WO2011059152A1 - 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기 및 이를 이용한 광 증폭 시스템 - Google Patents

프리즘 구조를 이용한 광 증폭기 및 이를 이용한 광 증폭 시스템 Download PDF

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WO2011059152A1
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김칠민
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서강대학교 산학협력단
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    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode

Definitions

  • the present invention relates to an optical amplification technique, and more particularly, by amplifying the light using an active medium of a prism structure, which enables the implementation of a miniaturized and simplified high power optical amplifier and prevents thermal distortion.
  • the present invention relates to an optical amplifier for improving space and resource efficiency and an optical amplification system using the same.
  • Optical amplifiers amplify light in optical networks to compensate for optical losses incurred during optical transmission, amplify the intensity of optical pulses in optical electronic circuits, or amplify laser light to create ultra high power lasers. It is used for a variety of applications, such as a wide range of optical devices, and the recent development of optical communication technology, laser technology and the like, the importance of the optical amplifier-related technology has been increasingly emphasized.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an optical communication system using an optical amplifier.
  • an optical fiber The optical signal transmitted through is attenuated to about 1/10 to 1/100 per 40 to 80 km due to scattering and absorption, as well as waveform distortion due to dispersion.
  • the optical signal is amplified by the optical amplifier 130 in the middle of transmission in order to compensate for the degradation of the transmission quality due to the attenuation and waveform distortion.
  • an optical amplifier amplifies the optical signal directly without converting the optical signal into an electrical signal.
  • the optical amplifier can amplify a series of wavelengths simultaneously, making it suitable for Dense Wave Division Multiplexing (DWDM).
  • DWDM Dense Wave Division Multiplexing
  • optical amplifiers can be classified into optical fiber amplifiers and semiconductor optical amplifiers (SOAs) according to amplification principles.
  • SOAs semiconductor optical amplifiers
  • an optical fiber amplifier transmits pump light to an optical fiber containing rare earth elements such as Erbium (Erbium) to excite the optical fiber, and amplifies the optical signal by passing the optical signal through the excited optical fiber.
  • Fiber amplifiers can be further classified into Erbium-Doped Fiber Amplifiers (EDFAs), Erbium-Doped Waveguide Amplifiers (EDWAs), Prasodymium-Doped Fluoride Fiber Amplifiers (PDFFAs), and Raman Amplifiers.
  • EDFAs Erbium-Doped Fiber Amplifiers
  • EDWAs Erbium-Doped Waveguide Amplifiers
  • PDFFAs Prasodymium-Doped Fluoride Fiber Amplifiers
  • Raman Amplifiers Raman Amplifiers.
  • Such an optical fiber amplifier can achieve high amplification by increasing the excitation output, which is suitable for high capacity communication.
  • the optical fiber amplifier is difficult to miniaturize, complex to implement, and requires a lot
  • a semiconductor optical amplifier generally has a double hetero-structure of the same type as a semiconductor laser, and unlike an optical fiber amplifier, an optical signal is applied by applying an electric field to both sides of a waveguide without using an excitation laser. Amplify. That is, when an electric field is applied, absorption and stimulated emission of photons occur. When photons are absorbed, electron-hole pairs are generated, and when electron-hole pairs are combined, photon induced emission occurs. At this time, in order to amplify the optical signal, the induced emission of photons should exceed the absorption.
  • SOA characteristics such as gain, center wavelength, and gain bandwidth are determined depending on the type and structure of the semiconductor material.
  • Such a semiconductor optical amplifier can be miniaturized and easy to implement. However, since the semiconductor optical amplifier has a small gain and a short time from an optical input to an output, it is difficult to apply to a DWDM transmission signal amplification having a high data transmission speed.
  • the optical amplifier is also used as a device for amplifying the laser light, in particular to make a high power laser light.
  • the development of an optical amplifier is essential for the oscillation of an extremely high power laser, and a method of passing laser light through the optical amplifier several times using a plurality of mirrors is generally used to amplify the laser light.
  • a Ti: Sapphire amplifier there is a Ti: Sapphire amplifier.
  • the amplified laser light is not only used for various scientific purposes, such as measurement of ultra-fine structure, frequency oscillation in the terahertz range, measurement of ultrafast events, but also for industrial processing or medical use. It is also being developed as a light source for fusion power generation using a laser.
  • the existing technology uses a plurality of mirrors, which is complicated in structure and requires delicate alignment of the mirrors, thereby increasing the cost of design and manufacturing.
  • the alignment of the mirrors are easily scattered, causing a large cost in maintenance and repair. These problems are more serious in the case of very high power lasers, which must repeat the amplification process.
  • the first technical problem to be solved by the present invention is to amplify the light using the active medium of the prism structure, thereby enabling the implementation of a miniaturized and simplified high-power optical amplifier and preventing thermal distortion, as well as space And to provide an optical amplifier for improving resource efficiency.
  • the second technical problem to be solved by the present invention is to amplify the light using the active medium of the prism structure, thereby enabling the implementation of a miniaturized and simplified high-power optical amplifier, preventing thermal distortion, as well as space and resources It is to provide an optical amplification system that improves the efficiency.
  • the incident surface portion in which light is incident into the active medium active medium
  • a reflective surface portion configured to circulate the incident light inside the active medium through total reflection at a critical angle to amplify the incident light
  • it provides an optical amplifier using a prism structure to amplify the light by exciting the active medium of the prism structure including the exit surface portion the amplified light is emitted from the inside of the active medium.
  • the incident surface portion and the exit surface portion the light is non-reflective incident to the inside of the active medium by Brewster's Angle or Anti-reflective Coating and from the inside of the active medium
  • the amplified light is emitted from the anti-reflective emission.
  • the prism structure of the active medium, the first prism structure and the second prism structure having a right isosceles triangular prism structure, respectively, the one end of the hypotenuse side and the exit surface portion and the exit surface portion And the hypotenuse-side bottom surfaces of the first prism structure and the second prism structure are mutually connected to each other so as to form the reflective surface portion.
  • the first prism structure and the second prism structure is a right-angled isosceles triangle prismatic structure of the same size.
  • the incident surface portion or the emission surface portion, the length on the hypotenuse of the first prism structure or the second prism structure is in the range of more than the wavelength length of the light incident or emitted, and less than half of the hypotenuse length, respectively. Included.
  • the prism structure of the active medium through the exit surface portion of the first unit prism structure using the structure where the first prism structure and the second prism structure are connected to each other as a unit prism structure.
  • a cascade connection structure for allowing the emitted light to be incident through the incident surface portion of the second unit prism.
  • the prism structure of the active medium may include a first prism structure having a right isosceles triangle prism structure and a second prism structure having a right angle isosceles triangle prism structure having a smaller size than the first prism structure.
  • the hypotenuse side bottom of the first prism structure and the second prism structure includes the incident surface portion and the exit surface portion at one end of the hypotenuse side bottom surface of the first prism structure to form the hypotenuse of the first prism structure. It includes a structure aligned to the other end of the side bottom and connected to each other.
  • the hypotenuse length of the second prism structure is equal to or less than the length of the hypotenuse of the first prism structure minus the length of the wavelength of the incident light, and is included in at least half of the hypotenuse length of the first prism structure. do.
  • the active medium has a prism structure in which lateral curve processing is performed to compensate for internal thermal distortion.
  • the active medium comprises a solid, liquid or gaseous material that exhibits a gain for the incident light.
  • the optical amplifier may include: an entrance and exit surface unit to which light is incident into an active medium and light amplified from the inside of the active medium is emitted; And a reflecting surface portion configured to circulate and amplify the light incident to the entrance and exit surface inside the active medium through total reflection at a critical angle, and then reflect the active surface of the prism structure to emit the amplified light to the entrance and exit surface portion. To amplify the light.
  • the entrance and exit surface portion is such that the light is non-reflective incident into the inside of the active medium by the Brewster angle or anti-reflective coating and the amplified light is emitted from the inside of the active medium.
  • the optical amplifier includes a light separation unit for separating the incident or emitted light by distinguishing the polarization of the light incident or exited through the entrance and exit surface portion.
  • the prism structure of the active medium may further include a unit prism structure, wherein the unit prism structure may include light incident into or in the active medium of the unit prism structure.
  • a unit surface prism structure wherein the unit prism structure is configured to cause light incident or exited through the entrance / exit surface portion of the prism structure to be emitted or incident through the second entrance / exit surface portion of the unit prism structure, respectively.
  • the prism structure of the active medium may include a second unit in which light exiting or entering through the second entrance / exit surface portion of the first unit prism structure identical to the unit prism structure is the same as the unit prism structure, respectively. And a continuous connection structure for entering or exiting through the first entrance and exit surface portion of the prism structure.
  • the optical amplifier to solve the second technical problem as described above, the optical amplifier according to the embodiments; A medium excitation portion for exciting an active medium of the optical amplifier; And it provides an optical amplification system using a prism structure including a cooling unit for cooling the active medium.
  • the medium excitation portion excites the active medium using light, current, or discharge.
  • the medium excitation portion comprises a diode laser providing pump light for exciting the active medium.
  • the cooling unit cools the active medium on the upper surface, the lower surface, or both upper and lower surfaces of the active medium parallel to the light circulation path surface inside the active medium.
  • the cooling unit includes a hole through which the pump light for exciting the active medium passes, and the medium excitation unit emits the pump light through the hole to excite the active medium.
  • the present invention allows the light incident to the active medium of the prism structure to be carried out using total reflection, thereby enabling the implementation of a simple optical amplifier without a reflecting mirror or the like and providing an advantage of preventing thermal distortion.
  • the optical amplifier by allowing the optical amplifier to be implemented in a thin planar shape, it provides an advantage of enabling efficient cooling or temperature control on both the upper and lower sides of the active medium.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an optical communication system using an optical amplifier.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional Ti: Sapphire amplifier.
  • FIG 3 is a view showing an optical amplifier using a prism structure according to the first embodiment of the present invention.
  • 4A and 4B show light propagation paths in the active medium of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a view showing an optical amplifier using a prism structure according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows an optical amplifier using a prism structure according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a light propagation path in the laser medium of FIG. 6.
  • FIG 8 illustrates an optical amplifier using a prism structure according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an optical amplification system using a prism according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams showing an implementation example of an optical amplification system using a prism structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows an optical amplifier using a prism structure according to the first embodiment of the present invention.
  • the optical amplifier 300 is shown in a plan view
  • an active medium of the optical amplifier 300 is shown in a perspective view
  • the optical amplifier 300 includes active media 310 and 320 having a prism structure.
  • the optical amplifier 300 amplifies the light by using the active media 310 and 320 of the excited prism structure.
  • the active medium 310, 320 of the prism structure includes an incident surface portion 312, an emission surface portion 322, and a reflective surface portion 314, 316, 324, 326.
  • the light amplifier 300 the light is incident to the inside of the active medium (310, 320) through the incident surface portion 312, the light amplified through the exit surface portion 322 is the active medium 310 , 320 is emitted from the inside.
  • the incident surface portion 312 may allow the light to be incident irradiated by Brewster's Angle or Anti-reflective Coating, and the emission surface portion 322 may be formed by Brewster's angle or antireflection coating.
  • the amplified light may be emitted from the anti-reflective emission.
  • an organic-inorganic composite structure or recently introduced polystyrene-polymethylmethacrylate (PS-PMMA) block copolymer may be used as the material for the antireflective coating.
  • the reflective surface portions 314, 316, 324, and 326 circulate the incident light inside the active medium 310, 320 through total reflection by a critical angle, and then amplify the incident light, through the emission surface portion 322. The amplified light is emitted.
  • the reflective surface portions 314, 316, 324, and 326 use total reflection of light generated due to the refractive indices of the active media 310, 320.
  • the reflective surface portions 314, 316, 324, 326 are configured such that incident light maintains a total reflection critical angle with the reflective surface portions 314, 316, 324, 326 while the active medium 310, 320 is in progress.
  • total reflection coating may be used.
  • the active media 310 and 320 of the prism structure may be composed of one single prism or may be composed of a plurality of prisms.
  • the active medium 310, 320 may have a first prism structure 310 having the incident surface portion 312, and a second prism in contact with the first prism structure 310 and having the emission surface portion 322. It may include structure 320.
  • the first prism structure 310 and the second prism structure 320 are coupled to each other through the incident light to the internal path of the first prism structure 310 and the second prism structure 320.
  • the reflective surface portions 314, 316, 324, and 326 are circulated.
  • each of the first prism structure 310 and the second prism structure 320 may have a right-angled isosceles triangle prism structure, and in particular, may have the same size.
  • Figure 3 is shown in a form in which the hypotenuse side of the mutually opposite sides between the two identical orthogonal isosceles triangular prismatic structures (310, 320) slightly connected.
  • the present invention when the present invention is implemented using a right-angled isosceles triangular prism structure, the design is simplified and the manufacturing is easy.
  • the present invention is not limited thereto, and the present invention may be embodied in various forms of prism structures.
  • the prism structures 310 and 320 of the active medium have a first prism structure 310 and a second prism structure 320 having right angled isosceles triangle prisms, respectively.
  • the first prism structure 310 and the second prism structure 320 to form the reflective surface portions 314, 316, 324, and 326, including the incident surface portion 312 and the emission surface portion 322 in the portion.
  • the hypotenuse has a structure in which the base of the hypotenuse is deviated and connected to each other. Accordingly, the first prism structure 310 and the second prism structure 320 each include a contact surface which is in contact with each other on the hypotenuse side bottom surface of a right-angled isosceles triangle.
  • the incident surface portion 312 and the exit surface portion 322 are surfaces 312 and 322 other than the contact surface of the hypotenuse side surfaces of the first prism structure 310 and the second prism structure 320, respectively. Is formed.
  • the incident surface portion 312 or the emission surface portion 322 formed as described above has a length on the hypotenuse of the first prism structure 310 or the second prism structure 320 equal to or greater than the wavelength of the light incident or emitted.
  • the first prism structure 310 or the second prism structure 320 is included in the range less than half of the hypotenuse length.
  • the active medium may be configured to reflect light emitted from the first or second entrance and exit portions 312 or 322 to be reflected by the first or second entrance and exit portions 312 or 322, respectively.
  • the total reflection mirror may be formed on the first or second entrance and exit surface portion 312 or 322.
  • 4A and 4B show light propagation paths in the active medium of FIG. 3.
  • the incident light when the incident light reaches near the vertices 410 and 420 during the internal path of the active medium 300, the light is rotated in a counterclockwise direction in a counterclockwise direction. Changes will occur. The rotation direction change is due to the slight deviation of the vertices of the upper and lower prisms. In addition, the incident light starts to rotate in the counterclockwise direction and eventually exits the active medium 300 through the exit surface portion 322.
  • the path D where the light travels in the active medium 300 may be represented by Equation 1 below.
  • Equation 1 L is half the length of a right-sided isosceles triangle hypotenuse, d is the length of the first prism structure 310 and the second prism structure 320, that is, the first entrance and exit surface portion 312 or The length on the hypotenuse of the second entrance and exit surface portion 322 is shown.
  • L is 1 cm and d is 2 mm
  • the length D of the path through which light incident in the active medium travels is 20 cm.
  • This result corresponds to the effect of amplifying light by making a solid laser of 2 mm radius 40 cm long.
  • embodiments of the present invention can efficiently amplify the light incident to the optical amplifier by using a prism structure having a long optical path.
  • embodiments of the present invention can improve the space and resource efficiency by securing the optical path by utilizing the entire area inside the active medium (310, 320).
  • FIG 5 shows an optical amplifier using a prism structure according to a second embodiment of the present invention.
  • the optical amplifier 500 includes an active medium 510, 520, 530 of a prism structure.
  • the active media 510, 520, and 530 of the prism structure have a prism structure as shown in FIG. 3, that is, a prism structure in which the first prism structure 310 and the second prism structure 320 are connected to each other as a unit prism structure.
  • An active medium including a cascade connection structure in which light emitted from the exit surface portion 514 of the first unit prism structure 510 is incident on the incident surface portion 522 of the second unit prism structure 520. It can extend the optical path within.
  • three unit prism structures 510, 520, and 530 are connected in series.
  • the light incident on the incident surface portion 512 of the first unit prism structure 510 is incident to the inside of the second unit prism structure 520 and the inside of the second unit prism structure 520 as described above.
  • the light is incident into the third unit prism structure 530 through the exit surface portion 524 of the second unit prism structure 520 and the incident surface portion 532 of the third unit prism structure. do.
  • the incident light circulates through the internal paths of the entire prism structures 510, 520, and 530, and is then output through the exit surface 534 of the third unit prism structure 530.
  • the active medium of the prism structure combined by continuously connecting the unit prism structures may extend the light propagation path by the number of unit prisms used in the combination as compared with the active medium of FIG. 3.
  • the prism structure is continuously connected on a two-dimensional plane is shown in Figure 5, in the application of the continuous connection method, not only on the two-dimensional plane, but also the system environment, designers or manufacturers intended to apply the embodiments of the present invention Etc., three-dimensionally connected.
  • the n th unit prism structure and the n + 1 th unit prism structure are continuously connected, the n th unit prism structure may be implemented to be connected in the vertical direction.
  • the prism structure in the continuous connection state may be implemented by connecting a plurality of individual unit prism structures, or may be implemented as one single prism structure.
  • the optical amplifier 500 reduces the divergence angle of the light emitted to the exit surface 514 of the first unit prism structure 510 by using one or two or more optical lenses
  • the lens module may further include a lens module configured to allow the light having a reduced divergence angle to be incident on the incident surface portion 522 of the second unit prism 520.
  • the second unit prism 520 may be disposed at the first unit prism 510. It is possible to reduce the divergence angle of the light transmitted to.
  • the lens module may also be included in the exit surface portion 524 of the second unit prism 520.
  • FIG. 6 shows an optical amplifier using a prism structure according to a third embodiment of the present invention.
  • the optical amplifier 600 may include active media 610 and 620 having a prism structure, and may further include an optical separation unit 630. .
  • the optical amplifier 600 amplifies the incident light using the active media 610 and 620 of the excited prism structure.
  • the active media 610 and 620 of the prism structure may include an entrance and exit surface portion 612, and a reflective surface portion 614, 616, 622, 624.
  • the entrance and exit surface portion 612 includes the entrance surface portion and the exit surface portion.
  • the entrance and exit surface portion 612 may be such that the light is non-reflective incident by the Brewster angle or anti-reflective coating and the amplified light is not emitted.
  • the reflective surface portions 614, 616, 622, and 624 allow the light incident on the entrance and exit surface portion 612 to be amplified by circulating inside the active medium 610 and 620 through total reflection at a critical angle.
  • the amplified light is emitted through the slope portion 612.
  • the reflective surface portions 614, 616, 622, and 624 may use total reflection of light generated due to the refractive indices of the active media 610 and 620.
  • the reflective surface portions 614, 616, 622, 624 are configured such that incident light maintains a total reflection critical angle with the reflective surface portions 614, 616, 622, 624 while the active medium 610, 620 is in progress.
  • total reflection coating may be used. As such, light is amplified through the excited active media 610 and 620.
  • the prism structures 610 and 620 of the active medium may be configured as a single prism structure or may be configured as a plurality of prism structures.
  • the prism structures 610 and 620 may include a first prism structure 610 having the entrance and exit surface portion 612, and a second prism structure 620 in contact with the first prism structure 610.
  • the first prism structure 610 and the second prism structure 620 pass the light incident through mutual contact to the internal paths of the first prism structure 610 and the second prism structure 620. Reflecting surface portions 614, 616, 622, and 624 are formed.
  • each of the first prism structure 610 and the second prism structure 620 may be a right-angled isosceles triangle prism structure, and in particular, may have a different size.
  • FIG. 6 illustrates two right angled isosceles triangular prismatic structures 610 and 620 having different sizes aligned to one side and the bottom side of the hypotenuse side is connected to each other.
  • the present invention When the present invention is implemented in a right angle isosceles triangular prism structure, there is an advantage that the design is simplified and easy to manufacture.
  • the present invention is not limited thereto, and the present invention can be implemented with various types of prisms.
  • the prism structures 610 and 620 may include a first prism structure 610 having a right isosceles triangle prism structure and a right isosceles triangle prism structure having a smaller size than the first prism structure.
  • the first prism structure 610 such that the second prism structure 620 forms the reflective surface portions 614, 616, 622, and 624, including the entrance and exit surface portion 612 at one end of the hypotenuse side bottom surface of the first prism structure.
  • the hypotenuse-side bottom surface of the second prism structure 620 are aligned to the other end of the hypotenuse-side bottom surface of the first prism structure 610 to be connected to each other.
  • each of the first prism structure 610 and the second prism structure 620 includes a contact surface that is in contact with the bottom side of the hypotenuse side of the right isosceles triangle.
  • the entrance and exit surface portion 612 is formed on a surface other than the contact surface of the hypotenuse side bottom surface of the first prism structure 610.
  • the entrance and exit surface portion 612 formed as described above is included in a range in which the length on the hypotenuse of the first prism structure 610 is greater than or equal to the wavelength of the incident light and is less than half the hypotenuse length of the first prism structure 610. do.
  • the hypotenuse of the second prism structure 620 is less than or equal to the hypotenuse length of the first prism structure 610 minus the length of the wavelength of light emitted from the hypotenuse of the first prism structure 610. It is included in the range more than half of the length.
  • FIG. 7 shows the path of light travel in the laser medium of FIG. 6.
  • the light propagation path in the active medium may be expressed by Equation 2.
  • L represents the length of the oblique side of the rectangular isosceles triangle hypotenuse, the length of the oblique side of the entrance and exit surface portion 612.
  • L represents the length of the oblique side of the rectangular isosceles triangle hypotenuse, the length of the oblique side of the entrance and exit surface portion 612.
  • the light separation unit 630 separates the incident or exiting light by dividing the polarization of the incident or exiting light through the entrance and exit surface unit 612. That is, the light splitter 630 may include a quarter wave plate, a half wave polarizer, and a semi-reflective mirror when the incident surface and the exit surface are formed at the same point in an active medium having a prism structure. , Glan-Thompson prism, Glan polarizing prism, Nicol prism, Rochon prism, Wallston prism, Senarment prism, or the like, or a combination thereof to distinguish the polarization of the light entering and exiting the active medium (610, 620) Light incident or exiting at 610 and 620 may be separated.
  • FIG 8 shows an optical amplifier using a prism structure according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the optical amplifier 800 may include active media 810, 820, and 830 having a prism structure, and may further include an optical splitter 840.
  • the active medium of the prism structure may include a prism structure 830 as shown in FIG. 6 and one or more prism structures 810 and 820 as shown in FIG. 3 as a unit prism structure.
  • the unit prism structure 820 may include a first entrance and exit surface 822, a second entrance and exit surface 824, and a reflective surface portion 820.
  • the unit prism structure 820 In the unit prism structure 820, light is incident into the active medium through the first entrance and exit surface 822 and the second entrance and exit surface 824, and light is emitted from the inside of the active medium to the outside.
  • the reflective surface 820 circulates the light incident through the first entrance and exit surface 822 in the active medium through total reflection at a critical angle, and then emits the light through the second entrance and exit surface 824.
  • the light incident through the second entrance and exit surface 824 is circulated in the active medium through total reflection at a critical angle, and then exits through the first entrance and exit surface 822.
  • the prism structures 810, 820, and 830 of the active medium In the prism structures 810, 820, and 830 of the active medium, light incident or exiting through the entrance / exit surface portion 832 of the prism structure 830 as illustrated in FIG. 6 is included in the second prism structure of the unit prism structure 820.
  • a light propagation path in the active medium may be further extended, including a structure that emits or enters through the entrance and exit surface 824.
  • the prism structures 810 to 830 of the active medium may be formed through the first entrance and exit surface 812 of the first unit prism structure 810 using the unit prism structure 810 or 820. Continuous connection that is incident and the light exiting through the second entrance and exit surface portion 814 of the first unit prism structure 810 is incident through the first entrance and exit surface portion 822 of the second unit prism structure 820 ( Including the cascade connection structure, the light emitted through the second entrance and exit surface 824 of the final unit prism structure 820 may be incident through the entrance and exit surface 832 of the prism structure 830 of FIG. 6. .
  • Figure 8 shows a prism structure continuously connected on a two-dimensional plane, in the application of the continuous connection method, not only on the two-dimensional plane, but also according to the system environment, designer or manufacturer intention to which the present invention is applied, Can be connected in three dimensions.
  • the n th unit prism structure and the n + 1 th unit prism are continuously connected, the n th unit prism structure may be implemented to be connected in the vertical direction.
  • the prism structure in the continuous connection state may be implemented by connecting a plurality of individual unit prism structures, or may be implemented as one single prism structure.
  • the optical splitter 840 like the optical splitter 630 of FIG. 6, has a quarter wave plate when an incident surface and an exit surface are formed at the same point in an active medium having a prism structure. And exit from the active medium 610 and 620 through a 1/2 wavelength polarizer, a semi-reflective mirror, a Glan-Thompson prism, a Glan polarized prism, a Nicol prism, a Rochon prism, a Wallston prism, a Senarment prism, or a combination thereof.
  • the polarized light may be divided to separate light incident or exited from the active media 610 and 620.
  • prismatic structures such as prismatic structures
  • the length, structure, and the like of the incident surface portion, the exit surface portion, the entrance and exit surface portion according to the diameter of the laser light, the thickness of the prism structure, and the like can be modified according to the situation.
  • the optical amplifier using the prism structure according to the present invention may use a prism structure in which side curve processing is performed to compensate for thermal distortion occurring inside the active medium. That is, the side surface of a prism structure can be used by carrying out a curved process in the form of a circle, an ellipse, a parabola, etc.
  • the active medium of the prism structure used in the present invention may include a solid, liquid, or gaseous material as a medium that gains light to the light incident on the active medium, such as a medium having an inverted distribution. That is, the present invention can be implemented using not only various solid materials but also liquid materials or gaseous materials.
  • various solid materials such as Nd: YAG, Nd: Glass, Ti: Sapphire, and Ruby, and various types of semiconductors such as GaAs and GaN can be easily manufactured. The reason is that the solid material and the semiconductor can know the refractive index of the medium so that the optical amplifier of various prism structures can be designed by calculating the angle at which total reflection occurs in the medium.
  • the total reflection using the refractive index difference between the container and the container and the filling material can be designed to occur. It is also possible to create the same structure using mirrors. Therefore, an optical amplifier using various liquid materials or gaseous materials can be easily manufactured.
  • FIG. 9 is a block diagram showing an optical amplification system using a prism according to an embodiment of the present invention.
  • the optical amplification system includes an optical amplifier 900, a medium excitation unit 910, and a cooling unit 920, and includes lens units 930 and 932 and an optical separation unit 940. It may further include.
  • the optical amplifier 900 amplifies the incident light using the active medium of the prism structure excited as described above.
  • the medium excitation unit 910 excites the active medium of the optical amplifier 900 so that the incident light is amplified while circulating inside the active medium of the prism structure.
  • the medium excitation unit 910 may use lamp light, laser light, semiconductor laser light, or current or discharge to excite the active medium of the optical amplifier 900.
  • the medium excitation unit 910 may include a diode laser to provide pump light for exciting the active medium of the optical amplifier 900.
  • one or two or more diode lasers may be used to use diode laser light, or one or two or more diode laser arrays may be used.
  • the medium excitation unit 910 when the medium excitation unit 910 excites the active medium of the optical amplifier 900 by light, the medium excitation unit 910 may use an optical fiber transmission method through an optical fiber.
  • the cooling unit 920 cools the active medium on the upper surface, the lower surface, or both upper and lower surfaces of the active medium parallel to the optical circulation path surface inside the active medium of the optical amplifier 900.
  • the lens units 930 and 932 are light incident on the optical amplifier 900 using one or two or more optical lenses, light emitted from the optical amplifier 900, or both light incident and emitted. Reduce the divergence angle of all. That is, the lens units 930 and 932 include a first lens unit 930 and a second lens unit 932 and are incident to the optical amplifier 900 through the first lens unit 920. Reduce the divergence angle of the light, reduce the divergence angle of the light emitted from the optical amplifier 900 through the second lens unit 932, or the first lens unit 930 and the second lens unit Through 932, the divergence angle of both the incoming and outgoing light can be reduced.
  • the light separation unit 940 may further include a light separation unit 940 for separating the incident or exiting light by dividing the polarization of the light emitted from the 900.
  • the light separation unit 940 may include a quarter wave plate, a half wave polarizer, a half reflection mirror, a Glan-Thompson prism, a Glan polarization prism, a Nicol prism, a Rochon prism, a Wallston prism, Senarment prisms can be used.
  • FIGS. 10A and 10B illustrate an embodiment of an optical amplification system using a prism structure according to an embodiment of the present invention.
  • the optical amplification system is shown in front view in FIG. 10A, and the optical amplification system is shown in perspective view in FIG. 10B.
  • the optical amplification system includes an active medium 900 having a prism structure, a medium excitation portion 910 for exciting the active medium 900, and the active medium 900. It may include a cooling unit 920 to cool.
  • the medium excitation portion 910 may include a diode laser for providing pump light for exciting the active medium 900.
  • a diode laser for providing pump light for exciting the active medium 900.
  • one or two or more diode lasers may be used to use diode laser light, or one or two or more diode laser arrays may be used.
  • the cooling unit 920 may cool the laser medium on an upper surface, a lower surface, or both upper and lower surfaces of the active medium 900 that are parallel to the light circulation path surface inside the active medium 900.
  • the active medium 910 may be manufactured in a thin flat form, and the cooling unit 920 may perform cooling over a large area at upper and lower portions of the thin plane, thereby improving cooling efficiency.
  • the medium excitation unit 910 may excite the active medium 900 at the side of the active medium 900.
  • the cooling unit 920 may cool the active medium 900 using a peltier cooler or a water cooler. For example, after attaching a metal plate to the upper and lower surfaces of the active medium 900, the metal plate may be cooled by water or by using a Peltier cooler together.
  • the medium excitation 910 excites the active medium 900 at the side of the active medium 900, but according to an embodiment the top or bottom, or the top and bottom, or the top and bottom And a combination of sides.
  • the cooling unit 930, 932 has a hole through which the pump light can pass.
  • the medium excitation unit 910 may excite the active medium 900 by emitting the pump light through the hole.
  • pump light may be incident on the entrance and exit surfaces of the active medium 900 to excite the active medium 900.
  • the optical amplification system may separate the amplified light and the pump light through the active medium 900 by using a multi-coated mirror, or polarized light such as a Glan prism.
  • the optical path is maintained as it is, and there is no need to arrange and arrange a plurality of mirrors, thereby minimizing the problem due to thermal distortion. To provide.
  • the present invention by advancing the light incident on the active medium of the prism structure using total reflection, enables the implementation of a simple optical amplifier without a reflecting mirror or the like and has the advantage of preventing thermal distortion to provide.
  • the incident light by allowing the incident light to circulate throughout the active medium region of the prism structure to ensure a sufficiently long optical path, high power optical amplification and space and resource efficiency are improved.
  • the optical amplifier by allowing the optical amplifier to be implemented in a thin planar shape, it provides an advantage of enabling efficient cooling or temperature control on both the upper and lower sides of the active medium.

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Abstract

본 발명은 광 증폭 기술에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기는, 여기된 프리즘 구조의 능동 매질(active medium)을 이용하여 광을 증폭시키고, 상기 프리즘 구조의 능동 매질은, 상기 능동 매질의 내부로 상기 광이 입사되는 입사면부; 상기 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질 내부에서 순환시켜 증폭되도록 하는 반사면부; 및 상기 증폭된 광이 상기 능동 매질의 내부로부터 출사되는 출사면부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 소형화 및 단순화된 고출력 광 증폭기의 구현을 가능하게 하고 열적 왜곡 현상을 방지함은 물론, 공간 및 자원 효율성을 개선한다.

Description

프리즘 구조를 이용한 광 증폭기 및 이를 이용한 광 증폭 시스템
본 발명은 광 증폭 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 프리즘 구조의 능동 매질을 이용하여 광을 증폭시킴으로써, 소형화 및 단순화된 고출력 광 증폭기의 구현을 가능하게 하고 열적 왜곡 현상을 방지함은 물론, 공간 및 자원 효율성을 개선하는 광 증폭기 및 이를 이용한 광 증폭 시스템에 관한 것이다.
광 증폭기(optical amplifier)는, 광 통신망에서 광을 증폭시켜 광 전송 시 발생하는 광 손실을 보상하거나, 광 전자회로에서 광 펄스의 세기를 증폭시키거나, 또는 레이저 광을 증폭시켜 초 고출력 레이저를 만들기 위해 사용되는 등 그 적용 분야가 다양하고 광범위한 광학 소자에 해당하며, 최근 광 통신 기술, 레이저 기술 등의 급속한 발전에 따라 광 증폭기 관련 기술의 중요성이 더욱 강조되고 있는 추세이다.
도 1에는 광 증폭기를 사용하는 광 통신 시스템이 블록도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 송신측(110)에서 광송신기(120)를 통해 광신호를 전송하고 광수신기(140)를 통해 수신측(150)에서 상기 전송된 광신호를 수신하는 경우, 광섬유를 통해 전송되는 광신호는 산란, 흡수 등에 의해 약 40 ~ 80km 당 약 1/10~1/100로 감쇠함은 물론 분산에 의한 파형 왜곡이 발생한다. 이와 같은 감쇠와 파형 왜곡에 따른 전송 품질의 열화를 보상하기 위해 전송 중간에 광 증폭기(130)를 통해 광신호를 증폭한다. 이러한 광 증폭기는 광 중계기와는 달리, 광신호를 전기신호로 변환하지 않고 직접 증폭한다. 더욱이 광 증폭기는 일련의 파장을 동시에 증폭할 수 있어 DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)에 적합하다.
이러한 광 증폭기는 증폭 원리에 따라 광섬유 증폭기와 반도체 광증폭기(Semiconductor Optical Amplifier: SOA)로 구분할 수 있다.
광섬유 증폭기는 일반적으로 어븀(Erbium; Er)과 같은 희토류 원소가 포함된 광섬유에 펌프(pump) 광을 전송하여 광섬유를 여기시키고, 상기 여기된 광섬유를 통해 광신호 통과시켜 상기 광신호를 증폭한다. 광섬유 증폭기는 다시 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier), EDWA(Erbium-Doped Waveguide Amplifier), PDFFA(Praseodymium-Doped Fluoride Fiber Amplifier) 그리고 라만 증폭기(RAMAN Amplifier) 등으로 구분할 수 있다. 이러한 광섬유 증폭기는 여기 출력을 높이면 높은 증폭도를 얻을 수 있어 대용량 통신에 적합하다. 그러나, 광섬유 증폭기는 소형화가 곤란하고 구현이 복잡하며, 제조, 배치, 유지 및 보수에 많은 비용과 노력을 요하는 문제점이 있다.
반도체 광증폭기(SOA)는 일반적으로 반도체 레이저와 같은 형태의 이중 이종접합 구조(double hetero-structure)를 가지고 있으며, 광섬유 증폭기와는 달리 여기 레이저를 사용하지 않고 도파로 양측에 전계를 인가함으로써 광신호를 증폭한다. 즉, 전계가 인가되면 광자(photon)의 흡수와 유도 방출(stimulated emission)이 일어나는데, 광자가 흡수되면 전자-정공 쌍이 생기고, 전자-정공 쌍이 결합되면 광자의 유도방출이 일어난다. 이때, 광신호를 증폭하기 위해서는 광자의 유도방출이 흡수를 상회해야 한다. 한편, 이득, 중심파장, 이득의 대역폭 등 SOA의 특성은 반도체 재료의 종류와 구조에 따라 결정된다. 이러한 반도체 광증폭기는 소형화가 가능하고 구현이 용이하다. 그러나, 반도체 광증폭기는 이득이 작고, 광 입력부터 출력까지의 시간이 짧기 때문에 데이터 전송 속도가 빠른 DWDM 전송신호 증폭 등에 적용하기 곤란한 문제점이 있다.
한편, 광 증폭기는 레이저 광을 증폭시키는 장치로도 사용되며, 특히 고출력 레이저 광을 만들기 위하여 사용된다. 극 고출력 레이저의 발진을 위해서는 광 증폭기의 개발이 필수적이며, 현재 레이저 광을 증폭하기 위해 다수의 거울을 이용하여 레이저 광을 여러 번 광 증폭기로 통과시키는 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 예컨대, Ti:Sapphire 증폭기 등이 있다.
도 2에는 기존의 Ti:Sapphire 증폭기가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, Ti:Sapphire 레이저를 모드락킹 시킨 후 수 펨토초[fs]에 이르는 시간 폭을 지닌 극초단 광 펄스들이 나오면, 상기 광 펄스들 중 하나를 추출하고 회절격자를 이용하여 상기 추출된 광 펄스의 펄스 폭을 증가시킨다. 그 다음, Ti:Sapphire 증폭기의 Ti:Sapphire rod(200)에 복합적인 거울들(210, 220)을 이용하여 상기 펄스 폭이 증가된 광 펄스를 통과시켜 상기 추출된 광 펄스의 첨두 출력을 증가시킨다. 그 다음, 회절격자를 이용하여 다시 상기 펄스 폭이 증가된 광 펄스의 펄스 폭을 줄이면 극초단의 고출력 광 펄스가 얻어진다. 이때, Ti:Sapphire 증폭기는 녹색 레이저 광으로 여기시킨다. 이와 같은 방식으로 극초단 레이저 광을 증폭시킨다. 상기 증폭된 레이저 광은 초미세구조의 측정, 테라 헤르쯔 범위의 주파수 발진, 초고속 현상(ultrafast event)의 측정 등 여러 가지 과학적 용도로 사용될 뿐 아니라 산업용으로 가공용으로 혹은 의료용으로 사용되며, 최근에는 극 고출력 레이저를 이용한 핵융합 발전의 광원으로도 개발되고 있다. 그러나, 도 2와 같이 기존 기술은 다수의 거울을 사용하므로 구조가 복잡하고, 거울들의 섬세한 정열을 요하므로 설계 및 제조 시 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또한, 거울들의 정열이 쉽게 흩뜨려져 유지 및 보수에 많은 비용을 초래하는 문제점이 있다. 이러한 문제점들은 상기 증폭 과정을 반복 수행해야 하는 초고출력 레이저들의 경우 더욱 심각하게 나타난다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 프리즘 구조의 능동 매질을 이용하여 광을 증폭시킴으로써, 소형화 및 단순화된 고출력 광 증폭기의 구현을 가능하게 하고 열적 왜곡 현상을 방지함은 물론, 공간 및 자원 효율성을 개선하는 광 증폭기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 프리즘 구조의 능동 매질을 이용하여 광을 증폭시킴으로써, 소형화 및 단순화된 고출력 광 증폭기의 구현을 가능하게 하고 열적 왜곡 현상을 방지함은 물론, 공간 및 자원 효율성을 개선하는 광 증폭 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 능동 매질(active medium)의 내부로 광이 입사되는 입사면부; 상기 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질 내부에서 순환시켜 증폭되도록 하는 반사면부; 및 상기 증폭된 광이 상기 능동 매질의 내부로부터 출사되는 출사면부를 포함하는 프리즘 구조의 능동 매질을 여기시켜 광을 증폭하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 입사면부 및 상기 출사면부는, 브루스터 각(Brewster's Angle) 또는 무반사 코팅(Anti-reflective Coating)에 의해 상기 능동 매질의 내부로 상기 광이 무반사 입사되고 상기 능동 매질의 내부로부터 상기 증폭된 광이 무반사 출사되도록 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제1 프리즘 구조 및 제2 프리즘 구조가 각각 빗변 측 밑면 일단부에 상기 입사면부 및 상기 출사면부를 포함하면서 상기 반사면부를 형성하도록 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 측 밑면이 비켜서 상호 연접되어 있는 구조를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조는, 동일 크기의 직각이등변삼각형 프리즘 구조이다.
일 실시예에 있어서, 상기 입사면부 또는 상기 출사면부는, 각각 상기 제1 프리즘 구조 또는 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 상에서의 길이가 입사 또는 출사되는 광의 파장 길이 이상, 상기 빗변 길이의 절반 이하 범위에 포함된다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조가 상호 연접되어 있는 상기 구조를 단위 프리즘 구조로 하여 제1 단위 프리즘 구조의 출사면부를 통해 출사되는 광이 제2 단위 프리즘의 입사면부를 통해 입사되도록 하는 연속 연결(cascade connection) 구조를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제1 프리즘 구조 및 상기 제1 프리즘 구조보다 작은 크기의 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제2 프리즘 구조가 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 측 밑면 일단부에 상기 입사면부 및 상기 출사면부를 포함하면서 상기 반사면부를 형성하도록 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 측 밑면이 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 측 밑면 타단부 쪽으로 정렬되어 상호 연접되어 있는 구조를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 길이는, 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 길이에서 입출사되는 광의 파장 길이를 뺀 길이 이하, 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 길이의 절반 이상 범위에 포함된다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질은, 내부의 열적 왜곡 현상을 보상하는 측면 곡선 가공 처리가 수행된 프리즘 구조를 지닌다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질은, 상기 입사된 광에 대하여 이득을 나타내는 고체, 액체 또는 기체 물질을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 증폭기는, 능동 매질의 내부로 광이 입사되고 상기 능동 매질의 내부로부터 증폭된 광이 출사되는 입출사면부; 및 상기 입출사면부로 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질 내부에서 순환시키며 증폭되도록 한 후, 상기 입출사면부로 상기 증폭된 광을 출사시키는 반사면부를 포함하는 프리즘 구조의 능동 매질을 여기시켜 광을 증폭한다.
일 실시예에 있어서, 상기 입출사면부는, 브루스터 각 또는 무반사 코팅에 의해 상기 능동 매질의 내부로 상기 광이 무반사 입사되고 상기 능동 매질의 내부로부터 상기 증폭된 광이 무반사 출사되도록 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 증폭기는, 상기 입출사면부를 통해 입사 또는 출사되는 광의 편광을 구분하여 상기 입사 또는 출사되는 광을 분리해내는 광 분리부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 단위 프리즘 구조를 더 포함하고, 상기 단위 프리즘 구조는, 상기 단위 프리즘 구조의 능동 매질 내부로 광이 입사되거나 상기 단위 프리즘 구조의 능동 매질 내부로부터 상기 입사된 광이 출사되는 제1 입출사면부 및 제2 입출사면부; 및 상기 제1 입출사면부 또는 상기 제2 입출사면부로 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 단위 프리즘 구조의 능동 매질 내부에서 순환시킨 후 각각 상기 제2 입출사면부 또는 상기 제1 입출사면부를 통해 출사시키는 반사면부를 포함하고, 그리고 상기 단위 프리즘 구조는, 상기 프리즘 구조의 상기 입출사면부를 통해 입사 또는 출사되는 광이 각각 상기 단위 프리즘 구조의 상기 제2 입출사면부를 통해 출사 또는 입사되도록 하는 구조이다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 상기 단위 프리즘 구조와 동일한 제1 단위 프리즘 구조의 제2 입출사면부를 통해 출사 또는 입사되는 광이 각각 상기 단위 프리즘 구조와 동일한 제2 단위 프리즘 구조의 제1 입출사면부를 통해 입사 또는 출사되도록 하는 연속 연결 구조를 포함한다.
상기와 같은 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 실시예들에 따른 광 증폭기; 상기 광 증폭기의 능동 매질을 여기시키는 매질 여기부; 및 상기 능동 매질을 냉각시키는 냉각부를 포함하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 매질 여기부는, 광, 전류, 또는 방전을 이용하여 상기 능동 매질을 여기시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 매질 여기부는, 상기 능동 매질을 여기시키기 위한 펌프광을 제공하는 다이오드 레이저(diode laser)를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각부는, 상기 능동 매질 내부에서의 광 순환 경로 면과 평행한 상기 능동 매질의 상부면 또는 하부면 또는 상하부 양면에서 상기 능동 매질을 냉각시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각부는, 상기 능동 매질을 여기시키기 위한 펌프광이 통과하는 홀(hole)을 구비하고, 상기 매질 여기부는, 상기 홀을 통해 상기 펌프광을 방출하여 상기 능동 매질을 여기시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 광 증폭 시스템은, 광학 렌즈를 이용하여 상기 광 증폭기로 입사되는 광, 또는 상기 광 증폭기에서 출사되는 광, 또는 상기 입·출사되는 광 양자 모두의 발산각을 감소시키는 렌즈부를 더 포함한다.
본 발명은, 프리즘 구조의 능동 매질로 입사된 광을 전반사를 이용하여 진행시킴으로써, 반사 거울 등을 포함하지 않는 단순한 구조의 광 증폭기 구현을 가능하게 하고 열적 왜곡을 방지하는 이점을 제공한다.
또한, 상기 입사된 광이 상기 프리즘 구조의 능동 매질 영역을 전체적으로 순환하도록 하여 충분히 긴 광 경로를 확보함으로써, 고출력 광 증폭을 가능하게 하고 공간 및 자원 효율성을 개선하는 이점을 제공한다.
나아가, 얇은 평면 형태로 광 증폭기를 구현할 수 있도록 함으로써, 능동 매질의 상하 양면에서 효율적 냉각 내지 온도 조절을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
도 1은 광 증폭기를 사용하는 광 통신 시스템을 나타낸 블록도.
도 2는 기존의 Ti:Sapphire 증폭기를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기를 나타낸 도면.
도 4a 및 도 4b는 도 3의 능동 매질 내에서의 광 진행 경로를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기가 도시되어 있다.
도 7은 도 6의 레이저 매질 내에서의 광 진행 경로를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘을 이용한 광 증폭 시스템을 나타낸 블록도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템의 구현 예를 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 기술적 과제의 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 3에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기가 도시되어 있다.
도 3의 (a)에는 상기 광 증폭기(300)가 평면도로 도시되어 있으며, (b)에는 상기 광 증폭기(300)의 능동 매질(active medium)이 사시도로 도시되어 있다. 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭기(300)는, 프리즘 구조의 능동 매질(310, 320)을 포함한다.
상기 광 증폭기(300)는, 여기된 상기 프리즘 구조의 능동 매질(310, 320)을 이용하여 광을 증폭시킨다. 이를 위해, 상기 프리즘 구조의 능동 매질(310, 320)은, 입사면부(312), 출사면부(322) 및 반사면부(314, 316, 324, 326)를 포함한다.
상기 광 증폭기(300)는, 상기 입사면부(312)를 통해 상기 능동 매질(310, 320)의 내부로 상기 광이 입사되고, 상기 출사면부(322)를 통해 증폭된 광이 상기 능동 매질(310, 320)의 내부로부터 출사된다.
상기 입사면부(312)는, 브루스터 각(Brewster's Angle) 또는 무반사 코팅(Anti-reflective Coating)에 의해 상기 광이 무반사 입사되도록 할 수 있으며, 상기 출사면부(322)도, 브루스터 각 또는 무반사 코팅에 의해 상기 증폭된 광이 무반사 출사되도록 할 수 있다. 상기 무반사 코팅을 위한 재료로는 유기-무기 복합구조나 최근 소개된 폴리스티렌-폴리메틸메타아크릴레이트(PS-PMMA) 블록공중합체 등이 사용될 수 있다.
상기 반사면부(314, 316, 324, 326)는, 상기 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질(310, 320) 내부에서 순환시켜 증폭되도록 한 후, 상기 출사면부(322)를 통해 상기 증폭된 광을 출사시킨다. 이때, 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)는 상기 능동 매질(310, 320)의 굴절률로 인하여 발생하는 광의 전반사를 이용한다. 예컨대, 입사된 광이 상기 능동 매질(310, 320) 내부에서 진행 중 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)와 전반사 임계각을 유지하도록 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)을 구성하거나, 전반사 코팅을 이용할 수 있다.
상기 프리즘 구조의 능동 매질(310, 320)은, 하나의 단일한 프리즘으로 구성될 수 있으며, 또한 복수 개의 프리즘으로 구성될 수도 있다. 예컨대, 상기 능동 매질(310, 320)은, 상기 입사면부(312)를 지니는 제1 프리즘 구조(310), 및 제1 프리즘 구조(310)와 연접하고 상기 출사면부(322)를 지니는 제2 프리즘 구조(320)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)는 상호 결합을 통해 상기 입사된 광을 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)의 내부 경로로 순환시키는 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)를 형성한다. 이때, 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)는, 각각 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지닐 수 있으며, 특히 동일한 크기일 수 있다.
이와 관련하여, 도 3에는 두 개의 동일한 직각이등변삼각형 프리즘 구조들(310, 320) 간에 상호 빗변 측 밑면이 약간 비켜서 연접되어 있는 형태로 도시되어 있다.
아래에서 다시 설명하겠지만, 본 발명을 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 이용하여 구현하는 경우, 설계가 단순화되고 제작이 용이한 이점이 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 다양한 형태의 프리즘 구조로 구현될 수 있음을 미리 밝혀둔다.
상기 제1 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 프리즘 구조(310, 320)는, 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제1 프리즘 구조(310) 및 제2 프리즘 구조(320)가 각각 빗변 측 밑면 일단부에 상기 입사면부(312) 및 상기 출사면부(322)를 포함하면서 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)를 형성하도록 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)의 빗변 측 밑면이 비켜서 상호 연접되어 있는 구조를 지니고 있다. 따라서, 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)는, 각각 직각이등변삼각형의 빗변 측 밑면에 상호 접촉하는 접촉면을 포함하게 된다. 그리고, 상기 입사면부(312) 및 상기 출사면부(322)는, 각각 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)의 빗변 측 밑면 중 상기 접촉면 이외의 면(312, 322)에 형성된다. 이와 같이 형성된 상기 입사면부(312) 또는 상기 출사면부(322)는, 각각 상기 제1 프리즘 구조(310) 또는 상기 제2 프리즘 구조(320)의 빗변 상에서의 길이가 입사 또는 출사되는 광의 파장 길이 이상, 상기 제1 프리즘 구조(310) 또는 상기 제2 프리즘 구조(320)의 빗변 길이의 절반 이하 범위에 포함된다.
한편, 실시예에 따라, 상기 능동 매질은, 상기 제1 또는 제2 입출사면부(312 또는 322)를 통해 출사되는 광이 각각 상기 제1 또는 제2 입출사면부(312 또는 322)에서 반사되어 상기 능동 매질 내부로 입사되도록 하는 전반사 코팅층(미도시)을 더 포함함으로써 전반사 거울을 상기 제1 또는 제2 입출사면부(312 또는 322)에 형성할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에는 도 3의 능동 매질 내에서의 광 진행 경로가 도시되어 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 광 버퍼의 상기 입사면부(312)로 광 펄스가 입사되면 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)에 의해 내부 경로를 따라 시계 방향으로 순환하면서 직선 운동을 하게 된다. 이 경우, 상기 반사면부(314, 316, 324, 326)에 부딪치는 광은 그 입사각이 임계각보다 크기 때문에 전반사가 일어나 광 손실 없이 상기 능동 매질(300)의 내부 경로를 계속 진행할 수 있다.
그 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 입사된 광은 상기 능동 매질(300)의 내부 경로를 진행하던 중 꼭지점(410, 420) 부근에 도달하게 되면 시계 방향에서 반시계 방향으로 회전 방향의 변경이 발생하게 된다. 상기 회전 방향 변경은 상·하부 프리즘의 꼭지점이 서로 약간 어긋나 있음에 기인한다. 그리고, 상기 입사된 광은 반시계 방향으로 회전을 시작하여 결국 상기 출사면부(322)를 통해 상기 능동 매질(300)의 외부로 출사하게 된다. 이 경우, 상기 광이 상기 능동 매질(300) 내에서 진행한 경로(D)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010002809-appb-M000001
상기 수학식 1에서, L은 직각이등변삼각형 빗변 길이의 절반, d는 상기 제1 프리즘 구조(310) 및 상기 제2 프리즘 구조(320)를 비켜 맞춘 길이, 즉 상기 제1 입출사면부(312) 또는 상기 제2 입출사면부(322)의 빗변 상의 길이를 나타낸다. 예컨대, L이 1cm, d가 2mm이면, 상기 능동 매질 내에서 입사된 광이 진행하는 경로의 길이 D는 20cm가 된다. 이러한 결과는, 2mm 반경의 고체 레이저를 40cm 길이로 만들어 광을 증폭하는 효과에 해당한다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들은 긴 광 경로를 지니는 프리즘 구조를 이용함으로써 광 증폭기로 입사되는 광을 효율적으로 증폭시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 상기 능동 매질(310, 320) 내부의 전체 영역을 활용하여 광 경로를 확보함으로써 공간 및 자원 효율성을 개선할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 제2 실시예 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭기(500)는, 프리즘 구조의 능동 매질(510, 520, 530)을 포함한다.
상기 프리즘 구조의 능동 매질(510, 520, 530)은, 도 3과 같은 프리즘 구조, 즉 제1 프리즘 구조(310) 및 제2 프리즘 구조(320)가 상호 연접되어 있는 프리즘 구조를 단위 프리즘 구조로 하여 제1 단위 프리즘 구조(510)의 출사면부(514)로 출사되는 광이 제2 단위 프리즘 구조(520)의 입사면부(522)로 입사되도록 하는 연속 연결(cascade connection) 구조를 포함하여 능동 매질 내에서의 광 경로를 연장할 수 있다. 도 5의 경우, 세 개의 단위 프리즘 구조(510, 520, 530)를 연속 연결한 경우이다. 따라서, 제1 단위 프리즘 구조(510)의 입사면부(512)로 입사된 광은, 상술한 바와 같이 제2 단위 프리즘 구조(520)의 내부로 입사되고 상기 제2 단위 프리즘 구조(520)의 내부 경로를 순환하면서 진행한 후, 상기 제2 단위 프리즘 구조(520)의 출사면부(524) 및 제3 단위 프리즘 구조의 입사면부(532)를 통해 상기 제3 단위 프리즘 구조(530)의 내부로 입사된다. 결국, 상기 입사된 광은 전체 프리즘 구조(510, 520, 530)의 내부 경로를 순환하며 진행한 후, 상기 제3 단위 프리즘 구조(530)의 출사면부(534)를 통해 출력된다. 따라서, 단위 프리즘 구조를 연속 연결하여 조합된 프리즘 구조의 능동 매질은, 도 3의 능동 매질에 비해 조합에 사용된 단위 프리즘의 개수만큼 광 진행 경로를 연장할 수 있게 된다. 또한, 도 5에는 2차원 평면상에서 연속 연결된 프리즘 구조가 도시되어 있으나, 상기 연속 연결 방식을 적용함에 있어서, 2차원 평면상에서뿐만 아니라, 본 발명의 실시예들이 적용되는 시스템 환경, 설계자 또는 제조자의 의도 등에 따라, 3차원적으로 연결될 수 있다. 예컨대, n 번째 단위 프리즘 구조와 n+1 번째 단위 프리즘 구조가 연속 연결되는 경우, 수직 방향으로 연결되도록 구현할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 연속 연결 상태의 프리즘 구조는 복수 개의 개별 단위 프리즘 구조들을 연결하여 구현할 수 있으며, 하나의 단일한 프리즘 구조로도 구현할 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서, 상기 광 증폭기(500)는, 1 또는 2 이상의 광학 렌즈를 이용하여 상기 제1 단위 프리즘 구조(510)의 출사면부(514)로 출사되는 광의 발산각을 감소시키고, 상기 발산각이 감소된 광이 상기 제2 단위 프리즘(520)의 입사면부(522)로 입사되도록 하는 렌즈 모듈을 더 포함하여, 상기 제1 단위 프리즘(510)에서 상기 제2 단위 프리즘(520)으로 전달되는 광의 발산각을 감소시킬 수 있다. 물론, 상기 제2 단위 프리즘(520)의 출사면부(524) 측에도 상기 렌즈 모듈을 포함할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기가 도시되어 있다.
도 6의 (a)에는 상기 광 증폭기(600)가 평면도로 도시되어 있으며, (b)에는 상기 광 증폭기(600)의 능동 매질(610, 620)이 사시도로 도시되어 있다. 도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭기(600)는, 프리즘 구조의 능동 매질(610, 620)를 포함하며, 광 분리부(630)를 더 포함할 수 있다.
상기 광 증폭기(600)는, 여기된 상기 프리즘 구조의 능동 매질(610, 620)을 이용하여 입사되는 광을 증폭시킨다. 이를 위해, 상기 프리즘 구조의 능동 매질(610, 620)은, 입출사면부(612), 및 반사면부(614, 616, 622, 624)를 포함할 수 있다.
상기 광 증폭기(600)는, 상기 입출사면부(612)를 통해 상기 능동 매질(610, 620)의 내부로 광이 입사되고, 상기 능동 매질(610, 620) 내부로부터 증폭된 광이 출사된다. 즉, 상기 입출사면부(612)는, 상기 입사면부 및 상기 출사면부를 포함하는 것이다. 이때, 상기 입출사면부(612)는, 브루스터 각 또는 무반사 코팅에 의해 상기 광이 무반사 입사되고 상기 증폭된 광이 무반사 출사되도록 할 수 있다.
상기 반사면부(614, 616, 622, 624)는, 상기 입출사면부(612)로 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질(610, 620) 내부에서 순환시켜 증폭되도록 한 후, 상기 입출사면부(612)를 통해 상기 증폭된 광을 출사시킨다. 이때, 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)는 상기 능동 매질(610, 620)의 굴절률로 인하여 발생하는 광의 전반사를 이용할 수 있다. 예컨대, 입사된 광이 상기 능동 매질(610, 620) 내부에서 진행 중 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)와 전반사 임계각을 유지하도록 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)을 구성하거나, 전반사 코팅을 이용할 수 있다. 이와 같이, 여기된 능동 매질(610, 620)을 통해 광을 증폭시킨다.
상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조(610, 620)는, 하나의 단일한 프리즘 구조로 구성될 수 있으며, 또한 복수 개의 프리즘 구조로 구성될 수도 있다. 예컨대, 상기 프리즘 구조(610, 620)는, 상기 입출사면부(612)를 지니는 제1 프리즘 구조(610), 및 상기 제1 프리즘 구조(610)와 연접하는 제2 프리즘 구조(620)를 포함할 수 있다. 상기 제1 프리즘 구조(610) 및 상기 제2 프리즘 구조(620)는 상호 접촉을 통해 입사된 광을 상기 제1 프리즘 구조(610) 및 상기 제2 프리즘 구조(620)의 내부 경로로 진행시키는 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)를 형성한다. 이때, 상기 제1 프리즘 구조(610) 및 상기 제2 프리즘 구조(620)는, 각각 직각이등변삼각형 프리즘 구조일 수 있으며, 특히 크기가 다를 수 있다.
이와 관련하여, 도 6에는 크기가 다른 두 개의 직각이등변삼각형 프리즘 구조들(610, 620)이 한쪽으로 정렬되어 상호 빗변 측 밑면이 연접되어 있는 형태로 도시되어 있다.
본 발명을 직각이등변삼각형 프리즘 구조로 구현하는 경우, 설계가 단순화되고 제작이 용이한 이점이 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명은 다양한 형태의 프리즘으로 구현될 수 있다.
상기 제3 실시예에 있어서, 상기 프리즘 구조(610, 620)는, 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제1 프리즘 구조(610) 및 상기 제1 프리즘 구조보다 작은 크기의 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제2 프리즘 구조(620)가 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 측 밑면 일단부에 상기 입출사면부(612)를 포함하면서 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)를 형성하도록 상기 제1 프리즘 구조(610) 및 상기 제2 프리즘 구조(620)의 빗변 측 밑면이 상기 제1 프리즘 구조(610)의 빗변 측 밑면 타단부 쪽으로 정렬되어 상호 연접되어 있는 구조를 지니고 있다. 따라서, 상기 제1 프리즘 구조(610) 및 상기 제2 프리즘구조(620)는, 각각 직각이등변삼각형의 빗변 측 밑면에 상호 접촉하는 접촉면을 포함하게 된다. 그리고, 상기 입출사면부(612)는, 상기 제1 프리즘 구조(610)의 빗변 측 밑면 중 상기 접촉면 이외의 면에 형성된다. 이와 같이 형성된 상기 입출사면부(612)는, 상기 제1 프리즘 구조(610)의 빗변 상에서의 길이가 입출사되는 광의 파장 길이 이상, 상기 제1 프리즘 구조(610)의 빗변 길이의 절반 이하 범위에 포함된다. 환언하면, 상기 제2 프리즘 구조(620)는, 그 빗변 길이가 상기 제1 프리즘 구조(610)의 빗변 길이에서 입출사되는 광의 파장 길이를 뺀 길이 이하, 상기 제1 프리즘 구조(610)의 빗변 길이의 절반 이상 범위에 포함된다.
도 7에는 도 6의 레이저 매질 내에서의 광 진행 경로가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭기(600)의 상기 입출사면부(612)를 통해 능동 매질 내부로 광이 입사되면 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)에 의해 내부 경로를 따라 반시계 방향으로 순환하면서 직선 운동을 하게 된다. 이 경우, 상기 반사면부(614, 616, 622, 624)에 부딪치는 광은 그 입사각이 전반사 임계각보다 크기 때문에 전반사가 일어나 광 손실 없이 상기 능동 매질의 내부 경로를 계속 순환하면서 진행할 수 있다. 상기 입사된 광은 상기 능동 매질의 내부 경로를 진행하던 중 꼭지점(710, 720) 부근에 도달하게 되면 반시계 방향에서 시계 방향으로 회전 방향의 변경이 발생하게 된다. 상기 회전 방향 변경은 상·하부 프리즘 구조의 꼭지점이 서로 약간 어긋나 있음에 기인한다. 그리고, 상기 입사된 광은 시계 방향으로 회전을 시작하여 결국 상기 입출사면부(612)를 통해 상기 능동 매질의 외부로 출사하게 된다.
상기 제3 실시예에 있어서, 상기 능동 매질에서의 광 진행 경로는, 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2010002809-appb-M000002
상기 수학식 2에서, L은 직각이등변삼각형 빗변 길이의 절반, 상기 입출사면부(612)의 빗변 상의 길이를 나타낸다. 예컨대, L이 1cm, d가 2mm이면, 상기 능동 매질 내에서 입사된 광이 진행하는 경로의 길이 D는 40cm가 된다. 이러한 결과는, 2mm 반경의 고체 레이저를 40cm 길이로 만들어 광을 증폭하는 효과에 해당한다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들은 긴 광 경로를 지니는 프리즘 구조를 이용함으로써 광 증폭기로 입사되는 광을 효율적으로 증폭시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 상기 능동 매질(610, 620) 내부의 전체 영역을 활용하여 광 경로를 확보함으로써 공간 및 자원 효율성을 개선할 수 있다.
상기 광 분리부(630)는, 상기 입출사면부(612)를 통해 입사 또는 출사되는 광의 편광을 구분하여 상기 입사 또는 출사되는 광을 분리해 낸다. 즉, 상기 광 분리부(630)는, 프리즘 구조의 능동 매질에서 입사면과 출사면이 동일 지점에 형성되는 경우, 1/4파장 편광판(quarter wave plate), 1/2파장 편광기, 반반사 거울, Glan-Thompson 프리즘, Glan 편광 프리즘, Nicol 프리즘, Rochon 프리즘, Wallston 프리즘, Senarment 프리즘 등, 또는 이들의 조합을 통해 상기 능동 매질(610, 620)로 입출사되는 광의 편광을 구분하여 상기 능동 매질(610, 620)에서 입사 또는 출사되는 광을 분리할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭기(800)는, 프리즘 구조의 능동 매질(810, 820, 830)을 포함하며, 광 분리부(840)를 더 포함할 수 있다.
상기 프리즘 구조의 능동 매질은, 도 6과 같은 프리즘 구조(830)와 단위 프리즘 구조로서 도 3과 같은 프리즘 구조(810, 820)를 1 또는 2 이상 포함할 수 있다.
상기 단위 프리즘 구조(820)는, 제1 입출사면부(822), 제2 입출사면부(824) 및 반사면부(820)를 포함할 수 있다.
상기 단위 프리즘 구조(820)는, 상기 제1 입출사면부(822)부 및 제2 입출사면부(824)를 통해 능동 매질 내부로 광이 입사되고, 상기 능동 매질 내부에서 외부로 광이 출사된다.
상기 반사면부(820)는, 상기 제1 입출사면부(822)를 통해 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 능동 매질 내에서 순환시킨 후 상기 제2 입출사면부(824)를 통해 출사시키고, 상기 제2 입출사면부(824)를 통해 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질 내에서 순환시킨 후 상기 제1 입출사면부(822)을 통해 출사시킨다.
상기 능동 매질이 지니는 프리즘 구조(810, 820, 830)는, 도 6과 같은 프리즘 구조(830)의 입출사면부(832)를 통해 입사 또는 출사되는 광이, 상기 단위 프리즘 구조(820)의 제2 입출사면부(824)를 통해 출사 또는 입사되도록 하는 구조를 포함하여 능동 매질 내에서의 광 진행 경로를 추가적으로 연장할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질이 지니는 프리즘 구조(810 내지 830)는, 상기 단위 프리즘 구조(810 또는 820)를 이용하여 제1 단위 프리즘 구조(810)의 제1 입출사면부(812)를 통해 입사되어 상기 제1 단위 프리즘 구조(810)의 제2 입출사면부(814)를 통해 출사되는 광이, 제2 단위 프리즘 구조(820)의 제1 입출사면부(822)를 통해 입사되도록 하는 연속 연결(cascade connection) 구조를 포함하여, 최종 단위 프리즘 구조(820)의 제2 입출사면부(824)를 통해 출사되는 광이 도 6의 프리즘 구조(830)의 입출사면부(832)를 통해 입사되도록 할 수 있다.
한편, 도 8에는 2차원 평면상에서 연속 연결된 프리즘 구조가 도시되어 있으나, 상기 연속 연결 방식을 적용함에 있어서, 2차원 평면상에서뿐만 아니라, 본 발명이 적용되는 시스템 환경, 설계자 또는 제조자의 의도 등에 따라, 3차원적으로 연결될 수 있다. 예컨대, n 번째 단위 프리즘 구조와 n+1 번째 단위 프리즘이 연속 연결되는 경우, 수직 방향으로 연결되도록 구현할 수 있다. 또한, 실시예에 따라, 연속 연결 상태의 프리즘 구조는 복수 개의 개별 단위 프리즘 구조들을 연결하여 구현할 수 있으며, 하나의 단일한 프리즘 구조로도 구현할 수 있다.
상기 광 분리부(840)는, 도 6의 광 분리부(630)와 같이, 프리즘 구조의 능동 매질에서 입사면과 출사면이 동일 지점에 형성되는 경우, 1/4파장 편광판(quarter wave plate), 1/2파장 편광기, 반반사 거울, Glan-Thompson 프리즘, Glan 편광 프리즘, Nicol 프리즘, Rochon 프리즘, Wallston 프리즘, Senarment 프리즘 등, 또는 이들의 조합을 통해 상기 능동 매질(610, 620)로 입출사되는 광의 편광을 구분하여 상기 능동 매질(610, 620)에서 입사 또는 출사되는 광을 분리할 수 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기를 구현함에 있어서, 상술한 직각이등변삼각형 프리즘 구조뿐만 아니라, 능동 매질 내부에서 충분한 광 진행 경로를 확보할 수 있는 한, 일반 삼각형, 직각삼각형. 다각형, 반원형, 삼각형의 꼭지점을 곡선 처리한 삼각형, 다각형에서 꼭지점들을 곡선 처리한 다각형 등, 다양한 형태의 프리즘 구조들이 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광 증폭기를 구현하기 위해서는, 2차원적 광 경로를 지니는 일반 프리즘 구조뿐만 아니라, 프리즘 내부에서 충분한 광 진행 경로를 확보할 수 있는 한, coner cube 등 3차원적 광 경로를 지니는 프리즘 구조 등 다양한 프리즘 구조가 사용될 수 있다. 또한, 레이저 광의 직경에 따른 입사면부, 출사면부, 입출사면부의 길이, 구조 등과, 프리즘 구조의 두께 등을 상황에 따라 변형하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기는, 능동 매질 내부에서 발생하는 열적 왜곡 현상을 보상하기 위해 측면 곡선 가공 처리가 수행된 프리즘 구조를 이용할 수 있다. 즉, 프리즘 구조의 측면을 원형, 타원형, 포물선 등의 형태로 곡선 가공 처리하여 이용할 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 프리즘 구조의 능동 매질은, 반전 분포를 하는 매질처럼 상기 능동 매질로 입사되는 광에 대하여 이득을 나타내는 매질로서 고체, 액체 또는 기체 물질을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명은 다양한 고체 물질뿐만 아니라, 액체 물질 또는 기체 물질 등을 이용하여 구현할 수 있다. 예컨대, Nd:YAG, Nd:Glass, Ti:Sapphire, Ruby 등 다양한 고체 물질, GaAs계열, GaN계열 등 다양한 계열의 반도체 등으로 용이하게 제작할 수 있다. 그 이유는, 상기 고체 물질이나 및 반도체는 매질의 굴절률을 알 수 있어 매질 내에서 전반사가 일어나는 각도를 계산함으로써 다양한 프리즘 구조의 광 증폭기를 설계할 수 있도록 하기 때문이다. 또한, 일 실시예에 있어서, 입사되는 광에 대하여 이득을 나타내는 다양한 액체 물질 또는 기체 물질을 프리즘 구조의 용기에 충전하는 경우, 상기 용기의 굴절률 내지 상기 용기와 충전 물질 간의 굴절률 차를 이용하여 전반사가 발생하도록 설계할 수 있다. 또한, 거울을 이용하여 같은 구조를 만들 수도 있다. 따라서, 다양한 액체 물질나 기체 물질을 이용하는 광 증폭기를 용이하게 제작할 수 있다.
도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘을 이용한 광 증폭 시스템이 블록도로 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭 시스템은, 광 증폭기(900), 매질 여기부(910) 및 냉각부(920)를 포함하며, 렌즈부(930, 932) 및 광 분리부(940)를 더 포함할 수 있다.
상기 광 증폭기(900)는, 상술한 바와 같이 여기된 프리즘 구조의 능동 매질을 이용하여 입사된 광을 증폭시킨다.
상기 매질 여기부(910)는, 상기 광 증폭기(900)의 능동 매질을 여기(excite)시켜 입사된 광이 상기 프리즘 구조의 능동 매질 내부에서 순환하는 동안 증폭되도록 한다. 이 경우, 상기 매질 여기부(910)는, 상기 광 증폭기(900)의 능동 매질을 여기시키기 위해 램프 광, 레이저 광, 반도체 레이저 광이나, 전류 또는 방전을 이용할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 매질 여기부(910)는, 상기 광 증폭기(900)의 능동 매질을 여기시키기 위한 펌프광을 제공하는 다이오드 레이저(diode laser)를 포함할 수 있다. 예컨대, 다이오드 레이저를 1 또는 2 이상 포함하여 다이오드 레이저 광을 사용하거나, 또는 다이오드 레이저 어레이를 1 또는 2 이상 이용할 수 있다. 또한, 상기 매질 여기부(910)는, 광에 의해 상기 광 증폭기(900)의 능동 매질을 여기시키는 경우, 광섬유를 통한 광섬유 전송 방식을 이용할 수 있다.
상기 냉각부(920)는, 상기 광 증폭기(900)의 능동 매질 내부에서의 광 순환 경로 면과 평행한 상기 능동 매질의 상부면 또는 하부면 또는 상하부 양면에서 상기 능동 매질을 냉각시킨다.
상기 렌즈부(930, 932)는, 1 또는 2 이상의 광학 렌즈를 이용하여 상기 광 증폭기(900)로 입사되는 광, 또는 상기 광 증폭기(900)에서 출사되는 광, 또는 상기 입·출사되는 광 양자 모두의 발산각을 감소시킨다. 즉, 상기 렌즈부(930, 932)는, 제1 렌즈부(930) 및 제2 렌즈부(932)를 포함하여, 상기 제1 렌즈부(920)를 통해 상기 광 증폭기(900)로 입사되는 광의 발산각을 감소시키거나, 상기 제2 렌즈부(932)를 통해 상기 광 증폭기(900)에서 출사되는 광의 발산각을 감소시키거나, 또는 상기 제1 렌즈부(930) 및 상기 제2 렌즈부(932)를 통해 상기 입·출사되는 광 양자 모두의 발산각을 감소킬 수 있다.
상기 광 증폭 시스템은, 본 발명의 실시예들에 따른 광 증폭기들 중 입사면과 출사면이 동일 지점에 형성되는 광 증폭기를 사용하는 경우, 상기 광 증폭기(900)로 입사되는 광 또는 상기 광 증폭기(900)에서 출사되는 광의 편광을 구분하여 상기 입사 또는 출사되는 광을 분리해내는 광 분리부(940)를 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기 광 분리부(940)는, 1/4파장 편광판(quarter wave plate), 1/2파장 편광기, 반반사 거울, Glan-Thompson 프리즘, Glan 편광 프리즘, Nicol 프리즘, Rochon 프리즘, Wallston 프리즘, Senarment 프리즘 등을 이용할 수 있다.
도 10a 및 도 10b에는 본 발명의 일 실시예에 따른 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템의 구현 예가 도시되어 있다.
도 10a에는 상기 광 증폭 시스템이 정면도로 도시되어 있으며, 도 10b에는 상기 광 증폭 시스템이 사시도로 도시되어 있다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 상기 광 증폭 시스템은, 프리즘 구조의 능동 매질(900), 상기 능동 매질(900)을 여기시키는 매질 여기부(910), 및 상기 능동 매질(900)을 냉각시키는 냉각부(920)를 포함할 수 있다.
상기 프리즘 구조의 능동 매질(910)에 관해서는 상술한 설명들을 참조한다.
상기 매질 여기부(910)는, 상기 능동 매질(900)을 여기시키기 위한 펌프광을 제공하는 다이오드 레이저(diode laser)를 포함할 수 있다. 예컨대, 다이오드 레이저를 1 또는 2 이상 포함하여 다이오드 레이저 광을 사용하거나, 또는 다이오드 레이저 어레이를 1 또는 2 이상 이용할 수 있다.
상기 냉각부(920)는, 상기 능동 매질(900) 내부에서의 광 순환 경로 면과 평행한 상기 능동 매질(900)의 상부면 또는 하부면 또는 상하부 양면에서 상기 레이저 매질을 냉각시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 능동 매질(910)을 얇은 평면 형태로 제작할 수 있으며, 상기 냉각부(920)는 상기 얇은 평면의 상하부에서 넓은 면적에 걸쳐 냉각을 수행할 수 있으므로 냉각 효율을 개선한다. 이때, 상기 매질 여기부(910)는, 상기 능동 매질(900)의 측면에서 상기 능동 매질(900)을 여기시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 냉각부(920)는, 펠티어 쿨러(peltier cooler) 또는 수랭식 쿨러(water cooler)를 사용하여 상기 능동 매질(900)을 냉각시킬 수 있다. 예컨대, 상기 능동 매질(900)의 상하부 면에 금속판을 붙인 후, 금속판을 물로 냉각시키거나 혹은 펠티어 쿨러를 함께 사용하여 냉각시킬 수 있다.
도 9a 및 도 9b에서, 상기 매질 여기부(910)는 상기 능동 매질(900)의 측면에서 상기 능동 매질(900)을 여기시키고 있으나, 실시예에 따라 상부 또는 하부, 또는 상하부, 또는 상, 하부 및 측면의 조합으로 여기시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 매질 여기부(910)가 상기 레이저 매질(910)의 상부 또는 하부에서 여기시키는 경우, 상기 냉각부(930, 932)는 펌프광이 통과할 수 있는 홀(hole)을 구비하고, 상기 매질 여기부(910)는, 상기 홀을 통해 상기 펌프광을 방출하여 상기 능동 매질(900)을 여기시킬 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상기 능동 매질(900)의 입·출사면부로 펌프광을 입사시켜 상기 능동 매질(900)을 여기시킬 수 있다. 이때, 상기 광 증폭 시스템은, 다중 코팅된 거울을 이용하거나, Glan 프리즘 등 광의 편광을 이용하여 상기 능동 매질(900)을 통해 증폭된 광과 상기 펌프광을 분리할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 기존 기술의 경우 열적 문제로 인한 공간 왜곡이 발생하여 광축이 달라지게 되는 문제점이 있다. 즉, 다수의 반사 거울의 정열 상태와 광 진행 경로 간에 차이가 발생함으로써 설계 및 제작은 물론, 그 유지 및 보수가 어려운 문제점이 있다.
그러나, 본 발명의 경우, 프리즘 구조의 능동 매질 내부에서 광이 순환하며 증폭되기 때문에 광 경로가 그대로 유지되고, 다수의 거울을 정열하여 배치할 필요가 없어 열적 왜곡으로 인한 문제를 최소화시킬 수 있는 이점을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은, 프리즘 구조의 능동 매질로 입사된 광을 전반사를 이용하여 진행시킴으로써, 반사 거울 등을 포함하지 않는 단순한 구조의 광 증폭기 구현을 가능하게 하고 열적 왜곡을 방지하는 이점을 제공한다. 또한, 상기 입사된 광이 상기 프리즘 구조의 능동 매질 영역을 전체적으로 순환하도록 하여 충분히 긴 광 경로를 확보함으로써, 고출력 광 증폭을 가능하게 하고 공간 및 자원 효율성을 개선하는 이점을 제공한다. 나아가, 얇은 평면 형태로 광 증폭기를 구현할 수 있도록 함으로써, 능동 매질의 상하 양면에서 효율적 냉각 내지 온도 조절을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (25)

  1. 능동 매질(active medium)의 내부로 광이 입사되는 입사면부;
    상기 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질 내부에서 순환시켜 증폭되도록 하는 반사면부; 및
    상기 증폭된 광이 상기 능동 매질의 내부로부터 출사되는 출사면부를 포함하는 프리즘 구조의 능동 매질을 여기시켜 광을 증폭하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입사면부 및 상기 출사면부는, 브루스터 각(Brewster's Angle) 또는 무반사 코팅(Anti-reflective Coating)에 의해 상기 능동 매질의 내부로 상기 광이 무반사 입사되고 상기 능동 매질의 내부로부터 상기 증폭된 광이 무반사 출사되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제1 프리즘 구조 및 제2 프리즘 구조가 각각 빗변 측 밑면 일단부에 상기 입사면부 및 상기 출사면부를 포함하면서 상기 반사면부를 형성하도록 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 측 밑면이 비켜서 상호 연접되어 있는 구조를 포함하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조는, 동일 크기의 직각이등변삼각형 프리즘 구조인 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 입사면부 또는 상기 출사면부는, 각각 상기 제1 프리즘 구조 또는 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 상에서의 길이가 입사 또는 출사되는 광의 파장 길이 이상, 상기 빗변 길이의 절반 이하 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조가 상호 연접되어 있는 상기 구조를 단위 프리즘 구조로 하여 제1 단위 프리즘 구조의 출사면부를 통해 출사되는 광이 제2 단위 프리즘의 입사면부를 통해 입사되도록 하는 연속 연결(cascade connection) 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제1 프리즘 구조 및 상기 제1 프리즘 구조보다 작은 크기의 직각이등변삼각형 프리즘 구조를 지니는 제2 프리즘 구조가 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 측 밑면 일단부에 상기 입사면부 및 상기 출사면부를 포함하면서 상기 반사면부를 형성하도록 상기 제1 프리즘 구조 및 상기 제2 프리즘 구조의 빗변 측 밑면이 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 측 밑면 타단부 쪽으로 정렬되어 상호 연접되어 있는 구조를 포함하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 프리즘 구조의 빗변 길이는, 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 길이에서 입출사되는 광의 파장 길이를 뺀 길이 이하, 상기 제1 프리즘 구조의 빗변 길이의 절반 이상 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 능동 매질은, 내부의 열적 왜곡 현상을 보상하는 측면 곡선 가공 처리가 수행된 프리즘 구조를 지니는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 능동 매질은, 상기 입사된 광에 대하여 이득을 나타내는 고체, 액체 또는 기체 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  11. 능동 매질(active medium)의 내부로 광이 입사되고 상기 능동 매질의 내부로부터 증폭된 광이 출사되는 입출사면부; 및
    상기 입출사면부로 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 능동 매질 내부에서 순환시키며 증폭되도록 한 후, 상기 입출사면부로 상기 증폭된 광을 출사시키는 반사면부를 포함하는 프리즘 구조의 능동 매질을 여기시켜 광을 증폭하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 입출사면부는, 브루스터 각(Brewster's Angle) 또는 무반사 코팅(Anti-reflective Coating)에 의해 상기 능동 매질의 내부로 상기 광이 무반사 입사되고 상기 능동 매질의 내부로부터 상기 증폭된 광이 무반사 출사되도록 하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광 증폭기는, 상기 입출사면부를 통해 입사 또는 출사되는 광의 편광을 구분하여 상기 입사 또는 출사되는 광을 분리해내는 광 분리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 단위 프리즘 구조를 더 포함하고,
    상기 단위 프리즘 구조는,
    상기 단위 프리즘 구조의 능동 매질 내부로 광이 입사되거나 상기 단위 프리즘 구조의 능동 매질 내부로부터 상기 입사된 광이 출사되는 제1 입출사면부 및 제2 입출사면부; 및
    상기 제1 입출사면부 또는 상기 제2 입출사면부로 입사된 광을 임계각에 의한 전반사를 통해 상기 단위 프리즘 구조의 능동 매질 내부에서 순환시킨 후 각각 상기 제2 입출사면부 또는 상기 제1 입출사면부를 통해 출사시키는 반사면부를 포함하고, 그리고
    상기 단위 프리즘 구조는, 상기 프리즘 구조의 상기 입출사면부를 통해 입사 또는 출사되는 광이 각각 상기 단위 프리즘 구조의 상기 제2 입출사면부를 통해 출사 또는 입사되도록 하는 구조인 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 능동 매질이 지니는 상기 프리즘 구조는, 상기 단위 프리즘 구조와 동일한 제1 단위 프리즘 구조의 제2 입출사면부를 통해 출사 또는 입사되는 광이 각각 상기 단위 프리즘 구조와 동일한 제2 단위 프리즘 구조의 제1 입출사면부를 통해 입사 또는 출사되도록 하는 연속 연결(cascade connection) 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 광 증폭기;
    상기 광 증폭기의 능동 매질을 여기시키는 매질 여기부; 및
    상기 능동 매질을 냉각시키는 냉각부를 포함하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 매질 여기부는, 광, 전류, 또는 방전을 이용하여 상기 능동 매질을 여기시키는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 매질 여기부는, 상기 능동 매질을 여기시키기 위한 펌프광을 제공하는 다이오드 레이저(diode laser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 능동 매질 내부에서의 광 순환 경로 면과 평행한 상기 능동 매질의 상부면 또는 하부면 또는 상하부 양면에서 상기 능동 매질을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 냉각부는, 상기 능동 매질을 여기시키기 위한 펌프광이 통과하는 홀(hole)을 구비하고,
    상기 매질 여기부는, 상기 홀을 통해 상기 펌프광을 방출하여 상기 능동 매질을 여기시키는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 광 증폭 시스템은, 광학 렌즈를 이용하여 상기 광 증폭기로 입사되는 광, 또는 상기 광 증폭기에서 출사되는 광, 또는 상기 입·출사되는 광 양자 모두의 발산각을 감소시키는 렌즈부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 광펌핑부에서 상기 레이저 매질의 측면에서 광을 이용하여 상기 레이저 매질을 여기시킬 때 여기 레이저 빛에는 무반사가 되고, 상기 광증폭기 매질에서 증폭하는 레이저 빛의 파장에 대해서는 내부 입사각에 대해서 전반사가 일어나도록 상기 프리즘 광 증폭기의 측면부를 이중 코팅한 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 광펌핑부에서 상기 광증폭기 매질의 측면에서 광을 이용하여 상기 광증폭기 매질을 여기시킬 때 상기 프리즘 광증폭기 측면부에 여기 광을 부루스터(brewster) 각으로 입사시키는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 광펌핑부에서 상기 광증폭기 매질을 상부 혹은 하부에서 여기광을 입사시켜 여기시킬 때 상기 여기 광의 파장에 대하여 상기 상부 혹은 하부면에 무반사 코팅을 하여 매질을 여기시키는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 광펌핑부에서 상기 광증폭기 매질의 상부 혹은 하부에서 여기광을 입사시켜 여기시킬 때 상기 프리즘 광증폭기 상부 혹은 하부에서 여기 광을 부루스터(brewster) 각으로 입사시키는 것을 특징으로 하는 프리즘 구조를 이용한 광 증폭 시스템.
PCT/KR2010/002809 2009-11-13 2010-05-03 프리즘 구조를 이용한 광 증폭기 및 이를 이용한 광 증폭 시스템 WO2011059152A1 (ko)

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