KR19990041052A - 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저 - Google Patents

비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 어븀이 첨가한 "8" 자 형 광섬유 레이저에 있어서, 비선형 루프 내에 분산 상수값이 다른 두개의 광섬유을 구성하여 수동형 모드 로킹을 유발한 후, 짧은 펄스 길이를 생성하는 광섬유 레이저에 관한것으로, 기존의 광섬유 레이저에서는 비선형 광학 루프 거울(Nonlinear optical loop mirror : NOLM)이나 비선형 증폭 루프거울(Nonlinear amplifying loop mirror : NALM)를 사용하여 모드 로킹을 유발하나, 본 발명에서는 분산 값이 다른 두개의 광섬유로 만든 비대칭 분산 비선형 루프(Dispersion imbalanced nonlinear loop mirror: DINLM)를 도입하여, 연속파 레이저로부터 모드-로킹 된 펄스 레이저에서 솔리톤 펄스 레이저까지 레이저 발진이 가능하다.

Description

비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저
본 발명은 광섬유 레이저에 관한 것으로, 특히 기존의 어븀이 첨가한 "8" 자 형 광섬유 레이저를 기본으로 하여 비선형 루프 내에 분산 상수값이 다른 두개의 광섬유를 구비한 후, 수동형 모드 로킹을 유발하여 짧은 길이의 펄스를 생성하도록 하는 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저에 관한 것이다.
도 1 은 종래의 비선형 광학루프 거울을 이용한 광섬유의 레이저를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 에 도시된 바와같이, 종래 비선형 광학루프 거울을 이용한 광섬유 레이저는 비선형 광학루프 거울(Nonlinear Amplifying Loop Mirror : NALM)(100)과 선형루프(200)로 구성된다.
상기 비선형 광학루프 거울(100)은 50 : 50 광섬유 방향성 결합기(Directional Coupler(DC) 또는 Fiber Coupler(FC))(11)와, 파장분할 광섬유 커플러(Wavelength Division Multipler Fiber Coupler(WDM FC))(12)와, 편광 조절기(Polarization Controller (PC))(21)와, 광 아이소레이터(Isolator)(31)와, 분산 천이 광섬유(Single mode fiber(SMF))(42)와, 어붐 천이 광섬유(Erbium Doped Fiber(EDF))(43)으로 구성된다.
상기 선형루프(200)는 파장분할 광섬유 커플러(12)와, 편광 조절기(21)와, 분산천이 광섬유(42)로 구성된다.
이와같이 구성된 종래의 비선형 광학루프 거울을 이용한 광섬유 레이저의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 파장 분할 광섬유 커플러(12)를 거쳐서 유입된 CW 광 펌프(CW pump)는 50:50 광섬유 방향성 결합기(11)를 통과하여 비선형 증폭 루프거울(100) 및 선형루프(200)로 분배되어 시계방향과 반 시계방향으로 진행한다.
이때, 상기 비선형 증폭 루프거울(100) 및 선형루프(200)에 각각 구성된 분산천이 광섬유(42)를 통과하기 전에 이득을 경험하는 시계방향 광파는 그 광섬유 진행 후 이득을 경험하는 반 시계방향으로 진행 하는 광파와 비교되어 광파의 최고점 파워에 비례하는 비선형 위상변화를 더 많이 경험하게 된다.
이와같이, 두 방향의 위상변화 차이를 이용하여 비선형 루프의 반사율을 조절할 수 있으며, 또한 높은 진폭을 갖는 광파는 투과하고 나머지는 반사하도록 조절할 수 있다. 이러한 특성은 비선형 루프를 모드로킹에 필요한 포화흡수체로 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 만약 광 펄스가 이러한 비선형 루프를 통과하게 되면 광 펄스의 길이를 짧게 하여 증폭 할 수 있다.
상기 NALM(100)과 유사한 비선형 루프로 비선형 광학루프 거울(Nonlinear optical loop mirror : NOLM)가 있다.
상기 NOLM 은 상기 50 : 50 광섬유 방향성 결합기(11) 대신에 결합비가 50 대 50이 아닌 비 대칭성 광섬유 방향성 결합기를 사용하여 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 광파들 간에 비선형 위상변화의 차이를 유발하게 된다.
그러나, 종래의 NALM을 이용한 광섬유 레이저는 모드 로킹 유발시 기본적으로 증폭매질에서 광파가 양방향으로 진행함으로 인해, 높은 펌핑 파워에서는 모드호핑(mode hopping)이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
그리고, 종래의 NOLM을 이용한 광섬유 레이저는 모드 로킹을 발진시키기 위해서 포화 흡수체 역할을 하는 비선형 루프를 구성시 길이가 긴 광섬유를 사용하거나, 높은 출력의 광 펌핑 파워가 필요한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존의 어븀이 첨가한 "8" 자 형 광섬유 레이저를 기본으로 하여 비선형 루프 내에 분산 값이 다른 두개의 광섬유를 구비한 후, 수동형 모드 로킹을 유발하여 짧은 길이의 펄스를 생성하도록 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저를 제공함에 있다.
이와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단은 50 : 50 광섬유 방향성 조절기로 연결되어 8 자형 모양인 비선형 루프거울과 선형루프로 구성된 비선형 루프거울을 이용한 광섬유 레이저에 있어서, 상기 비선형 루프거울은 분산 상수값이 레이저의 파장중 최소값을 갖는 제 1 광섬유와, 상기 제 1 광섬유가 갖는 분산 상수값보다 큰 분산 상수값을 갖는 제 2 광섬유와, 상기 제 1,제 2 광섬유를 통과하는 광신호의 편광상태를 조절하는 제 1,제 2 편광 조절기로 구성되고,
상기 선형 루프는 레이저의 단방향 발진을 유지하고 상기 비선형 루프 거울에서 반사된 연속파를 차단하는 광 아이소레이터와, 상기 광 아이소레이터에서 연속파가 차단된 광 펄스의 편광을 조절하는 편광 조절기와, 상기 편광 조절기에서 편광이 조절된 광 펄스를 소정의 증폭매질로 증폭하는 증폭매질 광섬유와, 상기 증폭매질 광섬유에서 증폭된 광 펄스의 파장을 다중화하는 파장분할 광섬유 커플러와, 상기 파장분할 광섬유 커플러에서 다중화된 광신호를 펌핑하는 980 광 펌핑 레이저 다이오드와, 상기 980 광펌핑 레이저 다이오드에 펌핑된 광신호의 10 퍼센트의 레이저를 출력하는 90 : 10 광섬유 방향성 결합기로 구성된다.
도 1은 종래의 비선형 광학 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저의 구성도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호 설명)
11 : 50:50 광섬유 방향성 결합기 12 : 파장 분할 광섬유 커플러
13 : 90:10 광섬유 방향성 결합기 21,22,23 : 편광조절기
31 : 광 아이소레이터 41 : 분산천이 광섬유
42 : 단일모드 광섬유 43 : 어붐 첨가 광섬유
51 : 980 광 펌핑 레이저 다이오드
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저 의 구성도를 도시한 것이다.
도 2 에 도시된 바와같이, 본 발명의 실시예에 따른 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저는 50:50 광섬유 방향성 결합기(11)로 연결되어 "8" 자형 모양을 갖는 비선형 루프 거울(Dispersion Imbalanced Nonlinear Loop Mirror: DINLM)(1)과 선형루프(2)로 구성된다.
상기 DIMLM(1)은 분산 상수값이 레이저의 파장중 최소값을 갖는 단일모드 광섬유(Sigle Mode Fiber: SMF)(41)와, 상기 단일모드 광섬유(41)가 갖는 분산 상수값보다 큰 분산 상수값을 갖는 분산 천이 광섬유(Dispersion Shifter Fiber : DSF)(42)와, 상기 단일모드 광섬유(41) 및 분산천이 광섬유(42)를 통과하는 광신호의 편광상태를 조절하는 편광 조절기(21),(22)와, 상기 편광 조절기(21),(22)에서 조절된 광신호를 출력하는 50:50 광섬유 방향성 결합기(11)의 제 1,제 2 출력단자(111),(112)로 구성된다.
상기 분산 천이 광섬유(41)는 레이저 발진 파장이 1550nm에서 분산 상수값(D2)이 1.2 ps/nmkm 이고, 영점 분산점 파장이 1532nm이며, 길이는 50m 이다. 상기 단일모드 광섬유(42)는 레이저 발진파장이 1550nm에서 분산 상수값(D2)이 17 ps/nmkm 이고, 길이는 50m이다.
상기 선형 루프(2)는 광 아이소레이터(31)와, 편광 조절기(23)와, 증폭매질 광섬유(43)와, 90 : 10 광섬유 방향성 결합기(13)와, 980 광 펌핑 레이저 다이오드(980nm Laser Diode; 51)와, 파장분할 광섬유 거플러(12)로 구성되어 있다.
상기 증폭매질 광섬유(43)는 어븀이 첨가된 단일모드 광섬유(43)로 길이가 약 12m 이다. 상기 980 광 펌핑 레이저 다이오드(51)는 파장이 980nm 에서 70mW 의 최대 출력을 된다. 상기 파장분할 광섬유 커플러(12)는 980nm 와 1550nm로 파장다중화한다.
상기 광 아이소레이터(31)는 레이저의 단 방향 발진을 유지하고 비선형 루프 거울(1)에서 반사된 연속파 성분을 차단하기 위해 선형 루프(2)에 입력된 편광에 무관하게 작동한다.
이와같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 50 : 50 광섬유 방향성 조절기(11)를 거쳐서 광펄스가 반반씩 분배되어 비선형 루프 거울(1)에 입력되면, 분산천이 광섬유(41)로 입사한 반 시계방향 광 펄스는 분산천이 광섬유(41)의 낮은 분산 상수값에 의해 펄스 퍼짐에 의한 최고점 파워 감소를 경험하지 않은 상태로 단일모드 광섬유(42)를 통과하게 된다.
이에 반해, 단일모드 광섬유(42)를 통과하는 시계방향 광 펄스는 단일모드 광섬유(42)의 높은 분산 상수값에 의해 펄스 퍼짐에 의한 최고점 파워는 점점 낮아지게 되고, 이러한 상태를 유지한 채로 분산천이 광섬유(41)를 통과 하게 된다.
그러므로, 시계방향과 반 시계방향으로 진행하는 광펄스는 비선형 광학 루프 거울(NOLM)에서와 같이 비선형 위상변화차이를 경험 하게 된다.
또한, 상기 각각 편광 조절기(21),(22)는 상기 분산천이 광섬유(41) 및 단일모드 광섬유(42)와 상기 50:50 광섬유 방향성 조절기(11)사이에 삽입되어, 편광이 유지되지 않는 상기 분산천이광섬유(41) 및 단일모드광섬유(42)를 거친 광 펄스의 편광상태를 조절하여 모드 로킹된 펄스형 레이저광, 모드 로킹된 펄스형 솔리톤 레이저 광 및 연속파 레이저광을 발생하게 된다.
이와같은 본 실시예의 펄스 발진결과, 모드로킹 펄스의 길이는 약 1.2ps 였으며, 선폭은 약 2.9 ~ 3.5nm 였다. 또한 반폭율은 약 1.58MHz 였으며, 최대 평균출력은 70mW의 펌핑 시 대략 2.0mW 정도였다.
이와같은 본 실시예는 기존의 8자형 광섬유 레이저의 비선형 루프 거울을 분산 상수값이 분산 영점 영역에 근접한 광섬유와 이에 비해 상대적으로 높은 분산 상수값을 갖는 광섬유 두개를 서로 연결하여 만들고, 이를 수동형 모드 로킹을 유발하는데 핵심적으로 필요한 비선형 포화흡수체로 이용하여, 초단펄스 광섬유레이저로 구현할 수 있다.
본 발명은 분산을 이용한 DINLM을 이용하여 모드로킹 레이저를 구성하여 기존의 NOLM보다는 낮은 펌프 문턱 파워나 짧은 공진기 길이에서 모드로킹이 발진할 수 있고, 또한 분산을 이용한 비선형 루프 거울을 이용하면 증폭매질을 포함한 선형 루프는 단 방향으로만 진행함으로, 모드호핑에 의한 레이저 발진 파장 불안정이 발생하지 않아 파장이 안정된 광펄스 소스를 생성할 수 있다. 따라서, 기존의 전광 광섬유 초단 펄스 레이저에서 사용하는 비선형 루프 거울의 성능을 향상 시킬수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 50 : 50 광섬유 방향성 조절기로 연결되어 8 자형 모양인 비선형 루프거울과 선형루프로 구성된 비선형 루프거울을 이용한 광섬유 레이저에 있어서,
    상기 비선형 루프거울은 분산 상수값이 레이저의 파장중 최소값을 갖는 제 1광섬유와;
    상기 제 1 광섬유가 갖는 분산 상수값보다 큰 분산 상수값을 갖는 제 2 광섬유와;
    상기 제 1,제 2 광섬유를 통과하는 광신호의 편광상태를 조절하는 제 1,제 2 편광 조절기로 구성되고,
    상기 선형 루프는 레이저의 단방향 발진을 유지하고 상기 비선형 루프 거울에서 반사된 연속파를 차단하는 광 아이소레이터와;
    상기 광 아이소레이터에서 연속파가 차단된 광 펄스의 편광을 조절하는 편광 조절기와;
    상기 편광 조절기에서 편광이 조절된 광 펄스를 소정의 증폭매질로 증폭하는 증폭매질 광섬유와;
    상기 증폭매질 광섬유에서 증폭된 광 펄스의 파장을 다중화하는 파장분할 광섬유 커플러와;
    상기 파장분할 광섬유 커플러에서 다중화된 광신호를 펌핑하는 980 광 펌핑 레이저 다이오드와;
    상기 980 광펌핑 레이저 다이오드에 펌핑된 광신호의 10 퍼센트의 레이저를 출력하는 90 : 10 광섬유 방향성 결합기로 구성되는 것을 특징으로 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광섬유는 분산 천이 광섬유로 레이저 발진 파장이 1550nm에서 분산 상수값이 1.2 ps/nmkm 이고, 영점 분산점 파장이 1532nm이며, 길이는 50m 인 것을 특징으로 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1,제 2 편광 조절기는 편광이 유지되지 않는 상기 제 1,제 2 광섬유를 각각 거친 광 펄스의 편광상태를 조절하여 모드 로킹된 펄스형 레이저광을 발생하는 것을 특징으로 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1,제 2 편광 조절기는 편광이 유지되지 않는 상기 제,제 2 광섬유를 각각 거친 광 펄스의 편광상태를 조절하여 모드 로킹된 솔리톤 레이저광을 발생하는 것을 특징으로 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1,제 2 편광 조절기는 편광이 유지되지 않는 상기 제,제 2 광섬유를 각각 거친 광 펄스의 편광상태를 조절하여 연속파 레이저광을 발생하는 것을 특징으로 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1,제 2 편광 조절기는 편광이 유지되지 않는 상기 제,제 2 광섬유를 각각 거친 광 펄스의 편광상태를 조절하여 연속파 레이저, 모드 로킹된 펄스의 레이저광 및 펄스의 중심 파장을 변화시켜 레이저광을 발생하는 것을 특징으로 하는 비대칭 분산 비선형 루프 거울을 이용한 광섬유 레이저.
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