KR100377194B1 - 이중 링형 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로, 특히 향후의 동영상 무선 멀티미디어 서비스를 위한 밀리미터파 무선전송 시스템의 기지국 사이의 광선로망에 사용될 것으로 예측되고 있는 고주파수 레이저 광 발생기에 관한 것이다. 본 발명은 구현이 용이하면서도 레이저 광원의 변조 주파수 영역을 보다 넓힐 수 있는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 두 개의 링형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 단일화된 공진기 내에 이중 레이저 모드를 발진시켜 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 초고주파수(최대 40GHz)로 변조되는 레이저 광원을 제공한다. 두 개의 레이저 공진기 조건을 각각 만족시키는 안정된 이중모드의 레이저가 발진하여, 변조된 고주파수 레이저 광원이 발생되어 나오게 되며, 레이저 모드의 편광 의존도를 이용하여 편광 조절기에 의해 공진기 내에서의 이득의 변화를 유도하고, 이를 통해 발진되는 레이저의 변조 주파수를 최대 40GHz의 초고주파수로 가변시키는 것이다.

Description

이중 링형 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기{A utra high frequency modulated laser generator with double ring type fiber cavity structure}

본 발명은 무선 통신 기술에 관한 것으로, 특히 향후의 동영상 무선 멀티미디어 서비스를 위한 밀리미터파 무선전송 시스템의 기지국 사이의 광선로망에 사용될 것으로 예측되고 있는 고주파수 레이저 광 발생기에 관한 것이다.

대용량의 정보를 전송하는 방법으로 매질 내에 전파하는 광의 주파수를 변조시켜 정보를 보내는 기술이 있는데, 이를 고주파수 아날로그 광전송 기술이라고 한다. 고주파수 발생 광원은 고주파수 아날로그 광전송 시스템의 핵심 부품으로서, 차세대 무선 멀티미디어 서비스 기술을 위한 밀리미터파 무선전송 시스템에 있어서 기지국 사이의 광선로로 초고주파 광신호 전송망을 구축하는 데에 응용 될 것이다.

현재까지 이 분야의 기술은 세계적으로 5∼6년 전부터 반도체 레이저 다이오드를 비롯한 고체 레이저 등 여러 가지 형태의 광원이 연구 개발되었으나, 광원의 변조 주파수 영역이 낮게 제한되어 있어 현재 연구가 진행중인 주파수 대역에는 적합하지 않으며, 광원 제작 공정이 난이하여 실용성이 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 1999년 12월 23일자에 출원된 대한민국 특허출원 제99-61149호에서 링형 광섬유 레이저 공진기와 선형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 공진기 내에 이중 레이저 모드를 발진시켜 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 최대 20GHz로 변조 가능한 레이저 광 발생기를 제안한 바 있다.

첨부된 도면 도 1은 대한민국 특허출원 제99-61149호에 따른 복합 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 개략적 구성을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

도시된 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(100)는 크게 링형 광섬유 레이저 공진기(10), 선형 광섬유 레이저 공진기(20) 및 두 공진기(10, 20)를 결합하기 위한 50% 광섬유 결합기(30)로 구성된다.

링형 광섬유 레이저 공진기(10)는 광증폭을 위한 10m 광증폭섬유(LAF)(11), 비선형 편광 효과를 위한 20m 분산보상섬유(DSF)(12), 광방향 조절기(DC)(13), 편광 조절기(PC)(14)를 구비한다. 선형 광섬유 레이저 공진기(20)는 실질적인 100% 반사율을 가지는 거울(23a, 23b)이 양단부에 배치되며, 20m 분상보상섬유(22)와 편광 조절기(21)를 구비한다. 한편, 50% 결합율을 가지는 2×2 광섬유 결합기(FC)(30)가 두 공진기(10, 20)를 결합하고 있다. 레이저 펌핑은 파장이980nm인 레이저 다이오드를 사용하며, WDM(wave-length division multiplexing) 결합기(16)를 이용하여 광증폭섬유(11)의 일단부에 펌프 레이저를 입력하였다. 미설명 도면 부호 '15'는 10% 레이저 출력포트를 나타낸 것이다.

광증폭섬유(11)에서 펌핑에 의해 발생되는 넓은 파장 영역에 걸쳐 발생되는 광들이 분산보상섬유(12)에서 겪는 복굴절에 의해 편광에 따른 이득을 가지게 되고, 편광 조절기(14)에 의해 공진이 가능한 편광 상태만을 선택 받게 된다. 링형 광섬유 공진기(10)는 복굴절의 영향을 그대로 반영하는 편광 고유모드로 발진할 수 있게 되며, 선형 광섬유 공진기(20)는 공진기를 왕복하는 종합복굴절에 맞는 편광모드를 선택하게 된다. 두 개의 공진기를 결합하면, 하나의 레이저 광 발생기 안에 두 개의 공진기가 존재하여, 각각의 공진기에 적합한 레이저 모드가 같이 발진하게 된다. 발진되는 두 레이저 모드는 공진 주파수가 서로 다르며, 복굴절의 효과도 다르기 때문에 편광 상태 및 파장도 다르게 나타난다. 이 두 개의 레이저 모드가 같이 발진하면 모드 사이의 주파수 차에 따른 맥놀이 주파수로 광전력이 변조되어 발진하게 된다.

링형 레이저 공진기(10)에서는 편광 조절기(14)의 각(orientation angle, phase retardation) 조절에 의해 공진기의 이득 변화가 복굴절의 크기에 대해 민감하게 변화하게 된다. 한편, 레이저 공진기를 구성하는 광섬유 내에는 광섬유 제작시 복합적인 원인에서 존재하는 파장에 따른 변화가 심한 복굴절(birefringence)들이 존재한다. 따라서, 광증폭 광섬유의 이득 곡선과 구성된 공진기 내의 복굴절에 의한 이득이 서로 결합된 파장에 대한 레이저 모드의 이득은 파장에 따라 변화하게된다. 이와 같은 이득의 변화는 레이저 광의 편광과 파장의 변화도 크게 가져오기 때문에 복합 공진기 구조에서 편광 조절기로 넓은 범위로 광파장을 변화시킬 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 복합 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기는 두 개의 거울(23a, 23b)을 사용하기 때문에 구조가 다소 복잡하며, 변조 가능한 주파수 영역이 최대 20GHz로 제한되기 때문에 차세대 레이저 광원으로 사용하기에는 변조 주파수 영역을 보다 넓힐 필요가 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 본 발명은, 구현이 용이하면서도 레이저 광원의 변조 주파수 영역을 보다 넓힐 수 있는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 복합 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 개략적 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 링형 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 개략적 구성도.

도 3은 편광 조절기의 각의 변화에 따른 본 발명의 레이저 공진기의 이득 변화 특성도.

도 4는 광증폭 광섬유에서의 이득과 복굴절(birefringence)의 변화에 의한 이득을 결합한 레이저 공진 모드의 종합 이득 특성도.

도 5는 편광 조절기의 각 변화에 따른 레이저의 변조 주파수 변화 특성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

50 : 1차 링형 광섬유 레이저 공진기

60 : 2차 링형 광섬유 레이저 공진기

70 : 50% 광섬유 결합기

51 : 광증폭섬유

52, 62 : 분산보상섬유

54, 61 : 편광 조절기

53 : 광방향 조절기

55 : 10% 출력포트

56 : WDM 결합기

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 입력 포트와 레이저 출력 포트를 구비하는 제1 링형 광섬유 레이저 공진기; 상기 제1 링형 광섬유 레이저 공진기와 다른 길이를 가지는 제2 링형 광섬유 레이저 공진기; 및 상기 제1 링형 광섬유 레이저 공진기와 상기 제2 링형 광섬유 레이저 공진기를 결합하여 이중 레이저 모드를 발진시킴으로써 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상을 유도하기 위한 광섬유 결합기를 구비한다.

바람직하게, 상기 제1 및 제2 링형 광섬유 레이저 공진기는 각각, 출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기를 구비한다.

바람직하게, 상기 제1 링형 광섬유 레이저 공진기는, 펌프 레이저를 입력으로 하는 파장분할다중(WDM) 결합기; 상기 파장분할다중 결합기를 통해 입력된 광을 증폭하기 위한 광증폭섬유; 상기 광증폭섬유로부터 전달된 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산보상섬유; 상기 분산보상섬유로부터 전달된 광의 방향을 조절하기 위한 광방향 조절기; 상기 광방향 조절기로부터 전달된 광의 각을 조절하기 위한 상기 편광 조절기; 및 상기 광섬유 결합기로부터 전달된 광을 출력하기 위한 출력포트를 구비한다.

바람직하게, 상기 제2 링형 광섬유 레이저 공진기는, 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산보상섬유와, 상기 분산보상섬유와 상기 광섬유 결합기 사이에 제공되어 전달된 광의 각을 조절하기 위한 편광 조절기를 구비한다.

즉, 본 발명은 두 개의 링형 광섬유 레이저 공진기를 50% 광섬유 결합기로 결합하여 단일화된 공진기 내에 이중 레이저 모드를 발진시켜 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상에 의해 초고주파수(최대 40GHz)로 변조되는 레이저 광원을 제공한다. 두 개의 레이저 공진기 조건을 각각 만족시키는 안정된 이중모드의 레이저가 발진하여, 변조된 고주파수 레이저 광원이 발생되어 나오게 되며, 레이저 모드의 편광 의존도를 이용하여 편광 조절기에 의해 공진기 내에서의 이득의 변화를 유도하고, 이를 통해 발진되는 레이저의 변조 주파수를 최대 40GHz의 초고주파수로 가변시키는 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 소개하기로 한다.

첨부된 도면 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 링형 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기의 개략적인 구성을 도시한 것으로, 이하 이를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(200)는 크게 1차 링형 광섬유 레이저 공진기(50), 2차 링형 광섬유 레이저 공진기(60) 및 두 공진기(50, 60)를 결합하기 위한 50% 광섬유 결합기(70)로 구성된다.

우선, 1차 링형 광섬유 레이저 공진기(50)는 광증폭을 위한 10m 광증폭섬유(LAF)(51), 비선형 편광 효과를 위한 20m 분산보상섬유(DSF)(52), 광방향 조절기(DC)(53), 편광 조절기(PC)(54)를 구비한다.

다음으로, 2차 링형 광섬유 레이저 공진기(60)는 20m 분상보상섬유(62)와 편광 조절기(61)를 구비한다.

한편, 50% 결합율을 가지는 2×2 광섬유 결합기(FC)(70)가 두 공진기(50, 60)를 결합하고 있다. 레이저 펌핑은 파장이 980nm인 레이저 다이오드를 사용하며, WDM 결합기(56)를 이용하여 광증폭섬유(51)의 일단부에 펌프 레이저를 입력하였다. 미설명 도면 부호 '55'는 10% 레이저 출력포트를 나타낸 것이다.

이하, 본 실시예에 따른 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(200)의 동작을 살펴본다.

1차 링형 광섬유 레이저 공진기(50)의 광증폭섬유(51)에서 펌핑에 의해 발생되는 넓은 파장 영역에 걸쳐 발생되는 광들이 분산보상섬유(52)에서 겪는 복굴절에 의해 편광에 따른 이득을 가지게 되고, 편광 조절기(54)에 의해 공진이 가능한 편광 상태만을 선택 받게 된다. 링형 광섬유 공진기(50)는 레이저 광이 복굴절의 특성을 그대로 반영하는 편광 고유모드로 발진할 수 있게 되는데, 길이와 구조가 다른 두 개의 링형 공진기(50, 60)는 각각의 복굴절에 의해 형성되는 고유모드로 발진할 수 있게 된다. 두 개의 공진기(50, 60)를 결합하면, 하나의 레이저 광 발생기 안에 두 개의 공진기가 존재하여, 각각의 공진기에 적합한 레이저 모드가 같이 발진하게 된다. 발진되는 두 레이저 모드는 경험하게 되는 공진기의 길이가 서로 다르며, 복굴절의 효과도 다르기 때문에 편광 상태 및 파장도 다르게 나타난다. 또한, 광증폭섬유(51)에서의 이득도 각각 다르다.

그러므로, 편광 조절기(54, 61)로 편광 상태를 조절하면 편광에 대한 이득이 첨부된 도면 도 3과 같이 변화하면서, 종합 이득이 같아지는 레이저 모드가 발생할 수 있다. 이 두 개의 레이저 모드가 같이 발진하면 모드 사이의 주파수 차에 따른 맥놀이 주파수로 광전력이 변조되어 발진하게 된다.

링형 레이저 공진기에서는 편광 조절기의 각(orientation angle, phase retardation) 조절에 의해 공진기의 이득 변화가 복굴절의 크기에 대해 민감하게 변화하게 된다(도 3 참조). 한편, 레이저 공진기를 구성하는 광섬유 내에는 광섬유 제작시 복합적인 원인에서 존재하는 파장에 따른 변화가 심한 복굴절들이 존재한다.

따라서, 광증폭 광섬유의 이득 곡선과 구성된 공진기 내의 복굴절에 의한 이득이 서로 결합된 파장에 대한 레이저 모드의 이득은 첨부된 도면 도 4에 도시된 바와 같이 파장에 따라 변화하게 된다. 도 4에서 실선은 링형 레이저 공진기와 선형 레이저 공진기가 결합된 복합 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(상기 도 1 참조)의 파장에 따른 이득 변화를 나타낸 것이며, 점선은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 링형 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(도 2 참조)의 파장에 따른 이득 변화를 나타낸 것이다. 도면을 참조하면, 종래의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(도 1 참조)의 경우, 결합된 선형 공진기가 뒤틀림이나 구부러짐에 의한 복굴절의 변화에 민감하지 않는 반면, 복굴절의 효과가 감소하기 때문에 좁은 파장의 차이가 일어나서 낮은 변조 주파수로 발진하게 된다. 이와 비교하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 링형 공진기 구조의 초고주파수 변조 레이저 광 발생기(도 2 참조)의 경우에는 결합된 링형 공진기가 복굴절의 변화에 민감하지만 복굴절을 그대로 반영하여 2배에 가까운 변조 주파수를 갖는 레이저 광이 발진함을 확인할 수 있었다.

이와 같은 이득의 변화는 발진되는 레이저 광의 고유모드들의 편광과 파장의 변화도 크게 가져오기 때문에 복합 공진기 구조에서 편광 조절기로 넓은 범위로 광파장을 변화시킬 수 있으며, 이에 따른 변조 주파수도 첨부된 도면 도 5에 도시된 바와 같이 변화시킬 수 있게 된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 본 발명을 통해 단일의 레이저 광 발생기로부터 편광 조절기를 조정하여 발생하는 레이저의 변조 주파수 폭이 40GHz까지 가변되는 연속파 레이저를 발생시키는 기술을 확보하게 되었다. 기존의 레이저 광원 보다 간단한 구조를 가지며 넓은 범위에서 변조 주파수가 가변되는 본 발명에 따른 레이저 광원을 무선 멀티미디어 서비스를 위한 대용량 아날로그 광전송 시스템에 적용하면 적지 않은 경비 절감 효과를 가져 올 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

1. 레이저 입력 포트와 레이저 출력 포트를 구비하는 제1 링형 광섬유 레이저 공진기;

   상기 제1 링형 광섬유 레이저 공진기와 다른 길이를 가지는 제2 링형 광섬유 레이저 공진기; 및

   상기 제1 링형 광섬유 레이저 공진기와 상기 제2 링형 광섬유 레이저 공진기를 결합하여 이중 레이저 모드를 발진시킴으로써 두 레이저 모드 사이의 맥놀이 현상을 유도하기 위한 광섬유 결합기

   를 구비하는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 링형 광섬유 레이저 공진기는 각각,

   출력광의 주파수를 변조하기 위한 편광 조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 링형 광섬유 레이저 공진기는,

   펌프 레이저를 입력으로 하는 파장분할다중(WDM) 결합기;

   상기 파장분할다중 결합기를 통해 입력된 광을 증폭하기 위한 광증폭섬유;

   상기 광증폭섬유로부터 전달된 광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산보상섬유;

   상기 분산보상섬유로부터 전달된 광의 방향을 조절하기 위한 광방향 조절기;

   상기 광방향 조절기로부터 전달된 광의 각을 조절하기 위한 상기 편광 조절기; 및

   상기 광섬유 결합기로부터 전달된 광을 출력하기 위한 출력포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 제2 링형 광섬유 레이저 공진기는,

   광의 비선형 편광 효과를 얻기 위한 분산보상섬유와,

   상기 분산보상섬유와 상기 광섬유 결합기 사이에 제공되어 전달된 광의 각을 조절하기 위한 편광 조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 초고주파수 변조 레이저 광 발생기.