KR920001117B1 - 광섬유 증폭기 - Google Patents

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존 샤우 허버트
초도로우 마빈
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더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리탠드 스탠포드 쥬니어 유니버시티
로렌스 더블유. 오스본
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Abstract

내용 없음.

Description

광섬유 증폭기
제1도는 본 발명의 광섬유 증폭기의 바람직한 실시예에 따른 구조를 나타내는 설명도.
제2도는 제1도의 선 2-2를 따라 취한, 제1도의 구조의 단면도.
제3도는 300。K에서의 네오디뮴-이트륨 알루미늄 석류석(neodymium-yttrium aluminum garnet, ND : YAG)의 흡수 스펙트럼을 나타내는 도표.
제4도는 ND : YAG의 에너지 레벨(level)을 나타내는 도표.
제5도는 ND : YAG와 같은 도우핑(doping)된 물질을 사용하는 4-레벨 레이저의 에너지 레벨을 개략적으로 나타내는 도표.
제6도는 증폭기의 변형예를 나타내는, 제2도와 유사한 단면도.
제7도는 저레벨 광원들을 갖고 있는 일련의 광학 증폭기를 나타내는, 제1도와 유사한 제2의 변형 예의 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 여기 광섬유 14 : 신호 광섬유
22 : 외피 24 및 26 : 여기광원
본 발명은 광섬유 증폭기에 관한 것이다. 미합중국 국방성, 공군 과학연구소가 제정한 인가번호 제AFOSR-76-3070호에 의거하여, 본 발명의 권리는 미합중국 정부가 소유한다.
어떤 물질의 레이징(lasing) 능력, 특히 거시적인 레벨에 기초를 둔 광섬유 증폭기의 개념은 공지되어 있다. 즉, 예를들어 여기 광원(pumping light source) 및 직경이 수 ㎜이고 길이가 수 ㎝인 단결정 네오디뮴-이트륨 알루미늄 석류석(neodymium-yttrium aluminum garnet ; ND : YAG)의 로드(rod)를 관 형태의 반사성 공동내에 배치시키는 것은 공지되어 있다. 예를들어, 광원 및 ND : YAG로드는, 타원형의 단면을 갖는 공동의 2개의 촛점을 따라 연장되도록 각각 배치될 수도 있다. 이러한 구조에서, 광원에 의해 방출되어 공동의 벽으로부터 반사된 광선은 ND : YAG로드에 충돌한다. 광원은, ND : YAG결정의 네오디뮴이온의 에너지상태가 상부 레이징레벨 이상의 에너지레벨로 전환될 수 있도록, ND : YAG결정의 흡수 스펙트럼에 대응하는 파장을 방출하도록 선택되는 것이 바람직하다. 상술한 전환이 이루어진 후에, 포논(phonon)방사를 거친 네오디뮴 이온은 초기 감쇠되며, 이에 따라 상부 레이징레벨에는 이온집단이 나타나게 된다. 이온은 상부 레이징레벨로부터 하부 에너지레벨로 레이즈(lase)되면서 ND : YAG물질의 특성을 나타내는 파장의 광선을 방출한다. 유리하게도, 이러한 하부 에너지레벨은 이온에 대한 기저(基底)레벨의 상부에 있으므로 신속한 포논방출 감쇠가 이 하부 에너지레벨과 기저레벨의 사이에서 나타나며, 따라서 여기된 이온내의 이러한 하부 에너지 레벨과 상부 레이징레벨의 사이에서는 높은 비율의 전환이 계속 이루어질 수 있게 된다.
레이저 기술로부터 공지된 바와 같이, 이온집단이 이와 같이 전환되면, ND : YAG는 도한 매우 느린 형광(즉, 비간섭성 광선의 무작위 방출)을 제공한다. 그러나, 전환된 상태의 이온의 평균 수명은 230μsec이기 때문에, 이러한 자연적인 방사는 증폭 로드에 최소의 영향을 미친다.
ND : YAG로드의 네오디뮴 이온이 전환된 후에 레이징 주파수에서의 광신호가 로드를 통해 전송되면, 이 광신호는 네오디뮴 이온의 레이징 전이를 트리거시킴으로써 유도방사선을 간섭성 방출시키는데, 이 방사선은 전송 신호에 효율적으로 부가되어서 이 신호를 증폭시킨다.
ND : YAG결정내의 여기 광선의 흡구길이(즉, 광선의 60%가 흡수되기 전에 이 광선이 통과해야 하는 물질의 길이)는 2㎜와 3㎜사이의 범위인 것이 전형적으로, 증폭구조내에 사용된 ND : YAG결정은 이결정이 공동벽으로부터 최초 반사되어 결정을 통과하는 동안에 여기 방사의 상당한 부분을 흡수할 수 있도록 하는 크기 이상의 직경을 가졌었다. 이와 같이 결정을 최초로 통과하는 동안에 여기 광선이 흡수되지 않으면, 이 여기 광선은 공동벽에 의해 광원으로 다시 반사되어서 재흡수되므로, 광원내에 열이 발생되어 증폭기의 전반적인 효율이 감소하게 된다.
이러한 증폭기들이 광섬유 시스템내에 사용될 경우에는, 광선을 광섬유로부터 ND : YAG로드로 집속시키고 또한 증폭된 광신호를 ND : YAG로드로부터 다른 광섬유내로 집속시키기 위해, 광학부재(예컨대, 렌즈)를 사용할 필요성이 있는 것으로 생각되어 왔다. 이러한 광학 시스템에서는 신중한 배열을 필요로 하며, 또한 진동 및 온도의 영향과 같은 주위 환경의 변화에 영향을 받기 쉽다. 분만 아니라, 상술한 광학부재와 ND : YAG로드의 크기에 의하여 증폭 시스템이 비교적 커지기 때문에, 어떤 경우에는 이 시스템이 비실용적이다. 또한, ND : YAG로드가 큰 경우에는, 로드내에서 비임의 편류가 나타난다. 그러므로, 입력 광섬유 소자로부터의 신호는 로드내의 상이한 경로들을 따라 이동하게 되고(이 특성은 온도에 관련되고 시간에 따라 변화하게 된다), 따라서 출력 광섬유는 작은 각도내의 광선만을 수용하게 되기 때문에 출력 광선이 손실될 수 있다. 즉, ND : YAG로드내의 비임이 편류됨에 따라서, 출력신호는 제어가 불가능한 방식으로 변화될 수 있다. 또한, ND : YAG로드의 크기가 크면, 로드내에서 높은 에너지밀도를 유지하기 위해 많은 양의 입력 에너지가 필요하게 된다. 이러한 큰 여기 전력에 대해서는 높은 출력의 여기 광원이 필요하게 되며, 이에 따라 상당한 양의 열이 발생하게 되는데, 이 열은 공동을 액체 냉각시킴으로써 소멸되는 것이 전형적이다.
이러한 형태의 증폭기들은 통신분야와 같은 많은 분야에서 유용한 것이기는 하지만, 재순환 광섬유 자이로스코우프(gyroscope)에서 사용할 때에는 이 증폭시스템에 많은 제한이 가하여진다. 이러한 자이로스코우프에 있어서는, 전형적으로 길이가 1㎞이상인 광섬유를 감아서 루우프로 만든 다음, 광신호를 이 루우프내에서 재순환되게 된다(전형적으로는, 양쪽 방향으로). 루우프의 운동에 의하여서는 서로 반대방향으로 전달되는 광신호들 사이에 위상차가 나타나게 되며, 이 위상차를 이용하면 자이로스코우프의 회전을 측정할 수 있다. 한번의 회전으로 유도된 위상전이는 비교적 작으며, 또한 회전에 관련된 주기적인 출력이 필요하기 때문에, 입력광선을 루우프내에서 가능한한 많이 재순환시키는 것이 유리하다.
광신호가 1㎞의 광섬유를 통과하면, 이 광신호 세기의 30 내지 50%가 손실되는 것이 전형적이다. 만약에 서로 반대방향으로 전달되는 양방향성 광신호를 증폭할 수 있는 증폭기가 있다면, 이 증폭기가 루우프와 직렬로 배치되고 또한 그 이득이 2 내지 3db일 경우에, 광신호를 루우프내에서 여러번 이동시킬 수 있을 것이다.
그러나, 불행하게도, 종래의 ND : YAG로드 증폭기는 상술한 바와 같이 크기가 비교적 크며, 효율이 비교적 낮기 때문에 높은 전력을 필요로 하고, 비임 편류효과가 나타나며, 또한 냉각의 필요성이 있기 때문에, 이러한 증폭기는 높은 정확도를 요구하는 자이로스코우프에 대해서는 실용적이 될 수 없다. 물론, 이들 요소 때문에, 이러한 증폭기를 예컨대 통신 회로망과 같은 다른 분야에서 사용할때에도 여러가지 제한이 나타나게 된다.
본 발명에 의하면, 결정 로드 증폭기들에 관련된 상술한 단점들이 제거될 수 있다. 본 발명에 의하면, 여기 광원 광섬유 및 도우핑된 증폭 매체를 작은 직경의 광섬유로 구성할 수 있다. 이들 광섬유를 외피내에 서로 밀접하게 배치시키면, 광학 결합기가 형성된다. 여기 광섬유, 증폭기 광섬유 및 외피의 굴절률은, 도우핑된 광섬유를 통과하는 증폭될 신호는 양호하게 안내되는 반면, 여기 광섬유를 통과하는 여기용의 광선은 광섬유 자체내에서는 양호하게 안내되지 않고 전반적인 결합기 시스템내에서만 양호하게 안내되도록 선택된다. 그러므로, 이 결합기에 의하면, 도우핑된 광섬유를 통과하는 신호는 여기 광섬유에 결합되지 않는 반면, 여기 신호는 여기 광섬유로부터 도우핑된 광섬유로 결합되도록 고의로 불충분하게 안내되기 때문에, 손실은 도우핑된 광섬유를 통과하는 신호에 국한된다.
바람직한 실시예에서, 이러한 결합 특성은, 제1의 굴절률을 갖고 있는 도우핑된 광섬유(예컨대, ND : YAG)와 제2의 굴절률을 갖고 있는 여기 광섬유(예컨대, 석영)를 제3의 굴절률을 가지고 있으며 상기 2개의 광섬유를 둘러싸고 있는 결합기 본체내의 나란히 제공함으로써 달성된다. 이 결합기 본체는, 제4의 굴절률을 갖고 있는 공기 또는 기타의 적절한 물질로 둘러싸여진다.
증폭될 신호를 이송하는 도우핑된 광섬유의 제1굴절률은 결합기 본체의 제3굴절류보다 높으므로, 증폭될 신호는 도우핑된 광섬유내에서 안내된다. 여기 석영광섬유의 제2굴절률은 결합기 본체의 제3굴절률보다 낮으므로, 석영 광섬유내의 여기 광선은 석영 광섬유에 의해 안내되지 않고, 결합기 본체내로 굴절된다. 결합기 본체의 제3굴절률은 이 결합기 본체를 둘러싸고 있는 물질 또는 공기의 제4굴절률보다 높으므로, 이들 물질 사이의 인터페이스에 의해 안내되는 여기 광선은 (a) 결합기 본체에 의해, (b) 석영 여기 광섬유에 의해, (c) 안내된 입력 신호에 대한 증폭기를 형성하는 도우핑된 광섬유에 의해 흡수된다. 외피의 직경이 광섬유의 직경보다 약간만 더 크면, 여기 광섬유로부터 굴절된 여기광선의 상당한 부분이 ND : YAG결정 광섬유내로 흡수되어서 높은 에너지 밀도를 발생시키므로, 따라서 ND : YAG결정 광섬유내에서의 전환비율이 높아짐으로써, 이 광섬유가 전달하는 광학 신호의 증폭이 이루어진다.
본 발명의 증폭기를 양방향성으로 하여 주기 위하여서는, 즉 도우핑된 광섬유를 통해 서로 반대방향으로 전달되는 신호들에 대한 이득이 동일하게 하여 주기 위하여서는, 석영 여기 광섬유의 양단부를 조사(照射)(즉, 여기)함으로써 전환된 이온집단이 이 광섬유의 길이를 따라 대칭적으로 분배되도록 하여 주는 것이 유리하다. 여기 광섬유가 충분히 길게 제조되면, 여기 광섬유의 단부들에 공급된 실질적으로 모든 여기 전력은 공동 구조내에 흡수되고, 이 전력의 실질적인 비율은 결합기내의 도우핑된 광섬유내에 흡수된다.
변형 실시예에서, 여기 광섬유 및 도우핑된 광섬유는 피복된 광섬유의 형태로 될 수 있으며, 각각의 광섬유의 한쪽 측면에서 피복을 연마함으로써 평평한 외부 피복표면을 형성할 수도 있다. 이들 평면을 겹쳐놓아서 결합기 본체를 형성하면, 광섬유의 피복은 결합기 본체내에서 여기 광학신호를 안내하는데 필요한 제3의 굴절률을 형성할 수 있다. 다른 변형 실시예로서, 석영 및 ND : YAG의 피복되지 않은 광섬유를 연마함으로써 평면을 형성시킬 수도 있는데, 이 평면들을 겹쳐 놓으면, 여기전력을 안내하기 위한 제3굴절성매체로서의 주위공기와의 필요한 결합을 제공한다.
또 다른 변형적인 배열에서는, 본 발명에 따른 다수의 증폭기들을 ND : YAG광섬유 소자의 길이를 따라 배열함으로써, 예컨대 발광 다이오우드와 같은 비교적 작은 광원을 사용하여 이러한 증폭기의 각각에서 증폭된 신호에 대한 작은 이득을 제공하고, 부가적인 효과를 통해 전반적인 소정의 이득을 얻는다. 이 실시예에 있어서도, 각각의 여기 광섬유의 양단부에 발광다이오우드를 배치함으로써 균일한 양방향성 증폭이 이루어질 수 있도록 하여주는 것이 바람직하다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
제1도 및 제2도를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예는 여기 광섬유(12)와 신호 광섬유(14)를 포함한다. 한가지 예시적인 형태로서, 여기 광섬유(12)는 직경이 약 200미크론인 석영 광섬유인 것이 전형직이다. 이 광섬유(12)는 약 2㎝의 거리(16)만큼 신호 광섬유(14)와 평행하게, 그리고 밀접하게 인접하여 뻗어나간다. 이 신호 광섬유(14)는, 증폭될 주파수에서 레이즈되는 이온이 도우핑된 단결정 물질이다. 제1도 및 다음의 설명에서는, 증폭될 입력 광신호는 신호 광섬유(14)의 제1단부(18)에 입력되고, 증폭된 후에 이광섬유(14)의 제2단부(20)으로부터 출력된다고 가정하기로 한다. 그러나, 예컨대 통신 및 회전 감지분야와 같은 대부분의 경우, 신호들은 광섬유(14)의 양단부(18)(20)에 입력되고, 광섬유(14)를 통과하는 전달 방향에 관계없이 균일하게 증폭되어야 함을 이해하기 바란다.
도시된 바와 같은 예시적인 실시예에서, 광섬유(14)는 직경이 100미크론이다. 광섬유 (12)(14)가 평행하게 뻗어나가는 전체 길이(16)에 걸쳐서, 이들 광섬유(12)(14)는 외피(22)로 싸여지게 되는데, 이 외피(22)는 이후에 상세히 설명될 바와 같이 광섬유(14)를 여기하는데 사용되는 광선에 대한 도파관으로 된다. 이들 광섬유(12)(14)는 외피(22)가 피복을 제공하는 지역을 제외하고는 피복되어 있지 않다.
광섬유(14)는 단결정 ND : YAG물질로 형성된다. 한쌍의 광원(24)(26)은 여기 광섬유(12)의 대향하는 단부에 결합되어 있으며, 이들 광원(24)(26)은 ND : YAG결정(14)내의 네오디뮴 이온을 전환시켜서 증폭을 제공하기 위한 광에너지 또는 여기 광선을 제공하는 레이저 광원등일 수 있다.
각각의 광섬유(12)(14) 및 외피(22)는 여기 광원(24)(26)으로부터의 광선의 파장을 투과시킨다. 외피(22)는 이 주파수에서 가능한한 낮은 손실 특징을 갖는 것이 바람직하며, 또한 ND : YAG 광섬유(14)내에서 이 주파수에서의 흡수 길이가 가능한한 짧은 것이 유리하다.
광섬유(12)(14) 및 외피(22)의 굴절률은, 신호 광섬유(14)가 그 단부(18)에서 신호 입력을 안내할 수 있도록 선택된다. 그러나, 이 굴절률은 또한 여기 광원(24)(26)으로부터의 광선이 광섬유(12)로부터 외피(22)로 도입된 다음에 광섬유(14)에 도입되어서 이 광섬유(14)에 의해 흡수되도록 선택된다. 그러므로, 제2도의 실시예에 도시된 바와 같이, ND : YAG광섬유(14)의 굴절률 N1은 1.8이다. 한편, 석영 광섬유(12)의 굴절률 N2는 1.5이다. 외피(22)의 굴절률 N3는 1.5와 1.8사이로 되도록 선택되므로, N1〉N3〉N2이다. 마지막으로, 외피(22)를 둘러싸는 물질의 굴절률 N4는 외피(22)의 굴절률 N3보다 작다. 제2도에 도시된 예에서, 굴절률 N4는 공기에 의해 형성되지만, 외피(22)내의 표면 불규칙성 및 이에 따른 산란으로 인해 외피(22)와 주위 공기 사이의 인터페이스에서 생길 수 있는 손실들을 제거하기 위해 2차적인 피복으로 외피(22)를 둘러쌀수 도 있다.
상술한 설명으로부터 알 수 있는 바와같이, 광섬유(14)의 굴절률 N1이 오피(22)의 굴절률 N3보다 크기 때문에, 시스템에 의해 증폭될 신호[광섬유(14)의 단부(18)에 입력된 신호]는 광섬유(14)내에서 양호하게 안내된다. 석영 광섬유(12)의 굴절률 N2는 외피(22)의 굴절률 N3보다 작기 때문에, 광원(24)(26)으로부터의 여기 광선은 광섬유(12)에 의해 안내되지 않고, 외피(22)내로 굴절된다. 그러나, 제2도에 예시적인 광선(24)(26)으로 도시되고 제1도에 예시적인 광선(28)로 도시된 바와 같이, 이 광선은 외피(22)에 의해 양호하게 안내되는데, 그 이유는 외피(22)의 굴절률 N3가 주위물질의 굴절률 N4보다 크기 때문이다. 그러므로, 여기 광선은 외피(22)내에서 안내되어서, 궁극적으로는 광섬유(14)에 의해 흡수된다. 제1도에 도시된 바와 같이, 광선(28)로 예시된 여기 광선은 광섬유(12)(14) 및 외피(22)의 각각을 통과하는 경로의 길이 및 이들 소자의 각각의 여기 파장에서의 흡수 길이에 비레하여 광섬유(12)(14)와 외피(22)의 각각에 의해 흡수된다. 이러한 이유 때문에, 외피(22)에 의한 흡수가 최소화됨으로써 ND : YAG광섬유(14)내에서의 흡수가 최대로 되도록, 외피(22)의 봉입크기를 가능한한 작게 유지시키는 것이 유리하다.
제3도에는 300。K에서의 ND : YAG결정의 흡수 스펙트럼이 도시되어 있는데, 제3도를 참조하면, ND : YAG물질은 비교적 높은 광학밀도를 갖고 있으므로 선택된 파장에서의 흡수길이가 짧다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유로 인해, 첫째로는 석영 광섬유(12) 및 외피(22)가 아닌 ND : YAG광섬유(14)내의 여기광선의 흡수를 최대화하고, 둘재로는 증폭기 구조내에서의 여기 광선의 실질적으로 완전한 흡수가 이루어지도록 하면서도 흡수길이가 가능한한 짧아지도록 하여줌으로써 흡수 영역의 길이(16)이 가능한한 짧아지도록 하기 위하여, 여기 광선의 광원(24)(26)이 이들 주파수의 방사선을 방출하도록 광원(24)(26)늘 선택하는 것이 바람직하다. 제3도로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.75미크론 및 0.81미크론의 파장도 비교적 접합한 것이기는 하지만, 0.58미크론의 파장이 이 실시예에서의 광원(24)(26)에 대해 가장 적합하다.
제5a도에는 ND : YAG결정에 대한 에너지 레벨도가 도시되어 있는데, 제5a도를 참조하면, 상술한 흡수파장에서의 여기 광선이 ND : YAG결정에 의해 흡수될 경우에 네오디뮴 이온들이 기저상태로부터 여기대역으로 여기된다는 것을 알 수 있다. 이 이온들은 포논 상호작용을 통해 여기대역으로부터 상부 레이징레벨로 신속히 감쇠한다. 이 상부 레이징레벨로부터, 네오디뮴 이온은 비교적 천천히 형광되면서 하부 에너지레벨로 신속히 감쇠한다. 이 상부 레이징레벨로부터, 네오디뮴 이온은 비교적 천천히 형광되면서 하부 에너지레벨로 된다. 이 하부 에너지레벨로부터 기저상태로의 포논감쇠가 최종적으로 신속하게 일어난다. 제5a도에 도시된 형태의 4레벨 레이저 시스템내에서의 상술한 최종적이고 신속한 감쇠는 유리한 것인데, 왜냐하면 하부 에너지레벨과 기저상태 사이에서의 신속한 포놈감쇠에 의하여서는 하부 에너지레벨이 실제적으로 공백상태로 되기 때문이다. 이러한 형태는 제5b도에 도시되어 있는데, 제5b도에는 연속적인 여기과정 동안의 ND : YAG광섬유에 대한 여기대역, 상부 레이징레벨, 하부 에너지레벨 및 기저상태에서의 이온집단의 밀도가 도시되어 있다. 상부 레이징레벨과 하부 에너지레벨 사이에서의 형광비율은 하부 에너지레벨과 기저상태의 사이 및 여기대역과 상부 레이징레벨 사이에서의 포논감쇠에 비해 비교적 느리기 때문에, 상부 레이징 레벨에서의 이온집단의 밀도는 하부 에너지레벨에서의 이온집단의 밀도보다 높게 되고, 따라서 전환비율이 높아지게 된다. 자연적인 형광이 이루어지기전의 상부 레이징레벨에서의 네오디뮴 이온들의 평균 수평은 230μsec이다.
제4도에에는, ND : YAG물질의 여러 가지 에너지 상태 및 이 물질에 대한 레이저 전이가 더욱 상세하게 도시되어 있다.
여기된 레이저 광섬유(14)(제1도)를 통해 이동하는 레이저 전이파장(1.064미크론)(즉, 상부 레이징레벨과 하부 에너지레벨 사이에서 감쇠하는 동안에 ND : YAG 이온들에 의해 방출된 광선의 파장)에서의 입력광신호는 이 신호와 간섭하는 동일한 주파수에서의 유도광자(photon)방출을 트리거시키며, 이에 의해 이 신호는 증폭된다. 그러므로, 이 주파수에서의 광선의 통과에 의하여서는 증폭될 광신호와 동상(同相)으로 제5a도내의 상붕 레이징레벨과 하부 에너지레벨 사이에서 광자의 방출감쇠가 일어나고, 따라서 입력 광신호에 대한 효과적인 이득을 발생시킨다.
본 발명의 증폭기에서 얻어질 수 있는 이득은 ND : YAG결정내의 전환된 네오디뮴 이온집단의 밀도에 따라 달라지게 된다. 처음에, 종국적인 전환 이온집단은 YAG물질자체의 격자구조에 의해 제한되는데, 그 이유는 ND : YAG물질이 결정격자내의 이트륨 원자를 네오디뮴원자로 대체시키기 때문이다. 각각의 100개의 이트륨원자들중 약 1개의 이트륨 원자만이, ND : YAG물질의 격자구조를 왜곡시키지 않고서 네오디뮴 이온에 의해 대체될 수 있다.
본 발명의 증폭기의 소이득신호 g0는 식 g0=δ△N의 관계를 이용하여 이론적으로 계산될 수 있다. 이때, δ는 유도방출 단면적 (ND : YAG의 경우에는 8.8×1019㎠임)이고, △N은 다음의 식(1)로 주어진 이온집단의 전환밀도이다.
Figure kpo00001
식(1)에서, pp는 흡수된 여기전력이고, V는 결정의 체적이며(따라서, pp/V는 단위 광섬유 체적당 흡수된 여기 전력이다), tsp는 자연적인 방사성 수명(즉, 네오디뮴 이온들의 230μsec형광 감쇠시간)이고, η1은 제3도에 도시된 바와 같은 ND : YAG흡수선과 여기출력의 유효스펙트럼 중첩이며, η2는 1.06미크론 형광의 양자 효율(즉, 0.63과 동일함)이고, hν는 1개의 여기 광자의 에너지와 동일하다.
위의 식들을 결합시키면, 다음의 식(2)와 같이 이득이 여기전력에 따라 좌우되게 된다.
Figure kpo00002
이때, pp값은 흡수된 여기전력이며, 광섬유의 길이의 증가에 의해 반드시 이득이 증가되는 것은 아님에 주목하기 바란다. 그러므로, ND : YAG광섬유가 여기 방사선을 완전히 흡수하기에 충분한 거리만큼 여기 방사선이 이 ND : YAG광섬유를 통과하기에 충분한 길이를 광섬유들이 가지고 있으면, 상기 식의 pp값은 입력 전력레벨로 대체되어도 좋다. η1=0.5인 전형적인 값을 갖는 경우, 120미크론의 직경을 갖는 단결정광섬유(14)내에서 pp=1mW이면 g0는 0.01db과 같게 된다. 그러나, 알짜이득을 얻기 위해서는, 1.06미크론에서의 광섬유 전달손실을 g0로부터 빼야 한다. 100db/km의 광섬유 손실에 의해서는, 단지 0.001db/cm만큼의 이득이 감소될 뿐이다. 그러므로, 실질적으로 모든 입력 여기전력을 흡수하면서도 증폭기(제1도)내에서의 광선(28)에 대한 입사각을 크게 유지시킴으로써 증폭기의 전반적인 길이를 비교적 짧게 유지할 수 있으면, 증폭기내에서의 전달손실을 저레벨로 유지할 수 있다.
여기 전력 밀도는 시판중인 발광 다이오우드에 의해 비교적 높은 레벨로 유지될 수 있다. 실제로, 약 1000A/㎠의 전류 밀도에서 동작하고 약 5W/sr.㎠의 방사도를 갖고 있는 장수명 LED가 시판되고 있으며, 약 50W/sr.㎠의 방사도를 갖고 있는 LED도 알려져 있다. 전자는 약 1mW의 전력을 직경이 100미크론인 YAG광섬유내로 결합시킬 수 있고, 후자는 약 10mW를 동일한 광섬유내로 결합시킬 수 있다. YAG의 큰 굴절률로 인하여 1/2수용각(acceptance half-angle)이 57˚(즉, 2.8sr)로 되기 때문에, 이와 같이 비교적 큰 전력이 가능하다. 여기 전력이 이들 값과 같을 경우, 이득은 광섬유(14)의 길이(㎝)당 0.01 내지 0.1db 로 된다. 상기 결과는 공기 중에서 동작된 YAG광섬유에 적용된다. 광섬유가 유리로 피복되었다면(N은 약 1.5이다), 수용각이 약 1sr로 되므로, 여기 전력 및 신호 이득의 값은 상기 값을 2.8로 나눈 값으로 감소된다.
레어저 다이오우드를 사용하면, 더욱 큰값의 여기 전력을 광섬유(14)에 집중시킬 수가 있다. 어떤 경우에도, 약 30mW의 평균 전력을 갖고 있는 여기 신호를 광섬유내로 주입시킬 수 있는데, 이것은 직경이 120미크론인 광섬유내에서의 신호 이득 0.3db 및 직경이 50미크론인 광섬유내에서의 신호 이득 1.7db에 대응한다.
상술한 설명과 제1도를 참조하면 알 수 있는 바와 같이, ND : YAG광섬유(14)를 적절히 여기시키기 위하여서는, 여기 광원(24)(26)을 연속적으로 동작시키거나, 또는 입력신호를 광섬유(14)에 인가하기 바로 전에(즉, 네오디뮴 이온들의 230μsec형광 감쇠시간내에)동작시킬 필요가 있다. 여기 광원(24)(26)으로부터의 파장들은 짧은 흡수 거리내에서 ND : YAG광섬유(14)에 흡수되기 때문에, 광섬유(14)를 통과하는 신호전달을 간섭함이 없이 그리고 여기 광선 자체가 광섬유(14)를 통해 전달될 염려가 없이 여기 광원(24)(26)을 연속적으로 동작시킬 수가 있다.
제1도를 다시 참조하면, 단부(18)(20)에 인접하며 외피(22)의 외부에 있는 영역에서 ND : YAG광섬유(14)는 증폭 전후의 신호를 안내하게 되는데, 그 이유는 굴절률 N1이 주위 공기의 굴절률보다 크기 때문이다. 물론, 표면 손실을 감소시키기 위하여서 이 영역들내의 ND : YAG광섬유(14)를 피복시키는 것이 유리할 수도 있다.
이와 마찬가지로, 외피(22)를 벗어난 영역에서는 석영 광섬유(12)가 여기 광원(24)(26)으로부터의 광선을 안내하게 되는데, 그 이유는 이 석영 광섬유의 굴절률 N2가 주위 공기의 굴절률보다 크기 때문이다. 물론, 외피(22)의 단부를 벗어난 영역에서 사용된 피복의 굴절률이 석영의 굴절률보다 낮게 될 수만 있다면, 표면 손실을 감소시키기 위해 이 영역내의 석영 광섬유(12)도 피복시킬 수 있다.
광원(24)로부터의 여기 광선은 처음에 증폭기시스템내의 단부(18)에 인접하여 흡수되려는 경향이 있으므로, 광섬유(14)의 길이는 광원(24)에 의해 균일하게 조사될 수 있다. 그러므로, 네오디뮴 이온들의 전환된 이온집단은 길이(16)을 따라 균일하게 배분될 수 없다. 증폭기내에서의 이와 같은 불균일한 또는 비대칭적인 상태에 의하여서는, 단부(20)에 입력된 신호에 대한 이득과 단부(18)에 입력된 신호에 대한 이득이 상이하게 되기 때문에(특히, 이 신호들이 동시에 나타날 때에), 전환된 네오디뮴 이온집단이 길이(16)을 따라 대칭으로 되고 양측단부(18)(20)으로부터의 신호들을 균일하게 증폭시키도록, 석영 광섬유(12)의 양단부를 여기 광원(24)(26)으로 동시에 여기시키는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.
네오디뮴 이온들의 비대칭적인 전환 집단과 상이한 방향으로 광섬유(14)를 통과하는 신호들에 대한 이득이 상이하게 되는 현상은 다음과 같이 나타난다. 증폭될 신호가 광섬유(14)의 단부(18)로부터 전달됨에 따라서 이 신호가 길이(16)을 통과할 때, 이 신호는 ND : YAG광섬유내의 유도 광자의 방출을 트리거하게 된다. 물론, 이와 같이 트리거된 방출에 의하여서는 광섬유(14)내의 전환 이온집단이 낮아진다. 예를들어 자이로스코우프내에서, 한상의 파들이 단부(18)(20)으로부터 서로 반대방향으로 광섬유(147)를 통해 동시에 전달되면, 단부(18)에 입력된 신호는 단부(20)에 입력된 신호가 광섬유(14)의 좌측 단부(제1도 참조)에 도달하기 전에 단부(18)에 인접한 전환 이온집단을 고갈시킨다. 전환 이온집단이 광섬유(14)의 우측 단부에서보다 좌측 단부에서 더욱 높으면, 단부(18)에 입력된 신호가 더욱 크게 증폭되는데, 그 이유는 단부(20)에 입력된 신호가 고밀도의 좌측단부에 도달하기 전에 전환 이온집단이 고갈되기 때문이다.
또한, 여기 광원(24)(26)으로부터 ND : YAG광섬유(14)로 공급되는 여기 광선은, 신호들이 증폭될 때 발생되는 광섬유(14)내의 고갈된 이온집단을 대체하기에 연속적으로 충분해야 한다. 그러므로, 예를들어 펄스 신호가 1㎞의 광섬유를 통해 순환하는 자이로스코우프내에서, 역방향으로 전달되는 신호들은 약 5μsec마다 한번씩 제1도에 도시된 증폭기를 통과한다. 연속적인 여기 광원(24)(26)들이 사용되면, 이들 여기광원은 신호들이 각각 연속적을 통과하는 동안에 이완된 네오디뮴 이온집단을 각각의 5μsec의 주기동안에 재전환시키기에 충분한 출력을 제공하여야만 하며, 이에 의해 이완되었던 이온집단과 동일한 이온집단이 재전환됨으로써, 증폭기의 증폭률 또는 이득이 비교적 일정하게 유지될 수 있다.
제6도에는 제2도의 외피(22)를 사용하지 않은 변형 실시예에 있어서의 제2도에서와 유사한 단면도가 도시되어 있는데, 제6도의 구조는 한편으로는 ND : YAG광섬유(14)와 석영 광섬유(12)의 굴절률의 차이에 의존하고, 다른 한편으로는 주위 공기의 굴절률과의 차이에 의존하여서 시스템내에서 여기 광선 및 신호 광선을 안내하도록 되어 있다. 이 실시예에 있어서는, 광섬유(14)와 광섬유(12)를 하나의 표면을 따라 연마함으로써, 바람직한 상호 작용길이[예컨대, 제1도의 길이(16)]의 전체에 걸쳐 접촉되는 평평한 외면(34)(36)을 제공하고 있다.
제6도에 도시된 배열에 의하면, 증폭될 신호가 광섬유-공기의 인터페이스 및 광섬유-광섬유의 인터페이스에 의해 광섬유(14)내에서 양호하게 안내될 수 있도록, ND : YAG광섬유(14)의 굴절률이 석영 광섬유(12)의 굴절률보다 커야 한다. 한편, 석영 광섬유(12)내의 여기신호는 주위 매질과 접촉하는 부분에 걸쳐서는 안내되지만, 표면(32)에서는 안내되지 않으므로 ND : YAG광섬유(14)내로 전달됨으로써 네오디뮴 이온들을 이 광섬유(14)내로 여기시킨다. 물론, 제6도에 도시된 실시예에도 제2도의 외피(22)와 같은 외피가 제공될 수 있는데, 이때 외피는 석영 광섬유(12) 또는 ND : YAG광섬유(14)보다 낮은 굴절률을 갖게 된다. 이 외피는 장치의 기본 동작을 변경시키는 것이 아니라, 표면의 불규칙성에 의해 나타나는 표면 분산을 제거함으로써 여기광선 및 신호광선을 광섬유(12)(14)의 경계지역내에 유지시키는 것을 돕는 역할을 하게 된다.
제1도의 실시예에서, 높은 전환 이온집단이 광섬유(14)내에 유지될 수 있도록 광원(24)(26)으로부터 충분한 광선을 제공하기 위해서는, 여기 광원(24)(26)이 레이저 광원이어야 할 필요가 있을 수 있다. 제7도에 도시된 실시예에 의하면 예컨대 발광 다이오우드 광원과 같은 다수의 저레벨 광원들을 일련의 증폭기에 가하여 줄 수 있는데, 이때 각각의 증폭기는 전달되는 신호에 작은 이들을 제공하며, 전체 이득은 제1도의 증폭기에 의해 제공될 수 있는 전체 이득과 동일하지만, 발광 다이오우드는 가격이 저렴하고 소비 전력이 적다.
제7도에 도시된 바와 같이, 다수의 석영 광섬유(12a 내지 12e)를 제1도에서와 유사한 방식으로 배열하고 외피(22a 내지 22e)로써 다수의 석영 광섬유(12a내지 12e)와 하나의 ND : YAG광섬유(14)를 둘러싸도록 하여 줄 수도 있다. 이러한 구조에 의하면, 발광 다이오우드(38a 내지 38e) (39a 내지 39e)를 각각의 석영 광섬유(12a 내지 12e)의 양측 단부에 각각 결합시킴으로써 일련의 저이득 증폭기들에 대한 여기 광원을 제공할 수 있다.
제1도 또는 제7도의 구조에 의하면, 외피(22)는 하나의 여기 광선이 약 2㎝의 길이내에서 ND : YAG광섬유(14)를 통하여 약 100회 반사되어 통과하도록 하여 주는 높은 공동을 형성한다. 그러므로, 하나의 광선이 ND : YAG광섬유(14)를 측방향으로 통과하는 경로는 이 물질내에서의 흡수기이보다 짧지만, 다수회의 반사 통과에 의하면 실질적인 비율의 여기 광선이 ND : YAG광섬유(14)내에 흡수될 수 있게 된다.
또한, 제1도에 도시된 구조는, 단부(18)(20)들이 적절하게 반사성으로 되어 있는 경우에, ND : YAG광섬유의 레이징 주파수에서의 광선에 대한 발진기 또는 광원을 제공한다. 즉, 레이징 주파수에서의 광선의 거의 100%를 반사하는 반사경을 광섬유(14)의 단부(18)에 배치시키고, 동일한 주파수에서의 광선의 적은 양을 반사하는 제2의 반사경을 광섬유(14)의 단부(20)에 배치하면, 제1도에 도시된 구조를 광섬유 레이저 광원으로 사용할 수 있는데, 이때 간섭성 광파는 광섬유(14)내의 길이(16)을 통해 전후로 반사되며, 이 간섭성 광파는 광섬유에 대한 레이징 주파수에서의 광선의 간접성 파두(波頭)로서 단부(20)에서 부분 반사경을 통해 방출된다.
제1도에 도시된 구조를 광원으로 사용하면, 여기 광원(24)(26)은 여기 파장에서 안정상태 광선 출력을 제공할 수 있는데, 이 경우에 연속적인 안정상태 광선 출력은 광섬유 소오스에 의해 제공된다. 한편, 광원(24)(26)으로부터의 여기 광선을 변조시키면, 변조된 출력이 제1도의 구조내에서 발생될 수 있다.
상술한 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 증폭될 신호를 신호 광섬유(14)내에서 안내하지만 증폭기시스템의 전체 외피(22)내에서는 여기 광선만을 안내하는 굴절률이 제공되도록 물질들을 적절하게 선택하면, 광섬유(14)의 직경이 여기 파장에서의 ND : YAG물질의 흡수길이보다 짧은 경우에 있어서도, 전체적인 공동구조내에서의 다수의 반사에 의해 ND : YAG광섬유(14)가 측면 여기되도록 하여주는, 소형이며 비교적 높은 이득을 갖는 증폭기 시스템이 얻어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 간섭성 광선을 발생시키기 위한 광섬유 장치에 있어서, 제1의 굴절률을 갖고 있는 제1광섬유(12), 상기 제1의 굴절률보다 높은 제2의 굴절률을 갖고 있는 레이즈되는 능동 레이징 물질로 도프되고 상호 작용 영역(16)을 형성하도록 상기 제1광섬유와 상당히 근접하게 위치된 제2의 광섬유(14), 상기 제2광섬유(14)의 상기 레이징물질을 여기시키도록 상기 제1광섬유(12)내에 광선을 도입시키기 위한 광원(24, 26), 및 광선을 상기 제1광섬유(12)로부터 상기 제2광섬유(14)로 전달되게 하는 반면 상기 제2광섬유(14)로부터 상기 제1광섬유(12)로 광선의 전달을 방지하고 상기 제2굴절률 미만이나 상기 제1굴절률 이상인 굴절률을 갖고 있는 외피(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  2. 제1항에 있어서, 레이즈되는 상기 물질로부터 자연적인 간섭성 광선 방출을 유도하는 광신호를 상기 제2광섬유(14)내에 발생시키기 위한 광원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광신호가, 상기 제2광섬유(14)의 상기 물질의 레이징 주파수와 동일한 주파수를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2광섬유(14)의 상기 굴절률 및 상기 외피(22)의 상기 굴절률이 상기 광섬유(14)내에 상기 광신호를 안내하는 것을 특징으로 하는 광섬유장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1광섬유(12)의 상기 굴절률 및 상기 외피(22)의 상기 굴절률이 상기 제1광섬유(12)내로 도입되는 상기 광선을 상기 제1광섬유(12)내에 안내되는 것으로부터 금지시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 광섬유장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 외피(22)가 상기 외피(22)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖고 있는 물질을 둘러싸여져 있는 광섬유 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2광섬유(14)가 ND : YAG물질로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1(12) 및 제2(14) 광섬유가 하나의 외부 광섬유 표면(34,36)을 따라 각각 연마되고, 상기 연마된 표면(34,36)이 상기 상호작용 영역(16)을 형성하도록 겹쳐 놓여지도록 되어 있는 광섬유 장치.
  9. 제1항에 있어서, 광선을 상기 제1광섬유(12)내에 도입시키기 위한 상기 광원(24,26)이, 상기 제2광섬유(14)의 상기 레이징 물질의 흡수 스펙트럼의 피이크에 대응하는 파장을 갖고 있는 광선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 광섬유장치.
  10. 제1항에 있어서, 광선을 상기 제1광섬유(12)내에 도입시키기 위한 상기 광원(24,26)이, 상기 제2광섬유(14)의 상기 레이징 물질을 대칭적으로 여기시키도록 상기 제1광섬유(12)를 따라 양방향으로 광선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 광섬유장치.
  11. 제1항에 있어사, 상기 제2광섬유(14)내로 여기시키도록 광신호를 도입시키기 위한 광원을 포함하고, 상기 제1광섬유(12)내로 광선을 도입시키기 위한 상기 광원(24,26)이 상기 제2광섬유(14)내로 여기되게 하도록 상기 광신호의 도입 이전이나 레이즈하는 상기 물질의 자연적인 완화 형광시간내에 상기 광선을 도입하는 것을 특징으로 하는 광섬유장치.
  12. 제19항에 있어서, 상기 제1광섬유(12)내로 광선을 도입시키기 위한 사이 광원(24,26)이 여기되려는 상기 광신호의 여기중에 감손되고 레이즈하는 상기 제2광섬유(14)의 상기 물질내의 이온을 재저장하기 위해 충분한 광선을 도입하는 것을 특징으로 하는 광섬유 장치.
  13. 제1굴절률을 갖고 있는 1광섬유(14)를 제공하는 단계, 상기 제1굴절률보다 높은 제2굴절률을 갖고 있는 레이즈되는 물질로 형성되는 제2광섬유(14)를 제공하는 단계, 상기 제2광섬유(14)의 상기 물질을 여기시키기 위해 상기 제1광섬유(12)로 여기 조명의 광원(24,26)과 결합하는 단계, 광선을 상기 제1광섬유(12)로부터 상기 제2광섬유(14)로 전달되게 하는 반면 상기 제2광섬유(14)로부터 상기 제1광섬유(12)로 광선의 전달을 방지하는 외피(22)를 제공하는 단계, 및 상기 제2굴절률미만이나 상기 상기 제1굴절률이상인 상기 투명 외피(22)의 굴절률을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선을 발생시키기 위한 방법.
  14. 제21항에 있어서, 레이즈되는 상기 물질의 간섭성 레이징을 유도하도록 상기 제2광섬유(14)내로 여기되게 하기 위한 신호를 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제21항에 있어서, 결합 여기 조명 단계가 레이즈되는 상기 물질의 흡수 스펙트럼내의 고흡수 레벨을 나타내는 주파수에서의 조명을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
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