WO2014054869A1 - 펄스 레이저 출력 안정화 장치 및 그 방법 - Google Patents

펄스 레이저 출력 안정화 장치 및 그 방법 Download PDF

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홍기석
이동훈
박성종
박승남
김승관
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한국표준과학연구원
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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1306—Stabilisation of the amplitude

Definitions

  • the present invention relates to a pulse laser output stabilization device, and more particularly to a pulse laser output stabilization device using a real-time feedback control and an acousto-optic variable modulator.
  • broadband lasers the output change with time is very large. Since the laser used in the existing industry is a continuous wave (CW) type laser, it is a fairly stable laser whose output changes by 5% or less over time.
  • broadband lasers are pulse type lasers and use non-linear crystals, so the power output changes with time.
  • the pulse laser output stabilization apparatus includes a directional coupler which receives the output light of the pulse laser and splits the output light into a first optical path and a second optical path; A photo detector which receives the light split into the first optical path and outputs a current according to the light intensity; A current-voltage converter converting the output current of the photo detector into a voltage and outputting the converted voltage; A function generator having a predetermined frequency and providing an output proportional to the output signal of the current-voltage converter; A time delay unit disposed in the second optical path to provide a predetermined time delay for feedback control; And modulating and outputting the optical signal provided from the time delay unit according to the magnitude of the output signal of the function generator by receiving an output signal of the function generator and an optical signal provided from the time delay unit. It includes a variable modulator.
  • it may further include an amplifier disposed between the current-voltage converter and the frequency generator, to amplify the output signal of the current-voltage converter to provide an input signal of the frequency generator.
  • the acoustooptic variable modulator includes a piezoelectric transducer having a disk-shaped piezoelectric transducer including a first through hole at a center thereof to generate sound waves; A conical dielectric cone including a second through hole in the center thereof; An optical fiber inserted into and disposed in the first through hole and the second through hole; And an acoustic vibration damper coupled to the optical fiber at a predetermined distance from the dielectric cone.
  • the wavelength of the pulse laser can be varied.
  • the delay time of the time delay unit may be 50 ⁇ sec to 70 ⁇ sec.
  • Pulse laser output stabilization method comprises the steps of splitting the light into two optical paths receiving the output light of the pulse laser; Receiving light branched into the first optical path and outputting a first current according to the light intensity; Converting the first current to a first voltage; Providing an output with a second voltage having a predetermined frequency and proportional to the first voltage; Providing a predetermined time delay in the second optical path; And receiving the second voltage and performing acousto-optic modulation on the optical signal of the second path which is time-delayed according to the magnitude of the second voltage.
  • the method may further include amplifying the first voltage.
  • the wavelength of the pulse laser can be varied.
  • the delay time may be 50 ⁇ sec to 70 ⁇ sec.
  • Pulse laser output stabilization apparatus can provide a stabilized output characteristics through the use of an aco-optic variable modulator and real-time feedback control.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a pulse laser output stabilization apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is an experimental block diagram for measuring transmittance control characteristics of an Acousto-Optic Tunable Modulator (AOTM).
  • AOTM Acousto-Optic Tunable Modulator
  • 3B and 3C are diagrams illustrating modulation performance of an AOTM according to frequency.
  • 4A and 4B are diagrams illustrating modulation performance of an AOTM according to a voltage.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating an operation delay time of an AOTM according to a voltage.
  • lasers operating at 250 nm to 2500 nm such as Optical Parametric Oscillator (OPO), Super Continuum Source (SC), have been developed.
  • OPO Optical Parametric Oscillator
  • SC Super Continuum Source
  • these lasers have very unstable output power compared to continuous wave (CW) lasers. Therefore, a real-time output stabilization device of a broadband laser is required.
  • the present invention provides an apparatus capable of operating in a broad wavelength region of 250 nm to 2500 nm and capable of stabilizing pulsed laser output in real time.
  • an Optical Fiber Acousto-optic Tunable Modulator (AOTM) 140 includes an optical fiber 144, an acoustic generation part 142 for applying sound waves, and a generated sound wave. It includes an acoustic damper (145) that absorbs acoustic energy when fine bending is induced.
  • AOTM Optical Fiber Acousto-optic Tunable Modulator
  • the sound wave generator 142 may include a piezoelectric piezoelectric transducer 142a for generating sound waves, and a dielectric cone 142b.
  • the piezoelectric transducer may be in shear mode lead zirconate titanate (PZT).
  • the piezoelectric transducer 142a and the dielectric cone 142b are bonded to each other.
  • the piezoelectric transducer 142a includes a first through hole in the center and a second through hole in the central axis of the dielectric cone 142b.
  • the optical fiber 144 is inserted into the first through hole and the second through hole.
  • the light of the Gaussian shape LP01 mode irradiated from the laser may travel along the optical fiber 144.
  • the function generator 180 applies a sinusoidal voltage signal having a predetermined vibration frequency to the piezoelectric transducer 142a
  • the piezoelectric transducer 142a generates sound waves in the up and down directions according to the vibration frequency. Can be generated.
  • the dielectric cone 142b adhered to the piezoelectric transducer 142a concentrates acoustic energy at its vertices.
  • the acoustic energy creates periodic bendings in the optical fiber 144.
  • the LP01 mode may be maximum mode converted to the LP1m mode.
  • the phase matching condition is a case where the wavelength of the acoustic wave (Acoustic wavelenegth) is equal to the effective refractive index of the LP01 mode and the LP1m mode.
  • ⁇ 01 is a propagation constant of LP01 mode and ⁇ 11 is a propagation constant of LP11 mode.
  • the acoustic damper 145 is disposed along the optical fiber 144 to be sufficiently spaced apart from the dielectric cone 142b.
  • the acoustic wave brake 145 may absorb the acoustic energy to travel along the optical fiber 144.
  • the converted LP1m mode may be removed through a mode stripper (not shown) which is a higher order mode remover. Therefore, the transmittance of the LP01 mode provided to the AOTM 140 in the laser can be adjusted. That is, the AOTM 140 may perform intensity modulation.
  • the AOTM 140 may modulate the transmittance of the input terminal by a frequency (F) for adjusting the periodic bending provided to the function generator 180 and a voltage (V) for adjusting the amplitude of the bending. have.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a pulse laser output stabilization apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the pulse laser output stabilization device receives the output light of the pulse laser 10 and splits the output light into a first optical path and a second optical path 120, and the first optical path.
  • the photodetector 150 receives the branched light and outputs a current according to the light intensity
  • the current-voltage converter 160 converts the output current of the photodetector into voltage and outputs the voltage, and has a predetermined frequency.
  • a function generator 180 providing an output proportional to an output signal of the current-voltage converter 160, a time delay unit 130 disposed in the second optical path and providing a predetermined time delay for feedback control; And receiving the output signal of the function generator 180 and the optical signal provided from the time delay unit 130 as inputs, according to the magnitude of the output signal of the function generator 180 in the time delay unit 130.
  • the light provided Modulating the arc and comprises an acousto-optic modulator a variable 140 for output.
  • the laser output stabilization apparatus capable of providing feedback in real time may be classified into an optics module and an electronics module.
  • the electrical module performs a feedback function to produce a stabilized pulse.
  • the pulsed laser 10 outputs pulsed light, and the intensity of the pulsed light is unstable over time.
  • the pulse laser 10 may be an optical parametric oscillator (OPO) or a super continuous light source (SC).
  • OPO optical parametric oscillator
  • SC super continuous light source
  • the wavelength of the pulse laser may be variable, and the wavelength may be variable in all or some regions within the range of 250 nm to 2500 nm.
  • the pulsed light is provided to the directional coupler 120.
  • the directional coupler 120 divides the optical path into a first optical path and a second optical path. Specifically, the output light of the pulse laser 10 may be split into two optical paths through the optical fiber directional coupler.
  • First light traveling through the first optical path is provided to the photo detector 150 to provide a control signal to the AOTM 140.
  • Second light traveling through the second optical path is modulated by the AOTM 140.
  • a time delay unit 130 is disposed between the AOTM 140 and the directional coupler 120.
  • the time delay unit 130 may be an optical fiber.
  • the time delay provided by the time delay unit 130 may be several ⁇ sec to several tens ⁇ sec.
  • the first light is provided to the photo detector 150.
  • the photo detector 150 may be a photodiode capable of temperature adjustment.
  • the light extractor 150 may convert the intensity of the first light into a current.
  • the output signal of the photo detector 150 may be converted into a voltage signal through the current-voltage converter 160.
  • the output signal of the current-voltage converter 160 may be provided to the amplifier 170 because of its small size.
  • the amplifier 170 may amplify and output the input voltage signal.
  • the gain of the amplifier 170 may vary.
  • the output signal of the amplifier 170 is provided to the function generator 180.
  • the output signal of the function generator 180 may have a predetermined frequency, and the output signal may be proportional to the input signal.
  • the frequency may be 2.23 MHz to 2.27 MHz.
  • the output signal of the function generator 180 is provided to the AOTM 140.
  • the AOTM 140 vibrates the optical fiber with the frequency of the function generator 180 and the output voltage of the amplifier 170 to adjust the transmittance.
  • the time delay unit 130 delays the time, and the amplification detected by the photo detector 150 to transmit only a predetermined amount during the time.
  • the voltage is combined with the function generator 180 to provide a control signal to the AOTM 140 to lower the transmittance.
  • the pulse laser 10 outputs a pulse of low output, on the contrary, by controlling the specific frequency of the low voltage in the function generator 180, the AOTM increases the transmittance.
  • the AOTM 140 outputs a constant bundle of output pulsed light.
  • the time for executing the command is about several ms. Therefore, the time delay unit requires several hundred km of optical fiber for time delay. For example, when a time delay of 1 ms occurs, when the refractive index of the optical fiber is 1.45, the length of the optical fiber is 200 km. Typical optical fiber losses are about 0.22 dB per km at a wavelength of 1550 nm. Thus, going 200 km, 44 dB is lost, so that substantially all of the light reaching the AOTM is lost.
  • the time taken by the current-voltage converter 160, the amplifier 170, or the function generator 180 is about 1 ⁇ sec.
  • the operating time according to the frequency of the AOTM 140 was investigated.
  • the operating principle of the AOTM 140 is to remove the LP01 mode, which is the output mode of the input terminal, from the laser by generating a modulation by applying a sound wave to the optical fiber to generate a periodic bending. Periodic bending may vary depending on the frequency applied by the function generator.
  • 3A is an experimental block diagram for measuring transmittance control characteristics of AOTM.
  • 3B and 3C are diagrams illustrating modulation performance of an AOTM according to frequency.
  • the pulse laser 10 used an ASE (amplified spontaneous emission) light source oscillated with a broadband of 1530 nm to 1600 nm to view a broad spectrum.
  • An optical spectrum analyzer (12) was used to measure transmittance control characteristics for each wavelength band.
  • the directional coupler branches the optical path, providing one optical path to the AOTM 140 and the other optical path to the function generator.
  • the function generator 180 when the function generator 180 applies different frequencies to the AOTM 140, the function generators 180 are modulated at different center wavelengths according to the frequencies.
  • the applied voltage was fixed at 5.6 Vpp.
  • the center wavelength was blocked by filtering -10 dB (about 92 percent) of light at 1549 nm. Filtering takes place at 1551 nm when 2.2570 MHz is applied. If 2.485 MHz is applied, filtering occurs at 1554 nm. That is, using a 1550 nm laser, applying a voltage of 5.6 Vpp, and a frequency of 2.260 MHz, the AOTM can block 92 percent of light and transmit 8 percent of light.
  • the transmittance of the AOTM 140 changes according to the frequency change. Circles are transmittance in percent and triangles are transmittance in decibels (dB).
  • dB decibels
  • the AOTM 140 can be modulated by only changing the frequency.
  • a current-frequency converter or a voltage-frequency converter is needed.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the number of frequency conversions of these FPGAs is limited depending on the channel, and when a program instruction is inserted, the instruction execution time increases by several ms, which is not suitable as a modulation method.
  • the modulation of the AOTM according to the voltage is required.
  • 4A and 4B are diagrams illustrating modulation performance of an AOTM according to a voltage.
  • the output light of the pulsed laser 10 is converted into a current in the photo detector 150, and the current of the photo detector 150 is converted into a voltage signal by the current-voltage converter 160.
  • the output light of the pulse laser 10 is large, when the applied voltage applied to the AOTM 140 is increased, the AOTM 140 greatly reduces and outputs the input signal.
  • the output light of the pulse laser 10 is small, if the applied voltage applied to the AOTM 140 is small, the AOTM 140 transmits through the small input signal mostly. Accordingly, the output of the AOTM 140 can be kept constant even though the output intensity of the pulse laser is unstable over time.
  • an operation delay time of the AOTM 140 was measured.
  • an operation delay time of the AOTM 140 is preferably several tens of ⁇ sec or less. If the time taken to operate the AOTM 140 by giving feedback is too long, the energy loss of the optical fiber, which serves as a time delay, becomes too large. Therefore, it is necessary to measure the operation delay time of the AOTM 140.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating an operation delay time of an AOTM according to a voltage.
  • a laser light source uses a variable laser diode (Tunable LD) having a center wavelength at 1550.4 nm.
  • the function generator 180 used a frequency of 2.2625 MHz that can filter the light source to the maximum.
  • the output voltage of the function generator 180 is 5.6 Vpp and turned on / off at a cycle of 150 ⁇ sec.
  • the output of the function generator 180 may periodically turn on / off the AOTM 140. Accordingly, the intensity of light measured by the fast photodetector (fast PD having a rising / falling time of 300 psec) disposed at the output terminal of the AOTM 140 is modulated with time.
  • the rising / falling time of the photo detector is a photodiode of about 300 picoseconds (psec).
  • the rising time for which the function generator 180 applies a voltage to the AOTM 140 and the AOTM 140 operates normally is about 60 ⁇ sec.
  • the fall time is about 60 ⁇ sec.
  • the total feedback time is about 61 ⁇ sec.
  • the delay time of 61 ⁇ sec corresponds to a fiber length of 12 km.
  • the optical fiber is also 0.22 dB / km at 1550 nm.
  • the delay time of 61 ⁇ sec can be applied to an output stabilizer capable of real time feedback.
  • the AOTM is also an active system that is modulated with an applied voltage. However, it was confirmed that the delay time did not change according to the intensity of the applied voltage.
  • the operation delay time or rise time of the AOTM 140 is shown according to the applied voltage. When 1 to 5.6 Vpp is applied to the AOTM 140, each has a different modulation value, but the operation delay time is the same as 60 ⁇ sec.

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Abstract

본 발명은 펄스 레이저 출력 안정화 장치 및 그 방법을 제공한다. 이 펄스 레이저 출력 안정화 장치는 펄스 레이저의 출력 광을 제공받아 출력광을 제1 광 경로와 제2 광 경로로 분기하는 방향성 결합기, 제1 광 경로로 분기된 광을 제공받아 광 강도에 따른 전류를 출력하는 광 검출기, 광 검출기의 출력 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환기, 소정의 주파수를 가지고 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호에 비례하는 출력을 제공하는 함수 발생기, 제2 광 경로에 배치되어 되먹임 제어를 위한 소정의 시간 지연을 제공하는 시간 지연부, 및 함수 발생기의 출력신호 및 시간 지연부에서 제공되는 광 신호를 입력으로 제공받아 함수 발생기의 상기 출력신호의 크기에 따라 상기 시간 지연부에서 제공되는 광 신호를 변조하여 출력하는 음향 광학 가변 변조기를 포함한다.

Description

펄스 레이저 출력 안정화 장치 및 그 방법
본 발명은 펄스 레이저 출력 안정화 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 실시간 되먹임 제어와 음향 광학 가변 변조기를 사용하는 펄스 레이저 출력 안정화 장치에 관한 것이다.
2000년대 이후 광원 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 레이저 이외에도 LED, SOA등 여러 다른 소자들의 개발 또한 활발해지고 있으며, 산업체에서도 조명용, 시험용 그리고 피부 치료등 다양한 용도로 사용되고 있다. 레이저분야 또한 비선형 결정(nonlinear crystal) 을 사용하여 기존의 200 nm 내지 400 nm정도의 좁은 밴드에서 벗어나 250 nm 내지 2500 nm의 광대역 광원 소자 개발이 많이 진행되어 가는 상태이다. 이러한 광대역의 광원은 광통신, 광측정 그리고 바이오 이미징 분야에서 기존에 쓰이던 파장이 아닌 새로운 파장을 이용함으로서 그 활용 범위를 더욱 넓히고 있다.
하지만, 광대역 레이저의 경우 시간의 따른 출력 변화가 매우 크다. 기존의 산업체에서 사용되는 레이저의 경우 Continuous Wave(CW)타입의 레이저이기 때문에 시간에 따라서 출력의 변화가 5 퍼센트 이하로 변화되는 상당히 안정된 레이저이다. 하지만 광대역 레이저의 경우 펄스(Pulse) 형 레이저이고 비선형 결정을 사용하기 때문에 시간에 따른 출력의 변화가 매우 크다.
본 발명의 광대역 펄스 레이저의 출력을 안정화시키는 펄스 레이저 출력 안정화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 는 펄스 레이저 출력 안정화 장치는 펄스 레이저의 출력 광을 제공받아 상기 출력광을 제1 광 경로와 제2 광 경로로 분기하는 방향성 결합기; 제1 광 경로로 분기된 광을 제공받아 광 강도에 따른 전류를 출력하는 광 검출기; 상기 광 검출기의 출력 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환기; 소정의 주파수를 가지고 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호에 비례하는 출력을 제공하는 함수 발생기; 제2 광 경로에 배치되어 되먹임 제어를 위한 소정의 시간 지연을 제공하는 시간 지연부; 및 상기 함수 발생기의 출력신호 및 상기 시간 지연부에서 제공되는 광 신호를 입력으로 제공받아 상기 함수 발생기의 상기 출력신호의 크기에 따라 상기 시간 지연부에서 제공되는 상기 광 신호를 변조하여 출력하는 음향 광학 가변 변조기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 전류-전압 변환기와 상기 주파수 발생기 사이에 배치되어, 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호를 증폭하여 상기 주파수 발생기의 입력 신호로 제공하는 증폭기를 더 포함할 수 있다.
상기 음향 광학 가변 변조기는 중심에 제1 관통홀을 포함하고 음파를 발생시키는 원판 형상의 압전변환기; 중심에 제2 관통홀을 포함하고 원뿔 형상의 유전체 원뿔; 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀에 삽입되어 배치되는 광학 파이버; 및 상기 유전체 원뿔에서 소정의 거리 이격되어 상기 광학 파이버에 결합하는 음향 진동 감쇄기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 레이저의 파장은 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간 지연부의 지연 시간은 50 μsec 내지 70 μsec일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 출력 안정화 방법은 펄스 레이저의 출력 광을 제공받아 광을 2 개의 광 경로로 분기하는 단계; 제1 광 경로로 분기된 광을 제공받아 광 강도에 따른 제1 전류를 출력하는 단계; 상기 제1 전류를 제1 전압으로 변환하는 단계; 소정의 주파수를 가지고 상기 제1 전압에 비례하는 제2 전압을 출력을 제공하는 단계; 상기 제2 광 경로에서 소정의 시간 지연을 제공하는 단계; 및 상기 제2 전압을 제공받아 상기 제2 전압의 크기에 따라 시간 지연된 제2 경로의 광 신호를 음향 광학 변조하여 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전압을 증폭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 레이저의 파장은 가변될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 지연 시간은 50 μsec 내지 70 μsec인 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 출력 안정화 장치는 음향 광학 가변 변조기를 사용하고 실시간 되먹임 제어를 통하여 안정화된 출력 특성을 제공할 수 있다.
도 1은 광섬유 음향 광학 가변 변조기를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 출력 안정화 장치를 설명하는 블록도이다.
도 3a는 음향 광학 파장 가변 변조기 (Acousto-Optic Tunable Modulator : AOTM)의 투과율 제어 특성을 측정하기 위한 실험 구성도이다.
도 3b 및 도 3c는 주파수에 따른 AOTM의 변조 성능을 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b는 전압에 따른 AOTM의 변조 성능을 나타내는 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 전압에 따른 AOTM의 작동 지연 시간을 나타내는 도면들이다.
광대역 레이저의 필요성에 의해 광 파라메트릭 발진기(Optical Parametric Oscillator;OPO), 초연속광원(Super Continuum Source;SC)등 250 nm 내지 2500 nm 에서 작동되는 레이저가 개발되었다. 하지만 이들 레이저는 펄스형 그리고 비선형(nonlinear) 특성 때문에 연속형 (Continuous Wave; CW) 레이저에 비해 출력 자체가 매우 불안정하다. 따라서 광대역 레이저의 실시간 출력 안정화 장치가 요구된다.
본 발명은 250nm 내지 2500 nm의 넓은 파장 영역에서 작동 가능하고 펄스 레이저 출력을 실시간으로 안정화시킬 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 펄스 레이저 출력 안정화 장치에 필수 부품인 음향 광학 파장 가변 변조기의 동작 원리를 우선 설명한다.
도 1은 광섬유 음향 광학 가변 변조기를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 음향 광학 가변 변조기(Optica Fiber Acousto-optic tunable modulator; AOTM, 140)는 광섬유(144), 음파를 인가해주는 음파 발생부(acoustic generation part, 142), 및 발생된 음파로 인해 미세 구부림이 유도되었을 때 음향 에너지를 흡수해주는 음파 제동기(acoustic damper,145)를 포함한다.
상기 음파 발생부(142)는 음파를 발생시키는 원판 모양의 압전변환기(piezoelectric transducer,142a), 및 유전체 원뿔(142b)를 포함할 수 있다. 상기 압전변환기는 shear mode PZT(lead zirconate titanate)일 수 있다. 상기 압전변환기(142a)와 상기 유전체 원뿔(142b)은 서로 접착되어 있다. 상기 압전변환기(142a)은 중심에 제1 관통홀을 포함하고, 상기 유전체 원뿔(142b)의 중심축에는 제2 관통홀을 포함한다. 상기 광섬유(144)는 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀에 삽입된다.
레이저에서 조사된 가우시안 형상의 LP01 모드의 광은 상기 광섬유(144)를 따라 진행할 수 있다. 이 경우, 함수 발생기(Function generator,180)는 소정의 진동 주파수의 사인형 전압 신호를 상기 압전변환기(142a)에 인가하면, 상기 압전변환기(142a)는 상기 진동 주파수에 맞추어 아래 위 방향으로 음파를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 압전변환기(142a)에 접착되어 있는 상기 유전체 원뿔(142b)은 그 꼭지점으로 음향 에너지를 집중시킨다. 따라서, 상기 음향 에너지는 상기 광섬유(144)에 주기적인 구부림을 만들어 낸다. 주기적인 구부림의 주기가 위상 매칭 조건(phase matching condition)을 충족하면, LP01 모드가 LP1m 모드로 최대로 모드 변환될 수 있다. 상기 위상 매칭 조건은 상기 음파의 파장(Acoustic wavelenegth:Λ)이 LP01 모드와 LP1m 모드의 유효 굴절률과 서로 같아지는 경우이다. 즉,
β01 - β11 = 2π/Λ
여기서, β01은 LP01 모드의 전파 상수(propagation constant)이고, β11은 LP11 모드의 전파 상수(propagation constant)이다.
상기 광섬유(144)를 따라 상기 유전체 원뿔(142b)과 충분히 이격되어 상기 음파 제동기 (acoustic damper,145 )가 배치된다. 상기 음파 제동기(145)는 상기 광섬유(144)를 따라 진행하기는 상기 음향 에너지를 흡수할 수 있다.
또한, 변환된 LP1m 모드는 고차 모드 제거기인 모드 스트리퍼(mode stripper, 미도시)를 통해 제거될 수 있다. 따라서, 레이저에서 상기 AOTM(140)에 제공된 LP01 모드의 투과율은 조절될 수 있다. 즉, 상기 AOTM(140)은 세기 변조를 수행할 수 있다.
상기 AOTM(140)은 상기 함수 발생기(180)에 제공되는 주기적인 구부림을 조절할 수 있는 주파수(Frequency;f)와 구부림의 진폭을 조절하는 전압(Voltage;V)에 의해 입력단의 투과율을 변조시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 레이저 출력 안정화 장치를 설명하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 펄스 레이저 출력 안정화 장치는 펄스 레이저(10)의 출력 광을 제공받아 상기 출력광을 제1 광 경로와 제2 광 경로로 분기하는 방향성 결합기(120), 상기 제1 광 경로로 분기된 광을 제공받아 광 강도에 따른 전류를 출력하는 광 검출기(150), 상기 광 검출기(150)의 출력 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환기(160), 소정의 주파수를 가지고 상기 전류-전압 변환기(160)의 출력 신호에 비례하는 출력을 제공하는 함수 발생기(180), 상기 제2 광 경로에 배치되어 되먹임 제어를 위한 소정의 시간 지연을 제공하는 시간 지연부(130), 및 상기 함수 발생기(180)의 출력신호 및 상기 시간 지연부(130)에서 제공되는 광 신호를 입력으로 제공받아 상기 함수 발생기(180)의 상기 출력신호의 크기에 따라 상기 시간 지연부(130)에서 제공되는 상기 광 신호를 변조하여 출력하는 음향 광학 가변 변조기(140)를 포함한다.
실시간으로 피드백이 가능한 레이저 출력 안정화 장치는 광학 모듈(Optics module)과 전기 모듈(Electronics module)로 구분될 수 있다. 상기 전기 모듈은 안정화된 펄스를 만들어 주도록 되먹임(feedback) 기능을 수행한다.
상기 펄스 레이저(10)가 펄스 광을 출력하고, 상기 펄스 광의 세기는 시간에 따라 불안정하다. 상기 펄스 레이저(10)은 광 파라메트릭 발진기(OPO) 또는 초연속광원(SC)일 수 있다. 상기 펄스 레이저의 파장은 가변 가능하며, 250 nm 내지 2500 nm 의 범위 내에서 전 영역 또는 일부 영역에서 파장은 가변될 수 있다.
상기 펄스 광은 상기 방향성 결합기(120)에 제공된다. 상기 방향성 결합기(120)은 광 경로를 제1 광 경로와 제2 광 경로로 나뉜다. 구체적으로, 상기 펄스 레이저(10)의 출력광은 광섬유 방향성 결합기를 통하여 2개의 광 경로로 분기될 수 있다.
상기 제1 광 경로를 진행하는 제1 광은 상기 AOTM(140)에 제어신호를 제공하기 위하여 상기 광 검출기(150)에 제공된다. 상기 제2 광 경로를 진행하는 제2 광은 상기 AOTM(140)에 변조된다. 한편, 상기 AOTM(140)에 제공되는 제2 광을 변조시키기 위한 시간 지연을 보상하기 위하여, 상기 AOTM(140)과 상기 방향성 결합기(120) 사이에 시간 지연부(130)가 배치된다. 상기 시간 지연부(130)는 광섬유일 수 있다. 상기 시간 지연부(130)가 제공하는 시간 지연은 수 μsec 내지 수십 μsec일 수 있다.
상기 제1 광은 상기 광 검출기(150)에 제공된다. 상기 광 검출기(150)는 온도 조정이 가능한 포토다이오드(Photodiode)일 수 있다. 상기 광 광출기(150)는 상기 제1 광의 강도를 전류로 변환할 수 있다. 상기 광 검출기(150)의 출력 신호는 상기 전류-전압 변환기(160)를 통하여 전압 신호로 변환될 수 있다.
상기 전류-전압 변환기(160)의 출력신호는 그 크기 작기 때문에 증폭기(170)에 제공될 수 있다. 상기 증폭기(170)는 입력 전압 신호를 증폭하여 출력할 수 있다. 상기 증폭기(170)의 이득은 가변될 수 있다.
상기 증폭기(170)의 출력 신호는 함수 발생기(180)에 제공된다. 상기 함수 발생기(180)의 출력 신호는 소정의 주파수를 가지고, 상기 출력 신호는 입력 신호에 비례할 수 있다. 1500nm 파장대 레이저 펄스의 입력단의 경우, 상기 주파수는 2.23 MHz 내지 2.27 MHz일 수 있다.
상기 함수 발생기(180)의 출력 신호는 상기 AOTM(140)에 제공된다. 상기 AOTM(140)은 상기 함수 발생기(180)의 주파수와 증폭기(170)의 출력 전압으로 광학 파이버를 진동시키어 투과율을 조절한다.
예를 들어, 상기 펄스 레이저(10)가 높은 출력의 펄스를 출력하면, 상기 시간 지연부(130)는 시간을 지연시키고, 그 시간 동안 일정량만 투과시킬 수 있도록 광 검출기(150)에서 검출된 증폭된 전압이 상기 함수 발생기(180)와 결합하여 상기 AOTM(140)에 제어 신호를 제공하게 되어 투과율을 낮춘다. 한편, 상기 펄스 레이저(10)가 낮은 출력의 펄스를 출력하며, 반대로 낮은 전압의 특정 주파수를 함수 발생기(180)에서 제어하여 상기 AOTM은 투과율을 높여준다. 따라서, 상기 AOTM(140)은 일정한 출력 펄스 광 다발을 출력한다.
실시간으로 피드백이 가능한 레이저 출력 안정화 장치를 만들기 위해서 가장 중요한 점은 피드백 시간을 최소화 시키는 것이다. 이를 위하여, 상기 AOTM(140)의 성능 평가가 요구된다.
상기 전류-전압 변환기(160), 상기 증폭기(170), 또는 상기 함수 발생기(180)가 프로그램되는 장비인 경우, 명령어가 수행되는 시간은 수 ms 정도이다. 따라서, 상기 시간 지연부는 시간 지연을 위하여 광섬유가 수백 km 정도가 요구된다. 예를 들어 1 ms의 시간 지연이 발생하게 되면, 광섬유의 굴절률이 1.45인 경우, 광 섬유의 길이는 200 km가 된다. 일반적인 광섬유의 손실은 1550 nm의 파장에서 1 km 당 0.22 dB 정도이다. 따라서, 200 km를 진행한다면, 44 dB가 손실되어, 상기 AOTM에 도달한 광은 실질적으로 전부 손실된다.
따라서 실시간 되먹임을 위한 모든 과정은 프로그램 명령이 없는 수동적 장비로 진행되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 전류-전압 변환기(160), 상기 증폭기(170), 또는 상기 함수 발생기(180)가 소요하는 시간은 1 μsec 정도이다. 한편, 주파수와 전압에 따른 상기 AOTM의 작동 시간에 대한 측정이 필요하다.
우선, 상기 AOTM(140)의 주파수에 따른 작동 시간을 조사하였다. 상기 AOTM(140)의 작동 원리는 광섬유에 음파를 가해 주기적인 구부림을 만들어 변조를 발생시켜 레이저에서 입력단의 출력 모드인 LP01 모드를 없애는 역할을 하는 것이다. 주기적인 구부림은 상기 함수 발생기에서 인가되는 주파수에 따라서 변화될 수 있다.
도 3a는 AOTM의 투과율 제어 특성을 측정하기 위한 실험 구성도이다.
도 3b 및 도 3c는 주파수에 따른 AOTM의 변조 성능을 나타내는 도면들이다.
도 3a를 참조하면, 펄스 레이저(10)는 넓은 스펙트럼을 보기 위해 1530 nm 내지 1600nm의 광대역으로 발진되는 ASE(amplified spontaneous emission) 광원을 사용하였다. 파장 대역 별로 투과율 조절 특성을 측정하기 위해 광학 스펙트럼 분석기(Optical spectrum analyzer,12)를 사용하였다. 방향성 결합기는 광 경로를 분기하여, 하나의 광 경로는 AOTM(140)에 제공하고, 다른 광 경로는 함수 발생기에 제공한다.
도 3b를 참조하면, 함수 발생기(180)가 각각 다른 주파수를 상기 AOTM(140)에 인가하는 경우, 상기 주파수에 따라 다른 중심 파장에서 변조된다. 이때 인가된 전압은 5.6 Vpp로 고정되었다. 2.2600 MHz를 인가하였을 경우, 중심파장이 1549 nm에서 -10 dB (약 92 퍼센트)의 빛이 필터링되어 차단되었다. 2.2570 MHz가 인가되었을 경우 1551 nm에서 필터링이 일어난다. 2.485 MHz가 인가되었을 경우 1554 nm에서 필터링이 일어난다. 즉, 1550 nm 레이저를 사용하였을 경우, 5.6 Vpp의 전압, 및 2.260MHz의 주파수를 인가하면, 상기 AOTM는 92 퍼센트의 빛을 차단시키고 8 퍼센트의 광을 투과시킬 수 있다.
도 3c를 참조하면, 단일 파장인 1550 nm 레이저를 사용하였을 경우, 주파수 변화에 따른 상기 AOTM(140)의 투과율이 변한다. 동그라미는 퍼센트 단위의 투과율이고, 삼각형은 데시벨(dB) 단위의 투과율이다. 2.240 MHz의 주파수를 인가하였을 경우, 필터링 효과가 거의 1 퍼센트에 가까워 99 퍼센트의 빛이 통과되었다. 하지만, 2.260MHz의 주파수를 인가하였을 경우, 90 퍼센트 이상이 필터링되어 10 퍼센트 이하의 빛이 투과한다. 따라서 인가하는 전압을 고정시키고 주파수 변화만으로도 상기 AOTM(140)은 그 입력 광신호를 변조할 수 있다.
한편, 상기 AOTM(140)은 주파수의 변화만으로도 변조가 가능하다. 그러나, 실시간으로 되먹임을 제공하기 위하여, 전류-주파수 변환기 또는 전압-주파수 변환기가 필요하다. 그러나, 위의 장비의 대부분은 프로그램이 실행되어야 하는 능동형 장비인 FPGA(Field Programmable Gate Array)가 필요하다. 이러한 FPGA는 주파수를 변환시켜주는 개수도 채널에 따라 한정되어있고, 프로그램 명령어를 넣어주었을 때 명령어 수행 시간이 수 ms단위로 늘어나기 때문에 변조 방식으로는 적합하지 않다.
따라서 명령어 수행 시간 또는 되먹임 시간을 감소시키기 위하여 전압에 따른 AOTM의 변조가 필요하다.
도 3a와 동일한 심험 장치 구성을 가지나, 주파수는 2.2625 MHz로 고정되었다. AOTM에 인가되는 전압을 변화시킴에 따라, 상기 AOTM의 변조 성능이 조사되었다.
도 4a 및 도 4b는 전압에 따른 AOTM의 변조 성능을 나타내는 도면들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 1.2 Vpp 내지 5.6 Vpp의 전압을 인가한 경우, 상기 AOTM(140)의 변조 효과가 표시된다. 1.2 Vpp의 전압을 인가하였을 경우, 90 퍼센트의 빛이 투과되었다. 하지만, 5.6 Vpp의 전압을 인가하였을 경우, 8 퍼센센의 빛이 투과되었다. 투과율은 인가전압에 비례하여 감소한다. 특히, 2 Vpp 내지 4 Vpp 의 전압에서는 투과율은 인가전압에 거의 선형 비례한다. 따라서 이 영역을 사용하며, 출력 안정화를 제공할 수 있다.
펄스 레이저(10)의 출력광은 광 검출기(150)에서 전류로 변환되고, 상기 광 검출기(150)의 전류는 전류-전압 변환기(160)에 의하여 전압 신호로 변환된다. 펄스 레이저(10)의 출력광이 큰 경우, AOTM(140)에 인가되는 인가 전압을 크게 하면, 상기 AOTM(140)은 입력 신호를 크게 감소시키어 출력한다. 또한, 펄스 레이저(10)의 출력광이 작은 경우, 상기 AOTM(140)에 인가되는 인가 전압은 작게 하면, 상기 AOTM(140)는 작은 입력 신호를 대부분 투과시켜 출력한다. 이에 따라, 상기 AOTM(140)의 출력은 상기 펄스 레이저의 출력 세기가 시간에 따라 불안정함에도 불구하고 일정하게 유지시킬 수 있다.
상기 AOTM(140)의 작동 지연 시간이 측정되었다. 실시간으로 되먹임 가능한 능동형 출력 안정화 장치를 구현하기 위하여, 상기 AOTM(140)의 작동 지연 시간이 수십 μsec 이하가 바람직하다. 되먹임을 주어서 상기 AOTM(140)을 작동되는데 까지 걸리는 시간이 너무 길면, 시간 지연을 역할을 하는 광섬유의 에너지 손실이 너무 커진다. 따라서 상기 AOTM(140)의 작동 지연 시간의 측정이 필요하다.
도 5a 및 도 5b는 전압에 따른 AOTM의 작동 지연 시간을 나타내는 도면들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 AOTM(140)의 작동 지연 시간을 측정하기 위하여, 레이저 광원은 1550.4 nm에서 중심 파장이 존재하는 가변 레이저 다이오드(Tunable LD)를 사용하였다. 또한, 함수 발생기(180)는 최대한으로 광원을 필터링할 수 있는 2.2625 MHz의 주파수를 사용하였다. 또한, 상기 함수 발생기(180)의 출력 전압은 5.6 Vpp이고 150 μsec의 주기로 ON/OFF 시켰다. 상기 함수 발생기(180)의 출력은 상기 AOTM(140)을 주기적으로 ON/OFF 시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 AOTM(140)의 출력단에 배치된 고속 광 검출기(rising/falling time 300 psec 정도인 fast PD )가 측정한 광의 세기는 시간에 따라 변조된다. 상기 광 검출기의 상승/하강 시간(rising/falling time)은 300 피코초(psec) 정도인 포토다이오드이다.
상기 함수 발생기(180)가 상기 AOTM(140)에 전압을 인가하고, 상기 AOTM(140)이 정상적으로 동작하는 상승 시간(rising time)은 약 60 μsec이다. 또한, 상기 AOTM을 작동 중지시켰을 경우에도 하강 시간은 60 μsec 정도이다.
되먹임 과정 중에서 상기 AOTM 전까지 걸리는 시간을 1 μsec으로 예상하면, 총 되먹임 시간은 약 61 μsec이다. 61 μsec의 상기 지연 시간은 12 km의 광섬유 길이에 대응된다. 또한, 상기 광섬유는 1550 nm 에서 0.22 dB/km이다. 따라서, 상기 시간 지연을 위하여 상기 광섬유의 출력은 25 퍼센트를 손실된다. 따라서, 61 μsec의 상기 지연 시간은 실시간 피드백이 가능한 출력 안정화장치에 적용될 수 있다.
또한, 상기 AOTM은 인가 전압에 변조되는 능동형 시스템이다. 하지만, 인가 전압의 세기에 따라 지연시간이 변하지 않는 것을 확인하였다.
인가 전압에 따라 상기 AOTM(140)의 작동 지연 시간 또는 상승 시간을 보여준다. 1 내지 5.6 Vpp를 상기 AOTM(140)에 인가하였을 경우, 각각 다른 변조 값을 갖지만, 작동 지연 시간은 60 μsec로 동일하다.

Claims (9)

  1. 펄스 레이저의 출력 광을 제공받아 상기 출력광을 제1 광 경로와 제2 광 경로로 분기하는 방향성 결합기;
    제1 광 경로로 분기된 광을 제공받아 광 강도에 따른 전류를 출력하는 광 검출기;
    상기 광 검출기의 출력 전류를 전압으로 변환하여 출력하는 전류-전압 변환기;
    소정의 주파수를 가지고 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호에 비례하는 출력을 제공하는 함수 발생기;
    제2 광 경로에 배치되어 되먹임 제어를 위한 소정의 시간 지연을 제공하는 시간 지연부; 및
    상기 함수 발생기의 출력신호 및 상기 시간 지연부에서 제공되는 광 신호를 입력으로 제공받아 상기 함수 발생기의 상기 출력신호의 크기에 따라 상기 시간 지연부에서 제공되는 상기 광 신호를 변조하여 출력하는 음향 광학 가변 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전류-전압 변환기와 상기 주파수 발생기 사이에 배치되어, 상기 전류-전압 변환기의 출력 신호를 증폭하여 상기 주파수 발생기의 입력 신호로 제공하는 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 음향 광학 가변 변조기는:
    중심에 제1 관통홀을 포함하고 음파를 발생시키는 원판 형상의 압전변환기;
    중심에 제2 관통홀을 포함하고 원뿔 형상의 유전체 원뿔;
    상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀에 삽입되어 배치되는 광학 파이버; 및
    상기 유전체 원뿔에서 소정의 거리 이격되어 상기 광학 파이버에 결합하는 음향 진동 감쇄기를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 파장은 가변되는 것을 특징으로 펄스 레이저 출력 안정화 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 시간 지연부의 지연 시간은 50 μsec 내지 70 μsec인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 장치.
  6. 펄스 레이저의 출력 광을 제공받아 광을 2 개의 광 경로로 분기하는 단계;
    제1 광 경로로 분기된 광을 제공받아 광 강도에 따른 제1 전류를 출력하는 단계;
    상기 제1 전류를 제1 전압으로 변환하는 단계;
    소정의 주파수를 가지고 상기 제1 전압에 비례하는 제2 전압을 출력을 제공하는 단계;
    상기 제2 광 경로에서 소정의 시간 지연을 제공하는 단계; 및
    상기 제2 전압을 제공받아 상기 제2 전압의 크기에 따라 시간 지연된 제2 경로의 광 신호를 음향 광학 변조하여 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 전압을 증폭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저의 파장은 가변되는 것을 특징으로 펄스 레이저 출력 안정화 방법.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 지연 시간은 50 μsec 내지 70 μsec인 것을 특징으로 하는 펄스 레이저 출력 안정화 방법.
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