KR20060079411A - 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저 - Google Patents

장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저 Download PDF

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Abstract

본 발명은 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장주기 광섬유 격자 쌍을 통하여 클래드 모드와 코어 모드가 결합되도록 하여 코어에 비하여 단면적이 넓은 클래드를 증폭 매질로 이용함으로써 고효율 및 고출력의 레이저광을 발생시킬 수 있는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 관한 것이다.
본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 코어와, 내부에 희토류 물질이 첨가되어 상기 코어와 동심이 되게 상기 코어를 둘러싸는 클래드와, 상기 코어에 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족시키는 소정 파장에서 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 결합되도록 상기 코어에 형성되어 직렬로 배열된 장주기 광섬유 격자 쌍을 포함하여 구성된 광섬유와, 상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 결합된 펌핑광원과, 신호광을 공진시키도록 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 배치된 공진 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.
광섬유 레이저, 클래드 여기, 장주기 광섬유 격자 쌍

Description

장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저{CLAD OPTICAL FIBER LASER LIGHT SOURCE USING LONG PERIOD FIBER GRATING}
도 1a는 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 적용되는 90% 내지 100% 정도의 높은 결합효율을 갖는 장주기 광섬유 격자 쌍의 출력 특성을 도시한 개념도
도 1b는 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 적용되는 50% 정도의 낮은 결합효율을 갖는 장주기 광섬유 격자 쌍의 출력 특성을 도시한 개념도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 다파장 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 다파장 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도
<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>
1 펌프광
2 출력광
10 광섬유
11 코어
12 내부클래드
13 클래드
14 외부클래드
15a,15b 장주기 광섬유 격자
20 펌핑광원
31a,31b 브래그 격자
32,34 반사거울
33a,33b,33c 색선별 거울
39a,39b,39c 렌즈
본 발명은 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 관한 것으로, 보다 상세하게는 장주기 광섬유 격자 쌍을 통하여 클래드 모드와 코어 모드가 결합되도록 하여 코어에 비하여 단면적이 넓은 클래드를 증폭 매질로 이용함으로써 고효율 및 고출력의 레이저광을 발생시킬 수 있는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 관한 것이다.
레이저는 전자가 광자를 방출할 수 있도록 물질에 적절한 에너지를 공급하며 거울을 이용하여 같은 광자가 그 물질을 여러 번 반복하여 지날 수 있도록 하여 레이저광을 발생시키는 광원이다. 광원으로서의 레이저는 광통신 분야의 약진, 산업용 레이저에 대한 시장 및 수요 증가, 의료용 응용 기기에 대한 꾸준한 성장을 배경으로 지속적인 성장을 거듭하고 있다. 레이저에 대한 수요는 광원 산업 성장과 비례하여 폭발적으로 증가하고 있다.
현재 광통신 분야에서는 반도체 레이저와 광섬유 레이저가 주로 사용되고 있다. 반도체 레이저는 제조 단가가 저렴하고 대량생산이 용이할 뿐만 아니라 체적이 작아 소형화가 가능하고 수 mA의 전류만 흘리면 레이저광이 나오는 장점이 있으나 10 W 이상의 단일 모드 고출력을 얻기가 쉽지 않고 크기가 매우 작아 회절 효과가 두드러져 지향성이 좋지 않는 등 그 출력광의 특성이 좋지 않아 빔 특성 개선을 위한 2차적인 광신호 처리 단계가 필요한 단점을 갖는다.
광섬유 레이저는 광섬유 안에 어븀(Er)이나 이터븀(Yb)과 같은 희토류 물질이 첨가된 특수 광섬유를 이득 매체(gain medium)로 한다. 일반적인 광섬유 레이저는 증폭물질로서 희토류 물질이 첨가된 코어에 펌프광을 조사한다. 그런데, 코 어는 단면적이 좁기 때문에 코어 내로 높은 세기(high power)의 펌프광을 조사하는 경우 비선형 효과(nonlinear effect)가 나타나게 되어 높일 수 있는 펌프광의 세기에 한계가 있어 고출력의 레이저광을 얻는 데는 한계가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 고출력 광섬유 레이저 최근 기술은 이중 클래드 광섬유 사용과 클래드 펌핑이다. H. Po가 발표한 “High power neodymium-doped single transverse mode fiber laser", Electron. Lett.(1993)에 의하면, 광섬유의 클래드 바깥에 또 하나의 클래드 층이 있는 이중 클래드(double-clad) 광섬유를 만들어 코어 대신에 내부 클래드에 높은 세기의 펌프광을 조사하는 방법을 제시하였다. 이 경우 펌프광이 내부 클래드를 진행하면서 코어에 있는 증폭 매질에 의한 광 흡수가 일어나서 코어를 지나가는 신호광을 증폭과 발진을 하게 된다. 최근에는 Southampton 대학의 ORC(Optoelectronic Research Centre)와 ORC에서 나온 회사인 SPI(Southampton Photonics)사가 1kW의 광섬유 레이저를 개발하였다(2003). 그리고 뒤를 이어 독일 Friedrich Schiller University Jena와 IPHT(Institute for Physical High Technology) Jena가 1.3kW의 출력을 갖는 광섬유 레이저를 발표하였다(2004).
상기와 같은 이중 클래드 광섬유 레이저는 코어를 통과하는 신호광과 내부 클래딩을 통과하는 펌프광의 진행 경로가 일치하지 않아 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 즉, 코어를 통과하는 신호광을 증폭시키기 위해서는 내부 클래딩을 지나는 펌프광이 코어로 결합되어야 한다. 그런데 일반 광섬유에서는 클래드를 진행하는 펌프광이 코어로 결합되는 비율은 매우 낮다. 또한, 이중 클래드 광섬유 레이저는 여전히 증폭과 발진이 이루어지는 코어의 단면적이 작아서 비선형 효과 때문에 높은 첨두 출력(peak power)을 얻기가 어려워 최근에는 코어의 단면적을 크게 하려는 노력이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 광섬유 레이저가 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 코어에는 장주기 광섬유 격자 쌍을 형성시키고 클래드 모드와 코어 모드가 결합되도록 하고 코어에 비하여 단면적이 넓은 클래드에 증폭물질을 첨가하여 클래드를 증폭 매질로 이용함으로써 고효율 및 고출력의 레이저광을 발생시킬 수 있는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 부가적인 목적은 펌핑 효율을 높일 수 있도록 광섬유의 클래드로 조사된 광을 반사시키기 위한 구성이 반사거울을 광섬유의 말단에 접착함으로써 간단하게 구성되는 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 코어와, 내부에 희토류 물질이 첨가되어 상기 코어와 동심이 되게 상기 코어를 둘러싸는 클래드와, 상기 코어에 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족시키는 소정 파장에서 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 결합되도록 상기 코어에 형성되어 직렬로 배열된 장주기 광섬유 격자 쌍을 포함하여 구성된 광섬유와, 상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 결합된 펌핑광원과, 신호광을 공진시키도록 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 배치된 공진 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 신호광의 증폭과 발진이 코어에 비하여 단면적이 수십 배 이상 더 넓은 광섬유 클래드에서 이루어지기 때문에 비선형 효과를 줄일 수 있어 고출력의 출력광을 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 장주기 광섬유 격자 쌍 각각은 90% 내지 100%의 결합효율을 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 상기 클래드 뿐만 아니라 상기 코어에도 희토류 물질이 첨가되고, 상기 장주기 광섬유 격자 쌍 각각은 50% 정도의 낮은 결합효율을 갖도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 장주기 광섬유 격자의 결합효율이 50% 정도로 낮은 경우에는 코어를 진행하는 일부 광만이 클래드로 빠져나가 다시 코어로 결합되면서 코어를 진행하는 나머지 광과의 간섭이 발생되며, 이와 같은 간섭에 의하여 페브리-페롯(Pabry-Parot) 레이저와 같은 다파장 레이저 출력을 얻을 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 공진 반사경은 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 형성된 브래그 격자인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 광섬유의 일단에는 클래드를 진행하는 펌프광을 반사하기 위한 반사거울이 접합된 것을 특징으로 한다.
상기 반사거울은 클래드 펌프광을 반사함으로써 펌핑 효율을 높일 수 있다. 특히, 상기 반사거울은 광섬유의 말단에 간단하게 부착된다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 공진 반사경은 펌프광은 통과시키고 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사하도록 상기 광섬유의 양단 각각에 렌즈를 통하여 연결된 색선별 거울이고, 상기 펌핑광원은 상기 색선별 거울을 통하여 상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 광섬유의 일단에는 클래드를 진행하는 펌프광과 코어를 진행하는 신호광을 전부 반사하기 위한 반사거울이 접합되고, 상기 광섬유의 타단에는 펌프광은 통과시키고 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사하는 색선별 거울이 렌즈를 통하여 연결되고, 상기 공진 반사경은 전반경으로서 상기 반사거울과 부분 반사경으로서 상기 색선별 거울에 의해 구성되고, 상기 펌핑광원은 상기 색선별 거울을 통하여 상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 코어와, 내부에 희토류 물질이 첨가되어 상기 코어와 동심이 되게 상기 코어를 둘러싸는 내부클래드와, 상기 내부클래드를 둘러싸는 외부클래드와, 상기 코어에 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족시키는 소정 파장에서 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 결합되도록 상기 코어에 형성되어 직렬로 배열된 장주기 광섬유 격자 쌍을 포함하여 구성된 이중 클래드 광섬유와, 상기 내부클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 내부클래드에 광학적으로 결합된 펌핑광원과, 신호광을 공진시키도록 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 배치된 공진 반사경을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는, 상기 광섬유의 일단에는 클래드를 진행하는 펌프광과 코어를 진행하는 신호광을 전부 반사하기 위한 반사거울이 연결되고, 상기 광섬유의 타단에는 펌프광은 반사시키고 신호광은 통과시키는 색선별 거울이 렌즈를 통하여 연결되며, 상기 공진 반사경은 전반사경으로서 상기 반사거울과 부분 반사경으로서 상기 색선별 거울에 의해 구성되고, 상기 펌핑광원은 펌프광을 발산하고 그 펌프광이 상기 색선별 거울에 반사되어 상기 클래드에 조사되도록 상기 클래드에 광학적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
우선 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저의 설명을 위해 본 발명에서 장주기 광섬유 격자 쌍(Long Period Fiber Grating Pair)의 작동 원리를 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저에 적용되는 장주기 광섬유 격자 쌍의 출력 특성을 도시한 개념도이 다. 장주기 광섬유 격자에서는 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하는 특정 파장의 코어 모드와 클래딩 모드가 결합(coupling)하게 된다. 광섬유 격자의 주기를 적절히 조절함으로써 코어 모드와 클래딩 모드간의 결합이 일어나게 할 수 있으며, 코어 모드와 클래딩 모드간의 위상 정합 조건은 식 (1)과 같다.
ßcr - ßcl = 2π/Λ ........ (1)
여기서 Λ는 장주기 광섬유 격자의 격자 주기(grating period), ßcr은 코어 모드의 전파 상수(propagation constant), ßcl은 클래딩 모드의 전파 상수이다.
도면을 참조하면 첫 번째 장주기 광섬유 격자(15a)에 의해서 코어(11)로 진행하는 광의 전부 또는 일부는 클래드(13)로 빠져나가게 되며, 클래드(13)로 진행하는 광은 두 번째 장주기 광섬유 격자(15b)에 의해서 다시 코어 모드와 결합하여 광섬유 코어(11)로 진행하게 된다. 본 발명은 상기와 같은 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)의 작동 원리를 이용하여 클래드(13)에 증폭 물질로서 어븀(Er)이나 이터븀(Yb)과 같은 희토류 물질이 첨가된 광섬유(10)에 펌프광(pumping light)을 조사하고 공진기를 만들어 주면 단면적이 넓은 클래드(13)에서 레이저 증폭과 발진이 이루어져 고출력의 클래드 광섬유 레이저를 생성시킬 수 있도록 한 것이다. 신호광의 손실을 적게 하기 위해서는 장주기 광섬유 격자(15a,15b)들의 조건이 같도록 하는 것이 중요하다.
일반적으로 장주기 광섬유 격자(15a,15b)들의 결합효율은 90% 내지 100%정도로 높게 하는 것이 바람직하다. 도 1a는 장주기 광섬유 격자의 결합효율이 100%인 경우의 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)의 동작 원리를 도시한 것이다. 도면을 참조하면 장주기 광섬유 격자의 결합효율이 100%인 경우에는 첫 번째 장주기 광섬유 격자(15a)에 의해서 코어(11)로 진행하는 광은 전부가 클래드(13)로 빠져나가 두 번째 장주기 광섬유 격자(15b)에 의해서 다시 코어(11)로 결합되기 때문에 코어 모드와 클래딩 모드의 간섭이 발생되지 않는다. 도 2 내지 도 4 및 도 7은 결합효율이 100%인 장주기 광섬유 격자를 이용한 실시예를 도시한 것으로, 도면을 참조하면 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b) 사이에서는 펌프광은 장주기 광섬유 격자(15a,15b)를 통해 전부 클래드로 빠져나가 코어를 통과하지 않고 클래드만을 통과하면서 증폭된다.
이에 반하여 도 1b는 장주기 광섬유 격자의 결합효율이 50% 정도로 낮은 경우의 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)의 동작 원리를 도시한 것이다. 첫 번째 장주기 광섬유 격자(15a)의 결합 효율이 50% 정도로 낮으면 코어(11)로 진행하는 광의 일부만이 클래드(13)로 빠져나가게 되며, 다시 클래드(13)로 진행하는 광은 두 번째 장주기 광섬유 격자(15b)에 의해서 다시 코어 모드와 간섭하며 광섬유 코어(11)로 결합하게 된다. 상기와 같이 장주기 광섬유 격자(15a,15b)의 결합효율이 50% 정도로 낮은 경우 장주기 광섬유 격자(15a,15b)의 결합 효율에 따라서 코어 모드와 클래딩 모드의 간섭에 의하여 페브리-페롯(Pabry-Parot) 레이저와 같은 다파장 레이저 출력을 얻을 수 있게 된다. 이 경우에는 장주기 광섬유 격자(15a,15b)들의 조건을 같도록 하여 신호광의 손실을 적게 하고 코어 모드와 클래딩 모드의 간섭이 가장 잘 일어나도록 결합 효율을 조절하는 것이 바람직하다. 도 5 및 도 6은 결합효율이 50% 정도로 낮은 장주기 광섬유 격자를 이용하여 다중 모드 레이저가 출력되는 실시예를 도시한 것이다.
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 7은 각각 본 발명의 제1실시예 내지 제6실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 제1실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는 레이저광의 증폭과 발진을 위한 광섬유(10)와, 펌핑광원(20)과, 신호광을 공진시키기 위한 공진 반사경으로서 한 쌍의 브래그 격자(31a,31b)를 포함한다.
상기 광섬유(10)는 코어(11)와, 내부에 어븀(Er)이나 이터븀(Yb)과 같은 희토류 물질이 첨가되어 상기 코어(11)와 동심이 되게 상기 코어를 둘러싸는 클래드(11)와, 상기 코어(11)에 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족시키는 소정 파장에서 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 결합되도록 상기 코어(11)에 형성되어 직렬로 배열된 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)를 포함하여 구성된다. 도면에는 90% 내지 100% 정도로 높은 결합효율을 갖는 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)을 이용한 광섬유 레이저 광원으로서 상기 장주기 광주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b) 사이에서는 클래드(13)을 통해서만 광이 진행된다.
상기 펌핑광원(20)은 상기 클래드(13)에 펌프광(1)을 조사하도록 상기 클래드(13)에 광학적으로 결합된다.
상기 공진 반사경으로서의 한 쌍의브래그 격자(31a,31b)는 상기 코어(11)를 지나는 신호광(2)을 공진시키도록 상기 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)의 외측 각각에 형성된다. 한 쌍의 브래그 격자(31a,31b) 중 하나(31a)는 신호광을 전부 반사하는 전반사경이고 다른 하나(31b)는 신호광을 부분적으로 반사하는 부분 반사경이다. 증폭 물질이 첨가된 상기 클래드(13)에서 증폭된 클래딩 모드는 상기 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)에 의해서 코어 모드와 결합하고, 다시 상기 브래그 격자(31a,31b)로 구성된 공진기에 의해 공진된다. 공진된 신호광은 신호광을 부분적으로 반사하는 브래그 격자(15b)를 통과하여 레이저 출력광(2)으로 상기 광섬유(10)에 광학적으로 연결된 장치나 매질로 발산된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저 광원은 광섬유 클래드(13)를 통해서 신호광의 증폭과 발진이 이루어지게 된다. 펌프광(1)에 의해 증폭 물질이 첨가된 광섬유 클래드(13)에서 증폭된 클래딩 모드는 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)에 의해서 코어 모드와 결합하고, 다시 광섬유 브래그 격자(31a,31b)에 의해서 공진하게 된다. 출력광(2)의 대역폭은 상기 광섬유 브래그 격자(31a,31b)의 대역폭에 의해서 결정된다.
도 3을 참조하면 본 발명의 제2실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는 제1실시예와 마찬가지로 레이저광의 증폭과 발진을 위한 광섬유(10)와, 펌핑광원(20)과, 신호광을 공진시키기 위한 공진 반사경으로서 한 쌍의 브래그 격자(31a,31b)를 포함하며, 제1실시예와는 달리 광섬유(10)의 일단 에 클래드(13)를 진행하는 펌프광을 반사하기 위한 반사거울(32)이 접합된 것을 특징으로 한다. 상기 반사거울(32)은 클래드(13)를 진행하는 펌프광을 반사함으로써 펌핑 효율을 높인다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도이다. 제3실시예는 제1실시예와 마찬가지로 코어(11)와 클래드(13) 및 장주기 광섬유 격자 쌍으로 구성된 광섬유(10), 펌핑광원(20) 및 공진 반사경을 포함하여 구성된다. 도면을 참조하면 본 발명의 제3실시예는 공진 반사경으로 색선별 거울(dichroic mirror)(33a,33b)이 사용되고 펌핑광원(20)이 상기 색선별 거울(33a,33b)을 통하여 상기 클래드(13)에 펌프광(1)을 여기하도록 상기 클래드(13)에 광학적으로 연결된다.
상기 색선별 거울(33a,33b)은 상기 펌핑광원(20)으로부터 발산된 펌프광(1)은 통과시켜 상기 클래드(13)로 여기하고 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사한다. 도면을 참조하면, 상기 색선별 거울(33a,33b)은 렌즈(39a,39b,39c)와 함께 정열되어 상기 광섬유(10)의 양단 각각에 렌즈(39a,39b,39c)를 통하여 연결된다. 공진된 신호광은 색선별 거울 33b에 의해 반사되어 레이저 출력광(2)으로 상기 광섬유(10)에 광학적으로 연결된 장치나 매질로 발산된다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도이다. 제4실시예는 제3실시예와 마찬가지로 코어(11)와 클래드(13) 및 장주기 광섬유 격자 쌍으로 구성된 광섬유(10), 펌핑광원(20) 및 공진 반사경으로서 렌즈(39a,39b,39c)를 통하여 광섬유(10)의 양단 에 연결된 색선별 거울(33a,33b)을 포함하여 구성되며, 제3실시예와는 달리 상기 클래드(13) 뿐만 아니라 상기 코어(11)에도 증폭 물질인 어븀(Er)이나 이터븀(Yb)과 같은 희토류 물질이 첨가되고, 상기 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b) 각각은 500% 정도의 낮은 결합효율을 갖는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이 코어(11)와 클래드(13)에 증폭 물질이 첨가된 광섬유(10)에 펌프광(1)을 여기하고 공진시킴으로써 다파장의 클래드 광섬유 레이저를 제작할 수 있다. 즉, 광섬유 격자(15a,15b)의 결합효율에 따라서 코어 모드와 클래딩 모드의 간섭에 의하여 페브리-페롯 레이저와 같은 다파장의 레이저 출력광(2)을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도이다. 도면을 참조하면, 제5실시예는 제4실시예와 마찬가지로 코어(11)와 클래드(13) 및 장주기 광섬유 격자 쌍으로 구성된 광섬유(10), 펌핑광원(20) 및 공진 반사경을 포함하여 구성된다. 상기 광섬유(10)의 일단에는 클래드(13)를 진행하는 펌프광과 코어(11)를 진행하는 신호광을 전부 반사하기 위한 반사거울(32)이 접합되고, 상기 광섬유(10)의 타단에는 상기 펌핑광원으로부터 발산된 펌프광(1)은 통과시키고 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사하는 색선별 거울(33b)이 렌즈(39b,39c)를 통하여 연결된다. 상기 공진 반사경은 전반사경으로서 상기 반사거울(32)과 부분 반사경으로서 상기 색선별 거울(33b)에 의해 구성된다. 그리고 상기 펌핑광원(20)은 상기 색선별 거울(32b)을 통하여 상기 클래드(13)에 펌프광(1)을 조사하도록 상기 클래드(13)에 광학적으로 연결된다. 한편 도면에 도시된 제5실시예는 코어(11)에도 증폭 물질인 어븀(Er)이나 이터븀(Yb)과 같은 희토류 물질이 첨가되고, 상기 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b) 각각은 50% 정도의 낮은 결합효율을 갖는 것을 특징으로 한다. 즉 제5실시예는 제4실시예와 마찬가지로 광섬유 격자(15a,15b)의 결합효율에 따라서 코어 모드와 클래딩 모드의 간섭에 의하여 페브리-페롯 레이저와 같은 다파장의 레이저 출력광(2)을 얻을 수 있도록 한 것이다.
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저를 개념적으로 도시한 구성도이다. 제6실시예는 코어(11) 및 증폭 물질이 첨가된 내부클래드(12) 및 외부클래드(14)로 구성된 이중 클래드 광섬유(10)와 펌핑광원(20) 및 공진 반사경을 포함하여 구성된다. 도면을 참조하면, 도면을 참조하면 상기 광섬유(10)의 일단에는 내부클래드(12)를 진행하는 펌프광과 코어(11)를 진행하는 신호광을 전부 반사하기 위한 반사거울(34)이 연결되고, 상기 광섬유(10)의 일단 및 타단에는 펌핑광원(20)으로부터 발산된 펌프광(1)을 상기 내부클래드(12)로 여기하도록 펌핑광원(20)으로부터 발산된 펌프광(1)은 반사시키고 신호광은 통과시키는 색선별 거울(33b,33c,33d)이 렌즈(39a,39b,39c)를 통하여 연결된다. 상기 반사거울(34)은 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사하고, 상기 색선별 거울(33a,33b,33c)은 상기 펌핑광원(20)으로부터 발산된 펌프광(1)을 반사시켜 상기 내부클래드(12)로 여기한다.
상기 코어(11)를 지나는 신호광을 공진시키는 공진 반사경은 전반사경으로서 상기 반사거울(34)과 부분 반사경으로서 상기 색선별 거울(33a,33b,33c)에 의해 구성된다.
상기 펌핑광원(20)은 펌프광(2)을 발산하고 그 펌프광(2)이 상기 색선별 거울(33a,33b,33c)에 반사되어 상기 내부클래드(12)에 조사되도록 상기 내부클래드(12)에 광학적으로 연결된다.
도면을 참조하면 본 발명의 제6실시예는 상기 코어(11)에 90-100% 정도로 높은 결합효율을 갖는 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)을 이용한 광섬유 레이저 광원으로서 상기 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b) 사이의 코어에 비해서 단면적이 넓은 상기 내부클래드(12)를 통해서 신호광의 증폭과 발진이 이루어지게 되어 고출력 레이저 광을 얻을 수 있다. 증폭 물질이 첨가된 상기 내부클래드(12)에서 증폭된 클래딩 모드는 상기 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)에 의해서 코어 모드와 결합하고, 다시 상기 반사거울(34), 색선별 거울(33a,33b,33c)과 상기 렌즈(39a,39b,39c)로 구성된 공진 반사경을 통하여 공진한 후 색선별 거울 33c를 통하여 출력광(2)으로 광학적으로 연결된 장치나 매질로 발산하게 된다. 한편 도면에 도시된 제6실시예는 코어(11) 및 내부클래드(12) 및 외부클래드(14)로 구성된 이중 클래드 광섬유에서 내부클래드(12)에는 증폭 물질을 첨가하고 코어(11)에는 장주기 광섬유 격자 쌍(15a,15b)을 형성하여, 코어(11)에 비하여 단면적이 넓은 내부클래드(12)에서 신호광의 증폭과 발진이 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자를 이용한 클래드 광섬유 레이저는 코어에 장주기 광섬유 격자 쌍을 형성시키고 클래드 모드와 코어 모드가 결합되도록 하고 코어에 비하여 단면적이 넓은 클래드에 증폭물질을 첨가하여 클래드를 증폭 매질로 이용함으로써 고효율 및 고출력의 레이저광을 발생시킬 수 있는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는 광섬유의 클래드로 조사된 광을 반사시키기 위한 구성을 반사거울을 광섬유의 말단에 접착함으로써 펌핑 효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 코어와, 내부에 희토류 물질이 첨가되어 상기 코어와 동심이 되게 상기 코어를 둘러싸는 클래드와, 상기 코어에 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족시키는 소정 파장에서 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 결합되도록 상기 코어에 형성되어 직렬로 배열된 장주기 광섬유 격자 쌍을 포함하여 구성된 광섬유와,
    상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 결합된 펌핑광원과,
    신호광을 공진시키도록 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 배치된 공진 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장주기 광섬유 격자 쌍 각각은 90% 내지 100%의 결합효율을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 광섬유 레이저 광원.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어에는 희토류 물질이 첨가되고,
    상기 장주기 광섬유 격자 쌍 각각은 50%의 결합효율을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 광섬유 레이저 광원.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공진 반사경은 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 형성된 브래그 격자인 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광섬유의 일단에는 클래드를 진행하는 펌프광을 반사하기 위한 반사거울이 접합된 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 공진 반사경은 펌프광은 통과시키고 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사하도록 상기 광섬유의 양단 각각에 렌즈를 통하여 연결된 색선별 거울이고,
    상기 펌핑광원은 상기 색선별 거울을 통하여 상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 연결된 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 광섬유의 일단에는 클래드를 진행하는 펌프광과 코어를 진행하는 신호광을 전부 반사하기 위한 반사거울이 접합되고,
    상기 광섬유의 타단에는 펌프광은 통과시키고 신호광의 공진을 위하여 신호광은 반사하는 색선별 거울이 렌즈를 통하여 연결되고,
    상기 공진 반사경은 전반사경으로서 상기 반사거울과 부분 반사경으로서 상기 색선별 거울에 의해 구성되고,
    상기 펌핑광원은 상기 색선별 거울을 통하여 상기 클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 클래드에 광학적으로 연결된 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
  8. 코어와, 내부에 희토류 물질이 첨가되어 상기 코어와 동심이 되게 상기 코어를 둘러싸는 내부클래드와, 상기 내부클래드를 둘러싸는 외부클래드와, 상기 코어에 코어 모드와 클래딩 모드 사이의 위상 정합 조건을 만족시키는 소정 파장에서 코어 모드와 클래딩 모드가 서로 결합되도록 상기 코어에 형성되어 직렬로 배열된 장주기 광섬유 격자 쌍을 포함하여 구성된 이중 클래드 광섬유와,
    상기 내부클래드에 펌프광을 조사하도록 상기 내부클래드에 광학적으로 결합된 펌핑광원과,
    신호광을 공진시키도록 상기 장주기 광섬유 격자 쌍의 외측 각각에 배치된 공진 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광섬유의 일단에는 클래드를 진행하는 펌프광과 코어를 진행하는 신호광을 전부 반사하기 위한 반사거울이 연결되고,
    상기 광섬유의 타단에는 펌프광은 반사시키고 신호광은 통과시키는 색선별 거울이 렌즈를 통하여 연결되며,
    상기 공진 반사경은 전반사경으로서 상기 반사거울과 부분 반사경으로서 상기 색선별 거울에 의해 구성되고,
    상기 펌핑광원은 펌프광을 발산하고 그 펌프광이 상기 색선별 거울에 반사되어 상기 클래드에 조사되도록 상기 클래드에 광학적으로 연결된 것을 특징으로 하는 장주기 광섬유 격자 쌍을 이용한 클래드 광섬유 레이저.
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