KR101937404B1 - 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어 직경이 다른 제1,2능동광섬유를 통해 광원을 증폭시키고 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생할 수 있는 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기에 관한 것으로, 펌프 광원과 신호 광원을 광학적으로 연결하는 광원결합기; 상기 광원결합기와 광학적으로 연결되어 있으며 상기 펌프 광원을 흡수하여 상기 신호 광원을 증폭하는 제1능동광섬유; 상기 제1능동광섬유와 광학적으로 연결되어 있으며 상기 제1능동광섬유에서 흡수하고 남은 상기 펌프 광원을 흡수하여 상기 증폭된 신호 광원을 재차 증폭하는 제2능동광섬유 상기 제2능동광섬유와 광학적으로 연결되어 있으며 남아있는 상기 펌프 광원을 제거하는 광원제거기; 상기 제1능동광섬유와 제2능동광섬유에서 발생하는 열을 냉각시켜주는 냉각판; 및 상기 광원제거기와 광학적으로 연결되어 있으며 출력 손실을 방지하는 레이저 출력보호기를 포함하여 구성된다.

Description

고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기{Hybrid optical fibers amplifier for high power narrow band optical fibers laser}

본 발명은 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코어 직경이 다른 제1,2능동광섬유를 통해 광원을 증폭시키고 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생할 수 있는 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

빔 결합성이 높은 고출력 광섬유 레이저는 보통 편광 유지 광섬유를 기반으로 구현하며, 빔 결합개수를 증가시키기 위해 협대역을 이용한 고출력 협대역 광섬유 레이저의 경우 내부에서 비선형현상이 발생되는 문제점이 있었다.

상기 비선형현상은 선형적인 광입력에도 불과하고 출력이 비선형으로 변화하는 현상을 의미한다. 이러한 비선형현상은 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상이 대표적이며, 모드불안정 현상은 광섬유 내부 고차모드가 소멸되지 않고 광 진행 방향에 따라 점차적으로 증폭되어 광 출력이 불안정해지는 현상을 의미하며 유도 브릴루앙 산란 현상은 광 신호 주파수에서 수십 kHz 떨어진 대역에 신호가 발진되는 현상을 의미한다.

모드불안정 현상을 억제하기 위해서는 증폭 광섬유 코어 직경 감소 및 증폭 광섬유 코일링 반경을 축소하는 방안이 존재하며, 유도 브릴루앙 산란 현상의 경우는 증폭 광섬유 코어 직경 증대, 증폭 광섬유 길이 감소, 입력 신호 광 선폭 증대, 증폭 광섬유 온도구배, 증폭 광섬유 장력 분포 조절 기법을 이용하여 억제하는 방안이 존재한다.

허나, 종래의 억제방안을 이용할 경우 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상을 동시에 효율적으로 억제할 수 없어 이를 해결할 방법이 필요한 상황이다.

공개특허 10-2012-0095147, 공개일자 2012년 08월 28일, '자기 보호형 멀티코어 광섬유 증폭기' 공개특허 10-2017-0013059, 공개일자 2017년 02월 06일, '소형화된 광섬유 증폭기'

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로 본 발명의 목적은 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상을 동시에 효율적으로 억제할 수 있는 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기는 펌프 광원과 신호 광원을 광학적으로 연결하는 광원결합기; 상기 광원결합기와 광학적으로 연결되어 있으며 상기 펌프 광원을 흡수하여 상기 신호 광원을 증폭하는 제1능동광섬유; 상기 제1능동광섬유와 광학적으로 연결되어 있으며 상기 제1능동광섬유에서 흡수하고 남은 상기 펌프 광원을 흡수하여 상기 증폭된 신호 광원을 재차 증폭하는 제2능동광섬유; 상기 제2능동광섬유와 광학적으로 연결되어 있으며 남아있는 상기 펌프 광원을 제거하는 광원제거기; 상기 제1능동광섬유와 제2능동광섬유에서 발생하는 열을 냉각시켜주는 냉각판; 및 상기 광원제거기와 광학적으로 연결되어 있으며 출력 손실을 방지하는 레이저 출력보호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1능동광섬유는, 내부에 제1코어를 가지며 상기 제1코어는 제1내부클래드와 제1외부클래드로 코팅되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제1능동광섬유는, 상기 냉각판의 위에 나선 평판 구조로 코일링 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제2능동광섬유는, 내부에 상기 제1능동광섬유의 제1코어보다 직경이 넓은 제2코어를 가지며 상기 제2코어는 제2내부클래드와 제2외부클래드로 코팅되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 제2능동광섬유는, 상기 냉각판의 위에 원통 구조로 코일링 되며 상기 제2능동광섬유의 출력단은 상기 냉각판과의 물리적 거리차이에 의해 온도구배가 일어나는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제시하는 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기는 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생하는 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상을 동시에 효율적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혼종 광섬유 증폭기의 블록구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 혼종 광섬유의 내부구성도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 혼종 광섬유의 코일링 사시도

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구성될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우만이 아니라, 다른 부분을 통해 “간접적으로 연결”되는 경우도 포함하며 어떤 부분이 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혼종 광섬유 증폭기의 블록구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기는 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상의 효율적인 억제를 위해 펌프 광원(200)과 신호 광원(300)을 광학적으로 연결하는 광원결합기(110)와 상기 광원결합기(110)와 광학적으로 연결되어 있으며 상기 펌프 광원(200)을 흡수하여 상기 신호 광원(300)을 증폭하는 제1능동광섬유(120)와 상기 제1능동광섬유(120)와 광학적으로 연결되어 있으며 상기 제1능동광섬유(120)에서 흡수하고 남은 상기 펌프 광원(200)을 흡수하여 상기 증폭된 신호 광원(300)을 재차 증폭하는 제2능동광섬유(130)와 상기 제2능동광섬유(130)와 광학적으로 연결되어 있으며 남아있는 상기 펌프 광원(200)을 제거하는 광원제거기(140)와 상기 제1능동광섬유(120)와 제2능동광섬유(130)에서 발생하는 열을 냉각시켜주는 냉각판(150) 및 상기 광원제거기(140)와 광학적으로 연결되어 있으며 출력 손실을 방지하는 레이저 출력보호기(160)를 포함하여 구성된다.

상기 신호 광원(300)은 사용자가 상기 혼종 광섬유 증폭기(100)를 통해 증폭시키고자 하는 신호를 의미하며, 상기 펌프 광원(200)은 상기 신호 광원(300)을 증폭시키는데 이용되는 광원을 의미한다.

상기 제1능동광섬유(120)와 제2능동광섬유(130)의 경우는 바람직하게 편광유지 광섬유이거나 무편광 광섬유일 수 있다.

상기 광원결합기(110)와 광원제거기(140)와 냉각판(150)과 레이저 출력보호기(160)의 경우는 본 발명의 증폭기에 있어서 필수적인 구성이나 이는 본 발명의 출원 전에 당업자에 의해 광섬유 증폭기에 널리 적용되어 실시되고 있는 공지된 기술을 본 발명에 적용한 것으로 상기 광원결합기(110)와 광원제거기(140)와 냉각판(150)과 레이저 출력보호기(160)의 내부 구성 및 동작에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 혼종 광섬유의 내부구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1능동광섬유(120)와 제2능동광섬유(130)는 서로 융착 접속되어 있는데 상기 융착 접속이라 함은 광섬유 접속 방법 중 하나로서 광섬유 단면을 전기아크 또는 필라멘트 또는 레이저를 이용하여 가열 융착하여 접속하는 방법 중 적어도 하나를 포함하는 방법일 수 있다.

상기 제1능동광섬유(120)는 내부에 제1코어(121)를 가지며 상기 제1코어(121)는 제1내부클래드(122)와 제1외부클래드(123)로 코팅되도록 구성되며, 상기 제2능동광섬유(130)는 내부에 상기 제1능동광섬유(120)의 제1코어(121)보다 직경이 넓은 제2코어(131)를 가지며 상기 제2코어(131)는 제2내부클래드(132)와 제2외부클래드(133)로 코팅되도록 구성되며 상기 제1능동광섬유(120)와 제2능동광섬유(130)의 직경은 서로 동일하게 구성되며 상기 비선형현상을 제어 또는 상기 신호 광원(300)을 효과적으로 증폭할 수 있는 크기임이 바람직하다.

또한 상기 제1코어(121)와 제2코어(131)의 직경 역시 상기 비선형현상을 제어 또는 상기 신호 광원(300)을 효과적으로 증폭할 수 있는 크기임이 바람직하다. 상기 제1코어(121)와 제2코어(131)에는 바람직하게 이득 매질로써 어븀(Er), 이터븀(Yb) 및 네오디뮴(Nd)이 첨가될 수 있으나 이에 한정하지는 않는다. 상기 제1내부클래드(122)와 제2내부클래드(132)는 서로 동일한 소재로 구성됨이 바람직하며, 상기 제1외부클래드(123)와 제2외부클래드(133) 역시 서로 동일한 소재로 구성됨이 바람직하다. 상기 소재는 바람직하게 상기 신호 광원(300)을 효과적으로 증폭할 수 있는 공지된 소재 또는 임의의 소재가 될 수 있다. 또한 상기 제1외부클래드(123)와 제2외부클래드(133)는 굴절률이 상기 제1내부클래드(122)와 제2내부클래드(132) 보다 작은 것이 바람직하다.

상기 광원결합기(110)가 상기 펌프 광원(200)과 신호 광원(300)을 광학적으로 연결하면 이는 제1능동광섬유(120)로 입사되고 상기 펌프 광원(200)은 상기 제1능동광섬유(120)에 흡수되어 상기 신호 광원(300)을 증폭시키는데 이용된다. 이 때 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상이 발생할 수 있는데, 상기 신호 광원(300)은 그 세기가 작아 유도 브릴루앙 산란 현상은 거의 발생하지 않으며 상기 제1코어(121)의 직경을 작게 구성함으로써 모드불안정 현상의 발생을 억제할 수 있다.

상기 제1능동광섬유(120)에 의해 흡수되고 남은 상기 펌프 광원(200)과 증폭된 신호 광원(300)은 상기 제2능동광섬유(130)에 입사된다. 상기 흡수되고 남은 펌프 광원(200)은 상기 제2능동광섬유(130)에 흡수되어 상기 증폭된 신호 광원(300)을 재차 증폭하는데 이용된다. 이 때도 역시 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상이 발생할 수 있는데, 상기 제2코어(131)의 직경을 상기 제1코어(121)보다 크게 구성함으로써 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 혼종 광섬유의 코일링 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1능동광섬유(120)는 상기 냉각판(150)위에 나선 평판 구조로 코일링 되는데 상기 나선 평판 구조 코일링을 통해서 상기 제1능동광섬유(120)에 입사되는 상기 펌프 광원(200)의 높은 세기로 인해 발생하는 발열문제를 효율적으로 제어할 수 있는 효과가 있다. 반면 나선 평판 구조로 코일링 할 경우 코일링 반경이 커져 모드불안정 현상이 발생할 수 있는데 이는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1능동광섬유(120)의 제1코어(121)의 직경을 작게 구성함으로써 해결할 수 있다. 또한 상기 펌프 광원(200)에 의해 상기 신호 광원(300)이 증폭되어 상기 신호 광원(300)의 세기가 커질수록 코일 반경에 변화를 주어 코일링 함으로써 모드불안정 현상을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

상기 제2능동광섬유(130)는 원통 구조로 코일링 되는데 상기 원통 구조 코일링을 통해서 코일링 반경을 축소할 수 있고 최소 코일링 반경 유지를 통해 모드불안정 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 효과가 있다. 또한 원통 구조 코일링을 통해서 제2능동광섬유(130)의 길이를 다양화 할 수 있어 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제하는데 도움을 줄 수 있는 효과가 있다. 또한 원통 구조 코일링을 통해서 상기 냉각판(150)과 상기 제2능동광섬유(130)의 출력단은 물리적 거리에 의해 온도구배가 발생하여 유도 브릴루앙 산란 현상을 더욱 효과적으로 억제할 수 있다.

정리하면 상기 제1능동광섬유(120)는 상기 펌프 광원(200)과 신호 광원(300)을 증폭하는데 있어서 제1코어(121)의 직경을 작게 구성함으로써 모드불안정 현상을 억제할 수 있고, 또한 상기 냉각판(150) 위에 나선 평판 구조로 코일링 됨으로써 상기 펌프 광원(200)의 높은 세기로 인해 발생하는 발열문제를 효과적으로 제어할 수 있다.

상기 제2능동광섬유(130)는 제2코어(131)를 상기 제1코어(121) 보다 직경이 크게 구성함으로써 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제할 수 있고, 또한 상기 냉각판(150) 위에 원통 구조로 코일링 됨으로써 코일링 반경을 최소로 유지할 수 있어 모드불안정 현상을 억제할 수 있다. 또한 상기 제2능동광섬유(130)는 원통 구조 코일링을 통해 길이를 다양화 할 수 있어 모드불안정 현상을 억제할 수 있다. 또한 상기 제2능동광섬유(130)는 원통 구조 코일링에 의해 발생하는 상기 제2능동광섬유(130)의 출력단과 상기 냉각판(150)의 물리적 거리차이에 의해 온도구배가 발생하여 이를 통해 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제할 수 있는 것이다.

상술한 증폭기(100)의 구성 및 코일링 방법을 통해서 고출력 협대역 광섬유 레이저에서 발생하는 모드불안정 현상과 유도 브릴루앙 산란 현상을 동시에 효율적으로 억제할 수 있는 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시 예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 증폭기
110 : 광원결합기
120 : 제1능동광섬유
121 : 제1코어
122 : 제1내부클래드
123 : 제1외부클래드
130 : 제2능동광섬유
131 : 제2코어
132 : 제2내부클래드
133 : 제2외부클래드
140 : 광원제거기
150 : 냉각판
160 : 레이저 출력보호기
200 : 펌프 광원
300 : 신호 광원

Claims (5)

1. 광섬유 증폭기(100)에 있어서,
   신호 광원(300)을 증폭시키는데 이용되는 펌프 광원(200)과 증폭시키고자 하는 신호 광원(300)을 광학적으로 연결하는 광원결합기(110);
   상기 광원결합기(110)와 광학적으로 연결되어 있으며 편광유지 광섬유 또는 무편광 광섬유로 구성되고, 상기 펌프 광원(200)을 흡수하여 상기 신호 광원(300)을 증폭하는 제1능동광섬유(120);
   상기 제1능동광섬유(120)와 직경이 서로 동일하며 광섬유 단면을 전기아크 또는 필라멘트 또는 레이저를 이용하여 가열 융착하는 융착 접속방법을 통해 광학적으로 연결되어 있으며 편광유지 광섬유 또는 무편광 광섬유로 구성되고, 상기 제1능동광섬유(120)에서 흡수하고 남은 상기 펌프 광원(200)을 흡수하여 상기 증폭된 신호 광원(300)을 재차 증폭하는 제2능동광섬유(130);
   상기 제2능동광섬유(130)와 광학적으로 연결되어 있으며 남아있는 상기 펌프 광원(200)을 제거하는 광원제거기(140);
   상기 제1능동광섬유(120)와 제2능동광섬유(130)에서 발생하는 열을 냉각시켜주는 냉각판(150); 및
   상기 광원제거기(140)와 광학적으로 연결되어 있으며 출력 손실을 방지하는 레이저 출력보호기(160)를 포함하되,
   상기 제1능동광섬유(120)는,
   내부에 어븀(Er), 이터븀(Yb) 및 네오디뮴(Nd) 중 어느 하나 이상이 이득매질로 첨가되며 제2코어(131)보다 직경이 작아 모드불안정 현상의 발생을 억제할 수 있는 제1코어(121)를 가지며 상기 제1코어(121)는 제1내부클래드(122)와 제1외부클래드(123)로 코팅되는 것을 특징으로 하되,
   상기 제1능동광섬유(120)는,
   상기 냉각판(150)의 위에 상기 펌프 광원(200)에 의해 증폭되는 신호 광원(300)의 세기에 따라 코일 반경이 변화되도록 나선 평판 구조로 코일링 되어 상기 펌프 광원(200)의 세기로 인해 발생하는 발열문제 및 모드불안정 현상을 억제할 수 있는 것을 특징으로 하되,
   상기 제2능동광섬유(130)는,
   내부에 상기 제1능동광섬유(120)의 제1코어(121)보다 직경이 넓어 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제할 수 있고, 어븀(Er), 이터븀(Yb) 및 네오디뮴(Nd) 중 어느 하나 이상이 이득매질로 첨가되는 제2코어(131)를 가지며 상기 제2코어(131)는 상기 제1내부클래드(122)와 같은 소재의 제2내부클래드(132)와 상기 제1내부클래드(122) 및 제2내부클래드(132)에 비해 굴절률이 작고 상기 제1외부클래드(123)와 같은 소재의 제2외부클래드(133)로 코팅되는 것을 특징으로 하되,
   상기 제2능동광섬유(130)는,
   상기 냉각판(150)의 위에 코일링 반경의 축소 및 길이의 다양화를 위해 원통 구조로 코일링 되어 모드불안정 및 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제할 수 있고, 상기 제2능동광섬유(130)의 출력단은 상기 냉각판(150)과의 물리적 거리차이에 의해 온도구배가 일어나 유도 브릴루앙 산란 현상을 억제할 수 있는 것을 특징으로 하는 고출력 협대역 광섬유 레이저를 위한 혼종 광섬유 증폭기.
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