KR20100117027A - 다중모드 섬유들에서 고차 모드들의 공간 필터링 - Google Patents

다중모드 섬유들에서 고차 모드들의 공간 필터링 Download PDF

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Abstract

광 다중모드 섬유의 섹션을 따라 고차 모드들의 전파를 제거하기 위한 모드 필터는 바람직하게 쿼터-피치 길이의 GRIN 렌즈(graded index lens), 및 소형 코어 섬유 형태의 핀홀 소자를 포함한다. 이 구성은 광 신호의 기본 모드를 캡처하면서 광 섬유를 따라 전파하는 고차 모드들을 제거하는 푸리에 공간 필터 어셈블리를 생성한다. GRIN 섬유의 섹션은 렌즈로서 사용되는 것이 바람직하고, 소형 코어 섬유는 광 신호의 실질적으로 축상 기본 모드만을 수집하기 위해 GRIN 섬유 렌즈의 출력부에 배치된다. 고차 모드들이 GRIN 섬유 렌즈에 의해 원래의 것으로부터 떨어져 이동되기(shift away) 때문에, 기본 모드 신호만이 소형 코어 섬유에 의해 캡처된다.

Description

다중모드 섬유들에서 고차 모드들의 공간 필터링{SPATIAL FILTERING OF HIGHER ORDER MODES IN MULTIMODE FIBERS}
본 발명은 다중모드 섬유를 따라 전파하는 고차 모드 신호들을 제거하기 위한 모드 필터에 관한 것이며, 특히, 고차 모드들의 또 다른 전파(further propagation)를 차단하기 위하여, 핀홀 소자와 조합하여, GRIN 렌즈(graded index lens)의 푸리에 변환 속성의 사용에 관한 것이다.
대형 모드 영역(Large mode area; LMA) 섬유들은 고전력 레이저들 및 증폭기들과 같은 광섬유 기반 소자들의 제조시에 광범위하게 사용된다. 종래의 섬유들에 대한 모드 영역의 증가는 감소된 신호 손상(비선형성들과 연관됨), 증폭기의 이득 매체와 펌프 신호의 증가된 오버랩(overlap), 및 증가된 에너지 저장 용량과 같은, 여러 이점들을 제공한다. 그러나, 이들 섬유들의 모드 영역을 증가시킴으로써, 이들을 "다중-모드화(multi-moded)" 되게 하며, 다중 공간 모드들은 섬유의 길이를 따라 이산 또는 분포된 스캐터링 이벤트들(scattering events)을 통해 여기될 수 있다. 이들 다중 공간 모드들은 기본 신호 모드를 방해하여, 빔의 질량 중심 위치를 변경하고 최소의 집속된 점 크기(M2)를 증가시킨다. 따라서, LMA 섬유로 이루어진 섬유 시스템들 내에 존재하는 고차 공간 모드들을 제거하는 것이 바람직하다.
고 전력 섬유 레이저들에서 대부분의 현재 조사는 기본 모드만을 효과적으로 지원하도록 복잡한 LMA 섬유 구성들의 엔지니어링에 전력을 다한다. LMA 섬유의 인덱스 프로파일(index profile) 및/또는 도펀트 프로파일(dopant profile)은 섬유가 기본 모드에 대한 차동 이득, 또는 대안적으로 고차 모드들에 대한 차동 손실을 나타내도록 설계된다. LMA 섬유들의 코일링(Coiling) 및/또는 테이퍼링(tapering)은 고차 모드들을 제거하기(strip away) 위해 이전에 이용되었다. 그러나, LMA 섬유의 조밀한 벤딩(tight bending)은 모드를 섬유 축으로부터 멀리 이동시키고, 모드 영역을 감소시키면서 비선형성을 증가시킨다. 벤딩은 또한, 섬유의 도핑된 코어 영역과 신호 사이의 오버랩의 정도에 영향을 미치고, 그에 의해 이득을 감소시킨다. 섬유 테이퍼 길이들은 비교적 길어서(예를 들면 수 센티미터), 소형 모드 영역에서 전파로부터 발생하는 비선형성을 증가시키며, 테이퍼된 섬유 섹션은 깨어지기 쉬워 공간 패키징을 요구한다.
본 발명의 목적은 다중모드 섬유를 따라 전파하는 고차 모드 신호들을 제거하기 위한 모드 필터를 제공하고, 특히, 고차 모드들의 또 다른 전파를 차단하기 위하여, 핀홀 소자와 조합하여, GRIN 렌즈의 푸리에 변환 속성의 사용을 제공하는 것이다.
종래 기술분야에 존재하는 요구사항들은 "대형 모드 영역" - LMA - 섬유와 같은, 다중모드 섬유를 따라 전파하는 고차 모드 신호들을 제거하기 위한 모드 필터, 및 특히, 고차 모드들의 또 다른 전파를 차단하기 위하여, 핀홀 소자와 조합하여 GRIN 렌즈의 푸리에 변환 특성의 사용에 관련되는 본 발명에 의해 해결된다.
GRIN 렌즈는 섬유-기반 또는 벌크형 광 성분이 될 수 있다. 핀홀 소자는 광 축을 따라 전파하는 광 신호의 일부만을 수집하기 위해, GRIN 렌즈의 출력부에 결합된 소형 코어 섬유를 포함하는 것이 바람직하다. GRIN 렌즈가 고차 모드들을 광 축으로부터 멀리 이동시키기 때문에, 광 신호의 기본 모드만이 소형 코어 섬유에 결합될 것이다. 독창적인 공간 모드 필터의 일 바람직한 실시예에서, 섬유-기반 GRIN 렌즈는 소형 코어 섬유와 조합되어 사용되고, 따라서, 다중모드(LMA) 섬유의 단면 말단으로 퓨즈가 퓨징(fusing)될 수 있는 "섬유내(in-fiber)" 모드 필터를 형성한다. 이것이 양호한 실시예이지만, 벌크형 GRIN 렌즈를 이용하는 벌크형 광 배열이 또한 동일한 모드 스트리핑 결과들을 달성하기 위해 이용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 본 발명의 모드 필터는, 증폭된 신호로부터 원하지 않는 고차 모드들을 제거하기 위해 섬유 증폭기에 대한 이득 매체로서 사용되는 LMA 섬유의 섹션의 출력부에 배치된다.
본 발명의 다른 실시예는 다중모드 섬유를 따라 전파하는 광 신호의 주기적인 "클리닝(cleaning)"을 위해 다중모드 송신 섬유를 따라 일렬로 분포된 복수의 모드 섬유들을 포함한다. 다중모드 섬유-기반 통신 시스템을 따르는 다중 공간 모드 필터들의 배치는, 다중모드 섬유의 길이를 따르는 신호 전파 동안 생성된 원하지 않는 고차 모드 신호들을 주기적으로 제거하는 기능을 한다.
본 발명의 섬유내 실시예의 한 가지 이점은 기본 모드 손실의 레벨이 낮다는 점이다. 본 발명의 일 바람직한 실시예에서, GRIN 섬유 렌즈는 다중모드 신호 섬유(예를 들면, LMA 섬유)의 출력에 직접 퓨즈가 퓨징된다. 섬유 증폭기와 함께 이용될 때, 다양한 다른 증폭기 소자들이 또한 섬유-기반이 될 수 있고(예를 들면, 반사기들, 모드 변환기들 등), 독창적인 모드 필터에 직접 결합되어, 광 시스템 내의 삽입 손실 레벨들을 더 감소시킨다.
본 발명의 다른 및 또 다른 양태들 및 실시예들은 첨부한 도면들을 참조하여 다음의 논의 과정 동안 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 푸리에 공간 모드 필터링의 기본 콘셉트들(concepts)을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따라 형성된 일 예시적인 모드 필터를 도시한 도면.
도 3은 GRIN 광학 렌즈의 푸리에 변환 속성들을 도시한 시뮬레이팅된 전계 강도들의 세트를 도시한 것으로서, 도 3a는 기본 LP01 모드와 연관된 도면이고, 도 3b 내지 도 3d는 고차 LP0x 모드들과 연관된 도면들.
도 4는 GRIN 광학 렌즈의 입력부(도 4a) 및 GRIN 광학 렌즈의 출력부(도 4b)에서의 강도 프로파일들을 도시한 기본 LP01 모드 및 고차 LP02 모드에 대한 필드 강도의 변화를 도시한 도면.
도 5는 기본 모드 및 다수의 고차 모드들에 대한 방사 좌표의 함수로서 주어진 반지름 내에 포함된 모드 에너지의 프렉션(fraction)의 플롯(plot)을 도시한 도면.
도 6은 LMA 섬유의 다양한 모드들과 소형 코어 단일 모드 섬유의 기본 모드 사이의 계산된 결합 손실(dB로)을 도시한 도면.
도 7은 소형 코어 단일 모드 섬유로부터의 빔 웨이스트(beam waist)를 LMA 섬유의 제 2 섹션과 연관된 더 큰 웨이스트로 재-변환하기 위해 공간 모드 필터의 출력부에서 GRIN 모드 변환기를 활용하는 경우의 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
도 8은 통신 섬유를 따라 이격된 배열로 배치된 일련의 4개의 개별 공간 모드 필터들을 도시하는 본 발명에 따라 공간 모드 필터링을 사용하는 일 예시적인 광 섬유 통신 시스템을 도시한 도면.
도 9는 공간 모드 필터의 출력부에 배치된 파장 선택적 반사 소자를 통합하는 섬유-기반 증폭기 또는 레이저 구성에서 사용하기 위해 잘-적응된 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.
GRIN(graded index) 광학 소자들의 렌즈 속성들은 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 일반적으로 말해서, GRIN 광학 소자들은 다음의 관계식에 의해 규정된 바와 같은 방사 굴절률 분포를 가진다:
Figure pat00001
여기서 n0는 광학 소자의 중심축을 따르는 굴절률로서 규정되고, g는 초점 파라미터로서 규정되고, r은 광학 소자의 치수를 규정하는 방사 좌표이다. 길이 L = π/(2g)의 GRIN 광학 소자("쿼터 피치(quarter pitch)" 길이로서 규정됨)를 통한 전파시, GRIN 매체의 고유-모드들이 푸리에 변환된다는 것을 보여 주었다. 따라서, GRIN 광학 소자 상으로 입사하는 임의의 전계는 소자를 통해 쿼터 피치 길이 L을 전파할 때 푸리에 변환될 것이다.
웨이스트 w1을 가진 가우시안 빔(GRIN 소자의 고유 모드가 아님)은 쿼터 피치 길이의 GRIN 소자를 통한 전파시 웨이스트 w2의 다른 가우시안 빔으로 푸리에 변환된다. 제 2 쿼터 피치 GRIN 소자를 통한 전파는 빔 웨이스트를 다시 w1로 변환한다. 주기적으로 발생하는 빔 웨이스트들은 식에 의해 관련된다:
Figure pat00002
여태까지, GRIN 소자들의 이러한 속성은 상이한 모드 영역들을 가진 섬유들 사이의 모드-매칭 결합을 달성하기 위해 사용되었다. 고전력 LMA 섬유 레이저 시스템들의 콘텍스트(context)에서, 예를 들면, GRIN 렌즈들은 소형 코어 단일 모드 섬유로부터 LMA 섬유의 기본 모드로 후속 증폭을 위해 광을 선택적으로 결합하기 위해 사용되었다.
본 발명에 따라, GRIN 렌즈들의 푸리에 변환 속성은 다중모드 섬유를 따라 전파하는 신호의 원하는 기본 모드로부터 고차 모드들을 분리하는 푸리에 공간 필터링을 구현하기 위해 현재 사용된다. 본 발명의 공간 모드 필터는 예를 들면, 고차 모드들의 또 다른 증폭을 방지하기 위해 LMA 섬유 증폭기의 단면에 결합될 수 있거나, 본 발명의 여러 필터들은 전파하는 통신 신호에 나타날 수 있는 임의의 고차 모드들을 제거하기 위해 다중모드 송신 섬유의 길이를 따라 주기적으로 배치될 수 있다.
도 1은 전파하는 신호로부터 고차 모드들을 제거하기 위해 푸리에 공간 필터링을 사용하는 기본 콘셉트를 도시한다. 다양한 각도들로 파동 벡터(wave vector)들을 가지고 렌즈(1)상으로 입사하는 광선들은 렌즈(1)의 초점면 F에서의 특정 지점들에 포커싱(focusing)되고, 이들 지점들은 렌즈(1)의 광 축 OA에 대해 연관된 파동 벡터의 각에 관련된다. 도시된 바와 같이, 도 1의 파동 벡터 A와 같이 광 축에 평행한 파동 벡터들을 가진 광선들은 초점면 F에서 광 축 OA 상의 점에 포커싱한다. 도 1의 파동 벡터 B와 같이, 광 축 OA에 평행하지 않은 파동 벡터 성분들을 가진 광선들은 초점면 F에서 광 축 OA로부터 떨어져 포커싱된다. 초점면에서 광 축으로부터 떨어진 이동(shift away)은 파동 벡터의 큰 가로 성분(large transverse component)을 가진 파동들에 대해 더 크다. 초점면 F에 핀홀 P를 배치함으로써, 원하는 파동 벡터가 송신을 위해 선택될 수 있다. 예를 들면, 광 축 OA 상에 핀홀 P를 배치함으로써, 광 축 OA와 평행하게 전파하는 파동 벡터 A는 모든 다른 파동 벡터들(파동 벡터 B와 같이)을 필터링하면서 송신될 것이다.
섬유를 통해 전파하는 광 신호의 기본 모드는 가장 소형의 가로 파동 벡터 성분을 나타내는 반면, 고차 모드들은 더 대형의 가로 파동 벡터 성분들을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 다중모드 섬유로부터의 모드들이 렌즈에 의해 포커싱될 때, 기본 모드는 초점 면에서 광 축 상에 거의 중심인 소형 영역에 놓이는 반면, 고차 모드들은 광 축으로부터 더 떨어져 집속된다. 따라서, 초점 면에서 광 축 상에 배치된 핀홀은 기본 모드만을 송신할 것이고 송신된 빔으로 고차 모드들을 제거할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 일 예시적인 공간 모드 필터(10)를 도시한다. 이 실시예에서, 모드 필터(10)는 소형 코어 섬유(14)의 섹션에 결합된 GRIN 섬유(12)의 섹션을 포함한다. GRIN 섬유(12)는 렌즈로서 기능하고 필요한 푸리에 공간 필터링을 수행하고, 소형 코어 섬유(14)는 공간적으로 분리된 고차 모드들을 차단하고 기본 모드만의 송신을 허용하도록 요구되는 핀홀 개구를 제공한다. 모드 필터(10)는 다중모드 섬유(16)의 섹션과 함께 이용되고, 다중모드 섬유(16)의 단면(17)에 직접적으로 퓨징되는 것이 바람직하다. 다중모드 섬유(16)는 표준 다중모드 섬유를 포함할 수 있거나, 대안적으로 대형 모드 영역(LMA) 섬유를 포함할 수 있다. 편의를 위해, 섬유(16)는 이후 "LMA 섬유"로 칭해질 것이며, 이 기술이 또한 "다중모드 섬유"도 포함한다는 것을 이해한다. 상술된 이유들로, 고차 모드들의 연속된 전파가 바람직하지 않는 많은 애플리케이션들(applications)이 있다. 본 발명에 따라, 모드 필터(10)는 도 1의 도면에 개략적으로 도시된 바와 같은 푸리에 공간 필터링을 사용하여 신호 경로로부터 이들 고차 모드들을 떨어지게 향하도록 기능한다.
도 2를 참조하면, LMA 섬유(16)는 가우시안 빔의 웨이스트 w1에 의해 근사된 기본 모드를 가지는 반면, 소형 코어 섬유(14)는 w2의 가우시안 웨이스트를 가진다. 상기 개략적인 수학식들을 참조하여, GRIN 섬유 렌즈(12)의 길이는 그 포커싱 파라미터 g가 w1로부터 w2로의 빔 웨이스트 모드 변환을 만족시키도록 선택된다. 이것은 소형 코어 섬유(14)로 기본 모드를 결합하는데 대한 손실이 최소화된다는 것을 보장한다. 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, LMA 섬유(16)로부터의 론칭된(launched) 광은 쿼터-피치 길이의 GRIN 섬유 렌즈(12)를 통해 전파하면서 푸리에 변환된다. 도 2에 도시된 실시예가 GRIN 섬유의 "쿼터-피치" 길이를 가진 공간 모드 필터를 기술하고 있지만, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 기술자는, 본 발명의 범위가 원하는 푸리에 변환 속성들에 의존하여, GRIN 섬유의 다양한 길이들을 활용한 공간 모드 필터들을 포함한다는 것을 인식할 것이다. 일반적으로, 푸리에 변환 소자는 임의의 적합한 광 성분의 형태를 취할 수 있다- 예를 들면, "벌크형(bulk)" (이산) 광 성분 또는 섬유-기반 광 성분. 대부분의 실시예들에서, 섬유-기반 성분은 낮은 레벨의 결합 손실이 바람직하다.
따라서, 기본 LP01 모드가 소형 코어 섬유(14)에 저손실로 결합되는 반면, 고차 모드들의 에너지는 섬유 축으로부터 멀리 옮겨지고, 결과적으로 높은 결합 손실이 생긴다. 소형 코어 섬유(14)는 "핀홀" 파동 벡터 필터로서 기능하고, 가장 낮은 공간 주파수들만을 송신한다.
본 발명의 공간 필터에 사용된 바와 같이 GRIN 렌즈의 푸리에 변환 속성들을 확인하는 시뮬레이션들이 수행되었다. 연관된 소형 코어 단일 모드 섬유의 기본 모드와 GRIN 렌즈의 출력부에서 전계 강도의 알려진 오버랩과 이들 결과들을 조합하여, 결합 손실 및 모드 필터링의 속성들이 계산될 수 있다.
도 3은 본 발명의 공간 필터 배열에서 GRIN 렌즈의 출력 면(즉, "초점 면")에서 다양한 LP0m 모드들(m = 1, 2, 3, 4)의 전계 강도들의 분포를 도시한다. 상술된 바와 같이, 이들 모드들은 GRIN 렌즈를 통한 전파시 푸리에 변환된다. 예상되는 바와 같이, 도 3a에 도시된 기본 LP01 모드는 가우시안 분포가 광 축 상에서 중심이 되어 있다. 대조적으로, 고차 모드들의 전계 강도는 각 모드의 대부분의 에너지가 광 축을 둘러싸는 링들에서 발견되게 분포되고 - 모드 차수가 증가함에 따라 링들의 크기도 증가한다. 도 3b는 LP02 모드에 대해, 도 3c에서는 LP03 모드에 대해, 도 3d에서는 LP04 모드에 대한 강도 분포를 도시한다.
도 4는 일 예시적인 쿼터 피치 GRIN 렌즈의 입력부 및 출력부 둘 모두에서 기본 LP01 모드와 다음으로 가장 높은 LP02 모드에 대한 정규화된 전계 강도를 도시한다. 도 4a의 그래프들은 GRIN 렌즈에 대한 입력부에서의 전계 강도들의 플롯들이고 - LMA 섬유를 따라 신호가 전파할 때 존재하는 모달 에너지들(modal energies)의 오버랩을 도시한다. GRIN 렌즈의 푸리에 변환 속성들은 도 4b의 플롯들에서 분명하며, 기본 모드와 연관된 본질적으로 모든 에너지는 GRIN 렌즈의 중심 광 축 영역 내에 집중되어 있다. LP02 모드의 푸리에 변환은 광 축으로부터 공간적으로 분리되는 위치에서 피크(도 4b에서 "A"로 도시됨) 생성을 유발하며, 이 모드의 대부분의 에너지는 이 피크 영역 내에서 상주한다. 이 분포는 또한 LP02 모드와도 연관된 도 3b의 도면을 확인한다.
도 5에 도시된 데이터는 또한 도 3에 도시된 전계 강도 결과들을 확인하고, 도 5는 방사 좌표의 함수로서 주어진 반지름 내에 포함되는 모드 에너지의 프렉션의 플롯이다. 도시된 바와 같이, 푸리에 변환된 고차 모드들은 소형 코어 단일 모드 섬유의 코어 영역과 그다지 오버랩하지 않는 것을 나타낸다. 도 6은 LMA 섬유의 다양한 모드들과 소형 코어 단일 모드 섬유의 기본 모드 사이의 계산된 결합 손실(dB로)을 도시한다. 도시된 바와 같이, LMA 섬유의 기본 LP01 모드는 매우 낮은 손실을 가진(약 0.15dB) 소형 코어 단일 모드 섬유에 결합되는 반면, 모든 고차 모드들 LP0m은 15dB를 초과하는 손실들을 가진다(LPnm 모드들은 대칭 고려사항들로 인해 축 대칭 기하학으로 기본 모드에 대한 제로 결합(zero coupling)을 가지며, 여기서 LP12와 같은, n은 제로가 아님을 유념한다).
많은 애플리케이션들은 비선형 신호 왜곡들을 제한하기 위해 LMA 섬유들의 사용을 필요로 한다. 종래 기술분야에서, GRIN 섬유 렌즈는 단열의, 모드-보존 방식으로 소형 코어 섬유를 따라 대형 영역 섬유로 전파하는 단일 모드 신호를 결합하기 위해 이용된 반면, 본 발명의 디바이스는 LMA 섬유를 따라 전파하는 다중모드 신호를 다루기 위해 이용된다. GRIN 섬유 렌즈와 함께, 핀홀 소자는 원하는 공간 모드 필터링을 제공하는 기능을 한다. 핀홀 소자로서 사용되는 소형 코어 섬유의 비선형 신호 왜곡을 방지하기 위하여, 그 길이가 가능한 많이 제한되는 것이 바람직하다. 실제로, 이 섬유의 최대 길이 L1은 하기보다 작거나 같게 제한되어야 한다:
Figure pat00003
L2는 GRIN 렌즈 앞의 LMA 섬유의 길이이고, w1 및 w2는 상기에 규정된 바와 같은 빔 웨이스트들이다. 소형 코어 섬유 길이에 대한 제한은 소형 코어 섬유에서 경험된 비선형성이 LMA 섬유의 앞의 섹션에서 경험된 것보다 더 크지 않을 것임을 보장한다.
소형 코어 섬유의 신호 경로를 따른 또 다른 전파가 방지될 때, GRIN 렌즈의 종료시에 존재하는 고차 모드 신호들은 이후 소형 코어 섬유의 클래딩 모드들(cladding modes)로서 전파할 것이다. 따라서, 소형 코어 섬유의 길이에 대한 제한은 또한 소형 코어 섬유의 종료시에 나타나지 않도록 이들 클래딩 모드들을 제거하도록 요구된 최소 길이의 고려사항에 의해 규정된다. 명백히, 이러한 길이는 시스템 구성요소들 각각의 다양한 파라미터들에 의존할 것이다. 실제로, 소형 코어 섬유의 클래딩 모드들의 스트리핑은 특정 섬유 설계에 의해, 또는 섬유 표면에 높은-인덱스의 겔들 또는 폴리머들을 인가함으로써 향상될 수 있다. 이들 및 다른 기술들은 핀홀 소자로서 사용되는 소형 코어 섬유의 길이를 감소시키기 위해 본 발명의 배열과 함께 사용될 수 있다.
더욱이, 코어 결함들이 LMA 섬유를 따라 전파하는 기본 모드가 이상적인 가우시안 형상과는 실질적으로 상이하도록 허용할 수 있다는 것이 알려져 있다. 종래 기술로부터, GRIN 렌즈의 활용은 비-가우시안 빔이 바람직한 가우시안 형태로 변환되도록 빔 성형을 수행할 것이고, GRIN 렌즈의 이러한 특정 유형은 비포물선 방사 굴절률 프로파일들을 포함하는, 더욱 복잡한 구성에 대해 취해진다는 것이 알려져 있다. 이들 더욱 복잡한 GRIN 렌즈들은 비-가우시안 신호 조건들이 존재하는 본 발명의 구현들에서 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 공간 모드 필터는 LMA 섬유들을 이용하는 증폭기 시스템들 및 섬유 레이저에서 이용하기에 특히 매우 적합하다. 본 발명의 공간 모드 필터를 구현하는 이점은 레이징 매체(lasing medium)에 저장된 에너지가 고차 모드들에 의해 유출되는 것을 방지하고, 그렇지 않으면 매체 내에서 계속 전파한다는 점이다.
도 7에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예는 섬유 증폭기 시스템 내의 공간 모드 필터를 사용하기 위한 일 예시적인 배열을 도시한다. 전체 섬유 증폭기의 일부만이 예시된다는 것이 이해되어야 한다. 도 7을 참조하면, LMA 섬유(20)의 제 1 섹션은 전파하는 광 신호 O에 대한 증폭을 제공한다. LMA 섬유(20)는 전파하는 광 신호를 증폭하기 위해 희토 도펀트(rare earth dopant)(예를 들면, 에르븀 또는 이테르븀과 같은)를 포함한다. 도 2의 공간 모드 필터(10)와 유사한 공간 모드 필터(30)는 제 1 LMA 섬유 섹션(20)의 단면(22)에 결합된다. 모드 필터(30)는 GRIN 렌즈(32)(이 예에서 광 섬유의 섹션을 포함하며, 이후 "GRIN 섬유 렌즈(32)"라고 칭해짐) 다음에 소형 코어 섬유(34)(독창적 공간 필터에서 핀홀 소자로서 사용된)를 포함한다. 상술된 실시예에서와 같이, GRIN 섬유 렌즈(32)는 전파하는 광 신호를 푸리에 변환하고 전파하는 고차 모드들을 이들이 들어가는 소형 코어 섬유(34)로부터 차단되도록 섬유 축으로부터 공간적으로 멀리 이동시키는 기능을 한다.
증폭되고 필터링된 신호를 LMA 섬유(26)의 접속하는 제 2 섹션으로 전파하기 위하여, 제 2 GRIN 섬유 렌즈(24)는 소형 코어 섬유(34)의 출력 단면(36)에 결합되고, 그에 의해 양호한 모든 섬유 구성을 보존한다. 이 예에서, GRIN 섬유 렌즈(24)는, LMA 섬유(26)의 제 2 섹션의 기본 모드를 매치(match)시키기 위하여 소형 코어 섬유(34)에 의한 기본 모드 출력의 스팟 크기(spot size)를 증가시키기 위한 모드 변환기로서 기능한다(즉, w2로부터 빔 웨이스트를 w1의 오리지널 모드 크기로 다시 변환한다). LMA 섬유(26)의 제 2 섹션은 제 2 GRIN 섬유 렌즈(24)의 단면(25)에 직접 결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 7의 배열은 송신 섬유 시스템과 같은, 다중모드 섬유의 다중 섹션들을 따라 반복될 수 있으며, 제 2 GRIN 렌즈는 모드 매칭을 제공하기 위하여 각 공간 모드 필터 섹션의 출력부에 추가된다. 실제로, 제 1 GRIN 렌즈/소형 코어 섬유/제 2 GRIN 렌즈의 반복 배열들은 전파하는 광 신호의 원하지 않는 고차 모드들을 주기적으로 필터링 아웃(filtering out)하기 위하여 다중모드 송신 섬유를 따라 다른 위치들에 배치될 수 있다.
다중 공간 모드 필터들을 사용하는 하나의 이러한 배열은 도 8에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된, 복수의 공간 모드 필터들(40-1, 40-2, 40-3 및 40-4)의 배열은 다중모드 섬유(50)의 섹션들 사이에 배치되며, 각 모드 필터는 제 1 GRIN 렌즈 42-i(i = 1, 2, 3, 4) 및 소형 코어 섬유 44-i(i = 1, 2, 3, 4)를 포함한다. 모드 변환기 46-i(i = 1, 2, 3, 4), 바람직하게는 제 2 GRIN 렌즈는 소형 코어 단일 모드 섬유로부터 다중모드 섬유(50)의 다음 섹션의 모드로 필터링된 출력 신호의 모드를 매치시키기 위해 각 공간 모드 필터와 함께 사용된다.
도 9는 독창적인 공간 모드 필터, 섬유 레이저/증폭기 시스템에서 사용하기 위해 특히 매우 적합하다. 이 경우, 반사 소자(60)는 공간 모드 필터(70)의 출력부에 결합되고, 공간 모드 필터(70)는 상술된 바와 같이 GRIN 섬유 렌즈(72) 및 소형 코어 단일 모드 섬유(74)를 포함한다. 전파하는 광 신호에 대한 증폭을 제공하기 위해 희토 도펀트들을 포함하는 LMA 섬유(80)의 섹션은 공간 모드 필터(70)의 입력부에 결합된다. 반사 소자(60)는 예를 들면, 광 섬유로 기록된 그레이팅 구조(grating structure)의 형태를 취할 수 있으며, 그레이팅의 기간은 전파하는 증폭된 신호의 파장을 반사시키기 위해 선택된다.
반사 소자(60)에 도달할 때, 기본 모드 신호는 방향이 역전되고, LMA 섬유(80)에 다시 들어가기 위해 GRIN 섬유 렌즈(72) 및 소형 코어 단일 모드 섬유(74)를 통해 다시 통과된다(도 8의 화살표들로 나타내어진 바와 같이). GRIN 섬유 렌즈(72)의 모드 변환 속성들의 상호적인 성질에 의해, 반사된 신호의 스팟 크기는 LMA 섬유(80)의 모드 크기를 실질적으로 매치시키기 위해 확대된다. 반사된 대형 모드 영역 신호는 도 9의 점선으로 도시되어 있다.
본 발명이 현재 바람직한 실시예들에 의해 기술되었지만, 이러한 개시내용이 제한된 것으로 해석되어서는 안되는 것이 이해되어야 한다. 다양한 대안들 및 변경들은 상기 개시내용을 판독한 후에 당업자들에게 확실하게 명백하게 될 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 있는 모든 이러한 변경들을 포함하는 것으로 해석되도록 의도된다.
10, 70: 공간 모드 필터 12: GRIN 섬유
14, 34, 44-1, 44-2, 44-3, 44-4: 소형 코어 섬유 16, 50: 다중모드 섬유
20, 80: LMA 섬유
24, 32, 72: GRIN 섬유 렌즈
30, 40-1, 40-2, 40-3, 40-4, 70: 공간 모드 필터
46-1, 46-2, 46-3, 46-4: 모드 변환기 60: 반사 소자
74: 단일 모드 섬유

Claims (23)

  1. 기본 모드 및 적어도 하나의 고차 모드를 포함하는 다중모드 입력 신호들에 사용하기 위한 광 공간 모드 필터에 있어서:
    다중모드 입력 신호를 수신하고, 광 축을 따라 전파하는 광 신호의 상기 기본 모드로부터 상기 적어도 하나의 고차 모드를 공간적으로 분리하기 위해 방사 굴절률 프로파일(radial refractive index profile)을 나타내기 위한 GRIN 광학 렌즈(graded index optical lens); 및
    상기 GRIN 광학 렌즈에 결합된 핀홀 소자(pinhole element)로서, 상기 광 축과 정렬되도록 배치되고 상기 광 축을 따라 상기 다중모드 입력 신호의 실질적으로 기본 모드만의 또 다른 전파(further propagation)를 허용하도록 규격화된 개구(aperture)를 포함하는, 상기 핀홀 소자를 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈는 L = π/(2g)로서 규정된 쿼터-피치 길이(quarter-pitch length) L을 포함하고, 여기서 g는 상기 GRIN 광학 렌즈의 포커싱 파라미터(focusing parameter)인, 광 공간 모드 필터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀홀 소자를 빠져나오는 상기 전파하는 기본 모드 광 신호의 모드 영역을 증가시키기 위해 상기 핀홀 소자의 출력부에 결합된 제 2 GRIN 광학 렌즈를 추가로 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀홀 소자는 제 1 모드 반지름 w1을 갖는 기본 모드를 지원하도록 구성되고, 입력 다중모드 신호는 제 2 모드 반지름 w2를 갖는 기본 모드를 포함하고, 상기 제 1 모드 반지름 및 제 2 모드 반지름은 다음의 식:
    Figure pat00004

    에 의해 관련되고, 여기서 λ는 상기 전파하는 광 신호의 파장이고, n은 상기 GRIN 광학 렌즈의 굴절률이고, g는 상기 GRIN 광학 렌즈의 포커싱 파라미터인, 광 공간 모드 필터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커싱 파라미터 g는 다음과 같은 상기 GRIN 광학 렌즈의 굴절률 n의 방사 분포:
    Figure pat00005

    와 연관되고, 여기서 n0은 중심 광 축을 따르는 상기 굴절률과 연관되고, r은 광학 소자 섹션의 방사 좌표와 연관되는, 광 공간 모드 필터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈는 벌크형 광 성분을 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈는 섬유-기반 성분을 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈는 비-가우시안 기본 모드(non-Gaussian fundamental mode)를 광 신호를 전파하는 가우시안 출력 기본 모드로 변환하기 위한 굴절률 프로파일을 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 GRIN 섬유 렌즈의 입력 단면(input endface)은 입력 다중모드 섬유의 단면에 직접적으로 퓨징(fusing)되는, 광 공간 모드 필터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀홀 소자는 벌크형 광 성분을 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀홀 소자는 소형 코어 섬유를 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 소형 코어 섬유는 단일 모드 섬유를 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 소형 코어 신호 모드 섬유는 (w1/w2)2L2와 같은 최대 길이 L1로서, L2는 상기 GRIN 섬유 렌즈의 입력부 결합된 입력 다중모드 섬유의 길이이고, w1은 상기 GRIN 섬유 렌즈의 입력부에서의 다중모드 신호의 빔웨이스트(beamwaist)이고, w2는 상기 GRIN 섬유 렌즈 출력부에서의 광 신호의 기본 모드의 빔웨이스트인, 상기 최대 길이 L1을 갖는, 광 공간 모드 필터.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈는 섬유-기반 성분을 포함하고, 상기 소형 코어 단일 모드 섬유는 상기 GRIN 섬유 렌즈의 출력 단면에 직접적으로 퓨징되는, 광 공간 모드 필터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 다중모드 섬유는 대형 모드 영역 섬유를 포함하는, 광 공간 모드 필터.
  16. 희토 도핑된(rare-earth doped) 대형 모드 영역(large mode area; LMA) 섬유의 섹션을 증폭 매체로서 활용하는 섬유-기반 광 증폭기/레이저로서, 상기 증폭기는 적어도 하나의 고차 모드의 또 다른 전파를 방지하기 위해 상기 LMA 섬유의 단면에 결합된 공간 모드 필터를 추가로 포함하는, 상기 섬유-기반 광 증폭기/레이저에 있어서, 상기 공간 모드 필터는:
    이를 통해 전파하는 광 신호의 기본 모드로부터 적어도 하나의 고차 모드를 공간적으로 분리하기 위한 방사 굴절률 프로파일을 나타내는 GRIN 광학 렌즈로서, 상기 LMA 증폭 섬유의 출력부에 결합된, 상기 GRIN 광학 렌즈; 및
    상기 GRIN 광학 렌즈에 결합된 핀홀 소자로서, 상기 광 축과 정렬되도록 배치되고 상기 광 축을 따라 상기 증폭된 광 신호의 실질적으로 기본 모드만의 또 다른 전파를 허용하도록 규격화되는 개구를 포함하는, 상기 핀홀 소자를 포함하는, 섬유-기반 광 증폭기/레이저.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 핀홀 소자를 빠져나오는 상기 전파하는 기본 모드 증폭된 광 신호의 모드 영역을 증가시키기 위해 상기 공간 모드 필터의 핀홀 소자의 출력부에 결합된 제 2 GRIN 광학 렌즈를 추가로 포함하는, 섬유-기반 광 증폭기/레이저.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈는 LMA 섬유의 섹션에 직접적으로 퓨징된 섬유-기반 성분을 포함하는, 섬유-기반 광 증폭기/레이저.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 핀홀 소자는 상기 GRIN 섬유 렌즈의 출력부에 직접적으로 퓨징된 소형 코어 섬유의 섹션을 포함하는, 섬유-기반 광 증폭기/레이저.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 GRIN 광학 렌즈를 통해 상기 희토 도핑된 LMA 섬유의 섹션으로 상기 전파하는 광 신호의 상기 증폭된 기본 모드를 다시 향하게 하기 위해 상기 핀홀 소자의 출력부 내에 배치된 광 반사 소자를 추가로 포함하는, 섬유-기반 광 증폭기/레이저.
  21. 다중모드 광 통신 섬유를 활용하는 광 송신 시스템으로서, 광 축을 따라 전파하는 광 통신 신호로부터 고차 모드들을 제거하기(strip away) 위해 상기 다중모드 광 통신 섬유를 따라 배치된 적어도 하나의 공간 모드 필터를 추가로 포함하는, 상기 광 송신 시스템에 있어서, 상기 적어도 하나의 공간 모드 필터는:
    기본 모드 및 적어도 하나의 고차 모드를 포함하는 다중모드 신호를 수신하기 위한 GRIN 광학 렌즈로서, 이를 따라 전파하는 상기 기본 모드로부터 상기 적어도 하나의 고차 모드를 공간적으로 분리하기 위한 방사 굴절률 프로파일을 나타내는, 상기 GRIN 광학 렌즈; 및
    상기 GRIN 광학 렌즈에 결합된 핀홀 소자로서, 상기 광 축과 정렬되도록 배치되고 상기 광 축을 따라 상기 광 신호의 실질적으로 기본 모드만의 또 다른 전파를 허용하도록 규격화된 개구를 포함하는, 상기 핀홀 소자를 포함하는, 광 송신 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공간 모드 필터는 복수의 공간 모드 필터들로서, 각 공간 모드 필터는 이를 따라 전파하는 상기 광 신호로부터 임의의 고차 모드들을 주기적으로 공간적으로 필터링(filtering)하도록 상기 다중모드 광 통신 섬유를 따라 분리된 위치에 배치되는, 광 송신 시스템.
  23. 대형 모드 영역 광 섬유를 따라 전파하는 광 신호로부터 고차 모드들을 제거하는 방법에 있어서:
    a) 광 축을 따라 전파하는 기본 모드로부터 고차 모드들을 공간적으로 분리하기 위해 GRIN 광학 렌즈에 다중모드 광 신호를 입력으로서 인가하는 단계; 및
    b) 상기 GRIN 광학 렌즈의 출력부에서 상기 광 축과 개구를 정렬시키는 단계로서, 상기 개구는 상기 광 신호의 실질적으로 상기 기본 모드만의 또 다른 전파를 허용하는, 상기 개구 정렬 단계를 포함하는, 대형 모드 영역 광 섬유를 따라 전파하는 광 신호로부터 고차 모드들을 제거하는 방법.
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