KR20140002392U - 대략 974 내지 1030㎚의 파장 범위에서 고휘도 저잡음 출력을 갖는 고출력 광섬유 펌프 소스 - Google Patents

대략 974 내지 1030㎚의 파장 범위에서 고휘도 저잡음 출력을 갖는 고출력 광섬유 펌프 소스 Download PDF

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Abstract

본 고안의 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스는 약 974nm 내지 1030nm의 파장 범위 내 소기의 파장에서 평활하고 저잡음의 신호 광을 방출하는 다중모드("MM") 시드 소스와, 서브-펌프 파장(λsp)에서 복수의 고출력("HP") 반도체 레이저 다이오드의 방출을 소기의 파장(λp)에서의 펌프 출력으로 변환하는 MM Yb 광섬유 파장 컨버터를 갖도록 구성되며, △λ= λp - λsp < 0/1λsp이다. Yb-도핑 MM 파장 컨버터는 저잡음 신호 광과 실질적으로 동일한 잡음 레벨, 및 n×B와 실질적으로 동일한 휘도("B")를 갖도록 구성되며, n은 HP 반도체 레이저 다이오드의 수이고, B는 각각의 HP 레이저 다이오드의 휘도이며, 출력 전력("Po")은 실질적으로 nPd와 동일하고, Pd는 각각의 HP 레이저 다이오드의 전력이며, n은 HP 레이저 다이오드의 수이다.

Description

대략 974 내지 1030㎚의 파장 범위에서 고휘도 저잡음 출력을 갖는 고출력 광섬유 펌프 소스{HIGH POWER FIBER PUMP SOURCE WITH HIGH BRIGHTNESS LOW NOISE OUTPUT IN ABOUT 974-1030NM WAVELENGTH RANGE}
본 고안은 약 974nm에서 약 1030nm까지의 파장 대역에서 증폭된 고휘도(ultra bright) 및 저잡음의 펌프 출력으로 반도체 레이저 다이오드가 방출하는 Yb MM 파장 컨버터와 연결되는, 평활(smooth)하고 낮은 신호 광을 방출하는 MM 시드 소스(MM seed source)로 구성된 광섬유 펌프 소스(fiber pump source)에 관한 것이다.
Yb-도핑 이득 광섬유를 포함하는 광섬유 레이저(fiber lasers)는 고효율이고 비용 효과적이며 컴팩트하고 견고한 광 생성 및 광 증폭 장치이다. 이테르븀(Ytterbium) 기반 광섬유 레이저는 우수한 효율성 및 장기간의 안정성으로 인해 산업용 광섬유 레이저 시장의 대부분을 주도하고 있다.
Yb-도핑 매체에서 최대 피크 흡수는 코어 재료로 첨가되는 도판트(dopants)에 따라 약 974 내지 976nm에서 발생한다. 따라서, 가령 975nm와 같이 피크 흡수 파장과 가능한 한 근접한 파장에서 Yb-도핑 매체를 펌핑하는 것은 다른 펌프 파장에 비해 2개의 두드러진 이점인: Yb 광섬유 이득 블록의 더 작은 광섬유 길이 및 더 높은 효율을 가진다. 펌핑된 Yb 이득 블록의 더 작은 광섬유 길이가 전력 스케일링에 영향을 주는 유해한 비선형 효과를 제한하는 핵심이기 때문에, 더 작은 광섬유 길이는 특히 중요하다. 따라서, 비선형 효과 및 하기에 설명되는 다른 장애들은 고품질의 빔, 즉 고휘도를 갖는 고출력 Yb 광섬유 레이저 구조의 전력 스케일링을 방해할 수 있다.
이런 장애들의 적어도 일부를 성공적으로 극복하기 위해서는, HP Yb 이득 블록용 펌프 소스가 가능한 최대의 펌프 전력뿐만 아니라, 최대 휘도와 전력 밀도, 및 피크 흡수 파장에서 가능한 최소의 잡음 레벨을 가지는 펌프 광을 방출하도록 구성될 필요가 있다.
펌프 전력 증가에 대한 실행가능한 해결책은 펌핑된 Yb 이득 블록에 직접 연결되는 단일 출력 빔을 얻기 위해 MM 결합기에서 다수의 레이저 다이오드의 출력을 결합하는 것을 본래 의미하는, 빔 결합의 원리일 수 있다. 또한, 이 원리에 기반한 펌프 소스를 MM 결합기 펌프 소스라고 한다. MM 펌프 소스에 의한 전력 출력은 매우 높을 수 있으나, 그렇다 하더라도, 휘도, 전력 밀도 또는 잡음 레벨은 일반적으로 두드러지게 개선되지 않는다.
펌프 광의 휘도를 개선하기 위해서는, 펌프 광의 MM 방사에서 모드당 에너지를 증가시키더라도 펌프 광의 다이버전스(divergence)가 감소되어야 하고/하거나, 빔 크기가 감소되어야 한다. 그러나, MM 결합기 펌프 소스에서 다수의 레이저 다이오드의 휘도는 보존되더라도, 반도체 레이저에 의해 방출된 펌프 광의 추가적인 증폭이 없기 때문에 그 휘도가 개선되지는 않는다.
MM 결합기 펌프 출력의 전력을 증가시키는데 필요한 레이저 다이오드의 수의 증가는 특정의 바람직하지 못한 결과를 가져온다. 결합기의 출력을 이득 블록으로 인도하는 전달 광섬유의 코어 직경이 증가한 전력과 함께 확대되어야 하며, 그렇지 않으면, 펌프 광과 전달 광섬유의 결합으로 인해 매우 큰 고전력 손실이 발생한다. 일단 코어 직경이 증가하면, 큰 펌프 전력을 가지더라도, 전력 밀도는 전력이 증가되기 전과 여전히 실질적으로 동일하다. 이는 기껏해야 동일한 펌프 흡수로 이어진다, 즉 펌핑된 Yb 이득 광섬유(이득 블록이라고도 함)에서 펌프 광 및 활성 코어의 오버랩은 여전히 실질적으로 동일하다. Yb-도핑 능동형 광섬유의 길이를 감소시키지 않고는 이득 및 빔 품질을 제한하는 비선형 효과에 대한 임계치가 높아지지 않는다.
상술한 내용을 기초로 하면, MM 결합형 펌프 소스는 높고 매우 높은 펌프 광 전력을 제공한다. 그러나, 펌프 광의 휘도 및 전력 밀도는 증가한 펌프 광 전력의 수혜를 받지 못한다. 따라서, Yb 이득 블록에서 추가적인 전력 스케일링 및 빔 품질을 제공하기 위해, 고휘도 및 고출력 밀도를 가지고 974nm 내지 1030nm 범위에서 고출력 광을 출력하는 개선된 광섬유 펌프 소스가 요구된다.
대안으로, 소기의 파장에서 고출력 펌프 광을 생성할 수 있는 고출력 다중모드 광섬유 레이저를 포함하는 펌프 소스를 구성할 수 있는 가능성은 항상 존재한다. 그러나, (소위 스페클링(speckling) 효과라고 하는) 몇몇 여기(exited) 모드들이 서로 간섭하기 때문에 공진기(resonator)에서 발생하는 유해한 전력 스파이크가 레이저를 파괴할 만큼 강력할 수 있다. 그러나, 레이저가 손상되더라도, 그 출력은 변동하며 명백히 유해한 높은 레벨의 잡음을 가진다.
따라서, 974nm 내지 1030nm의 범위에서, 특히 975nm 파장에서 안정된 고출력, 고휘도 펌프 광을 출력하는 광섬유 펌프 소스를 제공할 필요가 있다.
또한, 상당히 개선된 휘도를 가지고 974nm 내지 1030nm의 범위에서 고출력의 안정된 펌프 광을 출력하도록 동작하는 고출력 펌프 소스에 대한 필요성이 존재한다.
대부분의 고출력 MM 결합기 펌프 소스에서 이용가능한 현재의 가용 전력 밀도보다 적어도 10배 이상 큰 펌프 전달 광섬유에서의 전력 밀도와, 현재 가용 전력 레벨을 초과하는 펌프 광 전력 레벨의 특징을 갖는, 974nm 내지 1030nm의 범위에서 펌프 광을 출력하는 고출력 고휘도 광섬유 펌프 소스를 제공할 추가적인 필요가 있다.
또한, 평활하고 저잡음 신호 광을 출력하는 다중모드 시드 소스, 및 광 신호의 잡음 레벨을 초과하지 않는 잡음 레벨과 광 신호의 휘도를 크게 초과하는 휘도를 갖는 펌프 광을 출력하기 위해 신호 광을 증폭하도록 구성되는 Yb-도핑 파장 컨버터를 갖는 고출력 광섬유 펌프 소스에 대한 필요성이 존재한다.
또한, 시드 소스 및 △λ= λp - λsp < 0/1λsp이 되게 파장(λsp)에서 복수의 고출력 반도체 서브-펌프 레이저 다이오드의 방출을 파장(λp)에서의 펌프 신호로 변환하도록 동작하는 파장 컨버터를 갖도록 구성되는 고출력, 고휘도 펌프 소스에 대한 필요성이 존재한다.
상술한 요구들은 본 명세서에 기술되는, 평활한 (스파이크 없는) 저잡음 신호 광을 증폭하고 고출력, 고휘도, 저잡음 고밀도 펌프 광을 출력하도록 구성된 고출력, 고휘도 펌프 소스에 의해 만족된다. 특히, 본 명세서에 개시된 펌프 소스는 974nm 내지 1030nm의 파장 범위에서, 가장 바람직하게는 975nm 파장에서 고출력, 고휘도, 저잡음 고밀도 펌프 광을 출력하도록 동작한다.
본 명세서에 개시된 MM 고출력, 고휘도 펌프 소스는 바람직하게는 975nm 파장에서 또는 974nm 내지 1030nm의 범위 내의 임의의 다른 소기의 파장에서 평활한 신호 광(λp)을 출력하는 하나 이상의 결합형 MM 시드 소스로 구성된다. MM 시드 소스는 광섬유 구성요소 또는 MM 레이저 다이오드로서 구성될 수 있으며, 수백 와트(watts)에 이를 수 있는 신호 광을 출력할 수 있다.
MM 펌프 소스는 복수의 MM 반도체 레이저 다이오드로부터 파장(λsp)에서의 서브-펌프 방출을 펌프 광(λp)으로 변환하도록 동작하는 Yb 도핑 MM 파장 광섬유 컨버터를 더 구비하며, 이때 △λ= λp - λsp < 0/1λsp이다.
또한, MM 파장 컨버터는 한 kW 레벨에 도달할 수 있는 신호 광 파장(λp)에서 밝은 펌프 광을 출력하기 위해 저잡음 MM 신호 광을 수신하고 증폭하도록 구성되나, 1과 실질적으로 동일한 잡음 지수(noise figure)를 가진다. 다시 말하면, MM Yb 요소는 임의의 추가적인 잡음을 신호 광에 추가하지 않는다. 따라서, Yb-도핑 MM 파장 컨버터는 임의의 이득 지수를 시드 신호 광의 잡음 레벨에 부가하지 않으나 그 휘도를 상당히 개선시키는 Yb 도핑 MM 광섬유 증폭기로 구성된다.
파장(λsp)에서 서브-펌프 광을 방출하는 펌프 서브-어셈블리를 정의하는데 결합된 MM Yb 반도체 레이저 다이오드의 수는 수십의 다이오드들만큼 많을 수 있다. 각 반도체 서브-펌프 다이오드는 최대 수백 와트의 서브-펌프 광을 출력할 수 있다. 따라서, 서브-펌프는 고강도의 서브-펌프 광을 MM Yb 파장 컨버터로 전달하도록 구성되므로, 매우 높은 전력 레벨에서 고휘도, 저잡음 펌프 광을 출력할 수 있다.
MM Yb 파장 컨버터로부터 펌프 신호가 공지기술의 MM 레이저 다이오드 결합기의 전달 광섬유의 코어 직경보다 더 작은 횡단면을 갖는 전달 광섬유로 결합되며, 펌프 광 전력이 균일하도록 제공된다. 따라서, Yb 이득 블록에 전달된 펌프 광은 동일한 조건하에 공지기술의 MM 결합기 기반 펌프 소스에 전달된 전력 밀도보다 10배 이상인 고전력 밀도를 가진다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 MM 펌프 광은 고강도의 고휘도 및 저잡음일 뿐만 아니라 높은 밀도를 가진다.
또한, 본 명세서에 개시된 펌프 소스는 고출력, 밝은 SM 펌프 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 또한, 이런 구성은 상술한 소스에 따라 구성된 제 1 캐스케이드(cascade) 및 Yb-도핑 광섬유를 갖는 SM 광섬유 레이저를 포함한다. 따라서, 펌프 소스는 고출력, 고휘도 및 SM 펌프 소스를 출력한다.
본 고안의 내용 중에 포함되어 있다.
본 명세서에 개시된 장치의 상술한 특징 및 다른 특징은 도면에 첨부된 하기의 상세한 설명으로부터 더 쉽게 명백해질 수 있을 것이다:
도 1은 974nm 내지 1030nm의 파장 범위에서 고출력, 고휘도 MM 펌프 광을 출력하는 본 명세서에 개시된 MM 펌프 소스의 광학적 개략도를 도시한다.
도 2a는 974nm 내지 1030nm 파장 범위에서 고출력, 고휘도 SM 펌프 광을 출력하도록 단일 모드 Yb 레이저와 결합되는 도 1의 본 명세서에 개시된 펌프 소스를 도시한다.
도 2b는 도 2a의 Yb-광섬유 레이저의 상세한 구성을 도시한다.
도 3은 엔드 펌프 구성에서 서로 연결되는 도 1 또는 도 2a의 복수의 펌프 시스템을 포함하는 고출력 광섬유 레이저 시스템을 도시한다.
도 4는 사이드-펌핑 기술에 따라 배열되는 도 1 또는 도 2의 본 명세서에 개시된 광섬유 펌프 시스템을 포함하는 고출력 광섬유 레이저 시스템을 도시한다.
도 1을 참조하면, 광섬유 펌프 소스(10)는 약 974nm와 1030nm 사이에 있는 신호 광을 생성하는 적어도 하나 이상의 결합형 시드(12) 및 고출력, 고휘도 펌프 광을 출력하도록 신호 광을 수신하고 증폭하는 MM 파장 컨버터(14)를 포함한다. 파장 컨버터(14)는 Yb 이온으로 도핑된 다중모드 코어를 가지며, 복수의 결합형 반도체 레이저 다이오드(18)를 포함하는 서브-펌프 시스템(16)에 의해 사이드 펌핑(side pumped)되는 능동형 광섬유(active fiber)를 포함한다. 반도체 레이저 다이오드들은 서브-펌프 광을 생성하고 서브-펌프 파장(λsp)에서 컨버터(14)와 결합되는데, △λ= λp - λsp < 0/1λsp에서 선택되며, λp는 (신호 광의 파장과 동일한) 펌프 출력 파장이다. 파장의 근접성은 고 양자 효율(high quantum efficiency)에 기여하여, 낮은 열 관련 손실 및 펌핑된 Yb 광섬유 블록의 높은 이득으로 이어진다. 따라서, 상술한 바와 같이, 파장 컨버퍼(14)는 λsp 파장에서 서브-펌프 방출을 펌프 파장(λp)으로 변환하도록 동작한다.
예컨대, 시드(12)는 적어도 약 0.1 m.r.s.의 잡음 레벨 실효값(root-mean-square(r.m.s.) value)을 가지고 974nm 내지 1030nm의 파장 범위에서 그리고 바람직하게는 975nm 파장에서 평활하고 스파이크 없는 신호 광을 생성하는, 단일 또는 다수의 결합형 파워풀 피그테일드 MM 레이저 다이오드 또는 광섬유-기반 시드로서 구성된다. 또한, 다이오드는 약 0.1 내지 0.13 사이의 범위에 있는 NA를 가진다. 단일 광은 수십 내지 수백 와트 사이에서 변하는 출력 전력을 가질 수 있다. 수동형 MM 광섬유(20)는 생성된 신호 광을 수신하고 더 나아가 MM Yb 파장 컨버터(14)로 인도한다. 예컨대, 수동형 광섬유(20)는 100 마이크론 이상의 MM 코어 직경을 가지도록 구성된다. 소스(10)의 펌프 출력의 파장인 신호 광의 특정 파장이 증폭기(100)의 흡수 피크와 가장 근접한 파장에서 Yb 이득 블록(100)을 펌핑하도록 선택된다. 흡수 피크의 파장은 1030nm 내지 1070nm의 범위에서 동작할 수 있다. 대안으로, 시드(12)는 하나 이상의 결합형 SM 광섬유 레이저를 포함할 수 있다.
파장 컨버터(14)의 MM Yb-도핑 능동형 광섬유는 이중 클래드(double clad)나 표준 구성 및 예컨대 약 50 내지 150 마이크론(이상)의 범위 내에서 변할 수 있는 코어 직경을 가질 수 있다. 모든 광섬유의 외경은 균일할 수 있으며, 예컨대 약 110 마이크론에서 약 300 마이크론으로 변할 수 있다. 컨버터(14)의 Yb-도핑 광섬유는 약 0.05 내지 0.13의 사이에서 변하는 작은 NA를 가지도록 더 구성된다.
파장 컨버터(14)로부터의 펌프 광의 출력 전력(Po)은 매우 높을 수 있으며, 예컨대 사이드 펌핑 컨버터(14) 및 그 개수로 이루어진 서브-펌프 어셈블리에서 결합되는 HP 반도체 레이저 다이오드(18)의 수에 따라 결정된다. 따라서, 펌프 광의 출력(Po)는 N×Pld이며, 여기서 N은 HP 레이저 다이오드의 수이고 Pld는 각각의 개별 다이오드의 전력이다. 물론, 펌프 광의 출력 전력(Po)은 또한 HO 레이저 다이오드의 결합된 전력에 추가될 수 있는 신호 광의 전력에 의존한다. 예컨대, 펌프 광은 920nm 파장에서 방출될 수 있고, 신호 광의 전파 방향을 따라 그리고 그 역방향으로도 전파할 수 있다. 레이저 다이오드의 수는 함께 결합되는 90개까지의 다이오드를 포함할 수 있다. 예컨대, 각 다이오드는 100 와트 펌프 광을 출력할 수 있다. 따라서, 펌프 소스(10)는 약 974nm 내지 1030nm로 변하는 파장에서 멀티 kW 펌프 광을 출력할 수 있다. 서브-펌프 어셈블리가 사이드-펌프 파장 컨버터(14)로 도시되는 한편, 복수의 레이저 다이오드(18)를 포함하는 엔드 펌핑 구성이 당업자에 의해 용이하게 구현될 수 있음을 유의하라.
펌프 광의 고출력 레벨(Po)은 HP 레이저 다이오드 및 신호 광과 각각 비교하여 펌프 광의 개선된 휘도("B")에 크게 기여한다. 휘도(B)는 일반적으로 Po/BPP와 동일하며, BPP는 1/2Dc×NA로 결정될 수 있는 빔 파라미터 곱(beam parameter product)이며, Dc는 코어 직경이고 NA는 개구수(numerical aperture)이다. NA가 실제로 신호 광의 NA 이하이기 때문에, 펌프 출력의 휘도는 출력 전력이 실질적으로 균일하게 제공되는 공지기술의 초고강도 MM 결합기의 휘도보다 적어도 10배 이상일 수 있다.
유리하기로, 코어에서 Yb3 + 도판트의 농도는 상대적으로 낮다. 본 명세서에 따르면, 바람직하기로, Yb의 농도가 50ppm 내지 100ppm 사이로 변한다. 그러나, 이 범위는 약 10 내지 200ppm의 범위로 확장될 수 있다.
또한, 파장 컨버터(14)는 Yb-도핑 광섬유의 개별 단부에 연결되는 입력 및 출력 수동형 광섬유들(미도시) 및 펌프 광을 이득 블록(100)으로 인도하는 전달 광섬유(15)를 가진다. 전달 광섬유는 통상 불필요한 손실을 방지하기 위해 컨버터(14)의 출력 수동형 광섬유와 유사한 코어 크기를 갖도록 구성된다. 광섬유 레이저 분야의 당업자는 본 명세서에 개시된 시스템에서 펌프 광을 인도하는 코어가 펌프 전력이 실질적으로 동일하도록 제공되는 공지된 MM 커플러 펌프 소스의 전달 광섬유의 코어보다 상당히 더 작다는 점을 바로 인식할 수 있다. 그 결과 출원인에게 공지된 현재의 최첨단 펌프 소스와 관련된 공지의 전력 밀도의 적어도 10배 이상일 수 있는, 이득 블록(100)으로 전달되는 펌프 광의 초고전력 밀도로 이어진다. 펌프 광의 소기의 주파수 및 고밀도는 이득 및 출력 빔의 품질에 유리한 영향을 주는 Yb 블록(100)에서의 능동형 광섬유의 길이를 상당히 감소시킬 수 있다.
따라서, MM 파장 컨버터(14)는 MM 광섬유 증폭기로 구성된다. 그러므로, 컨버터(14)의 증폭된 펌프 신호의 잡음 레벨은 단지 낮은 시드 소스(12)의 잡음 레벨 정도에 지나지 않는다. 또한, 이런 저잡음 펌프 신호는 개선된 이득 블록(100)에 기여한다.
펌프 출력의 976nm 파장이 유일하게 가능한 파장인 것은 아니다. 976nm 파장보다 더 긴 다른 파장이 용이하게 실현될 수 있다. 그러나, 976nm에서 펌핑은 비선형 효과의 제한 및 더 높은 효율을 위한 핵심인 Yb 블록(100)의 광섬유 길이가 더 작아질 수 있도록 한다.
다수의 소스(10)는 함께 결합되며 독립형(stand-alone) 장치로서 사용될 수 있다. 그러나, 하기에 기술되는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 소스(10)의 이점은 서로 다른 펌핑 구성에서 펌프로서의 소스 또는 소스들(10)을 통합하는 광섬유 레이저 시스템과 관련하여 특히 중요해진다.
도 2a 및 2b는 2 이상의 캐스케이드를 통합하는 고출력 SM 펌프 소스(25)의 구성을 도시한다. 제 1 캐스케이드는 도 1의 펌프 소스(10)에 따라 구성되며, 추가의 캐스케이드가 Yb-도핑 SM 광섬유 레이저(24)에 제공된다. 예컨대, 캐스케이드는 약 1030nm에서 단일 모드 펌프 광을 출력하도록 서로 광학적으로 연결된다. 레이저(24)는 약 10 내지 20 마이크론 코어 직경 및 50 내지 100 마이크론 직경의 클래드를 갖는 능동형 실리카 광섬유(30)를 갖도록 구성된다. 광섬유(30)의 코어(30c)는 Yb 이온으로 도핑되며, 바람직하게는 가령 1 마이크론 범위와 같은 소기의 파장 범위에서 실질적으로 기본 모드를 지원할 수 있는 MM 코어를 가진다. 레이저(24)는 능동형 광섬유(30)의 단부에 각각 접합되는 한 쌍의 이중-클래드 수동형 광섬유(26, 28)를 더 가진다. 균일하게 구성된 입력 및 출력 수동형 광섬유(26, 28)는 각각 단일-모드("SM") 코어 및 도파로 클래딩(waveguide cladding)을 가진다. 파장 선택은 레이저(24)의 수동형 광섬유(26 및 28)의 개별 코어에 기록된 한 쌍의 광섬유 브래그 격자들(46)에 의해 제공된다.
펌프 소스(25)는 하기의 방식으로 동작한다. 컨버터(14)로부터 974nm 내지 976nm 파장 범위에서의 고출력, 고휘도 신호 광은 이런 광을 레이저(24)의 입력 수동형 광섬유(26)로 전달하는 출력 수동형 광섬유(32)의 대형 MM 코어(32c)(도 2b)에서 또한 인도된다. 광섬유(26)의 도파로 클래드는 가령 100 마이크론과 같이 수동형 광섬유(32)의 코어 크기와 실질적으로 동일한 직경을 갖는 반면, SM 코어(26c)는 코어(32c)보다 더 작은 직경으로 제공된다. 따라서, 펌프 소스(10)로부터 974nm 내지 976nm에서의 출력 신호 광은 또한 입력 광섬유(26)의 클래드 및 코어(26c) 모두를 따라 전파한다. 이후, 인도된 광은 통상 코어 크기(26c)보다 큰 직경을 갖는 MM 코어(30c)를 구비하는 능동형 이중-클래드 Yb-도핑 광섬유(30) 및 입력 광섬유(26)의 도파로 클래드와 실질적으로 동일하도록 치수화된 도파로 내부 클래드(30cl)로 결합된다. 능동형 Yb-도핑 광섬유(30)의 길이는 클래드(30cl)를 따라 전파하는 광이 코어(30c)에 실질적으로 흡수되도록 구성된다. 따라서, 고출력 펌프 소스(25)는 가령 1030nm와 같은 소기의 파장에서 SM 고출력, 고휘도 펌프 광을 생성할 수 있다.
각각의 입력 수동형 SM 광섬유(26)와 능동형 Yb-도핑 MM 광섬유(30)의 코어(26c 및 30c)는 서로 실질적으로 부합하는 모드 필드 직경("MFD")을 갖도록 구성된다. 본 명세서와 함께 동일한 양수인에 의해 공유되고 참조로 본 명세서에 전체로서 통합된 미국특허 5,422,897 및 5,774,484에 개시된 바와 같이, 코어(26c)에 의해 인도되는 광이 코어(30c)로 연결되는 경우, 광은 단지 기본 모드로 여기된다.
상술한 구성 대신에, MM 출력 광섬유(32)의 코어(32c)의 직경 및 SM 입력 광섬유(26)의 코어(26c)의 직경에 따라, 통상의 광섬유(optical fibers)를 사용하여 SM, 초고휘도 및 고출력 펌프 광을 생성할 수 있다. SM, 초고휘도 및 고출력 펌프 광을 구현하기 위해, 테이퍼된 단부(tapered end)가 SM 수동형 입력 광섬유(26)의 직경과 실질적으로 부합하는 기하학적 직경을 갖도록 수동형 광섬유(32)의 단부를 테이퍼(taper)하는 것이 필요하다. 이후, 물론 진정한 SM 코어를 갖는 능동형 파이퍼(30)를 이용하는 것도 가능하다. 상술한 레이저(24)의 1030 파장은 단지 예시적인 것이며 FBGs의 필터링 파라미터에 의존한다.
도 3은 업그레이드된 Yb-도핑 증폭기(40)에 제공되는 초고출력 광섬유 레이저에서 도 1의 펌프 소스(10) 또는 도 2a의 펌프 소스(25)의 가능한 애플리케이션들 중 하나를 도시한다. 특히, 고출력 광섬유 레이저 시스템(35)은 다발(bundle)로 함께 결합되는 복수의 펌프 소스(10)를 포함한다. 1015nm 내지 1070nm의 파장 범위에서 신호를 인도하는 중앙 집중형 SM 신호 전달 광섬유(38)는 다발을 통해 뻗어있으며 주위의 펌프 시스템(10)과 광학적으로 연결된다. 결합형 펌프 소스와 중앙 집중형 신호 광섬유의 출력 광섬유(42)는 엔드 펌핑 기술에 따라 신호 광을 업그레이드된 Yb 광섬유 증폭기(40)로 전달한다. 업그레이드된 광섬유 증폭기(40)는 소기의 1015nm 및 1070nm의 파장 범위에서 실질적으로 기본 모드로 고출력 빔을 출력하도록 구성된다. 바람직하다면, 편광유지형 광섬유(polarization maintaining fiber)가 도시된 시스템에서 사용될 수 있다.
도 4는 고출력 광섬유 레이저 시스템(45)에서 본 명세서에 개시된 펌프 시스템(10)의 또 다른 구성을 도시한다. 여기서, 다수의 도 1의 고출력, 고휘도 광섬유 레이저 펌프 시스템(10)이나 도 2a의 광섬유 레이저 펌프 시스템(25) 및 업그레이드된 YB 증폭기(44)를 각각 포함하는 복수의 펌프 그룹이 사이드 펌핑 구성(side pumping arrangement)을 정의한다. 예컨대, 소기의 파장에서 결합기로부터 업그레이드된 광섬유 증폭기(44)로 펌프 광을 인도하는 단일의 출력 광섬유를 가지도록, 각 그룹의 펌프 시스템(10)은 함께 결합된다. 업그레이드된 Yb 광섬유 증폭기는 1015nm 내지 1070nm의 범위에서 실질적으로 단일 기본 모드 또는 낮은 모드 출력으로 매우 높은 광을 출력할 수 있다. 도 3 및 4에 각각 도시된 예들 모두는 출력 파장이 실질적으로 소정의 흡수 피크와 일치하는 고출력, 고휘도 펌프 신호로 펌핑되는 업그레이드된 고출력 증폭기를 특히 포함하고 있다. 출력 파장이 실질적으로 소정의 흡수 피크와 일치하는 고출력, 고휘도 펌프 신호로 펌핑되는 업그레이드된 고출력 증폭기 때문에, 도 3 및 4에 각각 도시된 개략도로 레이저 기술분야의 당업자가 쉽게 구현하면, 업그레이드된 증폭기의 능동형 광섬유의 길이는 실질적으로 감소하는 반면, 비선형 효과의 임계치는 증가한다.
첨부도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예들 중 적어도 하나를 설명하였으나, 본 고안은 이런 구체적인 실시예들로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 예컨대, 본 명세서에 개시된 펌프 소스는 CW 및 펄스형 레이저 시스템의 일체형 부분들일 수 있다. 상술한 바와 같은 고안의 범위 및 기술사상에서 벗어남이 없이, 서로 다른 파장, 광섬유 파라미터 및 희토류 도판트를 포함하는 다양한 변화, 변경 및 개조가 본 명세서 내에서 당업자에 의해 달성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 파장(λp)에서 저잡음 신호 광을 생성하는 적어도 하나의 시드 소스;
    서브-펌프 파장(λsp)에서 서브-펌프 방출을 방사하도록 함께 결합된 복수의 고출력("HP") 반도체 레이저 다이오드; 및
    파장(λp)에서 펌프 출력을 방출하도록 구성되고,
    저잡음 신호 광의 잡음 레벨과 실질적으로 동일한 잡음 레벨과,
    n×B와 실질적으로 동일한 휘도("B")와,
    nPd와 실질적으로 동일한 출력 전력("Po")을 갖는, 서브-펌프 파장(λsp)에서의 서브-펌프 방출을 파장(λp)에서의 펌프 출력으로 변환하는 Yb-도핑(Yb-doped) 다중모드("MM") 광섬유 파장 컨버터를 포함하며,
    상기 n×B에서 n은 HP 반도체 레이저 다이오드의 수이고, B는 각각의 HP 레이저 다이오드의 휘도이며,
    상기 nPd에서 Pd는 각각의 HP 레이저 다이오드의 전력이고, n은 HP 레이저 다이오드의 수인, 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스("HPUBLNS").
  2. 제 1 항에 있어서,
    증폭된 저잡음 펌프 출력을 수신하고 인도(guide)하는 코어를 갖는 전달 광섬유를 더 포함하며,
    전달 광섬유의 코어는 MM 결합기 펌프 소스보다 작은 코어 직경을 갖도록 구성되고, MM 결합기 펌프 소스가 펌프 출력과 실질적으로 동일한 전력을 갖는 출력 광을 방출하도록 제공되며,
    펌프 출력의 휘도는 MM 결합기의 출력 광의 휘도보다 적어도 10배 이상 더 큰, 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  3. 제 1 항에 있어서,
    파장 컨버터는 증폭된 저잡음 펌프 출력이 최대 0.1% m.r.s.의 실효값(r.m.s. value)을 갖도록 구성되는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  4. 제 2 항에 있어서,
    시드 소스는 하나 이상의 결합형 MM 피그테일드 레이저 다이오드(pigtailed laser diodes)와 하나 이상의 SM 광섬유 오실레이터로 구성된 그룹에서 선택되는 구성을 가지는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  5. 제 1 항에 있어서,
    서브-펌프 파장(λsp)은 약 910nm 내지 975nm의 파장 범위에서 변하는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  6. 제 4 항에 있어서,
    파장 컨버터는 MM Yb 도핑 광섬유와, Yb-도핑 광섬유의 각각의 대향 단부에 접합(spliced)되고 출력 수동형 광섬유에 접합된 전달 광섬유의 코어 직경과 실질적으로 동일한 균일의 코어 직경을 갖는 입력 및 출력 수동형 MM 광섬유들로 구성되며, Yb-도핑 광섬유, 입력 수동형 광섬유는 피그테일드 레이저 다이오드의 출력 광섬유에 접합되는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  7. 제 1 항에 있어서,
    반도체 레이저 다이오드는 파장 광섬유 컨버터를 엔드-펌프(end-pump)하거나, 파장 광섬유 컨버터를 사이드-펌프(side-pump)하도록 구성되는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  8. 제 1 항에 있어서,
    Yb 파장 컨버터의 개구수(numerical aperture)는 약 0.05 내지 약 0.13 사이의 범위에 있는 반면, MM 시드 소스의 개구수는 약 0.1 내지 약 0.13 사이에서 변하는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  9. 제 1 항에 있어서,
    증폭된 저잡음 펌프 광을 수신하고 펌프 출력 파장(λp)보다 더 큰 파장에서 SM 광출력을 생성하도록 동작하는 SM Yb-도핑 광섬유 오실레이터를 더 포함하는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  10. 제 9 항에 있어서,
    SM Yb 광섬유 오실레이터는:
    소기의 파장 범위에서 실질적으로 단일의 기본 모드를 지원하는 MM 코어를 갖는 이중 클래드 Yb-도핑 광섬유와,
    Yb-도핑 광섬유의 각각의 대향 단부에 접합되고 각각의 단일 모드 코어를 갖는 이격된 이중 클래드 입력 및 출력 수동형 광섬유들과,
    Yb 레이저가 약 1015nm 내지 1030nm의 파장 범위의 기본 모드에서 SM 펌프 광을 출력하기 위해 수동형 광섬유의 SM 코어에 각각 제공되는 한 쌍의 광섬유 브래그 격자를 포함하는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  11. 제 6 항에 있어서,
    MM 파장 컨버터의 Yb-도핑 광섬유의 코어는 최대 약 300㎛의 코어 직경을 가지는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  12. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 HPPS를 더 포함하며,
    복수의 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS)가 Yb 이득 블록을 엔드-펌프하도록 광학적으로 결합되는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  13. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 HPPS를 더 포함하며,
    다수의 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS)가 Yb 이득 블록을 사이드-펌프하도록 광학적으로 결합되는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  14. 제 1 항에 있어서,
    파장 컨버터는 약 10ppm 내지 200ppm 사이의 Yb-이온 농도를 갖도록 구성되는 Yb-도핑 MM 광섬유를 가지는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  15. 제 2 항에 있어서,
    전달 광섬유의 코어는 적어도 50 마이크론(micron)인 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  16. 제 1 항에 있어서,
    △λ= λp - λsp < 0.1λsp이며,
    λp는 펌프 출력의 파장이고, λsp는 서브-펌프 파장인 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  17. 스파이크 없는 저잡음 신호 광을 생성하는 적어도 하나의 시드 소스; 및
    서브-펌프 파장(λsp)에서 복수의 펌프 레이저 다이오드의 방출을 파장(λp)에서의 펌프 출력으로 변환하는 Yb-도핑(Yb-doped) 다중모드("MM") 광섬유 파장 컨버터를 포함하며,
    λsp ≠ λp 이고,
    MM 파장 컨버터는 펌프 출력이 저잡음 신호 광의 휘도를 실질적으로 초과하는 휘도를 가지며 저잡음 신호 광의 잡음 레벨과 기껏해야 동일하도록 하기 위해 신호 광을 증폭하도록 구성되는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  18. 제 17 항에 있어서,
    증폭된 펌프 출력을 수신하고 펌프 출력 파장(λp)보다 더 큰 파장에서 SM 광 소스 출력을 생성하도록 동작하는 SM Yb-도핑 광섬유 오실레이터를 더 포함하는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  19. 제 18 항에 있어서,
    SM Yb 광섬유 오실레이터는:
    소기의 파장 범위에서 실질적으로 단일의 기본 모드를 지원하는 MM 코어를 갖는 이중 클래드 Yb-도핑 광섬유와,
    Yb-도핑 광섬유의 각각의 대향 단부에 접합되고 각각의 단일 모드 코어를 갖는 이격된 이중 클래드 입력 및 출력 수동형 광섬유들과,
    Yb 레이저가 약 1015nm 내지 1030nm의 파장 범위의 기본 모드에서 SM 펌프 광을 출력하기 위해 수동형 광섬유의 SM 코어에 각각 제공되는 한 쌍의 광섬유 브래그 격자를 포함하는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
  20. 제 18 항에 있어서,
    시드는 피그테일드 레이저 다이오드 또는 하나 이상의 SM 광섬유 오실레이터로부터 선택되는 구성을 가지는 고출력 고휘도 저잡음의 펌프 소스(HPUBLNS).
KR2020137000059U 2011-08-18 2011-08-18 대략 974 내지 1030㎚의 파장 범위에서 고휘도 저잡음 출력을 갖는 고출력 광섬유 펌프 소스 KR20140002392U (ko)

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