KR20190083978A - 네오디뮴 이온 광섬유 레이저 및 증폭기 - Google Patents

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제이 더블유. 도슨
그레이엄 에스. 앨런
데릭 레지날드 드라헨베르크
빅터 브이. 키트로브
마이클 제이. 메설리
폴 에이치. 팍스
닉 쉔켈
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Abstract

1300 내지 1450 nm 파장 영역에서 동작하는 네오디뮴 이온(Nd3 +) 광섬유 레이저 및 증폭기가 설명된다. 이 파장 밴드 내에서 동작하는 광섬유는 희귀 지구상의 도핑된 광학 증폭기 또는 레이저는 이 파장 밴드에서 광을 가이드하는 광섬유에 기초한다. 도파관 구조는 850nm 내지 950nm 및 1050 nm 내지 1150m의 파장 영역에서 광을 감쇄시킨다.

Description

네오디뮴 이온 광섬유 레이저 및 증폭기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 여기에서 참조에 의해 통합되는, "광섬유 레이저 및 증폭기의 라인 선택을 위한 도파관 구조(Waveguide Design for Line Selection in Fiber lasers and Amplifiers)"라는 명칭으로 2016년 2월 4일에 출원된 미국 가출원 번호 62/291,483의 우선권을 주장한다.
미합중국 연방 정부의 지원에 의한 연구 또는 개발에 의해 창출된 발명에 대한 권리의 주장
미합중국 정부는, 로렌스 리버모어 내셔널 레버러터리(Lawrence Livermore National Laboratory)의 운용을 위한 미합중국 에너지 부(U.S. Department of Energy)와 로렌스 리버모어 내셔널 시큐리티, 엘엘씨(Lawrence Livermore National Security, LLC) 간의 계약 DE-AC52-07NA27344에 따라 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
분야(Field)
본 기술은 광섬유 레이저 및 증폭기와 관련된 것으로, 더욱 상세하게는 네오디뮴 이온 광섬유 레이저 및 증폭기에 관한 것이다.
관련 기술에 대한 설명(Description of Related Art)
광섬유 레이저 및 증폭기는 중요한 연구 대상이며 이는 사우스앰튼(Southampton) 대학이 1985년에 희소성이 낮은 지구상의 도핑된 광섬유에 대한 잠재성을 시연한 이후로 네오디뮴과 에르븀 도핑된 실리콘 광섬유 모두에서 계속하여 이득 및 레이징이 입증되었다. 광섬유 증폭기에 관한 1980년대 후반 및 1990년대 초반의 최초의 연구 동인은 광섬유의 광 통신 시스템이 파장 분할 멀티플렉싱과 에르븀 광섬유 증폭기에 의하여 가능하다는 것이 주된 영향이었다. 광섬유 증폭기는 각 개별 채널의 감지를 고비용 없이 많은 광 채널을 장거리 전송이 가능하고, 전자 즈옥 및 레이저를 변조하고 채널을 15-20km 마다 재결합할 수 있다. 대신에, 단일 에르븀 광섬유 증폭기는 단일 소형, 효율적 및 저비용 장치에서 모든 전송 채널을 통해 광 신호 전력을 복원할 수 있다. C 및 L 대역 에르븀 광섬유 증폭기는 1525 nm 내지 1620 nm 대역에 걸쳐 증폭을 제공할 수 있다. 50GHz의 WDM 채널 간격으로 단일 광섬유가 Tb/s 단위의 정보 용량을 얻을 수 있다. 에르븀 광섬유 증폭기에 관한 초기 연구는 이 주제에 관한 많은 책들에 잘 정리되어 있으며, 이 증폭기는 현재 기술적으로 성숙해있다.
에르븀 파이버 증폭기가 개발되는 때와 동일한 시기 동안 중요한 연구 및 개발은 또한 O, E, S 밴드로 일컬어지는 1300 nm - 1500nm 텔레콤 창에서 드문 도핑 섬유 증폭기를 개발하는 데 투입되었다. 다만 이 파장 대역에의 증폭기는 효율성 문제 또는 이것이 일반적으로 광섬유 네트워크와 나머지 네트워크의 용융 실리카 물질 사이의 물질 특성의 차이로 인해 광섬유 네트워크에 통합하기가 더 어렵다고 인식된다는 비융합 실리카 유리에 기초한 문제점으로 인하여 동일한 상업적 영향력을 갖지 못하였다.
1300nm 내지 1530 nm 대역의 파장의 광섬유 증폭기는 여러 개의 카테고리에 해당한다. 라만(Raman) 증폭기는 최고의 경쟁자이며 임의로 추출할 수 있는 펌프 파장으로부터 13.2 Thz까지 증폭이 발생함에 따라 다양한 배열의 파장을 얻을 수 있다. 다만, 라만 증폭기는 긴 파이버 길이와 높은 출력의 펌프 레이저를 요구한다. S 밴드 섬유 증폭기는 에르븀(Erbium) 및 툴륨(Thulium)에 기초하여 광범위하게 연구되어왔다. 에르븀의 경우, 적당히 디프레스드된 광섬유 기하학은 1530 nm 보다 높은 대역에서 훨씬 더 높은 이득을 억제하기 위하여 사용되나, 적당히 디프레스드된 도파관의 설계에 의해 부과된 손실 및 부수적인 도전에 부가하여 방출 단면에 이들 파장에서의 흡수 단면보다 상당히 작기 때문에 매우 높은 반전(Inversion)에서 작동할 것이 요구된다. 툴륨의 경우, 연구 개발 노력은 융합 실리카에서 자가 종료(Self-Terminating) 하기 위하여 상위레벨에서의 레이저 상태에서의 붕괴가 더 낮은 상태에서의 붕괴보다 빠름에 따라 비융합 실리카 광섬유에 초점을 두고 있다. 근래에, 비스무트(bismuth) 도핑된 광섬유 증폭기는 1320-1360 nm 영역에서 가능한 증폭기로 등장했다. 하지만, 이 증폭기는 상대적으로 광학 효율성이 낮고 섬유 길이가 길다. 프라세오디뮴(Praseodymium) 및 네오디뮴(Neodymium)은 E 및 O 밴드(1300-1450nm)에서의 증폭을 위해 광범위하게 연구되어왔다. 프라세오디뮴은 불소계 섬유에서만 잘 작동하였다.
1320-1450 nm 파장 영역에서의 네오디뮴 도핑된 섬유 레이저 및 증폭기는 전이 선(Line) 4F3/2 에서 4I13 /2 까지가 4 레벨의 레이저 선이고 따라서 기저 상태의 흡수 문제가 없으므로 몇가지 중요한 매력을 갖는 것으로 보인다. 도 1은 네오디움 이온 전이와 관련된 간략한 에너지 레벨 다이어그램이다. 다만, 이 전이 역시 활용에 있어서 제한이 있다는 중요한 단점을 가지고 있다. 첫째로, 다른 물질과 같이 용융 실리카는, 특히 1300-1350 nm 대역에 있어서, 레이저 증폭기가 펌핑될 때 광학 손실을 생성하는 4F3/2 상태에서 잘 알려진 여기 상태 흡수(ESA: Excited State Absorption)가 있다. 1350-1390nm 영역의 상태는 OH 에 기인한 1380 nm 스펙트럼 흡수와 함께 컨볼브(Convolved)되는 것처럼 보이기 때문에 덜 명확하다. 이러한 제한에도 불구하고, 양의 이득이 방출 단면적이 가장 높은 형광 피크를 훨씬 초과하여 발생하여도 가장 높은 형광 피크 순 이득(10dB)과 레이징(~10mW)이 입증되었다. 낮은 단면적은 4F3/2 에서 4I13 / 2 로의 전이에서의 다른 주요 도전을 복잡하게 하고, 이는 4F3/2 에서 4I9 /2 와 4F3/2 에서 4I11 / 2 의 전이에서의 경쟁이다. 이는 네오디뮴 도핑된 섬유의 4F3/2 에서 4I13 /2의 전이 퍼포먼스를 향상시키기 위하여 4F3/2 에서 4I11 / 2 의 전이에 스펙트럼 필터링을 제공하는 것이 바람직하다.
본 기술의 일 실시예는 네오디뮴 이온 광학 섬유 레이저 및 1300 에서 1500 nm 의 파장 영역에서 작동하는 증폭기에 관한 것이다. 다른 일 실시예는 1370 에서 1460 nm 에서 동작한다. 이들 실시예는 드문 지구상의 도핑된 광학 증폭기 또는 이 파장 범위내에서 작동하는 레이저이며, 이 파장 밴드에서 광을 유도하는 광섬유에 기초한다. 이러한 섬유는 850nm 내지 950nm 및 1050 nm 내지 1150 nm 의 파장 영역에서 광을 선택적으로 감쇄 시키는 도파관의 구조를 포함한다. 섬유의 감쇄 계수는 이들 파장에서의 네오디움 이온 광학 전이의 이득 계수보다 위에 설정된다. 이들 파장에서의 감쇄 의 절대값은 섬유의 코어에서의 네오디움 이온의 도핑 농도에 의하며, 일부 경우에서는, 총 펌프 출력에 의존한다. 이 구성은 주요 파장에서의 순 손실이 증폭된 자발적인 방출이 네오디움 이온의 반전을 감소시키는 것을 방지한다. 이것은 역으로 1300-1500nm 파장 대역에서의 증폭을 가능하게 한다. 이 영역은 보통 다른 강한 레이저 라인과의 경쟁으로 인해 상당한 이득을 얻지 못한다. 본 발명의 일 실시예는 통신 업계에서 유용한 광섬유 증폭기를 형성한다.
본 기술의 일 실시예는 네오디움 이온이 도핑된 용융 실리카 광섬유의 4F3/2 에서 4I13/2의 스펙트럼 라인의 1427 nm 대역에서의 레이저 증폭이 1.2W를 생산한다. 광학 이득의 9.3dB 개선 및 네오디움 이온의 용융 실리카 광섬유의 4F3/2 에서 4I13 /2의 증명된 이전에 연구된 결과에 비하여 총 광학 출력 100배(100x) 개선한다. 1050-1150 nm 파장 범위에서의 높은 스펙트럼 감소를 창출하는 광섬유 파장 디자인을 통하여 연속적인 4F3/2 에서 4I13 /2 광 전이를 가능하게 한다. 1.2W의 1427nm 에서의 최대 결과 출력은 시드 레이저 출력과 결합된 43mW 와 펌프 다이오드 레이저 출력과 결합된 22.2W에 의하여 14.5dB의 순 광학 이득을 얻을 수 있다. 시드 레이저 출력을 2.5mW로 감소시키면 시스템은 결합된 펌프 전력 16.5W에 대해 19.3dB 의 이득을 얻을 수 있다. 네 개의 제한된 결과가 발생된다; 최적이 아닌 시드 레이저 파장, 4F3/2 에서 4I9/2로의 광학 전이에서 증폭된 자발적 방출, 클래딩으로부터 펌프 광의 낮은 흡수 및 1350-1450nm 대역에서의 높은 스펙트럼 감쇄 . 이러한 문제를 완화하는 미래의 광섬유는 비록 1310 nm 에서 1350 nm 로의 전이 파장 영역은 여전히 여기 상태 흡수에 의해 제한될 것이 예상되나, 레이저 증폭기의 효율성을 크게 향상시킬 것이다.
본 명세서의 일부를 형성하는 첨부도면은, 본 발명의 실시예를 도시하며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 용융 실리카에서 네오디움 이온(Nd3 +)에 대한 간략 에너지 레벨 다이어그램이다.
도 2는 네오디움 이온이 도핑된 용융 실리카 광섬유의 끝면을 도시한다.
도 3은 네오디움 이온이 도핑된 광섬유의 코어에서의 스펙트럼 감쇄 를 도시한다.
도 4는 펌프 클래딩의 측정된 흡수를 나타낸다.
도 5는 실험 설정의 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 6은 880nm 펌프 출력과 결합된 기능으로서의 코어 형광을 도시한다.
도 7은 펌프 출력의 34.3 배 증가에 대한 1300 내지 1500 nm 파장 영역의 형광 증가를 나타낸다.
도 8은 808nm 및 880nm 펌핑에 대한 네오디뮴 광섬유 형광의 동일한 공칭 펌프 출력 및 클래딩으로부터의 동일한 공칭 신호 흡수에 대한 비교이다.
도 9는 1427 nm dml 발진 신호 광의 43mW에 대한 전력 및 이득 대 결합된 펌프 전력을 도시한다.
도 10은 선택된 출력에서의 1427nm 증폭기의 측정된 출력 스펙트럼을 도시한다.
도 11은 발진된 신호 출력의 기능으로서의 증폭기 이득을 도시한다.
도 12는 GRIN 에 기초한 PCF 의 다른 실시예를 도시한다.
도 13은 GRIN 에 기초한 PCF 의 다른 실시예를 도시한다.
도 14는 결합된 도파관 요소들의 세트로서의 본 발명의 실시 예의 기본 개념을 나타낸다.
도 15는 모놀리식 결합 도파관에 기초한 PCF 인 다른 실시예를 도시한다.
도 16은 복수개의 가이드 요소의 스트링(String)으로 형성된 결합된 도파관에서 상승된 인덱스 싱크를 갖는 단계 인덱스 신호 코어를 갖는 다른 실시예를 도시한다.
도 17은 모놀리식 가이딩 요소로 형성된 도파관과 결합된 상승된 인덱스 싱크를 갖는 단계 인덱스 신호 코어를 가지는 다른 실시예를 도시한다.
본 기술의 일 실시예는 1300-1500nm의 파장 범위의 광을 안내하는 동안 4F3/2 에서 4I11 /2 전이의 연속적인 스펙트럼 필터를 채용함에 따라 4F3/2 에서 4I13 / 2 로의 전이 시 동작되는 도핑된 용융 실리카 광섬유 증폭기를 제공한다. 이 연구(Demonstration)에서의 1427nm 내 1.2W 증폭된 출력은 동일한 전이 시 동작되는 이전에 출판된 광섬유 레이저에 비하여 두 배의 규모이다. 뿐만 아니라, 동일한 전이 시 최적의 네오디뮴 광섬유 증폭기의 결과보다 9.3dB 보다 높은 19.3dB 작은 신호 이득이 보고되었다. 이러한 개시는 광섬유 디자인, 현재의 한계, 레이저 전이에서의 증폭 및 이득에 대한 설명 및 유사한 디자인에 대한 미래의 광섬유 개선의 개선 가능성에 대하여 논의한다. 도 1은 용융 실리카에서 네오디움 이온(Nd3 +)에 대한 간략 에너지 레벨 다이어그램이다. 각 에너지 레벨은 균질하게 확장된 상태의 다중 렛이다. 공칭 흡수 및 방출 파장은 단지 피크를 주목하기보다는 밴드로 표시된다.
본 발명에서 제시된 결과는 900-930nm 파장 대역의 증폭기 및 레이저 용으로 개발된 네오디뮴 이온(Nd3 +) 도핑된 광섬유를 사용한다. 본 발명자들은 이전 디자인에 비하여 큰 코어 대 클래드 비율이나 적당히 디프레스드(depressed)된 기하학에 의존하려고 추구하였다. 큰 코어 대 클래드 비율의 계획은 펌프 클래딩 직경이 코어 클래딩 직경의 4배보다 크지 않아야하므로 전체 펌프 클래딩의 크기가 제한된다. 적당히 디프레스드된 기하학 계획은 요구 사항에 따라 1 μm 의 빛이 클래딩 속으로 적당히 디프레스드된 터널을 통해 클래딩 안으로 들어가게 코어 직경이 10 μm 보다 작도록 제한된다. 따라서, 펌프 클래딩이 점진적으로 증가됨에 따라, 광섬유효율적이어지기 위하여 점진적으로 길어진다. 본 발명의 몇몇의 실시예는 이러한 제한을 극복하기 위하여 마이크로 구조의 광섬유를 사용한다.
일 실시예에 따른 광섬유의 끝면이 도 2에 도시되어 있다. 전체적인 광섬유 10는 둥근 모양을 가지고, 외부 유리(12) 의 직경은 240μm 이고, 내부 펌프 클래딩 (14)은 육각형으로 면대면 치수가 118 μm이고, 코너에서 코너까지의 거리가 136 μm 이다. 코어(16)은 역시 육각형으로 면대면 치수가 21 μm이고 코너에서 코너까지의 거리가 24 μm 이다. 코어와 펌프 클래딩을 포함하는 마이크로 구조는 217 개의 줄기(cane)의 스택(stack)으로, 880nm 에서 0.4의 NA 를 갖는 펌프 클래딩을 형성하기 위해 17개의 줄기는 공기로 가압된(공기 클래딩 (18)) 코너에서 코너까지의 튜브에 의하여 둘러쌓이도록 제조되었다. 마이크로 구조의 피치가 제조됨에 따라 소자는 8 μm 이다. 암 격자 소자 (20)는 불소 첨가된 로드로 인덱스를 감소시키기 위하여 제공된다. 광 격자 소자 (22)는 GRIN 소자이다.
내부 로드와 코어의 첫번째(1st) 내부 링 (총 7개의 소자)은 네오디뮴 이온 도핑된 글래스로 용융 실리카의 반사 인덱스와 매칭된다. 이것은 808nm 에서 200dB/m 의 흡수에 해당하는 초기 도핑 레벨을 갖는 Optacore SA 로부터 클래드 비율이 큰 네오디뮴 이온(Nd3 +) 도핑된 프리폼(preform)을 획득함으로써 달성되고, 네오디뮴 이온의 상당한 집중 클러스터링이 존재하는 영역에서 가능성이 있다. 이 프리폼에서 꺼내어진 줄기를 스택에 통합하고 다른 프리폼으로부터 추가적인 실리카 불소화된 로드를 프리폼으로 포함한다. 이 어셈블리는 모든 구성요소의 비중을 둔 반사 인덱스는 10 -4 작은 용융 실리카의 반사 인덱스에 매칭되도록 디자인된다. 이 어셈블리는 이후 로드(rods)에 끌어 넣고, 미래의 감소된 모형 사이즈로 다시 재 스택된 이후 끌어 넣어진다. 최종 로드(rods)는 도 2에 도시된 생산된 광섬유의 프리폼에 통합되고, 이것은 최종 로드(rods)의 크기가 25 nm 로 추정된다. 이것은 효율적인 네오디움 이온의 농도가 이러한 공정으로 인하여 5배 감소되는 것으로 추정되며, 이것은 808 nm 에서 40dB/m 이다. 원래의 프리폼에 존재할 것으로 의심되는 클러스터링에 프로세스가 영향을 미치는지 여부는 알려지지 않았다.
마이크로 구조의 다음 네개의 링은 불소화 함몰부 (20) (진한 색) 및 RING 함유부 (22) (밝은 색)의 조합이다. 불소화 함몰은 센터에서 바깥쪽까지 0.533 중심 대 외 비율이며, 용융 실리카에 대한 지수 감소는 -0.0068이고, 공기 구멍 대신에 조립되어 구조가 더 쉽게 제작되고 최종 구조가 모든 면에서 견고할 수 있는 가능성을 갖기 때문에 다루기가 더 쉽다. 불소화 함몰부는 도파관으로 정의되고 도 2에서 어두운 스팟으로 표시된다. 코어의 코너로부터 방사되는 18개의 밝은 스팟은 62.5/125μm 표준 멀티 모드 GRIN 광섬유를 제조하기에 적합한 상용 GRIN 프리폼으로부터 가공된 GRIN 내포물이다. 이러한 내포물은 1020-1130 nm 파장 대역에서의 코어내 공명하고, 해당 파장에서 코어로부터 광을 방출하고, 펌프 클래딩의 외부 세개의 링으로 형성된 모드의 큰 수의 저장소로 효과적으로 누출시킨다. 이러한 불소화 함몰부를 구성하는 로드(rods)와 GRIN 함유부는 Prysymian에서 기상 증착(Prysymian Chemical Vapor Deposition: PCVD) 플라즈마 화학물질을 통해 제조된 벌크 프리폼으로 얻어지며 최종 프리폼으로 통합하기 위하여 줄기(canes)로 이끌어진다. Hereaus F300이 용융된 실리카 로드로부터 외부 영역이 형성된다.
마이크로구조는 880 nm 에서 ~0.4의 개구 수를 갖는 펌프 클래딩의 형성을 가능하게 하는 인발 공정(draw process)를 통해 가압될 수 있는 캐필러리 홀(Capillary holes)(공기 클래딩 (18))의 최종 링으로 둘러쌓여 있다. 광섬유 샘플은 캐필러리 홀이 있거나 없는 상태로 그려졌다. 캐필러리 홀이 없는 샘플은 코어 스펙트럼 감쇄 를 위해 유용하다. 캐필러리 홀이 있는 샘플은 하기 레이저 및 증폭기 실험에서 사용된다.
도 3은 상기 도 2에서 도시된 광섬유의 단일 클래드 버전의 측정된 스펙트럼 감쇄를 보여준다. 950 nm 아래에서의 감쇄 는 네오디뮴 이온의 기저 상태 흡수로 인하여 측정하기에 너무 높다. 스펙트럼 감쇄는 초 연속 백색상 광원, 표준 컷백 기술을 가장자리가 GRIN 함유부에 의해 안내되는 광을 차단하는 광 검출기 앞에있는 조리개(iris) 위에 이미징되었다는 것을 제외하고는 모노크로미터(monochrometer), 증폭기 및 광 검출기를 사용하여 측정된다. 두 가지 측정이 이루어진다. 도 3의 라인 (30)은 1020 nm 에서 1130 nm 사이의 감쇄 영역의 높은 영역 (~10dB/m)에서 허락된 시간에 짧은 광섬유 조각에 대한 컷백(cutback)으로부터 유도된다. 긴 광섬유 조각에 대한 컷백은 해당 영역 외부의 손실에 대하여 평가가 허락하였다. 해당 평가는 라인 (32)로 묘사된다. 참고로, 더 큰 동적 범위를 갖는 라인 (34)는 1020-1130 nm 파장 대역에서의 도파관의 예상되는 감쇠의 이론적인 추정치이다.
1020-1130 nm 파장 영역에서의 높은 스펙트럴 감쇠에 요구에 더하여, 광섬유 는 1dB/m 또는 1000dB/km의 높은 1380 nm OH 피크를 비정상적으로 방출한다. 오리지널 옵타코어(Optacore) 네오디뮴 이온이 도핑된 유리는 이 크기에서의 OH 피크를 함유하지 않는다. 우리는 시작 유리의 OH 피크가 훨씬 더 작을 것으로 추정한다(<50dB/m). 우리는 코어 유리가 융합된 실리카에 대한 인덱스를 매칭하기 위하여 광범위한 공정중에 OH 가 오염된 것으로 믿는다. 우리는 이러한 오염이 공정에서 본질이라고 믿지 않는다. 우리는 높은 OH 피크가 예방가능하며 아래와 같이 보고된 결과를 제한한다고 강력하게 믿는다. 스펙트럼 감쇄 측정은 1427 nm(아래 제공된 우리의 증폭기 실험에서의 파장)에서 0.27dB/m의 코어 손실이 제안된다. 하지만, 시드 레이저를 사용한 직접적인 컷백은 실제 손실이 이 파장에서 0.18dB/m인 것으로 제안한다. 우리는 이러한 불일치가 상대적으로 짧은 길이의 광섬유에서 수행된 손실 측정의 오류 내에 있다고 생각한다. 손실(180dB/km 에 해당)은 여전히 광섬유에 대하여 높고, 다양한 방법으로 레이저 증폭기의 결과를 제한하는 것이 가능하다.
펌프 클래딩 흡수는 광섬유의 두개의 클래드 샘플에서의 컷백 기술에 의하여 측정되고 이 결과는 도 4에 도시되어 있다. 흡수율은 예상되는 코어 흡수율과 펌프 클래딩 대 코어 면적 비가 31 이라고 예상한 것의 대략적으로 1/3이다. 일부 사람은 GRIN 함유부가 펌프 빛을 트래핑한다고 우려할 수 있다. 하지만, GRIN 함유부는 오직 펌프 클래딩 영역의 요율적인 영역의 1% 이다. 낮은 펌프 흡수율은 최외곽 불소화 함몰부와 GRIN 함유부 및 공기 클래딩 사이의 실리카 영역에 부분적으로 트랩되는 광의 결과이다.
808 nm 흡수 피크 대역에서, 가장 흔한 네오디뮴 이온의 펌프 파장은 0.39 dB/m이다. 30m 길이의 광섬유는 대략적으로 11.7 dB 의 808 nm 펌프 광의 을 흡수한다. 4F3/ 2 보다 높은 레벨의 레이저 상태로 직접 광을 흡수하는 880nm 의 흡수피크는 0.2dB/m의 흡수에 불과하므로 동일한 작응ㄴ 신호 펌프 흡수를 얻으려면 60m 길이의 광섬유가 필요하다. 이것은 긴 길이에도 불구하고, 이것은 평균적인 광섬유의 반전, 우리의 현재 결과의 제한점인 연속적인 900 -940 nm 대역의 4F3/2 에서 4I9 / 2 의 전이에서 증폭된 자발적인 방출을 최소화하기 위한, 현재 결과의 제한을 880 nm 펌프 흡수 피크가 이 광섬유에서 4F3/2 에서 4I13 /2 으로의 전이시 레이징을 위하여 더 선호된다. 이 전이가 억제되면, 808nm 의 펌프 라인은 광섬유의 1/2길이가 동일한 펌프 흡수를 위하여 사용될 수 있다. 또한, 도 4에서 도시된 바는 913 nm 에서의 흡수율이다. 하지만, 이 파장에서 이러한 광섬유 레이징의 분리된 조각들을 이용하여 910 nm 및 923 nm 대역에서 펌프의 2W와 함께 광섬유의 코어 펌핑을 시도하였다. 하지만, 이 파장에서 광섬유가 펌프된 때에 4F3/2 에서 4I13 / 2 의 이득의 징후(sign)을 보지 못하였다. 우리는 잠정적으로 이러한 파장에 도달가능한 반전이 광섬유 샘플의 0.17dB/m 의 코어 손실을 극복할 수 있는 충분한 이득을 제공하기에 충분하지 않다고 결론내렸다. 이러한 결론에, 우리는 915nm 에서 광섬유 클래딩 펌핑을 시도하지는 않았다.
도 5는 광섬유를 테스트하기 위한 기본 실험 구성을 설명한다. 우리는 두개세트의 테스트를 수행하였다. 결합된 펌프 출력의 함수로서 광섬유의 코어로부터 형광 스펙트럼을 측정하였다. 다음은 시드된 광섬유 증폭기로부터 이득 및 출력 측정값이다.
네오디뮴 이온 광섬유 (50)은 200μm/0.22NA 멀티모드 광섬유 (54)에 결합된880nm 딜라스 레이저 다이오드 (52)와 함께 펌핑된다. B-타입 AR 코팅을 갖는 Thorlabs의 40mm 초점 길이 평-볼록 렌즈(56)은 이 다이오드의 출력을 평행하게 하고, 펌프 광은 조리개 (58)을 통과하여 광섬유에 결합된 광의 개구 수를 제한한다. 그런 다음 펌프 광을 35도 입사각으로 2개의 Semrock 롱 패스 필터(60,62)에서 반사시켜 광섬유의 출력을 펌프 광과 분리시키고, 광섬유로부터 펌프 레이저 다이오드로 다시 전송하는 것을 최소화한다. 35도의 입사각에서 Semrock 필터의 50% 반사점은 900nm 이다. 그 다음, 펌프 광은 Thorlabs 의 20mm초점 길이의 비구면 렌즈(64)를 사용하여 네오디뮴 광섬유 (50)를 측정하였고, 1427 nm 에서 88 %dml 투과율을 갖도록 측정된 B-타입 AR 코팅을 사용하였다.
네오디뮴 광섬유의 펌프 말단은 광섬유 융착 접속기를 사용하여 펌프 클래딩을 형성하는 공기 구멍을 붕괴시킴으로써 준비되고 그 다음 팽창된 구멍이 있는 영역의 끝부분에 가능한 한 가깝게 각도 쪼개기(약 10도0 를 한다. 결합된 펌프 출력은 시험 완료시 2m 로 절단하여 직접적인 측정을 통해 결정된다. 이 방법으로 인해 광섬유 입력이 준비하고, 광섬유 코어로부터의 출력은 펌프 결합이 최적화 되었을 때 입력 렌즈에 의해 잘 시준되지 않았다. 이를 보상하기 위하여 Thorlabs의 500mm초점 길이 C 코팅 양면 렌즈 (66)을 20mm 입력 렌즈에서 약 355mm 떨어진 위치에 배치하였다. 이것은 500mm 렌즈로부터 약 520 mm에서 제 1 조리개 68상으로 광섬유의 말단을 재 이미징한다. 이 조리개는 펌프 클래딩에 의하여 안내되는 형광을 차단하기 위하여 사용된다. 빔 경로를 따라 250mm 떨어진 제 2 조리개(70)는 비 코어 광을 차단하여 제 2 조리개 (70)는 비 코어 광을 차단하여 제 1 조리개를 차단한다. 이 실험의 목적을 위해 코어 광은 8mm의 Thorlabs C 코팅 비구면(72)을 사용하여 SMF-28 섬유(74)에 결합시키고, 광섬유의 형광 스펙트럼을 평가하기 위해 광 스펙트럼 분석기(76)에 연결된다. 광섬유의 출력단은 입력단과 유사하게 종단되고 전력계(power meter)(78)는 펌프 커플링을 최적화하기 위하여 사용되었다. 나머지 실험적인 셋업은 아래에 설명된다. 또한, 도 5는 전력계에 결합된 코어 빔을 보여주지만, 형광 측정이 아닌 출력 및 이득 테스트를 위하여 수행되었다.
도 6은 60m- 네오디뮴 광섬유 샘플의 출력에서 결합된 880nm 펌프 출력의 함수로서 형광 스펙트럼을 나타낸 플롯이다. 이 광섬유에서 예상되듯이, 펌프 출력에 의한 함수로서 930 nm 에서의 형광물질의 강한 증가가 관찰된다. 930nm 에서의 12.7W의 펌프 출력에 따른 형광물질의 밀도는 0.37W의 펌프 출력 에서의 형광물질의 밀도보다 1860배 강하다. 펌프 출력이 단지 34.3 배 증가되었으나, 이것은 930nm에서 증폭된 자발적인 방출이 발생한다는 명백한 표시(sign)이다. 1050-1150nm 파장 범위에서 형광물질의 밀도의 유사한 비교는 형광 물지르이 밀도가 단지 56배 증가를 나타내며, 이 영역에선 거의 또는 전혀 순 이득을 나타내지 않았다. (코어에 광을 결합시키는 네오디뮴 광섬유와 싱글 모드 광섬유 사이에 다소 안타깝게 피할 수 없는 정렬 드리프트가 있었다. 이 커브는 가장 높은 전력으로 시작하여 점차적으로 전력을 줄였다. 따라서 정렬이 가장 높은 전력에서 최고이고, 낮은 전력으로 갈수록 약간 나빠졌다. 우리는 형광 물질 밀도가 스펙트럼을 뛰어넘어 펌프 출력이 출력보다 약간 빠르게 증가한 이유라고 믿는다.) 이것은 도파관 디자인이 1050-1150 nm 파장 범위에서 스펙트럼 감쇄를 가지므로 예상되는 이득을 완전히 억제할 수 있다는 우리의 주장과 일치한다. 비슷하게, 1337 nm에서의 형광물질 피크는 총 밀도에서 56배 증가가 순 이익과 일치하지 않았으며, 이것은 대부분 여기 상태 흡수로 인한 것이다.하지만 1380-1450nm 대역의 파장은 1330-1380 nm의 파장 대역과 매우 다르게 동작하였다. 이 영역에서의 형광물질 스팩트럼은 펌프 출력과 함께 명백하게 비 선형적으로 증가하였고 1400 nm 및 1420 nm 에서의 형광물질은 초기 형광물질의 출력에 비하여 186배 증가하였다. 이것은, 930nm 에서의 증가보다 10 배 적으나, 증폭된 자발적인 방출(ASE)가 해당 파장 영역에서 존재한다고 결론내리기에 여전히 충분히 높다.
도 7은 펌프 출력을 34.3배(60m의 긴 광섬유의 880 nm에서의 펌프에 결합된0.37W에서 12.7W) 증가시키기 위한 1300-1500nm 파장 영역에서의 형광물질 증가를 보여준다(라인 80). 60m 길이 광섬유의 코어 전이 (라인 82)는 제 2 의 Y 축에 파장 영역 안에서 광섬유 손실 변화를 재빠르게 설명한다. 이 그림에서 형광물질이 60이상 증가하면 순 이득이 있다는 것을 확신할 수 있다. 따라서, 도 7은 결합된 펌프 전력의 0.37W 에서 측정된 영광 강도의 롤링 평균에 대한 12.7W 결합된 펌프 전력에서의 측정된 형광 강도의 비율을 도시한다 (라인 80, 좌측 수직 축, 선형 범위). 이 특정 광섬유 샘플에서의 OH 유도 손실의 영향을 강조하기 위하여 도 3의 스펙트럼 감쇄 데이터는 이 네오디뮴 광섬유의 60m길이의 순 전이를 계산하는데 사용되었다 (라인 82, 우측수직 축, 대수 범위(logarithmic range)). 우리가 순 이득이 56배가 되지 않을 것으로 기대한 영역에서의 형광물질의 증가의 추측에 기초하여, 우리는 형광물질의 증가가 60배 보다 큰 플롯의 영역이 양성 이득의 영역이라고 주장한다. 동일한 영역에서 1370 nm 에서 1414 nm까지의 상승 이득과 기하 급수적으로 상승하는 광섬유 전이는 강한 상관관계가 있음을 유의해야 한다. 이것은 1360nm 에서 짧은 만큼 상당한 이득이 가능한 감소된 OH 와 함께 개선된 광섬유를 제안할 수 있다. 따라서, 개선된 네오디뮴 광섬유는 80nm 만큼 커진 증폭 창을 가진 디자인에 기초한다.
도 8은 이 광섬유의 60m 길이의 광섬유 내 880 nm 의 4.32W 펌프 출력과 결합된 형광물질 스펙트럼 (도 7 데이터와 다른 날에 획득한 커브임을 확인할 것) 과 808 nm 다이오드 레이저 광과 결합된 4.5W 의 펌핑된 30m 길이의 다른 조각의 코어로부터의 형광물질 스펙트럼을 비교한 것이다. 이 경우에는 Fig. 5의 딜라스(Dilas) 레이저 다이오드가 LIMO 레이저 다이오드 (UM025-Fl00-DL808) 로 교체된 경우이다. LIMO 레이저 다이오드는 100μm/0.22nm 코어 광섬유와 결합되고, Semrock 필터는 45도 입사각으로 조정하여 50% 전송 포인트를 875 nm 로 이동시켰다. 두 경우에서 펌프의 흡수를 동등하게 하기 위해 다른 길이의 네오디뮴 필터가 선택되었다. 두 경우에서 펌프의 흡수력을 동등하게 하기 위해 다른 길이의 네오디뮴 광섬유가 선택되었다. 형광 스펙트럼은 각기 다른 날에 서로 다른 실험적인 배열에 따라 도출되어서, 우리는 두 커브의 형광물질 피크를 1로 정상화했고, 975nm 와 1300 nm 영역 사이의 두 곡선을 맞추기 위해서 일괄적으로 880nm 값을 대입하였다. 다이크로익(dichroic) 필터의 개선된 전송과 광섬유의 더 높은 평균 반전으로 기대하는 바로서, 도 8은 900에서 950nm 형광물질의 피크가 880nm 펌프보다 808 nm펌프에 대해 훨씬 강하다는 것을 명확하게 도시한다. 다만, 1380 nm 및 1450 nm 사이의 형광물질 스펙트럼은 880 nm 펌프의 4F3/2 에서 4I13/2로의 라인(line)에서 우위의 이득을 보여준다. 이는 평균 반전(average inversion)을 낮추었기 때문에 4F3/2 에서 4I9/2로의 전이에 소비되는 적은 출력으로 우리가 연구하고 있는 전이 시 이득이 향상되었다. 우리는 앞서 논의한 바와 같이 감소된 OH와 결합할 때에 850-1150nm 에서 의도적인 스펙트럼 감쇄를 가진 개선된 광섬유가 1360 내지 1440 nm 범위에서 상당한 이득을 가능하게 할 것이다.
도 5를 다시 참조하면, 도 6에서의 형광물질 스펙트럼 측정이 수행되면, 다이오드 레이저 소스(51)로부터 1427 nm시드 빔은 펌프 레이저 (52)로부터 빔의 방향의 역방향으로 전파되는 60m 조각의 네오디뮴 광섬유 (50)의 코어 내로 발사되었다. 광학 아이솔레이터는 이러한 다이오드 레이저에서 사용할 수 없다. 900-950nm 의 파장 영역에서의 중요한 역방향 전파 광으로부터 레이저를 보호하기 위하여 다이오드 레이저의 출력은 에르븀(Erbium) 도핑된 광섬유 증폭기의 구성을 위하여 사용되는 표준 980/1440nm 텔레콤 파장 분할 멀티플렉서(WDM)(53)과 융합 접속되었다. WDM 의 측정된 삽입 손실은 1427 nm 에서 3dB이고 905nm 에서 1.2 dB이다. WDM의 980nm 포트는 테스트 동안 900-950nm 영역에서 역방향 전파 광의 상대 평가를 허용하기 위해 광학 출력 미터에 정렬되었다. WDM의 출력은 네오디뮴 광섬유에 곧바로 융합 접속되고 첨접(Splice)는 높은 인덱스의 광학 품질 중합체를 사용하여 구리 V-그루브에 포팅되었다. 이 어셈블리 (57)는 네오디뮴 광섬유를 통과하여 과도한 펌프 광을 덤프할 수 있는 편리한 장소를 제공한다. 우리는 WDM 이 네오디뮴 광섬유의 20 μm, 낮은 NA 코어에 잘 맞지 않는 HI 1060 FLEX 광섬유로부터 만들어져 있음에 주목한다. 따라서 우리는 매우 높은 스플라이스(Splice) 손실을 예상하고 측정하였다. 이 스플라이스 손실은 광섬유 길이를 2m로 줄이고 도 5와 같은 섬유 발사, 렌즈 및 홍채를 사용하여 시준된 1427 nm신호를 측정하여 측정 캠페인을 수행할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 네오디뮴 광섬유의 출력으로부터의 광은 두개의 조리개를 사용하여 스트레이(Stray) 클래딩 광을 스트라이핑(stripping)한 이후, 광학 출력 미터와 함께 측정되었다. 결과 출력 대 펌프 출력은 980m에서 45도 입사각에 대하여 50% 전송률을 가지는 Semrock LP02-980RS-25 의 롱 패스 필터 (71)을 사용하거나 사용하지 않은 상태에서 측정되었다. 이 필터는 높은 펌프 출력에서 관찰된 900-950nm 파장 영역에서 강력한 ASE 를 제거하여 980nm 보다 긴 전력만을 측정할 수 있다. Semrock 필터가 라인에 있지 않으면, 코팅되지 않은 용융 실리카 ?지(Wedge)가 이 장소에 놓여지고 전면 반사광으로부터의 광은 SMF-28 광섬유에 결합된 이후 광학 스펙트럼 분석기에 결합된다.
도 9는 LP02-980RS-25 필터 경우의 측정된 출력 대 결합된 펌프 출력과 필터 위치의 코팅되지 않은 웨지의 경우를 보여준다. 이러한 필터의 손실은 데이터 분석에서 설명된다. 이득은 43mW 의 개시된 1427 nm 출력에 의하여 계산되었다. 최대 결과 출력은 930 nm 에서의 기생 레이징의 시작(onset)에 의하여 제한되었다. 1427nm 의 출력은 효율적으로 이 지점에서 클램프(clamped)되었고, 우리는 시드 레이저의 손상에 대한 우려로 펌프 출력을 증가시키는 진행을 더 이상 하지 않았다. 930nm 의 기생 레이징을 포함하는 지점은 그려지지 않았다. WDM의 980nm 포트에서 측정된 역 전파 900-950nm 광은 최대 출력에서 45mw 이었다. 이것은 보정되지 않은 값이며 상당한 1120 nm 의 출력을 포함할 수 있다. 도 10은 1205 mw(최대 출력) 데이터 포인트에 대한 통합 출력 대 파장뿐만 아니라 도 9에서 보여진 선택된 지점에 대한 스펙트럼을 나타낸다. 도 10에서 가장 높은 측정값에서 ~20% 의 출력이 920 nm ASE 에서 1427nm 와 도 9의 총 출력 곡선 사이의 ~25%차이와 일치한다는 것을 알 수 있다. 도 9의 1.1μm 파장 밴드는 총출력의 1%보다 작고 따라서, 980nm 의 엣지 필터가 이 광을 막지 못한다 하더라도, 1427nm에서 측정된 1.1 μm의 광의 기여는 무시할만하다. 우리는 가장 높은 출력에서 1120 nm 에서 일부 ASE가 증가하는 것을 보았다. 이 특정 광섬유 조각은 드로우 과정(Draw process)에서 직경이 약간 변하고 있었다. 스폴로부터 절단된 다음 광섬유 조각은 1120 nm 에서 우선적으로 레이징 된다. 마이크로 구조의 피지는 그려진 영역에서 변하였고 1120nm의 이득을 완전히 억제하기에는 너무 작게 되었다. 우리가 여기에서 보고 있는 한 광섬유는 입력단 근처에서 비슷했고, 끝 부분에 상당한 ASE 가 형성되었을 가능성이 크다. 그러나, 이 1120nm 의 기생광은 펌프 소스에 더 가까운 광섬유 부분에 의하여 감쇄되었으며, 이는 파장에서 광을 더 정확하게 필터링하고 있다. 상당한 양의 1120nm광은 1427 nm의 신호를 측정하는 파워 미터에 도달하지 않았다. 이것은 다중모드 광섬유를 사용하여 파워 미터에서 분광 반사광(spectral reflection0을 수집하여 확인되었고, 1120nm ASE 가 1427nm 신호의 1% 미만임을 보여주는 광학 스펙트럼 분석기로 스펙트럼 모니터링을 수행하였다.
도 11은 1427nm 에서 3개의 다르게 발사된 신호 출력을 위한 펌프 출력의 함수로서 증폭기 이득을 나타낸다. 증폭기는 결합된 펌프 전력의 4W에서 투명성(transparency)를 얻는 것처럼 보인다. 가장 높이 발사된 신호 출력에서 11dB의 광섬유 손실이 관찰되었으나, 가장 낮이 발사된 출력은 ~3mW의 파워 미터 제한보다 낮아 그려지지 않았다. 우리는 23mW에서의 이득을 그렸고, 43mW 발사된 출력은 상당히 다르지 않아, 이는 비록 930nm 에서 강한 기생 ASE 가 약간의 의심을 주는 결론일지에도, 이것은 20mW 에서 증폭기가 충분히 포화되는 것으로 제안할 수 있다. 2.5mW 에서 발사된 신호 출력에서의 최대 이득은 19.3dB로 측정되었다. 측정된 1120nm ASE 는 대략적으로 43mW에서 발사된 출력의 경우보다 10배 정도 더 높은 것으로 나타났으나 여전히 통합된 전 스펙트럼의 총 출력의 1% 미만이다.
완벽을 기하기 위해 30m의 808nm 펌프 증폭기를 특성화하였다. 11.6dB의 이득이 24mW 발사된 신호 출력(스플라이스 손실은 이 경우 더 나쁘다)에서 얻어지거나 또는 346 mW의 총 신호 출력에서 얻어짐을 기억해야 한다. 최대 808nm 의 결합된 펌프 출력은 920nm의 기생 레이징의 시작(Onset)에 앞서 12W 이다. 12W의 결합된 펌프 출력과 346mW의 신호 출력에서 증폭기의 총 출력은 1236mW 이다. 이것은, 920nm 에서의 총 출력은 ~3/4th이다. 이것은 880nm의 케이스보다 상당히 나쁘고, 1360-1440nm 에서의 양호한 증폭기 성능을 얻기 위하여 900-950 nm 파장 밴드를 연속적으로 스펙트럼적으로 필터링할 필요성을 설명한다. 빔의 질에 대하여, 920 nm 에서 M2는 1.3보다 작다. 우리의 계산은 1427nm에서의 모드 필드 (mode filed) 직경이 22μm이고 다음으로 높은 order mode가 0.5dB/m 임을 암시한다.
따라서, 본 기술에 따른 일 실시예는 실험적으로 1427 nm 에서 1.2W의 결과 출력을 생산하고, 1050-1120 nm 영역의 높은 스펙트럼 감쇄를 발생하는 마이크로 구조 도파관 디자인의 네오디뮴 광섬유 증폭기의 해당 파장에서 19.3dB의 이득을 생산함을 증명하였다. 우리가 알고있는 한, 이것은 네오디뮴 광섬유 증폭기나 레이저로 얻은 가장 높은 평균 충력보다 100배 더 높으며 달성된 이득은 이전 측정보다 9.3dB 더 높다. 게다가 우리의 데이터는 이 증폭기의 성능에 있어서 상당한 개선 잠재력을 명백히 보여준다. 미래 개선의 중요 영역은 증폭기에서 OG의 감소로 백그라운드 손실을 감소하고, 850-1150 nm의 모든 파장을 포함하도록 도파관 스펙트럼 감쇄를 확장시키고, 펌프 클래딩(아마도 코어 펌핑)으로부터 낮은 흡수를 어드레싱(addressing)하고, 넓은 범위의 증폭기를 시딩(Seeding)하는 것입니다.
도 12는 GRINs에 기초한 PCF 의 다른 실시예를 보여준다. 도 2의 실시예에서 육각 구조는 도파관에 결합된 동등한 여섯개의 공명을 허락한다. 도 12는 도 2와 유사한 구조를 보여준다. 이 실시예는 1의 셀 (90)을 가지고 두 종류의 GRIN 리커(leaker)(22)들을 포함한다. 도 2에서와 같이, 전체적인 광섬유(10)는 둥근 모양으로 외부 유리(12)를 포함한다. 요소(element)들을 정의하는 PCF 도파관은 "스택 및 드로잉(stack and draw) PCF 제조 프로세스가 당연히 육각형 패킹을 선호하므로 제조가 용이하도록 육각형 그리드에 배치된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 마이크로 구조 역시 공기 클래딩(air-cladding)을 포함한다. 하지만, 낮은 전력(<1W) 텔레콤 광섬유 증폭기의 경우, 당업자는 아날로그 대 에르븀 도핑된 도핑된 광섬유 증폭기를 인식할 것이고, 결과적으로 코어의 직접 펌핑은 텔레콤 증폭기 어플리케이션에 바람직할 수 있으며, 이는 펌프 클래딩이 바람직하지도 않으며 요구되지도 않는다. 격자 요소(20)는 감소된 인덱스를 제공하기 위하여 불소 도핑된 로드로 형상을 한다. 이러한 디자인을 활용하기 위한 상세한 실시예에서, 광섬유 구조는 펌프 클래딩을 세지 않고 11개의 셀들을 포함하고 최종 피치는 6.6 μm 이다. 코어는 1개의 셀이며 인덱스는 SiO2 에 매칭된다. PCF 로얄 (동일한 NA, 새로운 필 팩터)는 0.14 NA (Ndel=~6.743e-3) 및 0.75의 ID/OD의 비율을 갖는다. GRIN 리커(leakers)는 두종류의 타입이고 기존 GRIN OD의 감소와 호환된다. GRIN(22)는 0.30 NA (Ndel=3.071e-2)이고, 0.500 의 ID/OD 비율을 갖는다. GRIN(23)는 0.30 NA (Ndel=3.071e-2)이고, 0.5353 의 ID/OD 비율을 갖는다. 1400nm 에서 Aeff=88.3μm2 또는 MFD가 ~10.6 μm보다 작다.
도 13은 GRINs에 기초한 PCF 의 다른 실시예를 보여준다. 도 12에서와 같이, 공명 결합된 도파관들(GRINs)들은 모두 동일하지 않다. 이 디자인은 동일한 인덱스를 가지나 다른 특성비(ID/OD) 를 같고, 또는 그 반대로, 또는 그 대조 및 특성비를 가진다. 제 2 그룹의 손실은 제 1 그룹에 대해 스펙트럼적으로 시프트되었다. 이 시프트는 작을 수 있으며, 두개의 손실 밴드는 겹치고 결합에 있어서 더 큰 밴드를 형성한다. 또는 시프트가 클 수 있으며, 두개의 구별되는 손실 밴드를 야기하고 두개의 분리된 스펙트럼 라인을 막는 것을 허락한다. 이러한 대안은 도 2의 실시예에 있어서의 모든 특징들을 가지며, 복수개의 다른 공명 결합된 도파관들의 가능성을 포함하도록 일반화한다. 이러한 디자인을 활용하는 상세한 실시예에 있어서, 광섬유 구조(13)는 펌프 클래딩을 세지 않고 13개의 셀이며, 최종 피치는 7.44 ㎛이다. 코어는 7개의 셀이며 인덱스는 SiO2 에 매칭된다. PCF 로얄 (우리의 표준)는 0.14 NA (Ndel=~6.743e-3) 및 0.533의 ID/OD의 비율을 갖는다. GRIN 리커(leakers)는 두종류의 타입이고 기존 GRIN OD의 감소와 호환된다. GRIN A는 0.30 NA (Ndel=3.071e-2)이고, 0.500 의 ID/OD 비율을 갖는다. GRIN B는 0.30 NA (Ndel=3.071e-2)이고, 0.535 의 ID/OD 비율을 갖는다. 1550nm 에서 Aeff=355μm2 또는 MFD가 ~21.3 μm보다 작다.
도 2의 실시예, 및 이와 유사한 실시예들에 있어서, 도 14에 도시된 바는, 결합된 도파관 요소(elements)들로서 가장 보편화된 형태를 도시하였다. 영역 (1000)은 신호 운반 도파관 영역으로, 원하는 파장의 광을 가이딩(guiding)하고 제한(confining)시킨다. 실제로, 영역(1000)은 보통 코어(1002)와 디프레스드된 인덱스 영역(10004)를 아래의 설명과 같이 포함한다. 영역(1006)은 배수 영역(또한 싱크 영역으로도 일컬어진다)이고, 개념적으로 이것과 결합된 어떠한 광도 제거시킨다. 영역 (1008)은 부수적인 도파관 영역으로 공명적으로 영역 (1000)과 영역 (1006)을 결합시킨다.
따라서, 도 2의 실시예(또한 유사한 예들)는 일반적으로 종방향으로 불변인 유전체 재료, 특히 광섬유 (및 증폭기)의 광학 도파관에 관한 것이다. 임계 도파관 특성은 그들이 지원하는 모드, 이들 모드 사이의 결합 및 전파 상수(또는 유효 인덱스, neff) 이다. 특히, 이는 주 요소(1000)에서 주어진 파장(λ1)의 광을 가이드( 및 일부 실시예에서, 증폭)하는 수단을 적어도 하나의 상이한, 특정의 및 바람직하지 않은, 파장(λ2) 또는 파장들의 광의 안내를 억제하는 수단을 제공한다. 이것은 파장(λ2)을 배열함에 따라 성취되고, 영역(1000)은 보조 도파관(1008)을 통해 싱크(sink)영역(1006)으로의 파장 선택 결합을 경험하며, 그 결과 광은 1000 내지 1006 밖으로 흐른다. 영역(1000) 및 영역 (1006)은 영역 (1008)을 통하는 것을 제외하고는 결합되지 않도록 충분히 고립 되어야 한다.
영역 (1000)과 영역(1008)의 결합 조건은 이들 요소(elements)가 매우 근접해 있어야 하며, 그리고 그들 사이의 결합은 파장 선택적이어야 한다는 것이다.
파장 선택적 조건은 두 요소의 관련 모드 유효 인덱스 (neff)가 오로지 원하지 않는 파장(λ2)에서 일치하면 된다. 이것은 만약 영역(1000)에서 유효 인덱스(neff,A)는 파장에 대한 약한 의존성을 가지지만, 영역 (1006)에서 유효 인덱스(neff,B)는 파장에 따라 강하게 변한거나(고 분산); 또는 두 인덱스가 파장에 대해 강하고, 또 반대로 변하는 경우가 그 경우이다.
영역 (1008)과 영역(1006) 사이의 결합 조건은 이러한 요소가 매우 근접해 있으며, 그리고 이들 사이의 결합이 실질적으로 파장 에그노스틱(agnostic)함을 알수 있다. 파장 에그노스틱 조건은 만약 영역 B가 C의 관련 모드보다 높은 유효 인덱스를 갖는 많은 모드(이상적으로는 연속체)를 지지하는 경우 충족된다.
마침내, 영역(1006)이 영역에 들어가는 임의의 광에 대해 효과적인 '싱크' 또는 '배수(drain)'을 구성한다는 요건은 실질적으로 소산되는(dissipative)(또는 흡수 계수 aB에 의해 특징져지는 흡수)것으로 충족될 수 있다. 심지어 영역(1006)이 소산되지 않아도, 영역(1000)보다 더 많은 모드를 지원하면 여전히 싱크 일 수 있고, 영역(1000)과 영역(1006)사이에서 광을 나누면 영역(1000)에서의 광을 감소시킬 수 있다. 하지만 이 경우에는 영역(1006)에서 영역(1000)으로 연결되는 것을 피하기 위하여 추가적인 요구조건이 있다. 영역(1006)에서의 모드가 강력하고 바람직하게는 랜덤하게 돌아가는 커플링(예를 들어, 이 구조 내 종방향 변동에 의하여)또는 영역(1000)으로 회귀하는 광의 거리(회귀 거리)가 문제의 광섬유보다 훨씬 길어야한다.
영역(1000)은 배경 유리에 대해 (예를 들어, 개구 수)에 대해 임의의 양의 인덱스 콘트라스트(또는 숫자로 나타낸 개구수(numerical aperture), NA)를 갖는 임의의 형상의 '단계 인덱스' 코어를 포함할 수 있으며, 일반적인 단계 인덱스 코어는 단일 모드의 라운드만 지원하나 사각형(슬래브) 또는 환형(링) 모형도 가능하다. 영역(1000)은 또한 PCF(Photonic Crystal Fiber) 또는 PBG(Photonic Bandgap) 광섬유에서 '결함'(누락된 격자 요소)일 수 있다.
영역 (1006)은 어느 모형일 수 있다, 예를 들어, 모형은 광섬유의 대각선 영역 내에 제한되나; 또는 더욱 보편적으로, 코어의 가이딩 요소에 둘러싸인 링의 모형일 수 있고, 광섬유 클래딩을 구성하고, 기계적인 지지를 제공할 수 있다. 이것은 소산을 제공하기 위하여 흡수 유리로 만들어 질 수 있다; 또한 이것은 다양한 모드를 제공하기 위한 높은 반사 인덱스(nB)를 가지는 유리의 어느 큰 영역(도면에 제안된 바와 같이)일 수 있다.
부수적인 결합 도파관 영역(1008) 은 어떠한 사이즈, 모형, 및 인덱스 nc를 가질 수 있고, 영역 (1000)의 λ2(원하지 않는 파장)에서 모드와 공진(neff,c = neff .A)하는 적어도 하나의 모드를 지원하고, 높은 분산을 제공한다. 이러한 분산 요구는 높은 인덱스의 공간적으로 작은 구조를 채용함에 따라 맞춰진다. 도면에 의해 제안된 바에 따라, 영역 A와 동일한 인덱스 콘트라스트(nB=nA)를 갖는 확장된 직사각형의 슬랩(slab)을 포함하고, 이는 영역(1008)에서 파장이 적당히 이격된 다수의 모드를 초래할 것이다. 상기 슬랩의 공간에서 더 작은 코어(서브 가이드)의 스트링이 영역(1008)의 일 구조이다. 이것은 단일 서브-가이드의 그것들에 관한 효과적인 인덱스를 가진 '수퍼 모드'를 지원할 것이며, 이것은 슬랩의 모드보다 훨씬 더 넓은 파장 간격을 가지고 있다; 이는 결과적인 광섬유에서 더 나은 공간적인 제어를 위하여 원하는 간략화를 허용한다. 서브 가이드는 예를 들어 단계 인덱스 코어와 같이, 적당한 모드를 지원하기 위한 어떠한 작은 구조가 될 수 있다. 어느 서브 가이드는 등급 인덱스 (GRIN) 코어 일 수 있는데, 왜냐하면 이러한 가이드는 고르게 이격된 모드이고, 그리고 왜냐하면 이는 단계 인덱스 코어보다 더 적은 산란 손실을 갖기 때문이다. 1300nm 에서 1500nm 영역에서 결과 광을 생산하도록 동작하는네오디뮴 이온 도파관과 같이, 몇몇의 실시예에서, 하나의 파장 영역보다 많은 영역에서 손실을 제공하는 것이 더 이익적이다. 이러한 경우에, 하나의 타입보다 많은 부수적인 도파관 영역이 사용될 수 있다.
도 15는 모놀리식 결합된 도파관 (1008)을 기초한 PCF의 다른 실시예를 보여준다. 제 1 실시예의 공진 결합 도파관은 GRINs의 스트링 형태로 선택되었다. 여기서 지적한 바와 같이, 그 형태는 유익한 손실 밴드를 산출하고, 또한 더욱이 배열은 제조에 사용된 육각형 격자와 가장 양립할 수 있다.
다만, 모놀리식 결합된 도파관의 더 작은 모드 간격(파장에서)이 요구되는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 모드 간격은 복수의 라인 억제를 위하여 두개 또는 그 이상의 분리된 손실 밴드를 제공하기 위하여 선택될 수 있다.
이러한 대안은 바람직한 실시예의 대부분의 일반적인 특징을 포함하지만, 결합된 도파관(1114)이 여기에 모놀리식이라는 변화를 갖는다.
도 16 및 도 17은 상승된 인덱스 싱크를 갖는 인덱스 신호 코어의 대안 실시예를 도시한다. 상기 제 1 실시 예 및 상기 대안의 실시 예에서, 코어는 PCF 격자의 결함으로서 형성된다. 하지만, 모든 경험상 두개의 실시예에 의해 예시된 바와 같이, 단계 인덱스 코어 및 상승된 인덱스 싱크로 만족될 수 있다. 여기서, 신호 코어(1002)는 신호 코어의 주변(1004)에 대하여 상승된 인덱스를 가지고 PCF 코어 대신에 '단계 인덱스'를 구성한다. 싱크 영역(10006)은 주변(1004)에 비하여 높은 인덱스를 가지고, 싱크를 구성하는 조건에서 요구되는 것으로, 코어(1002)만큼 높거나 더 높은 인덱스를 가져야한다. 도면에서, 싱크(1006)는 코어(1002) 및 결합된 도파관(1008)을 둘러싸고, 광섬유의 외부적 기계적인 요소들을 형성한다. 하지만, 위의 일반적인 섹션에서 설명한 것처럼 최외곽의 기계적인 요소 내부의 내부적인 구조일 수 있다. 앞에서와 같이, 결합된 도파관(1008)은 도 14의 서브 가이드의 스트링이거나 도 15의 모놀리식일 수 있다. 도 15 내지 17의 실시예는 하나 이상의 타입의 GRIN을 포함하도록, 예를 들어 도 13 및 도 14의 실시예와 같이, 변경될 수 있다. 미국 특허 출원 일련 번호 15/288,590, "광섬유 레이저 및 증폭기의 라인 선택을 위한 도파관 디자인"은 본 출원과 동일한 날에 출원되었으며, 여기에 참조로 포함된다.
이들 실시예는 여전히'스택-앤-드로우(stack-and-draw)'제조 기술과 호환 가능하지만, 대안적인 '로드인 튜브(rod-in-tube)'기술과도 호환 가능하며, 일부 경우 이것이 이점이 될 수 있다. 하지만 이러한 실시예는 PCF 코어를 갖는 큰 모드의 크기를 허용하지 않을 것이다. 이러한 대안점은 본 발명이 PCFs 및 PBG 광섬유와 같이 주기적인 구조의 경우에 제한되지 않는 것을 설명한다.
본 기술 분야의 당업자는, 광섬유 레이저 증폭기 및 오실레이터의 제조 및 테스트는 여기에 설명된 핵심 통찰력이나 발명으로 위에서 설명한 결과에 따라 네오디뮴 이온의 4F3/2 -4I13 /2로의 원자 전이(보통 1370-1460nm 영역에서)에 상응하는 광의 유용한 증폭 또는 발진을 가능하게 하는 광섬유의 단위 길이당 도파관 손실이 경쟁 네오디뮴 이온의 전이 중 하나에서 파생된 이득과 같거나 크다는 일반적인 특성을 가진 모든 도파관의 설계이다. 네오디뮴 이온(Nd3+)의 4F3/2 -4I11 /2로의 전이(1050-1150nm) 또는 4F3/2 -4I9 /2로의 원자 전이(900-950nm)는 동시에 네오디뮴 이온의 4F3/2 -4I13 /2로의 원자 전이(보통 1370-1460nm 영역)를 위한 최소의 도파관 손실을 제공한다. 이는 808nm근처에서의 코어 펌핑을 가능하게 하는 4I9 /2 -4F5/2(785-820nm)의 w주요 펌프 흡수를 위한 적은 도파관 손실을 제공하는 것이 바람직하다. 게다가, 취득할 수 있는 이득보다 더 큰 도파관 손실을 만듦으로써 이득을 경쟁시키는 것이 전체적으로 억제하는 것이 가장 바람직하나, 우리의 최초 실험 결과에 설명된 바와 같이, 하나 또는 하나 이상의 경쟁하는 원자 전이가 전체적으로 억제되지 않았더라도, 주요한 이점이 가능하다. 우리는 이러한 기준을 만족하는 몇가지 잠재적인 도파관 디자인을 제공하였다. 하지만, 이러한 개시에 기초하여, 광섬유 도파관 디자인의 당업자는 여기에 도시되지 않은 기본적인 기준, 1370-1460nm에서 손실이 가까워지면서 바람직한 저손실 또는 최초 원자 경쟁한 원자 전이에 대응하여850 nm 에서 1150 nm 영역까지의 넓은 영역에서 네오디뮴 이온의 유도된 이득보다 큰 기준을 만족하는 추가적인 도파관 디자인을 확인하는데 동기를 가질 수 있다. 여기에서 상세하게 설명된 실시예와 구별되는 다른 하나의 후보는 전 고체 광 밴드 갭 디자인이다. 특정한 포토닉 밴드 갭 기반 실시예를 개발하기 위해, 경쟁하는 이득 전이에 대응하는 파장들에서 1370 내지 1460 nm 사이의 양호한 투과율(transmission) 및 낮은 투과율 또는 전혀 투과율을 갖지 않는 광 밴드 갭 광섬유를 설계할 필요가 있다. 제 2의 대안 예시로서, 이 개시에 기초하여, 원하는 원자 전이에서의 흡수 광 없이 경쟁하는 원자 전이에 대응하기 위하여 상호 도펀트(co-dopants)가 추가된 광섬유 코어 또는 근접한 클래딩을 가지는 도파관 디자인을 채용하도록 동기를 가질 수 있다. 흡수 재료의 사용은 혼합된 재료에서 발생할 수 있는 이온-이온 상호 작용을 예측하기 어렵기 때문에 전체 시스템의 성능을 제한할 수 있는 2차 효과를 예측하기 어려워 실현하기 어려울 수 있음을 알아야 한다. 요약하면, 본 개시에 기초하여, 당업자는 경쟁하는 이득 전이들의 충분한 억제와 함께 4F3/2 에서 4I13 / 2 로의 원자 전이에서 상당한 이득의 바람직한 결과를 실현하는데 요구되는 바람직한 도파관 손실 프로파일을 달성할 수 있는 다른 도파관 디자인이 가능함을 인식할 수 있다.
다른 실시예는 Yb3+로 코어가 상호 도핑(co-doped)된 Er3+ 도핑된 광섬유를 활용한다. 이 실시예에서는 1500nm 에서 1620 nm의 파장 범위 내에 작동하는 것으로, Er3+ 도핑된 광섬유 코어가 yb3+로 상호 도핑(co-doped)되어 취득할 수 있는 이득보다 적은 손실을 가진 특정을 가진 채 동작된다. 도파관은 950nm 에서 1150nm의 파장 범위에서 Yb3+ 발생 이득보다 큰 도파관 유도 손실을 제공하고, 1100nm 보다 짧은 파장에서 작동하는 펌프 레이저를 사용하여 Yb3+를 여기(excite)시키고, 이때, 에너지는 Yb3+ 이온에서 Er3+ 이온으로 전달된다. 이 실시예는 펌프 레이저를 광섬유(도파관)에 결합시키는 수단을 포함한다. 증폭기로서 구성될 때, 도파관은 추가적으로 광섬유의 코어에 증폭되어 결합되는 인풋 빔을 제공하는 인풋 빔보다 큰 출력을 가진 신호 빔을 생산하도록 증폭되는 소스를 더 포함한다. 몇 경우에서, 코어가 인(Phosphorous)로 상호 도핑되는 것이 바람직하다.
전술한 설명은 예시 및 설명의 목적이며, 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하려는 것은 아니다. 많은 변경이나 변이가 앞서 설명된 것에 비추어 가능하다. 설명된 실시예는 오로지 발명의 개념을 설명하기 위함이고, 이것의 실용적인 적용은 따라서 당업자로 하여금 최적의 다양한 실시예의 발명과 특정한 사용으로 숙고된 형태에 맞춰 다양한 변경이 될 수 있다. 본 발명의 범위는 후술하는 청구항에서 정의된다.
여기서 설명된 모든 구성(elements), 파트, 및 스텝은 선별되어 포함될 수 있다. 이것은 어느 구성, 파트 및 스텝일지라도 다른 구성, 파트, 및 스텝으로 대체되거나, 당업자로 하여금 명백하다면 삭제되는 것이 가능하다.
넓게는, 이 문서는 적어도 아래의 것을 개시한다. 1300 내지 1450 nm 파장 영역에서 동작하는 네오디뮴 이온(Nd3 +) 광섬유 레이저 및 증폭기가 설명된다. 이 파장 밴드 내에서 동작하는 광섬유는 희귀 지구상의 도핑된 광학 증폭기 또는 레이저는 이 파장 밴드에서 광을 가이드하는 광섬유에 기초한다. 도파관 구조는 850nm 내지 950nm 및 1050 nm 내지 1150m의 파장 영역에서 광을 감쇄시킨다.
개념(concepts)
이 문서는 또한 적어도 다음 개념들을 개시한다.
1. 제 1 원자 전이 및 제 2 원자 전이를 가지는 레이징(lasing) 소자로 코어가 도핑된 도파관에 있어서, 상기 제 1 원자 전이는 상기 제 2 원자 전이보다 작고, 상기 제 1 원자 전이의 파장에서의 이득이 손실보다 크도록 제공되고, 상기 제 2 원자 전이의 파장에서의 손실이 이득보다 큰 도파관; 및
펌프 광과 함께 상기 도파관의 코어를 광학적으로 펌핑시키는 소스;를 포함하는 장치.
2. 개념 1,3,11-18,20-22 및 24-27 의 장치에 있어서,
상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이 보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 더 포함하고, 상기 도파관은 손실이 이득보다 더 큰 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 제공하는 장치.
3. 개념 1,2,5-7,11-13,15,18-27 에 있어서,
신호광을 생성하기 위해 상기 도파관 내에서 증폭될 광을 제공하도록 구성된제 2 소스를 더 포함하는 장치.
4. 개념 1,2,5-7,11-13,15 및 18-27에 있어서,
상기 도파관 내에서 증폭될 광을 제공하도록 구성된 제 2 소스;를 더 포함하는 장치.
5. 개념 2,4 및 19에 있어서,
상기 제 1 원자 전이 내의 상기 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위를 갖고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 870nm 내지 950 nm 이며, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 1050nm 내지 1120 nm 의 범위를 갖는 장치.
6. 개념 2,4 및 19에 있어서,
상기 제 1 원자 전이의 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 1050nm 내지 1150 nm 이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 870nm 내지 950 nm 의 범위일 때에 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되는 장치.
7. 개념 2,4 및 19에 있어서,
상기 제 1 원자 전이는 4F3/2 에서 4I13 /2로의 원자 전이이고, 상기 제 2 원자 전이는 4F3/2 에서 4I11 / 2 로의 원자 전이이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이는 4F3/2 에서 4I9 / 2 로의 원자 전이일 때에 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3+)으로 구성되는 장치.
8. 개념 3,14 및 17에 있어서,
상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 가지고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 이득보다 손실이 더 크도록 제공되고, 상기 제 1 원자 전이의 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 1050nm 내지 1150 nm 이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 870nm 내지 950 nm 의 범위이고, 상기 증폭될 광은 1300nm 내지 1500nm 범위의 파장을 포함하고, 상기 펌프 광은 950 nm 의 파장보다 짧은 장치.
9. 개념 3,14 및 17에 있어서,
상기 레이징 소자는 상기 제1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 가지고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 이득보다 손실이 더 크도록 제공되고, 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되고, 상기 제 1 원자 전이의 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 1050nm 내지 1150 nm 이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 870nm 내지 950 nm 의 범위이고, 상기 증폭될 광은 1300nm 내지 1500nm 범위의 파장을 포함하고, 상기 펌프 광은 950 nm 의 파장보다 짧은 장치.
10. 개념 3,14 및 17에 있어서,
상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 가지고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 이득보다 손실이 더 크도록 제공되고, 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되고, 상기 제 1 원자 전이는 4F3/2 에서 4I13 /2로의 원자 전이이고, 상기 제 2 원자 전이는 4F3/2 에서 4I11 / 2 로의 원자 전이이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이는 4F3/2 에서 4I9 / 2 로의 원자 전이이고, 상기 증폭될 광은 1300nm 내지 1500nm 범위의 파장을 포함하고, 상기 펌프 광은 950 nm 의 파장보다 짧은 장치.
11. 개념 1-10 및 12-27에 있어서,
상기 도파관은 용융 실리카로 구성된 장치.
12. 개념 1-11,13-19,및 21-25에 있어서,
상기 코어는 용융 실리카로 구성되고, 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3+)으로 구성되고, 상기 코어는 인, 게르마늄, 알루미늄, 불소 및 불소로 구성된 그룹에서 선택된 추가적인 공동 도펀트(co-dopants)를 더 포함하는 장치.
13. 개념 1-12 및 14-27에 있어서,
상기 펌프 광은 직접적으로 상기 코어와 결합되고, 상기 코어 도파관의 손실은 상기 레이저 이온에 의한 상기 펌프광의 흡수로 인한 유효손실보다 작은 장치.
14. 개념 3,8-10 및 17에 있어서,
상기 펌프광은 파장 분할 다중화기(WDM)을 통해 상기 도파관에 결합되고, 상기 신호광은 상기 파장 분할 다중화기를 통해 상기 도파관에 또는 상기 도파관으로부터 결합되는 장치.
15. 개념 1-14 및 17-27에 있어서,
상기 도파관은 제 1 클래딩 및 제 2 클래딩을 포함하며, 상기 펌프광은 상기 제 2 클래딩에 결합되는 장치.
16. 개념 15에 있어서,
신호 광을 생산하기 위한 상기 도파관 내에서 증폭될 광을 제공하는 제 2 소스를 더 포함하고, 상기 펌프 광은 상기 제 2 클래딩과 펌프 신호 결합기를 통해서 결합되고, 상기 신호 광은 상기 펌프 신호 결합기의 코어를 통해 또는 코어로부터 결합되는 장치.
17. 개념 3,8-10 및 14에 있어서,
(i)증폭될 광이 상기 도파관에 결합되기 전에 광학 아이솔레이터를 통과하고, (ii) 상기 신호광이 상기 광학 아이솔레이터를 통과하도록 선택되는 구성을 더 포함하는 장치.
18. 개념 1-17 및 19-27에 있어서,
상기 도파관은 상기 제 2 원자 전이의 이득을 감소시키나 제거하지는 않도록 구성된 장치.
19. 개념 2 및 5-10에 있어서,
상기 도파관은 상기 제 2 원자 전이 및 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이 중 적어도 하나의 이득을 감소시키나 제거하지는 않도록 구성된 장치.
20. 개념 1-4,11,13-19 및 21-25에 있어서,
상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되고, 상기 도파관은 785nm 에서 820 nm 범위 내의 파장을 갖는 펌프 광으로 상기 코어를 광학적으로 펌핑하는 4I9/2 에서 4F5/2 (785nm-820nm)의 원자 전이 시에 충분히 낮은 도파관 손실을 제공하도록 구성된 장치.
21. 개념 1-20,26, 및 27에 있어서,
상기 도파관은,
상기 제 1 원자 전이의 파장을 가지는 광과 상기 제 2 원자 전이의 파장을 가지는 광으로 구성된 하나 또는 그 이상의 모드를 전파하고, 상기 코어를 포함하는 신호 운반 도파관 영역;
싱크 영역; 및
상기 신호 운반 도파관 영역으로부터 상기 싱크 영역으로 상기 제 2 원자 전이의 광을 공진 결합시키도록 구성된 보조 도파관 영역;을 포함하는 장치.
22. 개념 21,23, 및 24에 있어서,
상기 신호 운반 도파관 영역은 상기 제 1 원자 전이의 파장을 갖는 것을 한정하도록 상기 코어에 비해 낮은 굴절률을 갖는 격자를 포함하는 장치.
23. 개념 21,22,24 및 25에 있어서,
상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 더 포함하고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장이 손실이 이득보다 더 크도록 제공되고, 상기 보조 도파관 영역은 상기 신호 운반 도파관 영역에서 상기 싱크 영역으로의 상기 하나 또는 그 이상의 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 광과 공명적으로 결합된 장치.
24. 개념 21-26,25에 있어서,
상기 보조 도파관 영역은 모놀리식(Monolithic) 결합 도파관으로 구성된 장치.
25. 개념 21,23 및 24에 있어서,
상기 신호 운반 도파관 영역은 단계 인덱스를 포함하고, 상기 싱크 영역은 상승된 지수 싱크를 포함하는 장치.
26. 개념 1-4,11,13-14 및 21-25에 있어서,
상기 레이징 소자는 Yb3 +와 결합 도핑된(co-doped)된 Er3 +를 포함하고, 상기 제 1 원자 전이의 파장은 1500nm 내지 1620nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이의 파장은 950 nm 내지 1150 nm 의 범위이고, 상기 펌프 광은 1100nm 의 파장보다 짧도록 구성된 장치.
27. 개념 26에 있어서,
상기 레이징이 소자는 인(Phosphorous)과 결합 도핑된(co-doped) 장치.

Claims (27)

  1. 제 1 원자 전이 및 제 2 원자 전이를 가지는 레이징(lasing) 소자로 코어가 도핑된 도파관에 있어서, 상기 제 1 원자 전이는 상기 제 2 원자 전이보다 작고, 상기 제 1 원자 전이의 파장에서의 이득이 손실보다 크도록 제공되고, 상기 제 2 원자 전이의 파장에서의 손실이 이득보다 큰 도파관; 및
    펌프 광과 함께 상기 도파관의 코어를 광학적으로 펌핑시키는 소스;를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이 보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 더 포함하고, 상기 도파관은 손실이 이득보다 큰 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 제공하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    신호광을 생성하기 위해 상기 도파관 내에서 증폭될 광을 제공하도록 구성된제 2 소스를 더 포함하는 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 도파관 내에서 증폭될 광을 제공하도록 구성된 제 2 소스;를 더 포함하는 장치.
  5. 제 2항 있어서,
    상기 제 1 원자 전이 내의 상기 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위를 갖고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 870nm 내지 950 nm 이며, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 1050nm 내지 1120 nm 의 범위를 갖는 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 원자 전이의 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 1050nm 내지 1150 nm 이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 870nm 내지 950 nm 의 범위일 때에 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되는 장치.
  7. 제 2항 있어서,
    상기 제 1 원자 전이는 4F3/2 에서 4I13 /2로의 원자 전이이고, 상기 제 2 원자 전이는 4F3/2 에서 4I11 / 2 로의 원자 전이이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이는 4F3/2 에서 4I9 / 2 로의 원자 전이일 때에 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3+)으로 구성되는 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 가지고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 이득보다 손실이 더 크도록 제공되고, 상기 제 1 원자 전이의 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 1050nm 내지 1150 nm 이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 870nm 내지 950 nm 의 범위이고, 상기 증폭될 광은 1300nm 내지 1500nm 범위의 파장을 포함하고, 상기 펌프 광은 950 nm 의 파장보다 짧은 장치.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 상기 제1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 가지고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 이득보다 손실이 더 크도록 제공되고, 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되고, 상기 제 1 원자 전이의 파장은 1300 nm 내지 1500 nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이 내의 상기 파장은 파장 범위가 1050nm 내지 1150 nm 이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 파장은 870nm 내지 950 nm 의 범위이고, 상기 증폭될 광은 1300nm 내지 1500nm 범위의 파장을 포함하고, 상기 펌프 광은 950 nm 의 파장보다 짧은 장치.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 가지고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 이득보다 손실이 더 크도록 제공되고, 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되고, 상기 제 1 원자 전이는 4F3/2 에서 4I13 /2로의 원자 전이이고, 상기 제 2 원자 전이는 4F3/2 에서 4I11 / 2 로의 원자 전이이고, 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이는 4F3/2 에서 4I9 / 2 로의 원자 전이이고, 상기 증폭될 광은 1300nm 내지 1500nm 범위의 파장을 포함하고, 상기 펌프 광은 950 nm 의 파장보다 짧은 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은 용융 실리카로 구성된 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 용융 실리카로 구성되고, 상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3+)으로 구성되고, 상기 코어는 인, 게르마늄, 알루미늄, 불소 및 불소로 구성된 그룹에서 선택된 추가적인 공동 도펀트(co-dopants)를 더 포함하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 펌프 광은 직접적으로 상기 코어와 결합되고, 상기 코어 도파관의 손실은 상기 레이저 이온에 의한 상기 펌프광의 흡수로 인한 유효손실보다 작은 장치.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 펌프광은 파장 분할 다중화기(WDM)을 통해 상기 도파관에 결합되고, 상기 신호광은 상기 파장 분할 다중화기를 통해 상기 도파관에 또는 상기 도파관으로부터 결합되는 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은 제 1 클래딩 및 제 2 클래딩을 포함하며, 상기 펌프광은 상기 제 2 클래딩에 결합되는 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 신호 광을 생산하기 위한 상기 도파관 내에서 증폭될 광을 제공하는 제 2 소스를 더 포함하고, 상기 펌프 광은 상기 제 2 클래딩과 펌프 신호 결합기를 통해서 결합되고, 상기 신호 광은 상기 펌프 신호 결합기의 코어를 통해 또는 코어로부터 결합되는 장치.
  17. 제 3 항에 있어서,
    (i)증폭될 광이 상기 도파관에 결합되기 전에 광학 아이솔레이터를 통과하고, (ii) 상기 신호광이 상기 광학 아이솔레이터를 통과하도록 선택되는 구성을 더 포함하는 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 제 2 원자 전이의 이득을 감소시키나 제거하지는 않도록 구성된 장치.
  19. 제 2 항에 있어서,
    상기 도파관은 상기 제 2 원자 전이 및 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이 중 적어도 하나의 이득을 감소시키나 제거하지는 않도록 구성된 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 네오디움 이온(Nd3 +)으로 구성되고, 상기 도파관은 785nm 에서 820 nm 범위 내의 파장을 갖는 펌프 광으로 상기 코어를 광학적으로 펌핑하는 4I9/2 에서 4F5/2 (785nm-820nm)의 원자 전이 시에 충분히 낮은 도파관 손실을 제공하도록 구성된 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 도파관은,
    상기 제 1 원자 전이의 파장을 가지는 광과 상기 제 2 원자 전이의 파장을 가지는 광으로 구성된 하나 또는 그 이상의 모드를 전파하고, 상기 코어를 포함하는 신호 운반 도파관 영역;
    싱크 영역; 및
    상기 신호 운반 도파관 영역으로부터 상기 싱크 영역으로 상기 제 2 원자 전이의 광을 공진 결합시키도록 구성된 보조 도파관 영역;을 포함하는 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 신호 운반 도파관 영역은 상기 제 1 원자 전이의 파장을 갖는 것을 한정하도록 상기 코어에 비해 낮은 굴절률을 갖는 격자를 포함하는 장치.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 상기 제 1 원자 전이보다 큰 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이를 더 포함하고, 상기 도파관은 상기 하나 또는 그 이상의 추가적인 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장이 손실이 이득보다 더 크도록 제공되고, 상기 보조 도파관 영역은 상기 신호 운반 도파관 영역에서 상기 싱크 영역으로의 상기 하나 또는 그 이상의 원자 전이의 하나 또는 그 이상의 파장에서의 광과 공명적으로 결합된 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 보조 도파관 영역은 모놀리식(Monolithic) 결합 도파관으로 구성된 장치.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 신호 운반 도파관 영역은 단계 인덱스를 포함하고, 상기 싱크 영역은 상승된 지수 싱크를 포함하는 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이징 소자는 Yb3 +와 결합 도핑된(co-doped)된 Er3 +를 포함하고, 상기 제 1 원자 전이의 파장은 1500nm 내지 1620nm의 범위이고, 상기 제 2 원자 전이의 파장은 950 nm 내지 1150 nm 의 범위이고, 상기 펌프 광은 1100nm 의 파장보다 짧도록 구성된 장치
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이징이 소자는 인(Phosphorous)과 결합 도핑된(co-doped) 장치.
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