KR101589577B1

KR101589577B1 - 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기

Info

Publication number: KR101589577B1
Application number: KR1020140052853A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 박지용; 김영진; 김승만
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2016-01-29
Also published as: WO2015167092A1; KR20150125868A

Abstract

본 발명은 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 관한 것으로, 광섬유 펨토초 레이저 공진기이며, 상기 펨토초 레이저 공진기는 광섬유 기반의 부품으로 구성된 레이저 공진기로 구성되고, 모드 잠금을 구현하는 광섬유 기반의 포호흡수체 모드잠금부, 비선형 편광 회전 모드잠금부 및 상기 펨토초 레이저 공진기의 반복률을 조절하기 위한 반복률 주사부를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 광섬유 펨토초 레이저 공진기는, 링타입(Ring-type)의 광섬유 공진기이며 링캐비티(Ring cavity) 구조를 가지며, 공진기의 이득 매질을 구현하는 희토류 첨가 광섬유, 이득 매질의 흡수 광 파장에 해당하는 광을 출력하는 다이오드 레이저, 상기 다이오드 레이저에서 발진된 광을 희토류 첨가 광섬유로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기, 비선형 편광 회전에서 커 미디움(Kerr medium)을 담당하는 단일모드광섬유, 상기 공진기 내 생성된 펄스를 단방향으로 진행시키는 광잡음을 줄여주는 광섬유 아이솔레이터, 공진기 반복률의 안정화를 위한 피에조 소자(PZT) 및 출력단을 구성하는 광커플러를 포함하여 구성된다.

Description

처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기{Fiber femtosecond laser oscillator with fast and wide range repetition rate scanningby using dual chirped fiber Bragg grating}

본 발명은 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 관한 것으로, 공진기 내부에 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 포함하여 광대역, 고속의 반복률 주사가 가능한 광섬유 펨토초 레이저 공진기로서, 처프 광섬유 브래그 격자의 길이 제어를 통해 공진기 내부 펄스의 광경로를 조절하여 반복률 주파수를 주사할 수 있는 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 대한 것이다.

우선, 광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기의 특징 및 수동모드잠금 유형을 설명한다. 광섬유 펨토초 레이저 공진기는 공진기의 구성 물품이 벌크 타입이 아닌 광섬유 타입으로 구성된 공진기로서 크게 단일 모드 광섬유(Single Mode Fiber, SMF), 이득매질인 희토류 첨가 광섬유(Rare earth doped fiber), 다이오드 펌프 레이저로 구성된다. 작은 부피의 공진기 구성과 턴키방식의 쉬운 동작, 벌크 타입에 비해 상대적으로 환경변화에 둔감한 점, 그리고 이미 널리 상용화된 통신 대역의 광섬유 구성품을 이용할 수 있는 점 등은 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 대표적인 장점들이며, 측정, 분광, 가공 등 다양한 산업 분야에도 적용을 용이하게 한다.

이득매질로 사용되는 대표적인 희토류 첨가 광섬유는 방출대역이 1030 nm 중심으로 수십 nm인 이터븀 첨가 광섬유(Ytterbium Doped Fiber, YDF)와 1550 nm 중심으로 수십 nm 대역을 방출하는 어븀 첨가 광섬유(Erbium Doped Fiber, EDF)가 있다. 이 희토류 첨가 광섬유들의 넓은 방출대역으로 인해 공진기 내에 다수의 주파수 모드들이 존재할 수 있게 하여 광 빗을 형성한다. 발생된 각 주파수 모드들은 대개 독립적으로 진동하나, 비선형 편광회전(Nonlinear Polarization Rotation, NPR)방법, 포화흡수체(Saturable Absorber, SA)를 이용하는 방법,

두 가지를 모두 사용한 하이브리드 방법 등을 통해 각 모드들의 위상을 동기 시킬 수 있다.이를 모드잠금이라(Mode-locking)이라 하며, 주기적인 시간 영역의 펄스 열을 생성하고 많은 수의 모드가 동기 될 경우 펄스 폭이 좁아진다.

또한, 모드잠금을 결정짓는 요소는 편광(Polarization), 펌핑출력(Pumping power), 비선형(Nonlinearity), 분산(Dispersion)이며, 따라서 이 4가지 요소를 조절하여 안정된 모드잠금을 할 수 있다. 이는 대한민국 공개특허 제10-2012-0116127호에서 확인할 수 있다.

다음으로 펨토초 레이저 공진기의 반복률 조절을 통한 광학식 측정방법에 대해 설명하면, 광학식 측정방식은 측정 표면에 접촉하지 않고도 광원을 이용하여 높은 정밀도로 형상을 측정할 수 있기 때문에 다양한 측정 산업 분야에서 사용되고 있다.

특히, 마이크로 전자 산업과 나노 기술들의 발달로 인해 PCB, 반도체 웨이퍼, 평판 디스플레이, 태양전지 등 나날이 복잡하고 다양한 단차 시편들의 측정 수요에 대응하기 위하여 기존의 제한적인 성능의 공초점 광학 현미경이나 모아레 등의 형상 측정법을 넘어선 실시간의 고정밀도, 고속 측정의 광학 측정 기술들이 요구된다.

이 중 빛의 간섭을 이용하는 간섭법은 측정면에 대한 반사광과 기준면에 대한 반사광과의 간섭신호를 분석하여 측정면의 형상 또는, 물성 정보를 획득하는 방법이다. 이 방법은 정밀도와 다양한 시편에 적용할 수 있다는 장점이 있으므로 널리 사용되고 있다. 사용 광원에 따라 형상획득 방법도 달라지는데, 헬륨-네온 레이저(He-Ne laser)와 같이 시간가간섭성(Time coherence) 및 공간가간섭성(Spatial coherence)이 좋은 광원을 사용할 경우 위상천이법(Phase-shifting method)을 사용하고 LED, 텅스텐-할로겐 램프와 같이 시간 및 공간가간섭성이 떨어지는 광원을 사용하는 경우 저결맞음 간섭법 또는 백색광 간섭법이 이용된다. 전자의 경우, 광정렬이 용이하므로 시스템의 자유도를 높일 수 있는 장점 등이 있으나 기생간섭무늬가 형성되거나 2π-위상모호성으로 인하여 광원의 파장 수준으로 측정 범위가 제한되는 단점을 지닌다. 반면, 후자의 경우는 이론적으로 측정 한계가 없으며 2π-위상모호성이 없다는 장점을 지니나, 동일(Symetric) 광경로이며, 대칭형(Equal path) 간섭계로 구성해야 하므로 시스템 구성이 제한적이며 측정면의 종류가 제한적이라는 단점을 지닌다.

펨토초 레이저를 광원으로 사용할 경우, 높은 시간가간섭성은 지니면서 반복적으로 펄스열을 발진시키므로 저결맞음 간섭계 구성과 비대칭(Unequal path), 비동일(Non-symetric) 광경로 구성이 가능하여, 기존 단색광 레이저를 사용했을 때 문제가 되었던 2π-위상모호성 및 기생간섭무늬 발생 등의 문제를 해결할 수 있다. 또한 높은 공간가간섭성을 지니기 때문에 수 mm 이하 영역에 대한 마이크로 측정에서 100 mm 이상의 대면적 측정 역시 가능하다.

더불어, 시간 표준에 상응하는 정밀도로 제어 및 주사가 가능하므로 정밀도가 높게 측정할 수 있으며, 반복률(Repetition rate)을 조절하여 기존 간섭계의 기계적 주사시스템을 대체할 수 있고, 비대칭 광경로를 구성하여 주사속도 및 범위의 확장도 가능하다. 이러한 장점으로 인하여 대구경 거울, 박막, 미세 패턴, 곡면 광학계 대구경 웨이퍼 등 다양한 산업 시편들이 측정 가능하다.

펨토초 레이저의 반복률 주사는 공진기의 길이를 변화를 통해 가능하며, 일반적으로 모터 스테이지, 압전소자(PZT), 전자광학변조기(Electro-Optic Modulator: EOM) 등의 변조기들을 공진기 내부에 적용하여 조절한다. 모터스테이지는 수십 mm에 달하는 넓은 주사대역을 가지나 최대속도가 30 μm/s로 PZT속도 1 m/s, EOM 9 mm/s에 비해 상대적으로 느린 주사속도를 갖는다.

반면, PZT, EOM은 모터 스테이지에 비해 100 배 이상의 속도로 주사가 가능하나μm 수준의 좁은 주사대역을 갖는다. 따라서 넓은 주사대역과 빠른 속도의 주사가 동시에 가능한 새로운 형태의 주사 시스템이 요구된다.

한편, 광섬유 브래그 격자(CFBG)쌍을 이용한 광경로차지연기술에 대해 설명하면, 하나의 광섬유 브래그 격자와 똑같은 반사대역폭 및 처핑 구조를 가진 광섬유 브래그 격자를 써큘레이터(Circulator)에 반대로 접속하여 광경로차 지연기를 구성할 경우 한 쪽 브래그 격자를 인장 시, 인장기에서 발생한 광섬유의 길이변화보다 더 큰 양의 광경로차를 얻을 수 있다.

발생하는 광경로차는 수학식

을 통해 산출된다.(여기서 OPD는 광경로차, n은 광섬유 브래그 격자의 굴절률,

는 중심 파장,

는 반사되는 파장대역폭,

는 광탄성 계수, 그리고 a는 실제광섬유를 인장한 길이를 의미한다.) 인장 시 군지연분산(Group Delay Dispersion, GDD)은 일정하며, 군지연(Group Delay, GD)만 발생하는 효과를 통해 펄스는 유지되고, OPD만 증폭되는 효과를 갖게 된다. 광섬유를 인장한 것에 비해 실제 광경로차가 증폭되는 비율인 증폭률은 계수

로 표현되며, 수학식

을 통해 산출된다.

상기 기술을 간섭계의 구성에 적용할 경우 하나의 광원에서 분리된 두 빛 간의 광경로차를 조절할 수 있고, 극 초단광 펄스의 시간축 상에서 폭을 재는 자기상관(Auto-correlation)기 제작이나 OCT(Optical Coherence Tomography) 시스템 제작에 필요한 광경로차 지연기 제작에 응용될 수 있음이 제안되었다.

KR 10-2003-0040876호 KR 10-2013-0015893호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 종래의 펨토초 레이저 기반 광학 형상측정기술에서 사용되던 펄스 레이저의 반복률 주사 방식이 가지는 측정 범위와 측정 속도에서의 한계를 극복하기 위해 광섬유 브래그 격자쌍을 이용한 새로운 변조 방식을 펨토초 레이저 공진기 내부에 도입하여, 넓은 반복률 주사 범위를 가지며 동시에 빠른 반복률 주사가 가능한 광섬유 펨토초 레이저 공진기 개발하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광섬유 펨토초 레이저 공진기이며, 상기 펨토초 레이저 공진기는 광섬유 기반의 부품으로 구성된 레이저 공진기로 구성되고, 모드 잠금을 구현하는 광섬유 기반의 포화흡수체 모드잠금부, 비선형 편광 회전 모드잠금부 및 상기 펨토초 레이저 공진기의 반복률을 조절하기 위한 반복률 주사부를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 광섬유 펨토초 레이저 공진기는, 링타입(Ring-type)의 광섬유 공진기이며 링캐비티(Ring cavity) 구조를 가지며, 공진기의 이득 매질을 구현하는 희토류 첨가 광섬유, 이득 매질의 흡수 광 파장에 해당하는 광을 출력하는 다이오드 레이저, 상기 다이오드 레이저에서 발진된 광을 희토류 첨가 광섬유로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기, 비선형 편광 회전에서 커 미디움(Kerr medium)을 담당하는 단일모드광섬유, 상기 공진기 내 생성된 펄스를 단방향으로 진행시키는 광잡음을 줄여주는 광섬유 아이솔레이터, 공진기 반복률의 안정화를 위한 피에조 소자(PZT) 및 출력단을 구성하는 광커플러를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 포화흡수체 모드잠금부는, 두 개의 광 접속기 사이에 투과형 포화흡수체로 구성된다.

또한, 상기 투과형 포화흡수체는, 반도체 포화흡수체(Semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 중 선택된 어느 하나를 포함한다.

또한, 상기 포화흡수체는, 상기 공진기 내부의 펄스 플루엔스보다 높은 포화 플루엔스와 느린 완화시간(Relaxation time)을 가지도록 구현되는 된다.

또한, 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부는, 상기 광섬유에서 출력되는 빛을 콜리메이팅(Collimating)하고 다시 포커싱(Focusing)하는 한 쌍의 광포트, 편광 조절을 위해 구현되는 1/2파장판과 1/4파장판 및 편광 광 분할기를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 반복률 주사부는, 처프 광섬유 브래그 격자 쌍과 PZT 플렉슈어 구조와 고정 스테이지로 구성된 인장시스템을 포함하고, 공진기로부터 광을 입사시키는 써큘레이터를 포함한다.

또한, 상기 처프 광섬유 브래그 격자는 각각 1555nm의 중심 파장을 기준으로 100nm의 반사 대역폭과 90% 이상의 반사율을 가진다.

또한, 상기 공진기는, 비선형 편광 회전 모드잠금부에서 출력되는 광을 아이솔레이터를 통해 상기 써큘레이터로 들어간 펄스는 한 쪽 처프 광섬유 브래그 격자에 입사되었다가 반사 파장대역의 빛만 반사되어 다른 쪽 처프 광섬유 브래그 격자로 들어간 후 다시 반사되어 공진기로 입사된다.

또한, 상기 인장시스템은, 상기 처프 광섬유 브래그 격자 중 한 쪽에 설치되며, PZT 플렉슈어와 연결된 PZT 앰프를 통해 0 ~ 1kV 사이의 PZT 조절이 가능하도록 구성된다.

또한, 상기 써큘레이터는, 네 포트 써큘레이터를 하나 사용하거나, 세 포트 써큘레이터를 두 개로 구성하여 처프 광섬유 브래그 격자로 각각 입력되는 구조를 가진다.

또한, 상기 써큘레이터는, 세 포트 써큘레이터를 직렬 구조로 연결되도록 구성한다.

또한, 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부는, 상기 광섬유에서 출력되는 빛을 콜리메이팅(Collimating)하고 다시 포커싱(Focusing)하는 한 쌍의 광포트, 편광 조절을 위해 구현되는 1/2파장판과 1/4파장판 및 편광기를 포함하고, 공진기의 출력단을 광커플러로 구성하는 것을 특징으로 하는 편광 광 분할기를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 포화흡수체 모드잠금부는, 써큘레이터를 포함하고, 상기 써큘레이터를 통해 입사된 광은 광 포트를 통해 콜리메이팅되어 반사형 포화흡수체로 입사된 후 다시 상기 광 포트에서 포커싱되어 공진기 내부로 입사되도록 구성된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 공진기 내부의 이중 처프 광섬유 브래그 격자 쌍의 길이 제어를 기반으로 광경로의 증폭효과를 통하여 광대역 및 고속의 반복률 주파수 주사를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명을 형상측정장치에 적용할 경우 시간표준에 소급된 주파수측정기에 의해 정밀하게 반복률 주사가 측정되므로, 간섭계 내부에 별도의 주사장치 없이 높은 단차 및 복잡 형상을 측정할 수 있는 이점이 있다.

또한, 펨토초 레이저를 사용하므로 높은 공간가간섭성을 통해 넓은 유효면적 측정이 가능하고, 높은 시간가간섭성은 지니면서 반복적으로 발진하는 펄스열을 생성하므로 기생간섭무늬(Parasitic fringe), 2π-위상모호성 등의 제한 등을 해결할 수 있다. 뿐만 아니라, 반복률을 조절하므로 기존 간섭계의 기계적 주사시스템을 대체할 수 있고, 비대칭 광경로를 구성하여 주사속도 및 범위의 확장도 가능하여 산업 표면 형상뿐 아니라 표면에 박막이 있거나, 표면 거칠기가 파장에 근접한 경우, 반사율이 다른 구조물이 섞인 경우, 단차가 높은 경우 등의 측정이 난해한 시편들의 측정도 가능하게 하다. 또한 ,게이지 블록과 같은 형상 표준 보정에도 적용 가능하다.

또한, 상기의 증폭된 반복률 변화를 통해 기존의 빠른 주사속도를 위해 사용되던 EOM 혹은 PZT 등이 갖던 수 μm 에서 수 십 μm 단위의 좁은 대역폭의 반복률 변조를 극복하여 넓은 주사 범위를 구현할 수 있다.

또한, 주사 범위의 증폭 효과로 인하여 기존의 광대역 반복률 조절을 위해 사용되던 모터 스테이지 대신, PZT와 같이 좁은 주사 범위의 빠른 기계적 주사장치가 적용 가능하고, 기계적 주사장치의 속도에 10배 이상의 증폭률 계수

를 곱한 속도를 따라가므로 빠른 속도의 주사가 가능해 진다.

또한, 상기 공진기는 펨토초의 극초단 레이저를 안정적으로 발사하므로, 반복적인 짧은 시간가간섭성을 이용하여 저결맞음 간섭계 구성이 가능하고, 간섭계는 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometry), 트와이만-그린 간섭계(Twyman-Green interferometry), 마하젠다 간섭계(Mach-Zehnder interferometry), 피조 간섭계(Fizeau interferometry), 미라우 간섭계(Mirau interferometry), 리닉 간섭계(Linnik interferometry) 등의 형태로 구현이 가능하다.

또한, 상기 공진기에서 발생된 펄스는 높은 공간가간섭성을 지니므로 간섭계의구성 변화 없이 수 mm 이하의 마이크로 영역부터 수 백 mm 이상의 대면적 형상까지 측정 가능하다.

또한, 상기 공진기에서 생성된 펄스는 일정한 반복률에 따라 반복적으로 발진하고 이는 시간 표준에 소급할 정도로 정밀하다. 따라서, 고도의 정밀 측정이 가능할 뿐 아니라, 비동일 광경로 및 비대칭 구성이 가능하여 간섭계의 하드웨어 구성 시 매우 높은 자유도를 갖는다.

상기 본 발명의 장점과 특징으로 인해 대구경 웨이퍼의 평편도, 미세 패턴 형상, 비아 홀(Via hole)측정, PCB BGA(Ball Grid Array) 및 범프(Bump) 형상, 박막을 포함한 복잡 형상, 적혈구 및 백혈구 등의 바이오 샘플 측정 등 산업뿐 아니라 다양한 분야에 적용 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역, 고속의 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기를 설명한 구성도.
도 2는 본 발명의 모드잠금 된 공진기에서 생성된 광 빗의 스펙트럼(Optical spectrum) 및 펄스의 자기상관신호.
도 3은 본 발명의 반복률 주사 시 주파수 측정기를 통해 표현된 공진기의 반복률 주파수 변화 그래프(300).
도 4는 본 발명의 모드잠금 된 공진기의 반복률 RF(Radio Frequency)스펙트럼(400)과 안정화된 반복률 주파수의 시간에 따른 변화 그래프(401) 및 앨런 편차(Allan deviation) 그래프(402).
도 5는 도 1의 반복률 주사부에서 네 포트 써큘레이터(109)를 세 포트 써큘레이터(501) 두 개의 조합으로 대체한 공진기 구성도.
도 6은 도 5의 변형 공진기 구성도.
도 7은 도 1의 편광 광 분할기(105)를 편광기(700)와 광섬유 출력단(702)으로 대체한 공진기 구성도.
도 8은 도 1의 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(100)를 부피형 포화흡수체(800) 조합으로 대체한 공진기 구성도.
도 9는 도 1의 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부(101)가 없이 오직 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(100)와 광섬유 출력단(702)으로 구성된 전체 광섬유 기반의 공진기 구성도.
도 10은 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부(101)와 광섬유 출력단(702)로만 이루어진 전체 광섬유 기반의 공진기 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기는, 광섬유 펨토초 레이저 공진기이며, 상기 펨토초 레이저 공진기는 광섬유 기반의 부품으로 구성된 레이저 공진기로 구성되고, 모드 잠금을 구현하는 광섬유 기반의 포화흡수체 모드잠금부, 비선형 편광 회전 모드잠금부 및 상기 펨토초 레이저 공진기의 반복률을 조절하기 위한 반복률 주사부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 상기 광섬유 기반 포화흡수체는 빛의 세기가 일정 기준 이하일 경우 빛을 흡수하고 그 이상인 경우 통과시키는 특징을 이용하여 펄스의 중심부를 제외한 부분은 흡수시켜 초기 펄스 발진을 용이하게 하며 초과 비선형 현상 및 분산파를 억제하는 비선형필터(Nonlinear filter)의 역할을 한다.

또한, 상기 비선형 편광 회전 조절부는 편광판(Polarizer)또는 편광 광분할기(Polarization beam splitter)와 파장판(Waveplate)으로 구성되며, 파장판들의 각도를 조절하여 모드잠금이 될 수 있는 특정 각도 조합을 통해 좁은 폭의 펄스를 생성하는 펄스 형성 역할을 한다.

또한, 상기 반복률 주사부는 써큘레이터에 한 쌍의 광섬유 브래그 격자를 반대 방향으로 접속한 부분과 광섬유 브래그 격자를 인장하기 위한 구조물로 이루어진다. 인장 구조물에서 광섬유 브래그 격자의 한 쪽은 고정이 되어 있으며, 다른 한 쪽은 기계적 주사장치(PZT, PZT 플랙슈어, VCM 등)를 설치하여 광섬유 브래그 격자의 인장이 제어되는 것을 특징으로 한다. 광섬유 브래그 격자를

만큼 인장 시 반복률 주사 범위는, 수학식

에 따라 산출되며, 펄스의 군지연 분산은 일정하고 군지연만 바뀌는 것을 특징으로 한다.(여기서,

은 반복률 주사 범위,

는 광속,

은 공진기 길이,

는 증폭률 계수를 의미한다.) 따라서, 상기 반복률 주사부의 PZT 플렉슈어 구조의 처프 광섬유 브래그 격자 인장을 통해 광대역의 반복률 변화를 얻을 수 있다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역, 고속의 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기에 대해 설명하면 다음과 같다.

펨토초 레이저는 광섬유 기반 부품으로 구성된 공진기 및 모드잠금을 위한 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(100), 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부(101), 그리고 모드잠금된 펄스의 반복률 주파수 조절을 위한 반복률 주사부(102)로 크게 구성된다.

본 발명을 통해 생성된 펄스는 시간 표준에 소급하는 안정도의 반복률을 지닌 펨토초 레이저이며, 반복률 주사부를 통해 광대역의 빠른 반복률 주사가 가능함을 특징으로 한다.

도 1은 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역, 고속의 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기의 대표도로서 공진기의 전체 구성을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 공진기는 링타입(Ring-type)의 광섬유 기반의 공진기로서, 링캐비티(Ring cavity) 구조를 가지며 상기 공진기는 이득 매질의 역할을 하는 희토류 첨가 광섬유(114), 이득매질의 흡수 광 파장에 해당하는 다이오드 레이저(116), 다이오드 레이저에서 발진된 광을 희토류 첨가 광섬유로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기(115), 비선형 편광 회전에서 커 미디움(Kerr medium) 역할을 하는 단일모드광섬유(112), 공진기 내 생성 펄스가 단방향으로 진행시키고 광잡음을 줄여주는 광섬유 아이솔레이터(113), 공진기 반복률의 안정화를 위한 PZT(111) 및 공진기 출력단을 위한 광커플러(701)를 포함한다.

도 1의 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(100)는 광 접속기(107) 두 개와 그 사이의 투과형 포화흡수체(106)로 구성된다. 상기 투과형 포화흡수체의 종류는 반도체 포화흡수체(Semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 등이 있으며, 바람직하게는 3개의 흡수체 중 선택된 하나로 구성할 수 있다. 상기 포화흡수체는 공진기 내부의 펄스 플루엔스보다 높은 포화 플루엔스와 느린 완화시간(Relaxation time)을 가지므로 펄스의 초과 비선형 현상 없이 증폭 가능한 모드 잠금을 유도한다.

도 1의 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부(101)는 광섬유에서 나오는 빛을 시준(Collimating)하고 다시 포커싱(Focusing)하는 광포트(103) 쌍과 편광 조절을 위한 다수의 1/4 파장판과 1/2 파장판, 그리고 편광 광 분할기(105)로 구성된다. 파장판들의 회전을 통해 최적의 모드잠금 상태를 유도할 수 있으며 모드잠금 자동화 장치를 통해 자동화가 가능하다.

도 2는 어븀첨가 광섬유를 이득매질로 하였을 경우, 본 발명의 공진기 내에서 모드잠금되어 발진된 펨토초 레이저의 스펙트럼(200)과 자기상관신호(201)이다. 약 1570 nm를 중심으로 3 dB기준으로 7 nm 정도의 파장 대역폭을 갖고, 시간영역에서 470 fs의 분산파 없는 깨끗한 펄스가 생성됨을 보여준다.

도 1의 반복률 주사부(102)는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍과 PZT 플렉슈어 구조와 고정스테이지로 구성된 인장시스템(110), 그리고 네 포트 써큘레이터(109)로 구성된다. 처프 광섬유 브래그 격자는 각각 1555 nm 의 중심 파장을 기준으로 100 nm의 반사 대역폭과 90% 이상의 반사율을 가지며, 같은 사양의 처프 광섬유 브래그 격자를 써큘레이터에 반대로 접속한다. 아이솔레이터(113)를 통해 네 포트 써큘레이터(109)로 들어간 펄스는 한 쪽 처프 광섬유 브래그 격자에 입사되었다가 반사 파장대역의 빛만 반사되어 다른 쪽 처프 광섬유 브래그 격자로 들어간 후 다시 반사되어 공진기로 들어간다. 인장 시스템(110)은 처프 광섬유 브래그 격자 중 한 쪽에 설치하며, PZT 플렉슈어와 연결된 PZT 앰프를 통하여 0 ~ 1kV 사이의 PZT 조절이 가능하다. 이를 통해 빛의 광경로차를 변화시킬 수 있으며,상기 언급된 바와 같이 증폭률에 따라 실제 광섬유의 인장길이보다 증폭된 광경로차를 제공한다. 또한 이는 곧 공진기 내부 길이의 변화이므로 공진기 내부의 반복률 주파수 변화로 이어져 광 빗의 각 주파수 모드 간 간격을 변화시키는 효과를 준다.

도 3은 신호발생기를 통해 생성한 0 V ~ 115 V의 램프 파형을 반복률 주사부의 PZT 플렉슈어 제어부에 주입 시 주파수 측정기를 통해 표현된 공진기 반복률 주파수의 변화 그래프(300)이다. 이 그래프를 통해 본 발명의 약 27 KHz에 해당하는 공진기의 주사 범위를 확인할 수 있고 주사 시 선형적으로 주사가 가능하며 상기 증폭률 계수는 약 15에 달한다.

도 4는 모드잠금된 본 발명의 공진기 반복률의 하모닉 RF 스펙트럼(400)과 반복률 안정화 시 반복률 주파수의 변화 그래프(401), 그리고 그에 대한 앨런 편차 그래프(402)이다. 부호 400을 통해 1 GHz까지 반복률이 약 42 MHz의 일정한 간격으로 잘 유지됨을 보여주며, 부호401을 통해 반복률이 약 0.15 mHz의 표준편차로 3600 초간 안정적으로 반복률이 유지됨을 확인할 수 있다.

또한, 앨런 편차 그래프(402)를 통해 광시계의 안정도와 비슷한 10초에 10의 12승에 해당하는 안정도를 확인할 수 있으며,이는 시간표준에 소급함을 의미한다.

도 5는 도 1의 반복률 주사부에서 네 포트 써큘레이터(109)를 세 포트 써큘레이터(501) 두 개의 조합으로 대체한 공진기 구성도이다.

도 6은 도 5와 마찬가지로 도 1의 반복률 주사부에서 네 포트 써큘레이터(109)를 세 포트 써큘레이터(501) 두 개의 조합으로 대체한 공진기의 다른 구성도이다.

도 7은 도 1의 편광 광분할기(105) 대신 편광기(700)를 사용하고, 광 커플러(701)를 설치하여 편광 광분할기(105)의 자유공간 출력단을 광섬유 출력단(702)로 교체한 공진기 구성도이다.

도 8은 도 1의 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(100)를 부피형의 포화흡수체 모드잠금부(800)로 대체한 공진기 구성도이다. 세 포트 써큘레이터(501)를 통해 입사된 빛은 광 포트(103)를 통해 시준되어 반사형 포화흡수체(801)로 입사된 후 다시 반사되어 광 포트(103)에서 포커싱 되어 공진기 내부로 들어가 순환하게 된다.

도 9는 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부(100)로만 모드잠금이 유도되는 공진기 구성도로서 출력단은 광 커플러(701)를 통하여 광섬유 출력단(702)로 출력된다.

도 10은 공진기의 모든 부품이 광섬유 기반인 공진기 구성도로서 도 1의 부피형 비선형 편광 회전 모드잠금부(101) 대신 광섬유 기반의 편광 회전 모드잠금부(1000)로 대체되어 있다.

광섬유 기반의 편광 회전 모드잠금부(1000)는 광섬유 기반 편광조절기(1001)와 광섬유 기반 편광기(1002)로 구성되며, 편광 조절은 광섬유를 다수의 패들에 감아 회전시키거나, 비틀거나 압력을 주어 파장판과 같이 편광을 조절해 준다.

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 : 광섬유 기반 포화흡수체 모드잠금부
101 : 일자형 비선형 편광 회전 모드잠금부
102 : 반복률 주사부
103 : 광 포트
104 : 편광 조절기
105 : 편광 광 분할기(자유공간 출력단)
106 : 투과형 포화흡수체
107 : 광 접속기(Optical connector)
108 : 처프 광섬유 브래그 격자
109 : 네 포트 서큘레이터
110 : 처프 광섬유 브래그 격자 인장 시스템
111 : PZT
112 : 단일모드 광섬유
113 : 광섬유 아이솔레이터(Fiber isolator)
114 : 희토류 첨가 광섬유
115 : 파장 분할 다중화기
116 : 다이오드 레이저
200 : 모드잠금된 레이저의 스펙트럼
201 : 모드잠금된 레이저의 자동상관 신호
300 : 주사 시 반복률 변화 그래프
400 : 펄스 반복률의 RF 스팩트럼
401 : 시간에 따른 안정화된 반복률 주파수 변화 그래프
402 : 시간에 따른 안정화된 반복률 주파수 변화의 앨런 편차 그래프
500 : 세 포트 서큘레이터 쌍으로 구성된 반복률 주사부 1
501 : 세 포트 서큘레이터
600 : 세 포트 서큘레이터 쌍으로 구성된 반복률 주사부 2
700 : 편광기
701 : 광 커플러
702 : 광섬유 출력단
800 : 부피형 포화흡수체 모드잠금부
801 : 반사형 포화흡수체
1000 : 광섬유 기반 비선형 편광 회전 모드잠금 부분
1001 : 광섬유 기반 편광 조절기
1002 : 광섬유 기반 편광기

Claims

광섬유 펨토초 레이저 공진기이며,
상기 펨토초 레이저 공진기는 광섬유 기반의 부품으로 구성된 레이저 공진기로 구성되고,
모드 잠금을 구현하는 광섬유 기반의 포화흡수체 모드잠금부;
비선형 편광 회전 모드잠금부; 및
상기 펨토초 레이저 공진기의 반복률을 조절하기 위한 반복률 주사부;를 포함하고,
상기 광섬유 펨토초 레이저 공진기는,
링타입(Ring-type)의 광섬유 공진기이며 링캐비티(Ring cavity) 구조를 가지며,
공진기의 이득 매질을 구현하는 희토류 첨가 광섬유;
이득 매질의 흡수 광 파장에 해당하는 광을 출력하는 다이오드 레이저;
상기 다이오드 레이저에서 발진된 광을 희토류 첨가 광섬유로 입사시켜주는 파장 분할 다중화기;
비선형 편광 회전에서 커 미디움(Kerr medium)을 담당하는 단일모드광섬유;
상기 공진기 내 생성된 펄스를 단방향으로 진행시키는 광잡음을 줄여주는 광섬유 아이솔레이터;
공진기 반복률의 안정화를 위한 피에조 소자(PZT); 및
출력단을 구성하는 광커플러;를 포함하여 구성되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 포화흡수체 모드잠금부는,
두 개의 광 접속기 사이에 투과형 포화흡수체로 구성되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 3항에 있어서, 상기 투과형 포화흡수체는,
반도체 포화흡수체(Semiconductor saturable absorber), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 중 선택된 어느 하나를 포함하는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 포화흡수체는,
상기 공진기 내부의 펄스 플루엔스보다 높은 포화 플루엔스와 느린 완화시간(Relaxation time)을 가지도록 구현되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 1항에 있어서, 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부는,
상기 광섬유에서 출력되는 빛을 콜리메이팅(Collimating)하고 다시 포커싱(Focusing)하는 한 쌍의 광포트;
편광 조절을 위해 구현되는 1/2파장판과 1/4파장판; 및
편광 광 분할기;를 포함하여 구성되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 1항에 있어서, 상기 반복률주사부는,
처프 광섬유 브래그 격자 쌍과 PZT 플렉슈어 구조와 고정 스테이지로 구성된 인장시스템을 포함하고,
공진기로부터 광을 입사시키는 써큘레이터를 포함하는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 1항에 있어서, 상기 처프 광섬유 브래그 격자는
각각 1555nm의 중심 파장을 기준으로 100nm의 반사 대역폭과 90% 이상의 반사율을 가지는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 7항에 있어서, 상기 공진기는,
비선형 편광 회전 모드잠금부에서 출력되는 광을 아이솔레이터를 통해 상기 써큘레이터로 들어간 펄스는 한 쪽 처프 광섬유 브래그 격자에 입사되었다가 반사 파장대역의 빛만 반사되어 다른 쪽 처프 광섬유 브래그 격자로 들어간 후 다시 반사되어 공진기로 입사되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 7항에 있어서, 상기 인장시스템은,
상기 처프 광섬유 브래그 격자 중 한 쪽에 설치되며, PZT 플렉슈어와 연결된 PZT 앰프를 통해 0 ~ 1kV 사이의 PZT 조절이 가능하도록 구성되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 7항에 있어서, 상기 써큘레이터는,
네 포트 써큘레이터를 하나 사용하거나, 세 포트 써큘레이터를 두 개로 구성하여 처프 광섬유 브래그 격자로 각각 입력되는 구조를 가지는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 7항에 있어서, 상기 써큘레이터는,
세 포트 써큘레이터를 직렬 구조로 연결되도록 구성하는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 1항에 있어서, 상기 비선형 편광 회전 모드잠금부는,
상기 광섬유에서 출력되는 빛을 콜리메이팅(Collimating)하고 다시 포커싱(Focusing)하는 한 쌍의 광포트;
편광 조절을 위해 구현되는 1/2파장판과 1/4파장판; 및
편광기;를 포함하고,
공진기의 출력단을 광커플러로 구성하는 것을 특징으로 하는 편광 광 분할기;를 포함하여 구성되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.
제 1항에 있어서, 상기 포화흡수체 모드잠금부는,
써큘레이터를 포함하고, 상기 써큘레이터를 통해 입사된 광은 광 포트를 통해 콜리메이팅되어 반사형 포화흡수체로 입사된 후 다시 상기 광 포트에서 포커싱되어 공진기 내부로 입사되도록 구성되는 처프 광섬유 브래그 격자 쌍을 이용한 광대역 고속 반복률 주사 광섬유 펨토초 레이저 공진기.