KR101788073B1 - 레이저 광의 파장 안정화 장치 및 방법 - Google Patents

레이저 광의 파장 안정화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 레이저 광의 파장 안정화 장치로서, 레이저 입력광을 발생시키는 레이저 발진부의 광 전달 경로에 마련되며 임계값에서 유도 브릴루앙 산란 현상을 일으키는 광도파로, 상기 광도파로에 의해 천이된 광신호의 주파수와 입력광의 주파수의 차이인 맥놀이 주파수를 연속적으로 얻는 광 검출기 및 상기 맥놀이 주파수를 이전의 맥놀이 주파수 값과 비교하여 그 차이값이 0이 되도록 제어 신호를 발생시켜 입력광의 중심 주파수를 이동시키는 파장 제어기를 포함할 수 있다. 따라서, 실시예는 입력광의 세기와 상관없이 파장 안정화가 가능하며, 특히 고출력의 레이저 광원에서 파장 안정화를 용이하게 수행할 수 있다.

Description

레이저 광의 파장 안정화 장치 및 방법{Method for Stabilizing Wavelength of Laser Light}
본 발명은 레이저 광의 파장 안정화를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 레이저 광의 중심 파장이 외부 환경에 의해 바뀌는 현상을 해결하기 위한 것이다.
근래에 들어 대용량의 정보 전송 및 고속의 정보 통신을 위하여 빛을 정보 전송의 매개로 하는 광통신이 일반화되어 가고 있다. 빛은 매우 특이한 특성을 갖는 에너지파로서 어느 한 지역에 동시에 존재하는 여러 빛들이 서로 상호 작용을 하기 위해서는 상호 작용의 대상이 되는 빛들이 동일한 파장을 가지거나, 빛의 위상(phase)이 맞아야 하며, 또한 진행 방향이 일치하여야 한다. 그러므로 빛은 서로간의 간섭성이 매우 떨어지며 이러한 빛의 특성을 이용하여 파장이 다른 여러 가지의 파장의 레이저 빛을 하나의 광섬유로 전송하는 파장 다중화 (wavelength division multiplexing: WDM) 방법이 널리 채택되고 있다. 파장 다중화 방법을 적용하기 위해서는 인접한 파장 사이의 간격에 맞게 적절하게 고정된 파장의 레이저 빛을 방출 할 수 있는 레이저 광원이 필요하다.
현재 고밀도 파장 다중화 방식에 있어서 파장 사이의 간격은 1.6nm(nano meter) 또는 0.8nm 또는 0.4nm 정도로 점점 좁아지는 추세에 있다. 그러므로 이러한 파장 다중화를 위해서는 광원의 파장 선폭이 매우 좁아야 하며, 온도 및 레이저 구동 전류 등 여러 가지 레이저 광원의 구동 환경 변화에 대해 레이저 광원의 파장이 매우 엄밀하게 고정되어 있어야 하며, 통상적으로 파장 간격의 1/4 이내의 파장 정밀성이 요구 된다. 그러므로 파장 다중화의 파장 간격이 1.6nm 또는 0.8nm 또는 0.4nm인 경우 파장의 안정화 정도는 ±2℃, ±1℃, ±0.5℃정도 이내에서 정밀하게 조절되어야 한다. 레이저의 발진 파장을 정밀하게 제어하기 위해서 파장 안정화 장치들이 연구되고 있다.
종래의 파장 안정화 방법으로는 개스셀을 이용한 방법이 제안된 적이 있으나, 이는 고출력 광원의 파장을 안정화시키는 경우 입사광의 크기에 따라 흡수선이 포화되어 변위 측정이 어려운 문제점이 있다. 또한, 에탈론 필터를 사용한 파장 안정화 방법에 있어서는 광원의 특정 파장에 맞는 에탈론 필터의 두께 및 각도에 대한 사전 설계가 요구되는 불편함이 있었다. 따라서, WDM을 효과적으로 전개할 수 있도록 파장을 안정화할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 광의 주위 환경 변화에 따른 파장 변동을 안정화시키기 위한 장치 및 이를 이용한 방법을 제공하기 위한 것으로서, 레이저 발진기에 광도파로를 접목하고 발진광을 광도파로에 입사시켜 광도파로 내부에서 일어나는 비선형현상인 유도 브릴루앙 산란(SBS) 현상을 야기시켜 이로 인해 얻어진 파장변위를 검출하여 레이저 광원에서 발생되는 광의 파장을 안정화시키는 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
실시예는 레이저 광의 파장 안정화 장치로서, 레이저 발진부에서 발생되는 입력광의 전달경로를 형성하는 광도파로 상에 형성되며, 상기 입력광을 분할하는 광 분할기; 상기 광 분할기의 일 경로에 연결되면서 상기 레이저 발진부로의 광반사를 차단하는 광 순환기; 상기 광 분할기의 타 경로에 연결되며, 상기 광 순환기와 연결되는 광 결합기; 상기 광 순환기와 연결되며 일정 임계값 이상에서 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering) 현상을 일으키는 광도파로; 상기 유도 브릴루앙 산란 효과로 인해 상기 광도파로에서 돌아나온 광 신호의 주파수와 입력광의 주파수 간의 차이인 맥놀이 주파수를 검출하는 광 검출기; 및 상기 맥놀이 주파수를 이전의 맥놀이 주파수와 연속적으로 비교하여 그 차이값을 도출하는 주파수 변위 검출기;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 레이저 발진부에는 입력광이 레이저 발진부로 후방반사되는 것을 차단하는 광단방향기가 마련될 수 있다.
그리고, 상기 광단방향기는 광도파로 내부에서 유도 브릴루앙 산란 효과가 일어날 수 있는 임계값으로 입력광의 파워를 설정하는 증폭기가 마련될 수 있다.
그리고, 상기 광 분할기와 상기 광 순환기와 연결되며, 상기 광 분할기에 의해 분할된 입력광과 상기 광 순환기를 통해 돌아나온 광 신호를 합하는 광 결합기가 마련될 수 있다.
그리고, 상기 주파수 변위 검출기의 일측에는 상기 주파수 변위 검출기에서 도출된 맥놀이 주파수의 차이값에 해당되는 주파수 제어 신호를 발생시키는 파장 제어기가 마련될 수 있다.
그리고, 상기 주파수 제어 신호는 상기 맥놀이 주파수의 차이값이 0이 되도록 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 맥놀이 주파수는 레이저 광의 중심 파장이 일정한 경우 일정한 값이며, 레이저 광의 중심 파장이 이동하는 경우에 상기 맥놀이 주파수의 차이값이 선형적으로 변화하는 것을 특징으로 한다.
실시예는 레이저 광의 파장 안정화 방법으로서, 레이저 입력광의 파장을 일정한 값을 갖도록 제어하는 단계; 레이저 입력광의 전달 경로에 마련된 광도파로 내부에서 유도 브릴루앙 산란 효과를 일으키도록 하는 임계값 이상으로 입력광의 세기를 설정하는 단계; 유도 브릴루앙 산란 효과에 의해 생성된 광 신호의 주파수와 입력광의 주파수 간의 맥놀이 주파수를 생성하는 단계; 상기 맥놀이 주파수를 바로 이전에 측정된 맥놀이 주파수와 비교하여 차이값을 검출하는 단계; 및 상기 차이값에 따른 제어 신호를 발생하여 현재 발생되고 있는 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 단계;를 포함하는 레이저 광의 파장 안정화 방법.
그리고, 상기 차이값에 따른 제어 신호를 발생하여 현재 발생되고 있는 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 단계는, 상기 차이값이 0인 경우에 현재 레이저 광의 제어 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 차이값이 0인 경우에 현재 레이저 광의 제어 상태를 유지하는 과정을 수행한 후에 유도 브릴루앙 산란 현상에 의한 천이된 광신호를 받아 이를 다시 현재 입력광의 주파수와 비교하여 맥놀이 주파수를 도출하는 과정을 연속적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 차이값에 따른 제어 신호를 발생하여 현재 발생되고 있는 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 단계는, 상기 차이값이 0이 아닌 경우에 상기 차이값이 0이 되도록 제어 신호를 발생시켜 레이저 광의 중심 파장이 이동하도록 레이저 광의 파장을 제어한 후에 유도 브릴루앙 산란 효과에 의한 천이된 주파수를 갖는 광신호를 다시 받아 이를 현재 입력광과 비교하는 과정을 연속적으로 수행하는 과정을 포함할 수 있다.
실시예는 레이저 광의 파장 안정화 장치로서, 레이저 입력광을 발생시키는 레이저 발진부의 광 전달 경로에 마련되며 임계값에서 유도 브릴루앙 산란 현상을 일으키는 광도파로; 상기 광도파로에 의해 천이된 광신호의 주파수와 입력광의 주파수의 차이인 맥놀이 주파수를 연속적으로 얻는 광 검출기; 및 상기 맥놀이 주파수를 이전의 맥놀이 주파수 값과 비교하여 그 차이값이 0이 되도록 제어 신호를 발생시켜 입력광의 중심 주파수를 이동시키는 파장 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 광의 파장 안정화 장치 및 방법은 입력광의 세기와 상관없이 파장 안정화가 가능하며, 고출력의 레이저 광원에서 유도 브릴루앙 산란 효과가 더 크게 나타나므로 고출력 레이저 광의 안정화에 유리한 장점이 있다.
본 발명의 실시예는 파장의 모든 범위에 걸쳐 주변 환경 변화에 따른 파장 편차를 얻을 수 있기 때문에 특정 파장에 대한 사전 설계가 필요하지 않다.
본 발명의 실시예는 기존의 방법에 비해 장시간동안 파장 안정도를 유지할 수 있으며, 본 발명은 일반적인 광섬유나 분산보상광섬유를 사용할 수 있어 종래의 개스셀이나 에탈론 필터를 사용하는 방법에 비해 제작비용을 절감하면서도 파장의 안정도는 유사하게 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치의 일실시예를 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면
도 4는 맥놀이 주파수의 예시를 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 방법을 나타낸 흐름도
도 6은 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 방법에 따른 파장의 변화추이를 나타낸 그래프
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 실시예의 레이저 파장 안정화 장치는 레이저 발진부(11)와 연결되는 광 단방향기(12), 제1 증폭기(13), 광 분할기(14), 광 순환기(15), 광도파로(16), 광결합기(17), 광 검출기(18), 제2 증폭기(19), 주파수 변위검출기(20), 파장 제어기(21)를 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 발진부(11)는 일정한 파장의 레이저 광을 발진시키는 광원의 역할을 하는 구성이며, 레이저 발진부에서 송출된 레이저 광 신호는 일정한 파장(주파수)을 갖도록 제어되면서 광도파로를 따라 송신된다.
광단방향기(12)는 송출된 레이저 광 신호가 후방으로 반사되어 발생되는 반사광을 차단하기 위해 마련될 수 있다. 광단방향기를 통과한 레이저 광 신호는 제1 증폭기(13)로 이동할 수 있다. 제1 증폭기(13)는 레이저 발진부(11)에서 발생되는 입력광이 광도파로(16) 내부에서 유도 브릴루앙 산란 효과를 일으킬 수 있는 임계값 이상이 되도록 입력광을 증폭시키는 역할을 한다.
증폭된 입력 광신호는 광분할기(14)로 이동하며, 광분할기는 송신된 입력 광 신호를 2개로 분할한다. 광 분할기(14)는 광 순환기(15) 및 광 결합기(17)와 연결되며, 광 분할기에 의해 분할된 광 신호 중 하나는 광 순환기(15)로, 다른 하나는 광 결합기(17)로 전송된다.
실시예의 레이저 파장 안정화 장치는 광 순환기(15)와 연결되는 광도파로(16)를 구비하며, 광도파로(16)는 광통신에 적용시 광신호를 전달하도록 설계된 광섬유가 적용될 수 있다. 본 실시예는 이에 한정되지 않으며, 광전력을 도파할 수 있는 구조의 관으로 형성된 모든 구조를 포함할 수 있다.
또한, 실시예의 광도파로(16)는 임계값 이상의 레이저 광 신호가 입사시에 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering, SBS) 현상을 일으킬 수 있는 모든 구조체를 포함할 수 있다.
유도 브릴루앙 산란(SBS) 효과란 전자기파 매질 음파 진동모드 사이의 상호작용의 결과로 나타나는 비선형 광학효과로서, 광섬유에 입사된 광량이 일정 임계치를 초과하면 전송되는 빛의 상당량이 다시 되돌아오는 현상을 의미한다. 이 때, 다시 되돌아오는 광은 매질의 비선형효과에 의해서 새로운 파장을 가지게 되며, 입력광의 대부분이 입력광보다 낮은 주파수로 천이된 stokes 광으로 후방 반사된다.
종래에는 광도파로에서 발생하는 유도 브릴루앙 산란 효과에 의해 광손실이 발생하는 것을 방지하기 위해 입력광을 일정 파워 이하로 제어하기 위한 여러가지 방법들이 제안되었으나, 본 발명은 광도파로에서 유도 브릴루앙 산란 효과가 발생하도록 유도하여 이를 파장 안정화 방법에 적용함을 그 특징으로 한다.
즉, 유도 브릴루앙 산란이 발생하는 임계값이 되도록 레이저 입력광의 파워를 조절하고, 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 천이되어 후방 반사되는 광을 검출하여 이를 파장 안정화 방법에 적용하는 것을 특징으로 한다.
광 순환기(15)는 광도파로(16)에서 되돌아 나온 광이 레이저 발진부(11) 측으로 돌아가는 것을 막고 광 결합기(17)로 이동하도록 광경로를 제공한다. 광 결합기(17)는 광 분할기(14)에서 분할된 입력광 신호와 광도파로(16)를 통해 후광반사된 천이된 주파수를 갖는 광 신호를 결합하여 광 검출기(18)로 전송한다.
광 검출기(18)에 의해 입력광 신호와 천이된 주파수를 갖는 광 신호 사이에서 주파수가 서로 비슷한 두 신호가 서로 중첩되어 간섭할 때 나타나는 현상인 맥놀이(Beat) 현상에 의한 맥놀이 주파수가 생성될 수 있다. 맥놀이 주파수는 입력광 신호의 주파수에서 광도파로를 통해 천이된 광 신호의 주파수를 빼준 값일 수 있다. 레이저 광의 중심 파장이 초기 설정되었을 때, 이에 해당되는 맥놀이 주파수값이 설정될 수 있다.
초기 설정된 맥놀이 주파수는 제2 증폭기(19)를 거쳐 증폭된 후에, 주파수 변위검출기(20)에 저장된다. 그리고, 다음 주기에 도출되는 맥놀이 주파수와의 차이값을 토대로 주파수 정보 신호가 추출될 수 있다. 상기 주파수 정보 신호는 파장 제어기(21)로 입력되어 레이저 발진 주파수의 조절 신호를 출력하며, 상기 조절 신호에 의해 발진되는 광의 중심 파장을 원래의 값을 갖도록 조절할 수 있다.
레이저 발진 주파수의 조절 신호를 통해 레이저 광의 파장을 변화시키는 방법은 레이저 발진부를 포함하는 모듈에 부착되어 온도를 측정하는 써미스터를 이용하여 온도를 변화시켜 중심 파장을 이동시키거나, 레이저 발진부에서 발진되는 입력광의 전압 또는 전류값을 변경하여 레이저 광의 중심 파장을 변화시키는 방법 등이 적용될 수 있으나 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
실시예의 레이저 파장 안정화 장치는 초기 측정된 맥놀이 주파수와 다음으로 측정된 맥놀이 주파수와의 차이값을 구하고, 이 차이값에 해당하는 주파수 조절 신호를 레이저 발진부로 피드백함으로써, 레이저 광의 중심 파장을 초기의 중심 파장과 동일하게 되도록 제어할 수 있다.
즉, 일정한 간격으로 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 광도파로를 따라 후방 반사되는 광 신호가 연속적으로 발생되면, 연속적으로 생성되는 맥놀이 주파수는 바로 이전 맥놀이 주파수와의 차이값을 통해 레이저 광의 중심 파장을 연속적으로 변화시키는 피드백 구조일 수 있다.
상술한 바와 같이 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치의 개략적 구조에 대하여 살펴보았으며, 이어서는 보다 구체적인 구조에 대하여 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 실시예의 레이저 파장 안정화 장치(10)는 레이저 광이 전송되는 경로가 광도파로로 이루어진 예시를 나타낸 것이다. 각각의 구성은 도시된 바와 같이 전기적인 연결(Electrical)과, 공기 또는 액체와 같은 여러 매질을 이용한 광학적 연결이 결합된 형태의 전달 경로가 형성될 수 있다.
일실시예의 레이저 파장 안정화 장치(10)에서 레이저 발진부(11)에 의해 발진되는 레이저 입력광은 광단방향기(12)로 전송되며, 이 때 입력광은 λ0의 파장(f0의 주파수)을 가진다고 가정한다. 광단방향기(12)에 의해 입력광은 후방반사가 차단되고 증폭기(13)로 이동한다.
증폭기(13)로 이동된 광은 기설정된 크기로 증폭이 수행될 수 있는데 그 크기는 광도파로(16) 내부에서 유도 브릴루앙 산란 현상이 일어날 수 있는 임계값에 해당될 수 있다. 상기 임계값은 고정적인 값은 아니며 광도파로(16)의 길이와 면적에 의해 가변될 수 있다. 상기 임계값보다 고출력을 사용하는 레이저 모듈을 사용시에는 상기 증폭기의 구성은 생략될 수도 있다.
증폭기(13)에 의해 증폭된 입력광은 광 분할기(14)를 통해 두개의 경로로 전송될 수 있다. 광 분할기(14)와 연결되는 하나의 경로에는 광 순환기(15)와 광 도파로(16)가 연결될 수 있고, 다른 하나의 경로에는 광 반사기(22)와 광 결합기(17)가 연결될 수 있다.
광 분할기(14)를 거쳐 광 순환기(15)로 전송된 입력광은 광 순환기(15)의 전달경로에 마련된 광도파로(16)의 내부로 진입할 수 있다. 입력광의 파워가 유도 브릴루앙 산란 현상을 일으키는 임계값 이상일 경우에, 광도파로 내부로 진입된 입력광은 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 일정량의 광신호가 다시 광순환기(15) 측으로 되돌아 나오게 된다. 이 때 되돌아 나온 광신호는 유도 브릴루앙 산란에 의해 천이된 파장을 가지게 되며, 이 광신호는 λ0+Δλ의 파장(또는 f0+Δf 의 주파수)을 가진다고 가정한다.
광도파로(16)를 통해 되돌아나온 광신호는 광순환기(15)에 의해 광 분할기(14)로의 이동이 차단되고, 광 결합기(17) 측으로 전송될 수 있다. 광 분할기(14)와 연결된 다른 하나의 경로에 마련된 광 반사기(22)는 광의 전달 경로를 변경하여 입력광을 광결합기(17)로 전송한다. 광결합기(17)는 증폭된 입력광과 천이된 광신호를 합쳐 광 검출기(18)로 이를 전송한다.
광 검출기(18)에서는 두 신호의 차이값인 맥놀이 주파수(Δfn)가 검출되며, 이를 전기증폭기(19)로 증폭시킨 후에 주파수 변위 검출기(20)로 전송한다. 상기 맥놀이 주파수는 입력광이 발진되는 동안 주기적으로 측정될 수 있으며, 순차적으로 Δf0, Δf1,·,·,·,·,·Δfn의 맥놀이 주파수가 검출될 수 있다.
예를 들어, 주파수 변위 검출기(20)에서는 제1 맥놀이 주파수(Δf1)를 저장하고, 다음 주기에서 광도파로에서의 비선형 현상인 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 천이되는 광신호를 입력받아 제2 맥놀이 주파수(Δf2)를 얻는다. 상기 제1 맥놀이 주파수와 제2 맥놀이 주파수의 차이값(Δf2-Δf1)을 검출하여, 이 차이값에 해당하는 신호를 파장 제어기(21)로 전송한다. 즉, 현재 측정된 맥놀이 주파수를 이전에 측정된 맥놀이 주파수와 비교하여 차이값을 구하는 것으로 이를 일반적으로 나타내면, 맥놀이 주파수의 차이값은 Δfn-Δfn-1로 표현될 수 있다.
상기 파장 제어기(21)에서는 상기 차이값에 해당되는 만큼에 해당되는 주파수 조절 신호를 송출하여 레이저 발진부에서 발생되는 입력광의 중심 파장을 상기 주파수 조절 신호에 해당되는 파장만큼 변화시킨다. 만약, 제1 광신호와 제2 광신호의 차이값이 0인 경우에는 현재 레이저 발진부에서 발생되는 입력광의 파장을 현상태대로 유지한다.
이어서, 제3 맥놀이 주파수가 주파수 변위 검출기로 전송되면 이를 바로 전 신호인 제2 맥놀이 주파수와 비교하여, 차이값에 해당하는 만큼 레이저 입력광의 중심 파장을 이동시킬 수 있다. 즉, 실시예는 시간의 흐름에 따라 입력광이 송출되는 동안 연속적인 맥놀이 주파수의 차이값을 통해 외부 환경에 의해 레이저 광의 중심 파장이 변동된 경우 실시간으로 이를 변화시켜 안정적으로 파장을 유지시킬 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 다른 실시예의 레이저 파장 안정화 장치(10)는 레이저 광이 전송되는 경로가 광섬유로 이루어진 예시를 나타낸 것이다. 각각의 구성은 도시된 바와 같이 전기적인 연결(Electrical)과, 공기 또는 액체와 같은 여러 매질을 이용한 광학적 연결이 결합된 형태의 전달 경로가 형성될 수 있다.
다른 실시예의 레이저 파장 안정화 장치(10)에서 모든 구성은 도 2에 개시된 구성과 동일한 작용을 하는 것이나, 특히 레이저를 광통신에 접목하기 위한 구성으로서 레이저 발진부(11), 광단방향기(12), 광 분할기(14), 광 증폭기(13), 광 순환기(15) 및 광 결합기(17)를 연결하는 라인이 광섬유로 이루어질 수 있다. 이러한 구성은 파장이 다른 여러 가지의 파장의 레이저 빛을 하나의 광섬유로 전송하는 파장 다중화 (wavelength division multiplexing: WDM) 방법에 있어서 유리하게 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 4는 맥놀이 주파수의 예시를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 맥놀이 주파수를 나타낸 그래프로, 유도 브릴루앙 산란 효과에 의해 입력광과 천이된 광신호의 주파수 차이값이 9.6GHz에서 피크값을 가짐을 보여주고 있다. 맥놀이 주파수는 레이저 광의 발진 파장(주파수)의 변화에 따라 선형에 가깝게 변하며, 맥놀이 주파수의 차이값을 통해 현재 발진되고 있는 레이저 광이 얼마만큼 이동되었는지를 예측할 수 있다.
예를 들어, 맥놀이 주파수가 초기 측정시 9.6GHz를 나타내었으나, 다음의 측정에서 9.5GHz를 나타내었다면 현재 발생되는 발진광의 중심파장이 이동된 것으로 판단할 수 있으며, 0.1GHz에 해당하는 만큼의 파장 변위를 도출하여 이에 해당되는 만큼 중심 파장을 이동시킬 수 있는 것이다.
도 5는 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 방법을 나타낸 흐름도로, 본 발명의 파장 안정화 방법에 대하여 설명한다.
도 5를 참조하면, 우선 레이저 광의 파장을 제어하는 단계(S10)를 수행한다. S10 단계는 레이저 광의 중심 파장이 초기에 설정된 파장이 되도록 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
이어서, 광도파로 내부에서 유도 브릴루앙 산란 현상이 일어나는 임계값 이상으로 입력광의 파워를 설정하는 단계(S20)를 수행한다. 레이저 발진부에서 발생된 광이 이동하는 경로에는 파장 안정화 장치가 마련되는데, 상기 파장 안정화 장치에는 기설정된 크기의 광도파로가 마련될 수 있다.
이어서, 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 천이된 주파수를 생성하는 단계(S30)를 수행한다. 광도파로로 입사된 입력광은 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 되돌아 나오는 천이된 주파수를 갖는 광신호가 발생하게 된다.
이어서, 입력광과 천이된 주파수를 갖는 신호 사이의 맥놀이 주파수를 생성하는 단계(S40)를 수행한다. 상기 맥놀이 주파수는 입력광의 주파수와 천이된 광신호의 주파수와의 차이값일 수 있다.
이어서, 측정된 맥놀이 주파수를 이전에 측정된 맥놀이 주파수와 비교하여 차이값을 검출하는 단계(S50)를 수행한다. 맥놀이 주파수가 변동되었다는 것은 현재 발진되고 있는 레이저 광의 중심 파장이 이동되었다는 것을 의미한다.
이어서, 맥놀이 주파수의 차이값이 0인지에 대한 여부를 판단하는 단계(S60)를 수행한다. 맥놀이 주파수의 차이값이 0인 경우에는 현재 발진되고 있는 레이저 광을 현 제어 상태로 유지하는 단계(S70)를 수행하며, 현재 상태의 맥놀이 주파수를 검출하여 이전에 측정된 맥놀이 주파수의 차이값을 검출하는 S50 단계로 넘어가 파장의 변화 여부를 연속적으로 파악한다.
차이값이 0이 아닌 경우에는 차이값에 해당되는 만큼의 제어 신호를 발생하는 단계(S80)를 수행하여 레이저 광의 중심 파장을 이동시키도록 한다. 레이저 광의 중심 파장이 이동된 경우에는 레이저 광의 파장을 제어하는 S10 단계로 넘어가 이후의 과정을 재수행함으로써, 레이저 광의 파장을 안정화시키는 과정을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 파장 안정화 장치 및 방법은 입력광의 세기와 상관없이 파장 안정화가 가능하며, 고출력의 레이저 광원에서 유도 브릴루앙 산란 효과가 더 크게 나타나므로 고출력 레이저 광원의 안정화에 유리한 장점이 있다. 또한, 파장의 모든 범위에 걸쳐 주변 환경 변화에 따른 파장 편차를 얻을 수 있기 때문에 특정 파장에 대한 사전 설계가 필요하지 않은 장점이 있다.
도 6은 실시예에 따른 레이저 파장 안정화 방법에 따른 파장의 변화추이를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조하면, 시간의 흐름에 따라 레이저 입력광의 파장이 변화하는 추이를 나타낸 것으로 종래의 파장 안정화 방법(Free Running LD)에서는 파장의 변화가 최대 0.004nm로 나타났으나, 광도파로를 통해 유도 브릴루앙 현상을 이용한 실시예의 파장 안정화 방법을 적용시에는 파장의 변화가 최대 0.002nm 이내로 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예의 파장 안정화 방법을 적용시에는 종래에 비해 시간의 흐름에 따른 파장의 변화폭을 현저히 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.
즉, 종래 기술은 파장 잠금기를 사용하여 파장 변화에 따른 빛의 세기 변화를 측정함으로써 파장의 변위정도를 파악하는 것으로 특정 파장을 고려한 셀 또는 에탈론 필터의 선택이 요구되는 단점이 있었으나, 본 실시예는 임의의 파장에 대해서 이에 대해 상응하는 stokes 광신호만 얻으면 되기 때문에 시간의 흐름에 따라 연속적으로 파장 안정화를 수행할 수 있는 이점이 있다.
또한, 기존의 개스셀이나 에탈론 필터의 경우 제작비용이 높으나, 본 발명의 구성되는 광도파로는 일반적인 광섬유 또는 분산보상광섬유로 제작될 수도 있기 때문에 제작단가를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
레이저 발진부: 11
광단방향기: 12
제1, 2 증폭기: 13, 19
광 분할기: 14
광 순환기: 15
광도파로: 16
광 결합기: 17
광 검출기: 18
주파수 변위 검출기: 20
파장 제어기: 21

Claims (12)

  1. 레이저 광의 파장 안정화 장치에 있어서,
    레이저 발진부에서 발생되는 입력광의 전달경로를 형성하는 광도파로 상에 형성되며, 상기 입력광을 분할하는 광 분할기;
    상기 광 분할기의 일 경로에 연결되면서 상기 레이저 발진부로의 광반사를 차단하는 광 순환기;
    상기 광 분할기의 타 경로에 연결되며, 상기 광 순환기와 연결되는 광 결합기;
    상기 광 순환기와 연결되며 일정 임계값 이상에서 유도 브릴루앙 산란(Stimulated Brillouin Scattering) 현상을 일으키는 광도파로;
    상기 광도파로에서 돌아나온 광 신호의 주파수와 입력광의 주파수 간의 차이인 맥놀이 주파수를 검출하는 광 검출기;
    상기 맥놀이 주파수를 이전의 맥놀이 주파수와 연속적으로 비교하여 그 차이값을 도출하는 주파수 변위 검출기; 및
    상기 주파수 변위 검출기에서 제공되는 맥놀이 주파수의 차이값에 따라 레이저 발진 주파수의 조절 신호를 출력하며, 제공되는 조절 신호에 따라 발진되는 레이저 광의 중심 파장을 기설정된 값으로 조절하는 파장 제어기를 포함하고,
    상기 광 도파로를 지나는 광 신호는 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 입력광의 파장이 변화함에 따라 선형적으로 중심 주파수가 천이되어 상기 광 도파로를 돌아나오는 것을 특징으로 하는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 발진부에는 입력광이 레이저 발진부로 후방반사되는 것을 차단하는 광단방향기가 마련되는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광단방향기는 광도파로 내부에서 유도 브릴루앙 산란 효과가 일어날 수 있는 임계값으로 입력광의 파워를 설정하는 증폭기가 마련되는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광 분할기와 상기 광 순환기와 연결되며, 상기 광 분할기에 의해 분할된 입력광과 상기 광 순환기를 통해 돌아나온 광 신호를 합하는 광 결합기가 마련되는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 파장 제어기는 상기 주파수 변위 검출기의 일측에 마련되어 상기 주파수 변위 검출기에서 도출된 맥놀이 주파수의 차이값에 해당되는 주파수 제어 신호를 발생시키는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 주파수 제어 신호는 상기 맥놀이 주파수의 차이값이 0이 되도록 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 맥놀이 주파수는 레이저 광의 중심 파장이 일정한 경우 일정한 값이며, 레이저 광의 중심 파장이 이동하는 경우에 상기 맥놀이 주파수의 차이값이 선형적으로 변화하는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
  8. 레이저 광의 파장 안정화 방법으로서,
    레이저 입력광의 파장을 일정한 값을 갖도록 제어하는 단계;
    레이저 입력광의 전달 경로에 마련된 광도파로 내부에서 유도 브릴루앙 산란 효과를 일으키도록 하는 임계값 이상으로 입력광의 세기를 설정하는 단계;
    유도 브릴루앙 산란 효과에 의해 주파수가 선형적으로 천이된 광 신호의 주파수와 입력광의 주파수 간의 차이값인 맥놀이 주파수를 생성하는 단계;
    상기 맥놀이 주파수를 바로 이전에 측정된 맥놀이 주파수와 비교하여 차이값을 검출하는 단계; 및
    상기 차이값에 따른 제어 신호를 발생하여 현재 발생되고 있는 레이저 광의 중심 파장이 기설정된 값을 가지도록 이동시키는 단계;
    를 포함하는 레이저 광의 파장 안정화 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 차이값에 따른 제어 신호를 발생하여 현재 발생되고 있는 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 단계는,
    상기 차이값이 0인 경우에 현재 레이저 광의 제어 상태를 유지하는 레이저 광의 파장 안정화 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 차이값이 0인 경우에 현재 레이저 광의 제어 상태를 유지하는 과정을 수행한 후에 유도 브릴루앙 산란 현상에 의한 천이된 광신호를 받아 이를 다시 현재 입력광의 주파수와 비교하여 맥놀이 주파수를 도출하는 과정을 연속적으로 수행하는 광의 파장 안정화 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 차이값에 따른 제어 신호를 발생하여 현재 발생되고 있는 레이저 광의 중심 파장을 이동시키는 단계는,
    상기 차이값이 0이 아닌 경우에 상기 차이값이 0이 되도록 제어 신호를 발생시켜 레이저 광의 중심 파장이 이동하도록 레이저 광의 파장을 제어한 후에 유도 브릴루앙 산란 효과에 의한 천이된 주파수를 갖는 광신호를 다시 받아 이를 현재 입력광과 비교하는 과정을 연속적으로 수행하는 과정을 포함하는 레이저 광의 파장 안정화 방법.
  12. 레이저 광의 파장 안정화 장치로서,
    레이저 입력광을 발생시키는 레이저 발진부의 광 전달 경로에 마련되며 임계값에서 유도 브릴루앙 산란 현상을 일으키는 광도파로;
    상기 광도파로에 의해 천이된 광신호의 주파수와 입력광의 주파수의 차이인 맥놀이 주파수를 연속적으로 얻는 광 검출기; 및
    상기 맥놀이 주파수를 이전의 맥놀이 주파수 값과 비교하여 그 차이값이 0이 되도록 제어 신호를 발생시켜 입력광의 중심 주파수를 이동시키는 파장 제어기를 포함하고,
    상기 광 도파로를 지나는 광 신호는 유도 브릴루앙 산란 현상에 의해 입력광의 파장이 변화함에 따라 선형적으로 중심 주파수가 천이되어 상기 광 도파로를 돌아나오는 것을 특징으로 하는 레이저 광의 파장 안정화 장치.
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