KR19990071631A - 분포 궤환형 링 레이저 - Google Patents

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Abstract

단일 세로 모드의 좁은 라인폭과 낮은 임계조건을 갖는 전(全)섬유 레이저 장치가 개시되어 있는 바, 이는 링 공동, 링 공동내의 이득부, 공동내에 삽입된 입출력 연결장치, 및 펌프 수단의 동작시에 장치가 레이저로 동작하도록 링 공동과 격자에 연결된 펌프 수단으로 구성된다.

Description

분포 궤환형 링 레이저
단일 주파수 레이저는 광통신 시스템, 광섬유 센서, 및 분광기에 있어 좁은 라인폭의 광원으로 특히 유용하다. 단일 세로 모드 섬유 레이저 개발에 대한 관심은 날로 증가되어 왔다.
단일 세로 모드 동작을 얻기 위한 하나의 방법은 분포 궤환(DFB) 구조를 이용하는 것이다. 예를 들자면, H Kogelnik과 C V Shank의 "Coupled-wave theory of distributed feedback lasers", Journal of Applied Physics vol. 43, no. 5, pp. 2327-2335, 1972.를 참조하면 된다. 최근, 희토류가 도핑된 섬유에 직접 쓰여진 섬유 격자를 사용하는 DFB 섬유 레이저가 설명되었다.[J.T. Kringlebotn, J-L Archambault, L. Reekie, and D.N. Payne, "Er3+:Yb3+-codoped fibre distributed-feedback laser", Optics Letters., vol. 19, no. 24, pp. 2101-2103, 1994 and A. Asseh, H. Storoy, J.T. Kringlebotn, W. Margulis, B. Sahlgren, S. Sandgren, R. Stubbe, and G. Edwall, "10cm Yb3+DFB fibre laser with permanent phase shifted grating", Electron. Letters., vol. 31, no. 12, pp. 969-970, 1995 참조]. 섬유 DFB 구조를 사용은 전 섬유 디바이스와 광범위한 파장 선택을 가능하게 한다. 한편, 두껍게 도핑된 섬유의 작은 조각을 사용하면, 낮은 경사 효율과 넓은 라인폭이라는 불리함이 있다. 단일 세로 모드 동작을 얻는 다른 방법은 링(ring)섬유 레이저의 진행파를 이용하는 것이다[G.J. Cowle, D.N. Payne, and D. Reid, "Single-frequency travelling-wave erbium-doped fibre loop laser", Electron. Letters., vol. 27, no. 3, pp. 229-230. 1991 참조]. 링 레이저의 긴 공동 길이는 좁은 라인폭 동작을 제공한다. 한편, 현재까지 보고된 링 레이저의 단일 세로 모드 동작은 대분분 피그테일된(pigtailed) 비섬유(non-fibre) 공동내 소자들을 가지고 얻어졌다. 레이저 공동의 내부 조정으로 공간적 홀 버닝(hole burning)을 억제하는 것[T. Stolte and R. Ulrich, "Er-fibre lasers: suppression of spatial hole burning by internal modulation", Electron. Lett., vol. 29, no. 19, pp. 1686-1688, 1993 참조]은 단일 세로 모드 동작을 보장하는데 이용될 수 있다. 한편, 그것은 또한 피그테일된 비섬유 공동내 소자들도 필요로 한다.
나아가, 단일 세로 모드 좁은 라인폭 동작은 주입 로킹(injection locking)을 사용해 얻어질 수도 있다[J.D.C. Jones and P. Urquhart, "An injection-locked fibre laser", Optical Communications., vol. 76, no. 1, pp. 42-46, 1990 참조]. 한편, 이 방법은 외부 단일 세로 모드 좁은 라인폭 레이저를 필요로 한다.
섬유 브래그 격자(Bragg gratings)를 포함하는 결합 공동 섬유 레이저[S.V. Chernikov, J.R. Taylor, and R. Kashyap, "Coupled-cavity erbium fiber lasers incorporating fiber grating reflectors", Opt. Letters., vol. 18, no. 23, pp. 2023-2025, 1993 참조], 또는 폭스-스미스(Fox-Smith) 섬유 레이저[P. Barnsley, P. Urquhart, C. Millar, and M. Brierley, "Fiber Fox-Smith resonators: application to single-longitudinal-mode operation of fiber lasers", Journal of the Optical Society of America., vol. 5, no. 8, pp. 1339-1346, 1988 참조]를 사용할 때의 불리한 점은 이들 방법이 비록 전 섬유 장치에 적용가능하기는 하지만, 몇몇 완벽히 매치된 격자를 필요로 한다는 것이다.
단일 세로 모드 좁은 라인폭 동작을 얻기 위해 가포화 흡수체(saturable absorber)[M. Horowitz, R. Daisy, B. Fischer, and J. Zyskind, "Narrow-linewidth, Singlemode erbium-doped fibre laser with intracavity wave mixing in saturable absorber", Electron. Letters., vol. 30, no. 8, pp. 648-649, 1994 참조]가 사용될 수 있다. 한편, 흡수체는 레이저 작용의 임계조건을 증가시키고 레이저의 경사 효율을 감소시킨다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 전술한 레이저 장치의 몇몇 단점을 극복한 개선된 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 실시예는, 이득부(gain portion)를 가진 링 공동, 링 공동에 연결된 입출력 연결장치, 링 공동의 이득부 사이에 삽입된 격자, 및 링 공동의 이득부와 격자에 연결된 펌프 수단을 포함하는 레이저 장치로 펌프 수단은, 펌프 수단의 동작시에 레이저 장치가 레이저로 작용하여 상기 입출력 연결장치에서 출력을 생산하도록 연결되어 있다.
링 공동과 격자는 희토류가 도핑된(rare earth doped) 한 조각의 광섬유로부터 형성되며, 격자는 광섬유에 직접 쓰여지는 것이 바람직하다.
레이저 장치는 70kHz 미만의 주파수 라인폭에 걸친 단일 세로 모드 동작을 얻기 위한 분포 궤횐 구조로 동작함이 바람직하다.
넓은 의미에서, 본 발명의 바람직한 실시예는 링 공동에 삽입된 분포 궤환 구조를 포함하는, 단일 세로 모드 좁은 라인폭 및 낮은 임계조건의 레이저를 제공한다.
더 상세히 말하면, 본 발명의 바람직한 실시예는 단일 세로 모드 동작을 얻기 위한 분포 궤환 구조, 및 링 공동을 통한 부가적 궤환과 출력 결합을 제공하기 위한 분포 궤환 구조를 포함하는 단일 세로 모드 좁은 라인폭 및 낮은 임계조건의 레이저 장치를 제공한다. 링 공동을 통한 레이저 방출(lasing)신호의 부가적 궤환은 유효 공진기 손실의 감소로 인해 레이저 동작 임계조건을 감소시킨다. 또한 부가적 궤환은 뻗어난 공동으로 생각될 수도 있는 링 공동으로 레이저 방출 신호를 자기 주입(self injection)하는 것에 의해 제공괴는 레이저 라인폭의 협소화를 가져온다.
바람직한 실시예에서, 분포 궤환 구조는 상응하는 광자 밴드갭 내에 전송 피크를 갖는 Er3+:Yb3+가 도핑된 인규산염 섬유에 쓰여진 격자이다. 링 공동 내에서 이 구조를 접목함으로써 전송 피크 파장에서 단일 세로 모드 동작이 얻어졌다. 이런 장치는 광 통신 시스템, 광 센서, 및 분광법에 있어, 단일 세로 모드 좁은 라인폭과 낮은 임계조건의 레이저원을 생산하는데 유리하다.
본 발명은 단일 주파수(singel frequency) 레이저 장치, 상세히 말하면, 좁은 라인폭(linewith)과 낮은 임계조건(threshold)을 가진 단일 세로 모드(single longitudinal mode) 전 섬유 레이저 장치(all fibre laser arrangement)에 관한 것이다.
본 발명의 특징과 장점은 단지 예로 든 본 발명의 실시예에 대한 아래의 설명과 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 장치의 개요도.
도 2는 DFB 구조에서의 일정 이득과 격자 강도 kL=2π/3 에 대해서 출력 결합에 대한 레이저의 계산된 단일 통과 이득 임계조건을 도시한 도.
도 3은 DFB 구조가 Ef3+/Yb3+-도핑된 인규산염 섬유에 쓰여진 격자일 때, 펌핑이 있는(실선), 그리고 없는(점선) DFB 전송 스펙트럼에 관한 도.
도 4는 모노크로메이터(0.1nm 해상도)로 측정한, 도 1의 레이저 장치의 광학 스펙트럼에 관한 도.
도 5는 주사 패브리-페로(scanning Fabry-Perot) 간섭계(5MHz 해상도)로 측정한, 도 1의 레이저 장치의 출력 스펙트럼에 관한 도.
도 6은 지연 자기-헤테로다인 기술(5kHz 해상도)로 측정한, 도 1의 레이저 장치의 스펙트럼 라인폭에 관한 도.
도 1은 링 공동(5)을 통해 자체적으로 결합된 DFB 구조(2)를 포함하는 링 DFB(분포궤환형) 레이저 장치(1)를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 장치는 또한 출력 결합을 제공하고 링을 완성시키기 위한 출력 결합 장치(3)를 포함한다. 파장 분할 다중(WDM) 섬유 결합 장치(4)는 DFB 구조(2)에 결합되어 DFB 구조의 펌프 작용을 제공한다.
링 공동(5)은 DFB 구조(2)의 레이저 방출 신호에 부가적 궤환을 제공한다. 이 궤환은 종래의 DFB 레이저에 비해 레이저 동작 임계조건을 감소시키는데 이는 출력으로의 DFB 구조 손실 감소 때문이다. 궤환에서 야기되는 효율을 측정하기 위해, 링 내의 λ/4 만큼 이동된 DFB 구조의 예상 레이저 방출 임계조건이 출력 결합 장치의 결합 비율의 함수로서, 격자 강도 κL=2π/3 에 대해 격자를 따라 일정 이득을 가정하여, 도 2에 도시되어 있다. 링(5)을 통해 재주입된 DFB 구조 출력의 단자 반만으로 상당한 임계조건의 감소가 얻어진다는 것을 알 수 있다. 도핑된 섬유와 사용된 펌프에 따라 달라지는 펌프 임계조건은 펌프 파장에서 출력 결합 장치(3)를 최적화하는 것에 의해 더 개선될 수 있다.
첫 번째 실시예에서, Er3+/Yb3+가 도핑된 인규산염 섬유(1 wt% Er2O5, 10 wt% Yb2O3, 33 wt% P2O5)가 섬광 응축 기술에 의해 생산되었고[A.L.G. Carter, M.G. Sceats, S.B. Poole, "Flash condensation technique for the fabrication of high phosphorous-content rare-earth-doped fibres", Electron. Letters., vol. 28, no. 21 pp. 2009-2011, 1992 참조], 레이저 장치(1)를 형성하기 위해 사용되었다. 1535nm에서의 포화 이득 측정치는 980nm 펌프 레이저 다이오드를 가지고 측정했을 때 약 0.8dB/cm였다. R > 99%인 반사를 갖는 3cm 길이의 격자(2)는 수소화된 샘플(100atm, 373K)을 1355nm 위상 마스크를 통해 ArF 엑시머 레이저의 193nm 출력에 노출시키므로써 제조된다. 다음, 격자(2)는 링에 위치한 980/1550 WDM(4)을 통해 980nm 펌프 레이저 다이오드로 펌프된다.
도 3은 0.001nm 세팅 정확도를 갖는 좁은 라인폭의 조정 가능한 반도체 레이저원을 사용한, 펌핑이 있는(10), 그리고 펌핑이 없는(11) 경우에서의 결과적인 격자(2)의 전송 스텍트럼의 그래프를 도시하고 있다. 결합 계수는 κL = 3 인 격자의 전송 스펙트럼으로부터 도출된다. 도 3에서 알 수 있듯이, 격자(2)를 펌핑할 때 중심 파장은 어떤 펌프 강도에서 광자 밴드갭 내에서 전송 피크(12)의 동시 출현을 보이며, 일반적으로 더 긴 파장으로 이동한다. 본 발명의 경우, 1%의 출력 결합 비율로 링 내에서 DFB 구조(2)를 중접(重接)시킨 것은 전송 피크 파장에서의 레이저 방출을 가져 왔으며, 약 10mW의 임계 펌프 전력을 사용할때의 그 광학 스펙트럼이 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 측면 모드 억제가 50dB 이상이었다는 것을 주목해야 한다.
레이저 방출은 단일 세로 모드에서 확실히 존재하는 것으로 알려졌고, 주사 패브리-페로 간섭계를 사용하여 확인되었다. 도 5는 레이저 출력의 세로 모드 스펙트럼을 도시하며, 도 6은 20km의 지연선을 가진 종래의 자기 헤테로다인 기술을 사용하여 6.5kHz로 측정된 링 DFB 레이저의 라인폭을 도시하고 있다.
상기 장치(1)는 격자의 중심 파장 및/또는 격자의 광자 밴드갭 내의 전송 피크를 조정하므로써 넓은 파장 범위에 걸쳐 전위 조정이 가능하다.
본 발명이 전 섬유 장치에 한정되지 않고 다른 분포 궤환 구조와 링 공동도 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다1.
또한, 본 발명이 λ/4 만큼 이동된 분포 궤환 구조에 한정되지 않고, 이득 및/또는 지수 모두가 변화되고, 그리고/또는 샘플된 Bragg 격자 구조 또는 쳐프된(chirped) Bragg 격자 구조와 같은 복합 조정 프로파일을 가진 다른 분포 궤환 구조도 사용될 수 있다는 점도 이해될 것이다.
복합 분산 궤환 구조가 사용될 때는, 레이저 구성이 이중 또는 다중 레이저 모드를 발생시킬 수 있으며, 각 모드는 단일 모드 링 DFB 레이저와 유사한 낮은 임계조건, 안정된 좁은 라인폭의 동작을 제공한다는 것도 이해할 수 있다.
또한 에르븀은 별문제로 하고, 다른 도핑재료도 분포 궤환 구조에서 이용될 수 있다는 것도 이해될 것이다.
넓게 개시된 본 발명의 내용 또는 범위를 벗어남이 없이도 다른 변화물 및/또는 수정물이 만들어질 수 있다는 것은 기술 분야의 당업자에게는 이해될 것이다. 따라서, 본 실시예는 모든 면에서 제한적이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 한다.

Claims (14)

  1. 레이저 장치에 있어서,
    링 공동;
    상기 링 공동 내의 이득부;
    상기 링 공동에 연결된 입출력 연결장치;
    상기 링 공동의 소정의 부분에 삽입된 격자; 그리고
    상기 링 공동과 상기 격자에 연결된 펌프 수단을 포함하며,
    상기 펌프 수단은 상기 펌프 수단의 동작시에 상기 레이저 장치가 상기 입출력 연결장치에서 레이저 출력을 생산하는 레이저로 동작하도록 상기 링 공동과 상기 격자에 연결되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자는 상기 링 공동의 이득부에 삽입되며, 상기 펌프 수단은 상기 링 공동의 이득부에 연결된는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공동과 상기 격자 소재는 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광섬유는 희토류로 도핑된 코어를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 격자는 상기 광섬유에 직접 쓰여진 브래그 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 희토류는 에르븀인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자는 상기 레이저의 단일 세로 모드 동작을 얻기 위한 분포 궤환 구조 역할을 하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공동은 감소된 임계조건을 제공하고, 상기 레이저의 라인폭 협소화를 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 레이저의 선폭은 7kHz 미만인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저는 상기 격자의 조정에 의해 소정의 주파수로 튜닝되는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 링 공동은 λ/4 만큼 이동된 분포 궤환 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자는 처프된 브래그 격자인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자는 표본화된 브래그 격자인 것을 특징으로 하는 레이저 장치.
  14. 첨부 도면을 참조하여, 본 명세서에 실질적으로 개시되어 있는 레이저 장치.
KR10-1998-0703907A 1995-12-01 1996-11-28 분포궤환형링레이저 KR100448743B1 (ko)

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