KR101871996B1 - 클래딩 모드스트리퍼 및 이를 이용하는 광섬유레이저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 클래딩을 가지는 광섬유를 이용하는 광섬유 레이저 또는 광증폭기에 사용되는 모드스트리퍼에 관한 것으로, 모드스트리퍼는 U홈을 포함하고, 상기 복수의 클래딩 가지는 광섬유는 최외곽 클래딩이 소정의 길이만큼 제거된 스트립부를 가지는 것을 특징으로 하며, 상기 스트립부는 상기 U홈에 전부가 위치하고, 상기 스트립부는 최외곽 클래딩 바로 전의 클래딩의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 열전도 실리콘 접착제에 의해서 고정되는 것을 특징으로 한다.
이는 기존의 모드스트리퍼에 비해서, 효과적으로 클래딩모드를 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

클래딩 모드스트리퍼 및 이를 이용하는 광섬유레이저{CLADING MODE STRIPPER AND FIBER LASER USING THE SAME}

본 발명은 더블 클래딩 구조를 갖는 광섬유를 이용한 레이저에 사용되는 광섬유의 최외곽 클래딩에 존재하는 모드를 제거하는 기술에 대한 것이다.

광섬유 레이저의 지속적으로 증가하는 출력으로 인해 고출력을 감당할 수 있는 부품들에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 고출력 광섬유 레이저는 내측 희토류 도핑된 실리카 (silica) 코어 및 내부 클래딩을 갖는 더블 클래딩 광섬유를 기반으로 한다. 상기 구성은 상기 더블 클래딩 광섬유의 길이를 따라 펌프 광 커플링 및 후속하는 펌프 흡수에 필수적이다. 상기 더블 클래딩 광섬유는 저 휘도(brightness) 펌프 광을 결합하기 위한 높은 개구수 (numerical aperture)를 갖는 내부 클래딩을 추가적으로 포함한다. 이는 실리카의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 외부 폴리머로 상기 내부 클래딩을 감싸는 것으로 달성된다. 상기 더블 클래딩 광섬유는 실리카의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 외부 폴리머 오버코트를 추가적으로 포함하여 기계적 무결성을 갖도록 한다.

그러나, 현재 사용되는 폴리머 오버코트 및 외부 클래딩은 상대적으로 낮은 작동 온도 범위를 갖는다. 공지된 폴리머 오버코트 및 외부 클래딩의 제한적인 작동 온도 범위로 인하여, 더블 클래딩 광섬유에 기반한 고출력 광섬유 레이저는 상기 폴리머 오버코트의 열적 손상(decay)으로 유발되는 고장을 방지하도록 적합한 미광(stray light) 및 온도 관리를 필요로 한다.

더블 클래딩 광섬유 레이저 및 증폭기에 있어서, 바람직하지 않은 광 (예컨데, 미흡수된 펌프 광, 더블 클래딩 광섬유 코어를 이탈한 광, 또는 물질처리로부터의 피드백 광)은 상기 더블 클래딩 광섬유 코어의 내부 클래딩 내에서 종종 전파된다. 상기 바람직하지 않은 광이 상기 더블 클래딩 광섬유에서 제거되지 않으면, 고출력 레이저의 출력빔 품질을 저하 시키거나 열적 손상으로 인해 레이저 시스템에 심각한 고장을 일으킬 수 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 제거되지 않은 바람직하지 않은 광을 효과적으로 제거하는 스트리퍼를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단의 일 예로, 복수의 클래딩을 가지는 광섬유를 이용하는 광섬유 레이저 또는 광증폭기에 사용되는 모드스트리퍼는 U홈을 포함하고, 상기 복수의 클래딩을 가지는 광섬유는 최외곽 클래딩이 소정의 길이만큼 제거된 스트립부를 가지는 것을 특징으로 하며, 상기 스트립부는 상기 U홈에 전부가 위치하고, 상기 스트립부는 최외곽 클래딩 바로 전의 클래딩의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 열전도 실리콘 접착제에 의해서 고정되는 것을 특징으로 한다.

다른 예로, 상기 U홈에 위치하는 복수의 클래딩을 가지는 광섬유는 동종 또는 이종의 광섬유를 융착접속하여 구성하고, 융착접속된 부분은 스트립부 내에 위치하는 것을 더 특징으로 할 수 있다.

다른 예로, 상기 모드스트리퍼는 만곡부를 더 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 제공되는 광섬유 레이저는 클래딩에 펌핑하기 위한 복수의 펌프광을 결합하는 컴바이너, 컴바이너의 출력단에 연결되는 복수의 클래딩을 가지는 액티브 광섬유, 상기 액티브 광섬유의 각 종단에 연결되는 제1 및 제2 광섬유격자필터, 상기 제2 광섬유격자필터의 종단에 연결되는 U홈을 포함하는 모드스트리퍼, 모드스트리퍼에 입력되는 복수의 클래딩을 가지는 광섬유, 상기 복수의 클래딩 가지는 광섬유는 최외곽 클래딩이 소정의 길이만큼 제거된 스트립부를 가지는 것을 특징으로 하며, 상기 스트립부는 상기 U홈에 전부가 위치하고, 상기 스트립부는 최외곽 클래딩 바로 전의 클래딩의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 열전도 실리콘 접착제에 의해서 고정되는 것을 특징으로 한다.

다른 예로, 상기 모드스트리퍼는 복수로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 클래딩 모드를 효과적으로 제거할 수 있다.

자세히는 모드스트리퍼를 지그형태로 구성하여 스트립된 더블클래딩 광섬유를 효과적으로 실장하고, 구조적으로 클래딩 모드를 종래 모드스트리퍼에 비해서 더 많이 제거할 수 있다.

또한, 모드스트리퍼에 실장되는 더블 클래딩 광섬유를 열전도 실리콘 접착제를 이용하여 고정함으로써, 클래딩 모드에 의해서 발생되는 열을 효과적으로 제거할 수 있고, 열에 의해서 접착제가 열화되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1 모드스트리퍼가 적용된 광섬유 레이저
도 2 본 발명의 모드스트리퍼의 일 실시예

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 모드스트리퍼 및 모드스트리퍼를 이용한 레이저에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 광섬유 레이저의 구조를 나타내는 도면이다. 광섬유 레이저는 액티브 광섬유(30)에 펌프광(20)을 이용하여 레이저를 생성한다. 복수의 펌프광(20)은 컴바이터(10)에 의해서 합쳐지고, 합쳐진 펌프광은 파이버 레이저에 사용되는 액티브 광섬유(30)에 입력이 된다. 펌프광(20)은 높은 효율 등을 위해서 클래딩으로 입력되고, 입력된 펌프광(20)은 액티브 광섬유(30)를 통과하면서 원하는 파장을 가지는 레이저를 생성한다.

액티브 광섬유(30)는 통상 희토류가 도핑된 광섬유가 사용되어 진다. 또한, 액티브 광섬유(30)는 구조가 코어, 제1클래딩, 제2클래딩을 포함하는 더블 클래딩 광섬유(200)가 주로 사용되어지고, 사용용도에 따라 제3클래딩을 더 포함하는 트리플 클래딩 구조의 광섬유도 사용되어 지고 있다.

앞서 설명한 바와 같이 클래딩으로 입력된 펌프광은 액티브 광섬유(30)를 통과한 후에는 모두 없어져야 하지만, 완전히 사용이 되는 것은 물리적으로 힘들고, 고출력의 레이저를 위해서, 즉 포화상태로 동작을 시키지 위해서는 높은 파워의 펌프광을 사용하기 때문에 잔여 펌프광이 클래딩으로 남아 있게 된다.

이런 잔여 펌프광은 열이 발생되고, 레이저의 성능을 열화시키는 주요인이다. 잔여 펌프광을 제거하기 위해서는 모드스트리퍼(100)를 사용한다. 하지만, 모드스트리퍼(100)를 사용한다고해도, 완전히 잔여 펌프광을 제거를 못 할 수도 있으므로, 도 1과 같이 2개, 즉 복수로 사용을 할 수 있다.

도면은 광섬유 레이저에 대해서만 실시예를 나타냈지만, 클래딩 펌핑을 이용하는 광증폭기 등에도 본 발명의 모드스트리퍼(100) 및 구조가 적용되어 질 수 있다.

도 2는 본 발명에서 제안하는 모드스트리퍼(100)의 실시예 형상이다.

모드스트리퍼(100)의 중앙 쯤에는 U홈(120)을 형성하고, 액티브 광섬유(30) 통과 후, 더블 클래딩 광섬유(200)을 소정의 범위만큼 제2클래딩을 제거한다. 제2클래딩이 제거된 부분을 스트립부(220)라 한다.

스트립부(220)를 포함하는 더블 클래딩 광섬유(200)는 U홈(120)에 안착이 된다. U홈은 통상 1mm 이하의 직경을 가진다. 안착되는 더블 클리딩 광섬유(200)는 스트립부(220) 전 부분을 U홈에 안착시켜야만 한다.

상기 U홈(120)에 안착된 더블 클래딩 광섬유(200)는 열전도 기능을 가지는 실리콘 접착제(300)를 이용하여 고정을 한다. 이 때 사용되는 실리콘 접착제는 제1클래딩(즉, 최외각 클래딩 바로 전의 클래딩)보다 굴절률이 높은 것을 사용해야만 한다. 그래야지만, 실리콘 접착제(300)에 의해서 클래딩 모드가 제거되기 때문이다. 또한, 열전도 기능을 가지는 이유는 통상의 실리콘은 열전도 기능을 포함하고 있지 않지만, 클리딩 모드가 제거되면서, 발생되는 열을 효율적으로 방열하기 위해서이다. 즉, 열전도 기능을 가지는 실리콘 접착제(300)은 클래딩 모드를 제거하면서, 동시에 발생되는 열을 효과적으로 방열을 시키는 기능을 제공하게 되는 것이다.

모드스트리퍼(100)는 알루미늄 재질로 형성할 수 있고, 고정홀(130)을 포함하여, 레이저 등의 케이스, 방열판 등에 고정하면서, 방열을 할 수 있다. 또한, 이러한 형상은 탈부착이 용이한 장점이 있다.

모드스트리퍼(100)의 형상은 원호형상의 만곡부(110)를 가지는 형상으로 제작될 수 있다. 원호형상의 만곡부(110)는 단순히 더블 클래딩 광섬유(200)을 고정하는 것 외에도, 광섬유를 벤딩함으로써 클래딩 모드의 하이오더모드를 더 빨리 제거할 수 있도록 하는 기능을 제공한다. 또한, 표면적을 넓혀서 방열효과도 향상시킬 수 있다.

원호형상의 만곡부(110)의 곡률은 만곡에 의해서 생성되는 광섬유 레이저의 손실, 모드스트리퍼(100)가 결합되는 레이저의 케이스 등을 고려해서 결정되어 진다.

상기 만곡부(100) 외에도, U홈(120)의 내부 모양을 변경하여 벤딩을 줘서 만곡부(110)과 동일한 효과를 생성하도록 할 수 있다.

모드스트리퍼(100) 내부에 안착되는 더블 클래딩 광섬유(200)은 융착접속부(230)를 더 포함할 수 있다.

더블 클래딩 광섬유(200)에 스트립부(220)을 형성할 때, 장치 혹은 열로 제2클래딩, 즉 최외곽 클래딩을 제거한다. 그러나, 이런 과정에서 더블 클래딩 광섬유(200)의 스트립부(220)의 길이 조절 및 공정이 쉽지 않다. 따라서, 공정 효율을 높이기 위해서는 2개의 더블 클래딩 광섬유(200)를 준비하고, 각각의 더블 클래딩 광섬유(200)의 종단의 제2클래딩을 제거하고, 원하는 스트립부(220)의 길이 만큼만 제외하고 클리빙하여 두 개의 더블 클래딩 광섬유(200)을 융착접속 시켜서, 융찹접속부(230)를 형성시킨다.

상기 2개의 더블 클래딩 광섬유(200)는 동종 광섬유일 수도 있고, 이종 광섬유일 수도 있다. 이는 광섬유 레이저 또는 광증폭기의 설계에 따라 결정된다.

10 컴바이너
20 펌프광
30 액티브 광섬유
40 광섬유격자필터
100 모드스트리퍼
200 더블 클래딩 광섬유
300 접착제
110 만곡부
120 U홈
130 고정홀
220 스트립부
230 융착접속부

Claims (5)

1. 복수의 클래딩을 가지는 광섬유를 이용하는 광섬유 레이저 또는 광증폭기에 사용되는 모드스트리퍼에 있어서,
   상기 모드스트리퍼는 U홈을 포함하고;
   상기 복수의 클래딩 가지는 광섬유는 최외곽 클래딩이 소정의 길이만큼 제거된 스트립부를 가지는 것을 특징으로 하고;
   상기 스트립부 전 부분은 상기 U홈에 안착되며,
   상기 스트립부는 최외곽 클래딩 바로 전의 클래딩의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 열전도 기능을 가지는 실리콘 접착제에 의해서 고정되고,
   상기 U홈에 위치하는 복수의 클래딩을 가지는 광섬유는 동종 또는 이종의 광섬유를 최외각 클래딩을 제거하여 융착접속하여 구성되는 융착접속부를 포함하고, 상기 융착접속부는 상기 스트립부 내에 위치하며,
   상기 모드스트리퍼는 형상은 원호형상의 만곡부를 가지는 형상이고,
   상기 만곡부에 의해 상기 스트립부가 벤딩되어, 상기 스트립부와 상기 U홈이 닿는 표면적이 넓혀지고, 상기 스트립부의 클래딩 모드가 제거되는 것을 특징으로 하는 모드스트리퍼.
   
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4. 클래딩에 펌핑하기 위한 복수의 펌프광을 결합하는 컴바이너;
   컴바이너의 출력단에 연결되는 복수의 클래딩을 가지는 액티브 광섬유;
   상기 액티브 광섬유의 각 종단에 연결되는 제1 및 제2 광섬유격자필터;
   상기 제2 광섬유격자필터의 종단에 연결되는 U홈을 포함하는 모드스트리퍼;
   모드스트리퍼에 입력되는 복수의 클래딩을 가지는 광섬유;
   상기 모드스트리퍼는,
   상기 모드스트리퍼는 U홈을 포함하고;
   상기 복수의 클래딩 가지는 광섬유는 최외곽 클래딩이 소정의 길이만큼 제거된 스트립부를 가지는 것을 특징으로 하고;
   상기 스트립부 전 부분은 상기 U홈에 안착되며,
   상기 스트립부는 최외곽 클래딩 바로 전의 클래딩의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 열전도 기능을 가지는 실리콘 접착제에 의해서 고정되고,
   상기 U홈에 위치하는 복수의 클래딩을 가지는 광섬유는 동종 또는 이종의 광섬유를 최외각 클래딩을 제거하여 융착접속하여 구성되는 융착접속부를 포함하고, 상기 융착접속부는 상기 스트립부 내에 위치하며,
   상기 모드스트리퍼는 형상은 원호형상의 만곡부를 가지는 형상이고,
   상기 만곡부에 의해 상기 스트립부가 벤딩되어, 상기 스트립부와 상기 U홈이 닿는 표면적이 넓혀지고, 상기 스트립부의 클래딩 모드가 제거되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 모드스트리퍼는 복수로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저.
   

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