KR20120058275A - Automation of Passive Mode-locking Process of Fiber Femtosecond Pulse Lasers - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치에 관한 것으로, 비선형 편광 회전(Nonlinear polarization rotation) 방식의 수동모드잠금을 자동화하여 쉬운 조작으로 짧은 시간에 모드잠금 된 광섬유 펨토초 레이저를 생성 하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a mode lock automation device for a fiber femtosecond laser, and to a method for generating a mode-locked fiber femtosecond laser in a short time by easy operation by automating a manual mode lock of a nonlinear polarization rotation method. .
광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기는 대부분이 광섬유로 구성되어 있어 구성이 간결하고, turnkey 방식의 쉬운 작동과 환경변화에 둔감하여 장기간 작동이 가능하며, 통신대역에서의 광섬유 구성품을 사용하여 낮은 가격과 통신대역에서의 활용 등의 산업적으로 응용하기 좋은 여러 장점을 가지고 있다. Gain medium은 일반적으로 980 nm or 1480 nm의 pump 빛을 흡수하여 1550 nm를 중심파장으로 수십 nm의 대역폭의 gain을 형성하는 Erbium doped fiber와, 980 nm의 pump 빛을 흡수하여 1030 nm를 중심파장으로 수십 nm의 대역폭의 gain을 형성하는 Ytterbium doped fiber를 사용한다. EDF와 YDF의 넓은 gain에 의해 공진기 의 길이에 의해 정해진 반복률에 해당하는 간격을 갖는 105 ~ 106개의 주파수 모드들이 광 빗을 형성하고, 모드잠금에 의해 각 주파수 모드들의 위상을 일치 시켜 시간 축에서 좁은 펄스를 형성한다.Fiber optic femtosecond laser resonator Most of them are composed of optical fiber, so the configuration is simple, and it is easy to operate by turnkey method and is insensitive to environmental change, so it can be operated for a long time. It has several advantages that make it easy to apply. The gain medium is generally Erbium doped fiber that absorbs 980 nm or 1480 nm pump light and forms a gain of several tens of nm at the center wavelength, and 1030 nm as the center wavelength by absorbing 980 nm pump light. Ytterbium doped fibers are used to form gains of several tens of nm of bandwidth. The wide gains of the EDF and YDF result in 10 5 to 10 6 frequency modes with an interval corresponding to the repetition rate determined by the length of the resonator, forming an optical comb. Form a narrow pulse.
광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기의 종류는 크게 'ring-type'과'figure eight type' 그리고 'Fabry-Perot type'으로 나눌 수 있다. 'ring-type'에서는 NPE(nonlinear polarization evolution) 현상 및 광량에 따라 다른 투과, 흡수 특성을 보이는 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 수동 모드잠금(passive mode locking)을 실현하여 좁은 펄스를 생성한다. 'Fabry-Perot type'의 경우 'ring-type'과는 달리 공진기 내부에서의 펄스의 진행 방향이 양방향이기 때문에 주로 포화 흡수 거울(saturable absorber mirror)을 이용하여 좁은 펄스를 생성한다. 반면 'figure eight type'의 경우는 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계 방향과 반시계 방향으로 공진하는 펄스간 비선형 현상의 차이를 이용하여 좁은 펄스를 생성한다.Fiber-based femtosecond laser resonators can be classified into 'ring-type', 'figure eight type' and 'Fabry-Perot type'. In the 'ring-type', a narrow pulse is generated by using passive mode locking by using a saturable absorber that exhibits transmission and absorption characteristics that are different depending on the nonlinear polarization evolution (NPE) phenomenon and the amount of light. Unlike the 'ring-type' in the 'Fabry-Perot type', since the pulse direction inside the resonator is bidirectional, a narrow pulse is generated mainly using a saturable absorber mirror. On the other hand, the 'figure eight type' is a system in which two resonance loops are connected through a fiber coupler, and a narrow pulse is generated by using a difference between nonlinear phenomena between pulses resonating clockwise and counterclockwise. Create
광섬유 펨토초 레이저의 passive mode locking 종류는 일반적으로 Saturable absorber, Nonlinear amplifying loop mirror, Nonlinear polarization evolution을 이용한 세 가지 방식으로 나눠진다.The passive mode locking type of optical fiber femtosecond laser is generally divided into three methods using saturable absorber, nonlinear amplifying loop mirror, and nonlinear polarization evolution.
Saturable absorber는 빛의 세기가 증가하게 되면 빛의 흡수가 감소하는 현상을 이용한 것으로, 공진기 안에서 진행하는 펄스의 side 부분은 빛의 세기가 약하기 때문에 saturable absorber를 통해 흡수가 되어 더 이상 공진기 내부를 진행을 못하는 반면, 펄스의 middle분분은 빛의 세기가 강하여saturable absorber에서의 흡수를 saturation 시켜 공진기 내부를 계속 진행하므로 좁은 펄스폭을 갖게 하는 모드잠금을 유도한다. 모드잠금 시 사용되는 saturable absorber의 종류는 semiconductor saturable absorber, carbon nanotubes, graphene등이 있다. Saturable absorber를 이용한 모드잠금의 장점은 다른 모드잠금 방식에 비해 쉽게 모드잠금이 가능하고, 짧은 길이의 공진기를 구성할 수 있어 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저 형성이 가능하며, 주변 환경 변화에 의한 광섬유 내부에서의 편광 변화에 영향이 적다. 단점으로는 mW수준의 absorber damage threshold를 갖고 있고 한정된 수명이 있으며 relaxation time에 따라 줄일 수 있는 펄스폭이 수 백 fs 수준으로 한정되어 있다.Saturable absorber uses the phenomenon that the absorption of light decreases as the intensity of light increases.The side part of the pulse that proceeds in the resonator is absorbed through the saturable absorber because the intensity of light is weak. On the other hand, the middle part of the pulse has a strong light intensity, which saturates the absorption in the saturable absorber and proceeds inside the resonator, leading to a mode lock that has a narrow pulse width. Saturable absorbers used in mode locking include semiconductor saturable absorbers, carbon nanotubes, and graphene. The advantage of the mode lock using saturable absorber is that the mode lock is easier than other mode lock methods, and the short length resonator can be configured to form a femtosecond laser having a high repetition rate. The influence on the polarization change of the is less. Disadvantages include absorber damage threshold of mW, limited lifetime, and pulse width that can be reduced according to relaxation time.
Nonlinear amplifying loop mirror를 이용한 모드잠금은 'figure eight type' 공진기에서 사용되는 모드잠금 방식이고, 두 개의 공진 루프(loop)를 광섬유 커플러(fiber coupler)를 통해 연결한 시스템으로 시계방향과 반시계 방향으로 진행하는 펄스의 Gain을 다르게 하거나 coupling 비율을 다르게 하여 두 펄스간의 비선형 위상 차이를 발생하고, 두 펄스가 만나는 지점에서 간섭을 통해 펄스의 intense한 middle 부분이 보강간섭이 되어 transmission이 최대가 되는 반면 펄스의 weak한 side부분은 상쇄간섭을 유도하여 transmission을 낮춤으로 좁은 펄스폭을 유도하는 모드잠금 방식이다. 장점으로는 긴 공진기 길이를 이용하므로 높은 에너지와 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있다. 단점으로는 긴 공진기 길이가 요구되므로 높은 반복률을 갖는 펨토초 레이저를 형성하기 어렵다.Mode locking using nonlinear amplifying loop mirror is a mode locking method used in 'figure eight type' resonator. It is a system that connects two resonant loops through fiber coupler in clockwise and counterclockwise direction. Nonlinear phase difference between two pulses is caused by different gain or different coupling ratio, and intense middle part of pulse becomes interference through interference at the point where two pulses meet, and transmission is maximized while pulse The weak side part of is a mode locking method that induces a narrow pulse width by lowering transmission by inducing cancellation interference. The advantage is the use of long resonator lengths to generate pulses with high energy and narrow widths. Disadvantages require long resonator lengths, making it difficult to form femtosecond lasers with high repetition rates.
Nonlinear polarization evolution 방식은 모드잠금 방식으로 빛의 세기에 따른 굴절률의 변화를 이용하여 Nonlinear Kerr Rotation을 발생하므로 모드잠금을 유도한다. 공진기 내부에 pump power를 증가시켜주면 gain medium에서 방출대역으로 spontaneous emission을 하게 되고 spontaneous emission된 백색 잡음 중 가장 높은 세기를 갖는 부분이 증폭되어 작은 펄스를 생성하는 'self starting' 을 하게 된다. 공진기 내부에서 생성된 펄스는 polarizer에 의해 선형 편광상태를 갖게 되고 polarization controller1에 의해 타원 편광으로 바뀌게 된다. 타원편광의 펄스는 single mode fiber의 Kerr medium에서 nonlinear kerr rotation에 의해 회전하게 된다. Kerr medium에서 타원편광의 회전은 광량에 의존하기 때문에 펄스의 빛의 세기가 강한 middle 부분과 빛의 세기가 약한 side부분 각각의 타원 편광 회전 정도가 다르게 된다. 즉 Kerr medium과 Kerr medium이후의 polarization controller2를 조절하여 펄스의 intense한 부분과 weak한 부분의 타원편광의 주축을 서로 수직하게 조절한 후 선형편광으로 바꿔주어 polarizer에 의해 펄스의 intense한 부분은 통과 시키고 weak한 부분은 잘라내어 좁은 펄스를 유도하게 된다. 장점으로는 특별한 장치 없이 noise perturbation 으로 부터 모드잠금을 위한 self starting 이 가능하고, 한정된 수명이 없고 비교적 저렴한 통신대역의 광섬유 제품들로 구성이 가능하며, 100 fs 이하의 좁은 폭을 갖는 펄스를 생성할 수 있다. 단점으로는 광섬유 내부에서의 편광 변화를 이용해야 하므로 안정된 편광 상태를 위하여 온도안정화가 필요하다.Nonlinear polarization evolution method is a mode lock method, which generates a nonlinear Kerr rotation using the change of the refractive index according to the light intensity, thus inducing the mode lock. Increasing the pump power inside the resonator causes spontaneous emission from the gain medium to the emission band and amplifies the portion with the highest intensity of the spontaneous emitted white noise to produce a 'self starting' that produces a small pulse. The pulse generated inside the resonator has a linear polarization state by the polarizer and is converted into elliptical polarization by the polarization controller1. Elliptical polarization pulses are rotated by nonlinear kerr rotation in the Kerr medium of a single mode fiber. Since the rotation of the ellipse polarization in the Kerr medium depends on the amount of light, the degree of rotation of the elliptical polarization of the middle portion of the light intensity of the pulse and the side portion of the light intensity of the pulse is different. That is, by adjusting the Kerr medium and the
Nonlinear polarization evolution 모드잠금 조건은 공진기 내부의 polarizer에 의해 펄스 중심의 intense 한 부분이 살아남고 펄스 가장자리의 weak한 부분은 제거 시킬 수 있는 'artificial saturable absorber' 를 형성하는 조건을 말한다. 광섬유 기반 펨토초 레이저의 모드잠금을 결정짓는 요소는 polarization, pump power, nonlinearity, dispersion 이다. 이 4가지 요소를 조절하여 모드잠금 조건을 만족 시키므로 안정된 모드잠금을 할 수 있다. 이 4가지 요소는 서로 긴밀하게 연관되어 있어 각 요소를 조절할 때 다른 요소에 영향을 끼치므로 서로 제한 조건이 되기도 한다.Nonlinear polarization evolution mode locking condition is a condition that forms an 'artificial saturable absorber' where the intense part of the pulse center survives and the weak part of the pulse edge is removed by the polarizer inside the resonator. The determinants of mode locking for fiber-based femtosecond lasers are polarization, pump power, nonlinearity, and dispersion. By adjusting these four factors, it satisfies the mode lock condition, enabling stable mode lock. These four elements are closely related to each other, and they can be constrained by each other as they affect other elements as they are adjusted.
Polarization은 공진기 내부에 구성 되어 있는 polarization controller의 조절과 kerr medium 안에서 비선형 현상에 의해 발생되는 nonlinear polarization rotation 정도를 조절하므로 모드잠금에 적합한polarization을 유도한다. Kerr medium 에서nonlinear polarization rotation의 정도를 조절하기 위해서 pump power 조절에 의한 kerr effect를 조절하고, Polarization controller는 waveplate들 또는 광섬유 비틀거나 눌러주는 방식의 광섬유 polarization controller들의 조합으로 이루어 져 있어 waveplate들를 회전시키거나 또는 광섬유에 복굴절을 형성시킴으로 모드잠금 조건을 만족하는 polarization상태를 조절한다. 일반적으로 공진기를 구성하는 광섬유 길이는 정해져 있으므로 pump power를 고정시켜 비선형 현상에 의한 nonlinear polarization rotation을 일정하게 했을 때 polarizer 이후, kerr medium 이전에 polarization controller를 두어 초기 타원 편광을 형성하고, kerr medium 이후, polarizer 이전에 polarization controller2를 두어 모드잠금 조건에 맞도록 타원편광의 회전을 조절하게 된다.Polarization induces polarization suitable for mode locking by controlling the polarization controller configured inside the resonator and controlling the degree of nonlinear polarization rotation caused by nonlinear phenomenon in the kerr medium. To control the degree of nonlinear polarization rotation in the Kerr medium, the kerr effect is controlled by pump power control, and the polarization controller consists of waveplates or a combination of optical fiber polarization controllers that twist or press the fiber. Or by forming birefringence in the optical fiber to control the polarization state that satisfies the mode lock condition. In general, when the length of the optical fiber constituting the resonator is fixed, when the pump power is fixed and the nonlinear polarization rotation by the nonlinear phenomenon is constant, after the polarizer, the polarization controller is placed before the kerr medium to form the initial elliptical polarization, and after the kerr medium, Prior to the polarizer, a polarization controller2 is placed to adjust the rotation of the ellipse polarization to suit the mode lock condition.
Pump power는 앞에서 설명 하다시피 kerr medium 내부에서 비선형 현상에 의한 nonlinear polarization rotation을 조절하는 동시에 공진기 내부의 gain을 조절하는 역할을 한다. 즉 polarization controller의 편광상태가 정해져 있을 때, pump power를 조절하므로 kerr medium 내부에서nonlinear polarization rotation을 조절하여 모드잠금을 유도할 수 있다. 만약 pump power에 의한 nonlinear polarization rotation만으로 모드잠금 조건을 만족 시킬 수 있다면, 공진기 내부에 polarization controller를 사용하지 않아도 된다. 하지만 광섬유 내부가 균일하지 못하고 공진기 구성 시 광섬유의 휘어짐과 광섬유 연결부위의 splicing상태 등에 의해 polarization controller없이 모드잠금 조건을 찾기란 어렵다. 모드잠금 된 상태에서 pump power를 계속 증가시키면 모드잠금 조건을 만족하는 polarization 상태를 벗어나 모드잠금이 깨지게 된다. 또한 pump power의 계속 된 증가는 excessive nonlinear phase shift를 발생시켜 wave breaking을 발생 시키거나, pulse외에 noise성분에 gain을 주게 되고 gain medium에서 pulse 부분의 증폭을 saturation 되는 반면 noise 성분의 증폭이 커져 multi-pulse를 생성하게 된다.As described above, the pump power controls the gain in the resonator while controlling the nonlinear polarization rotation caused by the nonlinear phenomenon inside the kerr medium. In other words, when the polarization state of the polarization controller is determined, the pump power is adjusted so that the mode lock can be induced by controlling the nonlinear polarization rotation inside the kerr medium. If the mode locking condition can be satisfied only by nonlinear polarization rotation by pump power, there is no need to use a polarization controller inside the resonator. However, it is difficult to find the mode lock condition without the polarization controller due to the unevenness of the inside of the fiber and the configuration of the resonator due to the bending of the fiber and the splicing state of the fiber connection part. If the pump power is continuously increased while the mode is locked, the mode lock is broken out of the polarization state that satisfies the mode lock condition. In addition, the continuous increase in pump power causes excessive nonlinear phase shifts to cause wave breaking or gain noise components other than pulses, and saturates the amplification of the pulses in the gain medium, while increasing the amplification of the noise components. will generate a pulse.
Nonlinearity는 nonlinear polarization rotation을 발생시켜 모드잠금 조건을 형성시키기 위한 중요한 요소이며 pump power에 의해 조절되고 공진기에서 형성되는 pulse의 energy를 한정 짓는다.Nonlinearity is an important factor to form the mode locking condition by generating nonlinear polarization rotation and is controlled by pump power and limits the energy of the pulse formed in the resonator.
Dispersion은 공진기를 형성하는 서로 다른 부호와 크기를 갖는 dispersion의 광섬유 길이를 조절하여 조절할 수 있고, dispersion을 조절 하므로 공진기에서 생성되는 pulse의 특성을 조절 할 수 있다. 공진기 전체의 dispersion을 조절함으로써 net dispersion이 - (anomalous dispersion) 영역이면 solution fiber laser를 형성하고, net dispersion이 + (normal dispersion)이면 self-similar fiber laser를 형성하며, net dispersion이 0 (zero dispersion)이면dispersion managed fiber laser를 형성한다. 각 fiber laser는 서로 다른 dispersion 특성에 의해 공진기 내부에서 펄스를 형성하는 condition이 다르고 이러한 condition은 pulse energy와 pulse width를 결정짓는 역할을 한다.Dispersion can be controlled by adjusting the optical fiber length of the dispersion with different codes and sizes to form the resonator. By adjusting the dispersion, the characteristics of the pulse generated by the resonator can be controlled. By adjusting the dispersion of the entire resonator, if the net dispersion is in the-(anomalous dispersion) region, it forms a solution fiber laser, if the net dispersion is + (normal dispersion), it forms a self-similar fiber laser, and the net dispersion is 0 (zero dispersion). This forms a dispersion managed fiber laser. Each fiber laser has different conditions for forming pulses in the resonator due to different dispersion characteristics, and these conditions determine pulse energy and pulse width.
이처럼 광섬유 펨토초 레이저를 비선형 편광회전 방식으로 수동모드잠금하기 위해서, 공진기 내부의 편광 조절 부분을 구성하고 있는 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금 조건에 적합한 편광 상태를 찾아야 한다. 일반적으로 파장판을 수작업으로 회전시켜 수동모드잠금을 하지만, 이 경우 모드잠금 조건을 찾는데 긴 시간이 필요하고 다수의 파장판을 동시에 회전시키기 어려우며 정밀하게 조절하기 힘든 단점이 있다.In order to passively lock the optical fiber femtosecond laser in a nonlinear polarization rotation method, it is necessary to find the polarization state suitable for the mode locking condition by adjusting the rotation angles of the wavelength plate and the polarizing plate constituting the polarization control part inside the resonator. Generally, manual mode locking is performed by manually rotating the wave plate, but in this case, it takes a long time to find the mode lock condition, and it is difficult to rotate multiple wave plates at the same time and it is difficult to precisely control the wave plate.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 비선형 편광 회전 방식의 수동모드잠금 과정을 자동화하여 쉬운 조작으로 짧은 시간에 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금을 달성하고자 하는데 그 목적이 있다.
The present invention for solving the above problems is to achieve a mode lock of the optical fiber femtosecond laser in a short time by easy operation by automating the manual mode locking process of the nonlinear polarization rotation method of the optical fiber femtosecond laser.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 펨토초 레이저 소스를 구비한 링 캐비티(ring cavity) 구조를 갖는 공진기, 파장판과 편광판을 구비하고, 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부, 상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부 및 상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is provided with a resonator having a ring cavity (ring cavity) structure having a femtosecond laser source, a wave plate and a polarizing plate, receiving the femtosecond laser output to the resonator and the wave plate Automatic polarization control unit for controlling the polarization for mode lock by adjusting the rotation angle of the polarizing plate, Mode lock detection for detecting the signal for mode lock by detecting the spectrum difference before and after the mode lock of the femtosecond laser output from the resonator And a controller configured to control the automatic polarization control unit and the mode lock detection unit by a program to detect a mode lock signal and to lock the mode.
또한, 상기 공진기는, 광을 출력하는 레이저 다이오드, 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 파장 분할 다중화시키는 WDM(wavelength division multiplexer), 상기 WDM에서 출력되는 광을 게인 미디움(gaim medium)으로 사용하기 위한 EDF(Erbium doped fiber)와 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 SMF(Single mode fiber), 아이솔레이터(isolator) 및 상기 공진기에서 출력되는 광을 상기 모드잠금감지부로 제공하는 광커플러를 포함하여 구성된다.The resonator may include a laser diode for outputting light, a wavelength division multiplexer (WDM) for wavelength division multiplexing the light output from the laser diode, and an EDF for using the light output from the WDM as a gain medium. And a single mode fiber (SMF), an isolator, and an optocoupler for providing the light output from the resonator to the mode lock detection unit for use as an erbium doped fiber and a kerri medium.
또한, 상기 EDF와 SMF의 길이를 조절하여 공진기의 분산특성과 반복률을 제어한다.In addition, by controlling the length of the EDF and SMF to control the dispersion characteristics and repetition rate of the resonator.
또한, 상기 자동편광조절부는, 회전 가능하게 구비되는 다수의 파장판, 다수의 상기 파장판 사이에 구비되어 편광판, 상기 공진기로부터 광을 전달받기 위한 광포트 및 다수의 상기 파장판의 회전을 제어하는 구동부를 포함한다.In addition, the automatic polarization control unit, a plurality of wavelength plates that are rotatably provided between, the plurality of wavelength plates are provided between the polarizing plate, the optical port for receiving light from the resonator and the driving unit for controlling the rotation of the plurality of wavelength plates It includes.
또한, 상기 구동부는, 상기 파장판을 회전시키는 스텝모터, 상기 스텝모터와 연동하여 상기 파장판으로 회전력을 전달하는 기어, 상기 스텝모터의 구동을 제어하는 구동 드라이브를 포함하여 구성된다.The driving unit may include a step motor for rotating the wave plate, a gear for transmitting rotational force to the wave plate in conjunction with the step motor, and a drive drive for controlling driving of the step motor.
또한, 상기 자동편광조절부는, 다수의 파장판의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 회전시켜 편광을 조절한다.In addition, the automatic polarization control unit, the rotation angle of the plurality of wavelength plate is rotated so that there is no common ratio between each angle to adjust the polarization.
또한, 상기 편광판과 파장판은, 다수의 패들(paddle)에 광섬유를 감아 구성시키고, 상기 광섬유를 비틀거나(squeeze) 늘려주어(press) 편광을 조절한다.In addition, the polarizing plate and the wavelength plate, the optical fiber is wound around a plurality of paddle (paddle) and configured to twist (squeeze) or stretch the optical fiber (press) to adjust the polarization.
또한, 상기 모드잠금감지부는, 상기 공진기에서 출력되는 광을 임의의 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링 하는 광필터(optical filter), 상기 광필터를 통해 필터링된 광을 임의의 반복률에 해당하는 RF신호를 감지하는 광검출기, 상기 광필터를 통해 필터링된 광에서 일차 반복률만을 필터링하는 전자필터(electronic filter), 상기 전자필터를 통해 필터링된 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부 및 상기 A/D변환부에서 감지하기 위한 주파수가 빠를 경우 이보다 느린 주파수로 변환하여 신호처리해주는 주파수 분주기를 포함하여 구성된다.The mode lock detection unit may include an optical filter for filtering a portion of an optical comb corresponding to an arbitrary wavelength band of light output from the resonator, and an optical repetition rate of light filtered through the optical filter. An optical detector for detecting an RF signal, an electronic filter for filtering only the primary repetition rate from the light filtered through the optical filter, and an A for converting an analog signal corresponding to the primary repetition rate filtered through the electronic filter into a digital signal. If the frequency for detection by the / D converter and the A / D converter is faster, it is configured to include a frequency divider to convert the signal to a slower frequency than this.
또한, 상기 광필터는, 모드잠금 전/후 스펙트럼이 겹치지 않는 파장대역의 필터를 적용한다.In addition, the optical filter is a filter of the wavelength band that does not overlap the spectrum before / after mode lock.
또한, 상기 전자 필터는, 첫 번째 반복률의 주파수만 필터링 할 수 있는 주파수대역을 갖는 것을 적용한다.In addition, the electronic filter applies to a frequency band capable of filtering only the frequency of the first repetition rate.
또한, 상기 A/D 변환부는, Schmitt trigger, A/D convertor, comparator 중 어느 하나를 사용한다.The A / D converter uses any one of a Schmitt trigger, an A / D convertor, and a comparator.
또한, 상기 자동편광조절부는, 최적의 모드잠금 상태를 유지시키기 위해 모드잠금 후 상기 각 파장판들의 초기 회전각을 중심으로 ㅁ 0도부터 ㅁ 15도로 왕복 회전시키는 것을 특징으로 한다.
In addition, the automatic polarization control unit, after the mode lock in order to maintain the optimum mode lock state, characterized in that the reciprocating rotation of ㅁ 0 to ㅁ 15 degrees around the initial rotation angle of the respective wavelength plates.
이와 같이 구성되는 본 발명은 광섬유 펨토초 레이저의 비선형 편광 회전 방식의 수동 모드잠금 과정을 자동화하여 짧은 시간에 광섬유 펨토초 레이저를 모드잠금 시킬 수 있는 이점이 있다.The present invention configured as described above has an advantage of automating the mode lock process of the nonlinear polarization rotation method of the optical fiber femtosecond laser to lock the optical fiber femtosecond laser in a short time.
이와 같이 구성되는 본 발명은 쉬운 조작으로 광섬유 펨토초 레이저를 모드잠금 시킬 수 있으므로 산업적으로 적용할 수 있는 장점을 갖고 있다. 또한, 높은 안정도를 갖는 넓은 파장 대역의 광 빗과 femtosecond 단위의 좁은 펄스를 생성하므로 거리측정, 가공 등의 많은 응용에 적용할 수 있다.
The present invention configured as described above has an advantage that can be applied industrially because the mode can be locked to the optical fiber femtosecond laser by easy operation. In addition, since it generates a wide comb and a narrow pulse of femtosecond unit having a high stability band can be applied to many applications such as distance measurement, processing.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 전체 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 파장판 회전부의 상세 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 모드잠금감지부의 상세 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로 다수의 파장판들과 편광판을 광섬유 형태로 구성한 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 모드잠금 자동화 장치의 편광조절 과정을 나타낸 순서도,
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 자동적 모드잠금의 과정을 나타내는 순서도,
도 7은 본 발명에 따른 모드잠금 감지 과정을 나타낸 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 모드잠금 전 후의 스펙트럼 차이와 모드잠금을 감지하는 과정을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 자동 모드잠금된 광섬유 펨토초 레이저의 잡음 감소 방법을 도시한 그래프.1 is an overall configuration of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention,
2 is a detailed configuration diagram of a wave plate rotating unit of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention,
3 is a detailed configuration diagram of the mode lock detection unit according to the present invention;
4 is a diagram illustrating a configuration of a plurality of wave plates and a polarizer in the form of an optical fiber in another embodiment according to the present invention;
5 is a flow chart showing a polarization control process of the mode lock automation device according to the present invention,
6 is a flow chart showing a process of automatic mode locking of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention;
7 is a flowchart illustrating a mode lock detection process according to the present invention;
8 is a diagram illustrating a process of detecting a spectral difference and a mode lock before and after mode lock according to the present invention;
9 is a graph illustrating a noise reduction method of an automatic mode locked optical fiber femtosecond laser according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention.
본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치는 펨토초 레이저 소스를 구비한 링 캐비티(ring cavity) 구조를 갖는 공진기(100), 파장판(108)과 편광판(109)을 구비하고 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부(107), 상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부(114) 및 상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부(200)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The mode lock automation apparatus of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention includes a
본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치는, 편광상태를 조절하기 위한 파장판을 구동부를 통해 구동시키고, 모드잠금감지부를 통해 최적의 모드잠금상태를 검출하고 모드잠금 할 수 있는 자동화 장치를 제공하고는 것을 주요 기술적 요지로 한다.Mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention, by driving the wavelength plate for adjusting the polarization state through the drive unit, an automatic device capable of detecting the mode lock mode and mode lock through the mode lock detection unit. The main technical point is to provide.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 전체 구성도이다. 본 발명에 따른 모드자금 자동화 장치는, 크게 공진기(100)와, 자동편광조절부(107)와, 모드잠금감지부(114)로 구성된다.1 is an overall configuration diagram of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention. The mode fund automation device according to the present invention includes a
본 발명에서 적용되는 공진기는 링타입(ring-type)으로써, 링캐비티(ring cavity) 구조를 갖으며, 비선형 편광 회전(Nonlinear polarization rotation) 방식으로 모드잠금을 구현한다.The resonator applied in the present invention is a ring type, has a ring cavity structure, and implements mode locking in a nonlinear polarization rotation method.
상기 공진기(100)의 구조를 살펴보면, 광을 출력하는 레이저다이오드(LD ; 105), 상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 파장 분할 다중화시키는 WDM(wavelength division multiplexer ; 104), 상기 WDM에서 출력되는 광을 게인 미디움(gaim medium)으로 사용하기 위한 EDF(Erbium doped fiber ; 101)와 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 SMF(Single mode fiber; 102) 및 광파의 전송방향을 구속하는 아이솔레이터(isolator ; 103)로 구성된다. 여기서 상기 EDF와 WDM의 길이를 조절하여 공진기의 분산특성과 반복률(Repetition rate)을 조절할 수 있다.Looking at the structure of the
이러한 공진기의 구성은 공지의 기술임으로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 본 발명에서 사용되는 공진기는 일예를 나타낸 것으로, 이는 당업자라면 다양하게 변경 가능함은 물론이며, 이러한 범위를 본 발명의 권리범위에 속한다고 볼 수 있다.Since the configuration of the resonator is a known technique, a detailed description thereof will be omitted, and the resonator used in the present invention is an example, which can be variously changed by those skilled in the art, and such a range is within the scope of the present invention. It can be said that.
자동편광조절부(107)는 상기 공진기 내부에 구비되어 편광을 자동으로 조절하여 최적의 모드잠금 조건에 해당하는 편광상태가 되도록 한다. 상기 자동편광조절부는 회전 가능하게 구비되는 다수의 파장판(108), 상기 파장판 가운데 위치하는 편광판(109), 상기 파장판을 상대적으로 회전시키기 위한 구동부(113) 및 공진기를 구성하는 광섬유로부터 상기 자동편광조절부로 광을 입/출력하기 위해 파장판 양측으로 구비되어 광섬유에서 나온 빔을 콜리메이팅하고 다시 포커싱하는 광포트(optical port)를 포함하여 구성된다.An automatic
본 발명에 따른 주요 특징으로 모드잠금을 위해 편광기(Polarizer) 또는 편광광분할기(PBS : Polarization Beam Splitter)로 구성되는 편광판의 편광 축을 기준으로 상기 파장판이 자동화된 상대적인 회전을 통해 최적의 모드잠금을 위한 편광 상태를 도달시킨다.The main feature of the present invention is to optimize the mode lock through the automatic relative rotation of the wavelength plate relative to the polarization axis of the polarizing plate consisting of a polarizer or a polarization beam splitter (PBS) for mode lock. Reach the polarization state.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 파장판 회전부의 상세 구성도이다. 상기 자동편광조절부의 파장판을 선택적으로 회전시켜 모드잠금을 위한 최적의 편광 상태를 만들기 위하여 상기 파장판을 회전시키기 위한 스텝모터(302)와, 상기 스텝모터에 구비되어 기어(300)와 파장판에 구비된 기어(300)가 소정의 브라켓(미부호)에 연결되어 스텝모터의 회전으로 파장판을 회전시킨다. 상기 스텝모터는 구동부(113)의 제어 시그널을 통해 제어된다.2 is a detailed configuration diagram of a wave plate rotating unit of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention. A
여기서, 파장판들의 회전에는 일정한 회전 전략이 필요하다. 예를 들어 모든 파장판들이 동일한 방향으로 동일 각도로 회전할 경우, 생성할 수 있는 편광상태의 조합이 제한된다. 또한 모든 파장판들의 회전각 사이에 일정한 비율이 생성될 경우 역시 편광상태의 조합이 제한된다.Here, the rotation of the waveplates requires a constant rotation strategy. For example, if all the wave plates rotate at the same angle in the same direction, the combination of polarization states that can be produced is limited. In addition, if a constant ratio is generated between the rotation angles of all the wave plates, the combination of polarization states is also limited.
따라서, 파장판들의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 하여, 편광상태 조합의 제한 없이 최적의 모드잠금 조건을 찾을 수 있어야 한다. 이러한 단위 회전각도의 조합을 사용함을 특징으로 한다. 이의 일례로, 세 개의 편광판을 사용할 경우, 시계방향으로 3/360, 반시계 방향으로 7/360, 시계 방향으로 11/360과 같은 소수 단위 회전각의 조합을 통해, 편광상태의 조합을 제한 없이 자유롭게 생성할 수 있다. 네 개의 편광판을 사용할 경우, 반시계 방향으로 13/360의 단위 회전각을 추가할 수 있으며, 다섯 개의 편광판을 사용할 경우, 시계 방향으로 17/360의 단위 회전각을 추가하는 등의 조합을 늘려갈 수 있음을 특징으로 한다. 여기서 파장판의 개수를 증가시킬수록 더 정밀하게 편광상태를 조절할 수 있다.Therefore, the rotation angle of the wave plates should be such that there is no common ratio between each angle, so that the optimum mode locking condition can be found without limiting the polarization state combination. It is characterized by using a combination of the unit rotation angle. For example, when three polarizers are used, the combination of polarization states is not limited through a combination of rotational units of fractional units such as 3/360 clockwise, 7/360 counterclockwise, and 11/360 clockwise. You can create it freely. If you use four polarizers, you can add a unit of rotation of 13/360 counterclockwise. If you use five polarizers, you can increase the combination of adding a unit of rotation of 17/360 in a clockwise direction. It is characterized by the presence. In this case, as the number of wave plates increases, the polarization state may be adjusted more precisely.
위와 같이 스텝모터 제어에 의한 파장판들의 상대적인 회전을 통해 최적의 모드잠금 상태를 찾은 후, 레이저를 반복 사용할 때마다 현재의 모드잠금 상태를 유지하여 항상 같은 특성을 갖는 펄스를 생성하여야 한다. 하지만, 외부의 온도 변화나 진동 등으로 인해 광섬유 펨토초 레이저의 편광상태가 약간 변하게 되어 모드잠금 상태를 유지할 수 없게 된다. 온도나 진동에 의해 변화된 편광상태는 최적의 모드잠금을 이루었던 편광상태와 작은 차이를 갖는다.After finding the optimum mode lock state through the relative rotation of the wave plate by the step motor control as described above, whenever the laser is used repeatedly, the current mode lock state must be maintained to generate pulses having the same characteristics. However, due to external temperature change or vibration, the polarization state of the optical fiber femtosecond laser is slightly changed, and thus the mode lock state cannot be maintained. The polarization state changed by temperature or vibration has a small difference from the polarization state which achieved the optimal mode lock.
따라서, 최적의 모드잠금 상태를 유지하려면 모드잠금을 위한 편광상태의 조합을 이루었던 각 파장판들의 초기 회전각을 중심으로 약간의 왕복 회전이 필요하다. 이 때, 파장판들의 왕복 회전에는 일정한 전략이 필요하다. 앞서 설명한 최적의 모드잠금 편광상태를 찾는 것과 마찬가지로 파장판들의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 한다. 즉, 서로 다른 소수단위의 각속도를 가지고 회전하여야 하며 초기 회전각을 중심으로 최대 ± 15도 까지 왕복회전을 해야 한다. 이때 왕복 회전각은 ± 0도부터 ± 15도 까지 점차적으로 증가시킨다.Therefore, in order to maintain an optimal mode lock state, a slight reciprocation of rotation is required around the initial rotation angle of each wave plate which has a combination of polarization states for mode lock. At this time, the reciprocating rotation of the wave plate requires a certain strategy. Like finding the optimal mode-locked polarization state described above, the angle of rotation of the waveplates ensures that there is no common ratio between each angle. That is, it should rotate with different angular velocity of different decimal units and reciprocate rotation up to ± 15 degrees around the initial rotation angle. At this time, the reciprocating rotational angle gradually increases from ± 0 degrees to ± 15 degrees.
도 3은 본 발명에 따른 모드잠금감지부의 상세 구성도이다. 모드잠금감지부(114)는 상기 공진기에서 출력되는 입력받으며, 상기 자동편광조절부를 통해 조절된 최적의 편광상태를 검출 받아 모드잠금을 제어한다.3 is a detailed block diagram of the mode lock detection unit according to the present invention. The mode
상기 모드잠금감지부(1140)는 상기 공진기에서 출력되는 광을 임의의 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링 하는 광필터(optical filter ; 115), 상기 광필터를 통해 필터링된 광을 임의의 반복률에 해당하는 RF신호를 감지하는 포토다이오드(PD)로 구성되는 광검출기(116), 상기 광필터를 통해 필터링된 광에서 일차 반복률만을 필터링하는 전자필터(electronic filter ; 117), 상기 전자필터를 통해 필터링된 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부(118) 및 상기 A/D변환부에서 감지하기 위한 주파수가 빠를 경우 이보다 느린 주파수로 변환하여 신호처리해주는 주파수 분주기(119)를 포함하여 구성된다.The mode lock detection unit 1140 is an
상기 A/D 변환부(118)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 Schmitt trigger or AD convertor or comparator 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 모드잠금감지부의 자동적 모드잠금의 과정과 모드잠금 감지 과정을 아래 도 6과 도 7을 통해 더 상세히 설명하기로 한다.The A /
도 4는 본 발명에 따른 다른 실시예로 다수의 파장판들과 편광판을 광섬유 형태로 구성한 구성도이다. 도 4에 도시된 것은 편광 조절을 위한 편광판과 파장판을 광섬유로 구성한 예를 도시한 도면이다. 광섬유 형태로 대체한 파장판들은 광섬유를 다수의 paddle에 감아 회전시키거나, 광섬유를 비틀거나(squeeze), 눌러주어(press) 파장판의 역할을 하고, paddle의 회전이나 광섬유를 비틀고 눌러주는 작업을 자동화하여 자동회전광섬유파장판(Auto rotating fiber waveplates)의 역할을 하게 된다. 광섬유를 비틀거나 눌러주는 기계적 메카니즘은 도시하진 않았지만, 단순 기계적 구성을 통해 용이하게 설계할 수 있다.
4 is a diagram illustrating a configuration of a plurality of wave plates and a polarizer in the form of an optical fiber in another embodiment according to the present invention. 4 is a diagram illustrating an example in which a polarizing plate and a wavelength plate for polarization control are configured with optical fibers. The waveplates replaced by the optical fiber form a wave plate by rotating the optical fiber around a plurality of paddles, twisting or pressing the optical fiber, and acting as a wave plate, twisting and pressing the rotation of the paddle or the optical fiber. Automated to serve as auto rotating fiber waveplates. The mechanical mechanism for twisting or pressing the optical fiber is not shown, but can be easily designed through a simple mechanical configuration.
도 5는 본 발명에 따른 모드잠금 자동화 장치의 편광조절 과정을 나타낸 순서도이다.Figure 5 is a flow chart illustrating a polarization control process of the mode lock automation device according to the present invention.
한편, 본 발명에 따른 제어부는 일반적은 PC 단말기로 구성할 수 있으며, 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 적절히 연동시킬 수 있는 프로그램이 설치된 제어부로 구성할 수 있다. 편광조절 과정은 우선, 제어부의 명령을 통해 응용프로그램을 사용하여 편광 조절의 실행/정지 명령을 내린다. 실행/정지 신호를 받은 구동부는 step pulse와 direction signal을 생성하고, 그에 해당하는 current를 생성하여 스텝모터(302)를 구동/정지시킨다. 스텝모터는 torque를 생성하여 스텝모터와 기어를 통해 기계적으로 결합된 파장판(108)을 회전/정지시킨다. 이를 통해 여러 개의 파장판이 회전/정지함으로 편광조절이 시작/정지된다.On the other hand, the control unit according to the present invention can be generally configured as a PC terminal, it can be configured as a control unit installed with a program that can properly interlock the automatic polarization control unit and the mode lock detection unit. In the polarization control process, the command of the control unit issues an execution / stop command of the polarization control using an application program. The driver receiving the run / stop signal generates a step pulse and a direction signal, and generates a current corresponding thereto to drive / stop the
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치의 자동적 모드잠금의 과정을 나타내는 순서도이다. 제어부는 응용 프로그램을 사용하여 모드잠금감지부를 실행 시킨다. 앞서 설명한 바와 같이 응용 프로그램으로부터 실행 신호를 받은 구동부는 스텝모터를 회전시킨다. 스텝모터에 연결되어 있는 공진기 내부의 파장판들은 각기 다른 속도로 회전하기 시작하여 자동 편광 조절이 시작된다. 이때, 모드잠금감지부의 광검출기(116)는 자동 편광 조절되는 동안에 공진기의 출력을 감지한다. Figure 6 is a flow chart showing a process of the automatic mode lock of the mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser according to the present invention. The controller executes the mode lock detection unit using an application program. As described above, the driving unit that receives the execution signal from the application program rotates the step motor. The waveplates inside the resonator connected to the step motor begin to rotate at different speeds and the automatic polarization control begins. At this time, the
자동 편광 조절로 인해 수동 모드잠금이 되면 광검출기는 수동모드잠금 됨을 알 수 있는 신호를 감지하게 된다. 자동편광조절부의 편광 조절로 최적의 모드잠금상태를 감지하면, 상기 제어부는 스텝모터를 정지시킨다. 스텝모터에 연결되어 있는 파장판들의 회전이 멈추어 자동 편광 조절이 끝나므로 안정된 모드잠금 상태를 유지한다.
When the manual mode lock is performed due to automatic polarization control, the photodetector detects a signal indicating that the manual mode lock is performed. When the optimal mode lock state is detected by the polarization control of the automatic polarization control unit, the control unit stops the step motor. The rotation of the waveplates connected to the stepper motor stops automatically and the polarization control is completed, thus maintaining a stable mode lock state.
도 7은 본 발명에 따른 모드잠금 감지 과정을 나타낸 순서도, 도 8은 본 발명에 따른 모드잠금 전 후의 스펙트럼 차이와 모드잠금을 감지하는 과정을 나타낸 도면이다. 이를 참조하여 모드잠금 감지 과정을 설명한다.7 is a flowchart illustrating a mode lock detection process according to the present invention, and FIG. 8 is a view illustrating a process of detecting a spectral difference and a mode lock before and after the mode lock according to the present invention. This will be described with reference to the mode lock detection process.
앞서 도 6의 순서도를 통해 모드잠금 과정에서 설명한 바와 같이 모드잠금된 공진기에서 광 빗(optical comb)이 생성된다. 여기서 상기 공진기 출력단에 연결된 광필터(optical filter)에 의해 광필터 통과 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링하며, 광검출기(photo detector)에 의해 반복률(repetition rate)에 해당하는 RF 신호를 감지한다.As described in the mode locking process through the flowchart of FIG. 6, an optical comb is generated in the mode locked resonator. Here, the optical filter connected to the resonator output terminal filters a portion of the optical comb corresponding to the wavelength range of the optical filter and detects an RF signal corresponding to a repetition rate by a photo detector. .
또한, 전자필터(electronic filter)를 사용하여 일차 반복률 만을 필터링하고, A/D변환부를 통해 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하여 신호감지를 용이하게 한다. 만약 반복률이 신호를 감지하기에 빠른 주파수를 갖는다면 주파수분주기(electronic divider)를 사용하여 반복률에 해당하는 빠른 주파수를 느린 주파수로 바꾸어 신호를 처리하는데 용이하도록 한다. 응용프로그램에서 신호를 감지하여 자동 모드잠금을 위한 편광 조절을 멈춘다.In addition, only the primary repetition rate is filtered using an electronic filter, and the A / D conversion unit converts an analog signal corresponding to the primary repetition rate into a digital signal to facilitate signal detection. If the repetition rate has a faster frequency to detect the signal, an electronic divider is used to convert the fast frequency corresponding to the repetition rate to a slower frequency to facilitate processing of the signal. The application detects the signal and stops polarization control for automatic mode lock.
도 9는 본 발명에 따른 자동 모드잠금된 광섬유 펨토초 레이저의 잡음 감소 방법을 도시한 그래프이다. 자동 모드잠금 된 광섬유 펨토초 레이저의 잡음 감소 방법으로 내용은 다음과 같다. 자동모드잠금 된 공진기에서 생성된 광 빗을 광검출기로 detection 하게 되면 RF domain 에서 (도 9)-(1)과 같이 반복률 harmonics들과 그 사이에 noise 성분이 나타나게 된다. Noise 성분을 감소시키기 위해서, 우선 noise 성분에 해당하는 frequency를 electric filter를 이용하여 필터링하면 (도 9)-(2)와 같이time domain에서 CW 형태의 noise 성분을 얻을 수 있다. Modelocked laser에서 LD pump power를 적당히 줄이므로 modelocking 상태를 유지하면서 noise 성분이 사라지는 것을 이용하여 일정 한 amplitude threshold 값을 지정했을 때 filtering된 noise 성분의 amplitude가 그 값 이하로 내려 갈 때까지 pump power를 줄이고, 그 값 이하로 내려가면 멈추게 한다(도 9)-(3). 그러므로 (도 9)-(4)와 같이 RF domain에서 반복률 harmonics 들만 존재하는 낮은 잡음의 광 빗을 생성 할 수 있다. 이때 pump power를 너무 많이 줄이게 되면 modelock이 풀릴 수 있으므로 threshold 값을 적절하게 선택해야 한다.9 is a graph illustrating a noise reduction method of an automatic mode locked optical fiber femtosecond laser according to the present invention. The noise reduction method of the automatic mode locked fiber femtosecond laser is as follows. When the optical comb generated by the automatic mode locked resonator is detected by the photodetector, noise components appear between the repetition rate harmonics and the RF domain as shown in FIG. In order to reduce the noise component, first, a frequency corresponding to the noise component is filtered using an electric filter to obtain a noise component of CW type in the time domain as shown in FIGS. 9 and 2. In the modelocked laser, the LD pump power is moderately reduced, so when the noise component disappears while maintaining the modelocking state, the pump power is reduced until the amplitude of the filtered noise component drops below that value. , Stops below the value (Fig. 9)-(3). Therefore, as shown in (Fig. 9)-(4), it is possible to generate a low noise optical comb in which only repetition rate harmonics exist in the RF domain. If the pump power is reduced too much, the modelock may be released. Therefore, the threshold value should be appropriately selected.
이와 같이 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치는 1550nm를 중심파장으로 하여 40 ~ 60 nm의 파장대역을 갖는 광 빗과 펨토초 단위의 폭을 갖는 펄스를 생성하게 된다.The mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser configured as described above generates an optical comb having a wavelength band of 40 to 60 nm and a pulse having a width in femtosecond units using 1550 nm as a center wavelength.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. On the contrary, those skilled in the art will appreciate that many modifications and variations of the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the appended claims. And all such modifications and changes as fall within the scope of the present invention are therefore to be regarded as being within the scope of the present invention.
100: 공진기(ring cavity)
101: EDF
102: SMF
103: 아이솔레이터(Isolator)
104: WDM
105: 레이저다이오드
106: 광커플러
107: 자동편광조절부
108: 파장판
109: 편광판
110: 광포트
111: laser beam
113: 구동부
114: 모드잠금감지부
115: 광필터
116: 광검출기
117: 전자필터
118 : A/D 변환부
119 : 주파수 분주기
200: 제어부(응용프로그램)
300: 기어
301: 파장판
302: 스텝모터
400: 광섬유 파장판
401: 광섬유 편광판
500: Wavelength bandwidth of optical filter
501: Frequency bandwidth of electronic filter
600: Frequency bandwidth of electronic filter
601: Amplitude threshold
602: LD pump power 감소100: ring cavity
101: EDF
102: SMF
103: isolator
104: WDM
105: laser diode
106: Optocouplers
107: automatic polarization control unit
108: wave plate
109: polarizer
110: optical port
111: laser beam
113: drive unit
114: mode lock detection unit
115: optical filter
116: photodetector
117: electronic filter
118: A / D converter
119 frequency divider
200: control unit (application)
300: gear
301: wave plate
302: step motor
400: optical fiber wave plate
401: optical fiber polarizer
500: Wavelength bandwidth of optical filter
501: Frequency bandwidth of electronic filter
600: Frequency bandwidth of electronic filter
601: Amplitude threshold
602: LD pump power reduction
Claims (12)
파장판과 편광판을 구비하고, 상기 공진기에 출력되는 펨토초 레이저를 입력받아 상기 파장판과 편광판의 회전각을 조절하여 모드잠금을 위한 편광을 조절하기 위한 자동편광조절부;
상기 공진기에서 출력되는 펨토초 레이저의 모드잠금 전/후의 스펙트럼 차이를 감지하여 모드잠금을 위한 신호를 감지하는 모드잠금감지부; 및
상기 자동편광조절부와 모드잠금감지부를 프로그램에 의해 제어하여 모드잠금 신호를 감지하면 모드잠금하는 제어부;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.A resonator having a ring cavity structure having a femtosecond laser source;
An automatic polarization control unit having a wavelength plate and a polarizing plate, and receiving a femtosecond laser output to the resonator to adjust rotation angles of the wavelength plate and the polarizing plate to adjust polarization for mode lock;
A mode lock detection unit for detecting a signal for mode lock by detecting a spectral difference before / after mode lock of the femtosecond laser output from the resonator; And
And a control unit configured to control the automatic polarization control unit and the mode lock detection unit by a program to detect a mode lock signal.
광을 출력하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드에서 출력되는 광을 파장 분할 다중화시키는 WDM(wavelength division multiplexer);
상기 WDM에서 출력되는 광을 게인 미디움(gaim medium)으로 사용하기 위한 EDF(Erbium doped fiber)와 커 미디움(kerr medium)으로 사용하기 위한 SMF(Single mode fiber);
아이솔레이터(isolator); 및
상기 공진기에서 출력되는 광을 상기 모드잠금감지부로 제공하는 광커플러;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 1, wherein the resonator,
A laser diode for outputting light;
A wavelength division multiplexer (WDM) for wavelength division multiplexing the light output from the laser diode;
EMF (Erbium doped fiber) for using the light output from the WDM as a gain medium (single medium) and SMF (Single mode fiber) for using as a medium (kerr medium);
Isolators; And
And an optical coupler for providing the light output from the resonator to the mode lock detection unit.
상기 EDF와 SMF의 길이를 조절하여 공진기의 분산특성과 반복률을 제어하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 2,
Mode lock automation device of the optical fiber femtosecond laser for controlling the dispersion characteristics and repetition rate of the resonator by adjusting the length of the EDF and SMF.
회전 가능하게 구비되는 다수의 파장판;
다수의 상기 파장판 사이에 구비되어 편광판;
상기 공진기로부터 광을 전달받기 위한 광포트; 및
다수의 상기 파장판의 회전을 제어하는 구동부;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 1, wherein the automatic polarization control unit,
A plurality of wave plates rotatably provided;
A polarizing plate provided between the plurality of wave plates;
An optical port for receiving light from the resonator; And
Automated mode lock of the optical fiber femtosecond laser comprising a; drive unit for controlling the rotation of the plurality of wave plates.
상기 파장판을 회전시키는 스텝모터;
상기 스텝모터와 연동하여 상기 파장판으로 회전력을 전달하는 기어;
상기 스텝모터의 구동을 제어하는 구동 드라이브;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 4, wherein the driving unit,
A step motor for rotating the wave plate;
A gear for transmitting rotational force to the wave plate in association with the step motor;
Automated mode lock of the optical fiber femtosecond laser comprising a; drive drive for controlling the drive of the step motor.
다수의 파장판의 회전각은 각각의 각도 사이에 공통된 비율이 존재하지 않도록 회전시켜 편광을 조절하는 것을 특징으로 하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 4 or 5, wherein the automatic polarization control unit,
The rotation angle of the plurality of wave plates is rotated so that there is no common ratio between each angle to control the polarization mode of the optical fiber femtosecond laser, characterized in that for controlling the polarization.
다수의 패들(paddle)에 광섬유를 감아 구성시키고, 상기 광섬유를 비틀거나(squeeze) 늘려주어(press) 편광을 조절하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 4, wherein the polarizing plate and the wavelength plate,
Automated mode locking device for a fiber femtosecond laser to control the polarization by winding the optical fiber to a plurality of paddles (squeeze) or stretch (squeeze) the optical fiber.
상기 공진기에서 출력되는 광을 임의의 파장대역에 해당하는 광빗의 일부분을 필터링 하는 광필터(optical filter);
상기 광필터를 통해 필터링된 광을 임의의 반복률에 해당하는 RF신호를 감지하는 광검출기;
상기 광필터를 통해 필터링된 광에서 일차 반복률만을 필터링하는 전자필터(electronic filter);
상기 전자필터를 통해 필터링된 일차 반복률에 해당하는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및
상기 A/D변환부에서 감지하기 위한 주파수가 빠를 경우 이보다 느린 주파수로 변환하여 신호처리해주는 주파수 분주기;를 포함하여 구성되는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 1, wherein the mode lock detection unit,
An optical filter for filtering a portion of an optical comb corresponding to an arbitrary wavelength band of light output from the resonator;
A photo detector for detecting the RF signal corresponding to an arbitrary repetition rate of the light filtered through the optical filter;
An electronic filter for filtering only the primary repetition rate in the light filtered through the optical filter;
An A / D converter for converting an analog signal corresponding to the primary repetition rate filtered by the electronic filter into a digital signal; And
Automated mode lock of the optical fiber femtosecond laser comprising a; frequency divider for converting the signal to a slower frequency than this if the frequency detected by the A / D conversion unit.
모드잠금 전/후 스펙트럼이 겹치지 않는 파장대역의 필터를 적용하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 8, wherein the optical filter,
Mode lock automation device of a fiber-optic femtosecond laser applying a wavelength band filter where the spectrums before and after the mode lock do not overlap.
첫 번째 반복률의 주파수만 필터링 할 수 있는 주파수대역을 갖는 것을 적용하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 8, wherein the electronic filter,
Automated mode lock for fiber-optic femtosecond lasers with a frequency band capable of filtering only the first repetition rate.
Schmitt trigger, A/D convertor, comparator 중 어느 하나를 사용하는 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 1, wherein the A / D conversion unit,
Automated mode lock for fiber-optic femtosecond lasers using Schmitt trigger, A / D convertor or comparator.
최적의 모드잠금 상태를 유지시키기 위해 모드잠금 후 상기 각 파장판들의 초기 회전각을 중심으로 ± 0도부터 ± 15도로 왕복 회전시키는 것을 광섬유 펨토초 레이저의 모드잠금 자동화 장치.The method of claim 4 or 5, wherein the automatic polarization control unit,
Automated mode lock of the optical fiber femtosecond laser to reciprocate rotation of ± 0 degrees to ± 15 degrees around the initial rotation angle of the respective wavelength plates after the mode lock to maintain the optimum mode lock state.
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