KR20120023651A - 고?전력 직렬 라만 섬유 레이저들에서 백워드 레이징을 억제하는 시스템들 및 기법들 - Google Patents

고?전력 직렬 라만 섬유 레이저들에서 백워드 레이징을 억제하는 시스템들 및 기법들 Download PDF

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제프리 더블유. 니콜슨
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Abstract

광 증폭 시스템 및 기법에서, 펌프 소스는 소스 파장에서 펌프 전력을 제공한다. 펌프 전력은 입력으로서 직렬 라만 공진기로 론치된다. 파장 의존형 손실 엘리먼트는 직렬 라만 공진기에 선행하도록 접속된다. 파장 의존형 손실 엘리먼트는 낮은 손실을 갖는 소스 파장에서 광 전력을 송신하고, 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 제공하도록 구성된다. 파장 의존형 손실 엘리먼트는 펌프 소스와 직렬 라만 공진기 사이의 광 전력의 집중을 방지하여, 펌프 소스로 역으로의 광 전력의 백워드 전파를 방지한다.

Description

고?전력 직렬 라만 섬유 레이저들에서 백워드 레이징을 억제하는 시스템들 및 기법들{SYSTEMS AND TECHNIQUES FOR SUPPRESSING BACKWARD LASING IN HIGH-POWER CASCADED RAMAN FIBER LASERS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 참조로 그 전체가 여기에 포함되는 2009년 5월 11일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제 61/177,058호의 우선권 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 광 섬유 디바이스들 및 방법들에 관한 것으로, 특히, 고 전력 직렬 라만 섬유 레이저들에서 백워드 레이징(backward lasing)을 억제하는 개선된 시스템들 및 기법들에 관한 것이다.
광 섬유들에서의 시뮬레이션된 라만 산란은 희토류 도핑 섬유들이 동작하지 않는 파장 영역들에서 비선형 이득을 제공하기 위해 이용될 수 있는 유용한 효과이다. 클래딩-펌핑된(cladding-pumped) Yb-도핑 섬유가, 915 nm 또는 975 nm에서의 고 전력 멀티-모드 다이오드들을 1.0 내지 1.2 마이크로미터의 영역에서 단일-모드 방사로 변환하기 위한 휘도 변환기로서 작용할 수 있다. 그 다음, 이것은 다중의 스토크스 시프트(Stokes shift)들을 이용함으로써, 광범위에 걸쳐 Yb 레이저 출력의 파장을 시프트하기 위해 직렬 라만 공진기를 펌핑하도록 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 고 전력 단일 모드 방사가 예를 들면, 기본 모드에서 고 전력 에르븀 도핑 섬유 증폭기들을 펌핑하기 위해 이용될 수 있는 1480 nm에서 생성될 수 있다. 이러한 기법은 참조로서 그 전체가 여기에 포함되는, J.C. Jasapara, M.J. Andrejco, A. D. Yablon, J. W. Nicholson, C. Headley, 및 D. DiGiovanni, "Picosecond Pulse Amplification in a Core-Pumped Large-Mode-Area Erbium Fiber", Opt. Lett. 32, 2429-2431(2007)에 기재되어 있다.
도 1은 Yb-도핑 섬유 레이저가 직렬 라만 공진기를 펌핑하기 위해 이용되는 예시적인 40W 1480 nm 시스템(20)의 도면을 도시한다. 다중의 멀티-모드 915 또는 975 nm 다이오드 레이저들이 테이퍼드 섬유 번들(tapered fiber bundle; TFB)을 통해 결합되고 더블-클래드(double-clad) Yb-도핑 섬유로 론치된다. 더블-클래드 Yb-도핑 섬유는 단일 모드 코어에서의 신호 광, 및 내부 클래딩에서의 펌프 광을 가이드한다. 섬유 브래드 격자들은 Yb 섬유 레이저 공진기에서 고반사기(HR) 및 출력 커플러(OC)를 형성한다.
Yb 섬유 레이저의 출력은 라만 섬유 공진기로 론치된다. 라만 섬유는 정상 분산을 갖는 작은 유효 면적 섬유를 포함한다. 정상 분산은 고 전력에서 초연속 생성을 초래하는 변조 불안정성을 방지한다. 작은 유효 면적은 높은 라만 이득을 초래하고, 그 결과, 다중의 상위 차수 스토크스 시프트들이 직렬 라만 공진기(CRR)에서 생성될 수 있고, 여기서, 다중의 공진기들은 라만 스토크스 시프트들 만큼 파장에서 분리된 다중의 섬유 브래그 격자들을 구성한다. 최종의 원하는 스토크스 시프트에서의 출력 커플러는 섬유 외부로 방사를 커플링하고, 추가의 펌프 반사기는 증가된 효율성을 위해 미이용 Yb 방사를 재순환시킨다. 도 1에 제공된 파장들은 단지 예시를 위한 것이고, 이용된 정확한 파장들은 최종의 원하는 파장에 의존한다는 것에 유의한다.
도 1의 개략도에서의 다양한 파장들 및 위치들에서의 다중의 반사기들은 커플링된 캐비티를 생성하기 위해 결합한다. 예를 들면, 라만 입력 격자(RIG) 세트는 1117 nm의 제 1 스토크스 시프트인 1175 nm에서 고반사기를 갖는다. 이러한 반사기가 라만 섬유 내부에서 1175 nm 방사의 순환을 제공하는 것으로 의도되지만, 1175 nm 방사가 1117 nm 방사로부터 Yb 이온 이득 및 라만 이득 양자의 대역폭내에 있기 때문에 1117 nm 전력이 충분히 높아지면, 더블-클래드 Yb-도핑 섬유에서 1175 nm에서의 레이징을 야기할 수 있다. 그 다음, 이러한 백워드 레이징 1175 nm 은 Yb-도핑 섬유 레이저를 불안정하게 할 수 있다. 결국, 컴포넌트 고정을 초래할 수 있는 레이저의 펄스화를 야기할 수 있다.
종래 기술의 이들 및 다른 문제점들은 본 발명에 의해 다루어지고, 본 발명의 일 양태는 백워드 레이징이 억제되는 광 증폭 시스템 및 기법을 제공한다.
본 발명의 일 실시에 따르면, 펌프 소스가 소스 파장에서 펌프 전력을 제공한다. 펌프 전력은 입력으로서 직렬 라만 공진기로 론치된다. 파장 의존형 손실 엘리먼트가 직렬 라만 공진기에 선행하도록 접속된다. 파장 의존형 손실 엘리먼트는 낮은 손실을 갖는 소스 파장에서 광 전력을 송신하고, 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 제공하도록 구성된다. 파장 의존형 손실 엘리먼트는 펌프 소스와 직렬 라만 공진기 사이의 광 전력의 집중을 방지하여, 펌프 소스로 역으로 광 전력의 백워드 전파를 방지한다.
본 발명의 다른 양태는 더 큰 모드필드 직경을 갖는 증폭기 섬유, 및 더 넓은 대역폭을 갖는 파장 의존형 손실 엘리먼트의 이용을 통해 더 높은 전력으로 스케일링하는 시스템들 및 기법들에 관한 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 직렬 라만 공진기의 도면.
도 2는 본 발명의 제 1 양태에 따른 시스템의 일반도.
도 3은 도 2에 도시된 시스템의 전체 구조를 통합하는 예시적인 시스템의 도면.
도 4는 도 3에 도시된 시스템에서 직렬 라만 공진기의 더욱 상세한 도면.
도 5a 및 도 5b는 도 3 및 도 4에 도시된 MOPA 구성에 기초하는 테스팅 셋업의 도면들.
도 6a 내지 도 6d는 도 5a 및 도 5b에 도시된 테스팅 셋업을 이용하여 취해진 측정치들의 일련의 그래프들.
도 7은 도 5a 및 도 5b에 도시된 테스팅 셋업에서 이용된 장주기 격자의 측정된 삽입 손실을 예시하는 그래프.
도 8a 및 도 8b는 더 높은 전력에서 백워드 스토크스 레이징 및 펄스화를 테스트하는 테스팅 셋업을 도시한 도면들.
도 9a는 1480 nm 출력 전력의 함수로서 백워드 전파 전력을 예시하는 그래프이고, 도 9b는 도 8a 및 도 8b에 도시된 테스팅 셋업에 대한 상이한 출력 전력들에 대해 오실레이터 시간 트레이스들을 도시하는 그래프들.
도 9c 및 도 9d는 도 8a 및 도 8b에 도시된 테스팅 셋업의 클래딩-펌핑된 섬유 레이저 및 직렬 라만 공진기의 출력 전력을 도시한 도면들.
도 10은 78W의 최대 라만 출력 전력에서 백워드 전파 스토크스 파장의 스펙트럼과 LPG 삽입 손실을 비교하는 그래프.
도 11은 본 발명의 다양한 설명된 양태들에 따른 일반적 기법의 플로우차트.
본 발명의 일 양태는, 고 전력 직렬 라만 섬유 레이저들에서 백워드 레이징을 억제하는 시스템들 및 기법들을 제공한다. 여기에 설명하는 바와 같이, 백워드 레이징의 억제는, 백워드 레이징의 온세트를 포인팅하는 시그너처(signature)들을 식별함으로써 달성된다. 이들 시그너처들의 식별은 매우 강력한 기법이다. 백워드 레이징에 의해 야기된 시간적 변동이 펄스화를 야기할 수 있고, 이것은 더 높은 전력에서 컴포넌트들을 파괴할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 파장 의존형 손실 엘리먼트가 제 1 스토크스 시프트에서 방사의 집중을 방해함으로써 직렬 라만 공진기로부터의 백워드 레이징을 제거하기 위해 이용되는 라만 레이징 시스템을 제공한다. 상기 논의된 도 1의 시스템과 같은 종래 기술에 따른 시스템이 더 높은 전력에 동작될 때, 이러한 방사 구축 및 백워드 레이징은 예를 들면, 외부 디바이스들이 접속될 때 펌프 레이저 고반사기(HR)의 고장을 발생시킬 수도 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, Yb 시스템과 라만 레이저 사이에 접속된 적합한 섬유 기반 손실 엘리먼트가 시스템 신뢰도를 현저하게 개선시키기 위해 이용된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 큰 모드필드 직경(MFD) 섬유가 라만 임계값을 증가시키기 위해 라만 레이징 시스템에서 이용된다. 큰 MFD 섬유는 피드백의 잠재적 소스들을 감소시키기 위해 파장 선택형 필터링과 결합된다.
백워드 레이징에 관하여 상술한 문제점들이 다른 방식들로 다루어질 수도 있다는 것에 유의해야 한다. 하나의 대안의 접근방식에서, 디프레스-클래드 W형 인덱스 프로파일이 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실 및 증폭기 출력에서 낮은 손실을 일으키는 기본 모드 컷오프를 달성하기 위해 Yb 증폭기 섬유와 함께 이용된다. 이러한 접근방식은 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 참조로 그 전체가 여기에 포함되는 2009년 5월 11일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제 61/177,058호에 기재되어 있다.
도 2는 원하는 파장에서 시스템 출력(180)을 생성하는 직렬 라만 공진기(CRR; 160)로 파장 선택형 손실 엘리먼트(140)를 통해 펌프 전력(121)을 론치하는 라만 펌프 소스(120)를 포함하는 본 발명에 따른 시스템(100)의 일반도를 도시한다.
펌프 소스(120)는 도 1에 도시된 바와 같은 단일 오실레이터 구성, 및 이하 논의되는 마스터 오실레이터 전력 증폭기(MOPA) 구성을 포함하는 다수의 상이한 구조를 이용하여 구현될 수도 있다. 펌프 소스(120)는 이 예에서는 1117 nm인 특정한 파장에서 펌프 전력(121)을 제공한다.
펌프 전력(121)은 펌프 전력 입력으로서 CRR(160)로 론치되기 이전에 손실 엘리먼트(140)를 통해 이동한다. 이하 더욱 상세히 논의되는 바와 같이, 파장 감지 손실 엘리먼트(140)는 펌프 전력에서 낮은 손실을 갖고, 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 갖는다.
CRR(160)은 내포된 일련의 레이저 캐비티들(164)을 함께 형성하는 라만-활성 섬유(162)의 길이, 라만 입력 격자 세트(RIG1), 및 라만 출력 격자 세트(ROG1)를 포함한다. 광이 내포된 레이저 캐비티들(164)을 통해 전파할 때, 원하는 파장을 갖는 시스템 출력(180)을 생성하기 위해 일련의 스토크스 시프트들에 영향을 받는다. 라만 공진기들이 WDM 루프 미러들을 구성하기 위해 융착된 섬유 WDM 커플러들 또는 박막 필터들을 이용하는 것과 같이, 대안의 아키텍처들 및 파장 선택형 엘리먼트들을 이용하여 구성될 수도 있다는 것이 당업자에게는 널리 공지되어 있다. 또한, CRR이 선형 캐비티에서 또는 비방향성 링 캐비티로서 도는 양방향성 링 캐비티로서 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, CRR이 레이저로서 동작하도록 구성될 수 있거나, 반사기들의 최종 세트를 빼고 대신에 최종 파장에서 CRR에 신호를 주입함으로써, CRR이 증폭기로서 동작하도록 구성될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이 논의는 단지 예시를 위해 브래그 격자 반사기들을 이용하여 구성된 선형 공진기에 집중하고, CRR(160)로부터 펌프 소스(120)로의 백워드 전파 광을 억제하는 기본적 특징은 변화되지 않는다.
파장 선택형 손실 엘리먼트(140)는 펌프 입력 광에 대해 낮은 손실을 유지하면서 제 1 스토크스 차수에서 높은 손실을 갖도록 구성되는 파장 감지 손실 엘리먼트(140)를 이용하여 제 1 스토크스 시프트에서 방사의 집중을 방해함으로써 제 1 스토크스 시프트에서의 백워드 레이징을 실질적으로 제거한다. 이러한 방식으로, 라만 입력 격자 세트(RIG1)는 라만 레이저에 대해 높은 반사율을 제공하면서 Yb-도핑 레이저 시스템에 대해 비가시가 된다.
이 예에서, 손실 엘리먼트(140)는 장주기 격자(LPG1)에 의해 제공된다. 장주기 격자는 특정한 파장들에서, 가이드된 모드로부터의 광을 더 높은 차수의 클래딩 모드로 커플링하는 파장 의존형 디바이스이고, 여기서, 광은 흡수 및 산란으로 인해 손실된다.
이 예에서, LPG1은 거의 손실이 없거나 손실없이 펌프 파장, 즉, 1117 nm에서 광을 송신하기 위해 구성된다. 격자(LPG1)는 제 1 스토크스 시프트, 즉, 1175 nm에서 높은 손실을 제공하도록 더 구성된다.
1117 nm 펌프 전력 입력이 입력으로서 CRR(160)로 론치되면, 제 1 스토크스 시프트가 1175 nm인 하나 이상의 스토크스 시프트들을 경험한다. 펌프 소스(120)와 CRR(160) 사이에서 전파하는 모든 광이 손실 엘리먼트(140)를 통과한다는 것을 도 2로부터 알 것이다. 손실 엘리먼트(140)가 제 1 스토크스 시프트, 즉, 1175 nm에서 높은 손실을 제공하도록 구성되기 때문에, 1175 nm에서 방사 집중의 현저한 감소 및 따라서, 펌프 전력 소스(120)로의 백워드 전파 방사의 현저한 감소가 있을 것이라는 것을 알 것이다.
장주기 격자가 도 2 시스템에 예시되어 있지만, 틸트 섬유 브래그 격자들, 융착 섬유 파장 분할 멀티플렉서(WDM)들, 기본 모드 컷오프 섬유의 길이 등과 같은 다른 파장 의존형 디바이스들이 또한 이용될 수 있다. 임의의 이러한 디바이스는 고 전력을 처리할 수 있어야 한다. 원칙적으로, 광 절연체가 이러한 애플리케이션에서 또한 작동하지만, 실제로는 이 기술로는, CRR로부터 고 전력 출력에 도달하기 위해 요구되는 높은 펌프 전력(>100W)을 처리할 수 있는 섬유 커플링된 광 절연체들은 존재하지 않는다.
RIG에서의 반사기 격자의 파장에 매칭된 중심 파장을 갖는 협대역폭 LPG가 백워드 스토크스 레이징의 임계값을 증가시키는데 있어서 매우 양호하게 작동한다는 것이 발견되었다. 파장 의존형 손실 엘리먼트(140)에 대한 광대역 동작은 알려진 특정한 파장 응답, 즉, 스토크스 시프트를 갖는 원치않는 피드백이 CRR(160)로부터 오기 때문에 필요하지 않다.
도 3은 도 2에 도시된 시스템(100)의 전체 구조를 통합하는 예시적인 시스템(200)의 도면을 도시한다. 시스템(200)은 펌프 전력 소스(220), 파장 감지 손실 엘리먼트(240), 및 직렬 라만 공진기(260)를 포함한다. 시스템(200)은 이 경우에서는 1480 nm인 원하는 파장에서 고 전력 출력(280)을 제공한다.
펌프 전력 소스(220)는, 증폭기 컴포넌트들이 오실레이터 레이저로부터 광학적으로 분리되는 마스터 오실레이터 전력 증폭기(MOPA) 구성을 이용하여 구현된다. 이러한 구성은 본 출원의 양수인에 의해 소유되고 참조로 그 전체가 여기에 포함되는 2009년 5월 11일 출원된 미국 임시 특허 출원 번호 제 61/177,058호에 기재되어 있다.
시스템(200)에서, 펌프 소스(220)는 증폭기(230) 또는 CRR(260)로부터의 백워드 전파 방사로부터 오실레이터(221)를 분리하는 파장 분할 멀티플렉서 등의 디바이스와 같은 적합한 커플러(225)에 의해 함께 광학적으로 접속되는 마스터 오실레이터(221) 및 전력 증폭기(230)를 포함한다. 이러한 분리는, 마스터 오실레이터(221)가 저전력에서 동작되게 하고 증폭기(230)가 고 전력에서 동작되게 하여, 마스터 오실레이터(221)의 컴포넌트들을 손상으로부터 보호한다.
그 다음, 펌프 소스(220)로부터의 펌프 전력은 파장 의존형 손실 엘리먼트(240)를 통해 직렬 라만 공진기(260)로 론치된다. CRR(260)은 라만 입력 격자 세트(RIG2), 라만 활성 섬유(262)의 길이, 및 라만 출력 격자 세트(ROG2)에 의해 형성된 내포된 일련의 라만 캐비티들(264)을 포함한다.
도 4는 직렬 라만 공진기(260)의 더욱 상세한 도면을 도시한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 라만 입력 격자 세트(RIG2)는 고반사기들(HR21 내지 HR25)을 포함하고, ROG2는 고반사기들(HR26 내지 HR30) 및 출력 커플러(OC21)를 포함한다. RIG2에서의 격자들(HR21 내지 HR25) ROG2에서의 대응하는 격자들(HR27 내지 HR30 및 OC21)은 펌프 전력 입력 파장으로부터 원하는 출력 파장으로의 단계적 천이를 생성하는, 스토크스 시프트들에 대응하는 파장들을 갖는 내포된 일련의 레이저 캐비티들을 생성하는 내포된 일련의 파장 매칭 격자 쌍들을 형성한다.
도 5a 및 도 5b는 고 전력 Yb 섬유 레이저 시스템에 RIG를 추가하는 영향을 측정하기 위해 이용된 도 3 및 도 4에 도시된 MOPA 구성에 기초한 테스팅 셋업(300)의 도면들을 도시한다. 테스팅 셋업(300)은 마스터 오실레이터(320; 도 5a) 및 전력 증폭기(340; 도 5b)를 포함한다. 장주기 격자(LPG3)가 증폭기(340)의 출력에 접속된다.
테스팅 셋업의 성능을 특징화하기 위해, 전력 마스터들 및 광 스펙트럼 분석기들의 3개의 세트(PM31/OSA31), PM32/OSA32, PM33/OSA33)가 테스팅 셋업(300)에 접속된다. 제 1 세트(PM31/OSA31)는 시스템 출력에 접속된다. 제 2 및 제 3 세트(PM32/OSA32 및 PM33/OSA33)는 오실레이터(320)와 증폭기(340) 사이의 포워드 및 백워드 전파를 각각 측정하기 위해 1117/1480 탭 WDM(330)에 접속된다.
도 5a에 도시되어 있는 바와 같이, PM32/OSA32는 인입 광의 10%를 OSA32로 다이렉팅하고 90%를 PM32로 다이렉팅하는 커플러(C32)를 이용하여 탭 WDM(330)에 접속된다. PM33/OSA33은 인입 광의 1%를 OSA33으로 다이렉팅하고 99%를 PM33으로 다이렉팅하는 커플러(C33)를 이용하여 탭 WDM(330)에 접속된다.
시스템(300)에 대한 RIG3의 영향을 분석하기 위해, RIG3를 시스템에 접속하지 않고 측정치가 먼저 취해진다. RIG3가 LPG3와 PM31/OSA31 사이에 접속되어 다른 측정치들이 취해진다. 도 6a 내지 도 6d는 이들 측정치의 일련의 그래프(410 내지 440)이다.
도 6a는 증폭기 전류(A)의 증가 레벨에서 제 3 전력계(PM33)에서 취해진 전력 측정치(mW)의 그래프(410)이다. 트레이스(411)는 RIG3이 시스템에 접속되지 않고 취해진 측정치들을 나타내고, 트레이스(412)는 RIG3이 시스템에 접속되어 취해진 측정치들을 나타낸다.
도 6b는 증폭기 전류(A)의 증가 레벨에서 제 1 전력계(PM31)에서 취해진 전력 측정치(mW)의 그래프(420)이다. 트레이스(421)는 RIG3이 시스템에 접속되지 않고 취해진 측정치들을 나타내고, 트레이스(422)는 RIG3이 시스템에 접속되어 취해진 측정치들을 나타낸다.
도 6c 및 도 6d는 RIG3이 시스템에 접속되어, 전력(dB)과 파장(nm) 사이의 관계를 나타내는 제 3 및 제 2 광 스펙트럼 분석기(OSA33 및 OSA32)에서 각각 생성된 스펙트럼의 그래프들(430 및 440)이다. 스펙트럼들(431 및 441)은 0A의 증폭기 구동 전류에서 생성되고, 스펙트럼들(432 및 442)은 10A에서 생성되고, 스펙트럼들(433 및 443)은 20A에서 생성되며, 스펙트럼들(434 및 444)은 30A에서 생성되었다.
도 6a의 트레이스(411) 및 도 6b의 트레이스(421)에 의해 도시된 바와 같이, RIG3이 적소에 없으면, Yb 증폭기의 출력 전력은 가용 펌프 전류에 의해서만 제한된다. 거의 없는 백워드 전파 전력이 관찰가능하고, 증폭기 전력을 턴 업하는 것은(turning up), 오실레이터 스펙트럼(미도시)에 대해 측정가능한 영향이 없다. 따라서, RIG3이 없으면, 0A로부터 대략 45A까지의 범위의 증폭기 전류에 대한 전력 출력에서 일반적으로 연속된 증가가 존재한다.
그러나, 상황은 RIG3이 시스템 출력에 추가될 때 실질적으로 변화한다. 도 6a의 트레이스(412)에 의해 도시된 바와 같이, 25 내지 30A의 펌프 전류에서, 백워드 전파 전력 스파이크(spike)들은 상승하여, 30A에서 대략 300W에 도달한다. 도 6b의 트레이스(422)에 의해 도시된 바와 같이, 증폭기 전류가 30A에 도달할 때 출력 전력에서 실질적인 감소가 있다.
도 6c의 스펙트럼들(431 내지 434)로부터, 도 6a에 도시된 전력에서의 스파이크는 1175 nm 백워드 전파 컴포넌트에서의 큰 증가에 대응하는 것을 알 수 있다. 제 2 스토크스 차수에 대한 직렬 레이징은 또한, 도 6d에 도시된 포워드 전파 오실레이터 스펙트럼들(441 내지 444)에서 관찰될 수 있다. 관찰된 다른 효과들은 30℃ 보다 큰 증폭기 테이퍼드 섬유 번들에서의 큰 온도 증가를 포함한다.
이들 결과들로부터, RIG가 Yb 레이저로부터의 1117 nm의 광을 직접 반사하지 않더라도, 1175 nm 제1 스토크스 시프트에서의 광의 백워드 레이징이 높은 펌프 전력에서 발생할 수 있다고 결론을 내릴 수 있다. 이러한 백워드 전파하는 1175 광은 Yb 오실레이터의 안정한 동작을 여전히 유지하면서 증폭기로부터 달성가능한 출력 전력의 양을 본질적으로 제한한다.
따라서, 도 2 및 도 3과 관련하여 상술한 바와 같이, 이러한 제한을 극복하기 위해, 파장 의존형 손실 엘리먼트, 예를 들면, 도 2의 필터(140) 및 도 3의 필터(240)가 직렬 라만 공진기(260)에 선행하도록 시스템으로 접속된다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 파장 의존형 손실 엘리먼트는 펌프 소스와 직렬 라만 공진기 사이에 개별 엘리먼트를 포함한다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 파장 의존형 손실 엘리먼트는 다른 타입의 구조를 포함한다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시에서, 파장 의존형 손실 엘리먼트는 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 갖는 필터 섬유를 포함한다.
도 2 및 도 3에서, 틸트 섬유 브래그 격자들, 융착 섬유 WDM들, 적절하게 도핑된 감쇠 섬유들 등과 같은 다른 파장 의존형 필터들이 또한 이용될 수도 있지만, 장주기 격자(LPG)가 도시되어 있다. 이론적으로는, 광 절연체가 또한 이용될 수 있다. 그러나, 현재의 상업용 절연체들은 요구되는 전력을 처리할 수 없고, Yb 레이저 파장에서 수용불가능한 손실을 도입할 수도 있다.
상기 언급한 바와 같이, 필터링을 위한 다른 가능성은 장파장들에서 기본 모드 컷오프를 위해 펌프 소스(220)를 라만 공진기(260)에 접속하는 섬유, 또는 Yb 증폭기 섬유(232)에서 디프레스-클래드 인덱스 프로파일을 이용하는 것이다. 그 다음, 예를 들면, Yb 증폭기 섬유(232)는 1175 nm에서 높은 손실 및 1117 nm에서 낮은 손실을 갖는다. 손실 필터의 중요 컴포넌트는, RIG에서 이용된 제 1 스토크스 파장과 동일한 파장에서 높은 손실을 갖고, Yb 레이저 파장에서 낮은 손실을 갖는다는 것이다.
도시된 시스템들에서, 장주기 격자(LPG)들은 다른 기법들이 또한 이용될 수도 있지만, 융착 접속기의 전기 아크를 이용하여 제조되었다. LPG들은 위상 매칭에 의해 섬유의 2개의 상이한 모드들 사이에 커플링을 제공하도록 설계되었다.
도 7은 LPG의 측정된 삽입 손실을 예시하는 그래프(450)이다. 트레이스(451)에 의해 도시된 바와 같이, 1175 nm에서는 대략 20 dB의 손실 및 1117 nm에서는 0.1 dB 미만의 손실이 존재한다는 것을 알 것이다. LPG가 적소에 있으면, 증폭기는 증폭기 오프로 측정된 스펙트럼과 비교하여, 오실레이터 스펙트럼에서 변화가 관측되지 않고 풀 전력으로 턴 업될 수도 있다는 것이 관찰되었다. 또한, LPG가 시스템에 삽입되면 백워드 전파 전력에서의 스파이크는 관찰되지 않았다. 이러한 실험은 시스템 안정성을 강화하기 위해 Yb 섬유 레이저 시스템으로부터 RIG 반사기들을 분리하는 중요성을 확인한다.
본 발명의 다른 양태는, 더욱 더 높은 전력으로 스케일링하기 위한 추가의 시스템들 및 기법들에 관한 것이다. RIG에서의 반사기에 매칭된 협대역폭 LPG가 백워드 스토크스 레이징의 임계값을 증가시키는데 있어서 매우 양호하게 작동한다는 것이 발견되었다. 그러나, 라만 레이저의 출력 전력이 특정 레벨을 넘어 증가할 때, 협대역폭 LPG는 더 이상의 충분하지 않고, 백워드 스토크스 레이징이 다시 관찰된다.
도 8a 및 도 8b는 더 높은 전력에서 백워드 스토크스 레이징 및 펄스화를 테스트하는 테스팅 셋업(500)을 도시한다. 셋업(500)은 펌프 전력을 직렬 라만 공진기(560)에 제공하는 클래딩-펌핑된 섬유 레이저(CPFL; 520) 및 증폭기(530)를 포함한다. 파장 선택형 손실 엘리먼트(540)가 증폭기(530)와 CRR(560) 사이에 접속된다.
(1) CRR(560)의 출력에 접속된 광 스펙트럼 분석기(OSA51) 및 전력계(PM51); (2) 포워드 전파 방사를 측정하기 위해 탭 WDM(525)에 커플링된, 광 스펙트럼 분석기(OSA52) 및 고속 광다이오드 및 오실로스코프(531); (3) 백워드 전파 방사를 측정하기 위해 탭 WDM(525)에 커플링된 광 스펙트럼 분석기(OSA52) 및 전력계(PM52); 및 (4) CPFL(520)에 접속된 전력계(PM53)를 이용하여 측정치들이 취해진다.
설정치들의 초기 세트에 대해, 오실레이터 및 증폭기 양자는 6㎛ 모드-필드 직경(MFD)을 갖는 Yb-도핑 섬유를 이용하여 구성된다.
도 9a는 1480 nm 출력 전력의 함수로서 백워드 전파 전력을 예시하는 그래프(610)이다. 트레이스(611)는 PM52에서, 즉, 탭 WDM(525)을 통한 백워드 전파 전력을 도시하고, 트레이스(612)는 PM53, 즉, 마스터 오실레이터(520)를 통한 백워드 전파 전력을 도시하며, 트레이스(613)는 총 백워드 전파 전력을 도시한다.
도 9b는 상이한 CPFL 출력 전력들에 대해, 고속 광다이오드 및 오실로스코프(531)에서 취해진 오실레이터 시간 트레이스들을 도시하는 그래프(620)이다. 시간 트레이스(621)는 44W에서 취해지고, 시간 트레이스(622)는 55W에서 취해지고, 시간 트레이스(623)는 58W에서 취해진다.
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 1480 nm 출력 전력의 58W 주위에서, 백워드 스토크스 레이징의 2개의 개별 시그너처들을 볼 수 있다. 먼저, 도 9a에 도시되어 있는 바와 같이, 백워드 전파 전력은 급속하게 증가하기 시작한다. 다음으로, 도 9b에 도시되어 있는 바와 같이, Yb 오실레이터는 시간 트레이스에서 펄스화 동작을 나타내기 시작한다. 그래서, 백워드 레이징이 상대적으로 높은 전력까지 억제되는 동안, 특정 포인트에서, 협대역폭 LPG는 더 이상 충분하지 않다.
따라서, 본 발명의 다른 양태는 더 높은 전력에 대한 스케일링을 허용하는 설계 변형물에 관한 것이다. 1175 nm에서 Yb로부터 특정량의 이온 이득이 존재하기 때문에, Yb 레이저의 모드-필드 직경의 스케일링이 백워드 레이징에 대한 임계값을 증가시키는 것을 허용할지는 즉시 명백하지는 않다. 그러나, 사실, Yb 전력 증폭기에서 1175에서 라만 이득과 이온 이득의 조합이 존재한다. 따라서, 전력 증폭기는 11㎛의 증가된 모드필드 직경(MFD)을 갖는 Yb-도핑 더블-클래드 섬유를 이용하여 구현된다. 이러한 MFD가 Yb-도핑 섬유에 대해 상대적으로 크지만, 단일-모드 동작을 여전히 지원한다. 따라서, 백워드 레이징 임계값은 기본 모드 전파를 유지하면서 최대화된다.
도 9c 및 도 9d는 클래딩-펌핑된 섬유 레이저(CPFL) 및 직렬 라만 공진기(CRR)의 출력 전력을 도시하고, 여기서, MOPA 펌프 소스는 11㎛의 MFD를 갖는 26m의 Yb 증폭기 섬유를 이용하여 구성된다. 1480 nm 출력 전력은 백워드 스토크스 레이징이 관찰되기 이전에 73W로 증가된다. 이러한 결과는, 1480nm에서 58W가 백워드 레이징이 관찰되기 이전에 달성되는 6㎛ MFD 직경 증폭기 필터를 이용하는 시스템에 비하여 바람직하다. 도 9c 및 도 9d에서, 출력 전력의 함수로서 백워드 전파 전력의 플롯이, 70 내지 75W 출력 전력 주위에서 백워드 전파 전력의 급속 증가를 또한 나타낸다는 것에 유의한다. 이러한 전력에서, 오실레이터 시간 트레이스(미도시)는 또한 시간적 펄스화의 표시를 나타낸다.
더욱 더 높은 전력에 대핸 스케일링은 백워드 스토크스 레이징 임계값의 추가의 증가를 요구한다. 더 양호한 LPG 필터로부터 상당한 개선이 획득될 수 있다. 라만 캐비티에서의 레이진 라인들은 비선형 프로세스들에 의해 현저하게 넓혀지고, 사실, 중간 스토크스 차수들로부터의 출력 방사는 FBG 고반사기들 보다 훨씬 넓다.
도 10은 LPG 삽입 손실(트레이스 651)을 78W의 최대 라만 출력 전력에서 백워드 전파 스토크스 파장의 스펙트럼(트레이스 652)와 비교하는 그래프(650)이다. LPG의 10dB 대역폭은 단지 2 nm인 반면에, 1175 nm 피크의 10 dB 대역폭은 10 nm 보다 크다. 사실, 1176 nm에서의 백워드 전파 방사 피크들은 LPG 손실 피크로부터 이격된다. 따라서, RIG 1175 nm HR로부터의 반사들을 억제하는데 있어서는 협 필터가 효과적이지만, HR 주위에서 누설하는 라만 캐비티로부터의 방사를 억제하기 위해서는 더 넓은 필터가 요구된다.
도 11은 여기에 설명된 본 발명의 다양한 양태들에 따른 전체 기법(700)의 플로우차트이다.
박스 701: 소스 파장에서 펌프 전력을 제공하기 위해 펌프 소스를 이용한다.
박스 702: 펌프 전력이 입력으로서 론치되는 직렬 라만 공진기로 펌프 전력을 론치하고, 직렬 라만 공진기는 일련의 더 높은 차수의 스토크스 시프트들이 후속하는 펌프 전력 입력에서 제 1 스토크스 시프트를 생성하는 내포된 일련의 라만 캐비티들을 정의하는 입력 및 출력 격자들의 세트들을 포함하여서, 소스 파장으로부터 출력 파장으로의 단계적 천이를 제공한다.
박스 703: 펌프 소스와 직렬 라만 공진기 사이에 파장 의존형 손실 엘리먼트를 접속한다.
박스 704: 낮은 손실을 갖는 소스 파장에서 광 전력을 송신하고, 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 제공하기 위해 파장 의존형 손실 엘리먼트를 구성하고, 이에 의해, 파장 의존형 손실 엘리먼트는 펌프 소스와 직렬 라만 공진기 사이에 광 전력의 집중을 방지하여, 펌프 소스로 역으로의 광 전력의 백워드 전파를 방지한다.
라만 이득 대역폭이 매우 크고, 반사기들이 반드시 이득의 피크가 아니라 이득 대역폭내 어디나 위치될 수 있다는 것에 유의한다.
상술한 시스템들 및 기법들은 선형 및 링 라만 공진기들 양자, 라만 증폭기 아키텍처, 임의의 라만 캐비티들을 갖는 비공진이지만 여전히 라만 이득 대역폭내에 있는 제 2 펌프를 포함하는 더블-펌프 시스템, 협 라인폭을 갖는 분극화된 출력이 유용한 주파수 배가 결정(frequency-doubling crystal)의 히팅(hitting), 예를 들면, 파라메트릭 시스템에서 이용되는 바와 같은 펄스화되거나 변조된 동작 등을 포함하는 다수의 다른 상황에 적용가능하지만 이에 제한되지 않는다.
라만 증폭기들에 관하여, 이들의 아키텍처들은 통상적으로, 증폭기 라만 캐비티가 최종 스토크스 시프트 및 출력 커플러없이 구성된다는 점을 제외하고는 라만 레이저들의 아키텍처들과 유사하다. 또한, 시드 레이저가 최종 스토크스 시프트에서 라만 캐비티에 커플링된다. 시드 소스로부터의 시드 입력은 상이한 위치들에서 증폭기에 주입될 수 있다. 시드 레이저는 분극화된 출력, 협 라인폭, 동조성 등과 같은 다수의 증폭기 특성을 제어한다.
상술한 설명이 당업자가 본 발명의 실시할 수 있게 하는 상세들을 포함하지만, 이 설명은 본질적으로 예시적이고, 다수의 변형물 및 변경물이 이들 교시의 이점을 갖는 당업자에게는 명백할 것이라는 것이 인식되어야 한다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해서만 정의되고, 청구범위는 종래 기술에 의해 허용되는 만큼 넓게 해석되는 것으로 의도된다.
120: 펌프 소스
140: 파장 선택형 손실 엘리먼트 160 : 직렬 라만 공진기
162: 라만 섬유 164 : 내포된 레이저 캐비티

Claims (32)

  1. 광 증폭 시스템에 있어서:
    소스 파장에서 펌프 전력을 제공하는 펌프 소스;
    상기 펌프 전력이 입력으로서 론치되는 직렬 라만 공진기로서, 상기 직렬 라만 공진기는 상기 펌프 전력에서 제 1 스토크스 시프트(Stokes shift)를 생성하는 하나 이상의 내포된 라만 캐비티들을 포함하여, 상기 소스 파장으로부터 출력 파장으로의 단계적 천이를 제공하는, 상기 직렬 라만 공진기; 및
    상기 직렬 라만 공진기에 선행하는 파장 의존형 손실 엘리먼트를 포함하고,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 낮은 손실을 갖는 상기 소스 파장에서 광 전력을 송신하고, 상기 라만 공진기에서 제 1 스토크스 시프트 반사기의 파장과 거의 동일한 파장에서 높은 손실을 제공하도록 구성되고,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 상기 펌프 소스로 역으로의 광 전력의 백워드(backward) 전파를 감소시키는, 광 증폭 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내포된 라만 캐비티들은 라만 입력 격자 세트 및 라만 출력 격자 세트에 의해 제공되는, 광 증폭 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 내포된 라만 캐비티들은 WDM 루프 미러에 의해 제공되는, 광 증폭 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 상기 펌프 소스와 상기 직렬 라만 공진기 사이에 개별 컴포넌트를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 장주기 격자를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 장주기 격자는 상기 직렬 라만 공진기에서의 제 1 입력 격자의 파장에 매칭된 중심 파장 및 협대역폭을 갖는, 광 증폭 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    파장 선택형 손실 엘리먼트는 펌프 파장에서 낮은 손실을 유지하면서, 더 높은 차수의 스토크스 시프트들에서의 방사를 억제하기에 충분히 넓은 대역폭을 갖는 장주기 격자를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 장주기 격자의 10 dB 대역폭은 10 nm 보다 큰, 광 증폭 시스템.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 틸트(tilted) 섬유 브래그 격자를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 융착된 섬유 파장 분할 멀티플렉서를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 기본 모드 컷오프(cutoff) 섬유를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 상기 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 갖는 필터 섬유를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 소스는 마스터 오실레이터 전력 증폭기로서 구성되는, 광 증폭 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 단일-모드 동작을 지원하면서 백워드 레이징 임계값(backward lasing threshold)을 최대화하는 모드필드(modefield) 직경을 갖는 더블-클래드(double-clad) 섬유를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 11㎛의 모드필드 직경을 갖는 Yb-도핑 더블-클래드 섬유를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 기본 모드 및 더 높은 차수의 모드 전파를 지원하면서 백워드 레이징 임계값을 최대화하는 모드필드 직경을 갖는 더블-클래드 섬유를 포함하는, 광 증폭 시스템.
  17. 광 증폭 방법에 있어서:
    (a) 소스 파장에서 펌프 전력을 제공하기 위해 펌프 소스를 이용하는 단계;
    (b) 직렬 라만 공진기로 펌핑 광 전력을 론치하는 단계로서, 상기 직렬 라만 공진기는 일련의 더 높은 차수의 스토크스 시프트들이 후속하는 펌프 전력 입력에서의 제 1 스토크스 시프트를 생성하는 하나 이상의 라만 캐비티들을 포함하여, 상기 소스 파장으로부터 출력 파장으로의 단계적 천이를 제공하는, 상기 펌핑 광 전력을 론치하는 단계;
    (c) 상기 직렬 라만 공진기에 선행하도록 파장 의존형 손실 엘리먼트를 접속하는 단계; 및
    (d) 낮은 손실을 갖는 상기 소스 파장에서 광 전력을 송신하고, 상기 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 제공하도록 상기 파장 의존형 손실 엘리먼트를 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 상기 펌프 소스와 상기 직렬 라만 공진기 사이의 광 전력의 집중을 방지하여, 상기 펌프 소스로 역으로의 광 전력의 백워드 전파를 방지하는, 광 증폭 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    내포된 라만 캐비티들이 라만 입력 격자 및 라만 출력 격자에 의해 제공되는, 광 증폭 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    내포된 라만 캐비티들이 WDM 루프 미러들에 의해 제공되는, 광 증폭 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 상기 펌프 소스와 상기 직렬 라만 공진기 사이에 개별 컴포넌트를 포함하는, 광 증폭 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 장주기 격자를 포함하는, 광 증폭 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 장주기 격자는 상기 직렬 라만 공진기에서의 제 1 입력 격자의 파장에 매칭된 협대역폭을 갖는, 광 증폭 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    파장 선택형 손실 엘리먼트는 펌프 파장에서 낮은 손실을 유지하면서, 더 높은 차수의 스토크스 시프트들에서의 방사를 억제하기에 충분히 넓은 대역폭을 갖는 장주기 격자를 포함하는, 광 증폭 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 장주기 격자의 10 dB 대역폭은 10 nm 보다 큰, 광 증폭 방법.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 틸트 섬유 브래그 격자를 포함하는, 광 증폭 방법.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 융착된 섬유 파장 분할 멀티플렉서를 포함하는, 광 증폭 방법.
  27. 제 17 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 기본 모드 컷오프 섬유를 포함하는, 광 증폭 방법.
  28. 제 17 항에 있어서,
    상기 파장 의존형 손실 엘리먼트는 상기 제 1 스토크스 시프트에서 높은 손실을 갖는 필터 섬유를 포함하는, 광 증폭 방법.
  29. 제 17 항에 있어서,
    상기 펌프 소스는 마스터 오실레이터 전력 증폭기로서 구성되는, 광 증폭 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 단일-모드 동작을 지원하면서 백워드 레이징 임계값을 최대화하는 모드필드 직경을 갖는 더블-클래드 섬유를 포함하는, 광 증폭 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 11㎛의 모드필드 직경을 갖는 Yb-도핑 더블-클래드 섬유를 포함하는, 광 증폭 방법.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는 기본 모드 및 더 높은 차수의 모드 전파를 지원하면서 백워드 레이징 임계값을 최대화하는 모드필드 직경을 갖는 더블-클래드 섬유를 포함하는, 광 증폭 방법.
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