KR101708259B1 - 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 클래드형 광섬유에 관한 것으로서 코어와, 코어를 감싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드와, 제1클래드를 감싸며 제1클래드 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드와, 상기 제1클래드내에서 진행되는 광의 상기 코어로의 커플링 효율을 높일 수 있도록 상기 제1클래드 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드를 구비한다. 이러한 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저에 의하면, 광섬유의 길이방향을 따라 클래드로부터 코어로의 펌핑광의 공급이 짧은 거리에서 효율적으로 이루어질 수 있는 장점을 제공한다.

Description

이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저{double-clad fiber and fiber laser using the same}

본 발명은 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저에 관한 것으로서, 상세하게는 클래드에서 코어로의 광커플링 효율을 높일 수 있도록 된 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저에 관한 것이다.

광섬유 레이저는 광섬유 코어에 이득 매질의 기능을 갖는 희토류 이온물질을 도핑하고, 코어내 도핑된 희토류 이온을 펌핑 광원을 통해 여기시켜 원하는 파장의 광을 얻을 수 있도록 되어 있다.

이러한 광섬유 레이저는 펌프 광원의 광변환 효율이 높고, 광부품의 정렬이 요구되지 않아 공진기 구성이 간단한 장점을 갖고 있다. 또한, 광섬유 레이저는 공진기 정렬이 흐트러지지 않아 출력이 안정되어 출력광의 모드 특성이 우수하고, 출력 광섬유 단을 자유롭게 움직일 수 있어 사용이 편리한 장점을 갖고 있다.

광섬유 레이저는 약 1 μm 대역에서 발진하는 이터븀(ytterbium, Yb) 광섬유 레이저, 약 1.5 μm 대역에서 발진하는 어븀(erbium, Er) 광섬유 레이저, 약 2 μm 대역에서 발진하는 쑬륨(thulium, Tm) 광섬유 레이저 등 다양한 종류가 있다.

이러한 광섬유 레이저의 구조는 국내 등록특허 제10-1423987호 등 다양하게 알려져 있다.

한편, 광섬유 레이저의 출력을 높이기 위해서는 광섬유 코어 내에 보다 많은 희토류 이온들을 여기시킬 수 있도록 보다 많은 펌핑광이 코어내로 공급되어야 한다. 이를 위한 방안으로서, 광섬유 코어로의 삽입손실을 저감하기 위한 기술의 경우 광섬유 코어의 면적이 매우 작아 삽입 손실의 저감에는 한계가 있다.

또 다른 방안으로서, 펌핑광을 코어 뿐만아니라 면적이 더 넓은 클래드로 삽입한 후 클래딩으로 진행하는 펌핑광이 광섬유 길이 방향으로 진행하면서 코어로 공급되도록 하는 클래드 펌핑방법이 있다.

이러한 클래드 펌핑방법의 경우 단면 형상이 원형인 광섬유 보다 펌핑광의 코어 내로의 공급 효율을 높일 수 있도록 단면형상이 다각형 형상을 갖는 구조가 미국 특허 6,157,763에 제시되어 있다.

단면이 다각형상인 클래드를 갖는 광섬유의 경우 단면이 원형인 클래드보다 펌핑광의 코어내로의 공급효율이 높지만, 더 높은 출력구현을 위해서는 SBS(Stimulated Brillouin Scattering) 또는 SRS(Stimulated Raman Scattering)과 같은 비선형 현상이 최소화 될 수 있도록 가능한 짧은 길이의 광섬유에서 펌핑 효율을 극대화할 수 있는 구조가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 클래드로부터 코어로의 펌핑광의 공급이 짧은 거리에서 보다 효율적으로 이루어질 수 있는 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이중 클래딩형 광섬유는 코어와, 상기 코어를 감싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드와, 상기 제1클래드를 감싸며 상기 제1클래드 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드를 갖으며 입사된 광을 증폭시키는 이중 클래드형 광섬유에 있어서, 상기 제1클래드내에서 진행되는 광의 상기 코어로의 커플링 효율을 높일 수 있도록 상기 제1클래드 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드;를 더 구비한다.

상기 제1클래드는 단면이 다각형 형상을 갖으며, 상기 커플링 로드는 상기 코어와 상기 제1클래드의 가장자리면의 중심 사이에 형성된 것이 바람직하다.

상기 커플링로드의 개구수는 0.05 내지 1.06, 더욱 바람직하게는 0.25 내지 1.02인 것이 적용된다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 광섬유는 광을 출사하는 다수의 펌핑 광원과, 상기 펌핑 광원들에서 출사되는 광을 합파하여 단일 출력단을 통해 출력하는 빔컴바이너와, 상기 빔컴바이너에서 출력되는 광을 증폭시키는 이중 클래딩형 광섬유와, 상기 빔컴바이너와 상기 이중 클래딩형 광섬유 사이에 설치되어 상기 빔컴바이너에서 출사되는 광은 통과시키고 상기 이중 클래딩형 광섬유에서 발진되는 발진광은 반사시키는 제1반사부재와, 상기 이중 클래딩형 광섬유를 기준으로 상기 제1반사부재 맞은편에 설치되어 상기 발진광의 일부는 통과시키는 제2반사부재를 구비하는 광섬유 레이저에 있어서, 상기 이중 클래딩형 광섬유는 코어와, 상기 코어를 감싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드와, 상기 제1클래드를 감싸며 상기 제1클래드 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드와, 상기 제1클래드내에서 진행되는 광의 상기 코어로의 커플링 효율을 높일 수 있도록 상기 제1클래드 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드;를 구비한다.

본 발명에 따른 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저에 의하면, 광섬유의 길이방향을 따라 클래드로부터 코어로의 펌핑광의 공급이 짧은 거리에서 효율적으로 이루어질 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 클래딩형 광섬유가 적용한 광섬유 레이저를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 클래딩형 광섬유를 나타내 보인 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 클래딩형 광섬유 및 이를 적용한 광섬유 레이저를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 클래딩형 광섬유가 적용한 광섬유 레이저를 나타내 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 레이저(100)는 다수의 레이저 광원(LD)(110), 빔컴바이너(120), 제1 및 제2광섬유격자(130)(140), 이중 클래딩형 광섬유(150)를 구비한다.

레이저 광원(LD)(110)은 펌핑광원으로 적용된 것이다.

레이저 광원(110)은 레이저 다이오드 등 레이저광을 출사하는 공지된 다양한 광원이 적용될 수 있다.

빔컴바이너(120)는 펌핑 광원으로 적용된 다수의 레이저광원(110)으로부터 광을 각각 입사받을 수 있도록 된 입력단(112)들을 통해 입력된 광을 합파하여 단일 출력단(114)을 통해 출력한다.

빔컴바이너(120)의 입력단(112)과 출력단(114)은 일반적인 광섬유 또는 대구경 코어 광섬유가 적용된다.

이중 클래딩형 광섬유(150)는 제1광섬유격자(130)와 제2광섬유격자(140)사이에 설치되어 빔컴바이너(120)로부터 출사되어 제1광섬유격자(130)거쳐 진행되는 광을 증폭시킨다.

제1광섬유격자(130)는 제1반사부재의 예로서 적용되었고, 빔컴바이너(120)와 이중 클래딩형 광섬유(150) 사이에 설치되어 빔컴바이너(120)의 출력단(114)을 통해 출사되는 광은 통과시키고 이중 클래딩형 광섬유(150)에서 발진되는 발진광은 반사시킨다.

제2광섬유격자(140)는 이중 클래딩형 광섬유(150)를 기준으로 제1광섬유격자(130) 맞은편에 설치되어 발진광의 일부는 통과시킨다.

여기서, 제1광섬유격자(130) 대신 다이크로익미러가 적용되고, 제2광섬유격자(140) 대신 부분반사 거울이 적용될 수 있음은 물론이다.

이중 클래딩 광섬유(150)는 빔컴바이너(120)의 출력단(114)으로부터 제1광섬유격자(130)를 거쳐 진행되는 광을 코어(151) 및 제1클래드(153)를 통해 입사받을 수 있도록 접속되어 있다.

이러한 광섬유 레이저(100)에 적용된 이중 클래딩 광섬유(150)는 코어(151)와, 코어(151)를 감싸며 코어(151)보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드(153)와, 제1클래드(153)를 감싸며 제1클래드(153) 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드(155)와, 제1클래드(153) 내에서 진행되는 광의 코어(151)로의 공급 즉, 커플링 효율을 높일 수 있도록 제1클래드(153) 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드(153)보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드(157)를 갖는 구조로 되어 있다.

코어(151)에는 이득 매질 요소 예를 들면 희토류 이온물질이 도핑되어 있다.

제1클래드(153)는 단면이 도시된 예와 같이 6각형 또는 도 2에 도시된 바와 같이 8각형과 같은 다각형으로 형성되어 있다.

커플링 로드(157)는 코어(151)와 제1클래드(153)의 모서리와 모서리 사이를 잇는 가장자리면의 중심 사이에 형성되어 있다.

즉, 커플링 로드(157)는 코어(151)로부터 다각형상의 제1클래드(153)의 면 중심을 잇는 선상에 형성되어 있다.

또한, 커플링 로드(157)와 코어(151) 사이의 이격거리는 전기장의 상호영향이 일어나지 않도록 적절한 갭(gap)을 갖어야 한다.

이러한 점을 감안하여, 도 2에 도시된 단면도를 참조하면서, 커플링로드(157)의 바람직한 배열구조를 설명한다.

코어(151)의 중심과 커플링로드(157)의 중심 사이의 거리(e)는 아래의 수학식1과 같은 조건을 만족하게 결정된다.

여기서, a는 코어(151)의 직경이고, d는 커플링로드(157)의 직경이며, b는 제1클래드(153)의 상호 대향되는 면 사이의 거리이다.

또한, 커플링로드(157)의 개구수(NA; numerical aperture)는 0.05 내지 1.06의 범위를 갖게 형성된 것이 적용된다.

더욱 바람직하게는 커플링로드(157)의 개구수는 0.25 내지 1.02를 갖는 것이 적용된다.

이하에서는 이러한 이중 클래딩 광섬유 구조의 제1클래드(153)으로부터 코어(151) 내로의 광공급 즉, 광결합 효율을 알아보기 위해 제1비교광섬유, 제2비교광섬유 및 본 발명의 이중클래딩형 광섬유에 대한 1차 클래드로부터 코어로의 펌핑광의 흡수율을 시뮬레이션하여 산출하여 보았다.

제1비교광섬유는 제1클래드가 원형인 단면을 갖으며, 코어의 지름은 20㎛, 제1클래드의 직경은 250㎛, 제2클래드의 직경은 400㎛, 코어의 개구수는 0.06, 클래드의 개구수는 0.5, 광섬유 길이는 20cm인 것이 적용되었다.

또한, 제2비교광섬유는 제1클래드가 팔각 단면을 갖으며, 코어의 지름은 20㎛, 제1클래드의 대향되는 면사이의 거리는 250㎛, 제2클래드의 직경은 400㎛, 코어의 개구수는 0.06, 클래드의 개구수는 0.5, 광섬유 길이는 20cm인 것이 적용되었다.

본 발명에 제안된 이중 클래딩형 광섬유(150)는 제1클래드(153)가 팔각 단면을 갖으며, 코어(151)의 지름(a)은 20㎛, 제1클래드(153)의 대향되는 면사이의 거리(b)는 250㎛, 제2클래드(155)의 직경(c)은 400㎛, 코어(151)의 개구수는 0.06, 클래드의 개구수는 0.5, 커플링로드(157)의 직경(d)은 25㎛, 코어(151)와 커플링로드(157)의 거리(e)는 100㎛, 커플링로드(157)의 개구수는 0.28, 광섬유 길이는 20cm인 것이 적용되었다.

실험결과, 제1클래드로부터 코어로의 펌핑광의 흡수율(a.u.)은 제1비교광섬유가 8.35 a.u., 제2비교광섬유가 18.88 a.u., 커플링로드(157)를 갖는 본 이중클래딩 광섬유(150)가 19.82 a.u.로 측정되었다.

이러한 실험결과로부터 커플링로드(157)가 삽입된 이중클래딩 광섬유(150)의 제1클래드(153)로부터 코어(151)의 광공급 효율이 더욱 향상됨을 알 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 이중 클래딩형 광섬유가 적용된 광섬유 레이저에 의하면, 광섬유의 길이방향을 따라 짧은 거리에서도 클래드로부터 코어로의 펌핑광의 공급이 효율적으로 이루어질 수 있는 장점을 제공한다.

110: 레이저 광원(LD) 120: 빔컴바이너
130, 140: 제1 및 제2광섬유격자 150: 이중 클래딩형 광섬유
157: 커플링 로드

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 코어와, 상기 코어를 감싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드와, 상기 제1클래드를 감싸며 상기 제1클래드 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드를 갖으며 입사된 광을 증폭시키는 이중 클래드형 광섬유에 있어서,
   상기 제1클래드내에서 진행되는 광의 상기 코어로의 커플링 효율을 높일 수 있도록 상기 제1클래드 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드;를 더 구비하고,
   상기 제1클래드는 단면이 다각형 형상을 갖으며, 상기 커플링 로드는 상기 코어와 상기 제1클래드의 가장자리면의 중심 사이에 형성되어 있고,
   상기 코어의 중심과 상기 커플링로드의 중심 사이의 거리(e)는
   

   

   의 조건을 만족하게 형성되며,
   상기 a는 코어의 직경, d는 커플링로드의 직경, b는 제1클래드의 상호 대향되는 면 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 이중 클래딩형 광섬유.
4. 코어와, 상기 코어를 감싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드와, 상기 제1클래드를 감싸며 상기 제1클래드 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드를 갖으며 입사된 광을 증폭시키는 이중 클래드형 광섬유에 있어서,
   상기 제1클래드내에서 진행되는 광의 상기 코어로의 커플링 효율을 높일 수 있도록 상기 제1클래드 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드;를 더 구비하고,
   상기 커플링로드의 개구수는 0.05 내지 1.06인 것을 특징으로 하는 이중 클래딩형 광섬유.
5. 제4항에 있어서, 상기 커플링로드의 개구수는 0.25 내지 1.02인 것을 특징으로 하는 이중 클래딩형 광섬유.
6. 삭제
7. 삭제
8. 광을 출사하는 다수의 펌핑 광원과, 상기 펌핑 광원들에서 출사되는 광을 합파하여 단일 출력단을 통해 출력하는 빔컴바이너와, 상기 빔컴바이너에서 출력되는 광을 증폭시키는 이중 클래딩형 광섬유와, 상기 빔컴바이너와 상기 이중 클래딩형 광섬유 사이에 설치되어 상기 빔컴바이너에서 출사되는 광은 통과시키고 상기 이중 클래딩형 광섬유에서 발진되는 발진광은 반사시키는 제1반사부재와, 상기 이중 클래딩형 광섬유를 기준으로 상기 제1반사부재 맞은편에 설치되어 상기 발진광의 일부는 통과시키는 제2반사부재를 구비하는 광섬유 레이저에 있어서,
   상기 이중 클래딩형 광섬유는
   코어와, 상기 코어를 감싸며 상기 코어보다 낮은 굴절율로 형성된 제1클래드와, 상기 제1클래드를 감싸며 상기 제1클래드 보다 낮은 굴절율로 형성된 제2클래드와, 상기 제1클래드내에서 진행되는 광의 상기 코어로의 커플링 효율을 높일 수 있도록 상기 제1클래드 내에 길이방향을 따라 연장되며 제1클래드보다 낮은 굴절을 갖으며 단면이 환형인 적어도 3개 이상의 커플링 로드;를 구비하고,
   상기 제1클래드는 단면이 다각형 형상을 갖으며, 상기 커플링 로드는 상기 코어와 상기 제1클래드의 가장자리면의 중심 사이에 형성되어 있고,
   상기 코어의 중심과 상기 커플링로드의 중심 사이의 거리(e)는
   

   

   의 조건을 만족하게 형성되며,
   상기 a는 코어의 직경, d는 커플링로드의 직경, b는 제1클래드의 상호 대향되는 면 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저.

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