KR100329603B1 - 라만 광섬유 변조기 및 광 변조방법 - Google Patents
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Abstract
라만 효과를 이용하여 높은 콘트라스트 비를 갖는 변조 광신호를 얻는 방법에 대해 개시하고 있다. 본 발명에 따르면, 1차 스토크스 변조광의 진폭변조의 전환을 통해 펌핑파장에서 고출력 광의 변조가 이루어진다. 이 때, 콘트라스트 비의 향상효과는, 고출력 광이 하이 레벨 상태에 있는 동안 1차 스토크스 변조광의 증폭된 파워를 2차 스토크스 제어신호광의 파워로 옮김으로써 발생한다.
Description
본 발명은 광 변조기에 관한 것으로서, 특히 라만 효과를 이용한 광섬유 변조기에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 상기 라만 광섬유 변조기를 이용한 광변조 방법에 관한 것이기도 하다.
최근, 많은 응용분야에서 소형의 광범위한 광원을 얻기 위해, 니오디뮴(Nd) 도핑 결정 레이저 대신에 고출력 광섬유 레이저가 여러 연구 그룹에 의해 활발히 연구되고 있다. 고출력 광섬유 레이저는, 입사 펌핑광의 파워에 대해 높은 효율을 가진다는 점, 표면적 대 체적의 비가 클 때 발생하는 열 렌징(thermal lensing)효과에 거의 영향을 받지 않는다는 점, 광 공동(optical cavity) 또는 광섬유가 결합된 출력단을 용이하게 만들 수 있다는 점 등의 장점을 가진다. 최근의 연구에서는 수 와트(Watt)에서 수십 와트에 이르는 출력을 가지는 이중 클래드 광섬유 레이저가 보고되었는 바, 이는 종래의 단일 모드 광섬유 레이저에 의해서는 구현하기 힘든 성능에 해당한다. 또한 10가닥의 광섬유다발을 사용한 1㎾ 출력의 이터븀(Yb)-첨가 단일모드 광섬유레이저가 지난 1999년2월의 포토닉스 웨스트(Photonics West) 학회에서 유럽의 연구진에 의해서 보고된 바 있다. 그리고, 50W 파워에 이르기까지는 비선형 광학효과나 열적 효과가 별다른 영향을 끼치지 않는 것으로 보고된 바도 있어서, 고출력 레이저 구현의 장래를 밝게 하여 주고 있다. 한편, 연속광이 아닌 광펄스를 출력하는 레이저 광원은 레이저 마킹(marking) 또는 레이저를 이용한 기타 공정을 포함한 여러 가지 응용분야에 유용하다. 그러나 이러한 응용분야에 대한 사용에 있어서, 전기광학적 광변조나 음향광학적 광변조 방법을 사용할 경우 고출력에서는 광학적 손상 없이 효율적인 광 변조효과를 얻을 수 없다. 또한, 이와 같은 종래의 광 변조방법을 따르면 광손실이 많을 뿐 아니라 복잡한 광정렬 시스템이 필요하다는 단점이 발생한다.
최근, 고출력 광섬유 레이저에 대한 비선형 전 광섬유(all-fiber) 광 변조기가 개발되어 그 성능이 입증된 바 있다. 그 중에서 라만 효과에 기초한 광 변조기에 대한 물리 이론적 기초는 유도 라만 산란(Stimulated Raman Scattering, 'SRS')으로서, 이 현상은 1972년 최초로 보고되었으며, 그 후 이 효과는 라만 광섬유 레이저 및 증폭기, 전 광학적(all-optical) 신호처리에 널리 응용되었다. 다시 말해서, 게르마늄이 고농도로 도핑된 실리카 광섬유에서 SRS를 유도함으로써 저출력의 1차 스토크스 파장광의 변조를 고출력 펌프광쪽으로 전환시키는 것이 그 기초이다. 이러한 변조방법에서는 전 광섬유적 기술을 사용하기 때문에 광학적 손상을 입는 출력의 문턱치가 높다는 점, 후반사(back reflection)가 없다는 점, 삽입손실(insertion loss)이 작다는 점이 장점으로 열거될 수 있다. 그러나, 이 방법에도 한계가 있는데, 이는 입사된 잔류 1차 스토크스 변조신호도 증폭되므로 변조 후에 고출력 레이저 광의 콘트라스트 비(contrast ratio)가 충분히 높아지지 않는다는 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 과제는 잔류 1차 스토크스 변조신호의 증폭을 지연시켜 변조되는 고출력 레이저 광의 콘트라스트 비를 향상시킬 수 있는 라만 광섬유 변조기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 기술적 과제는 상기한 라만 광섬유 변조기를 이용하여 고출력 광을 변조하는 방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 개념을 설명하기 위한 그래프들;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 게르마늄 도핑 라만 광섬유 변조기의 개략적 구성도;
도 3a 내지 3d는 도 2의 광섬유 변조기에 신호들을 입사시킨 후, 광섬유 길이방향으로 신호변화를 관찰한 결과를 나타낸 그래프들;
도 4는 하이 레벨에서 잔여 펌프 파워 대 콘트라스트 비를 나타낸 그래프이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 라만 광섬유 변조기는, 자신의 내부를 통과하는 광신호를 증폭하도록, 여기가능한 원소로 도핑된 일정 길이의 광섬유에 신호광, 1차 스토크스 변조신호광, 2차 스토크스 제어신호광을 각각 입사시킬 수 있도록 되어 있다. 광섬유를 따라 전파하는 신호광 및 1차 스토크스 변조신호광은 2차 스토크스 제어신호광과 더불어 유도 라만 산란에 의한 증폭을 일으켜 콘트라스트 비가 높은 변조신호광을 얻을 수 있다. 이 때, 광섬유의 코어부가 게르마늄으로 도핑된 것이 바람직하며, GeO2가 코어부에 10몰%~30몰%로 함유된 것이 더 바람직하다.
상기한 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 광 변조방법은, 상기 1차 스토크스 신호광을 펄스신호광으로, 상기 2차 스토크스 제어신호광을 상기 1차 스토크스 신호광에 대해 반전된 모양을 갖는 펄스신호광으로 선택하여 입사시키는 것을 특징으로 한다. 2차 스토크스 제어신호광은 그 외에도 상기 1차 스토크스 신호광에 대해 반전되는 동시에 확장된 펄스폭을 갖는 펄스신호광 또는 연속파 신호광으로 선택하여 입사시킬 수도 있다.
본 발명의 기본적인 개념은 잔류하는 1차 스토크스 변조신호의 증폭을 지연시켜 변조되는 고출력 레이저 광의 콘트라스트 비를 향상시키는 것으로서, 그 개념을 아래의 도 1a 내지 1e에 도시하였다. 도 1a 내지 1e는 고출력 광섬유 레이저의 펌프광, 1차 스토크스(Stokes) 신호열(signal pulse train) 및 2차 스토크스 제어신호열이 광섬유 길이방향으로 시간에 따라 어떻게 변화하는가에 대해 나타낸 그래프이다.
우선, 라만 효과를 이용한 광 변조기의 펌핑광(Ip)으로서 1064㎚ 파장의 니오디뮴(Nd) 도핑 이중 클래드 고출력 광섬유 레이저의 출력광을 이용하였다. 도 1a는 이 펌핑광(Ip)을 시간에 대해 나타낸 그래프로서, 레이저 출력광의 세기가 일정한 Ip0값을 갖는 것을 알 수 있다. 그 다음 낮은 파워의 기준 변조신호로서 1120㎚ 파장의 1차 스토크스 신호열(IS1)이 광 변조기의 광섬유에 입사된다. 도 1b는 1차 스토크스 신호열(IS1)을 시간에 대해 나타낸 그래프이다. 도 1c는 1차 스토크스 신호열의 '오프' 파워 레벨의 잔여분을 감소시키기 위해 광 변조기에 함께 입사되는 2차 스토크스 제어 신호열(IS2)을 시간에 대해 나타낸 그래프이다. 1차 스토크스 신호열(IS1)의 파장이 1120㎚일 때, 2차 스토크스 제어 신호열(IS2)의 파장은 1180㎚로 선택할 수 있다. 이론상, 펌핑광(Ip), 1차 스토크스 변조신호광(IS1), 2차 스토크스 제어 신호광(IS2)의 파장들은 라만 증폭조건을 만족하는 파장의 조합이라면 어느 것이든 선택될 수 있다. 만약, 2차 스토크스 제어 신호열이 입사되지 않는다면, 1차 스토크스 신호는 각각 높고 낮은 신호레벨인 '온' 및 '오프'에서 모두 증폭된다. 제어 신호광(IS2)이 '온' 상태인 동안 펌핑광(Ip)의 파워가 크게 감소하며, 이와 반대로 제어 신호광(IS2)이 '오프' 상태인 동안에는 펌핑광(Ip)의 파워가 그다지 크게감소하지 않는다. 2차 스토크스 제어 신호열이 입사되지 않을 경우, 결과적으로 도 1d에 도시한 바와 같이, 광 변조기를 거친 펌핑광(Ip') 및 1차 스토크스 신호광(IS1')이 낮은 콘트라스트 비를 갖게 된다. 반대로, 도 1c에 도시한 바와 같은 2차 스토크스 제어 신호열이 입사하는 경우를 생각해 보자. 1차 스토크스 신호가 '오프' 상태인 동안 제어 신호가 '온' 상태에 있으므로, 라만 증폭에 의해 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태인 부분에서 증폭된 파워가 2차 스토크스 제어 신호의 '온' 상태 중의 하나로 변환되게 된다. 따라서, 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태에서 증폭된 부분의 증폭률 및 파워 레벨이 낮아지며, 펌핑 파워의 적은 양만이 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태로 변환된다. 한편, 1차 스토크스 신호가 '온' 상태인 동안 제어 신호가 '오프' 상태에 있으므로, 증폭된 1차 스토크스 신호의 '온' 상태의 파워는 주어진 광섬유 길이에서 그다지 많이 변화하지 않는다. 이 경우, 증폭된 1차 스토크스 신호의 '온' 상태의 증폭률 및 파워 레벨은 2차 스토크스 제어 신호가 인가되지 않은 때와 거의 비슷하며, 펌핑 파워의 상당량이 1차 스토크스 신호의 '온' 상태로 옮겨진다. 따라서, 도 1e에 도시한 바와 같이 높은 콘트라스트 비를 얻을 수 있다.
도 2는 본 발명의 방법이 적용되는 게르마늄 도핑 라만 광섬유 변조기의 개략적 구성도이다. 도 2를 참조하면, 레이저 다이오드(210)에 의해 펌핑되는 광섬유 레이저(220)에서 게르마늄 도핑 라만 광섬유 변조기(230)에 대한 펌핑광(Ip)이 출력된다. 본 실시예에서 레이저 다이오드(210)의 출력은 40W, 출력광의 파장은 810㎚였다. 또한, 광섬유 레이저(220)로서, 출력되는 광(Ip)의 파장이 1064㎚, 출력이 10W인 Nd 도핑 이중 클래드 CW(Continuous Wave) 광섬유 레이저가 사용되었다. 한편, 라만 변환효율이 낮기 때문에 펌핑출력이 낮은 경우를 대비하여 충분한 길이의 게르마늄 도핑 라만 광섬유를 사용하였다. 광섬유 변조기(230)에 펌핑광(Ip)은 직접 입사되는 반면에 1차 스토크스 신호(Is1)와 2차 스토크스 제어 신호(Is2)는 제1 파장분할다중결합기(240;Wavelength-Division Multiplexing(WDM) Coupler)에 의해 결합되어 입사된다. 광섬유 변조기(230)에서 결합된 광은 연속 펌핑광을 변조하는 역할을 한다. 변조된 펌핑광(Ip')은 제2 파장분할다중결합기(250)에 의해 분리된다. 본 실시예에서, 펄스의 워크-오프(walk-off)효과 및 기타 비선형 현상을 무시할 수 있도록, 나노초(nanoseconds) 범위의 펄스 길이를 사용하였다. 이에 대한 예를 들자면, 1064㎚ 펌핑 파장에서 워크-오프 파라미터가 대략 2㎰/㎚이므로, 펄스 지속시간 7㎱을 이 파라미터로 나누면 워크-오프 길이가 대략 35㎞에 이른다. 그런데, 본 실시예에서는 35㎞보다 훨씬 짧은 길이인 수십 미터의 게르마늄 도핑 라만 광섬유를 사용하였으므로 워크-오프 효과를 무시할 수 있다.
상기한 광섬유 변조기의 작동을 수식에 의해 설명하면 다음과 같다. 펌핑광(Ip), 1차 스토크스 신호(Is1)와 2차 스토크스 제어 신호(Is2) 세기들이 게르마늄 도핑 라만 광섬유 변조기(230)에서 일으키는 상호작용은 광섬유 길이방향(z)에 대한 미분방정식으로서 다음 수학식 1 내지 3과 같이 표현될 수 있다.
여기서,g R 은 1064㎚의 펌핑광 파장(λP)에서의 라만 이득계수를,α P ,α S1 및α S2 는 펌프광, 1차 스토크스 신호, 2차 스토크스 신호에 대한 광섬유 손실계수들을 각각 나타낸다. 또한,ω P ,ω S1 및ω S2 는 펌프광, 1차 스토크스 신호, 2차 스토크스 신호의 주파수를 각각 나타낸다.
한편, 라만 변조를 위한 비선형 매질로서 굴절지수(Δ)의 차이가 0.0181이며 GeO2가 20몰 %로 함유된 고농도 게르마늄 도핑 광섬유를 사용하였다. 라만 이득 계수는 쉽게 계산할 수 있었으며, 광섬유 손실 계수(α P )는 1064㎚ 파장에서 대략 2.68㏈/㎞였다. 그리고, 레일리이 산란을 주요한 손실요인이라고 가정할 때, 1차 및 2차 스토크스 파장에서의 광섬유 손실들(α S1 ,α S2 )도 쉽게 계산할 수 있었다. 사용된 광섬유의 코어 직경은 약 2.6㎜였다.
본 발명의 방법에 대한 유효성을 분석하기 위해, 펌핑광, 1차 스토크스 신호의 '온' 상태, 2차 스토크스 제어신호의 '온'상태의 파워가 각각 10W, 1㎽ 및 1W가 되도록 조절하여 광섬유 변조기에 입사하였다. 그리고, '온' 상태와 '오프' 상태의 파워에 대한 콘트라스트 비(contrast ratio)가 모두 100이 되도록 설정한 펄스신호들을 1차 스토크스 및 2차 스토크스 신호로서 사용하였다. 광섬유의 길이방향(z)에 따른 파워의 변화를 도 3a 내지 3d에 나타내었다. 이해의 편의를 위해 각 신호의 세기(intensity) 대신에 펌프, 1차 스토크스 신호, 2차 스토크스 제어신호의 파워로 나타내었으며, 이들을 각각 PP, PS1및 PS2로 표시하였다. 괄호 내에 '온(ON)'과 '오프(OFF)'로 기재한 것은 그 신호들이 펄스열에서 각각 '하이' 레벨과 '로우' 레벨에 있다는 것을 의미한다. 도 3a 내지 3d의 각 도면에서 수직 점선은 펌핑광 파워의 99%가 스토크스 신호의 파워로 전환되는 광섬유 길이를 의미한다. 이러한 광섬유 길이에서, '하이' 레벨에서 남아있는 펌프 파워는 2차 스토크스 제어신호가 인가되지 않았을 때 4.71W였으며, 인가되었을 때 6.70W였다. 만약 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되지 않는 경우, 1차 스토크스 신호(PS1)는 입력 펌핑광의 파워 레벨까지 증폭된 다음 광섬유 길이인 200m까지 감쇠에 의해 서서히 파워가 줄어든다. 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되는 경우, 1차 스토크스 신호(PS1)는 증폭되지만 SRS에 의해 그 파워가 2차 스토크스 제어신호(PS2)의 파워로 옮겨지기 때문에 급격히 그 파워가 줄어든다. 도 3d를 참조하면, 1차 스토크스 신호의 '온' 상태(PS1(ON))의 파워는 광섬유의 60m 지점에서 최대값을 가진 후, 100m 지점에서완전 감쇠됨을 알 수 있다. 또한, 도 3c를 참조하면, 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태(PS1(OFF))의 파워는 광섬유의 80m 지점에서 최대값을 가진 후, 120m 지점에서 완전 감쇠됨을 알 수 있다. 그러나, 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태(PS1(OFF))의 증폭률이 줄어들기 때문에, 펌프 파워(PP)의 감쇠가 지연된다. 동일한 광섬유 길이에서, 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태(PS1(OFF))를 이용하여 얻어진 펌프 파워(PP)의 '하이' 레벨 파워는 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가될 때가 그렇지 않을 때보다 더 높다. 그리고, 1차 스토크스 신호의 '온' 상태(PS1(ON))를 이용하여 얻어진 펌프 파워(PP)의 '로우' 레벨 파워는, 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가될 때와 그렇지 않을 때가 서로 비슷하다. 따라서, 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가될 때 더 높은 콘트라스트 비를 나타낸다.
도 4는 하이 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high)) 대 콘트라스트 비를 나타낸 그래프이다. 산업용 레이저의 응용분야에서, 광신호의 효율적인 처리에 대해 가장 중요한 파라미터는 피크 파워(peak power)와 콘트라스트 비이다. 그 중에서, 피크 파워는 펄스 동작에서 하이 레벨 파워에 직접적으로 관련되어 있다. 도 4를 참조하면, 하이 레벨의 잔여 펌프 파워가 3W보다 클 때에는 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가될 때가 그렇지 않을 때보다 더 높은 콘트라스트 비를 나타낸다. 반대로, 하이 레벨의 잔여 펌프 파워가 3W 이하인 때에는 이와 반대가 된다. 한편, 하이 레벨의잔여 펌프 파워가 3W가 되는 지점은, 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되지 않는 경우와 인가되는 경우에 각각 72m와 82m였다. 그 이유는, 도 3c 및 3d에 도시된 바와 같이 1차 스토크스 신호의 '온' 상태(PS1(ON))를 이용하여 얻어진 로우 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(low))의 광섬유 길이에 따른 변화를 관찰하면 알 수 있다. 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되지 않는 경우에 광섬유의 72m 이상의 지점에서, 1차 스토크스 신호의 '온' 상태(PS1(ON))는 여전히 하이 레벨이며 펌프 파워와 1차 스토크스 신호의 파워에 비례하는 높은 라만 이득을 얻는다. 따라서, 로우 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(low))는 충분히 감소한다. 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가된 경우에 광섬유의 82m 이상의 지점에서, 1차 스토크스 신호의 '온' 상태(PS1(ON)는 작으며, 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되지 않은 경우에 비해 더 작은 라만 이득을 얻는다. 따라서, 로우 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(low))가 충분히 감소하지 않고 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가될 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 더 작은 콘트라스트 비를 나타낸다. 이것은 2차 스토크스 제어신호의 라만증폭이득이 (라만이득계수)X(1차 스토크스 신호의 세기)X(1차 스토크스 신호의 세기)로 주어지는데, 이 값이 잔여 펌프 파워 또는 광섬유 길이에 대해서 최대값이 존재한다는 것을 의미한다. 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되지 않는 경우, 콘트라스트 비는 하이레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high))에 반비례하므로 콘트라스트 비를 높이기 위해서는 하이 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high))를 낮춰야 한다. 그러나, 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가되는 경우에는, 콘트라스트 비가 하이 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high))에 대해 피크값을 가지는데, 이 값은 하이 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high))가 8W인 경우에도 40이 넘는다. 하이 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high))가 5W인 경우에는 콘트라스트 비가 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가유무에 따라 각각 76.92 및 45.45의 값을 가져서 콘트라스트 비가 69% 정도 향상된다. 또한, 하이 레벨의 잔여 펌프 파워(PP(high))가 9W인 경우에는 콘트라스트 비가 2차 스토크스 제어신호(PS2)가 인가유무에 따라 각각 19.56 및 7.56의 값을 가져서 콘트라스트 비가 158% 정도 향상된다. 결론적으로, 증폭된 1차 스토크스 신호의 '오프' 상태의 파워를 2차 스토크스 제어신호의 파워로 옮김으로써 펌프 파워의 하이 레벨의 감쇠를 지연시키는 방법을 통해 콘트라스트 비를 향상시키는 것이 본 발명의 요점이다.
라만효과를 이용한 본 발명의 방법에 의하면 향상된 콘트라스트 비를 갖는 광변조신호를 얻을 수 있다. 이와 같은 방법은 고출력 광섬유 레이저를 이용하는 산업분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것이다.
Claims (5)
- 자신의 내부를 통과하는 광신호를 증폭하도록, 여기가능한 원소로 도핑된 일정 길이의 광섬유와;상기 광섬유에 신호광을 입사시키는 수단과;상기 신호광을 상기 광섬유에서 변조하기 위한 1차 스토크스 변조신호광을 도입하는 수단과;상기 광섬유를 따라 전파하는 신호광 및 1차 스토크스 변조신호광과 더불어 유도 라만 산란에 의한 증폭을 일으키기 위한 2차 스토크스 제어신호광을 상기 광섬유에 도입하는 수단과;상기 광섬유 내에서 변조된 신호광을 분리하는 수단을 구비하는 라만 광섬유 변조기.
- 제1항에 있어서, 상기 광섬유의 코어부가 게르마늄으로 도핑된 것을 특징으로 하는 라만 광섬유 변조기.
- 제2항에 있어서, GeO2가 코어부에 10몰%~30몰%로 함유된 것을 특징으로 하는 라만 광섬유 변조기.
- 자신의 내부를 통과하는 광신호를 증폭하도록, 여기가능한 원소로 도핑된 일정 길이의 광섬유를 준비하는 단계와;상기 광섬유에 신호광을 입사시키는 단계와;상기 신호광을 상기 광섬유에서 변조하기 위한 1차 스토크스 변조신호광을 도입하는 단계와;상기 광섬유를 따라 전파하는 신호광 및 1차 스토크스 변조신호광과 더불어 유도 라만 산란에 의한 증폭을 일으키기 위한 2차 스토크스 제어신호광을 상기 광섬유에 도입하는 단계와;상기 광섬유 내에서 변조된 신호광을 분리하는 단계를 구비하는 광신호 변조방법.
- 제4항에 있어서, 상기 1차 스토크스 신호가 펄스신호이며, 상기 2차 스토크스 제어신호가 상기 1차 스토크스 신호에 대해 반전된 모양을 갖는 펄스신호, 반전되는 동시에 확장된 펄스폭을 갖는 펄스신호 및 연속파 신호로 구성된 신호군으로부터 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광신호 변조방법.
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| JPH06123901A (ja) * | 1992-10-13 | 1994-05-06 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光周波数変換装置 |
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| JPH09230399A (ja) * | 1996-02-23 | 1997-09-05 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 光増幅装置 |
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