KR20160109809A - 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치 - Google Patents

단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편광 유지 광섬유를 이용하여 셀프-스타팅이 가능하고 외부 환경의 변화에 강인하며, 그 내부에서 분산을 조절하기 때문에 장치 부피의 증가를 최소화할 수 있으며, 펨토초 단위의 시간 지속성을 가지고 그 내부에서 레이저 광의 펄스 폭을 조절할 수 있으며, 단일 편광 상태를 유지할 수 있는 레이저 광을 생성하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 편광 유지 광섬유를 포함하며 레이저 광의 진행 경로를 제공하는 광 경로부; 상기 광 경로부에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부; 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 경로부에 상기 레이저 광을 출력하는 레이저 매질부; 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 매질부의 출력의 펄스 폭을 조절하여 출력하는 펄스 폭 조절부; 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 분산을 보상하여 출력하는 분산 보상부; 및 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 분산 보상부의 출력의 적어도 일부를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치가 제공된다.

Description

단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치{APPARATUS FOR GENERATING SINGLE POLARIZATION FIBER LASER}
본 발명은 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber)를 이용하여 단일 편광 상태이고 펨토초 단위의 시간 지속성을 가지고 펄스 폭을 조절할 수 있는 레이저 광을 생성하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 관한 것이다.
펨토초(femtosecond, fs) 광섬유 레이저는 10-15s 의 매우 짧은 시간 지속성을 갖는 펄스 레이저이다. 펨토초 광섬유 레이저는 초미세 가공, 의료, 군사, 슈퍼콘티뉴엄 생성, 파장 변환 등 다양한 응용 분야를 가지는 중요한 광원이다.
일반적으로 펨토초 광섬유 레이저는 수동형 모드 잠금(passive mode locking) 방법에 의해서 생성된다. 수동형 모드 잠금 방법에 의해서 광섬유의 비선형성과 비정상 분산이 균형을 이루게 되면, 펨토초의 시간 지속성을 갖는 솔리톤 모드 잠금 레이저가 생성된다.
한편 레이저 광원의 파장은 산업용으로 많이 이용되는 1030nm, 통신용으로 이용되는 1550nm, 군사 및 의료용으로 이용되는 2000nm가 있다. 실리카 광섬유는 일반적으로 1310nm 대역에서 영 분산을 갖으며 1310nm 이상에서는 비정상 분산, 1310nm 이하에서는 정상 분산을 갖는다. 1310nm 이상의 경우, 분산 천이 광섬유를 이용하여 쉽게 정상 분산을 갖는 광섬유를 구현할 수 있다. 따라서 1550nm 및 2000nm 파장에서는 광섬유만으로 분산 조절을 통하여 쉽게 솔리톤 펨토초 모드 잠금 레이저가 생성될 수 있다. 하지만 산업적으로 많이 이용되는 1030nm 대역에서는 광섬유의 분산이 모두 정상 분산이기 때문에 일반적인 방법으로는 솔리톤 초단펄스 생성이 불가능하다.
따라서 광섬유의 분산을 보상하는 방법이 사용되어야 한다. 종래의 분산을 보상하는 방법은, CFBG(Chirped Fiber Bragg Grating), PCF(Photonic Crystal Fiber), PBGF(Photonic Band-gap Fiber), 격자쌍(Grating-Pair) 등을 예로 들 수 있다. CFBG, PCF, PBGF 등을 이용하여 분산을 보상하는 경우 레이저 공진기를 간단하게 구성할 수 있지만 레이저 공진기의 분산이 특정한 값으로 고정되기 때문에 펄스 폭을 조절할 수 없다는 단점이 있다. 격자쌍을 이용할 경우 레이저 공진기의 구성은 다소 복잡해지는 단점이 있지만 변형 스테이지(Translation Stage) 위에 위치한 격자쌍 사이의 간격을 조절함으로써 레이저 공진기의 분산을 조절할 수 있다는 장점이 있다.
또한 소산성 솔리톤(Dissipative Soliton) 광섬유 레이저를 이용하여 수십 피코초(picosecond, ps)의 펄스 폭을 갖는 모드 잠금 레이저를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 생성된 펄스 레이저는 외부에서 분산 보상을 통해서 펨토초 펄스를 생성할 수 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 소산성 솔리톤의 경우 레이저 공진기의 내부에서 정상 분산에 의해서 처프(Chirp)가 많이 발생하기 때문에 펨토초 생성을 위해서 필요한 비정상 분산이 공진기 내부에서 분산 보상을 하는 것 보다 더 많이 필요하다는 단점이 있다.
예컨대 미국 특허 US8,416,817호는 레이저 공진기에서 생성된 대략 1.4 피코초의 처프 펄스 레이저를 디처핑(Dechirping)을 이용하여 대략 170 펨토초를 가지도록 펄스의 폭을 좁히는 구성을 개시하고 있다.
그러나 미국 특허 US8,416,817호의 구성은 디처핑이 레이저 공진기 외부에서 수행되므로, 레이저 공진기의 내부에서는 출력 펄스의 폭을 조절할 수 없다는 단점이 있다.
또한 "Femtosecond fiber lasers with pulse energies above 10 nJ,"라는 명칭의 버클리 등의 논문[J. R. Buckley, F. W. Wise, F. O. Ilday and T. Sosnowski, "Femtosecond fiber lasers with pulse energies above 10 nJ," Opt. Lett. 30(14), p1888-1890, 2005.]를 참조하면, 수 피코초의 펄스를 레이저 공진기 내부에서 생성한 후 공진기 외부에서 분산을 보상하는 방법을 개시하고 있다.
그러나 버클리 등의 논문 역시 분산을 보상하는 방식이 레이저 공진기 외부에서 수행되므로, 레이저 공진기의 내부에서는 출력 펄스의 폭을 조절할 수 없다는 단점이 있다.
한편 미국 특허 US8,416,817호 또는 버클리 등의 논문 등의 종래 기술에서는 일반적인 광섬유를 사용하는 구성이 개시된다. 광섬유 레이저가 실제 산업용, 의료용 또는 군사용으로 적용되기 위해서는 외부 환경의 변화에 강한 특성을 가져야 한다. 이를 위해서는 편광 유지 광섬유를 사용하는 것이 바람직하나, 펄스의 폭을 조절할 때 편광에 대한 의존없이 동작해야 한다는 문제점이 있다. 따라서 종래 기술에 따르면 펨토초 광섬유 레이저를 생성하여 편광 유지 광섬유를 사용하는 구성에 대해서는 개시하거나 시사하지 못하고 있다.
1. 미국 특허 US8,416,817호
1. J. R. Buckley, F. W. Wise, F. O. Ilday and T. Sosnowski, "Femtosecond fiber lasers with pulse energies above 10 nJ," Opt. Lett. 30(14), p1888-1890, 2005.
본 발명의 목적은 편광 유지 광섬유를 이용하여 셀프-스타팅(Self-Starting)이 가능하고 외부 환경의 변화에 강인하며, 그 내부에서 분산을 조절하기 때문에 장치 부피의 증가를 최소화할 수 있으며, 펨토초 단위의 시간 지속성을 가지고 그 내부에서 레이저 광의 펄스 폭을 조절할 수 있으며, 단일 편광 상태를 유지할 수 있는 레이저 광을 생성하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 편광 유지 광섬유를 포함하며 레이저 광의 진행 경로를 제공하는 광 경로부; 상기 광 경로부에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부; 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 경로부에 상기 레이저 광을 출력하는 레이저 매질부; 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 매질부의 출력의 펄스 폭을 조절하여 출력하는 펄스 폭 조절부; 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 분산을 보상하여 출력하는 분산 보상부; 및 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 분산 보상부의 출력의 적어도 일부를 출력하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 편광 유지 광섬유는, 희토류 이온 첨가(doped) 광섬유를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 편광 유지 광섬유는, 어븀(Erbium) 첨가 광섬유, 이터븀(Ytterbium) 첨가 광섬유, 툴륨(Thulium) 첨가 광섬유 및 홀뮴(Holmium) 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 펌프광 공급부는, 상기 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부; 및 상기 펌프광 생성부와 상기 광 경로부를 광학적으로 연결하는 입력 커플러를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 펌프광 생성부는, 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 입력 커플러는 편광 유지 파장 분할 다중화(Polarization Maintaining Wavelength Division Multiplexing) 광 커플러를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 레이저 매질부는, 어븀(Erbium) 첨가 편광 유지 광섬유, 이터븀(Ytterbium) 첨가 편광 유지 광섬유, 튤륨(Thulium) 첨가 편광 유지 광섬유 및 홀뮴(Holmium) 첨가 편광 유지 광섬유 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 레이저 매질부 및 상기 펄스 폭 조절부 사이에서 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 광이 상기 펄스 폭 조절부로부터 상기 레이저 매질부로 진행하는 것을 억제하는 광 억제부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 광 억제부는 광 아이솔레이터(Isolator)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서,상기 광 억제부는 편광 유지 광 아이솔레이터를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 펄스 폭 조절부는, 반도체 포화 흡수체(Saturable Absorber), 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 펄스 폭 조절부는, MoS2 및 WS2 중 적어도 하나를 이용하여 제조될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 출력부는 편광 유지 광 커플러를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 펄스 폭 조절부 및 상기 분산 보상부 사이에서 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펄스 폭 조절부의 출력을 집속하는 제1 콜리메이터(Collimator); 및 상기 분산 보상부 및 상기 출력부 사이에서 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 분산 보상부의 출력을 집속하는 제2 콜리메이터 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 분산 보상부는 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 비정상 분산을 보상하여 솔리톤 펨토초 펄스를 출력할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 분산 보상부는 상기 펄스 폭 조절부의 출력을 상호간에 진행시켜서 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 분산을 보상하는 제1 격자 및 제2 격자를 포함하는 격자쌍(Grating-Pair); 및 상기 광 경로부와 상기 제1 격자 및 상기 제2 격자 사이의 광 진행 경로를 제공하는 격자쌍 광 경로부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 격자쌍 광 경로부는 상기 펄스 폭 조절부로부터 상기 광 경로부를 통하여 출력되는 광을 상기 제1 격자로 진행시키고 상기 제1 격자에서 출력되는 광을 상기 광 경로부를 통하여 상기 출력부로 진행시키는 다이크로익(Dichroic) 미러; 및 상기 제2 격자에서 출력되는 광을 반사하여 상기 제2 격자로 진행시키는 리트로(Retro) 미러를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 분산 보상부는 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 편광을 조절하여 상기 제1 격자로 입력하는 제1 편광 조절부; 및 상기 분산 보상부의 출력의 편광을 조절하여 상기 광 경로부로 출력하는 제2 편광 조절부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 제1 편광 조절부 및 상기 제2 편광 조절부 각각은 입력되는 광의 제1 성분 및 제2 성분의 파장이 1/4만큼의 경로차를 가지도록 조절하는 쿼터 웨이브 플레이트(Quater Wave Plate)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서, 상기 격자쌍 광 경로부는 상기 제1 편광 조절부에서 출력되는 광을 상기 제1 격자로 진행시키고 상기 제1 격자에서 출력되는 광을 상기 제2 편광 조절부로 진행시키는 다이크로익 미러; 및 상기 제2 격자에서 출력되는 광을 반사하여 상기 제2 격자로 진행시키는 리트로 미러를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 편광 유지 광섬유를 이용하여 셀프-스타팅이 가능하고 외부 환경의 변화에 강인하며, 그 내부에서 분산을 조절하기 때문에 장치 부피의 증가를 최소화할 수 있으며, 펨토초 단위의 시간 지속성을 가지고 그 내부에서 레이저 광의 펄스 폭을 조절할 수 있으며, 단일 편광 상태를 유지할 수 있는 레이저 광을 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치의 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서 분산 보상부의 예시적인 구성을 나타내는 도면.
도 3 내지 도 6은 분산 보상이 수행되지 않은 소산성 솔리톤 펄스의 레이저 출력 특성을 나타내는 도면.
도 7 내지 도 10는 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서 분산 보상이 수행된 솔리톤 펄스의 레이저 출력 특성을 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치(100)는 광 경로부(110)와, 펌프광 공급부(120, 130)와, 레이저 매질부(150)와, 펄스 폭 조절부(170)와, 분산 보상부(190)와, 출력부(210)를 포함한다.
광 경로부(110)는 편광 유지 광섬유를 포함하며 레이저 광의 진행 경로를 제공한다. 편광 유지 광섬유는 예컨대 희토류 이온 첨가 광섬유를 사용할 수 있다. 보다 구체적으로 편광 유지 광섬유는, 어븀 첨가 광섬유, 이터븀 첨가 광섬유, 툴륨 첨가 광섬유 및 홀뮴 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
광 경로부(110)는 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치(100) 전반에 걸쳐서 루프 형상으로 배치된다.
펌프광 공급부(120, 130)는 광 경로부(110)에 펌프광을 공급한다.
펌프광 공급부(120, 130)는 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부(120)와, 펌프광 생성부(120)와 광 경로부(110)를 광학적으로 연결하는 입력 커플러(130)를 포함할 수 있다.
펌프광 생성부(120)는 예컨대 레이저 다이오드를 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대 976nm 레이저 다이오드가 사용될 수 있다.
입력 커플러(130)는 예컨대 편광 유지 파장 분할 다중화(Polarization Maintaining Wavelength Division Multiplexing, PM-WDM) 광 커플러를 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대 976/1030nm PM-WDM 광 커플러가 사용될 수 있다. 즉 기존의 파장 분할 다중화 광 커플러를 이용하는 경우 편광 특성이 악화될 수 있으므로, 편광 특성을 유지하는 편광 유지 파장 분할 다중화 광 커플러를 사용할 수 있다.
레이저 매질부(150)는 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 펌프광 공급부(120, 130)로부터 공급된 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 광 경로부(110)에 레이저 광을 출력한다.
레이저 매질부(150)는 광 경로부(110)와 마찬가지로 어븀(Erbium) 첨가 편광 유지 광섬유, 이터븀(Ytterbium) 첨가 편광 유지 광섬유, 튤륨(Thulium) 첨가 편광 유지 광섬유 및 홀뮴(Holmium) 첨가 편광 유지 광섬유 중 적어도 하나를 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대 976nm에서 250dB/m 의 최고 흡수율을 가지는 1m 길이의 이터븀 첨가 편광 유지 광섬유를 사용할 수 있다.
펄스 폭 조절부(170)는 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 레이저 매질부(150)의 출력의 펄스 폭을 조절하여 출력한다.
펄스 폭 조절부(170)는 반도체 포화 흡수체, 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 사용하여 구현될 수 있다.
또한 예컨대 펄스 폭 조절부(170)는 MoS2 및 WS2 중 적어도 하나를 이용하여 제조될 수 있다.
셀프-스타팅 및 모드 잠금 동작을 위해서 펄스 폭 조절부(170)를 사용하며, 예컨대 펄스 폭 조절부(170)로서 반도체 포화 흡수체를 사용할 수 있다.
펄스 폭 조절부(170)로서 반도체 포화 흡수체를 사용한 경우에 대해서 설명하면, 반도체 포화 흡수체에 의해서 모드 잠금 현상이 발생한다. 이때 편광 유지 광섬유의 특성 때문에 느린 축(Slow-axis)으로 정렬된 단일 편광을 갖는 레이저 펄스가 자연적으로 생성된다.
분산 보상부(190)는 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 펄스 폭 조절부(170)의 출력의 분산을 보상하여 출력한다.
분산 보상부(190)는 바람직하게는 펄스 폭 조절부(170)의 출력의 비정상 분산을 보상하여 솔리톤 펨토초 펄스를 출력할 수 있다.
한편 분산 보상부(190)는 편광 유지 광섬유 내에서 광이 진행하는 것이 아니라 자유 공간에서 광이 진행하는 것에 의해 분산을 보상한다.
도 2는 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서 분산 보상부의 예시적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 분산 보상부(190)는 제1 격자(310) 및 제2 격자(330)를 포함하는 격자쌍(310, 330)과, 격자쌍 광 경로부(390, 410)를 포함할 수 있다.
격자쌍(310, 330)은 펄스 폭 조절부(170)의 출력을 제1 격자(310) 및 제2 격자(330) 상호간에 진행시켜서 펄스 폭 조절부(170)의 출력의 분산을 보상한다.
격자쌍 광 경로부(390, 410)는 광 경로부(110)와 제1 격자(310) 및 제2 격자(330) 사이에서 광 진행 경로를 제공한다.
도 2를 참조하면, 분산 보상부(190)는 제1 편광 조절부(350) 및 제2 편광 조절부(370) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
제1 편광 조절부(350)는 펄스 폭 조절부(170)의 출력의 편광을 조절하여 제1 격자(310)로 입력한다.
제2 편광 조절부(370)는 분산 보상부(190)의 출력의 편광을 조절하여 광 경로부(110)로 출력한다.
제1 편광 조절부(350) 및 제2 편광 조절부(370) 각각은 입력되는 광의 제1 성분 및 제2 성분의 파장이 1/4만큼의 경로차를 가지도록 조절하는 쿼터 웨이브 플레이트(Quater Wave Plate)를 사용하여 구현될 수 있다.
즉 광, 예컨대 펄스 폭 조절부(170)의 출력의 제1 성분 및 제2 성분, 즉 x-성분 및 y-성분을 45도의 각도로 입사시켜서 제1 성분 및 제2 성분의 파장이 1/4만큼의 경로차를 가지도록 조절하여 편광을 조절할 수 있다.
제1 편광 조절부(350)는 분산 보상부(190)에 레이저 광을 입사하기 전에 편광을 조절한다. 즉 분산 보상부(190)는 편광 유지 광섬유가 아니라 자유 공간에서 광이 진행하는 것이므로 미리 편광을 조절하는 것이다.
제2 편광 조절부(370)는 다이크로익(Dichroic) 미러(390) 및 리트로(Retro) 미러(410), 제1 격자(310) 및 제2 격자(330)를 진행하는 것을 통하여 변화하는 레이저 광의 편광을 조절할 수 있다.
제1 편광 조절부(350) 및 제2 편광 조절부(370)를 포함하는 경우, 격자쌍 광 경로부(390, 410)는 제1 편광 조절부(350)에서 출력되는 광을 제1 격자(310)로 진행시키고 제1 격자(310)에서 출력되는 광을 제2 편광 조절부(330)로 진행시키는 다이크로익 미러(390) 및 제2 격자(330)에서 출력되는 광을 반사하여 제2 격자(330)로 진행시키는 리트로 미러(410)를 포함할 수 있다.
도 2에서는 제1 편광 조절부(350) 및 제2 편광 조절부(370)를 포함하는 경우의 격자쌍 광 경로부(390, 410)를 도시하지만, 제1 편광 조절부(350) 및 제2 편광 조절부(370)를 포함하지 않더라도 격자쌍 광 경로부(390, 410)는 예컨대 펄스 폭 조절부(170)에서 광 경로부(110)를 통하여 출력되는 광을 제1 격자(310)로 진행시키고 제1 격자(310)에서 출력되는 광을 광 경로부(110)를 통하여 출력부(210)로 진행시키는 다이크로익 미러(390) 및 제2 격자(330)에서 출력되는 광을 반사하여 제2 격자(330)로 진행시키는 리트로 미러(410)를 포함하도록 구성할 수 있다.
또한 격자쌍 광 경로부(390, 410)는 예시적인 것일 뿐이며, 광 경로부(110)와 제1 격자(310) 및 제2 격자(330) 사이에서 광 진행 경로를 제공한다면 다른 형태로 구성해도 좋다.
다시 도 1을 참조하면, 출력부(210)는 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 분산 보상부(190)의 출력의 적어도 일부를 출력한다. 출력부(210)는 바람직하게는 편광 유지 광 커플러를 사용하여 구현될 수 있다. 즉 기존의 광 커플러를 이용하는 경우 편광 특성이 악화될 수 있으므로, 편광 특성을 유지하는 편광 유지 광 커플러를 사용할 수 있다.
한편 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치(100)는 광 억제부(230)를 더 포함할 수 있다.
광 억제부(230)는 레이저 매질부(150) 및 펄스 폭 조절부(170) 사이에서 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 레이저 광이 펄스 폭 조절부(170)로부터 레이저 매질부(150)로 진행하는 것을 억제한다.
광 억제부(230)는 광 아이솔레이터를 사용하여 구현될 수 있다.
바람직하게는 광 억제부(230)는 편광 유지 광 아이솔레이터를 사용하여 구현될 수 있다. 즉 기존의 광 아이솔레이터를 이용하는 경우 편광 특성이 악화될 수 있으므로, 편광 특성을 유지하는 편광 유지 광 아이솔레이터를 사용할 수 있다.
한편 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치(100)는 제1 콜리메이터(250) 및 제2 콜리메이터(270) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
제1 콜리메이터(250)는 펄스 폭 조절부(170) 및 분산 보상부(190) 사이에서 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 펄스 폭 조절부(170)의 출력을 집속한다.
제2 콜리메이터(270)는 분산 보상부(190) 및 출력부(210) 사이에서 광 경로부(110)의 레이저 광의 진행 경로 상에 배치되며, 분산 보상부(190)의 출력을 집속한다.
도 3 내지 도 6은 분산 보상이 수행되지 않은 소산성 솔리톤 펄스의 레이저 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 분산 보상부(190), 보다 구체적으로 격자쌍(310, 330)을 사용하지 않은 경우의 소산성 솔리톤 펄스의 레이저 출력 특성을 나타내며, 도 3은 소산성 솔리톤 펄스의 광 스펙트럼, 도 4는 소산성 솔리톤 펄스의 오실로스코프 트레이스, 도 5는 소산성 솔리톤 펄스의 오토코릴레이션 트레이스, 도 6은 소산성 솔리톤 펄스의 전기적 스펙트럼을 각각 나타낸다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 격자쌍(310, 330)을 사용하지 않은 경우에는 일반적인 정상 분산 영역에서 발생하는 소산성 솔리톤의 특징인 사각형 모양의 광 스펙트럼을 확인할 수 있다. 3-dB 대역폭은 2.2nm이며 중심 파장은 1035.89nm 이다. 또한 펄스의 반복률은 29.71MHz 이며 펄스 폭은 9ps 이다. 또한 매우 안정된 78dB 이상의 SNR(Signal-to-Noise Ratio)을 확인 할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치에 있어서 분산 보상이 수행된 솔리톤 펄스의 레이저 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 분산 보상부(190), 보다 구체적으로 격자쌍(310, 330)을 사용한 솔리톤 펄스의 레이저 출력 특성을 나타내며, 도 7은 솔리톤 펄스의 광 스펙트럼, 도 8은 솔리톤 펄스의 오실로스코프 트레이스, 도 9는 솔리톤 펄스의 오토코릴레이션 트레이스, 도 10은 솔리톤 펄스의 전기적 스펙트럼을 각각 나타낸다.
격자쌍(310, 330)을 통하여 비정상 분산을 보상해주면 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치(100)의 광 루프 상에서 전체 분산이 비정상이 되어서 솔리톤 펨토초 펄스가 발생하게 된다. 도 7 내지 도 10을 통해서 솔리톤 펄스의 출력 특성을 확인할 수 있으며, 비정상 분산에서 발생하는 켈리 측대역(Kelly Sideband)을 광 스펙트럼에서 분명하게 확인할 수 있다. 한편 편광 유지 광섬유를 사용하였기 때문에, 만약 제1 편광 조절부(350) 및 제2 편광 조절부(370), 즉 쿼터 웨이브 플레이트(Quater Wave Plate)가 잘 정렬되어 있다면, 전류 제어만을 통해서 모드 잠금 레이저의 셀프-스타팅 동작을 구현할 수 있다. 또한 편광 유지 광섬유의 특유의 특성 때문에 주위 환경 변화에 대한 안정성이 크게 향상되는 것도 확인할 수 있었다.
본 발명자가 본 발명에 따른 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치(100)를 이용하여, 보다 구체적으로 분산 보상부(190), 즉 격자쌍(310, 330)을 사용하여 실험한 결과, 3-dB 대역폭 1.83nm, 중심 파장 1029.95nm, 펄스 반복률 26.04MHz, 77dB SNR, 출력 파워 ??8.5 dBm 및 펄스 폭 720펨토초를 가지는 분산 보상된 솔리톤 펨토초 레이저의 출력 특성을 확인할 수 있었다. 한편 격자쌍(310, 330)의 간격을 조절하는 것에 의해서 수백 펨토초 내의 범위에서 펄스의 폭의 조절이 가능하다는 것도 확인할 수 있었다.
기존의 CFBG, PCF 또는 PBGF를 이용하는 경우에는 레이저 공진기의 비정상 분산량이 고정되기 때문에 펄스의 폭의 조절이 불가능하지만, 본 발명에 따르면 격자쌍의 간격을 조절하는 것에 의해서 펄스의 폭을 조절할 수 있다.
또한 소산성 솔리톤으로 피코초의 펄스를 생성한 뒤 외부에서 격자쌍을 이용하여 분산 보상을 하는 경우 레이저 생성 장치의 크기를 소형화하기 어렵지만, 본 발명에 따르면 레이저 생성 장치 내부에 격자쌍을 배치함으로써 예컨대 2cm간격으로 격자쌍을 배치하더라도 분산 보상이 되어서 펨토초 펄스를 생성할 수 있다. 따라서 레이저 생성 장치의 부피를 보다 소형화할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 레이저 생성 장치 내의 모든 광섬유를 편광 유지 광섬유로 사용하였기 때문에 외부의 변화에 매우 강인한 특성을 가지며, 또한 편광 조절이 없이도 레이저의 셀프-스타팅을 용이하게 구현할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 출력되는 펄스들은 단일, 선형 편광 상태를 유지하는 장점을 가진다.
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면 편광 유지 광섬유를 이용하여 셀프-스타팅이 가능하고 외부 환경의 변화에 강인하며, 그 내부에서 분산을 조절하기 때문에 장치 부피의 증가를 최소화할 수 있으며, 펨토초 단위의 시간 지속성을 가지고 그 내부에서 레이저 광의 펄스 폭을 조절할 수 있으며, 단일 편광 상태를 유지할 수 있는 레이저 광을 생성할 수 있다.
100: 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치
110: 광 경로부 120: 펌프광 생성부
130: 입력 커플러 150: 레이저 매질부
170: 펄스 폭 조절부 190: 분산 보상부
210: 출력부 230: 광 억제부
250: 제1 콜리메이터 270: 제2 콜리메이터
310: 제1 격자 330: 제2 격자
350: 제1 편광 조절부 370: 제2 편광 조절부
390: 다이크로익 미러 410: 리트로 미러

Claims (20)

  1. 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber)를 포함하며 레이저 광의 진행 경로를 제공하는 광 경로부;
    상기 광 경로부에 펌프광을 공급하는 펌프광 공급부;
    상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펌프광으로부터 밀도 반전 현상을 발생시켜 상기 광 경로부에 상기 레이저 광을 출력하는 레이저 매질부;
    상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 매질부의 출력의 펄스 폭을 조절하여 출력하는 펄스 폭 조절부;
    상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 분산을 보상하여 출력하는 분산 보상부; 및
    상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 분산 보상부의 출력의 적어도 일부를 출력하는 출력부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 편광 유지 광섬유는, 희토류 이온 첨가(doped) 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 편광 유지 광섬유는, 어븀(Erbium) 첨가 광섬유, 이터븀(Ytterbium) 첨가 광섬유, 툴륨(Thulium) 첨가 광섬유 및 홀뮴(Holmium) 첨가 광섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펌프광 공급부는,
    상기 펌프광을 생성하는 펌프광 생성부; 및
    상기 펌프광 생성부와 상기 광 경로부를 광학적으로 연결하는 입력 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌프광 생성부는, 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 입력 커플러는 편광 유지 파장 분할 다중화(Polarization Maintaining Wavelength Division Multiplexing) 광 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 매질부는, 어븀(Erbium) 첨가 편광 유지 광섬유, 이터븀(Ytterbium) 첨가 편광 유지 광섬유, 튤륨(Thulium) 첨가 편광 유지 광섬유 및 홀뮴(Holmium) 첨가 편광 유지 광섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 매질부 및 상기 펄스 폭 조절부 사이에서 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 레이저 광이 상기 펄스 폭 조절부로부터 상기 레이저 매질부로 진행하는 것을 억제하는 광 억제부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광 억제부는 광 아이솔레이터(Isolator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광 억제부는 편광 유지 광 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 폭 조절부는, 반도체 포화 흡수체(Saturable Absorber), 탄소 나노 튜브, 그래핀 및 위상학적 절연체 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 폭 조절부는, MoS2 및 WS2 중 적어도 하나를 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 출력부는 편광 유지 광 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 폭 조절부 및 상기 분산 보상부 사이에서 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 펄스 폭 조절부의 출력을 집속하는 제1 콜리메이터(Collimator); 및
    상기 분산 보상부 및 상기 출력부 사이에서 상기 진행 경로 상에 배치되며, 상기 분산 보상부의 출력을 집속하는 제2 콜리메이터
    중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 분산 보상부는 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 비정상 분산을 보상하여 솔리톤 펨토초 펄스를 출력하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 분산 보상부는
    상기 펄스 폭 조절부의 출력을 상호간에 진행시켜서 상기 펄스 폭 조절부의 출력의 분산을 보상하는 제1 격자 및 제2 격자를 포함하는 격자쌍(Grating-Pair); 및
    상기 광 경로부와 상기 제1 격자 및 상기 제2 격자 사이의 광 진행 경로를 제공하는 격자쌍 광 경로부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 격자쌍 광 경로부는
    상기 펄스 폭 조절부로부터 상기 광 경로부를 통하여 출력되는 광을 상기 제1 격자로 진행시키고 상기 제1 격자에서 출력되는 광을 상기 광 경로부를 통하여 상기 출력부로 진행시키는 다이크로익(Dichroic) 미러; 및
    상기 제2 격자에서 출력되는 광을 반사하여 상기 제2 격자로 진행시키는 리트로(Retro) 미러
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 분산 보상부는
    상기 펄스 폭 조절부의 출력의 편광을 조절하여 상기 제1 격자로 입력하는 제1 편광 조절부; 및
    상기 분산 보상부의 출력의 편광을 조절하여 상기 광 경로부로 출력하는 제2 편광 조절부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 편광 조절부 및 상기 제2 편광 조절부 각각은 입력되는 광의 제1 성분 및 제2 성분의 파장이 1/4만큼의 경로차를 가지도록 조절하는 쿼터 웨이브 플레이트(Quater Wave Plate)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 격자쌍 광 경로부는
    상기 제1 편광 조절부에서 출력되는 광을 상기 제1 격자로 진행시키고 상기 제1 격자에서 출력되는 광을 상기 제2 편광 조절부로 진행시키는 다이크로익(Dichroic) 미러; 및
    상기 제2 격자에서 출력되는 광을 반사하여 상기 제2 격자로 진행시키는 리트로(Retro) 미러
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 편광 광섬유 레이저 생성 장치.
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