KR20050064508A - 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저 - Google Patents

충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 충돌 펄스 모드 잠김(Colliding pulse mode-locking, CPML)을 이용한 광섬유 펄스 레이저에 관한 것으로서, 특히 펨토초의 극초단 광 펄스열을 생성할 수 있으며 반복률을 높일 수 있는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저에 관한 것이다.
일반적으로 m 개(m은 1보다 큰 정수, m=2,3,4...)의 조화모드 잠김된 레이저를 구성하려고 하면 전체 공진기의 길이를 L이라고 할때, L을 m 등분하여 왼쪽으로부터 m 등분한 지점에 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 이득물질을 대칭적으로 위치시키면, 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 공진기의 길이가 비슷하면서 m 개의 조화모드 잠김된 안정된 펄스 레이저를 구성할 수 있다.
본 발명에 의한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저에 의하면 포화성 흡수체의 위치를 바꿈으로써 쉽게 반복률을 높일 수 있는 장점이 있고, 공진기가 광섬유에 의해 구성되므로 레이저의 크기를 작게 할 수 있고, 비교적 충격에 안정적인 레이저를 용이하게 구성할 수 있다.

Description

충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저{ Harmonically mode-locked fiber laser with colliding pulse mode-locking scheme}
본 발명은 충돌 펄스 모드 잠김(Colliding pulse mode-locking, 이하에서는 CPML이라 한다.)을 이용한 광섬유 펄스 레이저에 관한 것으로서, 특히 2개의 이득물질(Gain medium)을 사용하여 공진기 내에 고차 모드 잠김된 펄스를 생성함으로써펨토초의 극초단 광 펄스열을 생성할 수 있으며 반복률을 높일 수 있는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저에 관한 것이다.
광섬유 레이저에서 발생되는 초단 펄스는 짧은 펄스폭을 갖고 있으므로 초고속 광통신 시스템이나 초고속 광 교환장치의 광논리회로 등에 이용할 수 있고 극초단 광 펄스열을 이용한 광 측정장비 및 물질의 초고속 반응 측정, 파장 분할 변조(Wavelength division multiplexing) 광통신 시스템, 의학용 레이저 등의 첨단 기술 분야에 응용이 가능하다.
일반적으로 짧은 펄스폭을 가지는 펄스열을 생성하기 위한 모드 잠김 기술은 크게 능동형 모드 잠김과 수동형 모드 잠김 방법으로 나누어진다. 능동형 모드 잠김 방법에는 레이저 매질의 비선형으로 인하여 자발적으로 생기는 자기 모드 잠김, 레이저 내에 변조기를 두어 모드 간격과 같은 주파수로 변조하는 강제 모드 잠김이 있고 수동형 모드 잠김 방법에서는 포화성 흡수체(Saturable Absorber, SA)를 사용하는 것이 일반적이다.
상기 수동형 모드 잠김 방법 중의 대표적인 방법 중의 하나가 바로 CPML 방법인데 광증폭기(Optical amplifier)와 포화성 흡수체(Saturable Absorber, SA) 등으로 구성되어 반대방향으로 진행하는 두 개의 펄스가 포화성 흡수체(SA)에서 가간섭성(Coherent)의 상호작용을 일으킴으로써 극초단 펄스를 생성하는 방법이다.
여기서 광증폭기(Optical amplifier)는 광섬유 증폭기(Optical fiber amplifier)를 의미하며 이득물질(Gain medium)이라고도 한다. 이득물질로는 일반적으로 어븀 첨가 광섬유(Erbium doped fiber, EDF)를 사용한다.
도 1은 종래의 CPML 방법을 이용한 펄스 레이저의 대표적인 개략도를 보여준다. CPML 방법을 이용하며 원형 공진기(Ring cavity) 구성으로 이루어져 있는 펄스 레이저는 도 1에서와 같이 포화성 흡수체(SA)(10), 이득물질(Gain medium)(또는 광증폭기)(20), 거울(Mirror) 등을 포함하게 된다.
도 2는 종래의 충돌 펄스 모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저의 개략 구성도를 나타낸 것으로서 포화성 흡수체(SA)(10), 이득물질(Gain medium)(또는 광증폭기) (20), 광파장분할다중 결합기(WDM coupler, 이하 WDM결합기라 한다.)(60), 편광조절기(70), 결합기(72), 렌즈(74, 75), 필터(76) 등으로 구성된다.
도 1이나 도 2의 종래 기술에서 펄스 레이저가 발생되는 원리는 동일하다. 즉, 반대방향으로 진행하는 두개의 펄스(30, 40)가 포화성 흡수체(SA)(30)에서 가간섭성의 중첩현상을 일으킴으로써 정상파 간섭 무늬(Standing wave interference pattern)에 의한 일시적 격자 효과(Transient grating 효과)를 나타낸다. 따라서, 한 방향으로 진행하는 빛의 일부 파워가 반대방향으로 진행하는 빛에 전달되는데, 전달되는 빛과 진행방향의 빛은 서로 동일 위상을 갖게 됨으로써 보강간섭을 일으키게 된다. 이 현상은 포화성 흡수체(SA)의 효과적인 포화(Saturation)현상을 일으킴으로써 더 짧은 펄스 폭을 갖는 펄스 레이저를 구성할 수 있도록 한다.
물론, 반대 방향으로 진행하는 두 개의 펄스가 광증폭기에서 똑같은 중첩현상을 일으키지 않게 함과 동시에 동일한 증폭효과를 갖게 하기 위해 이득물질(또는광증폭기)과 포화성 흡수체(SA)의 거리는 전체 원형공진기 길이의 1/4이 되도록 하여 두 개의 펄스가 동일한 크기의 파워를 가지고 포화성 흡수체(SA)에서 중첩현상을 일으키도록 한다.
이와 같은 종래의 CPML 레이저의 경우에는 공진기의 길이에 의해서만 펄스의 반복률이 결정된다. 즉 공진기의 길이를 짧게 함으로써 반복률을 높일 수 있다. 그러나 공진기의 길이를 짧게 하는데는 한계가 있으므로 반복률을 일정값 이상으로 높이는데 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기본적인 CPML 펄스 레이저의 구성에 광증폭기가 추가된 새로운 형태의 충돌 펄스 방식으로 조화모드 잠김된 레이저를 구성하여 조화모드 잠김된 펄스를 발생시킴으로써, 펄스의 반복률을 높이고자 하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광섬유 펄스 레이저에 있어서, 고출력 레이저 다이오드, 2개의 이득물질(EDF), WDM 결합기, 포화성 흡수체(SA), 콜리메이터, 편광조절기(PC)를 포함하고 있으며, 2개의 전반사 거울을 이용하는 선형공진기의 형태로 구성되어 있고, 상기 거울 사이의 거리 L을 정수 m (m은 1보다 큰 정수)으로 등분하여 나누어진 위치 중의 어느 한 곳에 상기 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 상기 2개의 이득물질을 대칭적으로 위치시키고, 상기 2개의 이득물질을 여기시켜 m개의 펄스가 상기 선형공진기 내에서 공진하는 고차 조화모드 잠김된 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저로 이루어진다.
상기 이득물질은 반도체 광증폭기(SOA, semiconductor optical amplifier)나 EAM(electro-absorption modulator), 혹은 편광유지 광섬유 (polarization maintaining fiber)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 2개의 전반사 거울 중에서 적어도 어느 하나는 광섬유 루프 미러(Optical fiber loop mirror)나 광섬유 브라그 격자(Optical fiber bragg grating)로 이루어질 수 있다.
한편 본 발명은, 광섬유 펄스 레이저에 있어서, 고출력 레이저 다이오드, 이득물질(EDF), 포화성 흡수체(SA), 편광조절기(PC), 광섬유 결합기, 반사체, 광격리기를 포함하여 원형공진기의 형태로 구성되며, 상기 고출력 레이저 다이오드는 상기 이득물질(EDF)에 연결되고, 상기 포화성 흡수체에는 상기 광격리기, 상기 이득물질(EDF), 상기 편광조절기(PC), 상기 광섬유 결합기가 시계방향으로 순차적으로 연결되고, 상기 반사체는 상기 광섬유 결합기와 연결되고, 상기 광섬유 결합기에 출력단이 연결되도록 구성되고, 상기 전체 원형공진기의 길이를 L1 이라 하고 상기 반사체에서 포화성 흡수체(SA)까지의 길이를 L2 라고 할때, L2의 길이가 L1을 정수 m으로 등분하여 나누어진 길이와 같도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저로 이루어진다.
이하 본 발명의 구성 및 작용에 대해 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
[선형공진기 형태의 광섬유 펄스 레이저의 일실시예]
도 3은 선형 공진기 형태로 구성된 레이저의 구조이다. 도 3에서 펌프는 광증폭기인 어븀 첨가 광섬유(Erbium doped fiber, 이하 EDF라 한다.)(300,301)를 여기시키기 위한 에너지원으로서 고출력 레이저 다이오드(High power laser diode)가 사용되며(이하의 도면 등에서 Pump로 표시된 장치는 광증폭기를 여기시키기 위한 것으로서 통상 고출력 레이저 다이오드가 사용된다.), 광파장분할다중 결합기(WDM coupler, 이하 WDM결합기라 한다.)(201, 202)를 통해 결합(coupling)되도록 구성된다. 포화성 흡수체(SA)(350)는 두개의 EDF(300,301) 사이에 위치한다. 또한, 전반사 미러(100,101)에 의해 공진기를 구성하였다. 또한 광섬유와 포화성 흡수체(SA)(350)를 결합시키기 위해 두개의 콜리메이터(Collimator)(500,501)를 사용하였으며 편광조절기(400)를 사용하였다.
전체 선형 공진기의 길이를 L이라고 할때(L은 미러 (100)과 미러(101) 사이의 거리이다.), L을 정수 m으로 등분하여 나누어진 위치 중 어느 한 곳에 포화성 흡수체(SA)를 위치시키게 된다. 포화성 흡수체(SA)의 양쪽에 이득물질(Gain medium)을 놓은 뒤 이득물질을 충분히 여기시키면 m개의 펄스가 레이저 공진기 내에서 공진하는 고차 모드 잠김된 펄스가 생성된다.
도 4에 제시된 개략도와 같이 m=2, 3, 4, 5, 6, 7인 경우의 동작원리를 각각 설명하면 다음과 같다.
1) m=2인 경우
포화성 흡수체(SA)가 공진기의 한가운데에 위치하고, 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 하여 이득물질 A, B가 양 쪽에 대칭적으로 위치한다. 이득물질 A에서 시작된 고강도(High intensity) 펄스가 포화성 흡수체(SA)를 지나면서 포화성 흡수체(SA)의 흡수율을 떨어뜨리면 이때 이득물질 B에서 나온 빛도 동시에 포화성 흡수체(SA)를 통과하게 된다. 이들 두개의 펄스가 양쪽의 거울에 의해 반사되어 다시 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 시간은 두 빛이 지나는 거리가 대칭이므로 이렇게 하여 자연스럽게 공진기 안에 두개의 펄스가 존재하게 되며 이들 펄스의 세기는 포화성 흡수체(SA)를 동시에 통과하기 때문에 거의 일치하게 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 2c/(2L)이 된다.(여기서 c는 빛의 속도, L은 공진기의 길이이다.)
2) m=3인 경우
공진기 길이를 m=3으로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 1/3 이 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다.
이득물질 A에서 시작된 고강도(High intensity) 펄스가 포화성 흡수체(SA)를 지나면서 포화성 흡수체(SA)의 흡수율을 떨어뜨리면 이때 이득물질 B에서 나온 ASE(Amplified spontaneous emission) 빛도 동시에 포화성 흡수체(SA)를 통과하게 된다. 이득물질 A에서 시작하여 오른쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 펄스를 펄스1 이라 하고 이득물질 B에서 시작하여 왼쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 펄스를 펄스2라고 하기로 한다. 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 왼쪽 공진기의 길이가 오른쪽 공진기의 길이의 절반이 되므로 펄스2가 펄스1보다 먼저 포화성 흡수체(SA)의 위치로 되돌아오게 된다. 펄스2가 왼쪽에서 오른쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과할때 이득물질 B에서 나온 ASE 빛이 포화성 흡수체(SA)의 오른쪽에서 왼쪽으로 통과하게 되므로 이 빛이 펄스3을 형성하게 된다. 펄스3이 왼쪽 거울에서 되돌아와서 포화성 흡수체(SA)를 지나는 시간은 펄스1이 오른쪽 거울에서 되돌아와서 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 시간과 일치한다. 이와 같은 원리로 공진기 안에는 3개의 펄스가 존재하며 이때가 조화수 3인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 3c/(2L)이 된다.
3) m=4인 경우
공진기 길이를 m=4로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 1/4 이 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다.
이득물질 A에서 시작된 고강도(High intensity) 펄스가 포화성 흡수체(SA)를 지나면서 포화성 흡수체(SA)의 흡수율을 떨어뜨리면 이때 이득물질 B에서 나온 ASE(Amplified spontaneous emission) 빛도 동시에 포화성 흡수체(SA)를 통과하게 된다. 이득물질 A에서 시작하여 오른쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 펄스를 펄스1 이라 하고 이득물질 B에서 시작하여 왼쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 펄스를 펄스2라고 하기로 한다. 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 왼쪽 공진기의 길이가 오른쪽 공진기의 길이의 1/3 이 되므로 펄스2가 펄스1보다 먼저 포화성 흡수체(SA)의 위치로 되돌아오게 된다. 펄스2가 왼쪽에서 오른쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과할때 이득물질 B에서 나온 ASE 빛이 포화성 흡수체(SA)의 오른쪽에서 왼쪽으로 통과하게 되므로 이 빛이 펄스3을 형성하게 된다.
펄스1이 오른쪽에서 포화성 흡수체(SA)로 되돌아오기 전에 다시 펄스3이 왼쪽에서 오른쪽으로 포화성 흡수체(SA)를 통과하게 되며 이때 이득물질 B에서 출발한 ASE 빛이 또다른 펄스4를 형성하며 포화성 흡수체(SA)를 오른쪽에서 왼쪽으로 통과하게 된다. 펄스4가 왼쪽 거울에서 되돌아와서 포화성 흡수체(SA)를 지나는 시간은 펄스1이 오른쪽 거울에서 되돌아와서 포화성 흡수체(SA)를 통과하는 시간과 일치한다. 이와 같은 원리로 공진기안에는 4개의 펄스가 존재하며 이때가 조화수 4인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 4c/(2L)이 된다.
4) m=5-1인 경우
공진기 길이를 m=5로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 1/5 이 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다. 이때에는 위에서 설명한 m=4인 경우와 같은 이유로 인하여 공진기 안에 5개의 펄스가 존재하게 되며 이때가 조화수 5인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 5c/(2L)이 된다. 그러나 이러한 경우 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 거리가 크게 차이가 나며 이득물질의 크기도 이에 비례하여 작아질 수 있다는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 아래의 경우(m=5-2인 경우)가 m=5인 경우에 있어서 더욱 선호되는 공진기 구조이다.
5) m=5-2인 경우
공진기 길이를 m=5로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 2/5 가 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다. 이때에는 위에서 설명한 m=4인 경우와 같은 이유로 인하여 공진기 안에 5개의 펄스가 존재하게 되며 이때가 조화수 5인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 5c/(2L)이 된다. 이러한 경우, 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 거리가 비슷하며 이득물질의 크기도 이에 비례하여 비슷한 크기의 이득물질 2개를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 m=5-1인 경우 보다 더욱 선호되는 공진기 구조이다.
6) m=6인 경우
공진기 길이를 m=6로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 1/6 이 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다. 이때에는 위에서 설명한 m=4인 경우와 같은 이유로 인하여 공진기 안에 6개의 펄스가 존재하게 되며 이때가 조화수 6인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 6c/(2L)이 된다. 그러나 이러한 경우 m=5-1인 경우와 마찬가지로 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 거리가 크게 차이가 나며 이득물질의 크기도 이에 비례하여 작아질 수 있다는 단점을 갖는다. m=6인 경우는 m=5-2의 경우와 같은 다른 구조의 공진기 구조가 존재하지 않는다.
7) m=7-1인 경우
공진기 길이를 m=7로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 1/7 이 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다. 이때에는 위에서 설명한 m=4인 경우와 같은 이유로 인하여 공진기 안에 7개의 펄스가 존재하게 되며 이때가 조화수 5인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 7c/(2L)이 된다. 그러나 이러한 경우 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 거리가 크게 차이가 나며 이득물질의 크기도 이에 비례하여 작아질 수 있다는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 아래의 경우(m=7-2인 경우)가 m=7인 경우에 있어서 더욱 선호되는 공진기 구조이다.
8) m=7-2인 경우
공진기 길이를 m=7로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 2/7 가 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다. 이때에는 위에서 설명한 m=4인 경우와 같은 이유로 인하여 공진기 안에 7개의 펄스가 존재하게 되며 이때가 조화수 7인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 7c/(2L)이 된다. 이러한 경우, 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 거리가 비슷하며 이득물질의 크기도 이에 비례하여 비슷한 크기의 이득물질 2개를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 m=7-1인 경우 보다 더욱 선호되는 공진기 구조이다.
9) m=7-3인 경우
공진기 길이를 m=7로 나누어서 포화성 흡수체(SA)가 전체 공진기의 3/7 가 되는 지점에 위치하고 이를 중심으로 하여 양쪽으로 이득물질 A, B가 위치한다. 이때에는 위에서 설명한 m=4인 경우와 같은 이유로 인하여 공진기 안에 7개의 펄스가 존재하게 되며 이때가 조화수 7인 조화모드 잠김 상태가 된다. 이때 레이저 출력의 펄스 반복률은 7c/(2L)이 된다. 이러한 경우, 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 거리가 비슷하며 이득물질의 크기도 이에 비례하여 비슷한 크기의 이득물질 2개를 사용할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 m=7-2인 경우 보다 더욱 선호되는 공진기 구조이다.
상기의 여러가지 경우들에서와 같이 일반적으로 m 개(m은 1보다 큰 정수, m=2,3,4...)의 조화모드 잠김된 레이저를 구성하려고 하면 전체 공진기의 길이를 L이라고 할때, L을 m 등분하여 왼쪽으로부터 m 등분한 지점에 포화성 흡수체(SA) 를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 상기 2개의 이득물질을 대칭적으로 위치시키면, 포화성 흡수체(SA)를 중심으로 좌우 공진기의 길이가 비슷하면서 m 개의 조화모드 잠김된 안정된 펄스 레이저를 구성할 수 있다. 이때 펄스의 반복률은 cm/2L 이 된다.
[선형공진기 형태의 광섬유 펄스 레이저의 다른 실시예]
상기한 실시예에서는 2개의 이득물질을 사용하는 경우에 대해 설명하였으나 이득물질을 1개만 사용하거나 복수개의 이득물질을 사용하는 것이 가능하다.(도 3 및 도 4에서 이득물질의 갯수가 달라지는 경우이다.)
이득물질을 1개만 사용하는 경우는, 거울 사이의 거리 L을 정수 m (m은 1보다 큰 정수)으로 등분하여 나누어진 위치 중의 어느 한 곳에 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽 중에서 어느 한쪽에 상기 이득물질을 위치시키고, 상기 이득물질을 여기시켜 m개의 펄스가 상기 선형공진기 내에서 공진하는 고차 조화모드 잠김된 펄스를 생성하도록 하면 된다. 이 경우에는 2개의 이득물질을 사용하는 경우보다는 다소 성능이 떨어질 수 있다.
한편, 복수개의 이득물질을 사용하는 경우에는, 거울 사이의 거리 L을 정수 m (m은 1보다 큰 정수)으로 등분하여 나누어진 위치 중의 어느 한 곳에 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 복수개의 이득물질을 임의적으로 두 부분으로 나누어서 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 각각 위치시키고, 상기 복수개의 이득물질을 여기시켜 m개의 펄스가 상기 선형공진기 내에서 공진하는 고차 조화모드 잠김된 펄스를 생성하도록 하면 된다. 여기서 복수개의 이득물질을 포화성 흡수체의 좌우 양쪽에 나누어서 위치시킬때 포화성 흡수체의 좌우에 각각 위치시키는 이득물질의 갯수의 비율은 임의적으로 조절할 수 있다. 또한 복수개의 이득물질을 임의적으로 두 부분으로 나누어서 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 대칭적으로 각각 위치시킬 수 있다.
[원형공진기 형태의 광섬유 펄스 레이저의 일실시예]
도 5a 및 도 5b는 원형공진기 형태로 구성된 조화 충돌 펄스 방식의 레이저의 두가지 가능한 형태를 보여준다.
즉 본 발명에 의한 원형공진기 형태의 광섬유 펄스 레이저는 고출력 레이저 다이오드(Pump), 이득물질(EDF)(300), 포화성 흡수체(SA)(350), 편광조절기(PC), 광섬유 결합기(700,705), 반사체(600,605), 광격리기(800)를 포함하여 원형공진기의 형태로 구성되며, 상기 고출력 레이저 다이오드(Pump)는 상기 이득물질(EDF)(300)에 연결되고, 상기 포화성 흡수체(350)에는 상기 광격리기(800), 상기 이득물질(EDF)(300), 상기 편광조절기(PC)(400), 상기 광섬유 결합기(700,705)가 시계방향으로 순차적으로 연결되고, 상기 반사체는 상기 광섬유 결합기와 연결되고 상기 광섬유 결합기에 출력단(Output)이 연결되어 있다.
여기서 전체 원형공진기의 길이를 L1 이라 하고 출력단에 있는 반사체(Reflector)(600,605)에서 포화성 흡수체(SA)(350)까지의 길이를 L2라고 한다. L2의 길이가 L1을 m 등분한 길이의 정수배와 같을때, 레이저는 원형공진기 안에 m개의 펄스가 조화모드 잠김된(Harmonic mode-locking) 펄스 레이저 형태로 동작할 수 있다.
도 5a에서 원형공진기 형태로 구성된 조화모드 잠김 펄스 레이저의 동작을 설명한다. 이득물질인 EDF(300)의 ASE 잡음(amplified spontaneous emission noise)로부터 시작된 펄스가 광격리기(Optical isolator)(800)를 통과하여 포화성 흡수체(SA)(350)를 지나면 광섬유 결합기(700)를 지나서 100% 반사체(600)에서 반사된다. 반사된 펄스는 다시 광섬유 결합기(700)를 지나서 포화성 흡수체(SA)(350)를 왼쪽에서 오른쪽으로 통과하게 된다. 이때 포화성 흡수체(SA)(350)의 흡수율이 낮아지므로 이 펄스가 포화성 흡수체(SA)(350)를 통과하는 시간에 이득물질인 EDF(300)에서 발생한 다른 ASE noise가 또다른 펄스 형태로 포화성 흡수체(SA)(350)의 오른쪽에서 왼쪽으로 동시에 통과하게 된다. 포화성 흡수체(SA)(350)를 왼쪽에서 오른쪽으로 통과한 펄스는 포화성 흡수체(SA)(350) 다음에 위치한 광격리기에 의해 막혀서 소멸하게 된다. 이렇게 하여 원형공진기 안에는 두번째 펄스가 형성되며 이러한 과정을 반복하면서 m개의 펄스가 공진기 내에 형성되는 것이다. 이때 광섬유 결합기(700)는 50/50인 결합기를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 40/60, 30/70, 20/80, 10/90 등의 비대칭적인 결합기를 사용하는 것도 가능하다.
다음으로 도 5b에 나타낸 원형공진기 형태로 구성된 조화모드 잠김 펄스 레이저의 동작을 설명한다. 이득물질인 EDF(300)의 ASE 잡음(amplified spontaneous emission noise)로부터 시작된 펄스가 광격리기(Optical isolator)(800)를 통과하여 포화성 흡수체(SA)(350)를 지나면 광섬유 결합기(705)를 지나서 50% 반사체(605)에서 일부가 반사되고 일부는 출력으로 나간다. 반사된 펄스는 다시 광섬유 결합기(705)를 지나서 포화성 흡수체(SA)(350)를 왼쪽에서 오른쪽으로 통과하게 된다. 이때 포화성 흡수체(SA)(350)의 흡수율이 낮아지므로 이 펄스가 포화성 흡수체(SA)(350)를 통과하는 시간에 이득물질인 EDF(300)에서 발생한 다른 ASE noise가 또다른 펄스 형태로 포화성 흡수체(SA)(350)의 오른쪽에서 왼쪽으로 동시에 통과하게 된다. 포화성 흡수체(SA)(350)를 왼쪽에서 오른쪽으로 통과한 펄스는 포화성 흡수체(SA)(350) 다음에 위치한 광격리기에 의해 막혀서 소멸하게 된다. 이렇게 하여 원형공진기 안에는 두번째 펄스가 형성되며 이러한 과정을 반복하면서 m개의 펄스가 공진기 내에 형성된다. 이때 광섬유 결합기(700)는 40/60인 결합기를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 50/50, 30/70, 20/80, 10/90 등의 결합기를 사용하는 것도 가능하다.
[원형공진기 형태의 광섬유 펄스 레이저의 다른 실시예]
상기한 실시예에서는 1개의 이득물질을 사용하는 경우에 대해 설명하였으나 2개 이상의 이득물질을 사용하는 것이 가능하다.(도 5c, 도 5d 참조)
도 5c는 도 5a의 구성에 있어서, 반사체(600)와 광섬유 결합기(700)의 사이에 이득물질(305)이 추가적으로 포함되어 있는 것이다. 고출력 레이저 다이오드(Pump)는 이득물질(305)을 여기시키기 위한 에너지원으로서 이득물질에 연결된다.
도 5d는 도 5b의 구성에 있어서 반사체(605)와 광섬유 결합기(705)의 사이에 이득물질(305)이 추가적으로 포함되어 있는 것이다. 고출력 레이저 다이오드(Pump)는 이득물질(305)을 여기시키기 위한 에너지원으로서 이득물질에 연결된다.
상기와 같은 구성의 광섬유 펄스 레이저에 있어서 구체적인 동작은 추가된 이득물질에 의한 펄스가 추가되는 것 이외에는 상기 실시예(도 5a, 도 5b)의 경우와 동일하다. 이득물질이 추가되면 고출력 레이저 다이오드(Pump)가 함께 추가되는 것이 일반적이다.
마찬가지로 도 5c와 도 5d에 있어서 이득물질(300)과 또다른 이득물질(305)의 위치에 각각 복수개의 이득물질을 포함시키는 것도 가능하다.
이상에서 설명된 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변경, 변형 및 치환이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저에 의하면 공진기가 광섬유에 의해 구성되므로 레이저의 크기를 작게 할 수 있고, 비교적 충격에 안정적인 레이저를 용이하게 구성할 수 있다.
또한 포화성 흡수체(SA)의 위치를 바꿈으로써 쉽게 반복률을 높일 수 있는 장점이 있고, Fiber loop로 공진기를 구성함으로 인해 정렬(Alignment) 및 light guiding에 있어서 용이한 장점을 가지며 작은 사이즈의 레이저를 구성할 수 있다.
특히 본 발명은 펨토초의 극초단 광 펄스열을 생성할 수 있으며, 이를 이용한 광 측정장비 및 물질의 초고속 반응 측정, 파장 분할 변조(Wavelength division multiplexing) 광통신 시스템, 의학용 레이저 등의 응용에 적용될 수 있다.
도 1은 종래의 충돌 펄스 모드 잠김된 펄스 레이저의 개략 구성도.
도 2는 종래의 충돌 펄스 모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저의 개략구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저의 개략 구성도(선형공진기).
도 4는 도 3에 제시된 레이저에 있어서 m차 조화모드 잠김된 공진기의 개략 구성도.
도 5는 본 발명의 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저의 개략 구성도(원형공진기).
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 101 :전반사 거울
201, 202 : 광파장분할다중 결합기(WDM coupler, WDM결합기)
300, 301, 305 : 이득물질 또는 어븀 첨가 광섬유(Erbium doped fiber, EDF)
350 : 포화성 흡수체(Saturable Absorber, SA)
400 : 편광조절기 500, 501 : 콜리메이터(Collimator)
600, 605 : 반사체(Reflector) 250, 700, 705 : 광섬유 결합기
800 : 광격리기(Optical isolator)

Claims (15)

  1. 광섬유 펄스 레이저에 있어서,
    고출력 레이저 다이오드, 2개의 이득물질(EDF), WDM 결합기, 포화성 흡수체(SA), 콜리메이터, 편광조절기(PC)를 포함하고 있으며, 2개의 전반사 거울을 이용하는 선형공진기의 형태로 구성되어 있고,
    상기 거울 사이의 거리 L을 정수 m (m은 1보다 큰 정수)으로 등분하여 나누어진 위치 중의 어느 한 곳에 상기 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 상기 2개의 이득물질을 대칭적으로 위치시키고, 상기 2개의 이득물질을 여기시켜 m개의 펄스가 상기 선형공진기 내에서 공진하는 고차 조화모드 잠김된 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는
    충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  2. 광섬유 펄스 레이저에 있어서,
    고출력 레이저 다이오드, 이득물질(EDF), WDM 결합기, 포화성 흡수체(SA), 콜리메이터, 편광조절기(PC)를 포함하고 있으며, 2개의 전반사 거울을 이용하는 선형공진기의 형태로 구성되어 있고,
    상기 거울 사이의 거리 L을 정수 m (m은 1보다 큰 정수)으로 등분하여 나누어진 위치 중의 어느 한 곳에 상기 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽 중에서 어느 한쪽에 상기 이득물질을 위치시키고, 상기 이득물질을 여기시켜 m개의 펄스가 상기 선형공진기 내에서 공진하는 고차 조화모드 잠김된 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는
    충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  3. 광섬유 펄스 레이저에 있어서,
    고출력 레이저 다이오드, 복수개의 이득물질(EDF), WDM 결합기, 포화성 흡수체(SA), 콜리메이터, 편광조절기(PC)를 포함하고 있으며, 2개의 전반사 거울을 이용하는 선형공진기의 형태로 구성되어 있고,
    상기 거울 사이의 거리 L을 정수 m (m은 1보다 큰 정수)으로 등분하여 나누어진 위치 중의 어느 한 곳에 상기 포화성 흡수체를 위치시키고, 상기 포화성 흡수체를 중심으로 좌우 양쪽에 상기 복수개의 이득물질을 나누어서 대칭적으로 위치시키고, 상기 복수개의 이득물질을 여기시켜 m개의 펄스가 상기 선형공진기 내에서 공진하는 고차 조화모드 잠김된 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는
    충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이득물질은 반도체 광증폭기(SOA, semiconductor optical amplifier)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이득물질은 EAM(electro-absorption modulator)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  6. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이득물질은 편광유지 광섬유(polarization maintaining fiber)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 전반사 거울 중에서 적어도 어느 하나는 광섬유 루프 미러(Optical fiber loop mirror)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  8. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 전반사 거울 중에서 적어도 어느 하나는 광섬유 브라그 격자(Optical fiber bragg grating)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  9. 광섬유 펄스 레이저에 있어서,
    고출력 레이저 다이오드, 이득물질(EDF), 포화성 흡수체(SA), 편광조절기(PC), 광섬유 결합기, 반사체, 광격리기를 포함하여 원형공진기의 형태로 구성되며,
    상기 고출력 레이저 다이오드는 상기 이득물질(EDF)에 연결되고,
    상기 포화성 흡수체에는 상기 광격리기, 상기 이득물질(EDF), 상기 편광조절기(PC), 상기 광섬유 결합기가 시계방향으로 순차적으로 연결되고,
    상기 반사체는 상기 광섬유 결합기와 연결되고 상기 광섬유 결합기에 출력단이 연결되어 있고,
    상기 전체 원형공진기의 길이를 L1 이라 하고 상기 반사체에서 포화성 흡수체(SA)까지의 길이를 L2 라고 할때, L2의 길이가 L1을 정수 m으로 등분하여 나누어진 길이와 같도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반사체와 상기 광섬유 결합기의 사이에 이득물질이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  11. 제9항에 있어서, 상기 이득물질은 복수개인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  12. 제9항에 있어서, 상기 이득물질은 복수개이고, 상기 반사체와 상기 광섬유 결합기의 사이에 복수개의 이득물질이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  13. 제9항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이득물질은 반도체 광증폭기(SOA, semiconductor optical amplifier)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  14. 제9항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이득물질은 EAM(electro-absorption modulator)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
  15. 제9항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이득물질은 편광유지 광섬유(polarization maintaining fiber)인 것을 특징으로 하는 충돌 펄스 방식을 이용한 조화모드 잠김된 광섬유 펄스 레이저.
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