KR100353846B1 - 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모드 로킹(mode locking) 광섬유 레이저 공진 장치에 관한 것으로, 광섬유의 비선형 효과인 브릴루앙(Brillouin) 신호의 온도에 따른 주파수 변화를 에러 신호로 이용하여 광섬유 레이저를 안정화시킨, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 제공하기 위하여, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 있어서, 브릴루앙 펌프 신호를 발생시키기 위한 브릴루앙 펌핑 수단; 상기 브릴루앙 펌핑 수단에서 발생된 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 브릴루앙 신호를 생성하기 위한 브릴루앙 신호 생성 수단; 상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 입력받아 주파수 성분을 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 상기 주파수 검출 수단에서 검출된 상기 브릴루앙 신호의 주파수와 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 입력되는 신호의 주파수를 비교하여, 그 차를 측정하기 위한 주파수 비교/측정 수단; 상기 주파수 비교/측정 수단에서 측정된 주파수 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 신호 변환 수단; 상기 신호 변환 수단에서 변환된 전기적 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단; 및 상기 신호 증폭 수단에서 증폭된 신호를 입력받아, 그에 따라 길이가 팽창되거나 수축되어, 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 안정화시키기 위한 광섬유 수축 및 팽창 수단을 포함하며, 광전송 시스템 등에 이용됨.

Description

모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치{Laser cavity length stabilizing apparatus of using Brillouin signals}

본 발명은 모드 로킹(mode locking) 광섬유 레이저 공진 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유의 비선형 효과인 브릴루앙(Brillouin) 신호의 온도에 따른 주파수 변화를 에러 신호로 이용하여 광섬유 레이저를 안정화시킨, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광섬유 레이저는 광섬유 길이가 길어짐에 따라 외부 환경에 대한 간섭에 노출되어 펄스의 질을 저하시키므로, 광섬유 레이저의 실제 시스템의 사용을 위해서는 안정성 문제를 근본적으로 해결해야 한다. 특히, 공진기 내부의 위상이나 진폭 변조기에 의해 강제로 모드 로킹이 유발되는 능동형 모드 로킹 광섬유 레이저의 안정된 동작을 위해서는, 발진하는 레이저의 주파수 값에 부합하는 정확한 광섬유 길이를 항상 유지시키는 것이 매우 중요하다.

광섬유 레이저 안정화란, 진동이나 온도 등의 외부 환경에 따라 변하는 물리량의 변화를 감지하여 이러한 변화에 따른 신호 내의 잡음 성분을 찾아, 이들의 변화 값을 최소화하는 방향으로 광섬유의 물리량을 보상한다는 것을 의미한다. 지금까지 알려진 상기의 물리량에는, 광섬유의 길이 변화와 편광 상태 변화 등이 존재한다.

특히, 광섬유 길이 변화에 따른 레이저 출력의 불안정은 조화 모드 로킹을 이용하는 능동형 레이저에서 주로 일어나는데 이에 대해 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 능동형 광섬유 레이저는 광변조기(optical modulator), 광증폭기(optical amplifier), 레이저 출력을 내는 광 방향성 결합기로 구성된다. 이때, 각 성분의 물리적 거리를로 규정하고, 각 성분의 굴절률을로 규정하면 광섬유 레이저의 광학적 거리는로 규정된다.

링형 공진기에는 레이저의 공진기 주파수의 간격에 따라 여러개의 종 모드가 존재한다. 외부 변조에 따른 변조기를 삽입한 능동형 모드 로킹 레이저에서는 변조기 주파수이 존재하며, 이러한 공진기 주파수와 변조기 주파수에 따른 능동형 모드 로킹 조건이 모든 종 모드에서 형성되는데, 이를 수식으로 나타내면,가 된다. 여기서 N은 임의의 양의 정수이다.

상기의 수식은, 능동형 모드 로킹을 유발하기 위해서는 공진기 주파수에 따라 변조기 주파수를 일정한 값을 갖도록 유지해야 한다는 것을 의미하며, 이러한 모드 로킹을 조화 모드 로킹이라 한다. 만약 공진기의 길이가 외부 조건의 변화에 따라 변하게 된다면, 공진기 주파수가 변하고 능동형 모드 로킹 조건도 변하게 된다. 따라서, 모드 로킹 조건을 만족하기 위해서는 변조기 주파수의 값을 공진기 주파수의 변화에 따라 변화시켜야 한다.

그러나, 광통신 시스템과 같은 경우에는 변조 주파수를 일정한 값으로 유지해야만 하는데, 그러기 위해서는 공진기 주파수의 값을 일정한 값으로 유지해야 하며, 따라서 광섬유 레이저의 길이를 일정하게 유지시켜야 한다. 즉, 외부 환경에 따른 광섬유 길이 변화를 최대한 억제해야만 안정된 레이저 출력을 얻을 수 있다는 결론에 이르게 된다.

모드 로킹된 광섬유 레이저의 안정화를 위해서는 온도에 의한 광섬유 길이 변화에 따른 신호 내의 잡음 성분을 찾아, 이들의 변화값을 최소화하는 방향으로 보상해야 하므로, 레이저 출력 시그널에 존재하는 잡음 성분을 먼저 확인하는 것이 매우 중요하다. 따라서 레이저 안정화 방법을 이러한 잡음 성분에 따라 구분할 수 있다.

상기의 구분에 의해 광섬유 레이저 안정화의 종래 기술을 살펴보면 크게 3가지로 요약될 수 있다.

먼저, 가장 처음 제안된 방식으로, 변조 주파수와 레이저 출력의 위상차를 일치시키는 방법이다.

이러한 방법은 'Xuekang Shan'에 의해 제안된 선행 특허 'Mode-loked fiber ring laser stabilization(미국 특허 등록번호 : 5,590,142)'에서 처음 시도된 방식으로, 레이저 공진기의 길이 안정화를 위한 잡음 소스로써, 출력 광신호에서 추출된 전기적 위상과 모드 로킹을 위해 변조기에 가해준 신호 사이의 위상차를 이용한다.

상기의 안정화 방식은, 광섬유 길이의 작은 디튜닝(detuning)에 따라 광신호와 변조기의 상대적 위상 차이를 나타낸다는데 착안한 것이다.

두번째 안정화 방식은, 'Hidehiko Takara'에 의해 제안된 선행 특허 'Mode-lockeder stabilization method and apparatus( 미국 특허 등록번호 : 5,646,774)'에 나타난 것으로, 감쇄 진동 주파수를 이용하여 레이저 공진기를 안정화 하는 방식이다.

감쇄 단진동(relaxation oscillation)은 모드 로킹 광섬유 레이저에서 공진기 길이가 변화할 경우 모드 로킹 조건이 만족되지 않으면 발생하고, 이때, 레이저 출력은 불안정하게 된다. 이러한 신호의 RF 스펙트럼에서는 감쇄 진동의 주파수 성분이외에, 그것의 조화(harmonic) 성분()이 감지된다.

이상적인 4차 여기 준위 시스템에서의 조화 진동 주파수는,이다. 여기서r은 위 준위로의 펌프 rate과 문턱치 펌프 rate들 사이의 비례상수 값이며,는 공진기의 decay 시간이고,는 윗 준위의 생존 시간이다.

만약 희토류 첨가 광섬유 레이저를 고려해 보면, r = 1 ~ 10,= 1 ms ~ 10 ms 이며= 1 ms ~ 10 ms 이므로,은 대략 10 ~ 500 kHz 의 값을 갖게 됨을 알 수 있다.

이와 유사한 에러 성분으로 수퍼모드(supermodes)가 있다. 능동형 광섬유 레이저의 변조시 발생하는 광변조기의 사이드밴드(sideband)는, 주어진 변조 주파수와 일치하는 하나의 종 모드에서, 그 종 모드를 중심으로 양쪽 이웃에 위치한 여러 종 모드로 에너지 전이가 발생한다. 이러한 결합된(coupled) 종 모드들이 수퍼모드로써, 최대 N 셋(set)을 가질 수 있고 이웃하는 종 모드 셋들 사이의 시간 간격은인 형태이다.

이러한 수퍼모드들은 각각 독립적으로 고유의 진동 주파수에 따라 진동하며, 때로는 능동 소자의 위치나 이득 매질의 공간 및 스펙트럼 홀 번닝에 의해 경쟁적으로 발진한다. 이때, 만약 단 하나의 수퍼모드만 발진하게 되면, N개의 동일한 시간 간격으로 레이저 공진기를 순환하고 있으며 N개의 펄스가 한번의 라운드 트립(round trip) 시간에 출력된다.

하지만 여러개의 수퍼모드가 여기되면, 그 주기 당 N개에서 하나까지의 펄스가 다양한 형태로 출력된다. 따라서, 수퍼모드들 사이의 상대적 진폭과 위상에 상관없이 안정된 레이저 출력을 얻기 위한 최상 형태의 조화 모드 로킹은, 두개의 내부 공진 변조기를 사용하는 것이다.

즉, 하나의 변조기는 N=1, 다시말해, 한 라운드 트립 당 1개의 펄스만 나오게 하고, 다른 하나의 N>>1로 동기화된 변조기는 모드 로킹 변조 주파수에서 작동하여 이상적인 펄스를 생성하는데 사용하게 한다. 이 경우 오직 하나의 수퍼모드가 여기된 상태에서 스펙트럼을 살펴보면, 모드 로킹 주파수, 즉, 변조 주파수과 그들의 조화 성분인,등만이 존재하지만, 모드 로킹 조건이 완벽하게 만족되지 못하면 여러개의 수퍼모드들이 근본적인 공진 주파수의 간격으로 RF 스펙트럼 상에 존재함을 알 수 있다.

그러므로 불안정한 조화 모드 로킹에서는, 위에 언급한 감쇄 진동 주파수 성분과 그것들의 조화 성분, 다시말해, 불필요한 수퍼모드 성분과 그것들의 조화 성분들이 생성될 것이고, 이것들 사이의 간섭은 또 다른 매우 많은 성분들을 생성할 것이다. 따라서, 이 경우에, 레이저의 공진 길이의 변화는 레이저 출력을 불안정하게 할 뿐만 아니라, 스펙트럼 상에서는 감쇄 진동 성분과 수퍼 모드 성분이 발생하도록 한다.

이와 같은 이유로, 상기의 성분들을 억제하는 방향으로 공진기의 길이를 변화시키는 것이, 바로 모드 로킹 조건을 최대한 만족시키는 방향으로 이동시키는 것임을 의미하게 된다.

마지막으로 'R. Kiyan'에 의해 발표된 논문 'stabilisation of actively mode locked Er doped fibre laser by minimising interpulse noise power (electronics letters, Vol.34 pp 2410-2411)'에 기술된 방식으로, 2x2 광변조기의 데드(dead) 포트로 통과하는 광에너지를 최소화함으로써 레이저 공진기를 안정화 하는 방식이다.

상기의 안정화 방식은 듀얼(dual) 포트 광변조기의 두개의 출력이 상호 보완적이라는 점을 이용한 것이다. 만약, 광섬유 레이저 길이와 변조기의 주파수가 정확히 일치한다면, 광변조기의 데드 포트로 통과하는 레이저 출력은 최소화된다. 실험적으로 공진기 길이의 변화는, 변조기의 데드 포트로 통과하는 광출력과 비례함을 알 수 있다. 그러므로 광변조기의 데드 포트로 통과하는 광출력을 최소화하는 방향으로 광섬유 레이저의 길이를 변화시켜 레이저 출력을 안정화할 수 있다.

하지만, 이상에서 설명한 방식들을 사용하여 레이저 안정화를 구현할 경우에는 온도가 증가하는지 감소하는지를 구별할 수 없다는 문제점이 있다.

즉, 상기에서 언급한 잡음 성분은 온도의 증감에 상관없이 대칭적으로 발생하므로, 레이저를 안정화시키기 위해서는 여러번의 반복을 통해 에러 신호가 증가는지 감소하는지를 결정하여야하며, 또한 공진기의 길이 변화의 방향을 결정하기 위해서는 디더링(dithering)과 같은 방법을 사용하거나, 또는, 수퍼모드나 감쇄 진동의 에러 성분을 동시에 측정하여 온도 변화의 방향을 결정해야 한다는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은, 광섬유의 비선형 효과인 브릴루앙 신호의 온도에 따른 주파수 변화를 에러 신호로 이용하여 광섬유 레이저를 안정화시킨, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 일실시예 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 검출 주파수 일예시도.

도 3 은 본 발명에 따른 온도에 대한 브릴루앙 주파수의 변화 결과의 일예시도.

도 4 는 본 발명에 따른 편광 유지 광섬유를 이용한 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 일실시예 구성도.

도 5 는 본 발명에 따른 편광 유지 광섬유를 이용한 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 검출 주파수 일예시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

101 : 브릴루앙 펌프 102 : 광섬유

111 : 어븀 첨가 광섬유 112 : 반도체 레이저

121 : PZT 소자 122 : 광수신기

123 : 주파수 비교기 124 : 고주파 증폭기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 있어서, 브릴루앙 펌프 신호를 발생시키기 위한 브릴루앙 펌핑 수단; 상기 브릴루앙 펌핑 수단에서 발생된 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 브릴루앙 신호를 생성하기 위한 브릴루앙 신호 생성 수단; 상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 입력받아 주파수 성분을 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 상기 주파수 검출 수단에서 검출된 상기 브릴루앙 신호의 주파수와 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 입력되는 신호의 주파수를 비교하여, 그 차를 측정하기 위한 주파수 비교/측정 수단; 상기 주파수 비교/측정 수단에서 측정된 주파수 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 신호 변환 수단; 상기 신호 변환 수단에서 변환된 전기적 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단; 및 상기 신호 증폭 수단에서 증폭된 신호를 입력받아, 그에 따라 길이가 팽창되거나 수축되어, 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 안정화시키기 위한 광섬유 수축 및 팽창 수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 있어서, 브릴루앙 펌프 신호를 발생시키기 위한 브릴루앙 펌핑 수단; 상기 브릴루앙 펌핑 수단에서 발생된 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 브릴루앙 신호를 생성하기 위한 브릴루앙 신호 생성 수단; 상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 입력받아 주파수 성분을 검출하기 위한 주파수 검출 수단; 상기 주파수 검출 수단에서 검출된 주파수 신호의 비팅 신호 성분을 추출하기 위한 신호 추출 수단; 상기 신호 추출 수단에서 추출된 주파수 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 신호 변환 수단; 상기 신호 변환 수단에서 변환된 전기적 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단; 및 상기 신호 증폭 수단에서 증폭된 신호를 입력받아, 그에 따라 길이가 팽창되거나 수축되어, 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 안정화시키기 위한 광섬유 수축 및 팽창 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 일실시예 구성도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치는, 브릴루앙 신호를 발생시키기 위해, 브릴루앙 펌프 신호를 발생시키기 위한브릴루앙 펌프(101), 실제로 브릴루앙 유도 산란이 발생하는 단일 모드(single mode) 광섬유(102), 상기 브릴루앙 펌프 신호를 공진기 내부로 삽입하기 위한 방향성 제 1 광섬유 결합기(103) 및 되돌아오는 브릴루앙 신호를 출력시키기 위한 광순환기(104)를 포함한다.

그리고, 모드 로킹 광섬유 레이저 공진을 위해, 어븀 첨가 광섬유(111)에 광펌핑을 위한 여기용 펌프 광원으로의 반도체 레이저(112), 광신호의 결합을 위한 제 2 광섬유 결합기(113), 신호를 발생시키기 위한 신호 발생기(114, function generator) 및 상기 외부의 신호 발생기(114)로부터 입력되는 신호를 통해 능동형 모드 로킹을 야기시키는 광변조기(115)를 포함하며, 또한, 모드 로킹된 레이저 출력을 모니터링하기 위한 제 3 광섬유 결합기(116) 및 한 방향으로 광신호가 진행하도록 하기 위한 광고립기(117, optical isolator)를 포함한다.

한편, 실제로 공진기 길이를 안정화시키기 위해, 전기적이며 가변적으로 수축과 팽창을 하는 PZT 소자(optical fiber PZT, 121), 브릴루앙 신호를 입력받아측정하는 광수신기(122), 상기 광수신기(122)에서 검출된 브릴루앙 신호와 상기 신호 발생기(114)에서 발생된 신호의 주파수 차이를 비교하는 주파수 비교기(123), 상기 주파수 비교기(123)에서 출력된 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 주파수-전압 변환기(124) 및 상기 주파수-전압 변환기(124)에서 변환된 전기적 신호를 증폭해 주는 전기적 증폭기(125)를 구비한다.

상기 각 구성 요소들의 상세 기능 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 광섬유 레이저의 모드 로킹을 위해 사용된 종래의 링형 레이저 공진기는, 광섬유 레이저를 발진시키기 위한 상기 반도체 레이저(112)를 이용하여 어븀 첨가 광섬유(111)를 펌핑하면, 상기 어븀 첨가 광섬유(111)의 이득 대역에서 레이저가 발진한다. 이때 상기 광변조기(115)에 상기 신호 발생기(114)에서 생성된 신호를 가해주면 능동형 모드 로킹이 구현된다.

이 경우, 광신호는 상기 광고립기(117)에 의해 한쪽 방향으로만 진행되며, 이것은 상기 제 2 방향성 광섬유 결합기(116)를 통하여 모니터링 된다.

상기 공진기 내부에서 브릴루앙 신호를 발생시키기 위해, 브릴루앙 펌프(101)를 공진기 내부에 삽입된 상기 단일 모드 광섬유(102)에 제 1 방향성 결합기(103)를 통해 삽입한다. 이때, 상기 단일 모드 광섬유(102)에서 발생하여, 상기 브릴루앙 펌프(101)의 반대 방향으로 진행하는 브릴루앙 신호를 검출하기 위해, 상기 제 1 방향성 결합기(103)와 상기 브릴루앙 펌프(101) 사이에 광순환기(104)를 삽입한다.

상기 광순환기(104)는 3개의 입출력 포트가 있는데, 상기 광순환기(104)의 1번 포트로 삽입된 신호는 2번 포트로 출력되고, 2번 포트로 입력되는 신호는 상기 광순환기(104)의 3번 포트로 출력된다.

이러한 광순환기(104)의 기능에 따라 입력된 브릴루앙 펌프는 상기 광순환기(104)의 1번 포트로 입력되어 2번 포트로 출력되고, 상기 단일 모드 광섬유(102)는, 상기 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 반대 방향의 브릴루앙 신호를 발생시켜 상기 제 1 방향성 결합기(103)와 상기 광순환기(104)의 3번 포트를 통해서 출력한다.

즉, 상기 광순환기(104)의 2번 포트로 출력된, 시계 방향으로 진행하는 브릴루앙 펌프 신호가 상기 단일 모드 광섬유(102)를 통과하면서, 상기 브릴루앙 펌프 신호와 반대 방향인 반시계 방향으로 브릴루앙 신호가 발생한다.

이때, 발생한 브릴루앙 신호의 크기는 브릴루앙 펌프(진행 상수 k1 (frequency P) )의 파워에 비례하며, 광섬유의 손실에 의해 브릴루앙 문턱 값을 갖게 되고, 브릴루앙 신호의 주파수 s(진행 상수 ks)는, 브릴루앙 펌프 신호 주파수 P(진행 상수 k1)에서 광섬유에서의 음속파의 음속 va에 관련된 전이 주파수(a = 2nva /lL)만큼 이동된 것이다.

상기 광섬유 상에 진행하는 음속은 온도 변화에 의존성을 갖는다. 따라서, 브릴루앙 신호의 주파수 전이는 외부 온도에 따라 매우 민감하게 변화한다. 온도 변화에 따른 전이 주파수 변화량을 나타내는 상수 Cvt = 1.2 MHz/K 인데, 이때 사용한 광파장은, lL= 1.32 mm 이다.

상기 브릴루앙 펌프(101)의 광세기를 높이면 일종의 브릴루앙 레이저가 형성되며, 이때도 일부 브릴루앙 신호는 상기 제 1 방향성 결합기(103)와 상기 광순환기(104)를 통해서 검출될 수 있다. 이러한 브릴루앙 레이저의 장점은, 브릴루앙 주파수 전이는 레이저 공진기에 포함된 모든 광섬유을 이용하여 발생되므로, 레이저 안정화의 정확도를 높일 수 있다는 데 있다.

여기서 브릴루앙 신호는, 상기 단일 모드 광섬유(102)에서만 발생되어 레이저 공진기의 길이 안정화를 위한 에러 신호로 사용되어지며, 브릴루앙 신호의 브릴루앙 펌프 신호에 대한 주파수 이동은 주위 온도에 따라 변화한다.

그리고, 브릴루앙 펌프 신호를, 실제로 브릴루앙 유도 산란이 발생하는 상기 단일 모드 광섬유(102)로 삽입하기 위한 제 1 방향성 결합기(103)는, 브릴루앙 펌프 광원의 세기와 레이전 발진 조건에 따라 50:50 방향성 결합기를 사용할 수 있다. 이때, 브릴루앙 신호의 진행 방향으로 광고립기(117)를 장착하면, 브릴루앙 신호 주파수에서도 레이저가 발진하게 된다.

도 2 는 본 발명에 따른 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 검출 주파수 일예시도이다.

도 2 에 도시된 그래프의 수치는, 상기 도 1 의 주파수 비교기(123)에서 검출된 주파수 성분들을 나타낸다. 따라서, 여기에는 상기 광변조기(115)에 가해준 주파수 성분과 상기 광수신기(122)에서 검출된 신호의 주파수 성분이 포함되어 있으며, 이들 두 주파수 간의 비팅(beating) 성분이 표시된다.

상기의 비팅 성분은 레이저 공진기 주변 온도에 따라 변화 일정한 방향으로 변화하게 된다. 이러한 변화를, 상기 광수신기(122)와 상기 주파수 비교기(123)를통해 주파수 차이를 검출하고, 그 차이의 크기에 따라 전기 신호로 변환한 후 이 신호를 전기적 증폭기(124)를 통해 증폭하여, 여기서 출력되는 전기적 신호에 따라 가변적으로 수축과 팽창을 하는 PZT 소자(121)에 되먹임함으로써 광섬유 레이저의 공진기 길이를 안정화 할 수 있다.

도 3 은 본 발명에 따른 온도에 대한 브릴루앙 주파수의 변화 결과의 일예시도이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 온도가 증가함에 따라 브릴루앙 주파수는 점차 증가하게 된다.

따라서, 이러한 변화를, 온도에 따라 변하는 레이저 공진기 길이의 안정화를 위한 에러 신호로 이용할 수 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 편광 유지(polarization maintaining) 광섬유를 이용한 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 일실시예 구성도이다.

도 4 에 도시된 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치는, 본 발명에 따른 두번째의 실시예로써, 편광 유지 광섬유의 두 편광 축에서 브릴루앙 산란을 유발시키고, 상기 두 신호의 비팅 성분이 외부 온도에 따라 변화하는 것을 이용하여 레이저 안정화를 구현하기 위한 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치이다.

도 4 에 도시된 실시예는 도 1 의 실시예와 비교하여, 도 1 의 단일 모드 광섬유로 구성된 광섬유와 소자들을 편광 유지 광섬유와 소자로 대체하여 구성한 것이다.

상기 각 구성 요소들의 상세 기능 및 동작을 살펴보면 다음과 같다.

편광 유지 광섬유(402)의 두 편광 축에서 각각 브릴루앙 유도 산란을 각각 야기시키면, 이들 두 축에서는 브릴루앙 주파수 전이의 차이가 발생한다. 이러한 신호를 반응 속도가 수백 밀리 초(ms) 이하가 되는 느린 광수신기(422)로 검출한다. 비팅 신호만을 검출하기 위해서 상기 광수신기(422)의 출력단에 저역 통과(low band pass) 필터(423)를 삽입한다.

이때, 상기 저역 통과 필터(423)의 투과 대역을 수십 MHz 미만으로 하면, 상기 저역 통과 필터(423)의 출력 신호는, 주파수의 변화를 전기 신호로 변환시켜 나타내주는 주파수-전압 변환기(424)와, 상기 주파수-전압 변환기(424)에서 변환된 전기 신호를 증폭해주는 증폭기(425)를 통과한 후, 상기 증폭된 전기적 신호에 따라 가변적으로 수축과 팽창을 하는 PZT 소자(421)에 되먹임 시킴으로써 광섬유 레이저의 공진기 길이를 안정화 할 수 있게 된다.

도 5 는 본 발명에 따른 편광 유지 광섬유를 이용한 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치의 검출 주파수 일예시도이다.

도 5 에 도시된 그래프는, 상기 도 4 에 도시된 광수신기(422)에서 검출된 주파수 성분을 나타내고 있다.

도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 편광 유지 광섬유(402)의 두 축에 각각 브릴루앙 신호가 발생되며, 이들 두 주파수 성분 간의 비팅 신호도 검출된다.

상기 도 4 와 같이 구성된 레이저 안정화 장치는, 도 1 의 장치와 비교하여, 두 편광 축의 브릴루앙 주파수 사이에 비팅 성분이 수백 kHz에서 수 MHz로써 비교적 낮은 주파수 대역의 소자들로 구성 될 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 브릴루앙 신호의 주파수 전이값이 온도에 민감한 점을 이용하여, 주파수 변화를 에러 신호로써 레이저 공진기에 되먹임하여 광섬유 레이저 공진기의 길이를 안정화시킴으로써, 종래의 방식에 비해 단순한 구조로 구현이 가능할 뿐만 아니라, 실시간으로 레이저 공진기를 안정화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 있어서,

   브릴루앙 펌프 신호를 발생시키기 위한 브릴루앙 펌핑 수단;

   상기 브릴루앙 펌핑 수단에서 발생된 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 브릴루앙 신호를 생성하기 위한 브릴루앙 신호 생성 수단;

   상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 입력받아 주파수 성분을 검출하기 위한 주파수 검출 수단;

   상기 주파수 검출 수단에서 검출된 상기 브릴루앙 신호의 주파수와 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 입력되는 신호의 주파수를 비교하여, 그 차를 측정하기 위한 주파수 비교/측정 수단;

   상기 주파수 비교/측정 수단에서 측정된 주파수 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 신호 변환 수단;

   상기 신호 변환 수단에서 변환된 전기적 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단; 및

   상기 신호 증폭 수단에서 증폭된 신호를 입력받아, 그에 따라 길이가 팽창되거나 수축되어, 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 안정화시키기 위한 광섬유 수축 및 팽창 수단

   을 포함하는 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 브릴루앙 신호 생성 수단은 단일 모드(single mode) 광섬유인 것을 특징으로 하는 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치.
3. 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치에 있어서,

   브릴루앙 펌프 신호를 발생시키기 위한 브릴루앙 펌핑 수단;

   상기 브릴루앙 펌핑 수단에서 발생된 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 브릴루앙 신호를 생성하기 위한 브릴루앙 신호 생성 수단;

   상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 입력받아 주파수 성분을 검출하기 위한 주파수 검출 수단;

   상기 주파수 검출 수단에서 검출된 주파수 신호의 비팅 신호 성분을 추출하기 위한 신호 추출 수단;

   상기 신호 추출 수단에서 추출된 주파수 신호를 전기적 신호로 변환하기 위한 신호 변환 수단;

   상기 신호 변환 수단에서 변환된 전기적 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭 수단; 및

   상기 신호 증폭 수단에서 증폭된 신호를 입력받아, 그에 따라 길이가 팽창되거나 수축되어, 상기 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치를 안정화시키기 위한 광섬유 수축 및 팽창 수단

   을 포함하는 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 브릴루앙 신호 생성 수단은 편광 유지(polarization maintaining) 광섬유인 것을 특징으로 하는 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 브릴루앙 펌핑 수단에서 발생된 브릴루앙 펌프 신호를 입력받아 전달하고, 다시, 상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 전달받아 상기 신호 검출 수단에 입력하가 위한 신호 순환 수단; 및

   상기 신호 순환 수단으로부터 브릴루앙 펌프 신호를 전달받아 상기 상기 브릴루앙 신호 생성 수단에 입력하고, 상기 브릴루앙 신호 생성 수단에서 생성된 브릴루앙 신호를 입력받아, 다시 상기 신호 순환 수단에 전달하기 위한 신호 전달 수단

   을 더 포함하는 모드 로킹 광섬유 레이저 공진 장치.