KR101155541B1

KR101155541B1 - 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치

Info

Publication number: KR101155541B1
Application number: KR1020100119979A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 김영진; 김윤석; 유준호; 김승만; 박상욱; 한승회
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-18
Also published as: KR20120058275A

Abstract

본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치에 관한 것으로, 펨토초 레이저 소스를 구비한 링 캐비티(ring cavity) 구조를 갖는 공진기, 파장판과 편광판을 구비하고, 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부, 상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부 및 상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 비선형 편광 횐전 방식의 모드잠금과정을 자동화하여 짧은 시간에 모드잠금시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치{Automation of Passive Mode-locking Process of Fiber Femtosecond Pulse Lasers}

본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치에 관한 것으로, 비선형 편광 회전(Nonlinear polarization rotation) 방식의 수동모드잠금을 자동화하여 쉬운 조작으로 짧은 시간에 모드잠금 된 광섬유 펨토초 레이저를 생성 하는 방법에 관한 것이다.

광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기는 대부분이 광섬유로 구성되어 있어 구성이 간결하고, turnkey 방식의 쉬운 작동과 환경변화에 둔감하여 장기간 작동이 가능하며, 통신대역에서의 광섬유 구성품을 사용하여 낮은 가격과 통신대역에서의 활용 등의 산업적으로 응용하기 좋은 여러 장점을 가지고 있다. Gain medium은 일반적으로 980 nm or 1480 nm의 pump 빛을 흡수하여 1550 nm를 중심파장으로 수십 nm의 대역폭의 gain을 형성하는 Erbium doped fiber와, 980 nm의 pump 빛을 흡수하여 1030 nm를 중심파장으로 수십 nm의 대역폭의 gain을 형성하는 Ytterbium doped fiber를 사용한다. EDF와 YDF의 넓은 gain에 의해 공진기 의 길이에 의해 정해진 반복률에 해당하는 간격을 갖는 10⁵ ~ 10⁶개의 주파수 모드들이 광 빗을 형성하고, 모드잠금에 의해 각 주파수 모드들의 위상을 일치 시켜 시간 축에서 좁은 펄스를 형성한다.

광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기의 종류는 크게 'ring-type'과'figure eight type' 그리고 'Fabry-Perot type'으로 나눌 수 있다. 'ring-type'에서는 NPE(nonlinear polarization evolution) 현상 및 광량에 따라 다른 투과, 흡수 특성을 보이는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 수동 모드잠금(passive mode locking)을 실현하여 좁은 펄스를 생성한다. 'Fabry-Perot type'의 경우 'ring-type'과는 달리 공진기 내부에서의 펄스의 진행 방향이 양방향이기 때문에 주로 포화 흡수 거울(saturable absorber mirror)을 이용하여 좁은 펄스를 생성한다. 반면 'figure eight type'의 경우는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계 방향과 반시계 방향으로 공진하는 펄스간 비선형 현상의 차이를 이용하여 좁은 펄스를 생성한다.

광섬유 펨토초 레이저의 passive mode locking 종류는 일반적으로 Saturable absorber, Nonlinear amplifying loop mirror, Nonlinear polarization evolution을 이용한 세 가지 방식으로 나눠진다.

Saturable absorber는 빛의 세기가 증가하게 되면 빛의 흡수가 감소하는 현상을 이용한 것으로, 공진기 안에서 진행하는 펄스의 side 부분은 빛의 세기가 약하기 때문에 saturable absorber를 통해 흡수가 되어 더 이상 공진기 내부를 진행을 못하는 반면, 펄스의 middle분분은 빛의 세기가 강하여saturable absorber에서의 흡수를 saturation 시켜 공진기 내부를 계속 진행하므로 좁은 펄스폭을 갖게 하는 모드잠금을 유도한다. 모드잠금 시 사용되는 saturable absorber의 종류는 semiconductor saturable absorber, carbon nanotubes, graphene등이 있다. Saturable absorber를 이용한 모드잠금의 장점은 다른 모드잠금 방식에 비해 쉽게 모드잠금이 가능하고, 짧은 길이의 공진기를 구성할 수 있어 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저 형성이 가능하며, 주변 환경 변화에 의한 광섬유 내부에서의 편광 변화에 영향이 적다. 단점으로는 mW수준의 absorber damage threshold를 갖고 있고 한정된 수명이 있으며 relaxation time에 따라 줄일 수 있는 펄스폭이 수 백 fs 수준으로 한정되어 있다.

Nonlinear amplifying loop mirror를 이용한 모드잠금은 'figure eight type' 공진기에서 사용되는 모드잠금 방식이고, 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 펄스의 Gain을 다르게 하거나 coupling 비율을 다르게 하여 두 펄스간의 비선형 위상 차이를 발생하고, 두 펄스가 만나는 지점에서 간섭을 통해 펄스의 intense한 middle 부분이 보강간섭이 되어 transmission이 최대가 되는 반면 펄스의 weak한 side부분은 상쇄간섭을 유도하여 transmission을 낮춤으로 좁은 펄스폭을 유도하는 모드잠금 방식이다. 장점으로는 긴 공진기 길이를 이용하므로 높은 에너지와 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있다. 단점으로는 긴 공진기 길이가 요구되므로 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저를 형성하기 어렵다.

Nonlinear polarization evolution 방식은 모드잠금 방식으로 빛의 세기에 따른 굴절률의 변화를 이용하여 Nonlinear Kerr Rotation을 발생하므로 모드잠금을 유도한다. 공진기 내부에 pump power를 증가시켜주면 gain medium에서 방출대역으로 spontaneous emission을 하게 되고 spontaneous emission된 백색 잡음 중 가장 높은 세기를 갖는 부분이 증폭되어 작은 펄스를 생성하는 'self starting' 을 하게 된다. 공진기 내부에서 생성된 펄스는 polarizer에 의해 선형 편광상태를 갖게 되고 polarization controller1에 의해 타원 편광으로 바뀌게 된다. 타원편광의 펄스는 single mode fiber의 Kerr medium에서 nonlinear kerr rotation에 의해 회전하게 된다. Kerr medium에서 타원편광의 회전은 광량에 의존하기 때문에 펄스의 빛의 세기가 강한 middle 부분과 빛의 세기가 약한 side부분 각각의 타원 편광 회전 정도가 다르게 된다. 즉 Kerr medium과 Kerr medium이후의 polarization controller2를 조절하여 펄스의 intense한 부분과 weak한 부분의 타원편광의 주축을 서로 수직하게 조절한 후 선형편광으로 바꿔주어 polarizer에 의해 펄스의 intense한 부분은 통과 시키고 weak한 부분은 잘라내어 좁은 펄스를 유도하게 된다. 장점으로는 특별한 장치 없이 noise perturbation 으로 부터 모드잠금을 위한 self starting 이 가능하고, 한정된 수명이 없고 비교적 저렴한 통신대역의 광섬유 제품들로 구성이 가능하며, 100 fs 이하의 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있다. 단점으로는 광섬유 내부에서의 편광 변화를 이용해야 하므로 안정된 편광 상태를 위하여 온도안정화가 필요하다.

Nonlinear polarization evolution 모드잠금 조건은 공진기 내부의 polarizer에 의해 펄스 중심의 intense 한 부분이 살아남고 펄스 가장자리의 weak한 부분은 제거 시킬 수 있는 'artificial saturable absorber' 를 형성하는 조건을 말한다. 광섬유 기반 펨토초 레이저의 모드잠금을 결정짓는 요소는 polarization, pump power, nonlinearity, dispersion 이다. 이 4가지 요소를 조절하여 모드잠금 조건을 만족 시키므로 안정된 모드잠금을 할 수 있다. 이 4가지 요소는 서로 긴밀하게 연관되어 있어 각 요소를 조절할 때 다른 요소에 영향을 끼치므로 서로 제한 조건이 되기도 한다.

Polarization은 공진기 내부에 구성 되어 있는 polarization controller의 조절과 kerr medium 안에서 비선형 현상에 의해 발생되는 nonlinear polarization rotation 정도를 조절하므로 모드잠금에 적합한polarization을 유도한다. Kerr medium 에서nonlinear polarization rotation의 정도를 조절하기 위해서 pump power 조절에 의한 kerr effect를 조절하고, Polarization controller는 waveplate들 또는 광섬유 비틀거나 눌러주는 방식의 광섬유 polarization controller들의 조합으로 이루어 져 있어 waveplate들를 회전시키거나 또는 광섬유에 복굴절을 형성시킴으로 모드잠금 조건을 만족하는 polarization상태를 조절한다. 일반적으로 공진기를 구성하는 광섬유 길이는 정해져 있으므로 pump power를 고정시켜 비선형 현상에 의한 nonlinear polarization rotation을 일정하게 했을 때 polarizer 이후, kerr medium 이전에 polarization controller를 두어 초기 타원 편광을 형성하고, kerr medium 이후, polarizer 이전에 polarization controller2를 두어 모드잠금 조건에 맞도록 타원편광의 회전을 조절하게 된다.

Pump power는 앞에서 설명 하다시피 kerr medium 내부에서 비선형 현상에 의한 nonlinear polarization rotation을 조절하는 동시에 공진기 내부의 gain을 조절하는 역할을 한다. 즉 polarization controller의 편광상태가 정해져 있을 때, pump power를 조절하므로 kerr medium 내부에서nonlinear polarization rotation을 조절하여 모드잠금을 유도할 수 있다. 만약 pump power에 의한 nonlinear polarization rotation만으로 모드잠금 조건을 만족 시킬 수 있다면, 공진기 내부에 polarization controller를 사용하지 않아도 된다. 하지만 광섬유 내부가 균일하지 못하고 공진기 구성 시 광섬유의 휘어짐과 광섬유 연결부위의 splicing상태 등에 의해 polarization controller없이 모드잠금 조건을 찾기란 어렵다. 모드잠금 된 상태에서 pump power를 계속 증가시키면 모드잠금 조건을 만족하는 polarization 상태를 벗어나 모드잠금이 깨지게 된다. 또한 pump power의 계속 된 증가는 excessive nonlinear phase shift를 발생시켜 wave breaking을 발생 시키거나, pulse외에 noise성분에 gain을 주게 되고 gain medium에서 pulse 부분의 증폭을 saturation 되는 반면 noise 성분의 증폭이 커져 multi-pulse를 생성하게 된다.

Nonlinearity는 nonlinear polarization rotation을 발생시켜 모드잠금 조건을 형성시키기 위한 중요한 요소이며 pump power에 의해 조절되고 공진기에서 형성되는 pulse의 energy를 한정 짓는다.

Dispersion은 공진기를 형성하는 서로 다른 부호와 크기를 갖는 dispersion의 광섬유 길이를 조절하여 조절할 수 있고, dispersion을 조절 하므로 공진기에서 생성되는 pulse의 특성을 조절 할 수 있다. 공진기 전체의 dispersion을 조절함으로써 net dispersion이 - (anomalous dispersion) 영역이면 solution fiber laser를 형성하고, net dispersion이 + (normal dispersion)이면 self-similar fiber laser를 형성하며, net dispersion이 0 (zero dispersion)이면dispersion managed fiber laser를 형성한다. 각 fiber laser는 서로 다른 dispersion 특성에 의해 공진기 내부에서 펄스를 형성하는 condition이 다르고 이러한 condition은 pulse energy와 pulse width를 결정짓는 역할을 한다.

이처럼 광섬유 펨토초 레이저를 비선형 편광회전 방식으로 수동모드잠금하기 위해서, 공진기 내부의 편광 조절 부분을 구성하고 있는 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금 조건에 적합한 편광 상태를 찾아야 한다. 일반적으로 파장판을 수작업으로 회전시켜 수동모드잠금을 하지만, 이 경우 모드잠금 조건을 찾는데 긴 시간이 필요하고 다수의 파장판을 동시에 회전시키기 어려우며 정밀하게 조절하기 힘든 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 비선형 편광 회전 방식의 수동모드잠금 과정을 자동화하여 쉬운 조작으로 짧은 시간에 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금을 달성하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펨토초 레이저 소스를 구비한 링 캐비티(ring cavity) 구조를 갖는 공진기, 파장판과 편광판을 구비하고, 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부, 상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부 및 상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공진기는, 광을 출력하는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 파장 분할 다중화시키는 WDM(wavelength division multiplexer), 상기 WDM에서 출력되는 광을 게인 미디움(gaim medium)으로 사용하기 위한 EDF(Erbium doped fiber)와 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 SMF(Single mode fiber), 아이솔레이터(isolator) 및 상기 공진기에서 출력되는 광을 상기 모드잠금감지부로 제공하는 광커플러를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 EDF와 SMF의 길이를 조절하여 공진기의 분산특성과 반복률을 제어한다.

또한, 상기 자동편광조절부는, 회전 가능하게 구비되는 다수의 파장판, 다수의 상기 파장판 사이에 구비되어 편광판, 상기 공진기로부터 광을 전달받기 위한 광포트 및 다수의 상기 파장판의 회전을 제어하는 구동부를 포함한다.

또한, 상기 구동부는, 상기 파장판을 회전시키는 스텝모터, 상기 스텝모터와 연동하여 상기 파장판으로 회전력을 전달하는 기어, 상기 스텝모터의 구동을 제어하는 구동 드라이브를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 자동편광조절부는, 다수의 파장판의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 회전시켜 편광을 조절한다.

또한, 상기 편광판과 파장판은, 다수의 패들(paddle)에 광섬유를 감아 구성시키고, 상기 광섬유를 비틀거나(squeeze) 늘려주어(press) 편광을 조절한다.

또한, 상기 모드잠금감지부는, 상기 공진기에서 출력되는 광을 임의의 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링 하는 광필터(optical filter), 상기 광필터를 통해 필터링된 광을 임의의 반복률에 해당하는 RF신호를 감지하는 광검출기, 상기 광필터를 통해 필터링된 광에서 일차 반복률만을 필터링하는 전자필터(electronic filter), 상기 전자필터를 통해 필터링된 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부 및 상기 A/D변환부에서 감지하기 위한 주파수가 빠를 경우 이보다 느린 주파수로 변환하여 신호처리해주는 주파수 분주기를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 광필터는, 모드잠금 전/후 스펙트럼이 겹치지 않는 파장대역의 필터를 적용한다.

또한, 상기 전자 필터는, 첫 번째 반복률의 주파수만 필터링 할 수 있는 주파수대역을 갖는 것을 적용한다.

또한, 상기 A/D 변환부는, Schmitt trigger, A/D convertor, comparator 중 어느 하나를 사용한다.

또한, 상기 자동편광조절부는, 최적의 모드잠금 상태를 유지시키기 위해 모드잠금 후 상기 각 파장판들의 초기 회전각을 중심으로 ㅁ 0도부터 ㅁ 15도로 왕복 회전시키는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 비선형 편광 회전 방식의 수동 모드잠금 과정을 자동화하여 짧은 시간에 광섬유 펨토초 레이저를 모드잠금 시킬 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 쉬운 조작으로 광섬유 펨토초 레이저를 모드잠금 시킬 수 있으므로 산업적으로 적용할 수 있는 장점을 갖고 있다. 또한, 높은 안정도를 갖는 넓은 파장 대역의 광 빗과 femtosecond 단위의 좁은 펄스를 생성하므로 거리측정, 가공 등의 많은 응용에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 전체 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 파장판 회전부의 상세 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 모드잠금감지부의 상세 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로 다수의 파장판들과 편광판을 광섬유 형태로 구성한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 모드잠금 자동화 장치의 편광조절 과정을 나타낸 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 자동적 모드잠금의 과정을 나타내는 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 모드잠금 감지 과정을 나타낸 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 모드잠금 전 후의 스펙트럼 차이와 모드잠금을 감지하는 과정을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 자동 모드잠금된 광섬유 펨토초 레이저의 잡음 감소 방법을 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치는 펨토초 레이저 소스를 구비한 링 캐비티(ring cavity) 구조를 갖는 공진기(100), 파장판(108)과 편광판(109)을 구비하고 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부(107), 상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부(114) 및 상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치는, 편광상태를 조절하기 위한 파장판을 구동부를 통해 구동시키고, 모드잠금감지부를 통해 최적의 모드잠금상태를 검출하고 모드잠금 할 수 있는 자동화 장치를 제공하고는 것을 주요 기술적 요지로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 전체 구성도이다. 본 발명에 따른 모드자금 자동화 장치는, 크게 공진기(100)와, 자동편광조절부(107)와, 모드잠금감지부(114)로 구성된다.

본 발명에서 적용되는 공진기는 링타입(ring-type)으로써, 링캐비티(ring cavity) 구조를 갖으며, 비선형 편광 회전(Nonlinear polarization rotation) 방식으로 모드잠금을 구현한다.

상기 공진기(100)의 구조를 살펴보면, 광을 출력하는 레이저다이오드(LD ; 105), 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 파장 분할 다중화시키는 WDM(wavelength division multiplexer ; 104), 상기 WDM에서 출력되는 광을 게인 미디움(gaim medium)으로 사용하기 위한 EDF(Erbium doped fiber ; 101)와 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 SMF(Single mode fiber; 102) 및 광파의 전송방향을 구속하는 아이솔레이터(isolator ; 103)로 구성된다. 여기서 상기 EDF와 WDM의 길이를 조절하여 공진기의 분산특성과 반복률(Repetition rate)을 조절할 수 있다.

이러한 공진기의 구성은 공지의 기술임으로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 본 발명에서 사용되는 공진기는 일예를 나타낸 것으로, 이는 당업자라면 다양하게 변경 가능함은 물론이며, 이러한 범위를 본 발명의 권리범위에 속한다고 볼 수 있다.

자동편광조절부(107)는 상기 공진기 내부에 구비되어 편광을 자동으로 조절하여 최적의 모드잠금 조건에 해당하는 편광상태가 되도록 한다. 상기 자동편광조절부는 회전 가능하게 구비되는 다수의 파장판(108), 상기 파장판 가운데 위치하는 편광판(109), 상기 파장판을 상대적으로 회전시키기 위한 구동부(113) 및 공진기를 구성하는 광섬유로부터 상기 자동편광조절부로 광을 입/출력하기 위해 파장판 양측으로 구비되어 광섬유에서 나온 빔을 콜리메이팅하고 다시 포커싱하는 광포트(optical port)를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 주요 특징으로 모드잠금을 위해 편광기(Polarizer) 또는 편광광분할기(PBS : Polarization Beam Splitter)로 구성되는 편광판의 편광 축을 기준으로 상기 파장판이 자동화된 상대적인 회전을 통해 최적의 모드잠금을 위한 편광 상태를 도달시킨다.

도 2는 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 파장판 회전부의 상세 구성도이다. 상기 자동편광조절부의 파장판을 선택적으로 회전시켜 모드잠금을 위한 최적의 편광 상태를 만들기 위하여 상기 파장판을 회전시키기 위한 스텝모터(302)와, 상기 스텝모터에 구비되어 기어(300)와 파장판에 구비된 기어(300)가 소정의 브라켓(미부호)에 연결되어 스텝모터의 회전으로 파장판을 회전시킨다. 상기 스텝모터는 구동부(113)의 제어 시그널을 통해 제어된다.

여기서, 파장판들의 회전에는 일정한 회전 전략이 필요하다. 예를 들어 모든 파장판들이 동일한 방향으로 동일 각도로 회전할 경우, 생성할 수 있는 편광상태의 조합이 제한된다. 또한 모든 파장판들의 회전각 사이에 일정한 비율이 생성될 경우 역시 편광상태의 조합이 제한된다.

따라서, 파장판들의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 하여, 편광상태 조합의 제한 없이 최적의 모드잠금 조건을 찾을 수 있어야 한다. 이러한 단위 회전각도의 조합을 사용함을 특징으로 한다. 이의 일례로, 세 개의 편광판을 사용할 경우, 시계방향으로 3/360, 반시계 방향으로 7/360, 시계 방향으로 11/360과 같은 소수 단위 회전각의 조합을 통해, 편광상태의 조합을 제한 없이 자유롭게 생성할 수 있다. 네 개의 편광판을 사용할 경우, 반시계 방향으로 13/360의 단위 회전각을 추가할 수 있으며, 다섯 개의 편광판을 사용할 경우, 시계 방향으로 17/360의 단위 회전각을 추가하는 등의 조합을 늘려갈 수 있음을 특징으로 한다. 여기서 파장판의 개수를 증가시킬수록 더 정밀하게 편광상태를 조절할 수 있다.

위와 같이 스텝모터 제어에 의한 파장판들의 상대적인 회전을 통해 최적의 모드잠금 상태를 찾은 후, 레이저를 반복 사용할 때마다 현재의 모드잠금 상태를 유지하여 항상 같은 특성을 갖는 펄스를 생성하여야 한다. 하지만, 외부의 온도 변화나 진동 등으로 인해 광섬유 펨토초 레이저의 편광상태가 약간 변하게 되어 모드잠금 상태를 유지할 수 없게 된다. 온도나 진동에 의해 변화된 편광상태는 최적의 모드잠금을 이루었던 편광상태와 작은 차이를 갖는다.

따라서, 최적의 모드잠금 상태를 유지하려면 모드잠금을 위한 편광상태의 조합을 이루었던 각 파장판들의 초기 회전각을 중심으로 약간의 왕복 회전이 필요하다. 이 때, 파장판들의 왕복 회전에는 일정한 전략이 필요하다. 앞서 설명한 최적의 모드잠금 편광상태를 찾는 것과 마찬가지로 파장판들의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 한다. 즉, 서로 다른 소수단위의 각속도를 가지고 회전하여야 하며 초기 회전각을 중심으로 최대 ± 15도 까지 왕복회전을 해야 한다. 이때 왕복 회전각은 ± 0도부터 ± 15도 까지 점차적으로 증가시킨다.

도 3은 본 발명에 따른 모드잠금감지부의 상세 구성도이다. 모드잠금감지부(114)는 상기 공진기에서 출력되는 입력받으며, 상기 자동편광조절부를 통해 조절된 최적의 편광상태를 검출 받아 모드잠금을 제어한다.

상기 모드잠금감지부(1140)는 상기 공진기에서 출력되는 광을 임의의 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링 하는 광필터(optical filter ; 115), 상기 광필터를 통해 필터링된 광을 임의의 반복률에 해당하는 RF신호를 감지하는 포토다이오드(PD)로 구성되는 광검출기(116), 상기 광필터를 통해 필터링된 광에서 일차 반복률만을 필터링하는 전자필터(electronic filter ; 117), 상기 전자필터를 통해 필터링된 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(118) 및 상기 A/D변환부에서 감지하기 위한 주파수가 빠를 경우 이보다 느린 주파수로 변환하여 신호처리해주는 주파수 분주기(119)를 포함하여 구성된다.

상기 A/D 변환부(118)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 Schmitt trigger or AD convertor or comparator 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 모드잠금감지부의 자동적 모드잠금의 과정과 모드잠금 감지 과정을 아래 도 6과 도 7을 통해 더 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로 다수의 파장판들과 편광판을 광섬유 형태로 구성한 구성도이다. 도 4에 도시된 것은 편광 조절을 위한 편광판과 파장판을 광섬유로 구성한 예를 도시한 도면이다. 광섬유 형태로 대체한 파장판들은 광섬유를 다수의 paddle에 감아 회전시키거나, 광섬유를 비틀거나(squeeze), 눌러주어(press) 파장판의 역할을 하고, paddle의 회전이나 광섬유를 비틀고 눌러주는 작업을 자동화하여 자동회전광섬유파장판(Auto rotating fiber waveplates)의 역할을 하게 된다. 광섬유를 비틀거나 눌러주는 기계적 메카니즘은 도시하진 않았지만, 단순 기계적 구성을 통해 용이하게 설계할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 모드잠금 자동화 장치의 편광조절 과정을 나타낸 순서도이다.

한편, 본 발명에 따른 제어부는 일반적은 PC 단말기로 구성할 수 있으며, 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 적절히 연동시킬 수 있는 프로그램이 설치된 제어부로 구성할 수 있다. 편광조절 과정은 우선, 제어부의 명령을 통해 응용프로그램을 사용하여 편광 조절의 실행/정지 명령을 내린다. 실행/정지 신호를 받은 구동부는 step pulse와 direction signal을 생성하고, 그에 해당하는 current를 생성하여 스텝모터(302)를 구동/정지시킨다. 스텝모터는 torque를 생성하여 스텝모터와 기어를 통해 기계적으로 결합된 파장판(108)을 회전/정지시킨다. 이를 통해 여러 개의 파장판이 회전/정지함으로 편광조절이 시작/정지된다.

도 6은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 자동적 모드잠금의 과정을 나타내는 순서도이다. 제어부는 응용 프로그램을 사용하여 모드잠금감지부를 실행 시킨다. 앞서 설명한 바와 같이 응용 프로그램으로부터 실행 신호를 받은 구동부는 스텝모터를 회전시킨다. 스텝모터에 연결되어 있는 공진기 내부의 파장판들은 각기 다른 속도로 회전하기 시작하여 자동 편광 조절이 시작된다. 이때, 모드잠금감지부의 광검출기(116)는 자동 편광 조절되는 동안에 공진기의 출력을 감지한다.

자동 편광 조절로 인해 수동 모드잠금이 되면 광검출기는 수동모드잠금 됨을 알 수 있는 신호를 감지하게 된다. 자동편광조절부의 편광 조절로 최적의 모드잠금상태를 감지하면, 상기 제어부는 스텝모터를 정지시킨다. 스텝모터에 연결되어 있는 파장판들의 회전이 멈추어 자동 편광 조절이 끝나므로 안정된 모드잠금 상태를 유지한다.

도 7은 본 발명에 따른 모드잠금 감지 과정을 나타낸 순서도, 도 8은 본 발명에 따른 모드잠금 전 후의 스펙트럼 차이와 모드잠금을 감지하는 과정을 나타낸 도면이다. 이를 참조하여 모드잠금 감지 과정을 설명한다.

앞서 도 6의 순서도를 통해 모드잠금 과정에서 설명한 바와 같이 모드잠금된 공진기에서 광 빗(optical comb)이 생성된다. 여기서 상기 공진기 출력단에 연결된 광필터(optical filter)에 의해 광필터 통과 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링하며, 광검출기(photo detector)에 의해 반복률(repetition rate)에 해당하는 RF 신호를 감지한다.

또한, 전자필터(electronic filter)를 사용하여 일차 반복률 만을 필터링하고, A/D변환부를 통해 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하여 신호감지를 용이하게 한다. 만약 반복률이 신호를 감지하기에 빠른 주파수를 갖는다면 주파수분주기(electronic divider)를 사용하여 반복률에 해당하는 빠른 주파수를 느린 주파수로 바꾸어 신호를 처리하는데 용이하도록 한다. 응용프로그램에서 신호를 감지하여 자동 모드잠금을 위한 편광 조절을 멈춘다.

도 9는 본 발명에 따른 자동 모드잠금된 광섬유 펨토초 레이저의 잡음 감소 방법을 도시한 그래프이다. 자동 모드잠금 된 광섬유 펨토초 레이저의 잡음 감소 방법으로 내용은 다음과 같다. 자동모드잠금 된 공진기에서 생성된 광 빗을 광검출기로 detection 하게 되면 RF domain 에서 (도 9)-(1)과 같이 반복률 harmonics들과 그 사이에 noise 성분이 나타나게 된다. Noise 성분을 감소시키기 위해서, 우선 noise 성분에 해당하는 frequency를 electric filter를 이용하여 필터링하면 (도 9)-(2)와 같이time domain에서 CW 형태의 noise 성분을 얻을 수 있다. Modelocked laser에서 LD pump power를 적당히 줄이므로 modelocking 상태를 유지하면서 noise 성분이 사라지는 것을 이용하여 일정 한 amplitude threshold 값을 지정했을 때 filtering된 noise 성분의 amplitude가 그 값 이하로 내려 갈 때까지 pump power를 줄이고, 그 값 이하로 내려가면 멈추게 한다(도 9)-(3). 그러므로 (도 9)-(4)와 같이 RF domain에서 반복률 harmonics 들만 존재하는 낮은 잡음의 광 빗을 생성 할 수 있다. 이때 pump power를 너무 많이 줄이게 되면 modelock이 풀릴 수 있으므로 threshold 값을 적절하게 선택해야 한다.

이와 같이 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치는 1550nm를 중심파장으로 하여 40 ~ 60 nm의 파장대역을 갖는 광 빗과 펨토초 단위의 폭을 갖는 펄스를 생성하게 된다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100: 공진기(ring cavity)
101: EDF
102: SMF
103: 아이솔레이터(Isolator)
104: WDM
105: 레이저다이오드
106: 광커플러
107: 자동편광조절부
108: 파장판
109: 편광판
110: 광포트
111: laser beam
113: 구동부
114: 모드잠금감지부
115: 광필터
116: 광검출기
117: 전자필터
118 : A/D 변환부
119 : 주파수 분주기
200: 제어부(응용프로그램)
300: 기어
301: 파장판
302: 스텝모터
400: 광섬유 파장판
401: 광섬유 편광판
500: Wavelength bandwidth of optical filter
501: Frequency bandwidth of electronic filter
600: Frequency bandwidth of electronic filter
601: Amplitude threshold
602: LD pump power 감소

Claims

펨토초 레이저 소스를 구비한 링 캐비티(ring cavity) 구조를 갖는 공진기;
파장판과 편광판을 구비하고, 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부;
상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부; 및
상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 1항에 있어서, 상기 공진기는,
광을 출력하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 파장 분할 다중화시키는 WDM(wavelength division multiplexer);
상기 WDM에서 출력되는 광을 게인 미디움(gaim medium)으로 사용하기 위한 EDF(Erbium doped fiber)와 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 SMF(Single mode fiber);
아이솔레이터(isolator); 및
상기 공진기에서 출력되는 광을 상기 모드잠금감지부로 제공하는 광커플러;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 2항에 있어서,
상기 EDF와 SMF의 길이를 조절하여 공진기의 분산특성과 반복률을 제어하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 1항에 있어서, 상기 자동편광조절부는,
회전 가능하게 구비되는 다수의 파장판;
다수의 상기 파장판 사이에 구비되어 편광판;
상기 공진기로부터 광을 전달받기 위한 광포트; 및
다수의 상기 파장판의 회전을 제어하는 구동부;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 4항에 있어서, 상기 구동부는,
상기 파장판을 회전시키는 스텝모터;
상기 스텝모터와 연동하여 상기 파장판으로 회전력을 전달하는 기어;
상기 스텝모터의 구동을 제어하는 구동 드라이브;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 자동편광조절부는,
다수의 파장판의 회전각은 각각의 각도 사이에 서로 다른 비율을 갖도록 회전시켜 편광을 조절하는 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 4항에 있어서, 상기 편광판과 파장판은,
다수의 패들(paddle)에 광섬유를 감아 구성시키고, 상기 광섬유를 비틀거나(squeeze) 늘려주어(press) 편광을 조절하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 1항에 있어서, 상기 모드잠금감지부는,
상기 공진기에서 출력되는 광을 임의의 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링 하는 광필터(optical filter);
상기 광필터를 통해 필터링된 광을 임의의 반복률에 해당하는 RF신호를 감지하는 광검출기;
상기 광필터를 통해 필터링된 광에서 일차 반복률만을 필터링하는 전자필터(electronic filter);
상기 전자필터를 통해 필터링된 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및
상기 A/D변환부에서 감지하기 위한 주파수가 빠를 경우 이보다 느린 주파수로 변환하여 신호처리해주는 주파수 분주기;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 8항에 있어서, 상기 광 필터(optical filter)는,
모드잠금 전에는 스팩트럼 대역을 벗어나고, 모드잠금 후에는 스팩트럼 대역에 포함되는 파장대역의 필터를 적용하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 8항에 있어서, 상기 전자 필터는,
첫 번째 반복률의 주파수만 필터링 할 수 있는 주파수대역을 갖는 것을 적용하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 8항에 있어서, 상기 A/D 변환부는,
슈미트 트리거(Schmitt trigger), 아날로그디지털 변환기(A/D convertor), 비교기(comparator) 중 어느 하나를 사용하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 자동편광조절부는,
최적의 모드잠금 상태를 유지시키기 위해 모드잠금 후 상기 각 파장판들의 초기 회전각을 중심으로 ± 0도부터 ± 15도로 왕복 회전시키는 것을 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.