KR20010018213A - 광 펄스 파형 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 본 발명은 극초단 단일 광 펄스(single optical pulse)의 시간적 파형(temporal waveform)을 측정하기 위한 광 펄스 파형 측정 장치에 관한 것이다. 본 발명은 측정하고자 하는 광 펄스와 동기화되어 있는 선형 처핑된 초연속 광원과; 상기 초연속 광원으로부터 입사된 광을 통해, 입사된 광 펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환시키기 위한 비선형 간섭계와; 상기 비선형 간섭계를 통과한 광의 파장을 측정하기 위한 광 파장 분석기로 이루어져 단일 광 펄스의 시간적 파형을 측정할 수 있는 것으로서, 선형 처핑된 초연속 광원과 비선형 간섭계 및 파장 분석기를 이용하여 입력 광펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환 하여 측정하는 원리를 사용하며, 또한 반복 측정이 아닌 단일 주사(single-shot)로도 측정이 가능한 광 펄스 파형 측정 장치를 제안한다.
Description
본 발명은 극초단 단일 광 펄스(single optical pulse)의 시간적 파형(temporal waveform)을 측정하기 위한 광 펄스 파형 측정 장치에 관한 것이다.
종래의 극초단(ultrafast) 광펄스의 파형 측정을 하는 방법은 입력 광펄스를 먼저 빠른 반응 속도를 지닌 광 다이오드(fast-photo diode)를 사용하여 전기적인 신호(electrical signal)로 변환하고, 이를 광대역 오실로스코프(wide-band oscilloscope)를 사용하여 측정한다. 그러나, 광 다이오드(fast-photo diode)와 오실로스코프로 측정할 수 있는 광 펄스의 폭은 50 ps 정도가 한계이다. 그래서, 수 ps 정도의 펄스폭을 지닌 광 펄스의 파형을 측정하기 위한 장치가 스트릭 카메라(streak camera)인데, 이것은 가격이 고가일 뿐 만 아니라 근자외선(near ultraviolet)에서 근적외선(near infrared)까지만 측정이 가능하다. 따라서, 수 ps 이하의 펄스폭이나 스트릭 카메라(streak camera)가 측정할 수 없는 파장 영역에서의 측정 장치의 개발이 필요하다. 한편, 위와 같이 직접 파형을 측정하는 방법은 아니지만, 광 펄스의 중요한 정보중의 하나인 펄스폭은 비선형 광학효과(nonlinear optical effect)를 이용한 2차 자기 상관함수(second order auto-correlation)의 측정에 의해서 결정될 수 있다. 이 때, 사용하는 비선형 효과로는 2차 조화파 발생과 2 광자 흡수 효과를 주로 이용해 왔다.
도 1은 종래의 2차 고조파를 이용한 광 펄스의 펄스폭 측정 장치의 구성도를 나타낸다.
비선형 광학 효과는 입사되는 여러개의 광 사이의 상호작용을 가능케 하여 그들 광이 지닌 주파수(frequency)의 차이나 합에 해당하는 진동수를 지닌 새로운 광, 즉 파장(wavelength)이 다른 광을 발생시킨다(여기서, 진동수와 파장은 같은 개념으로서, 서로 역비례의 관계가 있다). 같은 ω라는 진동수를 지닌 두 개의 광이 비선형 광학 매질에서 상호 작용하여 2ω의 진동수를 지닌 광을 생성하는 것을 2차 고조파 발생(second harmonic generation)이라 부른다. 이러한 2차 고조파를 이용하여 펄스폭을 측정하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 측정코자 하는 광 펄스(1)를 50 : 50 광 분리기(2)를 이용하여 2 개로 나눈다. 나뉘어진 2 개의 광 펄스를 각기 다른 경로로 진행시킨다. 이때, 한 개의 광경로에는 두 개의 광사이의 시간 지연양을 조절할 수 있는 시간지연기(3; time delayer)를 위치시키고, 다른 한 개의 광 경로에는 반사 거울(4)을 위치시킨다. 이 두개의 광을 다시 50 : 50 광 결합기(2)에 의해서 합치고, 합쳐진 두개의 광을 렌즈(5)에 통과시킨 후, 비선형 광학 결정(6)에 입사하게 되면 광의 세기에 따라 2차 고조파가 발생한다. 발생된 2차 고조파는 w의 광과 같이 나오므로 이를 필터(7)로 제거후에 광 다이오드(18; photo-diode) 나 PMT(photo multiplying tube)로 측정한다.
상기에서, 2 차 고조파의 세기(intensity)는 두 개의 광 펄스가 합쳐질 때의 겹쳐진 양에 의해서 결정된다. 즉, 두 개의 광 사이의 시간 지연양이 커서 합쳐질 때 만나지를 못하면 2차 고조파의 세기는 매우 작게 되고, 시간 지연양이 0 일때 2차 고조파의 세기는 가장 커진다. 따라서, 시간 지연기(3)를 일정한 속도로 구동하고, 발생하는 2차 고조파의 세기를 측정하면 펄스의 겹쳐진 양을 알게 되고, 이 결과로부터 펄스 폭을 측정하게 된다. 그러나, 이 방법으로 정확한 펄스폭을 구하기 위해서는 펄스의 형태를 가정할 수 밖에 없다는 단점을 지니고 있다.
도 2는 종래의 2 광자 흡수효과를 이용한 광 펄스 펄스폭 측정 장치의 구성도를 나타낸다.
광을 흡수하는 물질은 입사되는 광의 에너지에 대응하는 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 지니고 있다. 만약에 물질의 에너지 밴드 갭이 입사되는 광의 에너지보다 크게 되면, 광은 흡수가 되지 않고 투과(transmit)를 하게된다. 그러나, 광의 세기가 커지면 이 경우에도 흡수가 생기게 된다. 이것은 매질의 비선형 광학 현상의 하나로서, 광이 지닌 에너지보다 2 배에 해당하는 에너지 밴드 갭을 지닌 물질에서 생기는 현상이다. 이것을 2 광자 흡수 효과라고 한다. 이러한 2 광자 흡수 효과는 입력되는 광 세기에 비례해서 커진다. 이러한 2 광자 흡수 효과를 이용해서 광 펄스의 펄스 폭을 측정하는 장치는 도 1에 도시된 2차 고조파를 이용한 방법과 유사하다. 이러한 2 광자 흡수 효과를 이용하여 광 펄스폭을 측정하는 과정은 다음과 같다.
측정코자 하는 광 펄스(11)를 50 : 50 광 분리기를 이용하여 2 개로 나눈다. 나뉘어진 2 개의 광 펄스를 각기 다른 경로로 진행시킨다. 이때, 한 개의 광 경로에는 두 개의 광사이의 시간 지연양을 조절할 수 있는 시간지연기(13; time delayer)를 위치시키고, 다른 한 개의 광 경로에는 반사 거울(14)을 위치시킨다. 이 두 개의 광을 다시 50 : 50 광 결합기(12)에 의해서 합치고, 합쳐진 두개의 광을 렌즈(15)에 통과시켜 광 다이오드(18; photo-diode)로 측정한다.
도 1 및 도 2에 도시된 이러한 두 장치의 차이점은 비선형 물질을 사용하지 않고 측정에 사용하는 광 다이오드(photo-diode)의 2 광자 흡수 효과를 사용한다는 점이다. 이 방법은 구조가 2차 고조파를 이용하는 방법 보다 간단하고, 제작 비용이 저렴하다는 장점을 지니고 있다. 그러나, 감도가 2차 고조파를 이용하는 방법 보다 떨어진다는 단점을 지니고 있고, 또한, 이 방법 역시 정확한 펄스폭을 구하기 위해서는 펄스의 형태를 가정할 수 밖에 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 선형 처핑된 초연속 광원과 비선형 간섭계를 이용하여 입력 광 펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환하여 초단 광 펄스의 실제 파형을 측정 할 수 있는 광 펄스 파형 측정 장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 펄스 파형 측정 장치는 측정하고자 하는 광 펄스와 동기화되어 있는 선형 처핑된 초연속 광원과; 상기 초연속 광원으로부터 입사된 광을 통해, 입사된 광 펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환시키기 위한 비선형 간섭계와; 상기 비선형 간섭계를 통과한 광의 파장을 측정하기 위한 광 파장 분석기로 이루어져 단일 광 펄스의 시간적 파형을 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 2차 고조파(second harmoic lightwave)를 이용한 광 펄스(optical pulse)의 펄스폭(pulsewidth) 측정 장치의 구성도.
도 2는 종래의 2 광자 흡수효과(two photon absorption)를 이용한 광 펄스 펄스폭 측정장치의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 광 펄스 파형 측정 장치의 구성도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉
1, 11 및 21 : 광 펄스 2, 12, 41 및 47 : 광 결합기(50 : 50)
3 및 13 : 시간 지연기 4, 14, 45 및 46 : 거울
5 및 15 : 렌즈 6 : 비선형 광 결정
7 : 필터 8 : 광 다이오드(또는 PMT)
18 : 광 다이오드 30 : 선형 처핑된 초연속 광원
31 : 초연속 광 펄스 발생기 32 : 분산 매질
40 : 비선형 간섭계 42 : 3차 비선형 매질
43 및 44 : 이색성 결합기 45 및 46 : 거울
50 : 광 파장 분석기 51 : 모노클로미터(monochrometer)
52 : 광 다파장 분석기(optical multi-channel analyzer)
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 광 펄스 파형 측정 장치의 구성도를 나타낸 것으로서, 선형 처핑된 초연속 광원(30; linearly chirped supercontinuum light)과 비선형 간섭계(40; nonlinear optical interferometer) 및 광 파장 분석기(50; optical spectrum analyzer)를 이용하여 입력 광 펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환하여 측정하는 원리를 나타낸다.
선형 처핑된 초연속 광원(30)은 측정하고자 하는 광 펄스(21)와 동기화(synchronization)되어 있어야 한다. 선형 처핑된 광원을 만들기 위해서는 초연속 광펄스를 발생시키기 위한 발생기(31)와, 이것을 선형 처핑시키기 위해 사용하는 분산매질(32; dispersion medium)로 구성 되어 있다. 비선형 간섭계(40)는 마이켈슨(Michelson), 사냑(Sagnac), 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계 등 여러가지 간섭계로 구성할 수 있으나, 여기서는 마하젠더 간섭계를 중심으로 기술한다. 비선형 간섭계(40)는 3차 비선형 매질(42)과, 상기 초연속 광원(30)으로부터 입사된 광을 두 경로로 분리하기 위한 제 1의 50 : 50 광 결합기(41)와, 상기 제 1 광 결합기(41)를 통과한 광과, 측정하고자 하는 광 펄스를 결합하여 간섭계의 한팔로 입사시키기 위한 제 1 이색성(dichroic) 광 결합기(43; WDM1)와, 상기 제 1 이색성 광 결합기(43)로부터 입사되면서 상기 제 3차 비선형 매질(42)을 통과되는 측정하고자 하는 광 펄스를 간섭계로부터 추출시키기 위한 제 2 이색성(dichroic) 광결합기(44; WDM2)와, 상기 제 2 이색성 광 결합기(44)를 통과한 광을 반사하기 위한 제 1 거울(45)과, 상기 제 1 광 결합기(41)로부터 굴절된 광을 반사시키기 위한 제 2 거울(46)과 상기 제 1 및 제 2 거울(45 및 46)로부터 반사된 광을 결합하기 위한 제 2의 50 : 50 광 결합기(47)로 이루어진다. 간섭계를 통과한 초연속 광원은 모노클로로미터(51; monochrometer)와 광 다파장 분석기(52; optical multi-channel analyzer)를 검출기로 사용하는 광 파장 분석기(50)에 의해서 측정된다.
선형 처핑된 초연속광은 지니고 있는 파장의 분포가 시간별로도 선형적으로 분포된 것으로서, to에서 to+T 사이에 분포한다면 하기 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
측정하고자 하는 신호광이 WDM1(43)을 통해 마하젠더 간섭계에 입사하면, 선형 처핑된 초연속광의 파장별 간섭계 투과율(transmittance) T(λ)는 하기 [수학식 2]와 같이 주어진다.
여기서, I(λ)는 선형 처핑된 초연속광의 파장 λ에서의 광 세기이며, Φ(λ)는 간섭계 두팔 사이의 위상차(phase difference)이고, φ0는 간섭계의 초기 위상차 이다. δ(φ)는 WDM1(43)에 의해서 간섭계로 입사된 광 펄스에 의해 유도되는 비선형 위상 변화량이다. n2는 매질의 비선형 굴절율 계수이고, Ip는 측정하고자 하는 입사된 광의 세기이다. φo를 π/2로 되도록 초기의 위상을 조절하면, T(λ)는 하기 [수학식 3]과 같이 근사된다.
δT는 측정하고자 하는 광 펄스 Ip가 있을 때의 파장영역의 투과 곡선과 측정하고자 하는 광 펄스가 없을 때의 투과 곡선의 차이를 의미한다. δT(λ) 및 Ip(λ)는 광 파장 분석기(50)를 통하여 쉽게 측정이 되며, 광 다파장 분석기(52)를 사용하면 단일 주사(single shot)로 광 펄스의 파장 특성을 측정할 수 있다. 측정하고자 하는 광 펄스의 파형 Ip(t)는 [수학식 1] 및 [수학식 3]에 의해서 [수학식 4]와 같이 구할 수 있다.
예를 들어서, 100 nm의 선폭과 100 ps의 시간폭을 지닌 선형 처핑된 펄스로 1 ps의 가우시안 광 펄스를 측정하면, 파장영역에서 1 nm 정도의 반치폭을 갖는 파형이 나타나고, 이는 기존의 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)의 최소 분해능인 0.05 nm를 고려할 때 실제 파형을 측정하기에 충분함을 알 수 있다.
상기에서 알 수 있듯이, 측정하고자 하는 광 펄스가 WDM1(41)을 통해서 마하젠더 간섭계의 한 팔로 입사하면 해당 경로에 비선형 위상 변화를 유도한다. 이러한 비선형 위상의 변화량은 마하젠더 간섭계의 상태 변화를 유도하고, 결국은 H2포트로의 출력의 변화를 야기한다. 이 출력의 변화량은 입력된 광 펄스의 세기에 따라서 크기가 결정된다. 따라서, 광 펄스의 파형에 따라서 출력의 변화가 발생한다. 선형 처핑된 초연속 광원(30)은 시간영역에서 발생하는 과정을 파장영역으로 변환 시켜주는 중요한 역할을 한다. 결과적으로 입력 광펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환 하기 위하여 비선형 광학 효과를 이용하는 측정원리이다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 초고속 광통신 시스템의 광원이나, 소자 특성 측정에 사용하는 광원의 파형을 실시간적으로 분석이 가능하게 하는데 탁월한 효과가 있다.
Claims (4)
- 측정하고자 하는 광 펄스와 동기화되어 있는 선형 처핑된 초연속 광원과;상기 초연속 광원으로부터 입사된 광을 통해, 입사된 광 펄스의 시간 파형을 파장영역으로 변환시키기 위한 비선형 간섭계와;상기 비선형 간섭계를 통과한 광의 파장을 측정하기 위한 광 파장 분석기로 이루어져 단일 광 펄스의 시간적 파형을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 광 펄스 파형 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,선형 처핑된 초연속 광원은초연속 광 펄스 발생기와;상기 초연속 광 펄스 발생기로부터 발생된 광 펄스를 선형 처핑시키기 위해 사용되는 분산매질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광 펄스 파형 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 비선형 간섭계는3차 비선형 매질과;상기 초연속 광원으로부터 입사된 광을 두 경로로 분리하기 위한 제 1 광 결합기와;상기 제 1 광 결합기를 통과한 광과, 측정하고자 하는 광 펄스를 결합하여 간섭계의 한팔로 입사시키기 위한 제 1 이색성 광 결합기와;상기 제 1 이색성 광 결합기로부터 입사되면서 상기 제 3차 비선형 매질을 통과되는 측정하고자 하는 광 펄스를 간섭계로부터 추출시키기 위한 제 2 이색성 광 결합기와;상기 제 2 이색성 광 결합기를 통과한 광을 반사하기 위한 제 1 거울과;상기 제 1 광 결합기로부터 굴절된 광을 반사시키기 위한 제 2 거울과;상기 제 1 및 제 2 거울로부터 반사된 광을 결합하기 위한 제 2 광 결합기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 펄스 파형 측정 장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 광 파장 분석기는 모노클로미터와 광 다파장 분석기를 검출기로 이용하는 것을 특징으로 하는 광 펄스 파형 측정 장치.
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| KR100499115B1 (ko) * | 1998-05-12 | 2005-09-26 | 삼성전자주식회사 | 간섭필터를 이용한 광변조기의 과도처프 측정장치 및 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6266145B1 (en) | 2001-07-24 |
| KR100337646B1 (ko) | 2002-05-23 |
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