KR20150142789A - 고출력 광 도파로 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템 - Google Patents

고출력 광 도파로 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 광 도파로 기반 파장변환 장치의 제한된 입, 출력 허용 광 세기 수준을 높이기 위해서 광 도파로를 배열 구조로 형성하고, 상기 배열 구조로 형성된 광 도파로를 근거로 입력되는 두 레이저의 위상 결맞음 특성 여부에 따라 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치의 구성을 달리하여 고출력을 가지는 파장변환된 레이저를 생성하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템에 관한 것이다.

Description

고출력 광 도파로 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템{HIGH POWER WAVEGUIDE WAVELENGTH CONVERTER, METHOD THEREOF AND LASER SYSTEM BASED ON THEREOF}
본 명세서는 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템에 관한 것으로, 특히 파장변환기의 제한된 입, 출력 허용 광 세기 수준을 높이기 위해서 광 도파로를 배열 구조로 형성하고, 상기 배열 구조로 형성된 광 도파로를 근거로 입력되는 두 레이저의 위상 결맞음 특성 여부에 따라 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치의 구성을 달리하여 고출력을 가지는 파장변환된 레이저를 생성하는 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 광 도파로 형태의 파장변환기 구현을 위해서는 LiNbO3, LiTaO3 등의 유전체 혹은 GaAs, GaP 등의 화합물 반도체를 사용하고 있다. 이중 LiNbO3를 기반으로 하는 주기적으로 분극 반전된 LiNbO3(Periodically Poled LiNbO3, PPLN)는 LiNbO3가 가지는 높은 비선형 특성 및 준위상정합(quasi-phase matching) 기술을 이용하여 자기위상변조 및 압축(self phase modulation and pulse compression), 광 매개 증폭(optical parametric amplification), 파장변환(wavelength conversion), 양자정보처리 등의 분야에서 널리 활용되는 소자이다. 또한, LiNbO3는 전기광학 효과를 이용하는 대표적인 광 도파로 집적소자에도 활용되고 있다.
파장 변환 기술, 특히 입력 주파수를 2배로 높이는 이차 조화파 생성(second harmonic generation) 기술은 다양한 레이저 광학 분야 및 원자 물리, 원자 광학 등의 다양한 물리 실험에서 널리 쓰이는 기술로써, 관련 기술의 발전에 따라 점점 높은 출력의 이차 조화파 생성이 요구되고 있다. 특히, 최근 원자간섭계 기술과 같은 분야에서는 필요한 레이저들을 광섬유 기반의 광통신 파장 대역 광 소자들을 활용하고, 이들로부터 이차 조화파 생성을 통해 안정적이고 높은 성능의 레이저 구현에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있는데 이와 같은 분야 역시 수백 mW에서 수 W 이상의 높은 출력이 요구가 되는 분야이다. 이 중, 이동 가능한 고성능의 원자간섭계 구현을 위해서는 온도 변화, 진동, 충격 등의 외부 환경에 강인하면서도 고성능의 레이저 개발이 요구되는데, 이러한 레이저 개발을 위해서는 궁극적으로 전광섬유(all fiber) 형태의 레이저 개발이 필수적이다. 이를 위해서는 파장 변환기 역할을 수행하는 주기적으로 분극 반전된 LiNbO3 등의 물질이 광 도파로 형태이면서, 입/출력이 광섬유와 접합된 형태가 이상적이다.
이러한 광 도파로 형태의 파장변환기는 입력 광 세기가 특정 수준 이상으로 높아지면 파장 변환 효율이 오히려 떨어지는 특성이 있으며, 광 굴절(photorefractive) 효과에 의한 문제없이 광섬유를 광 도파로에 접합하고 이를 안정적으로 유지, 활용하기 위해서는 특정 온도를 유지하고, 허용 가능한 입/출력 광 세기 내에서만 운용해야 한다.
따라서, 이러한 광 도파로 기반의 파장변환기는 입력쪽만 광섬유 접합을 한 형태이거나, 입/출력 모두 광섬유가 접합되더라도 광 출력 수준이 낮은 제한된 분야에만 적용 가능하다.
한국공개특허 제10-2002-0030445호
본 명세서의 목적은, 광 도파로 기반 파장변환기의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 높이기 위해 광 도파로를 배열 구조로 형성하는 고출력 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 다른 목적은, 입력되는 두 레이저의 위상 결맞음 특성에 따른 광 도파로 배열 파장 변환부를 제공하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치는, 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 파장변환 장치에 있어서, 광 도파로의 제한된 입, 출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 입력 분배부; 상기 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 M개의 빔으로 추가 분할하고, 총 N×M개의 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 광 도파로 배열 파장 변환부; 및 상기 파장 변환된 총 N×M개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하는 출력 수집부;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치는, 위상 결맞음 특성을 필요로 하는 파장변환 장치에 있어서, 광 도파로의 제한된 입, 출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N(N: 자연수)개의 빔으로 분할하는 입력 분배부; 상기 분할된 N개의 빔을 추가로 2개의 빔으로 각각 분할하고, 상기 2N개로 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 광 도파로 배열 파장 변환부; 및 상기 파장 변환된 총 2N개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하고, 상기 2N개로 분할된 빔들 간의 위상 차이를 근거로 상기 2N개로 분할된 빔 간의 위상 차이를 보상하는 출력 수집부;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템은, 광 도파로 기반의 파장변환 장치를 이용하여 원자간섭계 등의 기술 분야에 적용 가능한 레이저 시스템에 있어서, 입력 레이저를 1차로 2개의 빔으로 분할하고, 상기 분할된 2개의 빔 중 제1 빔을 2차로 7개의 빔으로 분할하는 입력 분배부; 상기 분할된 7개의 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 1차 파장 변환부; 상기 증폭된 7개의 빔 중 제3 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 증폭하는 2차 파장 변환부; 상기 1차 파장 변환부에 의해 증폭된 7개의 빔 중 제4 빔 내지 제9 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하는 음향광학변조기; 및 상기 음향광학변조기로부터 출력되는 제4 빔 내지 제9 빔을 출력하는 출력 수집부;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법은, 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 파장변환 방법에 있어서, 입력 분배부를 통해, 광섬유 접합된 주기 반전된 LiNbO3 광 도파로의 제한된 입력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 단계; 광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 상기 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 M개의 빔으로 추가 분할하는 단계; 상기 광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 총 N×M개의 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 단계; 및 출력 수집부를 통해, 상기 파장 변환된 총 N×M개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하는 단계;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법은, 위상 결맞음 특성을 필요로 하는 파장변환 방법에 있어서, 입력 분배부를 통해, 광 도파로의 제한된 입, 출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 단계; 광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 상기 분할된 N개의 빔을 추가로 2개의 빔으로 각각 분할하는 단계; 상기 광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 상기 2N개로 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 단계; 출력 수집부를 통해, 상기 파장 변환된 총 2N개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하는 단계; 및 상기 출력 수집부를 통해, 상기 2N개로 분할된 빔들 간의 위상 차이를 근거로 상기 2N개로 분할된 빔 간의 위상 차이를 보상하는 단계;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템의 제어 방법은, 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템의 제어 방법에 있어서, 입력 분배부를 통해, 입력 레이저를 1차로 2개의 빔으로 분할하고, 상기 분할된 2개의 빔 중 제1 빔을 2차로 7개의 빔으로 분할하는 단계; 1차 파장 변환부를 통해, 상기 분할된 7개의 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 단계; 2차 파장 변환부를 통해, 상기 체배된 7개의 빔 중 제3 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 단계; 음향광학변조기를 통해, 상기 1차 파장 변환부에 의해 증폭된 7개의 빔 중 제4 빔 내지 제9 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하는 단계; 출력 수집부를 통해, 상기 음향광학변조기로부터 출력되는 제4 빔 내지 제9 빔을 출력하는 단계; 광 검출기를 통해, 상기 출력 수집부로부터 출력되는 제7 빔 내지 제9 빔을 전기 신호로 변환하는 단계; 및 광 출력 제어기를 통해, 상기 변환된 전기 신호를 근거로 상기 음향 광학 변조기에 인가되는 신호의 진폭을 제어하는 단계;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템은, 파장변환장치의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 높이기 위해 광 도파로를 배열 구조로 형성함으로써, 파장변환기의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 개선하여 고출력성 및 고신뢰성을 가지는 파장변환된 레이저를 생성할 수 있고, 별도의 광 분배기 없이 자연스럽게 다양한 출력 레이저 빔들을 배분하는 형태를 취하고 있어 여러 종류의 레이저들이 요구되는 응용분야에 적합할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치, 그 방법 및 그를 근거로 한 레이저 시스템은, 입력되는 두 레이저의 위상 결맞음 특성에 따른 광 도파로 배열 파장 변환부를 제공함으로써, 제어해야 하는 특성이 다른 레이저들을 상황에 맞게 함께 다룰 수 있고, 파장변환된 레이저 출력을 필요로 하는 분야에 보다 견고하고 신뢰성 높으면서 소형인 다양한 형태의 고출력 레이저를 제공할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 명세서의 제3 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 명세서의 제1 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 명세서의 제3 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(100)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치(100)는, 입력 분배부(110), 광 도파로 배열 파장 변환부(120) 및, 출력 수집부(130)로 구성된다. 도 1에 도시된 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치(100)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(100)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(100)가 구현될 수도 있다. 여기서, 도 1에 도시된 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(100)는 입력 레이저가 위상 결맞음 특성을 갖지 않는 경우에 적용한다. 여기서, 상기 입력 레이저는 원자간섭계 등의 구성에 적용 시 자기광포획(Magneto Optical Trap: MOT)용 냉각레이저, 리펌핑레이저, 검출레이저 등과 같은 위상 결맞음 특성을 갖지 않는 레이저일 수 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 입력 분배부(110)는 1×N 광 분배기(111) 및, 편광 조절기(112)로 구성된다.
상기 1×N 광 분배기(111)는 상기 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔(또는 레이저/광원/레이저 빔)으로 분할한다(또는 나눈다). 여기서, N은 자연수이며, 입력/출력 세기, 광 도파로의 특성 등에 의해 설계자의 설계에 따라 최적화된 값을 고려하여 설정할 수 있다.
상기 편광 조절기(112)는 복수로 형성한다.
또한, 상기 복수의 편광 조절기(112)는 상기 1×N 광 분배기(111)에 의해 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 최적의 편광 상태로 각각 만든다.
여기서, 상기 입력 레이저가 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)에 최적화된 편광 상태를 가지고 상기 1×N 광 분배기(111)가 편광유지광섬유 등을 이용하여 편광을 유지하는 기능이 있는 경우, 상기 편광 조절기(112)는 생략할 수 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)는 1×M 광 분배기(121) 및, 준위상 정합부(122)로 구성되며, 이들은 LiNbO3 등과 같이 비선형 광학 특성이 우수한 광 도파로를 형성하여 집적화 가능하다.
상기 1×M 광 분배기(121)는 복수로 형성한다.
또한, 상기 복수의 1×M 광 분배기(121)는 상기 복수의 편광 조절기(112)로부터 각각 출력되는 빔을 파장변환용 광 도파로의 제한된 출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 미리 설정된 M개의 빔으로 분할한다. 여기서, M은 자연수이며, 입력/출력 세기, 광 도파로의 특성 등에 의해 설계자의 설계에 따라 최적화된 값을 고려하여 설정할 수 있다.
이와 같이, 상기 복수의 1×M 광 분배기(121)에 의해 N개의 빔이 M개의 빔으로 추가 분할됨에 따라, 상기 입력 레이저는 총 N×M개의 빔으로 분할(또는 생성)된다.
또한, 상기 1×M 광 분배기(121)는 필요 시 칩 상에 형성된 광 도파로 형태 대신 광섬유 혹은 free-space 광학 형태의 1×M 광 결합기(미도시)로 대체할 수 있다. 이 경우, 상기 준위상 정합부(122)를 가지는 N×M개의 광 도파로들은 일직선 형태로 LiNbO3 칩(미도시) 상에 형성할 수 있다.
상기 준위상 정합부(quasi-phase matching unit)(122)는 복수로 형성한다.
또한, 상기 복수의 준위상 정합부(122)는 이차 조화파 생성을 위해 상기 복수의 1×M 광 분배기(121)로부터 출력되는 복수의 빔을 통과시킨다.
이와 같이, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)는 빔에 대한 파장을 변환하고, 상기 파장 변환된 빔을 출력한다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 출력 수집부(130)는 M×1 광 결합기(131) 및, N×1 광 결합기(132)로 구성된다.
상기 M×1 광 결합기(131)는 복수로 형성한다. 즉, 상기 M×1 광 결합기(131)는 상기 1×M 광 분배기(121)만큼 형성한다.
또한, 상기 M×1 광 결합기(131)는 광 도파로로 형성된 상기 1×M 광 분배기(121)와 역으로 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)(또는 상기 복수의 1×M 광 분배기(121))로부터 제공되는 N×M개의 빔들을 광섬유 접합하여 N개의 빔으로 합친다.
상기 N×1 광 결합기(132)는 상기 1×N 광 분배기(111)와 역으로 상기 M×1 광 결합기(131)로부터 제공되는 N개의 빔들을 하나의 출력 신호(또는 출력 레이저)로 합친다.
이와 같이, 광 도파로 형태의 파장 변환 장치(또는 파장 변환기)로 활용할 경우, 기존의 벌크(bulk) 형태의 파장 변환 장치에 비해 높은 파장 변환 효율을 가질 뿐만 아니라, 광 도파로를 활용하여 구현 가능한 다양한 광학 기능들을 하나의 칩 위에 집적할 수 있다.
또한, 입/출력 광 도파로 부분에 광섬유를 접합(pigtailing)하여 광섬유를 활용한 레이저 및 광학회로 시스템에서 쉽게 사용 가능한 소형의 견고한 소자 개발이 가능할 수 있다.
도 2는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(200)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치(200)는, 입력 분배부(210), 광 도파로 배열 파장 변환부(220) 및, 출력 수집부(230)로 구성된다. 도 2에 도시된 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치(200)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 2에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치(200)가 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치(200)가 구현될 수도 있다. 여기서, 도 2에 도시된 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(200)는 입력 레이저가 위상 결맞음 특성을 갖는 경우(또는 필요로 하는 경우)에 적용한다. 여기서, 상기 입력 레이저는 라만레이저 등과 같이 두 개의 주파수 성분 사이의 상대 위상 결맞음 특성을 필요로 하는 레이저일 수 있다.
상기 도 1에 도시된 입력 레이저가 위상 결맞음 특성을 갖지 않는 경우에 적용되는 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(100)의 경우, 상기 입력 레이저를 복수로 분할하고, 상기 분할된 복수의 빔을 파장 변환 후 하나의 빔으로 합치게 되면, 합쳐진 빔들 사이의 위상 결맞음 특성을 보장할 수 없다. 따라서, 빔 분할에 따른 상대 위상 차이를 보상하기 위해서 상기 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치(200)와 같이 구성한다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입력 분배부(210)는 1×2 광 분배기(211) 및, 편광 조절기(212)로 구성된다.
상기 1×2 광 분배기(211)는 광 도파로의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 1차적으로 상기 미리 설정된 2의 배수의 빔(예를 들어, 제1 빔과 제2 빔)으로 분할한다(또는 나눈다). 이와 같이, 2의 배수의 빔으로 분할되는 빔은 일부는 그대로 사용되고 다른 일부는 광 위상 변조기를 통과하여 사용된다. 또한, 본 명세서의 실시예에서는, 상기 광 분배기가 1개의 빔을 2개로 분할하는 예를 설명하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 분할되는 빔의 수는 최소 2개부터 2의 배수만큼 설정할 수 있으며, 빔 분할 및 결합의 효율성, 편의성을 생각하지 않을 시 3개 이상의 홀수개의 빔 분할의 경우도 같은 원리로 구현 가능하다.
상기 편광 조절기(212)는 복수로(예를 들어 2개) 형성한다.
또한, 상기 복수의 편광 조절기(212)는 상기 1×2 광 분배기(211)에 의해 분할된 2개의 빔을 미리 설정된 최적의 편광 상태로 각각 만든다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(220)는 제1 및 제2 1×2 광 분배기(221-1, 221-2), 제1 내지 제4 준위상 정합부(222-1, 222-2, 222-3, 222-4), 제1 및 제2 광 위상 변조기(223-1, 223-2)로 구성되며, 이들은 LiNbO3와 같이 비선형 광학 특성이 우수한 칩 상에 광 도파로를 형성하여 집적화 가능하다.
상기 제1 1×2 광 분배기(221-1)는 상기 편광 조절기(212)로부터 출력되는 2개의 빔(예를 들어, 제1 빔과 제2 빔) 중 하나의 빔(예를 들어, 제1 빔)을 다시 2개의 빔(예를 들어, 제3 빔과 제4 빔)으로 분할한다.
상기 제2 1×2 광 분배기(221-1)는 상기 편광 조절기(212)로부터 출력되는 2개의 빔(예를 들어, 제1 빔과 제2 빔) 중 다른 하나의 빔(예를 들어, 제2 빔)을 다시 2개의 빔(예를 들어, 제5 빔과 제6 빔)으로 분할한다.
상기 제1 준위상 정합부(222-1)는 상기 제1 1×2 광 분배기(221-1)에서 분할된 2개의 빔 중 하나의 빔(예를 들어, 제3 빔)을 이차 조화파 생성을 위해 통과시킨다.
상기 제2 준위상 정합부(222-2)는 상기 제1 1×2 광 분배기(221-1)에서 분할된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔(예를 들어, 제4 빔)을 이차 조화파 생성을 위해 통과시킨다.
상기 제3 준위상 정합부(222-3)는 상기 제2 1×2 광 분배기(221-2)에서 분할된 2개의 빔 중 하나의 빔(예를 들어, 제5 빔)을 이차 조화파 생성을 위해 통과시킨다.
상기 제4 준위상 정합부(222-4)는 상기 제2 1×2 광 분배기(221-2)에서 분할된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔(예를 들어, 제6 빔)을 이차 조화파 생성을 위해 통과시킨다.
상기 제1 광 위상 변조기(223-1)는 광 도파로 주변에 미세전극을 형성하여 칩에 집적 가능한 형태로 형성한다.
또한, 상기 제1 광 위상 변조기(223-1)는 상기 제1 준위상 정합부(222-1)로부터 출력되는 빔(예를 들어, 제3 빔)을 통과시킨다.
상기 제2 광 위상 변조기(223-2)는 광 도파로 주변에 미세전극을 형성하여 칩에 집적 가능한 형태로 형성한다.
또한, 상기 제2 광 위상 변조기(223-2)는 상기 제4 준위상 정합부(222-4)로부터 출력되는 빔(예를 들어, 제6 빔)을 통과시킨다.
여기서, 설계자의 설계에 따라, 상기 광 도파로로 형성된 상기 제1 및 제2 1×2 광 분배기(221-1, 221-2) 및 상기 광 도파로 주변에 미세전극을 형성하여 칩에 집적 가능한 제1 및 제2 광 위상 변조기(223-1, 223-2)는 칩에 집적하지 않고, 칩 밖의 좌/우에서 광섬유 형태의 소자를 이용하여 칩에 접합하는 형태로도 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 도 1에서의 경우와 같이, 상기 제1 내지 제4 준위상 정합부(222-1, 222-2, 222-3, 222-4)를 가지는 4개의 광 도파로들은 일직선 형태로 칩 위에 형성된다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 출력 수집부(230)는 제1 및 제2 2×2 광 결합기(231-1, 231-2), 제3 광 위상 변조기(232), 2×1 광 결합기(233), 제1 내지 제3 광 검출기(234-1, 234-2, 234-3), 제1 내지 제3 위상 검출기(235-1, 235-2, 235-3), 제1 내지 제3 위상 제어기(236-1, 236-2, 236-3)로 구성된다.
상기 출력 수집부(230)는 상기 제1 1×2 광 분배기(221-1)와 상기 제2 1×2 광 분배기(221-2)에 각각 2개로 분할된 빔을 1차로 결합하여 2개의 빔을 생성하고, 상기 생성된 빔을 2차로 결합하여 최종적으로 하나의 빔을 생성한다.
상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)는 상기 제1 1×2 광 분배기(221-1)에 의해 2개의 빔으로 분할된 빔(예를 들어 제3 빔 및 제4 빔)을 하나의 빔(예를 들어 제7 빔)으로 결합한다.
즉, 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)는 상기 제1 광 위상 변조기(223-1)로부터 출력되는 빔과 상기 제2 준위상 정합부(222-2)로부터 출력되는 빔을 결합하여 하나의 빔을 생성한다.
또한, 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)는 상기 하나로 결합된 빔(예를 들어 제7 빔)을 제3 광 위상 변조기(232)와 제1 광 검출기(234-1)에 제공한다.
상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)는 상기 제2 1×2 광 분배기(221-2)에 의해 2개의 빔으로 분할된 빔(예를 들어 제5 빔 및 제6 빔)을 하나의 빔(예를 들어 제8 빔)으로 결합한다.
즉, 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)는 상기 제2 광 위상 변조기(223-2)로부터 출력되는 빔과 상기 제3 준위상 정합부(222-3)로부터 출력되는 빔을 결합하여 하나의 빔을 생성한다.
또한, 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)는 상기 하나로 결합된 빔(예를 들어 제8 빔)을 상기 2×1 광 결합기(233)와 제2 광 검출기(234-2)에 제공한다.
상기 제3 광 위상 변조기(232)는 광 도파로 주변에 미세전극을 형성하여 LiNbO3 칩에 집적 가능한 형태로 형성한다.
또한, 상기 제3 광 위상 변조기(232)는 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)로부터 출력되는 빔(예를 들어, 제7 빔)을 통과시킨다.
상기 2×1 광 결합기(233)는 상기 제3 광 위상 변조기(232)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제7 빔)과 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제8 빔)을 하나의 출력 신호(또는 출력 레이저)(예를 들어 제9 빔)로 합친다.
또한, 상기 2×1 광 결합기(233)는 상기 하나의 출력 신호(예를 들어 제9 빔)를 출력하거나 또는 상기 제3 광 검출기(234-3)에 제공한다.
상기 제1 광 검출기(234-1)는 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제7 빔)을 검출하고, 상기 검출된 빔을 전기 신호로 변환한다.
또한, 상기 제1 광 검출기(234-1)는 상기 변환된 전기 신호를 상기 제1 위상 검출기(235-1)에 제공한다.
상기 제2 광 검출기(234-2)는 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제8 빔)을 검출하고, 상기 검출된 빔을 전기 신호로 변환한다.
또한, 상기 제2 광 검출기(234-2)는 상기 변환된 전기 신호를 상기 제2 위상 검출기(235-2)에 제공한다.
상기 제3 광 검출기(234-3)는 상기 2×1 광 결합기(233)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제9 빔)을 검출하고, 상기 검출된 빔을 전기 신호로 변환한다.
또한, 상기 제3 광 검출기(234-3)는 상기 변환된 전기 신호를 상기 제3 위상 검출기(235-3)에 제공한다.
상기 제1 위상 검출기(235-1)는 상기 제1 광 검출기(234-1)로부터 제공되는 전기 신호의 특성을 근거로 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)에 의해 결합되는 두 개의 빔(또는 레이저)(예를 들어 제3 빔 및 제4 빔) 간의 위상 차이를 확인(또는 산출/판단)한다.
즉, 상기 제1 위상 검출기(235-1)는 위상 특성이 안정적인 미리 설정된 고정밀 발진기(미도시)와 상기 제1 광 검출기(234-1)에서 확인된 맥놀이 신호 성분의 위상 차이를 비교하고, 상기 비교 결과를 근거로 제1 분별 신호를 생성한다.
상기 제2 위상 검출기(235-2)는 상기 제2 광 검출기(234-2)로부터 제공되는 전기 신호의 특성을 근거로 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)에 의해 결합되는 두 개의 빔(예를 들어 제5 빔 및 제6 빔) 간의 위상 차이를 확인한다.
또한, 상기 제2 위상 검출기(235-2)는 상기 확인된 위상 차이를 근거로 제2 분별 신호를 생성한다.
상기 제3 위상 검출기(235-3)는 상기 제3 광 검출기(234-3)로부터 제공되는 전기 신호의 특성을 근거로 상기 2×1 광 결합기(233)에 의해 결합되는 두 개의 빔(예를 들어 제7 빔 및 제8 빔) 간의 위상 차이를 확인한다.
또한, 상기 제3 위상 검출기(235-3)는 상기 확인된 위상 차이를 근거로 제3 분별 신호를 생성한다.
상기 제1 위상 제어기(236-1)는, 온도 변화와 같은 외부 물리량 변화에 의해 상기 두 개의 빔 간에 위상 차이가 발생하는 경우, 상기 생성된 제1 분별 신호를 근거로 상기 제1 광 위상 변조기(223-1)에 전달되는 전압 신호를 제어하여, 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)에서 합쳐지는 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상한다.
상기 제2 위상 제어기(236-2)는 상기 생성된 제2 분별 신호를 근거로 상기 제2 광 위상 변조기(223-2)에 전달되는 전압 신호를 제어하여, 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)에서 합쳐지는 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상한다.
상기 제3 위상 제어기(236-3)는 상기 생성된 제3 분별 신호를 근거로 상기 제3 광 위상 변조기(232)에 전달되는 전압 신호를 제어하여, 상기 2×1 광 결합기(233)에서 합쳐진 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상한다.
이와 같이, 상기 제1 내지 제3 광 검출기(234-1, 234-2, 234-3), 상기 제1 내지 제3 위상 검출기(235-1, 235-2, 235-3) 및, 상기 제1 내지 제3 위상 제어기(236-1, 236-2, 236-3)의 구성을 통해, 위상 결맞음 특성을 유지하면서, 비록 칩 상에 구현된 하나의 개별적인 도파로는 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준이 존재함에도 불구하고 파장변환부를 배열 형태의 광 도파로를 이용하여 구현함으로써 높은 출력을 가지는 광 도파로 혹은 이를 활용한 형태의 파장 변환 장치를 제공할 수 있다.
도 3은 본 명세서의 제3 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템(300)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템(300)은, 입력 분배부(310), 1차 파장 변환부(320), 2차 파장 변환부(330), 음향 광학 변조기(340), 출력 수집부(350), 광 검출기(360) 및, 광 출력 제어기(370)로 구성된다. 도 3에 도시된 레이저 시스템(300)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 3에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 레이저 시스템(300)이 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 레이저 시스템(300)이 구현될 수도 있다.
상기 도 3에 적용된 레이저 시스템(300)은 고출력의 레이저 빔을 입력으로 받아, 상기 도 1 및 도 2에서 설명한 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 레이저 파장 변환부(100) 및 위상 결맞음 특성이 필요한 레이저 파장 변환부(200)의 구성을 근거로, 87Rb 원자의 D2 라만전이를 이용한 원자간섭계 구현에 필요한 예상되는 모든 레이저를 생성하는 예를 나타낸다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 입력 분배부(310)는 1×2 광 분배기(311), 1×7 광 분배기(312)로 구성된다.
상기 입력 분배부(310)에 입력되는 입력 레이저는 필요 시 주파수 안정화 된 빔을 요구할 수 있고, 두 개의 주파수 성분을 포함하며, 경우에 따라 1개의 주파수 성분만 가질수도 있다. 또한 필요에 따라, 시간별로 주파수 이동을 통해 입력되는 레이저의 주파수 변경도 가능하다. 상기 1×2 광 분배기(311)는 고출력의 입력 레이저(또는 입력 레이저 빔)를 1차적으로 2개의 빔으로 분할한다. 이와 같이, 2개의 빔으로 분할되는 빔은 일부는 원자가 빛을 흡수하는 공명 주파수에서 낮은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(red detuned) 레이저 빔으로 사용되며, 다른 일부는 제1 광 도파로 배열 파장 변환부(320)와 제2 광 도파로 배열 파장 변환부(330)를 각각 통과하여 원자의 공명 주파수에 해당하는 레이저 및 공명 주파수에서 높은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(blue detuned) 레이저 빔을 생성하는데 사용된다. 이때, 공명 주파수에서 낮은 또는 높은 쪽으로 멀리 떨어진 주파수 성분을 갖는 레이저 빔은 원자간섭계에 필요한 원자물질파를 생성하는데 관여되는 광 쌍극자 트랩(Optical dipole trap) 또는 생성된 원자물질파를 제어하는데 필요한 광학 격자(Optical lattice)를 형성하는데 사용되며, 일반적으로 고출력의 레이저를 요구한다. 상기 입력 레이저가 1560nm의 광통신 영역의 파장을 가지는 경우, 상기 1차 파장 변환부(320)의 출력은 루비듐 원자의 공명 주파수에 해당하는 780nm의 파장을 갖는 레이저가 생성되며, 상기 2차 파장 변환부(330)의 출력은 390nm의 파장을 갖는 레이저가 생성된다.
또한, 상기 1×2 광 분배기(311)는 상기 분할된 2개의 빔(예를 들어, 제1 빔 및 제2 빔) 중 하나의 빔(예를 들어 제1 빔)을 원자가 빛을 흡수하는 공명 주파수에서 낮은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(red detuned) 레이저 빔을 생성하는데 제공하고, 상기 분할된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔(예를 들어 제2 빔)을 상기 1×7 광 분배기(312)에 제공한다.
상기 1×7 광 분배기(312)는 상기 1×2 광 분배기(311)로부터 제공되는 다른 하나의 빔(예를 들어 제2 빔)을 2차적으로 미리 설정된 7개의 빔(예를 들어 제3 빔 내지 제9 빔)으로 분할한다.
또한, 상기 1×7 광 분배기(312)는 상기 분할된 7개의 빔을 상기 1차 파장 변환부(320)에 제공한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 1차 파장 변환부(320)는 4개의 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 제1 내지 제4 파장 변환부(321, 322, 323, 324)와, 3개의 위상 결맞음 특성이 필요한 제5 내지 제7 파장 변환부(325, 326, 327)로 구성된다. 여기서, 상기 1차 파장 변환부(320)는 상기 입력 분배부(310)로부터 제공되는 빔의 주파수를 2배로 체배한다.
위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 상기 제1 파장 변환부(321)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제3 빔)을 통과시킨다.
또한, 상기 제1 파장 변환부(321)는 상기 통과된 빔을 상기 2차 파장 변환부(330)에 제공한다.
위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 상기 제2 파장 변환부(322)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제4 빔)을 통과시킨다.
위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 상기 제3 파장 변환부(323)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제5 빔)을 통과시킨다.
위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 상기 제4 파장 변환부(324)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제6 빔)을 통과시킨다.
이때, 상기 제2 내지 제4 파장 변환부(322, 323, 324)를 각각 경유한 빔은 원자의 공명 주파수에 해당하면서 꼭 위상 결맞음 특성을 가질 필요없는 자기광포획(MOT)용 냉각레이저, 리펌핑레이저, 검출레이저 등의 레이저를 생성하는데 사용한다.
위상 결맞음 특성을 필요로 하는 상기 제5 파장 변환부(325)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제7 빔)을 통과시킨다.
위상 결맞음 특성을 필요로 하는 상기 제6 파장 변환부(326)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제8 빔)을 통과시킨다.
위상 결맞음 특성을 필요로 하는 상기 제7 파장 변환부(327)는 상기 1×7 광 분배기(312)로부터 분할된 7개의 빔 중에서 1개의 빔(예를 들어 제9 빔)을 통과시킨다.
이때, 상기 제5 내지 제7 파장 변환부(325, 326, 327)를 각각 경유한 빔은 원자의 공명 주파수에 해당하면서 위상 결맞음 특성이 중요한 라만레이저 등의 레이저를 생성하는데 사용한다. 이렇게 생성된 3쌍의 라만레이저는 원자간섭계를 이용한 자이로스코프에 활용할 수 있다. 또한, 중력 등의 선형 가속 물리량을 측정하는 원자갑섭계 구현을 위해서는 1쌍의 라만레이저를 통해 수행할 수 있다.
위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 상기 2차 파장 변환부(330)(또는 상기 2차 파장 변환부(330)에 포함된 파장 변환부(331))는 상기 제1 파장 변환부(321)로부터 제공되는 빔(예를 들어 제3 빔)을 통과시킨다.
이와 같이, 상기 제1 파장 변환부(321)와 상기 2차 파장 변환부(330)를 경유한 빔은 원자의 공명 주파수에 해당하는 레이저 및 공명 주파수에서 높은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(blue detuned) 레이저 빔을 생성하는데 사용한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 음향 광학 변조기(340)는 제1 내지 제6 음향 광학 변조기(341, 342, 343, 344, 345, 346)로 구성된다.
상기 음향 광학 변조기(340)는 상기 1차 파장 변환부(320)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
즉, 상기 제1 음향 광학변조기(341)는 상기 제2 파장 변환부(322)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
상기 제2 음향 광학변조기(342)는 상기 제3 파장 변환부(323)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
상기 제3 음향 광학변조기(343)는 상기 제4 파장 변환부(324)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
상기 제4 음향 광학변조기(344)는 상기 제5 파장 변환부(325)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
상기 제5 음향 광학변조기(345)는 상기 제6 파장 변환부(326)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
상기 제6 음향 광학변조기(346)는 상기 제7 파장 변환부(327)로부터 제공되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 출력 수집부(350)는 제1 내지 제6 출력 수집부(351, 352, 353, 354, 355, 356)로 구성된다.
상기 제1 출력 수집부(351)는 1×4 광 분배기로 구성한다.
또한, 상기 제1 출력 수집부(351)는 상기 제1 음향 광학변조기(341)로부터 제공되는 빔을 미리 설정된 4개의 빔으로 분할한다. 이렇게 분할된 4개의 빔 중 3개의 빔은 상위 MOT용(upper MOT)으로 사용하고, 1개의 빔은 검출용(detection, F=2)으로 사용한다.
상기 제2 출력 수집부(352)는 1×4 광 분배기로 구성한다.
또한, 상기 제2 출력 수집부(352)는 상기 제2 음향 광학변조기(342)로부터 제공되는 빔을 미리 설정된 4개의 빔으로 분할한다. 이렇게 분할된 4개의 빔 중 3개의 빔은 하위 MOT용(lower MOT)으로 사용하고, 1개의 빔은 리펌퍼용(repumper)으로 사용한다.
상기 제3 출력 수집부(353)는 1×2 광 분배기로 구성한다.
또한, 상기 제3 출력 수집부(353)는 상기 제3 음향 광학변조기(343)로부터 제공되는 빔을 미리 설정된 2개의 빔으로 분할한다. 이렇게 분할된 2개의 빔 중 1개의 빔은 중지용(stopping, F=2)으로 사용하고, 1개의 빔은 검출용(detection, F=1)으로 사용한다. 상기 출력 빔 구성은 고정되어 있지 않으며 활용방안에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, MOT용 빔은 각각 3개의 상위/하위 빔으로 나누지 않고 같은 레이저 빔을 6개로 분할하여 사용할 수 있으며, 경우에 따라서 중지용 빔은 필요하지 않을 수 있다.
상기 제4 출력 수집부(354)는 1×2 광 분배기로 구성한다.
또한, 상기 제4 출력 수집부(354)는 상기 제4 음향 광학변조기(344)로부터 제공되는 빔을 미리 설정된 2개의 빔으로 분할한다. 이렇게 분할된 2개의 빔 중 1개의 빔은 광 검출기(360)에 제공되고, 1개의 빔은 라만레이저로 사용한다.
상기 제5 출력 수집부(355)는 1×2 광 분배기로 구성한다.
또한, 상기 제5 출력 수집부(355)는 상기 제5 음향 광학변조기(345)로부터 제공되는 빔을 미리 설정된 2개의 빔으로 분할한다. 이렇게 분할된 2개의 빔 중 1개의 빔은 광 검출기(360)에 제공되고, 1개의 빔은 라만레이저로 사용한다.
상기 제6 출력 수집부(356)는 1×2 광 분배기로 구성한다.
또한, 상기 제6 출력 수집부(356)는 상기 제6 음향 광학변조기(346)로부터 제공되는 빔을 미리 설정된 2개의 빔으로 분할한다. 이렇게 분할된 2개의 빔 중 1개의 빔은 광 검출기(360)에 제공되고, 1개의 빔은 라만레이저로 사용한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광 검출기(360)는 제11 내지 제13 광 검출기(361, 362, 363)로 구성된다.
상기 광 검출기(360)는 상기 출력 수집부(350)로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 변환한다.
상기 제11 광 검출기(361)는 상기 제4 출력 수집부(354)로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 변환한다. 또한, 상기 제11 광 검출기(361)는 상기 변환된 전기 신호를 상기 광 출력 제어기(370)에 제공한다.
상기 제12 광 검출기(362)는 상기 제5 출력 수집부(355)로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 변환한다. 또한, 상기 제12 광 검출기(362)는 상기 변환된 전기 신호를 상기 광 출력 제어기(370)에 제공한다.
상기 제13 광 검출기(363)는 상기 제6 출력 수집부(356)로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 변환한다. 또한, 상기 제13 광 검출기(363)는 상기 변환된 전기 신호를 상기 광 출력 제어기(370)에 제공한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 광 출력 제어기(370)는 제1 내지 제3 광 출력 제어기(371, 372, 373)로 구성된다.
상기 광 출력 제어기(370)는 상기 광 검출기(360)로부터 제공되는 전기 신호를 근거로 상기 음향 광학 변조기(340)에 인가하는 변조신호의 출력 세기를 제어한다.
상기 제1 광 출력 제어기(371)는 상기 제1 광 검출기(361)로부터 변환된 전기 신호를 근거로 해당 빔의 세기(또는 광 세기)를 각각 확인한다.
또한, 상기 제1 광 출력 제어기(371)는 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는지의 여부를 판단(또는 확인)한다.
상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는 경우, 상기 제1 광 출력 제어기(371)는 상기 제4 음향광학변조기(344)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 그대로 유지한다.
또한, 상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 밖에 있는 경우, 상기 제1 광 출력 제어기(371)는 상기 제4 음향광학변조기(344)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 제어하여 라만레이저의 광 출력을 안정화하는 기능을 수행한다.
상기 제2 광 출력 제어기(372)는 상기 제2 광 검출기(362)로부터 변환된 전기 신호를 근거로 해당 빔의 세기(또는 광 세기)를 각각 확인한다.
또한, 상기 제2 광 출력 제어기(372)는 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는지의 여부를 판단(또는 확인)한다.
상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는 경우, 상기 제2 광 출력 제어기(372)는 상기 제5 음향광학변조기(345)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 그대로 유지한다.
또한, 상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 밖에 있는 경우, 상기 제2 광 출력 제어기(372)는 상기 제5 음향광학변조기(345)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 제어하여 라만레이저의 광 출력을 안정화하는 기능을 수행한다.
상기 제3 광 출력 제어기(373)는 상기 제3 광 검출기(363)로부터 변환된 전기 신호를 근거로 해당 빔의 세기(또는 광 세기)를 각각 확인한다.
또한, 상기 제3 광 출력 제어기(373)는 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는지의 여부를 판단(또는 확인)한다.
상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는 경우, 상기 제3 광 출력 제어기(373)는 상기 제6 음향광학변조기(346)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 그대로 유지한다.
또한, 상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 밖에 있는 경우, 상기 제3 광 출력 제어기(373)는 상기 제6 음향광학변조기(346)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 제어하여 라만레이저의 광 출력을 안정화하는 기능을 수행한다.
이와 같이, 광 도파로 기반 파장변환장치의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 높이기 위해 광 도파로를 배열 구조로 형성할 수 있다.
또한, 이와 같이, 입력되는 두 레이저의 위상 결맞음 특성에 따른 광 도파로 배열 파장 변환부를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 명세서에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법을 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 명세서의 제1 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 광 도파로의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 개선할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저가 위상 결맞음 특성을 갖지 않는 경우, 입력 분배부(110)는 상기 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할한다(또는 나눈다). 여기서, N은 자연수이며, 입력/출력 세기, 파장변환용 광 도파로의 특성 등에 의해 설계자의 설계에 따라 최적화된 값을 고려하여 설정할 수 있다.
또한, 상기 입력 분배부(110)는 상기 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 최적의 편광 상태로 만든다.
일 예로, 상기 입력 레이저가 자기광포획(Magneto Optical Trap: MOT)용 냉각레이저, 리펌핑레이저, 검출레이저 등과 같은 위상 결맞음 특성을 갖지 않는 레이저일 때, 상기 입력 분배부(110)에 포함된 1×N 광 분배기(111)는 상기 입력 레이저를 상기 미리 설정된 N개의 빔으로 분할한다. 이후, 상기 입력 분배부(110)에 포함된 편광 조절기(112)는 상기 1×N 광 분배기(111)에 의해 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 최적의 편광 상태로 만든다(S410).
이후, 광 도파로 배열 파장 변환부(120)는 광 도파로의 제한된 출력 허용 광 세기 수준을 개선할 수 있도록 상기 입력 분배부(110)로부터 제공되는 N개의 분할된 빔을 미리 설정된 M개의 빔으로 분할한다. 여기서, M은 자연수이며, 입력/출력 세기, 사용되는 광 도파로의 특성 등에 의해 설계자의 설계에 따라 최적화된 값을 고려하여 설정할 수 있다.
또한, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)는 이차 조화파 생성을 위해 상기 총 N×M개의 분할된 빔을 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)에 포함된 준위상 정합부(122)에 거쳐 출력 수집부(130)에 제공한다.
일 예로, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)에 포함된 1×M 광 분배기(121)는 상기 1×N 광 분배기(111)에 의해 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 M개의 빔으로 분할한다. 이후, N×M개 각각의 광 도파로를 갖는 상기 준위상 정합부(122)는 N×M개의 분할된 빔을 이차 조화파 생성을 한 뒤 출력 수집부(130)에 제공한다(S420).
이후, 출력 수집부(130)는 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)로부터 제공되는 N×M개의 빔들을 하나의 빔으로 합쳐서 하나의 출력 신호(또는 출력 레이저)를 생성한다.
일 예로, 상기 출력 수집부(130)는 1×M 광 분배기(121)와 역으로 M×1 광 결합기(131)를 통해 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(120)로부터 제공되는 N×M개의 빔들을 N개의 빔으로 합친다. 이후, 상기 출력 수집부(130)는 1×N 광 분배기(111)와 역으로 N×1 광 결합기(132)를 통해 상기 M×1 광 결합기(131)로부터 제공되는 N개의 빔들을 하나의 출력 신호로 합친다(S430).
도 5는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반의 파장변환 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저, 광 도파로의 제한된 입력 허용 광 세기 수준을 개선할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저가 위상 결맞음 특성을 갖는 경우, 입력 분배부(210)는 상기 입력 레이저를 1차적으로 상기 미리 설정된 2의 배수의 빔으로 분할한다(또는 나눈다). 이와 같이, 2의 배수의 빔으로 분할되는 빔은 일부는 그대로 사용되고 다른 일부는 광 위상 변조기를 통과하여 사용된다.
또한, 상기 입력 분배부(210)는 상기 분할된 2개의 빔을 미리 설정된 최적의 편광 상태로 만든다.
일 예로, 상기 입력 레이저가 라만레이저 등이 서로 다른 두 가지 주파수 성분을 가지는 동시에 이 두 가지 주파수 성분 사이에서 위상 결맞음 특성을 갖는 레이저일 때, 상기 입력 분배부(210)에 포함된 1×2 광 분배기(211)는 상기 입력 레이저를 상기 미리 설정된 2개의 빔(예를 들어, 제1 빔과 제2 빔)으로 분할한다. 이후, 상기 입력 분배부(210)에 포함된 편광 조절기(212)는 상기 1×2 광 분배기(211)에 의해 분할된 2개의 빔을 미리 설정된 최적의 편광 상태로 만든다(510).
이후, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(220)는 파장변환용 광 도파로의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 상기 입력 분배부(210)로부터 제공되는 2개의 분할된 빔을 2차적으로 미리 설정된 2개의 빔으로 각각 추가 분할한다.
일 예로, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(220)에 포함된 제1 1×2 광 분배기(221-1)와 제2 1×2 광 분배기(221-2)는 상기 1×2 광 분배기(211)에 의해 분할된 2개의 빔(예를 들어, 제1 빔과 제2 빔)을 각각 2개의 빔으로 추가 분할하여, 총 4개의 빔(예를 들어 제1 빔이 제3 및 제4 빔으로 분할되고, 제2 빔이 제5 및 제 6 빔으로 분할됨)을 출력한다(S520).
이후, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(220)는 이차 조화파 생성을 위해 상기 4개로 분할된 빔을 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(220)에 포함된 복수의 준위상 정합부(222-1, 222-2, 222-3, 222-4)에 통과시킨다.
또한, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부(220)는 상기 1차로 2개로 분할된 빔에서 다시 2차로 2개로 분할된 빔 중 어느 하나의 빔을 광 위상 변조기(223-1, 223-2)에 통과시킨 뒤 상기 출력 수집부(230)에 제공하고, 상기 2차로 2개로 분할된 빔 중 다른 하나의 빔을 광 도파로를 따라 통과한 뒤 상기 출력 수집부(230)에 제공한다.
일 예로, 제1 내지 제4 준위상 정합부(222-1, 222-2, 222-3, 222-4)는 이차 조화파 생성을 위해 상기 4개로 분할된 빔(예를 들어 제3 내지 제6 빔)을 각각 통과시킨다. 이후, 제1 및 제2 광 위상 변조기(223-1, 223-2)는 상기 제1 및 제4 준위상 정합부(222-1,222-4)로부터 출력되는 제3 빔 및 제 6 빔을 통과시킨 후, 상기 출력 수집부(230)에 제공한다. 또한, 상기 제2 및 제3 준위상 정합부(222-2, 222-3)로부터 출력되는 제4 빔 및 제5 빔은 광 도파로를 따라 통과한 뒤, 상기 출력 수집부(230)에 제공된다(S530).
이후, 상기 출력 수집부(230)는 상기 제1 및 제2 광 위상 변조기(223-1, 223-2)로부터 출력되는 빔과 상기 제2 및 제3 준위상 정합부(222-2, 222-3)로부터 출력되는 빔을 각각 결합하여 2개의 빔을 생성한다.
일 예로, 상기 출력 수집부(230)에 포함된 제1 2×2 광 결합기(231-1)는 상기 제1 광 위상 변조기(223-1)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제3 빔)과 상기 제2 준위상 정합부(222-2)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제4 빔)을 하나의 빔(예를 들어 제7 빔)으로 결합한다. 또한, 상기 출력 수집부(230)에 포함된 제2 2×2 광 결합기(231-2)는 상기 제2 광 위상 변조기(223-2)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제6 빔)과 상기 제3 준위상 정합부(222-3)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제5 빔)을 하나의 빔(예를 들어 제8 빔)으로 결합한다(S540).
이후, 상기 출력 수집부(230)는 상기 생성된 2개의 빔 중 하나의 빔(예를 들어 제7 빔)을 제3 광 위상 변조기(232)와 제1 광 검출기(234-1)에 제공한다. 또한, 상기 제3 광 위상 변조기(232)는 상기 하나의 빔을 통과시킨 후, 2×1 광 결합기(233)에 제공한다.
또한, 상기 출력 수집부(230)는 상기 생성된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔(예를 들어 제8 빔)을 상기 2×1 광 결합기(233)와 제2 광 검출기(234-2)에 제공한다.
일 예로, 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)에 의해 결합된 하나의 빔(예를 들어 제7 빔)은 상기 제3 광 위상 변조기(232)와 상기 제1 광 검출기(234-1)에 제공된다. 또한, 상기 제3 광 위상 변조기(232)에 제공된 하나의 빔은 상기 제3 광 위상 변조기(232)를 거쳐 상기 2×1 광 결합기(233)에 제공된다. 또한, 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)에 의해 결합된 다른 하나의 빔(예를 들어 제8 빔)은 상기 2×1 광 결합기(233)와 상기 제2 광 검출기(234-2)에 제공된다(S550).
이후, 상기 출력 수집부(230)에 포함된 상기 2×1 광 결합기(233)는 상기 제3 광 위상 변조기(232)로부터 제공되는 하나의 빔과 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)로부터 제공되는 다른 하나의 빔을 하나의 빔(예를 들어 제9 빔)으로 합쳐서 하나의 출력 신호(또는 출력 레이저)를 생성한다.
일 예로, 상기 2×1 광 결합기(233)는 상기 제3 광 위상 변조기(232)로부터 제공되는 하나의 빔(예를 들어 제7 빔)과 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)로부터 제공되는 다른 하나의 빔(예를 들어 제8 빔)을 하나의 빔(예를 들어 제9 빔)으로 결합한다(또는 합친다)(S560).
이후, 상기 제1 및 제2 광 검출기(234-1, 234-2)는 상기 제1 및 제2 2×2 광 결합기(231-1, 231-2)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제7 빔 및 제8 빔)을 전기 신호로 각각 변환한다.
일 예로, 상기 제1 광 검출기(234-1)는 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제7 빔)을 전기 신호로 변환하고, 상기 제2 광 검출기(234-2))는 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제8 빔)을 전기 신호로 변환한다.
또한, 제3 광 검출기(234-3)는 상기 2×1 광 결합기(233)로부터 출력되는 빔(예를 들어 제9 빔)을 전기 신호로 변환한다(S570)..
이후, 제1 및 제2 위상 검출기(235-1, 235-2)는 상기 변환된 전기 신호의 특성을 근거로 상기 제1 및 제2 2×2 광 결합기(231-1, 231-2)에 의해 결합되는 두 개의 빔(또는 레이저) 간의 위상 차이를 각각 확인(또는 산출/판단)한다.
즉, 상기 제1 및 제2 위상 검출기(235-1, 235-2)는 위상 특성이 안정적인 미리 설정된 고정밀 발진기(미도시)와 상기 제1 및 제2 광 검출기(234-1, 234-2)에서 확인된 맥놀이 신호 성분의 위상 차이를 비교하고, 상기 비교 결과를 근거로 분별 신호를 각각 생성한다.
일 예로, 상기 제1 위상 검출기(235-1)는 상기 제1 광 검출기(234-1)에 의해 변환된 전기 신호의 특성을 근거로 상기 제1 2×2 광 결합기(231-1)에 의해 결합되는 두 개의 빔 간의 위상 차이를 확인하고, 상기 확인 결과를 근거로 제1 분별 신호를 생성한다.
또한, 상기 제2 위상 검출기(235-2)는 상기 제2 광 검출기(234-2)에 의해 변환된 전기 신호의 특성을 근거로 상기 제2 2×2 광 결합기(231-2)에 의해 결합되는 두 개의 빔 간의 위상 차이를 확인하고, 상기 확인 결과를 근거로 제2 분별 신호를 생성한다.
또한, 제3 위상 검출기(235-3)는 상기 제3 광 검출기(234-3)에 의해 변환된 전기 신호의 특성을 근거로 상기 2×1 광 결합기(233)에 의해 결합되는 두 개의 빔 간의 위상 차이를 확인하고, 상기 확인 결과를 근거로 제3 분별 신호를 생성한다(S580).
이후, 제1 및 제2 위상 제어기(236-1, 236-2)는, 온도 변화와 같은 외부 물리량 변화에 의해 상기 두 개의 빔 간에 위상 차이가 발생하는 경우, 상기 생성된 분별 신호를 근거로 상기 제1 및 제2 광 위상 변조기(223-1, 223-2)에 전달되는 전압 신호를 각각 제어하여, 상기 제1 및 제2 2×2 광 결합기(231-1, 231-2)에서 합쳐진 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상한다.
즉, 상기 제1 및 제2 위상 제어기(236-1, 236-2)는 상기 제1 및 제2 광 검출기(234-1, 234-2)에서 확인된 신호를 통해 상기 제1 및 제2 광 위상 변조기(223-1, 223-2)에 전달되는 전압신호를 제어함으로써 상기 제1 및 제2 2×2 광 결합기(231-1, 231-2)에서 합쳐지는 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상한다.
또한, 제3 위상 제어기(236-3)는 상기 제3 위상 검출기(235-3)에 의해 생성된 분별 신호를 근거로 상기 제3 광 위상 변조기(232)에 전달되는 전압 신호를 제어하여, 상기 2×1 광 결합기(233)에서 합쳐진 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상한다(S590).
상기에서 설명한 부분은 위상 결맞음 특성이 중요한 경우 하나의 빔을 4개로 나누고 다시 합치는 경우의 예에 해당하며, 하나의 빔을 두 개로 나누고 다시 합치는 경우가 두 번 반복된 확장된 형태라 할 수 있다. 위상 결맞음 특성이 중요한 경우 가장 기본적인 형태는 하나의 빔을 두 개로 나누고 다시 합치는 경우라 볼 수 있으며, 필요시 이를 2의 배수 혹은 3 이상의 홀수만큼 빔을 나누고 합침으로써 확장 가능하며, 2N(N:자연수) 만큼 빔을 나누게 될 경우 필요한 광 위상 변조기, 광 검출기, 위상 검출기 및 위상 제어기의 개수는 각각 2N-1개 이다.
도 6은 본 명세서의 제3 실시예에 따른 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명에서 설명되는 개념의 레이저 시스템은 광자기 포획(MOT), Optical Dipole Trap, 이 광자 라만전이 등 물리 전반에 응용 가능하며, 하기에 기술되는 내용들은 원자간섭계로의 응용을 염두에 두고 설명되는 한 예로 볼 수 있다.
먼저, 입력 분배부(310)는 고출력의 입력 레이저(또는 입력 레이저 빔)를 1차적으로 2개의 빔으로 분할한다. 이와 같이, 2개의 빔으로 분할되는 빔은 일부는 원자가 빛을 흡수하는 공명 주파수에서 낮은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(red detuned) 레이저 빔으로 사용되며, 다른 일부는 1차 파장 변환부(320)와 2차 파장 변환부(330)를 각각 통과하여 원자의 공명 주파수에 해당하는 레이저 및 공명 주파수에서 높은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(blue detuned) 레이저 빔을 생성하는데 사용된다.
또한, 상기 입력 분배부(310)는 상기 2개로 분할된 빔 중 다른 하나의 빔을 2차적으로 미리 설정된 7개의 빔으로 분할한다.
일 예로, 상기 입력 분배부(310)에 포함된 1×2 광 분배기(311)는 상기 입력 레이저를 상기 미리 설정된 2개의 빔(예를 들어, 제1 빔과 제2 빔)으로 분할한다. 이후, 상기 분할된 2개의 빔 중 하나의 빔(예를 들어, 제1 빔)은 낮은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진 레이저로 사용되며, 상기 분할된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔(예를 들어, 제2 빔)은 상기 입력 분배부(310)에 포함된 1×7 광 분배기(312)에 의해 7개의 빔(예를 들어, 제3 빔 내지 제9 빔)으로 분할된다(S610).
이후, 상기 1차 파장 변환부(320)는 상기 입력 분배부(310)에 의해 7개로 분할된 빔의 주파수를 2배로 각각 체배한다.
이때, 상기 입력 분배부(310)에 의해 분할된 7개의 빔 중 1개의 빔은 상기 1차 및 2차 파장 변환부(320, 330)에 각각 포함된 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 제1 파장 변환부(321)와 상기 2차 파장 변환부(330)를 각각 경유하여, 상기 원자 공명 주파수에서 높은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진 레이저를 생성하는데 사용된다.
또한, 상기 입력 분배부(310)에 의해 분할된 7개의 빔 중 3개의 빔은 상기 1차 파장 변환부(320)에 각각 포함된 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 3개의 제1 내지 제3 파장 변환부(321, 322, 323)를 각각 경유하여, 원자의 공명 주파수에 해당하면서 꼭 위상 결맞음 특성을 가질 필요없는 자기광포획(MOT)용 냉각레이저, 리펌핑레이저, 검출레이저 등의 레이저를 생성하는데 사용된다.
또한, 상기 입력 분배부(310)에 의해 분할된 7개의 빔 중 남은 3개의 빔은 상기 1차 파장 변환부(320)에 각각 포함된 위상 결맞음 특성이 필요한 3개의 제4 내지 제6 파장 변환부(324, 325, 326)를 각각 경유하여, 원자의 공명 주파수에 해당하면서 위상 결맞음 특성이 중요한 라만레이저 등의 레이저를 생성하는데 사용된다.
여기서 생성되는 레이저들은 하나의 입력 레이저 소스를 이용하므로 항상 동시에 구현된다고는 보기 어렵다. 예를 들어 광자기 포획(MOT)용 레이저와 라만레이저는 일반적으로 GHz 수준에서 주파수 영역이 다르기 때문에 본 발명에서 제시하는 형태로는 동시 구현이 어렵다. 대신, 원자간섭계 구현 시 일반적으로 광자기 포획(MOT)용 레이저와 라만레이저는 동시에 필요하지 않기 때문에 각각의 레이저가 필요한 시점에, 파장변환 장치에 입력되는 레이저의 주파수를 필요에 맞게 조절하는 방식을 이용하여 효과적으로 레이저 시스템 구현이 가능하다.
일 예로, 상기 1차 파장 변환부(320)는 상기 입력 분배부(310)에 의해 7개로 분할된 빔(예를 들어, 제3 빔 내지 제9 빔)의 주파수를 2배로 각각 체배한다.
또한, 상기 증폭된 7개의 빔(예를 들어, 제3 빔 내지 제9 빔) 중 제3 빔은 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 상기 제1 파장 변환부(321)와 상기 2차 파장 변환부(330)를 각각 경유하여, 상기 원자 공명 주파수에서 높은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진 레이저를 생성하는데 사용된다.
또한, 상기 증폭된 7개의 빔(예를 들어, 제3 빔 내지 제9 빔) 중 제4 빔 내지 제6 빔은 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 3개의 상기 제1 내지 제3 파장 변환부(321, 322, 323)를 각각 경유하여, 원자의 공명 주파수에 해당하면서 꼭 위상 결맞음 특성을 가질 필요없는 자기광포획(MOT)용 냉각레이저, 리펌핑레이저, 검출레이저 등의 레이저를 생성하는데 사용된다.
또한, 상기 증폭된 7개의 빔(예를 들어, 제3 빔 내지 제9 빔) 중 제7 빔 내지 제9 빔은 위상 결맞음 특성이 필요한 3개의 상기 제4 내지 제6 파장 변환부(324, 325, 326)를 각각 경유하여, 원자의 공명 주파수에 해당하면서 위상 결맞음 특성이 중요한 라만레이저 등의 레이저를 생성하는데 사용된다(S620).
이후, 음향광학변조기(340)는 상기 1차 파장 변환부(320)로부터 각각 출력되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다.
일 예로, 상기 제1 음향광학변조기(341)는 상기 제1 파장 변환부(321)로부터 출력되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하고, 상기 제2 음향광학변조기(342)는 상기 제2 파장 변환부(322)로부터 출력되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하고, 상기 제3 음향광학변조기(343)는 상기 제3 파장 변환부(323)로부터 출력되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하고, 상기 제4 음향광학변조기(344)는 상기 제4 파장 변환부(324)로부터 출력되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하고, 상기 제5 음향광학변조기(345)는 상기 제5 파장 변환부(325)로부터 출력되는 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하고, 상기 제6 음향광학변조기(346)는 상기 제6 파장 변환부(326)로부터 출력되는 빔에 대해서주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행한다(S630).
이후, 제1 내지 제3 출력 수집부(351, 352, 353)는 상기 제1 내지 제3 음향광학변조기(341, 342, 343)로부터 각각 출력되는 빔을 미리 설정된 복수의 빔으로 분할한다.
또한, 제4 내지 제6 출력 수집부(354, 355, 356)는 상기 제4 내지 제6 음향광학변조기(344, 345, 346)로부터 각각 출력되는 빔을 2개의 빔으로 분할한다.
일 예로, 상기 제1 출력 수집부(351)는 상기 제1 음향광학변조기(341)로부터 출력되는 빔을 4개의 빔으로 분할하고, 상기 제2 출력 수집부(352)는 상기 제2 음향광학변조기(342)로부터 출력되는 빔을 4개의 빔으로 분할하고, 상기 제3 출력 수집부(353)는 상기 제3 음향광학변조기(343)로부터 출력되는 빔을 2개의 빔으로 분할하고, 상기 제4 출력 수집부(354)는 상기 제4 음향광학변조기(344)로부터 출력되는 빔을 2개의 빔으로 분할하고, 상기 제5 출력 수집부(355)는 상기 제5 음향광학변조기(345)로부터 출력되는 빔을 2개의 빔으로 분할하고, 상기 제6 출력 수집부(356)는 상기 제6 음향광학변조기(346)로부터 출력되는 빔을 2개의 빔으로 분할한다(S640).
이후, 라만레이저의 경우, 자기광포획에 필요한 냉각레이저와는 달리 출력 안정도 특성이 중요하므로, 제11 내지 제13 광 검출기(361, 362, 363)는 상기 제4 내지 제6 출력 수집부(354, 355, 356)로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 각각 변환한다(S650).
이후, 제1 내지 제3 광 출력 제어기(371, 372, 373)는 상기 제11 내지 제13 광 검출기(361, 362, 363)로부터 각각 변환된 전기 신호를 근거로 해당 빔의 세기(또는 광 세기)를 각각 확인한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 광 출력 제어기(371, 372, 373)는 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는지의 여부를 판단(또는 확인)한다(S660).
상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 내에 있는 경우, 상기 제1 내지 제3 광 출력 제어기(371, 372, 373)는 상기 제4 내지 제6 음향광학변조기(344, 345, 346)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 그대로 유지한다(S670).
또한, 상기 판단 결과, 상기 확인된 빔의 세기가 미리 설정된 기준범위 밖에 있는 경우, 상기 제1 내지 제3 광 출력 제어기(371, 372, 373)는 상기 제4 내지 제6 음향광학변조기(344, 345, 346)에 인가되는 신호(또는 변조 신호)의 출력 세기를 제어하여 라만레이저의 광 출력이 기준범위 내에 있도록 안정화하는 기능을 수행한다(S680).
본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 광 도파로 기반 파장변환 장치의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 높이기 위해 광 도파로를 배열 구조로 형성하여, 광 도파로의 입/출력 허용 광 세기 수준을 개선하여 고출력성 및 고신뢰성을 가지는 파장변환된 레이저를 생성할 수 있고, 별도의 광 분배기 없이 자연스럽게 다양한 출력 레이저 빔들을 배분하는 형태를 취하고 있어 여러 종류의 레이저들이 요구되는 응용분야에 적합할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 입력되는 두 레이저의 위상 결맞음 특성에 따른 광 도파로 배열 파장 변환부를 제공하여, 제어해야 하는 특성이 다른 레이저들을 상황에 맞게 함께 다룰 수 있고, 파장변환된 레이저 출력을 필요로 하는 분야에 보다 견고하고 신뢰성 높으면서 소형인 다양한 형태의 고출력 레이저를 제공할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 고출력 광도파로 기반의 파장변환 장치
110, 210, 310: 입력 분배부
120, 220: 광 도파로 배열 파장 변환부
130, 230: 출력 수집부
111: 1×N 광 분배기 112, 212: 편광 조절기
121: 1×M 광 분배기 122: 준위상 정합부
131: M×1 광 결합기 132: N×1 광 결합기
211: 1×2 광 분배기
221-1: 제1 1×2 광 분배기 221-2: 제2 1×2 광 분배기
222-1: 제1 준위상 정합부 222-2: 제2 준위상 정합부
222-3: 제3 준위상 정합부 222-4: 제4 준위상 정합부
223-1: 제1 광 위상 변조기 223-2: 제2 광 위상 변조기
231-1: 제1 2×2 광 결합기 231-2: 제2 2×2 광 결합기
232: 제3 광 위상 변조기 233: 2×1 광 결합기
234-1: 제1 광 검출기 234-2: 제2 광 검출기
234-3: 제3 광 검출기 235-1: 제1 위상 검출기
235-2: 제2 위상 검출기 235-3: 제3 위상 검출기
236-1: 제1 위상 제어기 236-2: 제2 위상 제어기
236-3: 제3 위상 제어기
300: 원자간섭계용 전광섬유 레이저 시스템
320: 1차 파장 변환부 330: 2차 파장 변환부
340: 음향 광학 변조기 350: 출력 수집부
360: 광 검출기 370: 광 출력 제어기

Claims (16)

  1. 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치에 있어서,
    광 도파로 기반 파장변환 장치의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 입력 분배부;
    상기 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 M개의 빔으로 추가 분할하고, 총 N×M개의 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 광 도파로 배열 파장 변환부; 및
    상기 파장 변환된 총 N×M개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하는 출력 수집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입력 분배부는,
    상기 입력 레이저를 상기 N개의 빔으로 분할하는 1×N 광 분배기; 및
    상기 1×N 광 분배기에 의해 N개로 분할된 빔을 각각 미리 설정된 편광 상태로 만드는 복수의 편광 조절기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부는,
    상기 분할된 N개의 빔을 상기 M개의 빔으로 각각 분할하는 복수의 1×M 광 분배기; 및
    상기 총 N×M개의 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 복수의 준위상 정합부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력 수집부는,
    상기 파장 변환된 총 N×M개의 분할된 빔을 N개의 빔으로 결합하는 복수의 M×1 광 결합기; 및
    상기 N개로 결합된 빔을 상기 하나의 빔으로 합치는 N×1 광 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광섬유 접합된 파장변환 장치.
  5. 위상 결맞음 특성을 필요로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치에 있어서,
    광 도파로 기반 파장변환 장치의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 입력 분배부;
    상기 분할된 N개의 빔을 추가로 2개의 빔으로 각각 분할하고, 상기 2N개로 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 광 도파로 배열 파장 변환부; 및
    상기 파장 변환된 총 2N개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하고, 상기 2N개로 분할된 빔들 간의 위상 차이를 근거로 상기 2N개로 분할된 빔 간의 위상 차이를 보상하는 출력 수집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 입력 분배부는,
    상기 입력 레이저를 상기 N개의 빔으로 분할하는 1×N 광 분배기; 및
    상기 1×N 광 분배기에 의해 N개로 분할된 빔을 각각 미리 설정된 편광 상태로 만드는 복수의 편광 조절기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 광 도파로 배열 파장 변환부는,
    상기 분할된 N개의 빔 각각을 2개의 빔으로 추가 분할하는 N개의 1×2 광 분배기;
    이차 조화파 생성을 위해 상기 N개의 1×2 광 분배기에 의해 분할된 2N개 빔들의 파장을 변환하여 출력하는 2N개의 준위상 정합부;
    광 도파로 주변에 미세전극을 형성하여 칩에 집적 가능하며, 상기 N쌍의 준위상 정합부로부터 출력되는 각각의 쌍 중 하나의 빔을 통과시키는 N개의 광 위상 변조기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 출력 수집부는,
    상기 N개의 광 위상 변조기로부터 출력되는 N개의 빔 각각과 광 위상변조기를 통과하지 않고 준위상 정합부로부터 출력되는 N개의 빔 각각을 결합하여 출력하는 N개의 2×2 광 결합기;
    상기 N개의 2×2 광 결합기로부터 출력되는 N개의 빔 중 N-1개의 빔을 통과시키는 N-1개의 광 위상 변조기;
    상기 N개의 2×2 광 결합기로부터 출력되는 N개의 빔들을 차례로 합쳐 하나의 빔으로 출력하는 N-1개의 2×1 광 결합기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 출력 수집부는,
    상기 N개의 2×2 광 결합기로부터 각각 출력되는 2개의 빔 중 하나를 전기 신호로 변환하는 N개의 광 검출기;
    상기 N-1개의 2×1 광 결합기로부터 차례로 출력되는 N-1개의 빔을 전기 신호로 변환하는 N-1개의 광 검출기;
    상기 N개의 광 검출기로부터 변환된 전기 신호를 근거로 상기 N개의 2×2 광 결합기에 의해 각각 결합되는 두 개의 빔 간의 위상 차이를 확인하고, 상기 확인된 위상 차이를 근거로 분별 신호를 생성하는 N개의 위상 검출기;
    상기 N-1개의 광 검출기로부터 변환된 전기 신호를 근거로 상기 N-1개의 2×1 광 결합기에 의해 차례로 각각 결합되는 두 개의 빔 간의 위상 차이를 확인하고, 상기 확인된 위상 차이를 근거로 분별 신호를 생성하는 N-1개의 위상 검출기;
    상기 N개의 위상 검출기로부터 생성된 분별 신호를 근거로 상기 N개의 광 위상 변조기에 전달되는 전압 신호를 제어하여 상기 N개의 2×2 광 결합기에서 각각 합쳐진 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상하는 N개의 위상 제어기;
    상기 N-1개의 위상 검출기로부터 생성된 분별 신호를 근거로 상기 N-1개의 광 위상 변조기에 전달되는 전압 신호를 제어하여 상기 N-1개의 2×1 광 결합기에서 차례로 각각 합쳐진 두 개의 빔 사이의 위상 차이를 보상하는 N-1개의 위상 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치.
  10. 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템에 있어서,
    입력 레이저를 1차로 2개의 빔으로 분할하고, 상기 분할된 2개의 빔 중 제1 빔을 2차로 7개의 빔으로 분할하는 입력 분배부;
    상기 분할된 7개의 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 1차 파장 변환부;
    상기 증폭된 7개의 빔 중 제3 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 2차 파장 변환부;
    상기 1차 파장 변환부에 의해 체배된 7개의 빔 중 제4 빔 내지 제9 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하는 음향광학변조기; 및
    상기 음향광학변조기로부터 출력되는 제4 빔 내지 제9 빔을 출력하는 출력 수집부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 입력 분배부에 의해 분할된 2개의 빔 중 다른 하나의 빔은,
    원자가 빛을 흡수하는 공명 주파수에서 낮은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(red detuned) 레이저 빔으로 사용되며,
    상기 2차 파장부에 의해 체배된 빔은,
    원자 공명 주파수에서 높은 주파수 쪽으로 멀리 떨어진(blue detuned) 레이저 빔으로 사용되고,
    상기 제4 빔 내지 제9 빔은 원자가 빛을 흡수하는 공명 주파수에 해당하는 레이저 빔으로 사용되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 1차 파장 변환부는,
    위상 결맞음 특성이 중요하지 않으며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 상기 제3 빔을 통과시키는 제1 파장 변환부;
    위상 결맞음 특성이 중요하지 않으며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 제4 빔을 통과시키는 제2 파장 변환부;
    위상 결맞음 특성이 중요하지 않으며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 제5 빔을 통과시키는 제3 파장 변환부;
    위상 결맞음 특성이 중요하지 않으며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 제6 빔을 통과시키는 제4 파장 변환부;
    위상 결맞음 특성을 필요로 하며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 제7 빔을 통과시키는 제5 파장 변환부;
    위상 결맞음 특성을 필요로 하며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 제8 빔을 통과시키는 제6 파장 변환부; 및
    위상 결맞음 특성을 필요로 하며, 상기 분할된 7개의 빔 중에서 제9 빔을 통과시키는 제7 파장 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 출력 수집부로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 변환하는 광 검출기; 및
    상기 변환된 전기 신호를 근거로 출력 빔의 광 세기를 안정화 하기 위해 상기 음향 광학 변조기에 인가되는 신호의 출력 세기를 제어하는 광 출력 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자간섭계용 전광섬유 레이저 시스템.
  14. 위상 결맞음 특성이 중요하지 않은 고출력 광 도파로 기반 파장변환 방법에 있어서,
    입력 분배부를 통해, 광 도파로의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 단계;
    광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 상기 분할된 N개의 빔을 미리 설정된 M개의 빔으로 추가 분할하는 단계;
    상기 광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 총 N×M개의 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 단계; 및
    출력 수집부를 통해, 상기 파장 변환된 총 N×M개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 방법.
  15. 위상 결맞음 특성을 필요로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 방법에 있어서,
    입력 분배부를 통해, 광 도파로의 제한된 입/출력 허용 광 세기 수준을 만족할 수 있도록 큰 입력 광 세기를 갖는 입력 레이저를 미리 설정된 N개의 빔으로 분할하는 단계;
    광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 상기 분할된 N개의 빔을 추가로 2개의 빔으로 각각 분할하는 단계;
    상기 광 도파로 배열 파장 변환부를 통해, 상기 2N개로 분할된 빔의 파장을 변환하여 출력하는 단계;
    출력 수집부를 통해, 상기 파장 변환된 총 2N개의 분할된 빔을 하나의 빔으로 합쳐서 출력하는 단계; 및
    상기 출력 수집부를 통해, 상기 2N개로 분할된 빔들 간의 위상 차이를 근거로 상기 2N개로 분할된 빔 간의 위상 차이를 보상하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고출력 광 도파로 기반 파장변환 방법.
  16. 고출력 광 도파로 기반 파장변환 장치가 적용된 레이저 시스템의 제어 방법에 있어서,
    입력 분배부를 통해, 입력 레이저를 1차로 2개의 빔으로 분할하고, 상기 분할된 2개의 빔 중 제1 빔을 2차로 7개의 빔으로 분할하는 단계;
    1차 파장 변환부를 통해, 상기 분할된 7개의 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 단계;
    2차 파장 변환부를 통해, 상기 체배된 7개의 빔 중 제3 빔의 주파수를 미리 설정된 2배로 체배하는 단계;
    음향광학변조기를 통해, 상기 1차 파장 변환부에 의해 체배된 7개의 빔 중 제4 빔 내지 제9 빔에 대해서 주파수 이동, 셔터 및 광세기 제어 기능을 수행하는 단계;
    출력 수집부를 통해, 상기 음향광학변조기로부터 출력되는 제4 빔 내지 제9 빔을 출력하는 단계;
    광 검출기를 통해, 상기 출력 수집부로부터 출력되는 빔을 전기 신호로 변환하는 단계; 및
    광 출력 제어기를 통해, 상기 출력되는 빔의 광 세기를 안정화 하기 위해 상기 변환된 전기 신호를 근거로 상기 음향 광학 변조기에 인가되는 신호의 출력 세기를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템의 제어 방법.
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