KR20210053092A - Amplifier for fiber laser enabled by step-index large mode area fiber and ultrafast fiber laser comprising the same - Google Patents

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KR20210053092A
KR20210053092A KR1020190138949A KR20190138949A KR20210053092A KR 20210053092 A KR20210053092 A KR 20210053092A KR 1020190138949 A KR1020190138949 A KR 1020190138949A KR 20190138949 A KR20190138949 A KR 20190138949A KR 20210053092 A KR20210053092 A KR 20210053092A
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Abstract

The present invention relates to an optical fiber amplifier using a step index large mode area fiber and an ultrashort pulse optical fiber laser device including the same and, more particularly, to an optical fiber amplifier and an ultrashort pulse optical fiber laser device including the same which achieve a high core pump absorption rate and simultaneously suppress photo darkening phenomena, keep a beam profile excellent, and use an optical fiber which facilitates fusion between optical fibers in an ultrashort pulse laser amplification system to maintain the length of an amplification fiber to be 1 m or less, thereby minimizing non-linear effects in the amplification system and simultaneously obtaining a sufficient amplification effect.

Description

계단형 넓은 모드 면적 광섬유를 이용한 광증폭기 및 이를 포함하는 극초단 펄스 광섬유 레이저 장치{AMPLIFIER FOR FIBER LASER ENABLED BY STEP-INDEX LARGE MODE AREA FIBER AND ULTRAFAST FIBER LASER COMPRISING THE SAME}Optical amplifier using step-type wide mode area optical fiber and ultra-short pulse fiber laser device including the same {AMPLIFIER FOR FIBER LASER ENABLED BY STEP-INDEX LARGE MODE AREA FIBER AND ULTRAFAST FIBER LASER COMPRISING THE SAME}

본 발명은 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 이용한 광증폭기 및 이를 포함하는 극초단 펄스 광섬유 레이저 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 높은 코어 펌프 흡수율을 달성함과 동시에 광흑화(Photo darkening)현상을 억제하고, 빔 프로파일(beam profile)을 우수하게 유지하며, 광섬유간의 융착을 용이하게 하는 광섬유를 극초단 펄스 레이저 증폭 시스템에 활용함으로써, 증폭 광섬유의 길이를 1 m 이하로 유지하여 증폭 시스템 내 비선형 효과를 최소화하면서 동시에 충분한 증폭 효과를 얻을 수 있는 광증폭기 및 이를 포함하는 극초단 펄스 광섬유 레이저 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical amplifier using a step index large mode area fiber and an ultra-short pulsed fiber laser device including the same, and more particularly, to a high core pump absorption rate and at the same time By using an optical fiber that suppresses photo darkening, maintains excellent beam profile, and facilitates fusion between optical fibers in an ultra-short pulse laser amplification system, the length of the amplified optical fiber is reduced to 1 m or less. The present invention relates to an optical amplifier capable of obtaining a sufficient amplification effect while minimizing a nonlinear effect in an amplification system by maintaining, and an ultrashort pulsed fiber laser device including the same.

극초단 펄스 레이저는 수십 피코초(ps) 내지 수십 펨토초(fs)의 짧은 순간에 에너지를 집중시키는 레이저로서, 시간당 에너지의 집중이 매우 높아 기존 레이저로는 가공이 불가능한 시편의 가공이 가능하다. 또한 열확산이 미처 시작되기 전에 에너지 전달이 완료되어 국부적으로 초고온이 형성되는 물리현상으로 인해 특정재료에 국한되지 않고 마이크로미터(μm) 이하의 작은 가공 사이즈에서도 깨끗한 가공이 가능하여 디스플레이 수리, 반도체/솔라셀 가공, 안과시술, 마킹 및 표면처리 등 초미세 가공분야에서 각광받고 있다. The ultrashort pulse laser is a laser that concentrates energy in a short instant of tens of picoseconds (ps) to tens of femtoseconds (fs), and because the concentration of energy per hour is very high, it is possible to process specimens that cannot be processed with conventional lasers. In addition, due to the physical phenomenon in which energy transfer is completed before thermal diffusion begins and local ultra-high temperature is formed, it is not limited to specific materials, and clean processing is possible even in small processing sizes of micrometers (μm) or less. It is in the spotlight in the field of ultra-fine processing such as cell processing, ophthalmic procedures, marking and surface treatment.

이러한 극초단 펄스 레이저는 레이저 증폭 매질에 따라 크리스탈 타입과 광섬유 타입으로 분류할 수 있으며, 일반적으로 크리스탈 타입은 비선형 현상이 적어 좁고 깨끗한 펄스폭 형성이 가능하다는 장점이 있지만, 주변 환경 변화에 상대적으로 취약하고 방열에 불리해 고출력 시스템에 적용이 어렵다는 단점이 있다. 반면 광섬유를 증폭매질로 사용하는 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저의 경우, 광섬유의 고차 분산 및 비선형 특성으로 인해 펄스 모양이 상대적으로 양호하지 않으나, 광경로가 광섬유로 구성되어 있어 환경 변화에 둔감하고 안정적이다. 또한 증폭 매질의 구조적인 특징으로 인해 방열이 용이하며 따라서 상대적으로 높은 평균출력 확보가 가능하며, 이와 같은 광섬유 기반 극초단 펄스 레이저의 장점들은 안정성 및 생산성을 요하는 산업 분야의 필요를 충족시켜 주고 있다. These ultrashort pulse lasers can be classified into crystal type and optical fiber type according to the laser amplification medium. In general, the crystal type has the advantage of being able to form a narrow and clean pulse width due to low nonlinearity, but is relatively vulnerable to changes in the surrounding environment. It is disadvantageous in heat dissipation and is difficult to apply to high-power systems. On the other hand, in the case of an optical fiber-based ultra-short pulse laser using optical fiber as an amplification medium, the shape of the pulse is relatively poor due to the high-order dispersion and nonlinear characteristics of the optical fiber, but the optical path is made of optical fiber, so it is insensitive to environmental changes and is stable. . In addition, due to the structural characteristics of the amplification medium, heat dissipation is easy, and thus relatively high average power can be secured, and the advantages of optical fiber-based ultrashort pulse lasers meet the needs of industrial fields requiring stability and productivity. .

하지만 광섬유의 작은 코어 면적과 1 m 이상의 긴 길이로 인해 비선형 위상 천이 누적값(B-integral)이 상대적으로 크며, 이로 인해 레이저 스펙트럼이 왜곡되고 펄스의 품질(pulse quality)이 낮아지는 단점이 존재한다. However, due to the small core area of the optical fiber and the long length of 1 m or more, the nonlinear phase shift accumulation value (B-integral) is relatively large, which causes the laser spectrum to be distorted and the pulse quality to be lowered. .

이 문제를 완화하기 위한 방법 중의 하나는 증폭에 요구되는 광섬유의 길이를 줄이는 것으로, 증폭 광섬유의 길이를 줄이기 위해서는 광섬유에 첨가된 희토류 이온의 농도를 높이는 방법이 있으나, Yb3+이온의 경우 도핑 농도가 높아질수록 이온간 클러스터(clustering)가 형성될 가능성이 높아져 시스템의 장기 안정성에 악영향을 미칠 수 있고, 또한, Yb3+이온의 농도가 증가할수록 개구수(NA)가 증가하여 빔의 품질(beam quality(M2))이 낮아지는 단점이 있다. One of the ways to alleviate this problem is to reduce the length of the optical fiber required for amplification. To reduce the length of the amplified optical fiber, there is a method of increasing the concentration of rare earth ions added to the optical fiber, but in the case of Yb 3+ ions, the doping concentration The higher the value is, the higher the likelihood of the formation of inter-ion clusters increases, which may adversely affect the long-term stability of the system.In addition, as the concentration of Yb 3+ ions increases, the numerical aperture (NA) increases and the beam quality (beam There is a disadvantage of lowering the quality(M 2 )).

또 다른 해결책으로는 코어의 지름을 키우고 코어 면적 대비 클래드의 면적비(Cladding to core area ratio, CCAR)을 줄여 증폭 효율을 높이는 방법이 있으나, 이 경우에는 마이크로벤딩 로스(micro-bending loss)가 발생하여 고차모드가 발생할 가능성이 높아질 수 있다. Another solution is to increase the amplification efficiency by increasing the diameter of the core and reducing the cladding to core area ratio (CCAR), but in this case, micro-bending loss occurs. Higher-order modes may increase the likelihood of occurrence.

한편, 전 고체(All-solid) 넓은 모드 면적 광섬유 중 코어 주변에 페데스탈(pedestal) 층을 적용하여 코어의 굴절률을 낮추는 효과를 가져오는 연구결과도 있으나, 페데스탈(pedestal)의 사이즈나 모양이 최적화된 수치와 차이가 존재할 경우 코어모드가 클래드쪽으로 누출이 되거나 펌프가 클래드에 갇혀 증폭에 참여하지 못하는 문제를 야기하기 때문에 엄밀히 관리되어야 하는 불편함이 있으며, 상기 단점을 극복하기 위해 코어에 Yb3+과 Al3+ 이온이 첨가되고, 클래드에 Ge 이온이 도핑된 광섬유 타입이 제안되었으나, Yb3+과 Al3+ 이온이 첨가됨으로써 코어의 굴절률이 높아지고, 이 효과를 상쇄하기 위해 클래드의 Ge 이온 농도를 높이는 과정에서 제조 과정이 까다로워지는 단점이 존재한다. On the other hand, among all-solid wide mode-area optical fibers, there are research results that have the effect of lowering the refractive index of the core by applying a pedestal layer around the core, but the size and shape of the pedestal are optimized. figures and if there is a difference since the harm the core mode into the cladding to leak or the pump is not locked in a cladding part in amplify and the discomfort which must be strictly managed, Yb 3+ to the core in order to overcome the above disadvantages and An optical fiber type in which Al 3+ ions are added and Ge ions are doped to the clad has been proposed, but the refractive index of the core is increased by the addition of Yb 3+ and Al 3+ ions, and the Ge ion concentration of the clad is increased to offset this effect. There is a disadvantage that the manufacturing process becomes difficult during the process of raising.

최근의 연구결과로 코어에 Yb3+와 더불어 Al3+ 및 P5+ 이온을 같은 (몰)농도로 첨가하여 AlPO4 생성을 유도하며, 이를 통해 고농도의 Yb3+와 낮은 굴절률을 동시에 만족시키는 접근도 이루어지고 있다. 그러나, 극초단 레이저에 사용되는 광섬유의 경우, AlPO4 생성으로 낮추어진 굴절률보다 더 낮은 개구수가 필요하다.Yb 3+, with the core in a recent study of addition of Al 3+, and P 5+ ions, such as (mol) to induce the generation AlPO4, and access to them by satisfying a high concentration of Yb 3+ and low index of refraction at the same time It is also being done. However, in the case of optical fibers used in ultrashort lasers, a lower numerical aperture is required than the refractive index lowered by AlPO4 generation.

한편, 본 발명의 기술이 속하는 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간략하게 설명하면, 먼저, 미국특허공개공보 US 2011/0206341 A1 는 Yb이온이 첨가되어 있고 NA값이 낮아 빔 특성이 우수한 광섬유 종래기술로서, 극초단 펄스 레이저를 증폭하기 위해 광섬유 매질을 사용하는 경우 누적되는 비선형 위상 천이(B-integral)에 의한 펄스 왜곡 현상이 두드러지며, 이를 완화하기 위해 취하는 통상의 방법은 코어에 첨가되는 Yb3+의 농도를 증가시켜 광섬유의 펌프 흡수율을 증가시키는 것이나, Yb3+의 농도 증가는 코어의 굴절률 증가로 이어져 빔의 품질(beam quality) 및 클러스터 형성으로 인한 광흑화(photo darkening) 현상이 발생할 가능성이 높아질 수 있으나, 상기 선행기술에서는 Yb3+,Al3+ 및 P5+이온이 코어에 첨가되어 있고, 코어 주변에는 클래드가 위치하고 있으며, 코어에서의 Al3+과 P5+이온의 몰농도 관계가 Al3+ = P5+ , Al3+ > P5+ 및 Al3+ < P5+ 인 경우에 있어서의 Yb3+, Al3+ 및 P5+이온의 몰농도 부등식을 통해 광섬유를 정의하였고, Yb3+과 더불어 첨가되는 Al3+ 및 P5+이온의 농도 비율을 선택하여 높은 Yb3+농도에서도 광흑화 현상 발생 가능성을 낮추고, 동시에 코어 굴절률의 증가를 최소화하여 빔의 품질(beam quality)을 우수하게 유지할 수 있는 방법을 제시하고 있으며, 도 1에서는 이 경우에 있어서의 P5+ 함량 변화에 따른 굴절률 변화를 나타내고 있다. On the other hand, briefly describing the prior art existing in the field to which the technology of the present invention belongs. First, U.S. Patent Laid-Open Publication US 2011/0206341 A1 is a conventional optical fiber with excellent beam characteristics due to the addition of Yb ions and low NA values. As a result, when the optical fiber medium is used to amplify the ultrashort pulse laser, the phenomenon of pulse distortion due to the accumulated nonlinear phase shift (B-integral) is remarkable, and the usual method taken to mitigate this is Yb 3 added to the core. Increasing the concentration of + increases the pump absorption rate of the optical fiber, but increasing the concentration of Yb 3+ leads to an increase in the refractive index of the core, resulting in the possibility of photo darkening due to beam quality and cluster formation. May increase, but in the prior art, Yb 3+ , Al 3+ and P 5+ ions are added to the core, a clad is located around the core, and the molar concentration of Al 3+ and P 5+ ions in the core In the case where the relationship is Al 3+ = P 5+ , Al 3+ > P 5+ and Al 3+ <P 5+ , the optical fiber is formed through the molar inequalities of Yb 3+ , Al 3+ and P 5+ ions. was defined, the quality of the Al 3+, and P 5+, select ion concentration ratio and the lower the likelihood of developing the light darkening, even at high concentration Yb 3+, and at the same time minimizing the increase in the refractive index of the core beam to be added, with Yb 3+ ( beam quality), and FIG. 1 shows the change in refractive index according to the change in the P 5+ content in this case.

그러나, Yb Al:P 조성이 높으면 인덱스 프로파일(index profile)의 조절이 어렵고 백그라운드 로스(background loss)를 낮게 유지하기가 어려운 단점이 있으며, 또한 이온들의 불균일한 분포는 광섬유 코어의 굴절률 분포를 왜곡시키는 문제점을 포함한다. However, if the composition of Yb Al:P is high, it is difficult to control the index profile and it is difficult to keep the background loss low, and the uneven distribution of ions distorts the refractive index distribution of the optical fiber core. Includes problems.

또한, 미국특허공개공보 US 2013/0114129 A1 는 증폭 매질인 Yb 이 첨가된 광섬유를 광결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber, PCF) 구조를 사용하여 구현한 광섬유 레이저 및 증폭기를 제시하고 있으며, 이의 대표적인 구조를 도 2에 도시하였다.In addition, U.S. Patent Publication No. 2013/0114129 A1 proposes a fiber laser and amplifier implemented by using a photonic crystal fiber (PCF) structure in which an optical fiber to which Yb, an amplification medium is added, is implemented, and a representative structure thereof is shown. It is shown in 2.

상기 도 2에서의 넓은 면적 모드 광섬유 개발을 위한 광결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber)의 단면내 1은 광섬유, 2는 코어, 3은 클래딩, 4는 굴절률이 다른 매질을 각각 도시하고 있으나, 이는 복잡한 구조로 인해 다른 광섬유와의 융착이 어려워, 광섬유 증폭기를 구성하는데 있어서 제약이 따르는 단점이 있다. In the cross-section of the photonic crystal fiber for the development of a wide area mode optical fiber in FIG. 2, 1 is an optical fiber, 2 is a core, 3 is a cladding, and 4 is a medium having different refractive indices. Therefore, it is difficult to fusion with other optical fibers, and there is a disadvantage in that there are limitations in configuring the optical fiber amplifier.

따라서, 레이저 빔의 품질(beam quality(M2))이 우수하며, 광섬유간 융착이 용이하고, 광섬유를 지나며 누적되는 비선형 위상 천이(B-integral)를 최소화하기 위해 단위길이당 광섬유의 펌프레이저 흡수율이 높은 광섬유 및 이를 이용하여 광섬유 기반의 펄스 레이저 증폭 시스템을 구성함으로써, 개선된 특성의 광증폭기 및 이를 포함하는 극초단 펄스 광섬유 레이저 장치의 개발 필요성은 현재까지도 지속적으로 요구되고 있다.Therefore, the laser beam quality (beam quality (M 2 )) is excellent, the fusion between optical fibers is easy, and the pump laser absorption rate of the optical fiber per unit length is minimized to minimize the nonlinear phase shift (B-integral) accumulated through the optical fiber. By constructing an optical fiber-based pulse laser amplification system using the high optical fiber and the same, the need for development of an optical amplifier with improved characteristics and an ultra-short pulsed optical fiber laser device including the same is continuously required to this day.

미국특허공개공보 US 2011/0206341 A1 (공개일: 2011.08.25)US Patent Publication No. US 2011/0206341 A1 (Publication date: 2011.08.25) 미국특허공개공보 US 2013/0114129 A1 (공개일 : 2013.05.09)US Patent Publication No. US 2013/0114129 A1 (Publication date: 2013.05.09)

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 광섬유 기반의 펄스 레이저 증폭 시스템을 구성하는 데 있어, 광섬유를 지나며 누적되는 비선형 위상 천이(B-integral)를 최소화하기 위해 단위길이당 광섬유의 펌프레이저 흡수율이 높은 광섬유를 이용한 광증폭기 및 이를 포함하는 극초단 펄스 광섬유 레이저 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problem, in constructing an optical fiber-based pulse laser amplification system, in order to minimize the nonlinear phase shift (B-integral) accumulated through the optical fiber, the pump laser of the optical fiber per unit length An object of the present invention is to provide an optical amplifier using an optical fiber having a high absorption rate and an ultra-short pulsed fiber laser device including the same.

또한, 본 발명은 광섬유를 지나며 누적되는 비선형 위상 천이(B-integral)를 최소화하기 위해 단위길이당 광섬유의 펌프레이저 흡수율이 높고, 레이저 빔의 품질(beam quality(M2))이 우수하며, 광섬유간 융착이 용이한 광섬유를 제공하는데 또 다른 발명의 목적이 있다.In addition, the present invention has a high pump laser absorption rate of the optical fiber per unit length in order to minimize the nonlinear phase shift (B-integral) accumulated through the optical fiber, and the quality of the laser beam (beam quality (M 2 )) is excellent, and the optical fiber Another object of the present invention is to provide an optical fiber that can be easily fused between.

본 발명은 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 포함하는 광증폭기를 제공한다. The present invention provides an optical amplifier including a step index large mode area fiber.

본 발명에 따른 광증폭기에 있어서, 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 광신호의 전송 및 증폭에 적합한 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하며, 상기 광섬유의 코어(core)에는 전체 코어 성분 대비, 이터븀(Yb) 함량이 0.2 내지 10 wt%로 포함되고, 알루미늄(Al) 함량 및 인(P)의 함량이 각각 0.5 내지 25 wt%로 포함되고, 상기 클래드(clad)는 전체 클래드 성분 대비, 게르마늄(Ge) 함량이 1 내지 40 wt%로 포함될 수 있다.In the optical amplifier according to the present invention, the stepped wide mode area optical fiber includes a core suitable for transmission and amplification of an optical signal and a clad surrounding the core, and the core of the optical fiber includes a total core component, Ytterbium (Yb) content is included in 0.2 to 10 wt%, aluminum (Al) content and phosphorus (P) content are included in 0.5 to 25 wt%, respectively, and the clad is compared to the total clad component, The germanium (Ge) content may be included in an amount of 1 to 40 wt%.

일 실시예로서, 상기 광섬유의 길이는 1.5 m 이하일 수 있다.As an embodiment, the length of the optical fiber may be 1.5 m or less.

일 실시예로서, 상기 광섬유는 클래드의 펌프 흡수율이 10 dB/m 이상일 수 있다.As an embodiment, the optical fiber may have a pump absorption rate of the clad of 10 dB/m or more.

일 실시예로서, 전체 코어 성분 대비, 상기 코어내 이터븀(Yb) 함량이 0.3 내지 8 wt% 의 범위이고, 알루미늄(Al)의 함량은 2 내지 20 wt% 의 범위이며, 인(P)의 함량은 5 내지 25 wt% 의 범위일 수 있다.As an example, compared to the total core component, the content of ytterbium (Yb) in the core is in the range of 0.3 to 8 wt%, the content of aluminum (Al) is in the range of 2 to 20 wt%, and The content can range from 5 to 25 wt%.

일 실시예로서, 상기 클래드(clad)내 게르마늄(Ge)의 함량은 전체 클래드 성분 대비, 2 내지 30wt% 의 범위일 수 있다.As an example, the content of germanium (Ge) in the clad may be in the range of 2 to 30 wt% relative to the total clad component.

일 실시예로서, 상기 광증폭기는 계단형 넓은 모드 면적 광섬유에 펌프 컴바이너(pump combiner), 펌프 광원 중에서 선택된 적어도 하나이상이 광학적으로 연결되어 있을 수 있다.In one embodiment, the optical amplifier may have at least one selected from a pump combiner and a pump light source optically connected to a stepped wide mode area optical fiber.

일 실시예로서, 상기 광섬유는 코어 및 클래드가 각각 실리카 매트릭스 일 수 있다.As an embodiment, the core and the clad of the optical fiber may each be a silica matrix.

일 실시예로서, 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 지름 0.5 cm ~ 500 cm 이내의 원형 또는 타원형으로 대기중에서 감겨 배치되거나, 또는 단면이 원통형 또는 다각형의 관 또는 튜브의 외부면에 감겨 배치되어 광 증폭기에 사용될 수 있다.As an embodiment, the step-shaped wide mode optical fiber is arranged by being wound around the air in a circular or elliptical shape within a diameter of 0.5 cm to 500 cm, or wound around the outer surface of a cylindrical or polygonal tube or tube having a cross-section. Can be used for

본 발명은 또한, 본 발명에 따른 상기 광증폭기를 포함하며, 압축 후 출력 펄스 기준으로 100 ps ~ 10 fs 이내의 극초단 펄스를 사용하는 극초단 펄스 레이저 장치를 제공할 수 있다.The present invention may also provide an ultra-short pulse laser device including the optical amplifier according to the present invention, and using an ultra-short pulse within 100 ps to 10 fs based on an output pulse after compression.

본 발명은 또한, 광섬유의 제조방법으로서, a) 내부에 동공을 형성한 세라믹 튜브에 Si 전구체 및 Ge 전구체의 혼합 가스를 각각 투입하여 실리카-게르마늄 산화층으로 이루어진 클래드를 형성하는 단계; b) 상기 클래드의 내부에 포스포-실리케이트 수트(soot)를 화학기상증착에 의해 형성하고 상기 포스포 실리케이트 수트에 용액 도핑을 통해 이터븀(Yb) 및 알루미늄(Al) 이온을 도입하여, 상기 세라믹 튜브가 표면을 감싼 형태의 광섬유 프리폼을 형성하는 단계; c) 상기 세라믹 튜브를 제거함으로써, 게르마늄 이온이 도핑된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어로 이루어진 광섬유 프리폼을 형성하는 단계; 및 d) 상기 광섬유 프리폼을 가공하여 광섬유를 뽑아내는 단계;를 포함하는, 게르마늄 이온이 도핑된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어로 이루어진 광섬유의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing an optical fiber, comprising the steps of: a) forming a clad made of a silica-germanium oxide layer by introducing a mixture gas of a Si precursor and a Ge precursor into a ceramic tube having a cavity formed therein; b) phospho-silicate soot is formed inside the clad by chemical vapor deposition, and ytterbium (Yb) and aluminum (Al) ions are introduced into the phospho-silicate soot through solution doping, and the ceramic Forming an optical fiber preform in which the tube surrounds the surface; c) forming an optical fiber preform comprising a clad doped with germanium ions and a core doped with ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) in the clad by removing the ceramic tube; And d) processing the optical fiber preform to extract the optical fiber; including, a clad doped with germanium ions, and a core doped with ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) inside the clad. It provides a method of manufacturing an optical fiber.

본 발명은 또한 상기 기재된 제조방법에 의해 얻어지는 광섬유 및 상기 광섬유를 포함하는 광증폭기를 제공한다..The present invention also provides an optical fiber obtained by the above-described manufacturing method and an optical amplifier comprising the optical fiber.

본 발명에 따른, 광섬유의 코어(core)에 이터븀(Yb), 알루미늄(Al) 및 인(P) 성분이 각각 도핑되고, 또한 클래드(clad)에 게르마늄(Ge) 성분이 도핑된 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 이용한 광증폭기는 상기 광섬유를 통해 20 dB/m 이상의 높은 코어 펌프 흡수율을 달성함과 동시에 광흑화(Photo darkening)현상을 억제하고, 코어의 NA(Numerical Aperture)를 0.07이하로 유지하여 빔 프로파일(beam profile)을 우수하게 유지할 수 있는 장점을 가진다.According to the present invention, the core of an optical fiber is doped with ytterbium (Yb), aluminum (Al), and phosphorus (P), respectively, and the clad is doped with germanium (Ge). An optical amplifier using a step index large mode area fiber achieves a high core pump absorption rate of 20 dB/m or more through the optical fiber, suppresses photo darkening, and reduces core NA (Numerical It has the advantage of maintaining an excellent beam profile by maintaining the aperture) below 0.07.

또한, 본 발명에 따른, 코어(core)에 이터븀(Yb), 알루미늄(Al) 및 인(P) 이온이 각각 도핑되고, 또한 클래드(clad)에 게르마늄(Ge) 이온이 도핑된 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 사용하는 경우에, 본 발명에 따른 광증폭기는 증폭 광섬유의 길이를 1.5 m 이하, 보다 바람직하게는 1 m 이하로 유지하여 증폭 시스템 내 비선형 효과를 최소화하면서 동시에 충분한 증폭 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다. In addition, according to the present invention, the core is doped with ytterbium (Yb), aluminum (Al), and phosphorus (P) ions, respectively, and the clad is doped with germanium (Ge) ions. In the case of using a step index large mode area fiber, the optical amplifier according to the present invention minimizes the nonlinear effect in the amplification system by maintaining the length of the amplifying optical fiber to 1.5 m or less, more preferably 1 m or less. At the same time, it has the advantage of obtaining a sufficient amplification effect.

또한, 종래 기술에 따른 광섬유는 융착 과정에서 투과 효율이 크게 떨어지기 때문에 고가의 융착기 사용이 필수적이며, 융착 과정에서도 주의가 요구되어 대량 생산에 있어서도 어려움이 있었으나, 본 발명에 따른 광섬유는 일반적인 융착기를 사용해도 안정적으로 높은 투과효율을 얻을 수 있는 추가의 장점을 가진다. In addition, since the transmission efficiency of the optical fiber according to the prior art is greatly reduced in the fusing process, it is essential to use an expensive fusing machine, and caution is required in the fusing process, and thus there is difficulty in mass production, but the optical fiber according to the present invention has a general fusing device. It has an additional advantage of stably obtaining high transmission efficiency even when used.

도 1은 종래 기술에 따른 광섬유에 있어서, 인(P5+) 함량 변화에 따른 광섬유의 굴절률 변화를 나타낸 그림이다.
도 2는 종래 기술에 따른 넓은 면적 광섬유 개발을 위한 광결정 광섬유(Photonic Crystal Fiber)의 단면을 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 활용한 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 타입의 고출력 극초단 펄스 레이저 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 계단형 넓은 모드 면적 광섬유 기반의 주 증폭단이 2단으로 구성된 극초단 펄스 레이저 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 프리폼(preform)으로부터 얻어진(drawing) 광섬유의 단면 이미지(4a)와 굴절률 분포(3b)를 보여주는 그래프를 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유의 에너지분산형 분광분석법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)를 통해 측정한 이온 농도 분포 그래프(4a) 및 광섬유의 측정된 흡수율(4b)을 도시한 그림이다.
도 7는 본 발명에 따른 광섬유의 증폭 특성을 확인하기 위한 증폭기의 구성 개략도이다.
도 8은 도 7에 따른 광섬유의 증폭 특성에 대한 실험결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram showing a change in refractive index of an optical fiber according to a change in phosphorus (P5 + ) content in an optical fiber according to the prior art.
2 is a diagram showing a cross-section of a photonic crystal fiber for developing a wide area optical fiber according to the prior art.
3 is a schematic diagram of a high-power ultra-short pulse laser device of a Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) type using an optical fiber according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of an ultrashort pulse laser device in which the main amplification stage based on the stepped wide mode area optical fiber is configured in two stages according to the present invention.
5 is a diagram showing a graph showing a cross-sectional image 4a and a refractive index distribution 3b of an optical fiber obtained from a preform according to the present invention.
6 is a graph showing an ion concentration distribution graph (4a) measured through an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) of an optical fiber according to the present invention and a measured absorption rate (4b) of the optical fiber.
7 is a schematic diagram of an amplifier for confirming the amplification characteristics of an optical fiber according to the present invention.
8 is a graph showing the experimental results for the amplification characteristics of the optical fiber according to FIG. 7.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 광섬유 레이저 증폭 모듈의 냉각 장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a cooling apparatus for an optical fiber laser amplification module according to the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. .

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.In each drawing of the present invention, the size or dimensions of the structures are shown to be enlarged or reduced than in actuality for the sake of clarity of the present invention, and the known configurations have been omitted so as to reveal a characteristic configuration, so the drawings are not limited thereto. .

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따른 광 증폭기는 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 포함하는 광증폭기로서, 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 광신호의 전송 및 증폭에 적합한 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하며, 상기 광섬유의 코어(core)에는 전체 코어 성분 대비, 이터븀(Yb) 함량이 0.2 내지 10 wt%로 포함되고, 알루미늄(Al) 함량 및 인(P)의 함량이 각각 0.5 내지 25 wt%로 포함되고, 상기 클래드(clad)는 전체 클래드 성분 대비, 게르마늄(Ge) 함량이 1 내지 40 wt%로 포함된 것을 특징으로 한다.The optical amplifier according to the present invention is an optical amplifier including a step index large mode area fiber, wherein the step index large mode area fiber includes a core suitable for transmission and amplification of an optical signal and surrounding the core. Contains a clad, and the core of the optical fiber contains a ytterbium (Yb) content of 0.2 to 10 wt% relative to the total core component, and an aluminum (Al) content and a phosphorus (P) content of 0.5, respectively. To 25 wt%, and the clad is characterized in that the content of germanium (Ge) is 1 to 40 wt% relative to the total clad component.

한편, 본 발명에 따른 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유내 코어 및 클래드에 도핑되는 각각의 성분에 대한 더욱 바람직한 예로서는, 코어의 경우, 이터븀(Yb) 함량은 0.3 내지 8 wt%, 더욱 바람직하게는 1 내지 7 wt% 의 범위를 가질 수 있고, 알루미늄(Al)의 함량은 2 내지 20 wt%, 더욱 바람직하게는 5 내지 16 wt% 의 범위를 가질 수 있고, 인(P)의 함량은 5 내지 25 wt%, 더욱 바람직하게는 8 내지 23 wt% 의 범위를 가질 수 있다. 또한 클래드내 게르마늄의 함량은 바람직하게는 전체 클래드 성분 대비, 2 내지 30 wt%, 더욱 바람직하게는 5 내지 25 의 범위를 가질 수 있다.Meanwhile, as a more preferable example of each component doped to the core and clad in the stepped wide mode area optical fiber according to the present invention, in the case of the core, the ytterbium (Yb) content is 0.3 to 8 wt%, more preferably It may have a range of 1 to 7 wt%, the content of aluminum (Al) may have a range of 2 to 20 wt%, more preferably 5 to 16 wt%, and the content of phosphorus (P) is 5 to It may have a range of 25 wt%, more preferably 8 to 23 wt%. In addition, the content of germanium in the clad may preferably have a range of 2 to 30 wt%, more preferably 5 to 25, based on the total clad component.

여기서, 본 발명에서의 코어 및/또는 클래드내 각각의 성분의 함량은 코어 성분의 경우에, 코어를 이루는 조성물의 전체 중량 대비 개별 성분(원소)가 차지하는 중량을 나타내는 것이며, 또한 클래드 성분의 경우에도 마찬가지로, 클래드를 이루는 조성물의 전체 중량 대비 개별 성분(원소)가 차지하는 중량을 나타내는 것을 의미한다. 즉, 인(P) 함량이 0.5 내지 25 wt% 의 범위로 포함되는 것은 전체 코어의 조성물의 질량 대비, 이온 형태 등으로 존재하는 코어내에 인(P) 원소의 총질량이 0.5 내지 15 wt% 임을 의미한다.Here, the content of each component in the core and/or clad in the present invention represents the weight occupied by the individual component (element) relative to the total weight of the composition constituting the core in the case of the core component, and also in the case of the clad component Similarly, it means representing the weight occupied by individual components (elements) relative to the total weight of the composition constituting the clad. That is, when the phosphorus (P) content is included in the range of 0.5 to 25 wt%, the total mass of the phosphorus (P) element in the core present in ionic form, etc. is 0.5 to 15 wt% relative to the mass of the composition of the entire core. it means.

이러한, 본 발명에 따른 광증폭기를 포함하는 레이저 장치는 디스플레이, 반도체/솔라셀 가공, 안과시술, 마킹 및 표면처리 등 초미세 가공분야 의 용도에 활용되는 레이저 장치에 가능하나 이에 제한되지 않는다.The laser device including the optical amplifier according to the present invention is possible for a laser device used in ultra-fine processing fields such as displays, semiconductor/solar cell processing, ophthalmic procedures, marking and surface treatment, but is not limited thereto.

한편, 배경기술에서 기재된 바와 같이, 광섬유의 길이가 1 m 이상 길어지게 되면, 이로 인해 비선형 위상 천이 누적값(B-integral)이 상대적으로 크며, 이로 인해 레이저 스펙트럼이 왜곡되고 펄스의 품질(pulse quality)이 낮아지는 문제점이 발생하며, 이를 위해 증폭 광섬유의 길이를 줄이기 위해서는 광섬유에 첨가된 이터븀(Yb3+) 이온의 첨가 정도를 높여야 하는데, 이 경우 광섬유 코어의 개구수(NA)가 증가하여 빔의 품질(beam quality(M2))이 낮아지는 단점과 함께, 이터븀(Yb3+) 이온간에 응집화(clustering) 현상이 발생할 가능성이 높아져 광흑화(photodarkening) 현상이 발생할 수 있다. On the other hand, as described in the background art, when the length of the optical fiber becomes longer than 1 m, the nonlinear phase shift accumulation value (B-integral) is relatively large, resulting in distortion of the laser spectrum and pulse quality. ) Decreases, and in order to reduce the length of the amplified optical fiber, the degree of addition of ytterbium (Yb3+) ions added to the optical fiber must be increased. In this case, the numerical aperture (NA) of the optical fiber core increases and the beam Along with the disadvantage of lowering the quality (beam quality (M 2 )), the possibility of clustering between ytterbium (Yb3+) ions increases, and photodarkening may occur.

따라서, 이러한 문제점에 대한 개선에 관한 연구를 진행하던 중, 본 발명자들은 광섬유의 코어(core)에 Yb3+, Al3+, P5+이온이, 클래드(clad)에 Ge 이온이 각각 특정 함량의 범위로 첨가되어 있는 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 제작하여 증폭매질로 활용하는 경우에 상기 문제점을 해결할 수 있음을 발견하였다. Therefore, while researching on improvement of these problems, the inventors of the present invention have a specific content of Yb 3+ , Al 3+ , P 5+ ions in the core of the optical fiber, and Ge ions in the clad. It has been found that the above problem can be solved when a step index large mode area fiber added in the range of is manufactured and used as an amplification medium.

즉, 본 발명은 평균출력이 상대적으로 낮은 펄스 레이저의 출력을 증폭하는 데 있어서, 증폭매질로서 광섬유의 코어(core)에 이터븀(Yb3+), 알루미늄(Al3+), 인(P5+) 이온이 각각 특정 범위의 함량으로 첨가되어 있고, 또한 광섬유의 클래드(clad)에 게르마늄(Ge4+)이온이 특정 범위의 함량으로 첨가된 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 증폭기에 사용하는 것을 특징으로 한다.That is, in the present invention, in amplifying the output of a pulsed laser having a relatively low average power, ytterbium (Yb 3+ ), aluminum (Al 3+ ), and phosphorus (P 5) are applied to the core of the optical fiber as an amplification medium. + ) Ions are added in a specific range, and germanium (Ge 4+ ) ions are added to the clad of the optical fiber in a specific range. ) Is used for an amplifier.

본 발명에 따른 광섬유를 이용한 광증폭기는 광섬유를 이용한 펄스 레이저 장치내 증폭 시스템으로 사용될 수 있는 것으로서, 출력이 작은 시드(seed) 레이저와 고출력의 펌프 레이저를 증폭 광섬유 등의 증폭 매질에 동시에 입사시켜 시드(seed) 레이저의 출력을 증폭시킬 수 있다.The optical amplifier using an optical fiber according to the present invention can be used as an amplification system in a pulse laser device using an optical fiber, and a seed laser having a small output and a pump laser having a high power are simultaneously incident on an amplifying medium such as an amplifying optical fiber to be seeded. (seed) It can amplify the output of the laser.

일반적으로 광 증폭기는 증폭을 위한 광섬유와 이를 지지하는 지지부를 포함할 수 있으며, 여기에 펌프 레이저 다이오드(pump LD) 등의 펌프 광원, 펌프 컴바이너(pump combiner), WDM(Wavelength Division Multiplexor), 펌프 컴바이너 아이솔레이터 모드 스트리퍼(pump combiner isolator mode stripper), 펌프 덤프(pump dump) 등의 소자를 포함할 수 있다. In general, an optical amplifier may include an optical fiber for amplification and a support portion supporting the same, and include a pump light source such as a pump laser diode (pump LD), a pump combiner, a Wavelength Division Multiplexor (WDM), and Devices such as a pump combiner isolator mode stripper and a pump dump may be included.

한편, 본 발명에 따른 광증폭기를 제공하기 위해 이에 사용되는 광섬유는 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 사용할 수 있다. 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 클래드 흡수가 20 dB/m 이상이고, 클래드 굴절률이 실리카 보다 높은 특성을 나타낼 수 있다.Meanwhile, as an optical fiber used therein to provide the optical amplifier according to the present invention, a step index large mode area fiber may be used. The stepped wide mode area optical fiber may exhibit a clad absorption of 20 dB/m or more and a clad refractive index higher than that of silica.

한편, 본 발명에 따른 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)는 광신호의 전송 및 증폭에 적합한 중심부의 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함 한다. Meanwhile, the step index large mode area fiber according to the present invention includes a core at a center suitable for transmission and amplification of an optical signal and a cladding surrounding the core.

여기서, 상기 코어는 원기둥 형상을 가질 수 있으며 클래드는 코어를 감싸도록 원형 실린더 형상을 가질 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한 상기 광섬유는, 레이저 빔을 전송하면서 레이저 빔의 파워를 증폭시킬 수 있다. Here, the core may have a cylindrical shape, and the clad may have a circular cylinder shape to surround the core, but is not limited thereto. In addition, the optical fiber may amplify the power of the laser beam while transmitting the laser beam.

이러한 광섬유를 제조하기 위해, 본 발명은 광섬유 프리폼을 먼저 제조하고 상기 프리폼을 드로잉 등을 통하여 가공하여 광섬유를 뽑아낼 수 있다.In order to manufacture such an optical fiber, according to the present invention, an optical fiber preform is first manufactured, and the optical fiber can be extracted by processing the preform through drawing or the like.

이를 보다 상세히 살펴보면 본 발명에 따른 광섬유의 제조방법은 a) 내부에 동공을 형성한 세라믹 튜브에 Si 전구체 및 Ge 전구체의 혼합 가스를 각각 투입하여 실리카-게르마늄 산화층으로 이루어진 클래드를 형성하는 단계; b) 상기 클래드의 내부에 포스포-실리케이트 수트(soot)를 화학기상증착에 의해 형성하고 상기 포스포 실리케이트 수트에 용액 도핑을 통해 이터븀(Yb) 및 알루미늄(Al) 이온을 도입하여, 상기 세라믹 튜브가 표면을 감싼 형태의 광섬유 프리폼을 형성하는 단계; c) 상기 세라믹 튜브를 제거함으로써, 게르마늄 이온이 도핑된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어로 이루어진 광섬유 프리폼을 형성하는 단계; 및 d) 상기 광섬유 프리폼을 가공하여 광섬유를 뽑아내는 단계;를 포함할 수 있고, 이러한 방식에 의해 게르마늄 이온이 도핑된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어로 이루어진 광섬유를 얻을 수 있다.Looking at this in more detail, the method of manufacturing an optical fiber according to the present invention includes the steps of: a) forming a clad made of a silica-germanium oxide layer by introducing a mixture gas of a Si precursor and a Ge precursor into a ceramic tube having a cavity formed therein; b) phospho-silicate soot is formed inside the clad by chemical vapor deposition, and ytterbium (Yb) and aluminum (Al) ions are introduced into the phospho-silicate soot through solution doping, and the ceramic Forming an optical fiber preform in which the tube surrounds the surface; c) forming an optical fiber preform comprising a clad doped with germanium ions and a core doped with ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) in the clad by removing the ceramic tube; And d) processing the optical fiber preform to extract the optical fiber; and a clad doped with germanium ions by this method, and ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) inside the clad. ), it is possible to obtain an optical fiber made of a doped core.

이하에서는 상기 광섬유의 제조방법을 각 단계별로 구체화하여 설명하기로 한다. Hereinafter, the method of manufacturing the optical fiber will be described in detail in each step.

우선, 첫 번째 단계로서, 내부에 동공을 형성한 세라믹 튜브에 실리카-게르마늄 산화층으로 이루어진 클래드를 형성하는 단계(a)단계)는 광섬유를 제조하기 위한 프리폼의 외부에 해당하는 클래드 부분을 세라믹 튜브내 동공의 안쪽에 화학기상증착 등에 의해 형성하는 단계이다. 이를 위해 c) 단계에서 제거 가능한 세라믹 튜브를 사용하되, 상기 세라믹 튜브에 Si 전구체 및 Ge 전구체의 혼합 가스를 각각 투입하여 다층의 GeO2-SiO2 층을 형성되도록 한다. 이때 사용되는 세라믹 튜브로서는 실리카 튜브를 사용할 수 있고, Si 전구체로서 SiCl4를, Ge 전구체로서 GeCl4 를 사용할 수 있다. First, as a first step, the step (a) of forming a clad made of a silica-germanium oxide layer on a ceramic tube with a cavity formed therein (step (a)) is a cladding part corresponding to the outside of the preform for manufacturing an optical fiber into the ceramic tube. It is a step of forming by chemical vapor deposition on the inside of the pupil. For this, a ceramic tube that can be removed in step c) is used, and a mixed gas of a Si precursor and a Ge precursor is respectively added to the ceramic tube to form a multi-layered GeO 2 -SiO 2 layer. At this time, it is possible to use the silica tube as the ceramic tube to be used, it is possible to use the GeCl 4 SiCl 4 as the Si precursor and a Ge precursor.

이 과정에서 증착온도는 1000 ~ 1800 ℃ 의 범위가 사용될 수 있고, 높은 온도로 인해 튜브가 닫힐 수 있기 때문에 역방향 압력 조절(backward pressurizing) 시스템이 적용된다. 또한 증착 중 형성되는 온도 기울기는 가스 흘림 속도(gas flow rate)와 버너의 온도를 조절하여 보상함으로써 분자가 확산되는 힘이 평형을 이루도록 한다. In this process, a deposition temperature in the range of 1000 ~ 1800 ℃ can be used, and because the tube can be closed due to high temperature, a backward pressurizing system is applied. In addition, the temperature gradient formed during deposition is compensated by adjusting the gas flow rate and the temperature of the burner, so that the force through which molecules are diffused is balanced.

두 번째 단계로서, 이터븀(Yb3+), 인(P5+) 및 알루미늄(Al3+) 이온을 코어에 증착시키는 단계(b)단계)는 광섬유를 제조하기 위한 프리폼의 내부에 해당하는 코어 부분을 형성하는 단계이다. 이를 위해 상기 클래드의 내부에 포스포-실리케이트 수트(Phosphosilicate soot, P2O5-SiO2)를 화학기상증착에 의해 형성하고, 프리 신터링(pre-sintering) 단계를 거치며 다공성(porosity)을 조절하며, 안정화한다. 다음으로 용액 도핑(solution doping technique)을 통해 Yb3+, Al3+이온이 공급되고 최종적으로 수트(soot)을 신터링(sintering) 한 후 튜브(tube)를 닫고 상기 실리카 튜브 등의 세라믹 튜브가 표면을 감싼 형태의 광섬유 프리폼을 완성한다. 이 과정에서 높은 증기압으로 인해 증발되는 인(P5+)이온을 보충해주기 위해 POCl3을 강하게 주입해준다. As the second step, the step (b) of depositing ytterbium (Yb 3+ ), phosphorus (P 5+ ), and aluminum (Al 3+ ) ions on the core) corresponds to the inside of the preform for manufacturing an optical fiber. This is the step of forming the core part. To this end, a phospho-silicate soot (P 2 O 5 -SiO 2 ) is formed in the interior of the clad by chemical vapor deposition, and the porosity is controlled through a pre-sintering step. And stabilizes. Next, Yb 3+ and Al 3+ ions are supplied through a solution doping technique, and finally, after sintering a soot, the tube is closed, and the ceramic tube such as the silica tube is removed. Complete the optical fiber preform in the form of wrapping the surface. In this process, POCl 3 is strongly injected to replenish phosphorus (P 5+ ) ions that are evaporated due to high vapor pressure.

세 번째 단계로서, 증착된 클래드 바깥쪽의 상기 세라믹 튜브를 제거하여 광섬유 프리폼을 형성하는 단계(c)단계)는 앞서 b) 단계에서 얻어진, 실리카 튜브 등의 세라믹 튜브내 게르마늄 이온이 도핑되고 증착된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어를 포함하는 세라믹 튜브-광섬유 프리폼 복합체로부터 상기 세라믹 튜브를 제거함으로써, 광섬유 프리폼을 완성하는 단계에 해당한다.As a third step, step (c)) of forming an optical fiber preform by removing the ceramic tube outside the deposited clad is performed by doping and depositing germanium ions in a ceramic tube such as a silica tube obtained in step b) above. Corresponds to the step of completing an optical fiber preform by removing the ceramic tube from a clad and a ceramic tube-optical fiber preform composite comprising a core doped with ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) inside the clad. do.

여기서, 상기 클래드 바깥쪽의 세라믹 튜브는 HF 에칭 및/또는 기계적 밀링(mechanical milling) 등의 방식에 의해 쉽게 제거할 수 있다.Here, the ceramic tube outside the clad can be easily removed by a method such as HF etching and/or mechanical milling.

마지막 단계로서, 상기 광섬유 프리폼을 가공하여 광섬유를 제조하는 단계(d)단계)는 상기 프리폼으로부터 뽑아내는(drawing) 방식에 의해 광섬유를 제조할 수 있고, 이는 통상적으로 광섬유 인출 설비에 탑재하고, 상기 광섬유 프리폼의 끝단을 용융시켜서 인출할 수 있다. 인출된 광섬유는 자외선 경화성 수지 또는 열경화성 수지로 코팅되고, 자외선이나 열로 상기 수지를 경화시켜서 외피를 형성할 수 있고, 상기 외피는 광섬유의 기계적 강도를 증가시킴으로써, 광섬유를 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. As a final step, step (d)) of manufacturing an optical fiber by processing the optical fiber preform can manufacture an optical fiber by drawing from the preform, which is usually mounted on an optical fiber extraction facility, and the It can be pulled out by melting the end of the optical fiber preform. The drawn optical fiber is coated with an ultraviolet curable resin or a thermosetting resin, and the outer layer may be formed by curing the resin with ultraviolet or heat, and the outer layer may protect the optical fiber from the external environment by increasing the mechanical strength of the optical fiber.

이때, 상기 프리폼은 지름 5 ~ 20 mm, 길이 0.1 ~ 1 m 정도의 것을 사용할 수 있으며, 광섬유의 코어/클래드의 크기와 조성비, 굴절률 등의 광섬유의 특성은 상기 프리폼(preform)의 형성 단계에서 이미 결정되며, 상기 d) 단계의 광섬유를 뽑아내는(drawing) 단계는 이미 결정된 특성의 광섬유를 길이방향으로 균일한 특성을 갖도록 온도나 속도 등을 제어하며 인출하는 단계에 해당된다. At this time, the preform may be used with a diameter of 5 to 20 mm and a length of about 0.1 to 1 m, and the characteristics of the optical fiber such as the size and composition ratio of the core/clad of the optical fiber, and the refractive index are already in the formation step of the preform. It is determined, and the step of drawing the optical fiber of step d) corresponds to the step of controlling the temperature or speed and drawing the optical fiber of the predetermined characteristic so as to have uniform characteristics in the longitudinal direction.

한편, 본 발명에 따른 상기 광증폭기는 상기 광섬유를 사용함에 따라, 광섬유의 길이가 1.5 m 이하인 것을 사용할 수 있고, 바람직하게는 1 m 이하의 광섬유를 사용할 수 있다.Meanwhile, as the optical amplifier according to the present invention uses the optical fiber, an optical fiber having a length of 1.5 m or less may be used, and preferably an optical fiber of 1 m or less may be used.

또한, 본 발명에 따른 상기 광증폭기는 상기 광섬유를 사용함에 따라, 클래드의 펌프 흡수율이 10 dB/m 이상일 수 있고, 바람직하게는 클래드의 펌프 흡수율이 20 dB/m 이상인 것을 사용할 수 있다.In addition, as the optical amplifier according to the present invention uses the optical fiber, the clad may have a pump absorption rate of 10 dB/m or more, and preferably, the clad pump absorption rate may be 20 dB/m or more.

또한, 본 발명에 따른 상기 광섬유의 제조방식에 따라, 바람직하게는 전체 코어 성분 대비, 상기 코어내 이터븀(Yb) 함량이 0.3 내지 8 wt% 의 범위이고, 알루미늄(Al)의 함량은 2 내지 20 wt% 의 범위이며, 인(P)의 함량은 5 내지 25 wt% 의 범위로 조절된 광섬유를 제공할 수 있고, 또한, 클래드(clad)에 게르마늄(Ge) 의 함량은 전체 클래드 성분 대비, 2 내지 30 wt% 의 범위인 광섬유를 제공할 수 있으며, 이때, 상기 광섬유는 코어 및 클래드가 각각 실리카 매트릭스 일 수 있다.In addition, according to the manufacturing method of the optical fiber according to the present invention, preferably, the content of ytterbium (Yb) in the core is in the range of 0.3 to 8 wt% relative to the total core component, and the content of aluminum (Al) is 2 to It is in the range of 20 wt%, and the content of phosphorus (P) can provide an optical fiber adjusted in the range of 5 to 25 wt%, and the content of germanium (Ge) in the clad is compared to the total clad component, An optical fiber in the range of 2 to 30 wt% may be provided, and in this case, the core and clad of the optical fiber may each be a silica matrix.

한편, 본 발명에 따른 광증폭기는 계단형 넓은 모드 면적 광섬유에 펌프 컴바이너(pump combiner), 펌프 광원 중에서 선택된 적어도 하나이상이 광학적으로 연결되어 있을 수 있고, 바람직하게는 펌프 광원-펌프 컴바이너-광섬유의 순서에 의해 연결될 수 있다. Meanwhile, in the optical amplifier according to the present invention, at least one selected from a pump combiner and a pump light source may be optically connected to a stepped wide mode area optical fiber, and preferably, a pump light source-pump combine. It can be connected by the sequence of u-optical fibers.

또한, 본 발명에 따른 상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 지름 0.5 cm ~ 500 cm 이내의 원형 또는 타원형으로 대기중에서 감겨 배치되거나, 또는 단면이 원통형 또는 다각형의 관 또는 튜브의 외부면에 감겨 배치되어 광섬유 증폭기에 사용될 수 있으며, 적절한 감기는 지름을 선택하여 적용함으로써 광섬유의 기본 모드(fundamental mode), 고차 모드(higher order mode)의 손실에 상대적인 차이를 두어, 결과적으로는 기본 모드(fundamental mode)가 우세한 펄스 출력을 확보할 수 있게 된다. 감기는 지름이 500 cm 이상일 경우에는 모드 간 상대 손실차이가 무의미할 정도로 작고, 감기는 지름이 0.5 cm 이하일 경우에는 기본 모드(fundamental mode)가 겪는 손실 또한 매우 크기 때문에 통상적으로 0.5 cm ~ 500 cm 이내에서 선택하여 적용한다. In addition, the stepped wide mode area optical fiber according to the present invention is arranged to be wound in the atmosphere in a circular or elliptical shape within a diameter of 0.5 cm to 500 cm, or wound around the outer surface of a cylindrical or polygonal tube or tube to have an optical fiber. It can be used in an amplifier, and by selecting and applying an appropriate winding diameter, it makes a relative difference in the loss of the fundamental mode and higher order mode of the optical fiber, and as a result, the fundamental mode is dominant. The pulse output can be secured. When the winding diameter is 500 cm or more, the relative loss difference between modes is meaninglessly small, and when the winding diameter is 0.5 cm or less, the loss experienced by the fundamental mode is also very large, so it is usually within 0.5 cm to 500 cm. Select from and apply.

또한, 본 발명은 상기 광섬유의 제조방법에 의해 얻어지는 광섬유, 상기 광섬유를 포함하는 광증폭기 및 상기 광증폭기를 포함하는 극초단 펄스 레이저 장치를 제공할 수 있다. 이때, 상기 극초단 펄스 레이저 장치는 압축 후 출력 펄스 기준으로 100 ps ~ 10 fs 범위의 극초단 펄스를 사용하는 레이저 장치 일 수 있다. In addition, the present invention can provide an optical fiber obtained by the manufacturing method of the optical fiber, an optical amplifier including the optical fiber, and an ultrashort pulse laser device including the optical amplifier. In this case, the ultrashort pulse laser device may be a laser device using an ultrashort pulse in a range of 100 ps to 10 fs based on an output pulse after compression.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 활용한 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 타입의 고출력 극초단 펄스 레이저 장치의 개략도를 도시하였다. 보다 상세하게는, 공진기(Oscillator, 1)에서 발진한 안정적이고 낮은 출력의 시드 레이저(seed laser)는 증폭에 앞서 광펼침기(Stretcher, 2)를 지나면서 충분히 낮은 첨두출력을 갖도록 시간축에서 펼쳐지고, 필요에 따라 사전 증폭단(Pre-amplifier, 3)를 통과하며 본 발명에 따른 광섬유(7), 아이솔레이터(4), 펌프 광원(5) 및 펌프 컴바이너(6)를 포함하는 주 증폭단(Main-amplifier)에서 높은 이득(Gain)을 갖도록 준비된다. 3 is a schematic diagram of a high-power ultra-short pulse laser device of a Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) type using an optical fiber according to an embodiment of the present invention. More specifically, the stable and low-power seed laser oscillated from the resonator (1) passes through the stretcher (2) prior to amplification and spreads in the time axis to have a sufficiently low peak power, If necessary, the main amplification stage (Main-Amplifier) passes through the pre-amplifier (3) and includes an optical fiber (7), an isolator (4), a pump light source (5), and a pump combiner (6) according to the present invention. amplifier) to have a high gain.

상기 사전증폭단(3)을 통과한 레이저는 역방향으로의 광의 전파를 막는 주 증폭단내 아이솔레이터(4)를 지난 후 펌프 컴바이너(pump combiner, 6)을 지나 광섬유(7)로 입사되며, 펌프광원(레이저 다이오드, 5) 또한 상기 펌프 컴바이너(pump combiner, 6)를 통해 광섬유(7)로 입사된다. The laser that has passed through the pre-amplification stage 3 passes through the isolator 4 in the main amplification stage that blocks the propagation of light in the reverse direction, passes through a pump combiner 6, and enters the optical fiber 7, and is a pump light source. (Laser diode, 5) is also incident on the optical fiber 7 through the pump combiner (6).

상기 광섬유(7)을 통과하며 증폭된 레이저는 압축기(8)을 통과하며 100 ps ~ 10 fs 범위의 극초단 펄스 레이저로 압축된다. 여기서 필요로 하는 펌프(pump) 출력과 펌프광원(pump LD)의 특성에 따라 펌프 컴바이너(pump combiner, 6)에 연결되는 펌프광원(pump LD, 5)가 두 개 이상이 되기도 한다. 여기서 주증폭단의 증폭매질인 계단형 넓은 모드 면적 광섬유(7)는 기본 모드(fundamental mode)를 제외한 고차 모드(higher order mode)를 제거할 목적으로 0.5 ~ 500 cm의 지름으로 감겨 사용되기도 한다. The laser amplified while passing through the optical fiber 7 passes through the compressor 8 and is compressed into an ultrashort pulse laser in the range of 100 ps to 10 fs. In some cases, there are two or more pump light sources (pump LD) 5 connected to the pump combiner (6) depending on the required pump output and characteristics of the pump LD. Here, the stepped wide mode area optical fiber 7, which is the amplification medium of the main amplification end, is wound with a diameter of 0.5 to 500 cm for the purpose of removing higher order modes except for the fundamental mode.

또한, 본 발명에 따른 극초단 펄스 레이저 장치는 앞서의 주 증폭단(Main-amplifier)이 복수로 직렬 연결되어 다단으로 구성될 수 있다. In addition, the ultrashort pulse laser device according to the present invention may be configured in multiple stages by connecting a plurality of main-amplifiers in series.

도 4에서는 본 발명에 따른 계단형 넓은 모드 면적 광섬유 기반의 주 증폭단이 2단으로 구성된 시스템으로서, 상기 주 증폭단과 주 증폭단 사이에는 아이솔레이터(4)와 고차 모드를 제거하는 고차모드제거기(Mode stripper, 9)가 위치할 수 있으며, 최종 증폭단의 끝에도 고차모드제거기(9)가 위치할 수 있다. In FIG. 4, a system in which the main amplification stage based on the stepped wide mode area optical fiber according to the present invention is composed of two stages, and between the main amplification stage and the main amplification stage, an isolator 4 and a high-order mode remover for removing a higher-order mode. 9) may be located, and a higher-order mode canceller 9 may be located at the end of the final amplification stage.

이하에서는 앞서 기재된 바에 따라 제조된, 본 발명에 따른 레이저용 광섬유의 물리적 특성을 도 5 내지 도 8에 기재된 도면을 바탕으로 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, the physical properties of the optical fiber for a laser according to the present invention manufactured as described above will be described in detail based on the drawings shown in FIGS. 5 to 8.

도 5는 본 발명을 통해 완성된, 프리폼(preform)으로부터 얻어진(drawing) 광섬유의 단면 이미지와 굴절률 분포를 보여주는 그래프를 도시한 그림이다.5 is a diagram showing a cross-sectional image and a graph showing a refractive index distribution of an optical fiber obtained from a preform, completed through the present invention.

상기 도 5의 a)로부터 20 um 이하의 코어와 클래드의 형상이 뚜렷하게 나타나고 있으며, 도 5의 b)로부터 본 발명에 따라 제조되는 광섬유에서의 코어(이터븀(Yb3+), 인(P5+) 및 알루미늄(Al3+) 이온 도핑) 및 클래드(게르마늄이 도핑)에서의 굴절률 값을 보여주고 있으며, 이를 통해 클래드의 굴절률이 균일하며 index-matching oil에 비해 0.0017 정도 높은 굴절률을 가짐을 확인할 수 있다. The shape of the core and clad of 20 um or less is clearly shown from FIG. 5A, and from FIG. 5B), the core (ytterbium (Yb 3+ ), phosphorus (P 5 )) in the optical fiber manufactured according to the present invention. + ) And aluminum (Al 3+ ) ion doping) and the clad (germanium doped), and through this, the refractive index of the clad is uniform and it is confirmed that the refractive index is about 0.0017 higher than that of index-matching oil. I can.

또한 코어와 클래드의 굴절률 차이는 약 0.0017로 0.07 수준의 개구수(NA)를 기대할 수 있으며, 프리폼(preform) 제조 과정에서 클래드의 게르마늄(Ge) 이온의 도핑 레벨을 조절함으로써 개구수 조정이 가능하다. In addition, the difference in refractive index between the core and the clad is about 0.0017, which can expect a numerical aperture (NA) of 0.07 level, and the numerical aperture can be adjusted by adjusting the doping level of germanium (Ge) ions in the clad during the preform manufacturing process. .

도 6의 a)는 에너지분산형 분광분석법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)를 통해 측정한 이온 농도 분포 그래프로서, 광섬유내 코어에서의 농도는 실리카 매트릭스 기준으로 Yb2O3는 0.4 mol%(4 wt% Yb), Al2O3는 4.4 mol% (11 wt% Al), P2O5는 4.8 mol% (17 wt% P)로 나타나고 있으며, 전체적으로 편평한 농도 분포를 확인할 수 있다. 6A is a graph of ion concentration distribution measured through Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS), wherein the concentration in the core in the optical fiber is based on a silica matrix, and Yb2O3 is 0.4 mol% (4 wt. % Yb), Al2O3 is 4.4 mol% (11 wt% Al), and P2O5 is 4.8 mol% (17 wt% P), and a flat concentration distribution as a whole can be confirmed.

한편, 클래드(clad)내 게르마늄(Ge) 이온은 굴절률 측정에 의해 전체 클래드 성분 대비, 실리카 매트릭스 기준으로 20 wt% 정도의 함량을 가지는 것으로 나타나고 있다. On the other hand, it is shown that germanium (Ge) ions in the clad have a content of about 20 wt% based on the silica matrix relative to the total clad components by measuring the refractive index.

또한, 상기 도 6의 a)에서 P2O5의 경우 중앙에 dip이 없는 것을 확인할 수 있으며, 이는 preform 제조 과정에서 P2O5 추가 공급이 유효했음을 의미한다. 또한 P2O5는 Al2O3에 비해 약간 높은 농도값을 가지며, 이를 통해 광흑화 현상을 더욱 낮출 수 있다. In addition, in the case of P2O5 in FIG. 6a), it can be seen that there is no dip in the center, which means that additional supply of P2O5 was effective in the preform manufacturing process. In addition, P2O5 has a slightly higher concentration value than Al2O3, and through this, it is possible to further reduce the photo-blackening phenomenon.

도 6의 b)는 본 발명에 따라 제조된 광섬유의 측정된 흡수율로 976 nm에서 22.3 dB/m의 높은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 6B shows the measured absorption rate of the optical fiber manufactured according to the present invention, and it can be seen that it has a high value of 22.3 dB/m at 976 nm.

도 7은 본 발명에 따른 광섬유의 증폭 특성을 확인하기 위한 증폭기의 구성 개략도로서, 상기 실시예에 따라 제조된 광섬유의 양 끝면이 4 % 반사면이며, 광섬유 자체가 레이저 공진기 역할을 하도록 구성되며, 펌프와 레이저는 렌즈를 통해 광섬유로 입사되거나 시준(collimation)되어 출사된다. 광섬유는 지름 5 cm수준의 벤딩(bending)을 가해 고차 모드를 제거하였다. 7 is a schematic diagram of the configuration of an amplifier for confirming the amplification characteristics of an optical fiber according to the present invention, in which both ends of the optical fiber manufactured according to the above embodiment are 4% reflective surfaces, and the optical fiber itself is configured to serve as a laser resonator, The pump and laser are incident on the optical fiber through the lens or collimated and emitted. The optical fiber was subjected to bending at the level of 5 cm in diameter to eliminate higher-order modes.

도 8은 도 7에 따른 증폭기를 이용하여 실시예에 따라 제조된 광섬유의 증폭 특성에 대한 실험결과를 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing experimental results for the amplification characteristics of an optical fiber manufactured according to an embodiment using the amplifier according to FIG. 7.

여기서, 파장 안정화가 되지 않은 펌프 광원(pump LD)를 사용하게 되면, 증폭 과정중에 (pump LD)의 중심파장이 다른 값으로 흐를 수가 있으며, 이는 파장 변환 효율에 영향을 줄 수 있다. 반면 파장 안정화된 펌프 광원(pump LD)를 사용하면 증폭과정중에도 중심파장이 일정하게 유지되기 때문에 변환 효율을 일정하게 가져갈 수 있다. Here, if a pump light source (pump LD) that is not wavelength stabilized is used, the center wavelength of (pump LD) may flow at a different value during the amplification process, which may affect wavelength conversion efficiency. On the other hand, if the wavelength-stabilized pump LD is used, the center wavelength is kept constant even during the amplification process, and thus the conversion efficiency can be obtained constant.

본 실시예에서는 파장 안정화가 되지 않은 펌프 광원(pump LD)를 사용하는 경우에는 2 m의 광섬유를, 파장 안정화가 된 펌프 광원(pump LD)를 사용하는 경우에는 0.5 m 의 광섬유를 사용하였다. 71.5 W 평균출력의 파장 안정화 펌프 광원(pump LD)를 사용하는 경우 레이저의 최대 출력은 58.6 W로 변환효율은 80 %에 이른다. 출력 107 W에서의 빔의 품질(beam quality(M2))는 1.29~1.39이며, 클래드의 게르마늄(Ge) 농도를 조절하여 광섬유의 개구수 값을 낮추면 더욱 우수한 결과를 얻을 수 있다. In the present embodiment, a 2 m optical fiber was used when a pump light source (pump LD) that was not wavelength stabilized was used, and a 0.5 m optical fiber was used when a pump light source (pump LD) that was wavelength stabilized was used. When a wavelength stabilized pump LD with 71.5 W average power is used, the maximum power of the laser is 58.6 W, and the conversion efficiency reaches 80%. The beam quality (M 2 ) at an output of 107 W is 1.29 to 1.39, and better results can be obtained by lowering the numerical aperture of the optical fiber by adjusting the germanium (Ge) concentration of the clad.

이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings, but this is only exemplary, and various modifications and other equivalent embodiments are possible from those of ordinary skill in the art. You will understand. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims.

1 : 오실레이터
2 : 스트레쳐
3 : 프리-앰프
4 : 아이솔레이터
5 : 펌프 광원(레이저 다이오드)
6: 펌프 컴바이너
7 : 광섬유(계단형 넓은 모드 면적 광섬유)
8 : 압축기(컴프레셔)
9 : 모드 스트리퍼
1: oscillator
2: Stretcher
3: pre-amplifier
4: isolator
5: Pump light source (laser diode)
6: pump combiner
7: Optical fiber (stepped wide mode area optical fiber)
8: Compressor (compressor)
9: mod stripper

Claims (11)

계단형 넓은 모드 면적 광섬유(step index large mode area fiber)를 포함하는 광증폭기에 있어서,
상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 광신호의 전송 및 증폭에 적합한 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 클래드를 포함하며,
상기 광섬유의 코어(core)에는 전체 코어 성분 대비, 이터븀(Yb) 함량이 0.2 내지 10 wt%로 포함되고, 알루미늄(Al) 함량 및 인(P)의 함량이 각각 0.5 내지 25 wt%로 포함되고,
상기 클래드(clad)는 전체 클래드 성분 대비, 게르마늄(Ge) 함량이 1 내지 40 wt%로 포함된 것을 특징으로 하는 광증폭기.
In the optical amplifier comprising a step index large mode area fiber (step index large mode area fiber),
The stepped wide mode area optical fiber includes a core suitable for transmission and amplification of an optical signal and a cladding surrounding the core,
The core of the optical fiber contains 0.2 to 10 wt% of ytterbium (Yb), and 0.5 to 25 wt% of aluminum (Al) and phosphorus (P), relative to the total core component. Become,
The clad is an optical amplifier, wherein the content of germanium (Ge) is 1 to 40 wt% relative to the total clad component.
제1항에 있어서,
상기 광섬유의 길이는 1.5 m 이하인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
Optical amplifier, characterized in that the length of the optical fiber is less than 1.5 m.
제1항에 있어서,
상기 광섬유는 클래드의 펌프 흡수율이 10 dB/m 이상인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
The optical amplifier, characterized in that the pump absorption rate of the clad is 10 dB/m or more.
제1항에 있어서,
전체 코어 성분 대비, 상기 코어내 이터븀(Yb) 함량이 0.3 내지 8 wt% 의 범위이고, 알루미늄(Al)의 함량은 2 내지 20 wt% 의 범위이며,
인(P)의 함량은 5 내지 25 wt% 의 범위인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
Compared to the total core component, the content of ytterbium (Yb) in the core is in the range of 0.3 to 8 wt%, and the content of aluminum (Al) is in the range of 2 to 20 wt%,
The optical amplifier, characterized in that the content of phosphorus (P) is in the range of 5 to 25 wt%.
제1항에 있어서,
상기 클래드(clad)내 게르마늄(Ge)의 함량은 전체 클래드 성분 대비, 2 내지 30 wt% 의 범위인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
The optical amplifier, characterized in that the content of germanium (Ge) in the clad is in the range of 2 to 30 wt% relative to the total clad component.
제1항에 있어서,
상기 광증폭기는 계단형 넓은 모드 면적 광섬유에 펌프 컴바이너(pump combiner), 펌프 광원 중에서 선택된 적어도 하나이상이 광학적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
In the optical amplifier, at least one selected from a pump combiner and a pump light source is optically connected to a stepped wide mode area optical fiber.
제1항에 있어서,
상기 광섬유는 코어 및 클래드가 각각 실리카 매트릭스 인 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
The optical amplifier of the optical fiber, characterized in that the core and the clad are each silica matrix.
제1항에 있어서,
상기 계단형 넓은 모드 면적 광섬유는 지름 0.5 cm ~ 500 cm 이내의 원형 또는 타원형으로 대기중에서 감겨 배치되거나, 또는 단면이 원통형 또는 다각형의 관 또는 튜브의 외부면에 감겨 배치되어 광 증폭기에 사용되는 것을 특징으로 하는 광증폭기.
The method of claim 1,
The stepped wide mode area optical fiber is used for an optical amplifier by being wound around the air in a circular or elliptical shape within a diameter of 0.5 cm to 500 cm, or by being wound around the outer surface of a cylindrical or polygonal tube or tube having a cross section. Optical amplifier.
제1항 내지 제8항 중 어느 한항에 기재된 광증폭기를 포함하며, 압축 후 출력 펄스 기준으로 100 ps ~ 10 fs 이내의 극초단 펄스를 사용하는 극초단 펄스 레이저 장치.
An ultra-short pulse laser device comprising the optical amplifier according to any one of claims 1 to 8, and using ultra-short pulses within 100 ps to 10 fs based on output pulses after compression.
a) 내부에 동공을 형성한 세라믹 튜브에 Si 전구체 및 Ge 전구체의 혼합 가스를 각각 투입하여 실리카-게르마늄 산화층으로 이루어진 클래드를 형성하는 단계;
b) 상기 클래드의 내부에 포스포-실리케이트 수트(soot)를 화학기상증착에 의해 형성하고 상기 포스포 실리케이트 수트에 용액 도핑을 통해 이터븀(Yb) 및 알루미늄(Al) 이온을 도입하여, 상기 세라믹 튜브가 표면을 감싼 형태의 광섬유 프리폼을 형성하는 단계;
c) 상기 세라믹 튜브를 제거함으로써, 게르마늄 이온이 도핑된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어로 이루어진 광섬유 프리폼을 형성하는 단계; 및
d) 상기 광섬유 프리폼을 가공하여 광섬유를 뽑아내는 단계;를 포함하는, 게르마늄 이온이 도핑된 클래드 및 상기 클래드의 내부에 이터븀(Yb) 알루미늄(Al) 및 인(P)이 도핑된 코어로 이루어진 광섬유의 제조방법
a) forming a clad made of a silica-germanium oxide layer by respectively introducing a mixture gas of a Si precursor and a Ge precursor into a ceramic tube having a cavity formed therein;
b) phospho-silicate soot is formed inside the clad by chemical vapor deposition, and ytterbium (Yb) and aluminum (Al) ions are introduced into the phosphosilicate soot through solution doping, and the ceramic Forming an optical fiber preform in which the tube surrounds the surface;
c) forming an optical fiber preform comprising a clad doped with germanium ions and a core doped with ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) in the clad by removing the ceramic tube; And
d) processing the optical fiber preform to extract the optical fiber; comprising a clad doped with germanium ions and a core doped with ytterbium (Yb) aluminum (Al) and phosphorus (P) inside the clad. Optical fiber manufacturing method
제10항에 기재된 제조방법에 의해 얻어지는 광섬유 및 상기 광섬유를 포함하는 광증폭기.
An optical fiber obtained by the manufacturing method according to claim 10, and an optical amplifier comprising the optical fiber.
KR1020190138949A 2019-11-01 2019-11-01 Amplifier for fiber laser enabled by step-index large mode area fiber and ultrafast fiber laser comprising the same KR102337546B1 (en)

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