KR20030035123A

KR20030035123A - 광섬유 레이저 공진기

Info

Publication number: KR20030035123A
Application number: KR1020010067051A
Authority: KR
Inventors: 서홍석; 최용규; 김경헌
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR100398047B1

Abstract

본 발명은 광섬유 레이저 공진기에 관한 것으로, 레이저 다이오드와 피그 테일드되어 연결된 제 1 광섬유와, 상기 제 1 광섬유와 다른 구조를 갖는 제 2 광섬유와, 격자가 새겨진 코어와 클래딩으로 구성되며, 상기 제 1 광섬유 및 상기 제 2 광섬유의 양단을 테이퍼링에 의해 융착 접속하기 위한 제 3 광섬유를 포함하여 이루어져, 1.4㎛ 대역의 광섬유 증폭기로 각광을 받고 있는 비실리카 계열의 Tm이 도핑된 광섬유 증폭기의 펌핑 소오스로 매우 유용하게 사용될 수 있으며, 고출력 광섬유 증폭기로의 응용이 가능하고 의료용이나 산업용으로 널리 사용 될 수 있는 광섬유 레이저 공진기가 제시된다.

Description

광섬유 레이저 공진기{Cavity resonator for optical fiber lasers}

본 발명은 광섬유 레이저 공진기에 관한 것으로, 특히 서로 다른 구조를 갖는 광섬유의 사이에 격자가 새겨진 광섬유를 삽입하여 광섬유간이 융착 접속되도록 하는 광섬유 레이저 공진기에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유(optical fiber)는 GeO₂를 첨가한 저매니움실리케이트 (germanosilicate)로 구성된 코어(core)와 실리카(silica)로 구성된 클래딩 (cladding)으로 구성된다. 그런데, Yb(이테르븀)이 도핑된 코어와 낮은 굴절률을 갖는 물질로 코팅된 실리카 클래딩으로 구성된 이중 클래드 광섬유(Double clad fiber)는 이를 제조하기 위해 코어에는 실리카내에서 Yb의 용해도(solubility)를 높이기 위해 Al₂O₃를 Yb 농도의 6배이상 첨가해야 한다. 그러나, Al₂O₃는 그 자체로서 코어의 굴절률을 증가시키기 때문에 이중 클래드 광섬유를 제조할 때 코어에 따로 GeO₂를 첨가하지 않는다. 그 이유는 코어의 굴절률이 커지면 단일 모드 조건을 위해 코어의 사이즈가 줄어야 되는데, 이렇게 되면 클래딩(Cladding)으로 지나가는 펌프빔이 코어로의 결합(coupling)이 줄어들게 되어 광섬유 레이저의 효율이 떨어지게 되기 때문이다. 따라서, 보통 이중 클래드 광섬유의 코어에는 광섬유 레이저의 효율을 증가시키기 위해 GeO₂를 도핑하지 않는다.

그러나, 광섬유 레이저 구성에 있어서 광섬유 격자(grating)는 자체거울(inline mirror)로서 선폭이 매우 좁은 레이저를 만드는데 아주 유용하다. 일반 렌즈를 이용해도 반사율은 좋지만 우수한 펄스를 얻기에는 어렵고, 또한 패키징(packaging)할 때 부피가 커지기 때문에 어려운 점이 많다. 따라서, 상마스크(phase mask)를 이용하여 광섬유 내에 격자를 직접 새긴다. 그러나, 격자는 코어 내에 GeO₂가 첨가되어 있을 때 새겨지기 때문에 GeO₂를 도핑하지 않은 이중 클래드 광섬유에 격자를 새기는 것은 매우 힘들다. 그런데, 이중 클래드 광섬유에 GeO₂를 첨가하여 감광성(Photosensitivity)을 높여 자체 격자(inline grating)를 새기는 경우도 있으나, 이 경우 이중 클래드 광섬유의 코어 사이즈를 작게 디자인 해야 하기 때문에 레이저의 효율이 좋지 않다.

일반적으로 이중 클래드 광섬유 펌핑용 반도체 레이저는 어레이드 레이저 다이오드 바(arrayed laser diode bar)에 SMA형 광섬유 케이블이 연결되어 있다. 이 SMA 케이블은 실리카 코어(silica core)와 폴리머 클래딩(polymer cladding)으로 구성되어 있는데, 코어의 크기는 600∼900㎛에 이르고, 코어와 폴리머 클래드 사이의 굴절률 차는 0.047 정도로 매우 높다.

이중 클래드 광섬유는 클래딩으로 지나가는 펌프빔의 양을 많게 하기 위해 그 사이즈가 보통 광섬유 보다 크고, 코어와의 결합 능률(coupling efficiency)을 높이기 위해 원형이 아닌 직사각형 구조나 다른 복잡한 형태로 만든다. 따라서, SMA 케이블(원형 700㎛)과 이중 클래드(직사각형 200 by 100㎛) 광섬유 사이에 125㎛ 클래딩을 갖는 격자가 새겨진 광섬유를 융착 접속하는 방법은 간단하지 않다. 또한, 서로 융착 접착시 클래딩으로 진행하는 펌프빔이 SMA 케이블로부터 이중 클래드 광섬유에 까지 적은 손실을 갖고 진행하여야 한다.

또한, 이중 클래드 광섬유는 길이 방향으로의 클래딩 구조에 변화가 없기 때문에 클래딩 모드가 진행하면서 코어와 결합을 잘하지 않는 모드는 계속해서 코어와의 결합없이 진행하여 밖으로 나오는 구조이다. 모드 스크램블링(Mode scrambling) 효과가 없다.

본 발명의 목적은 서로 다른 구조를 갖는 광섬유를 융착 접속하는 광섬유 레이저 공진기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 클래딩 직경이 125㎛이고, GeO₂가 코어에 도핑된 광섬유의 코어에 격자를 새겨서 이중 클래드 광섬유와 어레이드 레이저 다이오드 바(arrayed laser diode bar)에 피그 테일드(pig tailed)된 SMA 케이블을 서로 연결하여 패키징을 쉽게 하고 우수한 단일 모드 레이저 피크(peak)를 얻을 수 있는 고출력 레이저 광섬유를 위한 광섬유 레이저 공진기를 제공하는데 있다.

본 발명에서는 레이저의 효율을 향상시키기 위해 원형 광섬유를 지나가는 펌프 빔을 직사각형 구조의 이중 클래드 광섬유를 통과시키면서 모드스크램블링(mode scrambling) 효과를 이용한다. 또한, 패키징에 의한 광 손실을 줄이기 위해 SMA 케이블과 이중 클래드 광섬유의 양단을 테이퍼링(tapering)하여 융착 접속하고, 테이퍼링(tapering)에 의한 SMA 케이블로부터 초기에 형성된 클래딩 모드의 외부로의 출력 손실을 방지하기 위해 에어 갭(Air gap)을 이용하여 전반사 효과를 크게 하여 상대적으로 지름이 작은 코어에 격자가 새겨진 광섬유의 삽입으로 인한 펌프 빔의 광 손실을 줄인다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 레이저 공진기의 개략적인 구조도.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 레이저 공진기의 스펙트럼.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 레이저 공진기의 펌프 출력에 대한 레이저 출력의 비를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 레이저 다이오드20 : SMA 케이블

30 : 테이퍼 수단40 : Yb가 도핑된 이중 클래드 광섬유

21 : 코어22 : 클래딩

31 : 격자가 새겨진 광섬유32 : 패키징 수단

41 : 코어42 : 클래딩

본 발명에 따른 광섬유 레이저 공진기는 레이저 다이오드와 피그 테일드되어 연결된 제 1 광섬유와, 상기 제 1 광섬유와 다른 구조를 갖는 제 2 광섬유와, 격자가 새겨진 코어와 클래딩으로 구성되며, 상기 제 1 광섬유 및 상기 제 2 광섬유의 양단을 테이퍼링에 의해 융착 접속하기 위한 제 3 광섬유를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유 레이저 공진기의 위한 개략적인 구성도이다.

고출력 멀티모드 SDL 레이저 다이오드(10)는 SMA 케이블(20)을 가지고 피그 테일드(Pig tailed)되어 SDL 반도체 장비를 구성한다. SDL 반도체 레이저 장비는 그 출력이 15W로 920㎚ 대역에서 10㎚의 선폭을 갖는 장비이다. 피그 테일드(Pigtailed)된 광섬유는 코어(21)의 지름이 700㎛이고, 클래딩(22)의 지름은 약 1.2㎜ 정도이다. 또한, 코어(21)의 굴절율은 1.457이고, 클래딩(22)의 굴절률은 1.41 정도로서, 개구수(NA)는 0.367 정도로 매우 높다. 따라서, 광섬유는 920㎚ 대역에서 엄청나게 많은 모드들을 지원하고, 또한 일반 광섬유와의 벗 커플링(but-coupling) 손실은 매우 높아서 90% 이상의 광 출력이 손실된다. 원래 이 장비는 이중 클래드 광섬유를 펌핑할 목적으로 사용되었지만, Yb가 도핑된 이중 클래드 광섬유는 직사각형 형태의 구조와 200×100㎛²의 크기를 가지고 있기 때문에 펌프 출력을 이중 클래드 광섬유로 전달함에 있어서의 광손실이 매우 크게 된다.

SMA 케이블(20)의 코어(21)는 앞에서 설명되었듯이 지름이 700㎛이고, 개구수는 0.367 정도로 매우 높기 때문에 일반 렌즈를 사용하여 빛을 모아 조그마한 광섬유에 모두 넣기란 쉽지 않다. 또한, 렌즈 자체의 손실도 클 뿐만 아니라 여러 개의 렌즈를 복합하여 사용해야 하고, 레이저 공진기를 구성하기 위해 벌크 미러(bulk mirror)를 사용해야 하는 단점이 있다. 이렇게 되면 전체적인 광손실은 10㏈ 이상이 된다. 또한, 이렇게 제작된 광섬유 레이저는 다루기가 힘들고 사용하려면 장비 전체를 들고 다녀야 되는 불편한 점이 생긴다. 따라서, 전체 광손실을 줄이고 패키징을 통하여 다루기 쉽고 효율도 높은 고출력의 단일모드 광섬유 레이저를 제작하는 것이 중요하다. 이에 따라 도 1에 제시된 레이저 공진기는 렌즈와 벌크 미러(bulk mirror)를 사용하지 않고 광섬유 테이퍼(taper)와 광섬유 격자(grating)를 사용하여 제작한 매우 작은 손실을 갖고 0.1㎚ 이하의 선폭을 갖는 광섬유 격자 거울(grating mirror)로 구성된 레이저 공진기이다.

도 1에 도시된 바와 같이 레이저 다이오드(10)로부터 출력되는 펌프 광원은 10㎚의 넓은 선폭을 갖는 다중 모드 광원이다. 이 광원은 SMA 케이블(20)을 통해 인도(delivery)되는데, SMA 케이블(20) 끝단에서의 광 출력은 상당히 높지만 개구수가 매우 크기 때문에 퍼지는 각이 매우 크게 된다. 그러나, SMA 케이블(20)의 한쪽단이 테이퍼링되어 있기 때문에 빛이 퍼지지 않고 손실없이 실리카 유리와 공기(air) 사이에 형성된 총 내부 반사(total internal reflection)에 의해서 유도되고 테이퍼 수단(30)을 따라서 진행하게 된다. 테이퍼 수단(30)은 고농도의 GeO₂가 도핑된 코어에 격자가 새겨진 테이퍼 광섬유(31)와, 클래딩으로 빛이 원활하게 진행되도록 하기 위한 에어 갭을 유지하기 위해 실리카로 구성된 패키징 수단(32)을 포함한다. 펌프 빔은 테이퍼 수단(30)에 의해 더 많은 개구를 통해 진행하지만 실리카와 공기의 경계면에서 형성된 개구는 이보다 더 많기 때문에 광 손실 없이 진행하게 된다. 그러나, 패키징중에 발생하는 테이퍼 수단(30)에 붙은 작은 먼지들에 의해 광 스캐터링(scattering)은 발생할 수 있다. 테이퍼 수단(30)을 통과하는 펌브 빔은 외경이 125㎛이고, 코어에 격자가 새겨진 테이퍼 광섬유(31)를 지나게 된다. 이때 대부분의 펌프빔은 실리카 클래딩을 통해 지나가게 되고 코어로 지나가는 일부 펌프빔도 격자가 새겨진 1050㎚ 미러(mirror) 파장 대역을 느끼지 못하고 진행한다. 코어에 격자가 새겨진 테이퍼 광섬유(31)를 통과한 펌프 빔은 Yb가 도핑된 이중 클래드 광섬유(40)로 진행하게 된다. 이때 테이퍼 수단(30)을 지나서면서 광섬유는 점점 사각형 모양을 갖게 되고 펌프 빔은 그 모양 변화에 따라 적응하면서 실리카 클래딩을 지나게 된다. 그리고 낮은 반사율을 갖는 물질로 코팅된 영역을 지나면서 그 이중 클래드 광섬유(40)의 낮은 반사율을 갖는 폴리머와 실리카 클래딩 사이에 형성된 개구수보다 더 큰 빔 각도를 갖는 펌프 빔의 일부는 이중 클래드 광섬유(40)에 결합되지 않고 밖으로 새어 나온다. 이러한 광손실은 피할수 없는 구조적 내부 손실(intrinsic loss)이고, 그 크기는 실험적으로 측정한 결과 2.4dB 이하로 측정되었다. 이중 클래드 광섬유(40)내로 진행하는 펌프 빔은 코어(41)내의 Yb을 교차하게 되며, 4m의 긴 광섬유를 진행하면서 Yb에 의해 대부분 흡수되고 일부는 광섬유 밖으로 나온다. 광을 흡수한 Yb 이온들은 코어내에서 자발적인 방출(spontaneous emission)을 하게 되며 97%의 반사율을 갖는 격자 거울과 종단면(cleaved end) 사이의 공동(cavity)내의 코어를 따라 앞뒤로 진행하면서 광 이득을 얻어 발진하게 된다.

이렇게 형성된 레이저는 격자 거울의 특성을 따르게 되어 그 피크 파장은 1051㎚에서 형성된다.

상기와 같이 제작된 레이저 공진기의 대략적인 광손실을 측정할 필요가 있다. 가장 선호되는 방법은 컷백(cut back) 방법인데, 이 방법은 실험 결과를 얻고 역으로 전체 제작된 광섬유 라인을 끊으면서 측정해야 하기 때문에 정확성은 있지만 측정 후 새로 구성해야 하는 시간적 경제적 손실을 가져온다. 따라서, 간접적인 방법을 이용하여 측정하였다. 실험 파장으로는 Yb가 도핑된 이중 클래드 괌섬유내에서 흡수되는 파장이 아닌 670㎚ 대역을 사용하였고, 같은 종류의 SMA 케이블을 연결하여 입력단의 출력을 측정한 결과 1.075mW의 출력을 얻을 수 있었다. 도 1에서 제시한 레이저 공진기의 최종단에서 나오는 출력의 측정치는 0.615mW이었다. 따라서, 4m 길이의 Yb가 도핑된 광섬유에서의 광 손실을 감안하면 패키징된 영역의 광 손실은 대략 2.4dB 이하가 됨을 알 수 있다.

고출력 광섬유 레이저의 스펙트럼의 관찰을 위해서 OSA를 이용하여 측정하였다. 측정시 레이저 출력이 너무 크기 때문에 OSA의 손상을 막기 위해 임의의 손실을 주고 측정하였다. 도 2는 스펙트럼 특성을 나타낸다. 920㎚ 대역에서 넓은 선폭의 펌프의 스펙트럼과 1051㎚ 파장대의 선폭이 좁은 레이저 피크를 관찰 할 수가 있다. 펌프 파장은 이중 클래드 광섬유의 실리카 클래딩을 지나면서 코어에 흡수되지 않은 여분의 광 출력이 측정되었다. 세로축의 광 출력 축은 임의의 손실이 고려되어 있는 상태이기 때문에 상대적인 값이다.

도 3은 펌프 출력에 대한 레이저 신호의 절대 출력 특성 곡선을 나타낸다. 도시된 바와 같이 펌프 출력이 6.3W일 때 3.844W의 레이저 출력을 보인다. 레이징을 시작하는 펌프 출력은 1.77W였고, 레이저의 기울기 효율(slope efficiency)은 85% 였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 서로 다른 구조를 갖는 광섬유의 사이에 코어에 격자가 새겨진 광섬유를 삽입하여 광섬유간을 융착 접속하는 레이저 공진기를 구성함으로써 현재 1.4㎛대역의 광섬유 증폭기로 각광을 받고 있는 비실리카 계열의 Tm이 도핑된 광섬유 증폭기의 펌핑 소오스로 매우 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 고출력 광섬유 증폭기로의 응용이 가능하고 의료용이나 산업용으로 널리 사용 될 수 있다.

Claims

레이저 다이오드와 피그 테일드되어 연결된 제 1 광섬유와,

상기 제 1 광섬유와 다른 구조를 갖는 제 2 광섬유와,

격자가 새겨진 코어와 클래딩으로 구성되며, 상기 제 1 광섬유 및 상기 제 2 광섬유의 양단을 테이퍼링에 의해 융착 접속하기 위한 제 3 광섬유를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 광섬유는 SMA 케이블이고, 상기 제 2 광섬유는 Yb가 도핑된 코어와 클래딩으로 구성된 이중 클래드 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 제 3 광섬유의 격자가 새겨진 코어에는 GeO₂가 도핑된 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 공진기.
제 1 항에 있어서, 상기 제 3 광섬유의 상기 클래딩을 통한 빛의 원활한 진행을 위해 상기 광섬유의 외부에 에어갭이 형성되도록 하기 위한 패키징 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 공진기.
제 4 항에 있어서, 상기 패키징 수단은 실리카로 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 레이저 공진기.