉽게 구해낼 수 있다.
G(λ) = 10 Log [ (Pout(λ)- PASE(λ)) / Pin(λ)]
이렇게 얻어진 이득을 측정에 사용한 이득 매질의 길이로 나누어 단위 길이당의 이득 값으로 삼는다.
한가지 예로서 공진기부(20)의 손실이 25dB로 측정되었다면, 측정된 펌프 출력별 단위 길이당 이득 데이타로부터, 원하는 스펙트럼 모양에서 원하는 파장 대역 내의 이득이 모두 25dB 이상이 되도록 이득 매질의 길이를 정한다. 레이저 발진시 최적의 이득 매질의 길이를 결정하기 위해서는 이득 매질의 평균 밀도 반전 개념을 이용한다. 즉, 평균 밀도 반전이 같으면 길이에 따라 이득의 절대 값은 달라지지만, 이득 스펙트럼의 모양은 이득 매질의 길이에 관계없이 일정하다는 점을 이용한다. 이득평판화필터는 수동 소자이므로 현실적으로 제작 가능한 최소 손실 범위를 정하여 두고, 소신호 이득의 파장에 대한 최소값이 이득평탄화필터의 최소 손실 범위에 들어갈 수 있도록 설계한다. 루슨트 테크놀로지(Lucent Technology)사의 EDF(model: HE980)를 이득 매질로 사용한 경우에는 길이를 27m로 할 때, 손실 25 dB의 공진기에 대하여 최적의 결과를 얻을 수 있으며, 이 때의 펌핑광의 출력에 따른 이득 스펙트럼은 도6a 같다. 1530nm에서 1560nm까지의 범위에서 소신호 이득이 공진기 손실보다 커지는 경우는 입력 펌핑광의 출력이 18 mW 이상일 때이다. 1530nm에서 1560nm까지의 범위에서 소신호 이득이 공진기 손실과 같아지도록 하는 이득평탄화 필터의 투과 특성은 입력 펌핑광 출력 18, 24, 30 mW에 대하여 도7a와 같다. 각각의 경우가 레이저의 문턱에 해당하므로, 문턱 펌핑광의 세기 역시 각각 18, 24, 30 mW가 된다. 측정된 손실과 이득 값의 오차에 의한 오류는 손실가변 광 감쇄기(26)를 미세 조절함으로써 해결할 수 있으며, 주파수 변환기의 변환 효율을 조절하여도 같은 효과를 얻을 수 있다. 한가지 실시 예로서 도7b와 같은 투과 특성을 갖는 이득평탄화필터를 사용하였다. 도6b는 도6a의 이득 스펙트럼을 도7b의 특성을 갖는 이득평탄화필터를 사용하여 변화시킨 것이다. 펌핑광의 세기 11mW에서 1535 ∼ 1562nm 범위에서 0.5dB 이내의 평탄한 이득을 얻을 수 있다. 이 상태에서 레이저 발진이 시작되도록 하기 위해서는 공진기의 손실을 8.7dB 가량 낮추어야 한다. 공진기의 손실을 17dB 수준으로 낮추고 레이저를 발진시키자 이득이 공진기의 손실과 같아지는 모든 스펙트럼 영역에서 레이저 발진이 일어난다. 이 범위에 들어가는 다채널 필터의 채널 수 만큼 레이저의 발진 채널 수가 결정되며, 레이저 출력의 세기는 채널에 관계없이 같은 기울기로 선형적으로 증가하여 출력의 균등화를 이룬다. 도8b는 펌핑광 출력이 문턱 펌핑광 출력의 4.5 배일 때의 레이저의 출력 스펙트럼이다. 이득평탄화필터를 사용하지 않은 도8a의 경우와 비교하여, 출력의 최대 값에서 10dB 이내의 범위에 들어오는 채널 수가 6개에서 34개로 증가하였음을 볼 수 있다. 도8b의 실험 결과에서 레이저의 출력이 채널별로 기복이 심한 것은 제작된 이득평탄화필터가 완벽하지 못하여 그 투과 특성에 리플(ripple)이 있기 때문으로 이 리플을 제거하면 보다 균등한 출력을 얻을 수 있다.
파장 대역이 1560 ∼ 1600nm인 장파장의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 사용할 경우에는 증폭기 자체의 파장 특성상 특별히 이득 등화 필터를 사용하지 않더라도 1dB 이하의 평탄도를 갖는 이득 매질을 만들 수 있으므로, 설명한 방법대로 레이저를 설계함으로써, 원하는 대역의 다채널 광섬유 레이저를 보다 쉽게 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 다채널 광섬유 레이저에서 발진 파장 영역을 확장하여 발진 채널 수를 증가시키고, 그 출력을 균등화할 수 있으며, 다채널 필터를 사용하고 여러 채널의 빛이 한 개 또는 그 이상의 이득 매질을 공유하는 형태의 다채널 광섬유 레이저에 일반적으로 적용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 여러파장의 빛이 적어도 하나 이상의 이득 매질을 공유하는 형태의 다채널 광섬유 레이저에 있어서,
    이득을 제공하는 이득제공수단; 및
    공진 방향 결정과, 공진 손실 조절 및 편광 조절을 통해 공진된 레이저를 출력하는 공진수단을 구비하되,
    상기 공진수단내에 설치되어, 발진하는 레이저의 파장 영역을 확장하여 발진 채널의 개수를 증가시키고, 그 출력을 채널별로 균등화하는 이득평탄화수단을 포함하는 다채널 광섬유 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득평탄화수단은,
    발진 채널의 개수를 증가시키고, 그 출력을 채널별로 균등화하는 이득평탄화필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이득평탄화수단은,
    레이저의 문턱에서 평탄한 이득을 갖도록 이득 매질의 밀도 반전을 이용하는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 이득평탄화필터는,
    장주기 광섬유 격자 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 이득평탄화필터는,
    단주기 광섬유 격자 필터; 및
    필터의 입출력단에 각각 연결되어, 되반사에 의한 영향을 제거하는 제1 및 제2 광분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 이득평탄화필터는,
    음향 광학 효과를 이용한 파장가변필터인 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유레이저.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 이득제공수단은,
    펌핑 광원;
    상기 펌핑광원의 출력과 발진하는 레이저를 결합하는 방향성 결합기; 및
    상기 방향성 결합기 후단에 연결되어, 이득을 제공하는 이득매질
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 펌핑광원은, 980nm 또는 1480nm 파장의 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 이득매질은, 에르븀첨가광섬유인 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 이득매질은 측정된 이득 매질의 파장에 따른 단위 길이당 소신호 이득이 측정된 공진수단의 파장에 따른 손실보다 크거나 같도록 그 길이가 결정되는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 공진수단은,
    상기 이득제공수단의 전,후단에 각각 연결되어 되반사에 의한 영향을 제거하는 제3 및 제4 광분리기;
    상기 제3 광분리기와 상기 이득평탄화수단 사이에 설치되어, 레이저를 외부로 출력하는 출력 결합기;
    상기 이득평탄화수단으로부터 출력되는 빛의 주파수를 일정한 양만큼 이동시키는 주파수 변환기;
    상기 주파수 변환기로부터 출력되는 빛의 파장을 필터링하는 다채널 필터;
    상기 다채널 필터로부터 출력되는 빛의 세기를 조절하는 가변 광감쇄기; 및
    상기 가변 광감쇄기로부터 출력된 빛의 편광 상태를 조절하여, 상기 제4 광분리기로 출력하는 편광조절기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다채널 필터는, 패브리-페롯(Fabry-Perot) 에탈론인 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 다채널 필터는, 패브리-페롯 파장가변필터인 것을 특징으로 하는 다채널 광섬유 레이저.
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