KR101382443B1 - Ｑ-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치 - Google Patents

Ｑ-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호 생성부가 생성한 제어 신호의 주파수
Figure 112013105167211-pat00006
(단, τ는 광 공진기에 대한 광의 라운드 트립 시간이며, m≥2인 정수)에 따라 스위칭 동작을 수행하여 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 Q-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치에 있어서, 광섬유 및 상기 광섬유 상에 구비되어 상기 Q-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 출력하는 출력부를 포함하는 광 공진기; 상기 광 공진기에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부; 상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 펌프광 공급부가 공급한 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 공진기 상의 레이저 광을 증폭하는 레이저 매질부; 주파수가 f인 제어 신호를 생성하는 신호 생성부(단,
Figure 112013105167211-pat00007
, τ는 상기 광 공진기에 대한 레이저 광의 라운드 트립 시간이며, m≥2인 정수); 및 상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 신호 생성부가 생성한 제어 신호에 따라 상기 레이저 매질부에 의해 증폭된 레이저 광을 변조 및 스위칭하는 가변 광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

Ｑ-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치{APPARATUS FOR PRODUCING PULSE LASER USING Q-SWITCHING AND MODE LOCKING}
본 발명은 Q-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것으로, 특히 신호 생성부가 생성한 제어 신호의 주파수
Figure 112012013896813-pat00001
(단, τ는 광 공진기에 대한 광의 라운드 트립 시간이며, m≥2인 정수)에 따라 스위칭 동작을 수행하여 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
본 발명은 한국연구재단 일반연구자지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2011-0003525, 과제명: 비스무쓰 기반의 어븀첨가 광섬유를 이용한 초광대역 양방향 광증폭기 기술개발과 이의 장거리 초광대역 광가입자망 응용에 관한 연구].
최근 초단 펄스 레이저는 초고속 광통신 및 생체 이미징 등 다양한 분야에서 활용할 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 공진기로부터 초단 펄스를 얻기 위하여 모드 락킹을 이용한다.
모드 락킹은 모드 락킹은 수동 모드 락킹 방식과 능동 모드 락킹 방식으로 구분될 수 있다. 수동 모드 락킹 방식은 광 포화 흡수(saturable absorption)와 비선형 편광 회전(nonlinear polarization rotation) 등과 같은 비선형 광 효과를 이용한다. 능동 모드 락킹 방식은 레이저 각각의 진동 모드의 위상을 서로 연관되도록 고정하는 외부의 광 변조기를 이용한다.
최근에는, Ｑ-스위칭 및 모드 락킹 기술을 이용하여 초단 펄스를 생성하는 연구가 수행되고 있다. Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스는 동일한 광 에너지가 제공되면 연속적인 펄스보다 높은 피크 파워를 생성하는 것으로 알려져 있다.
Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스는 일반적으로 Ｑ-스위칭의 엔벌롭(envelope)의 위에 모드 락킹된 펄스가 연속적으로 포개어져 구현된다. Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스를 구현하기 위한 가장 간단한 방법은 모드 락킹을 발생시키는 수동 소자와 Ｑ-스위칭을 발생시키는 능동 소자를 결합한 펄스 레이저 생성 장치를 이용하는 것이다.
그러나 기존의 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치는 복잡한 구조를 가지며, 상기 펄스 레이저 생성 장치로부터 출력되는 펄스 레이저는 불안정하다는 단점이 있다. 따라서, 간단한 구조만으로 공진기 내에서 안정적인 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치에 대한 연구가 시급하다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 신호 생성부가 생성한 제어 신호의 주파수
Figure 112012013896813-pat00002
(단, τ는 광 공진기에 대한 광의 라운드 트립 시간이며, m≥2인 정수)에 따라 스위칭 동작을 수행하여 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 Q-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치에 있어서, 광섬유 및 상기 광섬유 상에 구비되어 상기 Q-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 출력하는 출력부를 포함하는 광 공진기; 상기 광 공진기에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부; 상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 펌프광 공급부가 공급한 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 공진기 상의 레이저 광을 증폭하는 레이저 매질부; 주파수가 f인 제어 신호를 생성하는 신호 생성부(단,
Figure 112013105167211-pat00003
, τ는 상기 광 공진기에 대한 레이저 광의 라운드 트립 시간이며, m≥2인 정수); 및 상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 신호 생성부가 생성한 제어 신호에 따라 상기 레이저 매질부에 의해 증폭된 레이저 광을 변조 및 스위칭하는 가변 광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 펌프광 공급부는, 상기 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부; 및 상기 펌프광 생성부와 상기 광 공진기를 광학적으로 연결하는 입력 커플러를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가변 광 변조기는 실리콘 기반 가변 광 감쇄기를 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 기반 가변 광 감쇄기는 p-i-n 다이오드 구조를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 레이저 매질부는 희토류 이온 첨가 광섬유를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 펌프광 부는 레이저 다이오드를 포함할 수 있으며, 상기 입력 커플러는 파장 분할 다중화(WDM) 광 커플러를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 광 공진기는 루프형 공진기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 출력부는 출력 커플러를 포함할 수 있으며, 상기 레이저 매질부는 상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 구비되어 상기 증폭한 광을 상기 출력 커플러로 전송할 수 있다.
바람직하게는, 상기 가변 광 변조기는 상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 구비되어 상기 출력 커플러로부터 수신한 광을 상기 입력 커플러로 전송할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광 공진기는 상기 입력 커플러와 상기 레이저 매질부의 사이에 구비되며, 상기 레이저 매질부로부터 상기 입력 커플러로 진행하는 레이저 광을 억제하는 광 아이솔레이터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광 공진기는 상기 레이저 매질부와 상기 출력 커플러 사이에 구비되며, 상기 레이저 매질부로부터 상기 출력 커플러로 진행하는 레이저 광의 편광을 조절하는 편광 조절부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 상기 레이저 매질부와 상기 출력 커플러 사이에 연결되며, 상기 레이저 매질부로부터 상기 출력 커플러로 진행하는 레이저 광의 자연 증폭 방출 노이즈를 필터링하고 상기 레이저 광의 발진 파장을 결정하는 필터부를 더 포함할 수 있으며, 상기 필터부는 대역 통과 필터를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 광 공진기는 패브리 페로(Fabry- Perot) 공진기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광 공진기는 상기 광섬유의 제1 단부에 구비된 전반사 거울부를 포함하며, 상기 출력부는 상기 광섬유의 제2 단부에 구비된 반사-투과부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광 공진기는 상기 광섬유의 제1 단부에 구비된 전반사 거울부를 포함하며, 상기 출력부는 상기 광섬유의 제2 단부에 구비된 반사-투과부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 펌프광 공급부는 상기 전반사 거울부 및 상기 출력부 사이에 구비되며, 상기 가변 광 변조기는 상기 전반사 거울부 및 상기 펌프광 공급부 사이에 구비되며, 상기 레이저 매질부는 상기 펌프광 공급부 및 상기 출력부 사이에 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전반사 거울부는 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 Q-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치는 초고속 기반 가변 광 변조기에 신호 생성부가 생성한 제어 신호를 입력하여 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하므로 그 구조가 간단하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 Q-스위칭 및 모드 락킹을 이용한 펄스 레이저 생성 장치는 상기 제어 신호의 주파수에 따라 상기 가변 광 변조기의 스위칭 동작을 제어하므로 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저의 피크 간의 간격을 용이하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 개략도.
도 2a 내지 도 2d는 제어 신호의 주파수에 따라 본 발명에 따른 출력부로부터 출력된 펄스 레이저를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 개략도.
이하에서는, 본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 광 공진기, 펌프광 공급부, 레이저 매질부, 신호 생성부 및 가변 광 변조기를 포함한다.
상기 광 공진기는 광섬유와 상기 광섬유 상에 구비되어 펄스 레이저를 출력하는 출력부를 포함한다.
상기 펌프광 공급부는 상기 광 공진기에 펌프광을 공급한다. 구체적으로는, 상기 펌프광 공급부는 상기 광 공진기 상에 구비된 상기 레이저 매질부에서 밀도 반전 현상이 발생하도록 상기 광 공진기에 상기 펌프광을 공급한다.
상기 레이저 매질부는 상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 펌프광 공급부가 공급한 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 공진기 상의 레이저 광을 증폭한다.
바람직하게는, 상기 레이저 매질부는 불순물이 첨가된 광섬유일 수 있다. 따라서, 상기 레이저 매질부 내에는 불순물 이온이 존재하므로, 낮은 에너지 상태의 원자가 높은 에너지 상태의 원자의 수보다 많다. 상기 레이저 매질부에 상기 펌프광이 입사되면, 낮은 에너지 상태의 원자가 에너지를 흡수하여 높은 에너지 상태의 원자의 수가 증가하게 된다. 이것을 밀도 반전 현상이라고 한다. 밀도 반전 상태의 레이저 매질부에 레이저 광이 입사되면, 높은 에너지 상태의 원자가 광자를 방출하여 낮은 에너지 상태의 원자가 되고, 방출된 광자는 상기 레이저 광을 증폭시킨다.
상기 신호 생성부는 주파수가 f인 제어 신호를 생성한다.
구체적으로는, 상기 신호 생성부는 상기 레이저 광이 상기 광 공진기의 진행 경로를 1회 왕복하는데 걸리는 시간, 즉, 상기 광 공진기에 대한 레이저 광의 라운드 트립 시간(τ)의 정수(m)배의 역수에 해당하는 주파수 f를 가지는 제어 신호를 생성할 수 있다.
Figure 112012013896813-pat00004
상기 가변 광 변조기는 상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 신호 생성부가 생성한 제어 신호에 따라 상기 레이저 매질부에 의해 증폭된 레이저 광을 변조한다.
구체적으로는, 상기 가변 광 변조기는 주파수 f를 가지는 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 상기 출력부를 통해 출력되는 레이저 광의 출력을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 상술한 바와 같이 광 공진기, 펌프광 공급부, 레이저 매질부, 신호 생성부 및 가변 광 변조기를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 다양한 광 공진기를 채용하여 구현할 수 있다. 광 공진기의 대표적인 예로 루프형 공진기와 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진기가 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 루프형 공진기를 채용한 제1 실시예와 패브리 페로를 채용한 제2 실시예로 구분하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 광 공진기(100), 펌프광 공급부(200), 레이저 매질부(300), 신호 생성부(400) 및 가변 광 변조기(500)을 포함한다.
광 공진기(100)는 광섬유(110) 및 출력부(130)를 포함한다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 공진기(100)는 광 아이솔레이터(160), 편광 조절부(170) 및 필터부(180)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로는, 출력부(130)는 광섬유(110) 상에 구비된다. 이때, 출력부(130)가 광섬유(110)에 구비되었다는 것은 출력부(130)와 광섬유(110)가 광학적으로 연결되어 있음을 의미한다.
출력부(130)는 출력 커플러일 수 있다. 상기 출력 커플러는 레이저 매질부(300)에 의해 증폭된 레이저 광을 수신하여 일부는 출력하고, 나머지는 가변 광 변조기(500)로 전송한다.
바람직하게는, 상기 출력 커플러는 입력된 광의 10%를 출력하고, 나머지 90%를 가변 광 변조기(500)로 전송하는 10:90 광 커플러를 포함할 수 있다.
펌프광 공급부(200)는 광 공진기(100)에 펌프광을 공급한다.
펌프광 공급부(200)는 펌프광 생성부(210) 및 입력 커플러(230)를 포함한다.
펌프광 생성부(210)는 펌프광을 생성하여 입력 커플러(230)에 공급한다. 바람직하게는, 펌프광 생성부(210)는 980nm의 광을 생성하는 레이저 다이오드(laser diode)일 수 있다.
입력 커플러(230)는 펌프광 생성부(210)와 광 공진기(100)를 광학적으로 연결하여 펌프광 생성부(210)가 생성한 펌프광을 레이저 매질부(300)에 공급한다.
바람직하게는, 입력 커플러(230)는 파장 분할 다중화(WDM, wavelength division multiplexing) 광 커플러일 수 있다.
레이저 매질부(300)는 입력 커플러(230) 및 출력부(130) 사이에 연결되며, 상기 펌프광을 이용하여 광 공진기(100) 상의 레이저 광을 증폭한다.
바람직하게는, 레이저 매질부(300)는 희토류 이온 첨가 광섬유(rare-earth doped fiber), 예를 들면 어븀 첨가 광섬유(erbium-doped fiber),를 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게, 상기 희토류 첨가 광 섬유는 1530nm의 파장에서 20dB/m의 최대 흡수율(peak absorption)을 가진다.
가변 광 변조기(500)는 광 공진기(100) 상에서 입력 커플러(230)와 출력부(130)에 사이에 연결되어, 출력부(130)로부터 전송된 레이저 광을 감쇄시켜 입력 커플러(230)로 전송한다.
바람직하게는, 가변 광 변조기(500)는 신호 생성부(400)로부터 수신한 주파수 f를 가지는 제어 신호, 예컨대, 사인파 또는 사각파를 수신하여 입력 커플러(230)로 전송되는 레이저 광의 입력을 스위칭할 수 있다. 즉, 가변 광 변조기(500)는 주파수 f를 가지는 제어 신호에 따라 입력 커플러(230)로 전송되는 레이저 광의 입력을 제어하는 Ｑ-스위치로써 동작한다.
가변 광 변조기(500)는 초고속의 가변 광 변조기, 예컨대, 실리콘 기반의 가변 광 감쇄기를 포함할 수 있으며, 상기 실리콘 기반의 가변 광 감쇄기는 p-i-n 다이오드 구조일 수 있다.
신호 생성부(400)는 주파수가 f인 제어 신호를 생성한다. 신호 생성부(400)는 상기의 수학식 1에 따라 제어 신호를 생성하여 가변 광 변조기(500)로 전송한다.
광 아이솔레이터(160)는 입력 커플러(230)와 레이저 매질부(300) 사이에 연결되며, 레이저 매질부(300)로부터 입력 커플러(230)로 진행하는 레이저 광을 억제한다. 구체적으로는, 광 아이솔레이터(160)는 광 공진기(100) 내에서 반사에 의한 레이저 광의 역방향 진행을 억제하여 본 발명에 따른 펄스 레이저 생성 장치의 효율을 향상시킨다.
편광 조절부(170)는 레이저 매질부(300)와 출력부(130) 사이에 연결되며, 레이저 매질부(300)로부터 출력부(130)로 진행하는 레이저 광의 편광을 조절한다.
필터부(180)는 편광 조절부(170)와 출력부(130) 사이에 연결된다.
바람직하게는, 필터부(180)는 레이저 매질부(300)로부터 출력부(130)로 진행하는 레이저 광의 자연 증폭 방출 노이즈(ASE: Amplified Spontaneous Emission)를 필터링하고, 상기 레이저 광의 발진 파장(lasing wavelength)을 결정한다.
이하에서는, 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 이용하여 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치의 동작 방법을 설명하도록 한다.
펌프광 공급부(200)는 펌프광을 생성하여 레이저 매질부(300)에 공급한다. 구체적으로는, 펌프광 생성부(210)는 상기 펌프광을 생성하여 입력 커플러(230)를 통해 상기 펌프광을 레이저 매질부(300)에 공급할 수 있다.
입력 커플러(230)는 상기 펌프광을 광 공진기(100)를 통해 레이저 매질부(300)에 공급한다. 입력 커플러(230)와 레이저 매질부(300) 사이에 연결된 광 아이솔레이터(160)는 상기 펌프광을 광 공진기(100) 내의 한 방향(도 1에서는 시계 방향)으로만 진행하게 한다.
레이저 매질부(300)는 입력 커플러(230)로부터 수신한 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 레이저 광을 증폭시킨다.
레이저 매질부(300)에 의해 증폭된 레이저 광은 편광 조절부(170)로 전송된다. 편광 조절부(170)는 상기 레이저 광의 편광을 조절하여 필터부(180)로 전송한다. 필터부(180)는 상기 레이저 광의 자연 증폭 방출 노이즈(ASE: Amplified Spontaneous Emission)를 필터링하여 출력부(130)로 전송한다.
출력부(130)는 필터부(180)로부터 수신한 레이저 광의 일부를 출력하고, 나머지를 가변 광 변조기(500)로 전송한다. 예를 들어, 출력부(130)가 10:90 광 커플러인 경우, 출력부(130)는 상기 레이저 광의 10%를 출력하고, 나머지 90%를 가변 광 변조기(500)로 전송할 수 있다.
신호 생성부(400)는 주파수가 f인 제어 신호, 예컨대, 사인파 또는 사각파를 생성하여 가변 광 변조기(500)에 인가한다. 구체적으로는, 주파수 f는 상기의 수학식 1에 따라 구할 수 있다.
가변 광 변조기(500)는 신호 생성부(400)로부터 수신한 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 출력부(130)로부터 입력된 레이저 광의 출력을 제어한다.
구체적으로는, 가변 광 변조기(500)에 사각파가 입력되면, 가변 광 변조기(500)는 온/오프 동작을 반복하여 레이저 광의 통과와 차단을 반복한다.
상기 주파수를 광의 라운드 트립 시간(τ), 즉, 상기 레이저 광이 광 공진기(100)의 일정 지점에서 출발한 레이저 광이 광 공진기(100)를 한 바퀴 회전하여 상기 일정 지점까지 도달하는데 걸리는 시간의 정수(m)배의 역수로 설정하면, m값에 따라 가변 광 변조기(500)의 스위칭 속도가 변화한다. 예를 들어, m=60인 경우에는 m=10인 경우에 비하여 스위칭 속도가 느리다. 즉, m이 증가함에 따라 스위칭 속도는 감소한다. 상기 동작에 의해 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저가 출력부(130)로부터 출력된다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 출력부(130)로부터 출력되는 펄스 레이저를 도시한 도면이다. 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, m값이 증가함에 따라 가변 광 변조기(500)의 스위칭 속도가 느려지므로 출력되는 펄스 레이저의 피크 간의 간격이 커지는 것을 알 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도면을 참조하여 상세하게 셜명한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 도시한 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 광 공진기(100), 펌프광 공급부(200), 레이저 매질부(300), 신호 생성부(400) 및 가변 광 변조기(500)을 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치는 상술한 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치와 형태가 다른 광 공진기를 포함한다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치의 구조와 동작 방법에 대해서만 상세하게 설명한다.
광 공진기(100)는 광섬유(110) 및 출력부(130)를 포함한다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 공진기(100)는 전반사 거울부(150)를 더 포함할 수 있다.
출력부(130)는 광섬유(110)의 제2 단부에 구비되며, 바람직하게는, 반사-투과부를 포함할 수 있다. 상기 반사-투과부는 레이저 매질부(300)에 의해 증폭된 레이저 광의 일부를 반사하고 나머지는 출력한다. 바람직하게는, 상기 반사-투과부는 광섬유(110)의 끝을 절단함으로써 생성할 수 있다(cleaved facet at the fiber end). 즉, 광섬유(110)의 끝이 절단되어 생성된 절단면에 상기 레이저 광이 입사되면 프레넬 반사(Fresnel reflection)에 의해 레이저 광의 일부는 반사되고 나머지는 출력될 수 있다.
전반사 거울부(150)는 광섬유(110)의 제1 단부에 구비되며, 가변 광 변조기(500)로부터 전송된 레이저 광을 반사시킨다. 바람직하게는, 전반사 거울부(150)는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating reflector)일 수 있다.
펌프광 공급부(200)는 전반사 거울부(150) 및 출력부(130) 사이에 구비되고, 가변 광 변조기(500)는 전반사 거울부(150) 및 펌프광 공급부(200) 사이에 구비된다. 레이저 매질부(300)는 펌프광 공급부(200) 및 출력부(130) 사이에 구비된다.
이하에서는, 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 펄스 레이저 생성 장치를 이용하여 Ｑ-스위칭 및 모드 락킹된 펄스 레이저를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치의 동작 방법을 설명하도록 한다.
펌프광 공급부(200)는 펌프광을 생성하여 레이저 매질부(300)로 전송한다. 구체적으로는, 펌프광 생성부(210)는 상기 펌프광을 생성하여 입력 커플러(230)를 통해 상기 펌프광을 레이저 매질부(300)에 공급할 수 있다.
입력 커플러(230)는 상기 펌프광을 광섬유(110)를 통해 레이저 매질부(300)에 공급한다.
레이저 매질부(300)는 입력 커플러(230)로부터 수신한 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 레이저 광을 증폭시킨다.
레이저 매질부(300)에 의해 증폭된 레이저 광은 출력부(130)로 전송되어 일부는 출력되고, 나머지는 반사되어 레이저 매질부(300)로 재입사된다. 레이저 매질부(300)로 재입사된 레이저 광은 가변 광 변조기(500)로 전송된다.
신호 생성부(400)는 주파수가 f인 제어 신호, 예컨대, 사인파 또는 사각파를 생성하여 가변 광 변조기(500)에 인가한다. 구체적으로는, 주파수 f는 상기의 수학식 1에 따라 구할 수 있다.
가변 광 변조기(500)는 신호 생성부(400)로부터 수신한 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 레이저 매질부(300)로부터 반사된 레이저 광의 출력을 제어한다.
구체적으로는, 가변 광 변조기(500)에 사각파가 입력되면, 가변 광 변조기(500)는 온/오프 동작을 반복하여 레이저 광의 통과와 차단을 반복한다. 더욱 구체적으로는, 가변 광 변조기(500)가 온 동작을 수행하는 경우, 가변 광 변조기(500)는 레이저 매질부(300)로부터 반사된 레이저 광을 통과시켜 전반사 거울부(690)로 전송하고, 전반사 거울부(690)에 의해 전반사된 레이저 광은 광 공진기(100) 내를 진행하며 출력부(130)를 통해 출력된다.
상기 주파수를 레이저 광의 라운드 트립 시간(τ), 즉, 상기 레이저 광이 광 공진기(100) 상의 광 경로를 1회 왕복하는데 걸리는 시간의 정수(m)배의 역수로 설정하면, m값에 따라 가변 광 변조기(500)의 스위칭 속도가 변화한다. 따라서, 신호 생성부(400)에서 생성되는 제어 신호의 주파수를 조절하여 상기 동작을 반복하면 도 2a 내지 도 2d에 도시된 펄스 레이저를 출력부(130)를 통해 출력할 수 있다.
비록 본 발명의 실시예가 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 광 공진기 110 : 광섬유
130 : 광 출력부 150 : 전반사 거울부
160 : 광 아이솔레이터 170 : 편광 조절부
180 : 필터부 200 : 펌프광 공급부
210 : 펌프광 생성부 230 : 입력 커플러
300 : 레이저 매질부 400 : 신호 생성부
500 : 가변 광 변조기

Claims (21)

  1. 모드 락킹 및 Q-스위칭된 펄스 레이저를 생성하는 펄스 레이저 생성 장치에 있어서,
    광섬유 및 상기 광섬유 상에 구비되어 상기 모드 락킹 및 Q-스위칭된 펄스 레이저를 출력하는 출력부를 포함하는 광 공진기;
    상기 광 공진기에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부;
    상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 펌프광 공급부가 공급한 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 공진기 상의 레이저 광을 증폭하는 레이저 매질부;
    주파수가 f인 제어 신호를 생성하는 신호 생성부(단,
    Figure 112013105167211-pat00005
    , τ는 상기 광 공진기에 대한 레이저 광의 라운드 트립 시간이며, m≥2인 정수); 및
    상기 광 공진기 상에 구비되며, 상기 신호 생성부가 생성한 제어 신호에 따라 상기 레이저 매질부에 의해 증폭된 레이저 광을 변조 및 스위칭하는 가변 광 변조기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펌프광 공급부는,
    상기 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부; 및
    상기 펌프광 생성부와 상기 광 공진기를 광학적으로 연결하는 입력 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변 광 변조기는 실리콘 기반 가변 광 감쇄기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 실리콘 기반 가변 광 감쇄기는 p-i-n 다이오드 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 매질부는 희토류 이온 첨가 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 펌프광 생성부는 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 입력 커플러는 파장 분할 다중화(WDM) 광커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 광 공진기는 루프형 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 출력부는 출력 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 레이저 매질부는 상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 구비되어 상기 증폭한 광을 상기 출력 커플러로 전송하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가변 광 변조기는 상기 입력 커플러와 상기 출력 커플러 사이에 구비되어 상기 출력 커플러로부터 수신한 광을 상기 입력 커플러로 전송하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광 공진기는, 상기 입력 커플러와 상기 레이저 매질부의 사이에 구비되며 상기 레이저 매질부로부터 상기 입력 커플러로 진행하는 레이저 광을 억제하는 광 아이솔레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광 공진기는, 상기 레이저 매질부와 상기 출력 커플러 사이에 구비되며 상기 레이저 매질부로부터 상기 출력 커플러로 진행하는 레이저 광의 편광을 조절하는 편광 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광 공진기는, 상기 편광 조절부와 상기 출력 커플러 사이에 연결되며 상기 레이저 매질부로부터 상기 출력 커플러로 진행하는 레이저 광의 자연 증폭 방출 노이즈를 필터링하고 상기 레이저 광의 발진 파장을 결정하는 필터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 필터부는 대역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 광 공진기는 패브리 페로(Fabry-Perot) 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광 공진기는 상기 광섬유의 제1 단부에 구비된 전반사 거울부를 더 포함하며, 상기 출력부는 상기 광섬유의 제2 단부에 구비된 반사-투과부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전반사 거울부는 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating)를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 펌프광 공급부는 상기 전반사 거울부 및 상기 출력부 사이의 광섬유에 펌프광을 공급하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 가변 광 변조기는 상기 전반사 거울부 및 상기 펌프광 공급부 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 레이저 매질부는 상기 펌프광 공급부 및 상기 출력부 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 생성 장치.
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