KR100587519B1 - 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법 - Google Patents

편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 편광모드에 의한 불안정성이 없는 편광유지 레이저 공진기를 이용하여 광변조기 대역폭보다 높은 반복율의 레이저 펄스를 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹에서 발생하는 펄스진폭의 불균일성을 제거함으로써 추가적인 펄스진폭 균일화 장치 없이 기존 광변조기의 변조지수의 최적화만을 통하여 펄스진폭 균일화를 구현할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 편광유지 특성을 갖는 광학부품과 광섬유로 구성되는 레이저 공진기를 이용, 유리 고조 모드록킹을 하여 변조주파수의 정수배인 레이저 펄스열을 얻되, 상기 광학부품 중에서 광변조기에 인가하는 전기변조신호의 출력을 최적화하여 펄스진폭이 균일한 유리 고조 모드록킹된 펄스를 얻음을 특징으로 한다.
균일화, 유리 고조 모드록킹, 레이저 공진기, 편광유지

Description

편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법 {Pulse-amplitude equalization method using polarization-maintaining laser resonator}
도 1은 본 발명에 적용되는 편광유지 레이저 공진기의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따라 40 GHz로 유리 고조 모드록킹된 레이저 펄스의 오실로스코프 사진이다.
도 3은 본 발명에 따라 40 GHz로 유리 고조 모드록킹된 레이저 펄스의 광스펙트럼 그래프이다.
도 4는 40 GHz로 유리 고조 모드록킹된 레이저 펄스의 RF스펙트럼 그래프로서, 도 4a는 균일화되지 않은 경우이고, 도 4b는 균일화된 경우이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 레이저 공진기 10 : 광섬유
12 : 광세기 변조기 14 : 광 고립기
16 : 가변 필터 18 : 어븀첨가 광섬유
20 : 파장다중 결합기 22 : 레이저 다이오드
24 : 분산천이 광섬유 26 : 90:10 결합기
28 : 광 지연기 30 : 신호발생기
본 발명은 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 편광모드에 의한 불안정성이 없는 편광유지 레이저 공진기를 이용하여 광변조기 대역폭보다 높은 반복율의 레이저 펄스를 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹에서 발생하는 펄스진폭의 불균일성을 제거함으로써 추가적인 펄스진폭 균일화 장치 없이 기존 광변조기의 변조지수의 최적화만을 통하여 펄스진폭 균일화를 구현할 수 있는 방법에 관한 것이다.
초고속 광통신이나 초고속 완전광 신호처리를 위한 광원으로서 고반복율의 광원이 필요하며, 반복율을 높이기 위해서는 대역폭이 넓은 광변조기가 필요하여 광변조기의 대역폭에 의해 반복율이 제한을 받게 된다.
일반적으로 광변조기에 인가하는 변조주파수가 레이저의 기본공진주파수의 정수배가 되도록 하는 고조 모드록킹(harmonic mode locking)을 통하여 변조주파수와 동일한 반복율의 레이저 펄스를 발생시키게 된다.
그런데 변조주파수를 레이저의 기본공진주파수의 정수배와 유리수배만큼 차이가 나도록 하게 되면, 반복율을 변조주파수의 정수배만큼 증가시킬 수가 있으며 이것을 유리 고조 모드록킹(rational harmonic mode locking)이라고 한다.
이 기술을 이용하면 기존의 광변조기를 그대로 사용하면서 반복율을 증가시킬 수가 있어, 간편하고 저렴하게 고반복율의 레이저 펄스를 얻을 수가 있는 반면, 레이저 펄스의 진폭이 균일하지 않다는 단점이 있다.
따라서 유리 고조 모드록킹된 펄스를 실용성 있게 사용하기 위해서는 펄스진폭 균일화(pulse-amplitude equalization)가 필요한데, 이를 위한 여러가지 방법이 개발되어 왔다.
즉, 광학적 되먹임을 이용하는 방법(C.G. Lee, Y.J. Kim, H.K. Choi, Chang-Soo Park, Pulse-amplitude equalization in a rational harmonically mode-locked semiconductor ring raser using optical feedback, Opt, commun., vol. 209, pp 417-425, 2002), 레이저 공진기 내에 패르비페롯 에탈론(Farby-Perot etalon)을 주입하는 방법(K.K. Gupta, N. Onodera, M. Hyodo, Technique to generate equal amplitude higher-order optical pulses in rational harmonically modelocked fibre ring laser, Electron. Lett., vol. 37, pp, 948-950, 2001), 공진기 내에 편광기를 설치하는 방법(Zhihong Li, Caiyun Lou. Kam Tai Chan, Yuhua Li, and Yizhi Gao, Theoretical and Experimental Study of Pulse-Amplitude-Equalization in a Rational Harmonic Mode-Locked Fiber Ring Laser, IEEE J. Quantum Elecron., vol. 37, pp. 33-37, 2001), 기타 다음과 같은 여러 가지 방법이 개발되어 왔다.
1. Hyuek Jae Lee, Kwangjoon Kim, Hae Geun Kim, Pulse-amplitude equalization of rational harmonically mode-locked fiber ring laser using a semiconductor optical amplifier loop mirror, Opt. Commun., vol. 160, pp. 51-56, 1999.
2. M.Y. Jeon, et al., External fibre laser based pulse amplitude equalization scheme for rational harmonic modelocking in a ring type fibre laser, Electron. Lett., vol. 34, pp. 182-184, 1998.
3. M.Y. Jeon, et al., Pulse-amplitude-equalized output from a rational harmonically mode-locked fiber laser, Opt. lett., vol. 23, pp. 855-857, 1998.
그런데 상기한 방법들은 레이저 발진을 위한 레이저 공진기 외에, 펄스진폭 균일화를 구현시키기 위한 별도의 추가적인 장치를 필요로 함으로써, 장치가 복잡하여 조작이 어렵고 가격이 비싸지게 된다.
좀 더 상세히 설명하면, 일반적으로 사용되는 고조 모드록킹에서 광변조기의 변조주파수 F가 레이저의 기본공진주파수 f의 n정수배인 nf가 되며, 출력 펄스의 반복율도 F=nf로 주어진다.
유리 고조 모드록킹에서 F=(n+1/m)×f로서 1/m유리수배만큼 차이가 남으로써 출력 펄스의 반복율은 mF=(mn+1)f로 주어지게 되며, 결과적으로 변조주파수 F의 m정수배만큼 높은 반복율을 얻을 수 있다.
그러나 상기 유리 고조 모드록킹은 일반적인 고조 모드록킹보다 안정성이 낮아져서 출력 펄스진폭이 균일하지 않아 실용성을 갖추기 위해서는 이를 균일화시키기 위한 펄스진폭 균일화장치가 필요하게 되어, 장치가 복잡해지고 조작이 어려우며 비싸지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광변조기 대역폭보다 높은 반복율의 레이저 펄스를 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹에서 발생하는 펄스진폭의 불균일성을 제거하기 위해 편광모드에 의한 불안정성이 없는 편광유지 레이저 공진기를 이용함으로써 추가적인 펄스진폭 균일화 장치 없이 기존 광변조기의 변조지수의 최적화만을 통하여 펄스진폭 균일화를 구현할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 편광유지 특성을 갖는 광학부품과 광섬유로 구성되는 레이저 공진기를 이용, 유리 고조 모드록킹을 하여 변조주파수의 정수배(n)인 레이저 펄스열을 얻되, 상기 광학부품 중에서 광변조기에 인가하는 전기변조신호의 출력을 최적화하여 펄스진폭이 균일한 유리 고조 모드록킹된 펄스를 얻음을 특징으로 하는 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법을 제공하고자 한다.
삭제
본 발명은 편광유지 특성을 갖는 광학부품과 광섬유로 구성되되, 광학부품은 상기 전기변호신호에 따라 광의 세기를 변조시키는 광변조기; 순방향으로만 광을 통과시키고 역방향의 진행은 차단시키는 광 고립기; 레이저의 발진파장을 변화시키는 가변 필터; 레이저의 이득매질인 어븀첨가 광섬유; 서로 다른 레이저 다이오드 파장과 광섬유 레이저 파장을 통과시키는 광섬유를 결합시키는 파장다중 결합기; 상기 어븀첨가 광섬유를 광펌핑시켜 에너지를 공급하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 공진기의 분산값을 최적화시키는 분산천이 광섬유; 상기 레이저 공진기 안의 레이저광의 일부를 출력으로 내보내는 m:n 결합기; 및 상기 레이저의 공진기 길이를 변화시키는 광 지연기;로 구성되는 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법에 있어서, 상기 레이저 공진기를 이용하여 유리 고조 모드록킹을 하여 변조주파수의 정수배인 레이저 펄스열을 얻는 단계; 및 상기 광학부품 중에서 광변조기에 인가하는 전기변조신호의 출력을 최적화하여 펄스진폭이 균일한 유리 고조 모드록킹된 펄스를 얻는 단계;를 포함하는 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법을 제시한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 공진기의 구성을 보여주고 있다.
레이저 공진기(1)를 구성하는 광섬유(10)는 편광유지(polarization maintaining) 광섬유로서 단일 선편광만으로 발진시키도록 해주고, 하기와 같은 기능을 갖는 각 광학부품은 편광유지 특성을 갖도록 제작된다.
광세기 변조기(Optical Intensity Modulator)(12)는 신호 발생기(30)로부터 신호를 받아 입력전기신호에 따라 광의 세기를 변조시킨다.
광 고립기(Optical Isolator)(14)는 순방향으로만 광을 통과시키고 역방향의 진행은 차단시킨다.
가변 필터(Tunable Filter)(16)는 레이저의 발진파장을 변화시킨다.
어븀첨가 광섬유(Er-Doped Fiber)(18)는 레이저의 이득매질이다.
파장 다중 결합기(Wavelength Division Multiplexing coupler)(20)는 서로 다른 파장을 통과시키는 광섬유를 결합시키는 것으로, 참고적으로 레이저 다이오드 파장은 980 nm, 광섬유 레이저 파장은 1550 nm이다.
레이저 다이오드(Laser Diode)(22)는 상기 어븀첨가 광섬유(18)를 광펌핑시켜 에너지를 공급한다.
분산천이 광섬유(Dispersion Shifted Fiber)(24)는 레이저 공진기(1)의 분산값을 최적화시킨다.
90:10 결합기(90:10 Coupler)(26)은 레이저 공진기(1) 안의 레이저광의 일부(10%)를 출력으로 내보낸다.
광 지연기(Optical Delay Line)(28)는 레이저의 공진기 길이를 변화시킨다.
이와 같이 편광유지(polarization-maintaining) 광섬유 및 광학부품을 사용하여, 레이저 공진기를 구성하면 편광의 변화에 따른 출력요동을 제거하여 안정된 레이저 출력을 얻을 수가 있다.
이와 같은 특성을 이용하여 본 특허에서는 유리 고조 모드록킹에 편광유지 레이저 공진기 기술을 적용시켜, 유리 고조 모드록킹을 시킬 경우, 광변조기에 인가하는 전기신호의 세기를 최적화하면 일반적인 레이저 공진기에서는 불가능했던 펄스진폭의 균일화를 구현할 수 있다.
원하는 모드록킹 조건을 만족시키도록 공진기 길이 또는 변조주파수를 조정한다.
우선 10 GHz 광변조기를 이용하여 고조 모드록킹을 하면 반복율 10 GHz의 출력펄스를 얻을 수 있다.
그러나 유리 고조 모드록킹을 하면 10 GHz의 정수배인 20, 30, 40 GHz의 펄스열을 얻을 수가 있는데, 이때 펄스진폭이 불균일해지는 현상이 일어난다.
그러나 광변조기에 인가하는 전기변조신호의 출력을 최적화하면 균일화된 펄스를 얻을 수가 있는데, 이는 종래의 기술로는 불가능하고 도 1과 같은 펄스진폭 균일화 장치를 이용해서 구현할 수가 있다.
도 2는 유리 고조 모드록킹된 레이저 펄스의 반복율이 40 GHz인 경우에 대해, 광변조기에 인가하는 변조신호의 출력에 따른 레이저 출력의 오실로스코프 사진으로서, (a)는 24 dbm, (b)는 23 dbm, (c)는 22 dbm, (d)는 21 dbm, (e)는 20 dbm, (f)는 19 dbm인 경우이다.
도시된 바와 같이, 일반적으로 레이저의 펄스는 불균일한 진폭을 나타내지만, 변조신호의 출력을 최적화(여기서는 (c)의 22 dbm)시키면 균일화된 펄스진폭을 얻을 수 있다.
도 3은 펄스진폭이 균일화 되었을 때의 광스펙트럼을 보여준다.
레이저 공진기의 기본공진주파수가 10 GHz에 해당하는 0.08 nm인 경우, 유리 고조 모드록킹을 통하여 반복율이 40 GHz가 되도록 조정하면, 0.08 nm의 4배인 0.32 nm 간격의 레이저 모드만 발진하고, 그 중간의 모드들은 없어지게 된다.
이러한 특성은 균일화된 펄스진폭을 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹 최적조건을 찾는 데에 유용하게 이용될 수 있다.
즉, 광스펙트럼에서 유리 고조 모드록킹이 최적화되면 해당 모드만 발진하고 중간 모드들은 최소화가 된다는 점을 이용하여 최적 조건을 찾을 수 있다.
도 4a는 균일화가 되지 않은 경우, 도 4b는 균일화가 된 경우의 레이저 출력의 광신호를 광전변환기로 변환시킨 RF스펙트럼을 보여준다.
도 4a에서 균일화가 되지 않은 경우에 40 GHz 성분 외에 10, 20, 30 GHz 성분이 동시에 나타나고, 도 4b와 같이 균일화가 되면 40 GHz 성분 외에 나머지 성분인 10, 20, 30 GHz 성분이 없어짐을 알 수 있다.
이러한 특성을 이용해서 균일화된 펄스진폭을 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹 최적조건을 찾는 방법으로 이용될 수 있다.
즉, RF 스펙트럼에서 유리 고조 모드록킹이 최적화되면 해당 주파수 성분만 발진하고 중간 주파수 성분들은 최소화된 다는 점을 이용하여 최적화 조건을 찾을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 광변조기의 대역폭보다 높은 반복율의 레이저 펄스를 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹 기술을, 실용성이 높도록, 펄스진폭을 별도의 추가장치 없이 균일화시킬 수 있는 편광유지 레이저 공진기를 통해 실현함으로써 초고속 광통신이나 초고속 광신호처리에 응용할 수 있는 초고속 광원에 활용될 수 있다.

Claims (4)

  1. 편광유지 특성을 갖는 광학부품과 광섬유로 구성되되, 상기 광학부품은 전기변호신호에 따라 광의 세기를 변조시키는 광변조기; 순방향으로만 광을 통과시키고 역방향의 진행은 차단시키는 광 고립기; 레이저의 발진파장을 변화시키는 가변 필터; 레이저의 이득매질인 어븀첨가 광섬유; 서로 다른 레이저 다이오드 파장과 광섬유 레이저 파장을 통과시키는 광섬유를 결합시키는 파장다중 결합기; 상기 어븀첨가 광섬유를 광펌핑시켜 에너지를 공급하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 공진기의 분산값을 최적화시키는 분산천이 광섬유; 상기 레이저 공진기 안의 레이저광의 일부를 출력으로 내보내는 m:n 결합기; 및 상기 레이저의 공진기 길이를 변화시키는 광 지연기;로 구성되는 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법에 있어서,
    상기 레이저 공진기를 이용하여 유리 고조 모드록킹을 하여 변조주파수의 정수배인 레이저 펄스열을 얻는 단계; 및
    상기 광학부품 중에서 광변조기에 인가하는 전기변조신호의 출력을 최적화하여 펄스진폭이 균일한 유리 고조 모드록킹된 펄스를 얻는 단계;
    를 포함하는 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합기에서 출력되는 광스펙트럼에서, 유리 고조 모드록킹이 최적화되면 해당 모드만 발진하고 중간 모드들은 최소화가 된다는 점을 이용하여, 균일화된 펄스진폭을 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹 조건을 찾음을 특징으로 하는 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합기에서 출력되는 광신호를 광전변환기로 변환시킨 RF스펙트럼에서, 유리 고조 모드록킹이 최적화되면 해당 주파수만 발진하고 중간 주파수 성분들은 최소화가 된다는 점을 이용하여, 균일화된 펄스진폭을 얻을 수 있는 유리 고조 모드록킹 조건을 찾음을 특징으로 하는 편광유지 레이저 공진기를 이용한 펄스진폭 균일화방법.
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