KR20020074549A - 고 출력, 높은 평탄화도의 출력을 갖는 다중 채널 광원 - Google Patents

Abstract

광섬유에서의 비선형효과인 유도 브릴루앙 산란과 외부에서의 펌핑을 통한 이득을 이용한 높은 평탄화도의 고출력, 광대역 다중 채널 광원에 대해 개시하고 있다. 본 발명의 다중 채널 광원은, 연속된 유도 브릴루앙 산란에 의해 일정한 파장간격의 다중 채널이 생성되게 되며 매질에서의 레일레이 산란과 이득에 의한 광증폭을 통해 고출력을 가지는 특징을 가지고 있다. 본 발명에 의하면, 매질에 유도 브릴루앙 산란과 펌핑을 통한 이득을 동시에 적용함으로써 이득의 대역폭에 상당하는 수의 다중 채널을 생성하는 것이 가능하다.

Description

고 출력, 높은 평탄화도의 출력을 갖는 다중 채널 광원 {Multi-channel light source with high-power and highly flattened output}

본 발명은 광원에 관한 것으로, 특히 고출력, 광대역의 다중채널 레이저 광원에 관한 것이다.

연속된 유도 브릴루앙 산란을 이용하여 일정한 파장 간격의 다중채널 광대역 출력광을 얻을 수 있는 광원은, 파장분할 다중시스템(Wavelength Division Multiplexed System)에서의 광원으로 이용될 수 있을 뿐 아니라 표준 광원, 레이저 자이로 센서 및 전류 센서용의 광원, 또한 밀리미터파에서의 전광 캐리어 생성 등의 용도로 널리 응용될 수 있기 때문에 지속적인 연구대상이 되어 왔다. 특히, 어븀이 도핑된 광섬유(Erbium Doped Fiber; 이하 "EDF")를 증폭매질로 사용하며 단일모드 광섬유를 브릴루앙 씨앗으로 사용하는 환형 구조의 다중채널 브릴루앙/어븀 광섬유 레이저(Brillouin/Erbium Fiber Laser; 이하 "BEFL") 광원은 수십개의 채널수와 높은 출력 세기 등의 특징으로 인하여 다중채널 레이저 광원의 가장 좋은 후보로 여겨졌었다.

종래기술에 따른 BEFL 다중채널 광섬유 광원의 개략적 구성도를 도 1에 나타내었다. 도 1을 참조하면, 임계값 이상의 파워를 가지는 브릴루앙 펌프광원(10)에서 나온 광이 제1 써큘레이터(20)와 제1 단일모드 광 결합기(30)를 통하여 환형구조에 주입되어 단일모드 광섬유(70)로 들어가게 된다. 이 단일모드 광섬유(70)에서는 유도 브릴루앙 산란에 의하여 대략 10GHz의 파장 전이를 갖는 반대 방향의 빛을 생성하게 되며 이렇게 생성된 빛은 환형 구조 상의 제1 EDF(50)를 거치며 증폭된다. 이렇게 증폭되어진 빛의 일부가 다시 제2 단일모드 광결합기(30')를 통하고 제2 EDF(50')를 거쳐 단일모드 광섬유(70)에 주입되게 되고 이는 다시 10GHz 전이된 파장의 빛을 생성하게 된다. 그러나, 이러한 종래의 BEFL 형광 광원은 강한 편광의존성과 더불어 구조상의 복잡함, 또한 여러 변수를 동시에 조절하여 적절한 동작점을 찾아야 한다는 문제점이 갖는다. 도 1에 도시된 참조부호 중 설명되지 않은 40은 레이저광을 발생시키는 광자를 시계방향으로 유도하기 위한 패러데이 아이솔레이터(40)를 나타내며, 60 및 60'는 환형 구조 내를 지나는 광의 편광상태를 조절하는 편광조절기들을 나타낸다.

상기한 문제점 외에도, BEFL은 복잡한 구조 및 편광의존성, 낮은 안정성 등의 문제점을 가지고 있었으며 채널 수도 최대 수십개 정도의 수준에 머물러 있었다. 그러나, 최근 안정적이고 간단한 구조의 정확한 파장 간격의 광섬유 다중 채널 생성에의 대한 당면 요청에 따라 안정성이 높고 간단한 구조의 새로운 고 출력, 광대역의 다중 채널 레이저 광원에 대한 개발도 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 높은 안정성 및 이득평탄도를 가지는 효율적인 다중 채널 광원을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 기술적 과제는 정확한 파장 간격의 다중 채널 표준 광원을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래기술에 따른 브릴루앙/어븀 광섬유 레이저 광원의 개략적 구성도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 다중채널 레이저 광원의 개략적 구성도;

도 3a는, 도 2의 펌핑수단의 구체적인 일 예로서, 유도 라만 증폭의 펌프의 개략적 구성도;

도 3b는 도 3a의 펌프 구성에 따른 광대역 다중 채널 레이저의 유도 라만 스토크스 파장의 전이를 도 3a의 A지점에서 측정한, 후방으로 진행하는 파워의 그래프;

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 다중 채널 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프;

도 5는 본 발명의 다중 채널 광원의 구현에 필요한 다중 채널 생성 매커니즘에 대한 간략화된 개념도;

도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 채널 레이저 광원의 개략적 구성도;

도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환형구조의 다중 채널 레이저 광원의 개략적 구성도; 및

도 7은 더 넓은 간격의 파장을 추출하는 수단이 부가된 본 발명의 광원을 나타낸 개략적 구성도이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다중 채널 광원은: 비선형 브릴루앙 산란 효과와 펌핑에 의하여 이득을 가지는 매질과; 상기 효과를 발생시키기 위해 상기 매질에 펌핑광을 조사하도록 상기 매질에 광학적으로 접속된 펌핑수단과; 상기 매질에서 다파장 광신호를 발생시키기 위해, 상기 매질에 자신의 출력광을 도입하는 외부광원과; 상기 매질에서 생성된 다파장 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 다중채널 레이저 광원의 개략적 구성도이다. 도 2를 참조하면, 비선형 브릴루앙 산란 효과와 펌핑에 의하여 이득을 가지는 매질에 해당하는 분산보상 광섬유(130)에, 펌핑수단(150)이 광 결합기(140)를 통해 광학적으로 접속되어 있다. 한편, 분산보상 광섬유(130)에서 다파장 광신호를 발생시키기 위한 외부 광원(110)에서 나온 광은 제1 아이솔레이터(120)를 통해 분산보상 광섬유(130)로 들어가게 된다. 외부 광원(110)으로는 ECL(ExternalCavity Laser)이 사용될 수 있다. 한편, 분산보상 광섬유(130)에서 생성된 다파장 광신호는 출력단에 마련된 제2 아이솔레이터(120')를 거쳐 출력된다. 도 2에서 설명되지 않은 참조부호 OSA1 및 OSA2는 광신호 어낼라이저(Optical Signal Analyzer)들을 각각 나타낸다. 본 실시예에서는 비선형 브릴루앙 산란 효과와 펌핑에 의하여 이득을 가지는 매질로서 일반 광섬유와 반대의 분산값을 갖는 분산보상 광섬유(Dispersion Compensation Fiber; DCF)를 사용하였는데, 그 이유는 분산보상 광섬유가 작은 직경의 코어를 가지며 비선형 현상을 강하게 유도할 수 있기 때문이다. 그러나, 비선형 브릴루앙 산란 효과와 펌핑에 의한 이득을 가지는 효과를 가지는 것이라면 분산보상 광섬유 이외의 어떠한 매질이라도 사용될 수 있다. 또한, 상기 매질은 어느 한 지점에서만 이득을 발생시키는 매질이 아니라, 분포된 이득을 갖는 매질(distributed gain medium)인 것이 바람직하다.

한편, 펌핑수단(150)으로는, 단일 파장의 펌프광원을 사용할 수도 있고, 복수 파장의 펌프광원을 사용할 수도 있다. 또는, 아래의 도 3a에서 후술하는 바와 같은, 유도 라만 증폭의 펌프를 사용할 수도 있다. 여기서 펌프는 매질의 한쪽, 혹은 양쪽단에 설치될 수도 있으며, 매질의 전단 또는 후단의 어느 곳에 설치하여도 무방하다.

도 2에 도시한 다중 채널 광원을 도 1의 BEFL과 비교하여 정리하면 다음과 같다. 본 발명에서는 기존의 BEFL에서의 이득매질로써 균질한 성질을 갖고 있는 EDF를 사용한 것에 반하여 비균질한 성질을 갖는 라만 증폭의 원리를 사용하였다. 또한 기존의 구조에서 유도 브릴루앙 산란 파장을 생성하기 위하여 사용하였던 단일모드 광섬유 대신 라만 증폭 매질 자체에서 생성되어지는 브릴루앙 산란 파장을 이용하였다. 즉, 기존의 BEFL에서는 브릴루앙의 생성과 이의 증폭을 따로 실현하였던 것에 비하여 본 발명에서는 이 두 가지의 효과를 한 매질에서 구현하였으며 또한 레일레이 산란(Rayleigh scattering)이 큰 매질을 사용함으로써 자연스런 캐비티(cavity)를 형성하여 레이징(lasing)하는 구조를 택하였다.

도 2의 펌핑수단(150)의 구체적인 일 예로서 유도 라만 증폭의 펌프의 개략적 구성을 도 3a에 도시하였다. 도 3a를 참조하면, 이터븀(Yb) 광섬유 레이저 펌프광원(300)과, 1465㎚의 출력광과 1480㎚의 출력광을 각각 가지는 고출력 레이저 다이오드 펌프광원들(310, 320)을 펌프 결합기(330; pump combiner)로 연결한 것을 공동으로 사용할 수 있다. 한편, 이터븀(Yb) 광섬유 레이저 펌프광원(300)은 반사된 광을 다시 돌려보내기 위한 미러(340)와 함께 연결되어 있다. 1500㎚ 대역의 다중채널을 생성하기 위하여는 기본적으로 이 대역에서의 라만 전이가 대략 100㎚ 정도이므로 1400㎚ 대역의 강한 펌프가 필요하게 된다. 현재 1400㎚ 대역에서의 강한 파워를 갖는 반도체 레이저의 경우 최대파워는 대략 수백 ㎽ 정도에 머무르고 있으므로 보통 W급의 1400㎚ 대역 파워를 생성하기 위하여는 광섬유에서 광섬유 격자와 연속 라만 스토크스(Raman Stokes) 생성을 이용하여 1060㎚의 높은 파워 광원을 1400㎚ 대역으로 5∼6번 스토크스 전이를 거치게 한다. 도 3a에서 이터븀 광섬유 레이저(300)로부터 방출되는 1060㎚ 대역의 파워를 분산보상 광섬유와 같은 매질로 주입하는 데에는 두 개의 파장 분할 결합기를 사용하게 되고 스토크스 전이의 효율을 높이기 위하여 매질로부터 후방으로 나오는 파워 중 파장 분할 결합기를 통하여 나오는 부분을 거의 100% 반사도의 거울(340)로 반사시킨다. 또한, 스토크스 전이 파장에 임의로 외부에서 레이저 다이오드 펌프광원들(310, 320)과 결합기를 통하여 주입하게 되면 상당한 양의 원하는 스토크스 파장에서의 파워를 얻을 수 있다.

도 3b는 도 3a의 펌프 구성에 따른 광대역 다중 채널 레이저의 유도 라만 스토크스 파장의 전이를 도 3a의 A지점에서 측정한, 후방으로 진행하는 파워의 그래프이다. 또한, 도 3b에는 도 3a의 펌프 구성에서 거울이 없는 경우(점선)와 거울이 있는 경우(실선)를 나누어 도시하였는데, 그래프를 참조하면 확실한 효율의 차이를 볼 수 있다. 즉, 거울이 없는 경우는 1400㎚ 대역으로의 스토크스 전이가 거의 일어나지 않아 1500㎚ 대역에서의 증폭이 거의 없지만 거울이 있는 경우는 1500㎚까지 스토크스 전이가 생기며 이로 인하여 위에 전술한 과정에 의하여 다중 채널이 생성됨을 볼 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 다중 채널 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 종래의 알려진 BEFL에 비하여, 최소 14배 이상의 레이징 다중 채널을 얻을 수 있으며 그 이득 평탄도 역시 별다른 최적화 과정을 거치지 않고도 훨씬 향상된 출력을 얻음을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 다중 채널 광원의 구현에 필요한 다중 채널 생성 매커니즘에 대한 간략화된 개념도이다. 도 5를 참조하면, 종래에는 이득이 없는 경우, 이러한 방식으로 스토크스 파장을 수 개 정도 얻을 수 있다고 알려져 있었으나 이러한 매질에 라만 이득을 주게 되면 각각의 스토크스 파워가 매질의 브릴루앙 임계파워를 넘게 되어 연속적인 다중 채널을 얻을 수 있게 된다. 여기서 만약 레일레이 산란이나 외부로부터의 피드백이 없는 경우는 광섬유의 끝단에서 관찰할 경우 브릴루앙 전이의 2배수 파장마다 생성되게 되나 강한 피드백이 존재할 경우 각 파장에서 상당한 세기의 양방향으로 진행 파워가 존재하게 되므로 각 브릴루앙 전이 주파수 모두에서 레이징하게 된다.

도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 채널 레이저 광원의 개략적 구성도이다. 도 6a를 참조하면, 매질(130)의 입력단과 출력단에 각각 부분적인 반사를 가지는 거울들(160, 160')를 더 설치하였음을 알 수 있다. 이와 같은 방식으로 광이 매질(130) 내에서 증폭수단(150)에 의한 증폭을 더 거치게 함으로써 레이징 효율을 높일 수 있다.

도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 환형구조의 다중 채널 레이저 광원의 개략적 구성도이다. 환형구조의 다중 채널 레이저는 기본적으로 매질(130)의 입력단과 출력단을 서로 연결하고 결합기를 통하여 브릴루앙 펌프를 주입함으로써 구성가능하다.

도 6a 및 6b에서 도 2와 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타내므로 이에 대한 설명은 생략한다.

도 7은 더 넓은 간격의 파장을 추출하는 수단이 부가된 본 발명의 광원을 나타낸 개략적 구성도이다. 도 7을 참조하면, 출력단에 주기성을 가지는 필터(180)를 연결함으로써 원하는 파장간격을 추출할 수 있게 된다. 또한 이러한 원하는 파장간격으로부터 원하는 주파수, 특히 THz 범위의 맥놀이 주파수의 생성이 가능하다. 필터(180) 대신에 페브리-페로 간섭계를 설치하여 원하는 파장간격을 추출할 수도 있다. 한편, 이와 같은 파장 추출수단의 부가 없이 매질 내의 이득물질 첨가농도에 의해서도 파장간격의 조절은 가능하다.

본 발명의 실시예에 의하면, 임의의 파장에서 동작하는 고 출력, 광대역의 다중 채널광원을 구현할 수 있다. 즉, 광섬유 내에서의 유도 브릴루앙, 유도 라만 그리고 레일레이 산란을 효과적으로 이용함으로써 라만 이득의 범위에 해당하는 파장대역에서 정확한 파장간격을 가지는 다중채널의 생성이 가능하게 된다.

실시예의 결과, 전체 방사대역 53.2㎚ 범위에서 채널당 평균 -27dBm의 세기를 가지는 700 여개의 정확한 파장간격을 가지는 다중 채널의 생성이 관찰되었다. 따라서, 동일한 방식으로 라만 이득의 범위를 늘리면 더 많은 수의 다중 채널 생성이 기대된다. 이러한 다중 채널 레이저 광원은 THz 맥놀이 주파수 생성이나 주파수 기준의 생성에도 응용될 수 있을 것이다.

Claims (11)

1. 비선형 브릴루앙 산란 효과와 펌핑에 의하여 이득을 가지는 매질과;

   상기 효과를 발생시키기 위해 상기 매질에 펌핑광을 조사하도록 상기 매질에 광학적으로 접속된 펌핑수단과;

   상기 매질에서 다파장 광신호를 발생시키기 위해, 상기 매질에 자신의 출력광을 도입하는 외부광원과;

   상기 매질에서 생성된 다파장 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 구비하는 다중 채널 광원.
2. 제1항에 있어서, 상기 펌핑수단이 단일 파장의 펌프광원인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
3. 제1항에 있어서, 상기 펌핑수단이 복수 파장의 펌프광원인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
4. 제1항에 있어서, 상기 매질이 분포된 이득을 갖는 매질인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
5. 제1항에 있어서, 상기 매질은 이득물질이 도핑된 광섬유인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
6. 제5항에 있어서, 상기 광섬유가 분산보상 광섬유인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
7. 제1항에 있어서, 상기 펌핑수단이 라만 펌프광원으로서, 높은 파워를 갖는 광원으로부터의 라만 스토크스 전이를 이용하는 구조이며, 결합기와 거울을 이용한 반사가 포함되거나, 외부로부터의 스토크스 파장에 파워를 주입함으로써 효율을 높이는 것을 특징으로 하는 펌프 광원인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
8. 제1항에 있어서, 상기 출력수단의 다음 단에 파장간격 선택수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
9. 제8항에 있어서, 상기 파장간격 선택수단이, 주기성을 가지는 필터 또는 페브리-페로 필터인 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
10. 제1항에 있어서, 상기 매질의 양단에 부분투과 거울들을 더 설치한 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.
11. 제1항에 있어서, 상기 매질의 입력단과 출력단을 서로 연결한 환형구조의 광경로를 더 구비한 것을 특징으로 하는 다중 채널 광원.