KR20090037956A

KR20090037956A - 대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기 및 광섬유 레이저

Info

Publication number: KR20090037956A
Application number: KR1020097003704A
Authority: KR
Inventors: 리차드 무리슨; 툴리오 파나렐로; 베노이트 레이드; 레이널드 블라-피카드
Original assignee: 파이로포토닉스 레이저스 인코포레이티드
Priority date: 2006-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-04-16
Also published as: US8665515B2; US20140126041A1; US20110181944A1; JP2014241439A; WO2008017157A1; US7940453B2; EP2050169A1; CN101501943B; US20080030847A1; US8842362B2; EP2050169A4; CN101501943A; JP2010500742A

Abstract

특정 스펙트럼 이득 곡선을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법은 신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 신호 파장은, 제1 대역내 파장으로부터 제2 대역내 파장으로 연장되는 상기 스펙트럼 이득 곡선의 대역내 부분에 존재하고, 상기 대역내 부분은 제1 진폭 범위를 특징으로 한다. 상기 방법은 또한, 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 펌프 파장은 상기 신호 파장보다 작다. 상기 방법은 또한, 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계 및 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 대역내 파장보다 작고 상기 펌프 파장보다 큰 파장에서 상기 스펙트럼 이득 곡선의 모든 부분은, 상기 제1 진폭 범위보다 10dB 큰 값과 같거나 그보다 작은 제2 진폭을 특징으로 한다.

광섬유, 레이저, 증폭기, 대역외 이득, 펌핑, 임계 파워, 분포 반전.

Description

대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기 및 광섬유 레이저{FIBER AMPLIFIERS AND FIBER LASERS WITH REDUCED OUT-OF-BAND GAIN}

[관련 출원의 상호 참조]

본 출원은 "감소된 대역외 이득을 갖는 광섬유 증폭기 및 광섬유 레이저"라는 명칭의 2006년 8월 7일자 미국 임시특허출원 제60/836,244호를 우선권 주장의 기초로 하며, 상기 출원은 그 전체로서 참조에 의해 본 명세서에 편입된다.

본 발명은 일반적으로 광섬유 증폭기 및 레이저 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 광학적으로 여기된 희토류로 도핑된(rare-earth doped) 광섬유 이득 매질(gain medium)과 관련된 시스템 및 방법에 관한 것이다. 단지 예로써, 본 발명의 방법 및 시스템은 광섬유에 있어서의 대역외 이득 및 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission)을 감소시키는데 적용되었다. 그러나, 본 발명은 더 넓은 분야에 응용될 수 있을 것이다.

마킹, 새김(engraving), 미세 가공 및 절삭과 같은 응용 분야에서 종래의 레 이저를 기반으로 한 물질 가공은 높은 피크 파워 펄스형(pulsed) 레이저, 예를 들면, 1064nm로 동작하는 Q-스위치형(Q-switched) Nd:YAG를 사용해왔다. 보다 최근에는, 광섬유 이득 매질에 기초한 레이저 시스템이 개발되었다. 이러한 광섬유 기반의 레이저 시스템 중 몇몇 시스템은 광섬유 증폭기를 이용한다.

광섬유 이득 매질을 이용하는 광섬유 증폭기 및 레이저의 일부는 종종 반도체 레이저 펌프를 이용하여 광학적으로 펌핑(pumping)된다. 상기 광섬유 이득 매질은 일반적으로 희토류 원소로 도핑된 실리카 글라스(silica glass)를 포함한다. 상기 희토류 원소의 선택 및 상기 광섬유 이득 매질의 조성은 구체적인 응용 분야에 따라서 결정된다. 이러한 희토류 원소 중 하나가 이테르륨(ytterbium)이고, 이는 1020nm 내지 1100nm 범위에서 빛을 방출하는 광 증폭기 및 레이저에 이용된다. 몇몇 광섬유 이득 매질에 사용되는 다른 희토류 원소는 에르븀(erbium)이고, 이는 1530nm 내지 1560nm 범위에서 빛을 방출하는 광 증폭기 및 레이저에 이용된다.

이테르븀으로 도핑된(ytterbium-doped) 광 증폭기 및 레이저에 이용되는 상기 광 펌프 소스의 파장은, 일반적으로 910nm 내지 980nm의 파장 범위를 갖는다. 에르븀으로 도핑된 광 증폭기 및 레이저에 이용되는 상기 광 펌프 소스의 파장은, 일반적으로 그 파장 범위의 중심이 약 980nm 또는 약 1480nm에 놓인다. 이테르븀 또는 에르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기가 상기 파장에서 펌핑되면, 상기 증폭기들은 일반적으로 주요 파장 범위, 즉, 레이저 발생(lasing) 또는 증폭 파장의 외부에서 상당한 이득 및 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission; ASE)을 나타낸다. 예를 들면, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 이득 매질이 약 915nm의 파장에서 펌핑되면 약 976nm에서 높은 이득 및 ASE가 발생되고, 상기 이득 매질이 약 976nm의 파장에서 펌핑되면 약 1030nm에서 높은 이득 및 ASE가 발생된다. 에르븀으로 도핑된 광섬유의 경우에는, 980nm 또는 1480nm의 파장에서 펌핑함으로써 1530nm 부근에서 높은 이득 및 ASE가 발생된다.

상기 대역외 이득, 즉, 주요 파장 범위 외부에 존재하는 이득으로 인해, 증폭기 또는 레이저가 이러한 대역외 파장에서 ASE를 생성하거나 레이저 발생을 시작할 가능성이 있다. 이러한 ASE 또는 레이저 발생은 상기 주요 파장에서 이용가능한 이득의 양을 제한할 것이다. 증폭기 응용 제품의 일부에서는, 크기가 큰 대역외 ASE가 이용가능한 이득을 제한할 것이고, 상기 ASE의 에너지는 상기 주요 파장에서의 신호 에너지보다 더 클 수 있다.

따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서는, 대역외 ASE 및 이득이 감소된 광섬유 기반의 증폭기 및 레이저에 대한 요구가 존재한다.

본 발명에 의하면, 일반적으로 광섬유 증폭기 및 레이저에 관련된 기술이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 트리밍(trimming), 마킹, 절삭 및 용접과 같은 산업 분야에서 사용되는 레이저 펄스를 높은 파워로 증폭하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 단지 예로써, 본 발명은 이테르븀으로 도핑된 광섬유 레이저 증폭기에 적용되었다. 그러나, 본 발명은 더 넓은 분야에서 응용될 수 있고 다른 소스에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 특정 스펙트럼 이득 곡선을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계를 포함한다. 상기 신호 파장은 제1 대역내 파장으로부터 제2 대역내 파장으로 연장되는 상기 스펙트럼 이득 곡선의 대역내 부분에 존재하고, 상기 대역내 부분은 제1 진폭 범위를 특징으로 한다. 상기 방법은 또한 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 펌프 파장은 상기 신호 파장보다 작다. 또한 상기 방법은, 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계 및 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 제1 대역내 파장보다 작고 상기 펌프 파장보다 큰 파장에서 상기 스펙트럼 이득 곡선의 모든 부분은, 상기 제1 진폭 범위보다 10dB 큰 값과 같거나 그보다 작은 제2 진폭을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은, 1050nm와 1090nm 사이의 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계, 1010nm와 1050nm 사이의 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계, 및 상기 펌프 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은, 1050nm와 1090nm 사이의 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계, 1010nm와 1050nm 사이의 파장에서 시드 방사를 제공하는 단계, 및 상기 시드 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 910nm와 1050nm 사이의 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계, 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계, 및 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계 및 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 펌프 방사는 입력 펌프 파워를 특징으로 한다. 상기 방법은 또한, 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 입력 펌프 파워는, 광섬유 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 분포 반전을 일으킬 수 있을 만큼 높다.

본 발명의 특정 실시예에 의하면, 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계를 포함한다. 제1 피크 진폭을 특징으로 하는 스펙트럼 이득 곡선의 대역내 부분은 상기 신호 파장과 연관된다. 상기 방법은 또한, 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 펌프 파장은 상기 신호 파장보다 작다. 또한 상기 방법은 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계 및 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제2 피크 진폭을 특징으로 하고 상기 신호 파장과 연관된 상기 스펙트럼 이득 곡선의 대역외 부분은 상기 스펙트럼 이득 곡선의 상기 대역내 부분보다 작다.

본 발명의 다른 특정 실시예에 의하면, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 1050nm와 1090nm 사이의 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계, 1010nm와 1050nm 사이의 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계, 상기 펌프 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계 및 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 특정 실시예에 의하면, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 1050nm와 1090nm 사이의 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계, 1010nm와 1050nm 사이의 파장에서 시드 방사를 제공하는 단계, 상기 시드 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계, 910nm와 1050nm 사이의 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계, 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계 및 상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가적인 특정 실시예에 의하면, 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계 및 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 펌프 방사는 입력 펌프 파워를 특징으로 한다. 상기 방법은 또한 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 입력 펌프 파워는 광섬유 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 분포 반전을 일으킬 수 있을 만큼 높다.

본 발명의 특정 실시예에 의하면, 광섬유 증폭기의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계 및 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 펌프 방사는 입력 펌프 파워를 특징으로 한다. 상기 방법은 또한 상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계를 포함한다. 상기 입력 펌프 파워는, 상기 광섬유의 출력단을 빠져나가는 상기 펌프 방사의 양이 적어도 상기 광섬유에서 흡수되는 상기 펌프 방사의 양보다 크거나 그와 동일할 수 있을만큼 높다.

본 발명의 다른 특정 실시예에 의하면, 광 증폭기가 제공된다. 상기 증폭기는 제1 파장에서 광 펄스 신호를 증폭하기 위해 특정 길이의 희토류로 도핑된 광섬유를 포함한다. 광 신호 파장은 상기 희토류로 도핑된 광섬유의 이득 피크의 외측에 위치한다. 상기 증폭기는 또한 제2 파장에서 광 펌프의 광을 포함하고, 상기 광 펌프의 광은 상기 특정 길이의 희토류로 도핑된 광섬유에 주사된다. 펌프 광 파장은 상기 희토류로 도핑된 광섬유의 이득 피크의 부근에 위치하여, 자연 증폭 방출 및 상기 피크에서의 이득이 실질적으로 감소된다.

본 발명의 또 다른 특정 실시예에 의하면, 광 증폭기가 제공된다. 상기 증폭기는 제1 파장에서 광 펄스 신호를 증폭하기 위해 희토류로 도핑된 특정 길이의 광섬유를 포함한다. 광 신호 파장은 상기 희토류로 도핑된 광섬유의 이득 피크 외측에 위치한다. 상기 증폭기는 또한 제2 파장에서 광 시드의 광을 포함하고, 상기 광 시드의 광은 상기 특정 길이의 희토류로 도핑된 광섬유로 주사된다. 시드 광 파장은 상기 희토류로 도핑된 광섬유의 이득 피크의 부근에 위치한다. 상기 광 증폭기는 또한 제3 파장에서 광 펌프의 광을 포함하고, 상기 광 펌프의 광 또한 상기 희토류로 도핑된 특정 길이의 광섬유로 주사된다. 상기 펌프 광의 상당한 부분이 시드 파장에서의 광으로 변환되도록 그리고 상기 자연 증폭 방출 및 상기 피크에서의 이득이 실질적으로 감소되도록, 펌프 광 파장이 선택된다.

종래 기술에 비해 진보된 본 발명을 사용함으로써 많은 이점이 성취된다. 예를 들어, 시드 신호를 이용하는 본 발명의 일 실시예에서는, 광 펄스가 자연적인 이득 피크 외측의 파장에서 높은 파워로 증폭될 수 있는 동시에, 성능 특성이 유사한 레이저와 비교할 때 안정성이 향상된다. 또한, 본 발명의 실시예들에서는, ASE 배경 잡음(background)이 감소된 짧은 펄스들이 생성된다. 실시예에 따라서는, 이러한 장점들의 하나 또는 그 이상이 존재할 수 있다. 이러한 그리고 다른 장점들은 본 명세서의 전반에 걸쳐서 특히 이하에 보다 구체적으로 설명된다. 발명의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하면 본 발명의 추가적인 다양한 목적, 구성 및 효과를 충분히 이해할 수 있다.

도 1A는 976nm에서 광학적으로 펌핑된 이테르븀 도핑 증폭기에 있어서 스펙트럼 이득의 단순화된 도면이다.

도 1B는 976nm에서 광학적으로 펌핑된 이테르븀 도핑 증폭기의 출력 스펙트럼의 단순화된 도면이다.

도 2는 이테르븀 도핑 광섬유 증폭기에 있어서, 분포 반전(population inversion)의 다양한 준위(level)에서의 스펙트럼 이득의 단순화된 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한, 대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기의 단순화된 개략도이다.

도 4A는 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 증폭기에 있어서 이득 스펙트럼의 단순화된 도면이다.

도 4B는 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 증폭기에 있어서 출력 스펙트럼의 단순화된 도면이다.

도 5는 다양한 길이의 이테르븀 도핑 광섬유 증폭기에 대한 이득 스펙트럼의 단순화된 도면이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한, 대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기의 단순화된 개략도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한, 대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기의 스펙트럼 이득의 단순화된 도면이다.

도 8A, 8B 및 8C는, 20W의 펌핑 파워에 대해서 광섬유의 길이 방향에 따른 분포 반전, ASE 강도 및 잔여 펌프 파워를 도시한다.

도 9A, 9B 및 9C는, 40W의 펌핑 파워에 대해서 광섬유의 길이 방향에 따른 분포 반전, ASE 강도 및 잔여 펌프 파워를 도시한다.

도 10A 및 10B는, 20W의 펌핑 파워에 대한 고 에너지의 제1 펄스 문제 및 이득 회복 시간의 일 예를 도시한다.

도 11A 및 11B는, 40W의 펌핑 파워에 대한 고 에너지의 제1 펄스 문제 및 이득 회복 시간의 일 예를 도시한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한, 20W의 펌핑 파워에 대한 광섬유의 길이 방향에 따른 1028nm에서의 상위 준위의 분포(upper-level population), 잔여 펌 프 파워 및 이득 프로파일(gain profile)을 도시한다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한, 20W의 펌핑 파워에 대한 광섬유의 길이 방향에 따른 1028nm에서의 상위 준위의 분포, 잔여 펌프 파워 및 이득 프로파일을 도시한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제공되는 증폭기에 있어서 이득 및 잔여 펌프 파워를 주사된 펌프 파워의 함수로서 도시한다.

도 1A는 976nm에서 광학적으로 펌핑된 이테르븀 도핑 증폭기에 있어서 스펙트럼 이득의 단순화된 도면이다. 도 1A에 도시된 스펙트럼 이득 곡선 110을 생성하기 위해, 이테르븀으로 도핑된 광섬유가 500mW의 펌프 파워로 976nm의 파장에서 코어-펌핑(core-pumping)되었다. 광섬유의 길이는 1064nm에서 30dB에 근접한 이득을 획득하도록 선택되었다. 도 1A에 도시된 스펙트럼 이득 데이터를 생성하기 위해, 활성 물질(active material)은 실질적으로 47% 반전(inversion)되었다. 펌프광의 상당 부분이 상기 이테르븀 증폭기의 펌핑 중에 흡수된다.

도 1A를 참조하면, 약 1030nm의 파장에서 실질적인 이득 피크 112가 스펙트럼 이득 곡선에 나타난다. 1064nm의 파장에서 레이저 발생 또는 증폭이 요구되는 응용 제품들에 있어서, 약 1030nm에서의 상기 이득 피크 112는 대역외 이득을 나타낸다. 도 1A에 도시된 실시예에서, 상기 이득 피크 112는 50dB를 넘는다. 상기 이득 피크 112의 높은 값은 약 1030nm에서 기생 레이저 발생(parasitic lasing) 또 는 불안정성을 야기할 수 있고, 이는 1064nm에서 이용가능한 이득을 제한하고 1064nm에서의 잡음(noise)을 증가시킬 수 있다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예는, 상기 대역외 이득 피크 112를 감소시킴으로써, 종래 기술로는 얻을 수 없는 이점을 제공한다.

도 1B는 976nm에서 광학적으로 펌핑된 이테르븀 도핑 증폭기의 출력 스펙트럼 120의 단순화된 도면이다. 출력 스펙트럼 120의 피크 122는 원하는 파장 1064nm에서 증폭된 출력을 나타낸다. 그러나, 피크 124는 상당한 출력 파워가 약 1030nm의 파장에 위치된 ASE 피크 124에 존재한다는 것을 보여준다. 몇몇 응용제품에서, 상기 피크 124에서의 대역외 파워는 원하는 파장 1064nm에서의 이득을 감소시키고 증폭기 효율(예를 들면, 출력 파워/펌프 파워)의 감소를 야기한다.

도 2는 이테르븀 도핑 광섬유 증폭기에 있어서 분포 반전(population inversion)의 다양한 준위에서의 스펙트럼 이득의 단순화된 도면이다. 도 2에 도시된 스펙트럼 이득 곡선에 있어서, 상기 반전은 광섬유의 길이의 함수로서 실질적으로 균일하다. 그 결과, 상기 증폭기의 이득은 길이의 함수로서 실질적으로 균일하다. 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 반전을 발생시키기 위해, 상기 광섬유 증폭기 내에서 상기 활성 매질에 의해 흡수될 수 있는 양을 초과하는 양의 광 파워를 발생시키는 펌프 소스가 제공된다. 일반적으로, 펌프 파워는 흡수되는 파워를 2배 또는 그 이상 초과할 것이다. 특정 실시예에서는, 이하에 설명되는 바와 같이, 상기 펌프 파워가 흡수되는 파워보다 실질적으로 5배 크다.

도 2를 참조하면, 곡선 210은 10%의 분포 반전을 나타내고, 곡선 212는 20% 의 분포를 나타내며, 곡선 214는 30%의 분포 반전을 나타낸다. 나머지 곡선들은 곡선마다 10%씩 증가된 분포 반전을 나타내며, 곡선 222는 70%의 분포 반전을 나타낸다.

도 2에 도시된 곡선을 생성하기 위해, 펌프 파장은 더 낮은 반전과 관련된 더 긴 파장으로부터 더 높은 반전과 관련된 더 짧은 파장으로 변화되었다. 곡선 210을 참조하면, 실질적으로 1020nm의 펌프 파장이 사용되었다. 펌프 소스의 파워, 광섬유의 길이, 도핑 농도 등은, 펌프 광의 흡수가 길이의 함수로서 실질적으로 균일하여 상기 광섬유의 길이를 따라 실질적으로 10%의 실질적으로 균일한 반전이 발생되도록 선택되었다. 일반적으로, 길이가 더 긴 광섬유에 대해서, 균일한 반전을 생성하기 위해 더 높은 펌프 파워가 공급된다.

상기 반전이 이득 매질의 길이를 따라 균일한 조건에서는, 펌프 파워의 추가적인 증가가 상기 활성 매질에 의한 흡수 또는 추가적인 반전을 현저히 증가시키지 않을 것이다. 따라서, 도 2의 곡선들이 "최대 반전(maximum inversion)" 곡선(상기 펌프 소스의 상기 파장에서 최대 반전에 도달함)으로 간주될 수 있다. 상기 활성 매질이 추가적인 펌프 광을 흡수함에 따라 방출율이 흡수율과 평형을 이루게 되며, 이에 따라 흡수가 최대가 되고 반전된 이득 매질의 비율이 제한될 것이라는 점을 인식할 수 있을 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 펌프 파장의 선택이 얻을 수 있는 최대 분포 반전을 결정한다. 상기 분포 반전은 길이의 함수로서 균일, 예를 들어 곡선 214에 도시된 바와 같이 실질적으로 30%일 수 있지만, 이득은 파장의 함수이다. 주어진 상 위 대역으로 펌핑함에 있어서, 이 최대 분포 반전은 펌프 파장이 증가함에 따라 감소한다. 주어진 펌프 파장에서의 이 최대 분포 반전은 이득의 값을 파장의 함수로서 나타낸다. 상기 최대 분포 반전이 어떤 펌프 파장에 도달할 때, 해당 펌프 파장에서의 이득은 정확히 0dB가 될 것이다.

예를 들어 도 2를 참조하면, 960nm의 펌핑 파장에서(곡선 222), 70%의 분포 반전 곡선이 960nm에서 실질적으로 0dB를 나타냄을 볼 수 있다. 결과적으로, 960nm의 펌프 파장은 70%까지의 최대 분포 반전을 허용할 것이다. 곡선 216에 대해서는, 40%의 분포 반전과 함께 985nm의 펌프 파장에서의 이득이 실질적으로 0dB이다. 도 2를 참조하면, 70%의 반전과 함께(곡선 222), 976nm와 1030nm의 양쪽 모두에서의 광 이득(optical gain)이 1064nm에서의 광 이득보다 실질적으로 크다. 그 결과, 1064nm에서 동작하는 광섬유 증폭기 또는 광섬유 레이저에 이용가능한 최대 이득은, 상기 증폭기가 960nm에서 펌핑될 때 제한될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 대역내(in-band) 이득에 대해서 대역외 이득을 감소시키는 시스템을 제공한다. 상기 대역외 이득 및 대역내 이득을 위해 선택되는 구체적인 준위는 구체적인 응용 분야에 따라 결정될 것이다. 구체적인 실시예에서, 상기 대역외 이득은 무시가능한 수준으로 발생된다. 다른 실시예에서, 상기 대역외 이득은 상기 대역내 이득보다 3dB 큰 값과 같거나 이보다 작아지도록 감소된다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.

다시 도 2를 참조하면, 이테르븀으로 도핑된 광 증폭기가 1064nm의 신호 파 장에서 동작하도록 된 경우(즉, 대역내 파장이 1064nm), 976nm 및 1030nm 모두에서 대역외 이득 피크를 감소시키는 실질적으로 5% 내지 25%의 분포 반전(곡선 210 내지 214에 의해 개괄적으로 도시됨)을 선택하는 것이 유리할 수 있는데, 그렇지 않으면 더 높은 반전 준위에서 976nm 및 1030nm에서의 대역외 이득 피크가 우위를 점하게 된다. 따라서, 특정 실시예에서는, 1064nm의 출력을 발생시킴에 있어서, 5% 및 25%의 반전 곡선에 대한 0dB의 이득 값에 의해 결정된 바에 따라 실질적으로 1000nm 내지 1040nm 범위의 펌프 파장이 광 펌프로서 이용된다.

실질적으로 1020nm의 펌프 파장을 갖는 곡선 210을 참조하면, 1064nm에서의 이득은 10%의 분포 반전에서 실질적으로 10dB/m이다. 따라서, 60dB의 이득을 얻기 위해 6m의 광섬유가 이용된다. 다른 실시예에서는, 30dB의 이득을 얻는데 3m의 광섬유가 요구될 것이다. 광섬유 증폭기가 그 길이를 따라 균일하게 반전되는 한, 길이의 증가는 그에 대응하는 이득의 증가를 가져온다. 곡선 210 및 212와 관련된 낮은 준위의 반전과는 달리, 기존의 펌프 파장인 976nm가 사용된다면(곡선 218), 1064nm에서의 이득은 실질적으로 60dB/m이다. 따라서, 기존의 광섬유 증폭기에서, 1m의 광섬유는 60dB의 이득을 생성할 것이고, 즉, 30dB의 이득은 0.5m의 광섬유를 요구할 것이다. 그러나, 곡선 218에 대한 1030nm에서의 대역외 이득은 상당한 크기이다(~100dB/m). 1064nm에서의 대역내 이득에 비해 이같이 높은 대역외 이득의 결과로서, 바람직하지 않은 ASE, 레이저 발생 등이 야기된다. 펌프 파장이 976nm 이하로 감소됨에 따라서, 상기 대역외 이득은 대역내 이득과 관련하여 계속하여 증가한다. 기존의 시스템에서는 상기 대역외 이득을 감소시키기 위해 일반적으로 시 스템 복잡도와 비용을 증가시키는 기술들이 이용된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한, 대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기의 단순화된 개략도이다. 광 증폭기 300은 1064nm의 입력 광 펄스 열(列) 310을 증폭하여, 출력 광 펄스 열 330을 1064nm에서 생성한다. 광섬유 증폭기 300은 소정 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 이득 매질 324를 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 희토류로 도핑된 광섬유 이득 매질 324의 길이는 미리 정해진 길이이고, 희토류로 도핑된 단일 클래드(single-clad), 이중 클래드(double-clad), 심지어 다중 클래드(multiple-clad)의 광섬유를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광섬유에 이용되는 상기 희토류 도펀트는, 이테르븀(ytterbium), 에르븀(erbium), 홀뮴(holmium), 프라세오디뮴(praseodymium), 툴륨(thulium), 네오디뮴(neodymium), 이들 원소의 조합 등을 포함한다. 구체적인 실시예에서, 상기 광섬유 증폭기 300을 구성하는데 이용된 섬유 광학(fiber-optic) 기반의 구성요소들은, 편광 유지(polarization-maintaining) 단일 모드 광섬유를 이용한다.

도 3을 참조하면, 구체적인 실시예에서, 펌프 레이저 320이 광 커플러 322를 통해 희토류로 도핑된 광섬유 이득 매질 324의 제1 측에 광학적으로 연결된다. 상기 펌프 레이저 320은, 미리 정해진 파장으로 광 출력을 생성하고 미리 정해진 스펙트럼 대역폭을 갖는 반도체 다이오드 레이저이다. 펌프 레이저 320에 반도체 레이저 소스를 이용하는 경우 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 펌프 방사(radiation)가 제공될 것이라는 점을 인식할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 반도체 펌프 레이저 320의 파장은 실질적으로 1000nm 내지 1040nm의 범위 내에 있도록 선택된다. 구체적인 실시예에서, 펌프 레이저 320의 펌프 파장은 1030nm이다. 단지 예로써, 상기 광 커플러 322는 파장 분할 다중화기(Wavelength Division Multiplexer; WDM) 또는 신호 피드쓰루(feedthrough)를 갖는 다중 모드 펌프 합성기(multi-mode pump combiner)일 수 있다. 이러한 광 커플러는 영국 토키(Torquay)에 소재한 사이팜 섬유 광학(Sifam Fibre Optics)으로부터 구입 가능하다.

상기 펌프 레이저 320의 파워는 상기 광섬유 증폭기 이득 매질 324의 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 반전을 생성하도록 선택된다. 구체적인 실시예에서, 광 커플러 322를 통해 상기 광섬유 증폭기 이득 매질 324로 연결되는 광 파워는 500mW이다. 일반적으로, 실시예에서는 500mW와 같거나 그보다 큰 파워의 펌프 레이저 320이 사용된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 증폭기에 있어서, 상기 광섬유 증폭기 이득 매질 324에 의해 흡수된 광 파워는 실질적으로 100mW이고, 이에 따라 입력 펄스 310의 파장, 예를 들어, 1064nm에서 출력 펄스 330이 생성되는 한편 상기 광섬유의 단부를 빠져나가는 광 펌프 파워가 실질적으로 400mW가 된다. 따라서, 상기 펌프 파장에서 상기 광섬유 증폭기 300을 빠져나가는 광 파워는 상기 광섬유 증폭기 이득 매질 324에 의해 흡수된 광 파워의 4배이다.

분포 반전 및 이득이 광섬유 길이의 함수로서 실질적으로 균일하기 때문에, 상기 이득은 길이에 따라 선형으로 변화하여, 신호 파장에서 상기 이득이 1m의 광섬유에 대해 10dB라면, 상기 이득은 2m의 광섬유에 대해서는 20dB가 될 것이다. 상기 광섬유의 단부에서 상당한 펌프 누설이 존재하는 한 이득과 광섬유 길이 간의 이러한 대응성이 발생할 것이다. 펌프 파워의 상대적으로 적은 양이 상기 이득 매질에 의해 흡수되므로, 본 발명의 실시예들은 현저하게 더 큰 펌프 파워가 이득 매질에서 흡수되는 기존의 광섬유 증폭기에 대비된다는 점을 인식할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 의해 제공되는 광섬유 증폭기의 특성은 다음의 과정을 이용하여 부여될 수 있다. 이러한 특성 부여 과정은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니며, 단지 예로써 제공되는 것에 불과하다. 입력 신호의 파워(피크 펄스 파워, 시평균 파워 또는 다른 측정 기준들 중 하나) 및 출력 신호의 파워가 신호 파장, 예를 들면, 1064nm에서의 이득을 결정하기 위해 측정된다. 다른 파장, 예를 들면, 1030nm에서의 이득은 동조가능(tunable) 레이저 소스 또는 다수의 파장에서 동작하는 일련의 소스들을 사용하여 측정된다. 이에 따라, 도 2와 유사한 데이터를 제공하는, 광섬유 증폭기에 대한 스펙트럼 이득 곡선이 측정된다. 펌프 파장에 따라서는, 이러한 측정들로부터 도 2에 도시된 곡선과 유사한 곡선들이 생성될 것이다.

상기 반전을 광섬유 증폭기의 길이의 함수로서 결정하기 위해, 펌프 레이저 출력의 파워 측정, 상기 광섬유에 대한 계수의 결합 및 상기 펌프 레이저 파장에서 상기 증폭기를 빠져나가는 광 파워의 파워 측정이 행해진다. 다른 기술들과 함께, 펌프 파워의 변동이 분포 반전의 균일성을 길이의 함수로서의 결정하기 위해 이용될 수 있다. 낮은 펌프 파워 준위에서, 펌프 파워의 증가는 펌프 에너지의 상당 부분이 흡수되도록 할 것이다. 펌프 파워 준위가 상승함에 따라서, 이득 매질이 광섬유 증폭기의 길이를 따라 균일하게 반전되게 되기 때문에 펌프 파워의 증가는 펌프 에너지의 흡수되는 부분을 감소시킬 것이다. 시스템 성능의 상기 특성에 기초하여, 상기 신호 파장에서의 이득과 대역외 파장에서의 이득이 서로 비교될 수 있다.

도 4A는 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 증폭기에 있어서 이득 스펙트럼의 단순화된 도면이다. 단지 예로써, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 있어서 이득 스펙트럼이 도 4A에 도시된다. 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 이득 스펙트럼은 1030nm의 펌프 파장에서의 코어 펌핑에 대해서 도시된다. 도 4A에 도시된 실시예의 펌프 파워는 500mW이다. 상기 이테르븀의 도핑 준위는 실질적으로 5×10²⁴ions/m³이다. 특정 실시예에서, 광섬유의 길이는 1064nm의 신호 파장에서 실질적으로 22dB의 이득을 얻도록 선택되었다. 도 4A에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 광섬유 증폭기와 달리, 스펙트럼 이득 곡선의 피크는 실질적으로 상기 신호 파장에 그 중심이 놓이고, 이에 따라 다양한 포텐셜 불안정 및 대역외 파장에서의 기생 레이저 발생의 모두 또는 어느 하나를 방지한다. 1030nm의 특정 대역외 파장에서, 상기 이득은 0dB보다 작다.

도 4B는 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 증폭기에 있어서 출력 스펙트럼의 단순화된 도면이다. 도 4B에 도시된 바와 같이, 상기 출력 스펙트럼은 신호 파장에서의 레이저 발생 및 최소 대역외 ASE를 도시한다. 본 발명의 실시예가 제공하는 대역외 이득의 감소는, 더 안정적이고 유용한 신호 파장에서 더 높은 이득을 갖는 광 증폭기 및 레이저의 제작을 가능하게 한다.

도 5는 이테르븀으로 도핑된 다양한 길이의 광섬유 증폭기에 있어서 이득 스펙트럼의 단순화된 도면이다. 구체적으로, 0.6m(510), 5m(512) 및 10m(514)의 길이를 갖는 이테르븀 도핑 광섬유에 대해서 이득 스펙트럼이 도시되어 있다. 상기 광섬유는 976nm에서 40W의 광 파워로 클래드-펌핑(clad-pumping)된다. 도 5에 도시된 이득 스펙트럼을 발생시키는데 사용된 광섬유는 30㎛의 코어 지름과 250㎛의 내부 클래드 지름을 갖는 이중 클래드 광섬유이다. 이테르븀의 도핑 준위는 코어에서 9.2×10²⁵m^-3이다. 이테르븀의 상기 도핑 준위는 실질적으로 980nm 내지 1100nm의 파장 범위에서의 동작을 제공하도록 선택된다. 에르븀, 네오디뮴 또는 툴륨과 같은 다른 희토류 원소들이, 구체적인 응용 분야에 적합한 다른 파장에서의 증폭을 위해 사용될 수 있다.

도 5를 다시 참조하면, 0.6m의 도핑된 광섬유에 대한 곡선 510은 1064nm의 신호 파장에서 실질적으로 30dB의 이득을 갖는다. 실질적으로 1030nm에서 현저한 대역외 이득 피크가 존재한다. 도 510에 대해 도시된 바와 같이, 상기 대역외 이득 피크는 60dB에 가깝다. 도시된 바와 같이 대역외 이득 피크들은 높은 이득값을 제공하고 1030nm 부근에서 기생 레이저 발생 또는 불안정선을 야기할 수 있다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 이러한 기생 레이저 발생 또는 불안정성의 결과, 주요 파장(1064nm)에서 이용가능한 이득이 제한될 수 있고 잡음이 증가될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 이러한 상당한 대역외 이득 피크의 존재를 제거하는 증폭기 및 레이저의 모두 또는 어느 하나의 설계를 제공한다. 기존의 접근 방법 중 일부에서, 대역외 이득 피크를 감소시키는 기술은 광섬유를 연장시키는 것이고, 이는 짧은 파장 신호의 재흡수를 촉진하여 이득을 감소시킨다. 이는, 광섬유의 길이를 각각 5m와 10m로 연장시킨 경우의 효과를 설명하는 곡선 512 및 514에 예시되어 있다. 그러나, 광섬유의 길이를 연장시키는 것은 더 긴 파장에서의 이득을 증가시킨다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유의 길이를 10m로 연장(곡선 514)시키는 것은 1064nm의 주요 파장에서의 이득이 실질적으로 50dB가 되도록 한다. 따라서, 종래 기술 중 일부에 의해서는 원하는 스팩트럼 이득 프로파일을 유지하는 동시에 특정 이득 값을 갖는 증폭기를 설계하는 것이 곤란하다.

종래의 설계 방식 중 일부에서 사용된 또 다른 접근 방법은 이득을 조정하기 위해 펌프 준위를 변동시키는 것이다. 예를 들어, 도 5에서 곡선 514로 도시된 10m의 광섬유에서, 1064nm에서의 이득 50dB은 펌프 파워를 40W 이하로 감소시킴으로써 저감될 수 있다. 그러나, 일반적으로 더 낮은 광 펌프 파워는 증폭기의 회복 시간을 증가시키게 되며, 상기 증폭기를 높은 펄스 반복율로 동작시키기 위해서는 일반적으로 높은 펌프 파워가 요구되기 때문에 상기 회복 시간의 증가는 바람직하지 않을 수 있다. 따라서, 이러한 종래의 설계 빙식은 목표 이득과 빠른 회복 시간을 동시에 달성하는 것이 곤란하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한, 대역외 이득이 감소된 광섬유 증폭기의 단순화된 개략도이다. 광 증폭기 610은 1064nm에서의 입력 광 펄스 열 620을 증폭시켜, 1064nm에서의 출력 광 펄스 열 640을 제공한다. 광섬유 증폭기 610은 소정 길이의 희토류로 도핑된 광섬유 이득 매질 638을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 상기 소정 길이의 희토류로 도핑된 광섬유는, 희토류로 도핑된 단일 클래드, 이중 클래드 또는 다중 클래드의 광섬유를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광섬유에 사용된 희토류 도펀트는, 이테르븀, 에르븀, 홀뮴, 프라세오디뮴, 툴륨, 또는 네오디뮴을 포함한다. 구체적인 실시예에서, 광 증폭기 610을 구축하는데 이용되는 섬유-광학 기반의 구성요소들은 편광 유지 단일 모드 광섬유를 이용한다. 다른 구체적인 실시예에서, 상기 광섬유는 9.2×10²⁵cm^-3에 가까운 준위에서 이테르븀으로 도핑된다.

구체적인 실시예에서, 광 펌프 634는 광 커플러 636을 통해 상기 희토류로 도핑된 광섬유 638의 제1 측에 연결된다. 구체적인 일 실시예에서, 광 커플러 636은 파장 분할 다중화기(WDM) 또는 신호 피드쓰루를 갖는 다중 모드 펌프 합성기이며, 이들은 예를 들어 영국 토키에 소재한 사이팜 섬유 광학으로부터 구입 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 910nm 내지 1000nm 범위 내의 파장(예를 들면, 976nm)과 실질적으로 40W의 파워를 갖는 반도체 펌프 레이저 634가 이용된다. 단일 펌프 레이저 634의 레이저 발생이 도 6에 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 하나 또는 그 이상의 반도체 또는 다른 레이저가 이용될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다. 구체적인 실시예에서, 펌프 레이저 634는 다중 모드 반도체 레이저이고, 펌프 파워는 멀티 모드 광섬유 합성기 636을 사용하여 이테르븀으로 도핑된 광섬유 클래드 내에 주입된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 광섬유 증폭기 610은 펌프 소스 634로부터의 광 및 입력 펄스 620와 다른 파장에서 시드 소스 630으로부터의 시드 광을 이용한다. 바람직하게는, 상기 시스 소스는 상기 펌프 소스 파장과 상기 입력 펄스 파장 사이에 위치된 파장을 갖는다. 본 명세서를 전반에서 충분히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 이득 피크를 고정시켜 다양한 이점들을 제공한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 시스 소스 630이 광 커플러 632에 의해 희토류로 도핑된 광섬유 내로 주사되는 시드 광을 공급한다. 구체적인 실시예에서, 상기 시드 광은 실질적으로 50mW와 500mW 사이의 광 파워를 갖고 실질적으로 1030nm의 파장에서 동작하는 반도체 레이저에 의해 공급되며, 파장 분할 다중화기 632를 사용하여 이테르븀으로 도핑된 광섬유 코어 내로 주사된다. 다른 실시예에서, 상기 시드 소스 630으로부터의 시드 광은 ASE에 의해 광학적으로 펌핑된 이테르븀 도핑 광섬유 증폭기로부터 공급되며, 상기 광 입력 신호 620과 동일 선상에서 전파될 수 있다.

이하의 논의는 이득 고정(gain clamping) 메커니즘에 대한 설명을 제공하지만, 본 발명의 실시예들은 이러한 구체적인 설명에 한정되지 아니한다. 신호가 강하게 증폭될 때, 상기 신호는 이득 매질로부터 에너지를 끌어내고 따라서 이득은 낮아진다. 상기 광 증폭기 610에 적용될 때, 976nm의 펌프는 상기 광섬유 내에서 흡수되고 1030nm 및 1064nm 양쪽 모두의 파장에서 광대역 이득을 발생시킨다. 1030nm에서의 강한 시드 신호의 입력은 상기 시드 신호가 강하게 증폭되도록 하고, 상기 증폭기로부터 에너지를 끌어냄으로써 1030nm에서의 이득을 감소시킨다. 내부 클래드에서의 상기 976nm의 펌프 에너지는 실질적으로 코어 내에서 1030nm의 광으로 변환되고, 이 광은 상기 광섬유의 코어를 펌핑하여 1064nm를 포함하는 더 긴 파장에서 이득을 제공한다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 상기 976nm의 펌프 에너지의 1030nm에서의 펌프 에너지로의 흡수 및 변환은 1030nm에서 펌핑이 유효하게 발생되도록 한다. 상기 유효한 펌핑 파장이 1030nm이므로, 이 파장에서의 이득은 상기 이득이 광섬유의 길이를 따라 충분히 반전되는 조건 하에서 0dB이다. 976nm에서 1030nm로의 변환이 일어나는 광섬유의 적은 부분만이 1030nm에서의 잔여 이득에 기여한다. 따라서, 1030nm에서의 이득 초과가 최소화된다.

높은 파워의 레이저는 다른 파장들에서처럼 1030nm에서 용이하게 이용가능하지 않다. 증폭기로부터 높은 출력 파워를 달성하기 위해서는, 50W를 초과하는 펌프 파워가 종종 요구된다. 도 6을 다시 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 50mW와 100mW 사이의 출력 파워를 갖는 단일 모드 연속파(continuous wave; CW) 반도체 시드 레이저 630이 파장 분할 다중화기(WDM) 632를 사용하여 이테르븀으로 도핑된 광섬유 638에 연결된다. 일반적으로 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 638은, 실질적으로 30㎛의 코어 지름 및 250㎛의 내부 클래드 지름을 갖는 이중 클래드 광섬유이다. 상기 시드 레이저 630으로부터의 시드 광은 상기 광섬유 638의 30㎛의 코어 내로 전파된다. 또한, 실질적으로 910nm와 980nm 사이의 파장에서 실질적으로 50W인 다중 모드 펌프 레이저 634가 멀티 모드 합성기 636을 사용하여 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 638에 연결된다. 상기 펌프 레이저 634로부터의 펌프 광은 주로 상기 광섬유 638의 250㎛의 내부 클래드 내에서 전파된다. 상기 광섬유 내에 흡수되는 펌프 광은 상기 시드 광을 강하게 증폭시켜, 1030nm에서 펌프 광을 시드 광으로 현저히 변환시키고 1030nm에서 이득의 포화를 일으킨다. 일반적으로 상기 변환은 상기 코어 내에서 전파되는 1030nm의 광이 실질적으로 30W 내지 40W가 되도록 할 것이다. 따라서, 상기 증폭기에는, 976nm에서의 클래드 펌핑 대신 1030nm에서의 코어 펌핑이 행해진다.

1064nm에서의 펄스형 입력 광 신호 620이 증폭되어 출력 광 신호 640을 제공한다. 시드 레이저로 인해 이득은 1030nm에서 포화되지만, 응용 분야에 따라서는 상기 이테르븀 도핑된 광섬유에 대해 미리 정해진 길이를 선택함으로써, 신호를 30dB만큼 증폭시키기에 충분한 이득이 1064nm에 남아있게 된다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 광섬유의 길이가 증가됨에 따라서, 1064nm의 이득의 증가와 함께 펌프 광의 더 많은 부분이 시드 광으로 변환된다. 당해 실시예에서, 1030nm에서 코어 펌프 광을 발생시키는 동시에 1064nm의 신호를 증폭시키기 위해 동일한 이중 클래드의 이테르븀 도핑된 광섬유가 사용된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 광섬유 증폭기의 이득 스펙트럼의 단순화된 도면이다. 비교를 위해, 도 7은 도 5에 도시된 것과 같은 9.2×10²⁵cm^-3의 도핑 준위로 이테르븀 도핑된 광섬유와 관련된 이득 스펙트럼을 도시한다. 도 7에 도시된 데이터를 획득하기 위하여, 30㎛의 코어 및 250㎛의 내부 클래드를 포함하는 이중 클래드 광섬유가 사용되었다. 또한, 976nm에서 40W의 펌프 파워, 그리고, 1030nm에서 200mW의 시드 파워가 사용되었다. 곡선 612는 2.7m의 광섬유 길이를 사용하여 1064nm에서 실질적으로 30dB의 이득을 갖는다. 곡선 614는 5m의 광섬유 길이를 사용하여 64nm에서 실질적으로 45dB의 이득을 갖는다. 각각의 스펙트럼에 있어서, (대역외 이득 - 대역내 이득)은 5dB보다 작다. 따라서, 본 발명의 실시예를 사용하면 절대 이득을 조정하는 동시에 이득 변동(gain ripple)을 최소화할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 미세 가공, 레이저 트리밍(trimming), 레이저 천공(drilling) 등을 포함하는 광범위한 응용 분야에 이용될 수 있다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 많은 변형, 수정 및 대안을 인식할 것이다.

본 발명의 실시예들은 길이 방향을 따라 완전히 반전된 이득 매질을 포함하는 펄스형 광섬유 증폭기를 제공한다. 따라서, 전체 증폭기 이득 및 광 펄스들 사이의 이득의 회복 시간에 대한 독립적인 제어가 가능하다. 이러한 광섬유 증폭기는 일정한 펄스-펄스 간 특성을 갖는 광 펄스의 증폭에 특히 적합하며, 종래 기술에 비해 제1 펄스 오버슈트(overshoot)의 발생이 감소된다.

마킹, 새김(engraving), 미세 가공, 절삭 등을 포함하는 응용 분야에 적용하는 중에, 상기 응용 분야 및 피처리 물질에 따라서 펄스 폭, 반복율, 피크 파워 및 펄스 당 에너지 중 어느 하나 또는 모두를 포함하는 레이저의 펄스 특성이 작업을 위해 조정된다. 통상적으로, 레이저가 주문식 펄스(pulse-on-demand) 모드로 동작될 때, 제1 광 펄스는 이후의 펄스보다 더 강한 경향이 있다. 이는 일반적으로 바람직하지 않은 효과이다. 하나의 해석은 레이저 이득 매질에 저장된 에너지가 상 기 제1 펄스 이후에 현저히 감쇠되고, 다음 펄스가 발생될 때까지 충분히 보충되지 않는다는 것인데, 이는 본 발명의 실시예들을 제한하려는 것은 아니다. 다시 말해, 대체로 광 이득은 일관된 펄스-펄스 간 파워 특성을 제공할 수 있을 만큼 신속하게 펄스들 사이에서 회복되지 않는다. 일부 시스템에서, 상기 제1 펄스 문제는 복잡한 전자 제어 방법을 이용하여 해결된다.

또한, 종래의 광섬유 증폭기는 일반적으로 전체 이득, 이득 회복 시간 및 출력 펄스 에너지가 서로 독립적이지 않은 방식으로 동작된다. 일반적으로, 하나의 파라미터를 변동시키는 것은 다른 파라미터의 바람직하지 않은 변동을 야기한다. 예를 들어, 이득 회복 시간을 감소시키기 위해 펌프 파워를 증가시킬 수 있지만, 이는 또한 제1 펄스에 이용될 수 있는 전체 이득을 증가시킬 것이다. 후자는 반드시 바람직한 것은 아닌데, 증가된 파워의 제1 펄스를 감수하거나 또는 그것을 보상하기 위해 입력 펄스 에너지를 감소시켜야 할 것이기 때문이다.

따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서는, 제1 펄스와 그 이후의 펄스들 사이의 파워 차이를 감소시키는 레이저 증폭기를 제공하는 시스템 및 기술에 대한 요구가 존재한다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 광섬유 증폭기가 광 증폭기로서 제공된다. 또한, 본 명세서에 기재된 방법 및 시스템은 고체 로드형 증폭기(solid-state rod amplifier) 또는 고체 디스크형 증폭기(solid-state disk amplifier) 등의 고체 증폭기를 포함하는 다른 증폭기에도 적용가능하다.

일반적인 광섬유 증폭기에서, 상기 광섬유는 광학적 빔, 일반적으로 레이저 에 의해 펌핑된다. 도핑된 광섬유에서, 이 펌프 광은 첨가된 희토류 원소들의 이온에 의해 상기 광섬유 내에서 흡수된다. 일반적으로, 상기 흡수된 광은 희토류 이온들로 하여금 기저 상태(ground state)로부터 더 높은 에너지, 즉, "상위 준위(upper-level)" 상태로 여기되도록 한다. 이러한 상위 준위 상태의 이온을 "반전되었다(inverted)"고 한다. 이득을 상기 광 신호에 제공하는 것이 상기 반전된 이온이고, 상기 이득의 양은 상기 반전된 상태에 있는 희토류 이온의 비율에 의해 결정된다. 이 부분을 통상적으로 "반전(inversion)"이라고 부른다. 펌프 광의 파장에 따라, 달성될 수 있는 최대 반전이 존재한다. 이 최대 반전에 도달한 때, 상기 광섬유를 "완전히 반전되었다(fully inverted)"고 한다. 이러한 최대 반전은 펌프 파장의 증가에 따라 단조 감소한다.

도 8A, 8B 및 8C는, 20W의 펌핑 파워에 대해서, 광섬유의 길이 방향을 따라 분포 반전, ASE 강도, 및 잔여 펌프 파워를 도시한다. 도 9A, 9B 및 9C는 40W의 펌핑 파워에 대해서, 광섬유의 길이 방향을 따라 상위 준위 분포 및 잔여 펌프 파워를 도시한다. 도 8 및 9를 참조하면, 이테르븀으로 도핑된 이중 클래드 광섬유의 길이 방향을 따라서 ASE 강도 및 잔여 펌프 파워가 도시된다. 도시된 예에서, 광섬유의 길이는 4m이다. 상기 이테르븀으로 도핑된, 이중 클래드 광섬유는 30mm의 코어 지름 및 250mm의 내부 클래드 지름을 갖는다. 상기 이테르븀의 도핑 준위는 1.4%이다.

도 8 및 9는, 상기 증폭기가 정상 상태에 있고 아무런 펄스도 상기 증폭기를 통과하지 않는 상태를 나타낸다. 광섬유의 길이 방향을 따라서 반전이 일정하지 않고, 상기 반전은 두 개의 입력 펌프 파워에 대해 서로 다르다는 점을 유의하여야 한다. 20W의 펌프 파워에 대해 상기 반전의 최대값은 실질적으로 0.35에 달하는 한편, 40W의 펌프 파워에 대해서는 반전의 최대값이 실질적으로 0.40에 달한다. 두 경우 모두, 상기 반전은 전방 및 후방으로 전파되는 ASE에 의해 강하게 억제된다. 그 결과, 상기 반전은 최대화되지 않고 상기 광섬유는 그 길이 방향을 따라 완전히 반전되지 않는다. 도 8 및 9를 참조하면, 상기 광섬유의 단부에 존재하는 잔여 펌프 파워의 낮은 준위는, 실질적으로 모든 펌프 파워가 상기 광섬유 내에서 흡수됨을 나타낸다.

40W로 펌핑된 증폭기는, 광 펄스들 사이에서 20W로 펌핑된 증폭기보다 더 빠른 이득 회복을 나타낼 것이다. 불행히도, 이러한 더 빠른 이득 회복은 더 높은 펌프 레벨에 대한 초기 이득의 증가를 대가로 일어난다. 일반적으로, 그러한 증폭기에 대하여, 초기 이득에 영향을 주지 않으면서 이득 회복 시간을 변경하는 것은 가능하지 않다.

도 10A 및 10B는 20W의 펌핑 파워에 대한 높은 에너지의 제1 펄스 문제와 이득 회복 시간의 일 예를 도시한다. 도 11A 및 11B는 40W의 펌핑 파워에 대한 높은 에너지의 제1 펄스 문제와 이득 회복 시간의 일 예를 도시한다. 도 10A를 참조하면, 다섯 개의 광 펄스가 도시되어 있다. 도 10A에 도시된 바와 같이, 이후의 펄스들보다 제1 펄스에서 피크 파워가 더 크다. 따라서, 상기한 높은 에너지의 제1 펄스 문제가 도시된다. 도 10B는 이득을 시간의 함수로서 도시하고, 각각의 펄스가 발생한 후의 빠른 감소 및 펄스들 사이의 느리고 불완전한 회복을 나타낸다. 도 10B와 11B를 비교하면, 펄스들 사이의 이득의 더 가파른 기울기에 의해 나타난 바와 같이, 40W로 펌핑된 증폭기가 20W로 펌핑된 증폭기보다 신속하게 회복된다. 또한, 거의 언제나 상기 제1 펄스의 에너지가 그 이후의 펄스들의 에너지보다 더 높고, 어떤 경우에는 수십배 정도까지 높다는 점을 알 수 있다. 도 10A와 10B를 비교하면, 40W로 펑핑된 증폭기의 제1 펄스는 20W로 펌핑된 증폭기의 제1 펄스보다 더 높은 에너지를 갖고, 이는 20W보다 40W로 펌핑된 때 증폭기 이득이 더 크다는 사실을 나타낸다. 따라서, 상기 증폭기 이득 및 상기 이득 회복 시간은 서로 강하게 관련되어 있다.

본 발명의 실시예들은 이득 매질, 보다 구체적으로, 일반적으로 기존의 광섬유 증폭기보다 그 길이가 더 짧은 희토류로 도핑된 광섬유를 이용한다. 일부 실시예에서, 상기 광섬유 증폭기는 기존의 펌프 파워 레벨보다 더 높은 펌프 파워 레벨로 펌핑된다. 이러한 조건의 결과, 본 발명의 실시예들은 단독 또는 그 조합으로, 적어도 반전 및 펌프 파워 흡수가 일어나는 방식에 있어서 기존의 증폭기와 상이한 광 증폭기를 제공한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한, 20W의 펌핑 파워에 대한 광섬유의 길이 방향에 따른 1028nm 파장에서의 상위 준위의 분포, 잔여 펌프 파워 및 이득 프로파일을 도시한다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한, 40W의 펌핑 파워에 대한 광섬유의 길이 방향에 따른 1028nm에서의 상위 준위의 분포, 잔여 펌프 파워 및 이득 프로파일을 도시한다. 도 12 및 13은 도 8A 및 8B에 도시된 데이터를 얻기 위해 사용된 것과 유사한 이테르븀 도핑 이중 클래드 광섬유의 길이 방향에 따른 프로파일을 도시한다. 이 실시예에서, 상기 광섬유의 길이는 0.8m이고 입력 펌프 파워는 각각 20W 및 40W이다. 상기 두 개의 입력 펌프 파워에 대해 상기 광섬유는 그 길이 전체를 따라서 실질적으로 완전히 반전된다는 점에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 실시예들에 의하면, 상기 광섬유 내에서 흡수된 펌프 광의 비율이 기존의 증폭기에서보다 작다는 점을 알 수 있다. 실제로, 상기 광섬유는 3W 정도로 작은 펌프 파워로 유사한 반전 프로파일을 제공할 것이라는 점을 알 수 있다. 본 명세서의 전반에 걸쳐 상세히 논의되는 바와 같이, 상기 반전의 최대값은 부분적으로 상기 펌프 레이저의 파장에 의해 결정된다. 도 2를 참조하면, 도 12 및 13에 나타난 결과에 대해서, 펌프 레이저의 파장은 975nm이고 이에 대응되는 반전의 최대값은 실질적으로 50%이다.

앞서 논의된 바와 같이, 광섬유 증폭기로부터 이용가능한 이득은 분포 반전의 함수이다. 본 발명의 실시예들을 이용하면, 증폭기의 이득은 소정의 미리 정의된 값으로 고정되고, 상기 펌프 파워가 소정의 하한(도 12 및 13의 실시예의 경우 ~3W일 것임)보다 높은 값으로 유지된다고 할 때 펌프 파워의 양에 대해 독립적이다. 상기 고정된 이득의 값은 적합한 광섬유 길이를 선택함으로써 결정되고, 특정 응용 분야에 따라 정해질 것이다. 본 발명의 실시예에 따라 구축된 증폭기의 데시벨(dB) 이득의 실제 값은 주어진 광섬유 설계에 있어서의 광섬유 길이에 따라 선형적으로 변화할 것이며, 이는 증폭기 설계를 간소화한다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제공되는 증폭기에 있어서, 이득 및 잔여 펌프 파워를 주입된 펌프 파워의 함수로서 도시한다. 도 14에 나타난 데이터 에 있어서, 실질적으로 5×10²⁴ ions/m³의 도핑 농도를 갖는 5m 길이의 Yb 도핑된 단일 클래드 광섬유가 이용되었다. 도 14는 상기 광섬유 내에서 흡수되지 않은 잔여 펌프 파워의 양의 측정량을 도시한다. 상기 잔여 펌프 파워는, 상기 광섬유를 통과한 후 상기 광섬유의 단부로부터 방사되는 펌프 파워의 양이다. 또한, 당해 도면은 실질적으로 1032nm의 파장에서 단일-경로의(single-pass) 소신호(small-signal) 이득의 측정량을 나타낸다.

도 14는 소정의 문턱값(threshold value)보다 큰, 예를 들면, 실질적으로 50mW보다 큰 펌프 파워 레벨에 대하여, 펌프 파워의 일부 또는 대부분이 광섬유를 통해 전달되고 타단으로부터 방사된다는 것을 설명한다. 도 14는 또한, 상기 문턱값보다 높은 펌프 파워에서, 예를 들면, 상기한 조건에 대하여, 상기 단일 경로 이득이 반드시 28dB 정도로 고정된다는 것을 설명한다. 상기 펌프 흡수의 부족과 상기 이득의 고정 사이의 상호관련성은 광섬유가 그 길이 방향을 따라서 완전히 반전된 것으로부터 야기되는 것으로 생각되지만, 이것이 본 발명의 실시예를 제한하는 것은 아니다. 따라서, 추가적인 펌프 파워가 공급될 때, 상기 반전 및 그에 따른 이득은 거의 또는 전혀 증가되지 않는다.

이러한 실시예들에서 논의된 상기 펌프 파워는, 도 6과 관련하여 논의된 바와 같이 증폭된 시드 신호에 의해 공급될 수 있다는 점을 인식할 수 있다. 도 6에 도시된 특정 실시예에서, 시드 630의 파워는 펌프 634의 파워를 시드 파워로 상당히 변환시킬 수 있을만큼 충분히 높은데, 예를 들면, 50mW 이상 또는 심지어 100mW 이상이며, 이는 시드 신호의 증폭을 일으킨다. 이에 따라 생성된 상기 시드 신호는 상기 광섬유 증폭기에 대해서 펌프 파워로서 작용한다. 소정의 문턱값보다 큰, 예를 들면, 실질적으로 50mW보다 높은 시드 파워 준위에 대하여, 상기 시드 파워의 일부 또는 대부분이 도 14에 이미 도시된 바와 같이 상기 광섬유를 통해 전달되고 그 타단으로부터 방사된다. 이러한 조건 하에서, 상기 단일 경로 이득은 반드시 고정되고, 이는 상기 광섬유가 그 길이 방향을 따라 완전히 반전되도록 한다. 따라서, 본 발명의 소정의 실시예들에 있어서, 도 12, 13 및 14의 상기 "펌프(pump)"라는 용어는, 도 6에 도시된 실시예들과 관련하여 이용될 때 "시드(seed)"라는 용어로 대체될 수 있다.

본 발명의 실시예들는, 광섬유 길이의 함수로서의 실질적으로 균일한 반전 뿐만 아니라, 높은 레벨(예를 들면, 상기 펌프 파워의 상당량, 예를 들면, 50% 이상이 상기 이득 매질에 의해 흡수되지 않는 레벨)에서의 펌핑을 특징으로 하는 방법 및 시스템을 제공한다. 또한, 실시예들은 기존의 시스템보다 더 긴 파장에서의 펌핑을 이용하고, 이로써 대역외 파장에서의 이득보다 더 큰 신호 파장에서의 이득을 제공하는 방법 및 시스템을 제공한다. 그러나, 실시예들이 이러한 특성들의 조합으로 한정되는 것은 아니며, 상기 특성들은 개별적으로 또는 서브 콤비네이션으로 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예를 한정하지 않으면서, "임계 파워(Critical Power)"에 대한 이하의 방정식을 도출할 수 있다. 도핑된 광섬유에 있어서 P _cr 은, P _cr =A _d E _p /(χ _α +χ _e )Γ _τ 이고, 여기서 A _d 는 상기 광섬유의 도핑된 영역의 면적이고, E _p 는 펌프 광의 광자의 에너지이고, χ _α 및 χ _e 는 각각 펌프 파장에서의 상기 광섬유 내의 도펀트의 흡수 및 방사 단면적이며, Γ는 도펀트 면적에 관한 펌프 전파 모드의 구속 인자(confinement factor)이고, τ는 상기 광섬유 내의 도펀트의 여기 상태 수명이다. 상기 펌프 파워 P에 대한 광섬유 내의 반전 i의 관계를 상기 임계 파워로 표현한 방정식 i=i _sat /(1+P _cr /P)을 도출하는 것도 가능한데, 여기서 i _sat 는 포화된 반전이다. 이 방정식으로부터, P가 P _cr 을 초과함에 따라 i가 i _sat 에 근접한다는 것을 알 수 있다. 이러한 연산을 기초로, 일 실시예에서는, 펌프 광이 광섬유를 따라 전파함에 따라, 반전은 P가 실질적으로 상기 임계 파워의 3배를 초과하는 모든 지점에서 실질적으로 포화될 것이다. 따라서, 본 명세서에 설명된 바와 같이, 만약 잔여 펌프 파워가 실질적으로 상기 임계 파워의 3배를 초과한다면, 광섬유 전체의 반전이 포화 반전(saturated inversion)과 실질적으로 동일해 질 것이다.

상기 "시드" 신호에 대한 임계 파워는 상기 "펌프" 신호에 대한 임계 파워와 실질적으로 다를 수 있다. 특히, 구속 인자 Γ, 및 단면적의 값 χ _α 와 χ _e 는 상기 두 가지의 경우에 서로 상당히 다를 수 있다. "펌프" 및 "시드" 광이 모두 광섬유 내에 존재할 때, 상기 "펌프" 파워 및 "시드" 파워에 대한 상기 광섬유 내에서의 반전의 관계를 각 신호의 임계 파워로 표현하는 방정식을 유도하는 것이 가능하다. 이렇게 유도된 방정식으로부터, 만약 "시드" 파워가 실질적으로 "시드" 신호에 대 한 임계 파워의 3배를 넘고 "펌프" 파워가 실질적으로 "펌프" 신호에 대한 임계 파워의 1/2보다 작다면, 반전은 "시드" 파장에 대한 포화 반전과 실질적으로 같아질 것임을 알 수 있다. 이러한 환경에서는, 상기 시드 파장의 더 낮은 포화 반전 준위에서, 반전이 광섬유 전체에 걸쳐 거의 또는 실질적으로 균일한 증폭기 내에서 펌프 광의 상당량이 시드 광으로 변환될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들을 이용하면, 증폭기의 이득과 광 출력 에너지에 영향을 미치지 않으면서 펌프 파워의 양을 조정함으로써 증폭기 회복 시간을 조정하는 것이 가능하다. 상기 회복 시간을 증가시키기 위해, 펌프 파워의 증가가 제공된다. 또한, 본 발명의 실시예들은, 일반적으로 기존의 증폭기 내에서 거대 펄스를 생성하고 그와 연관된 짧은 회복 시간을 가져오는 잉여 펌프 파워가 현저한 추가 이득을 일으키지 않음으로써 증폭기의 이득을 스스로 제한할 수 있는 방법 및 시스템을 제공한다.

본 발명의 다양한 실시예의 영역에는 다음의 시스템들이 포함된다:

- 대역외 이득이 대역내 이득보다 실질적으로 작도록 선택된 파장을 갖는 광 펌프 및 광 이득 매질을 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 대역외 이득이 감소 또는 최소화되도록 선택된 파장을 갖는 광 펌프 및 광 이득 매질을 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 대역외 이득이 대역내 이득과 실질적으로 유사하도록 선택된 파장을 갖는 광 펌프 및 광 이득 매질을 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 대역외 ASE가 감소 또는 최소화되도록 선택된 파장을 갖는 광 펌프 및 광 이득 매질을 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 대역외 ASE가 감소 또는 최소화되도록 선택된 파장을 갖는 광 펌프를 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

다양한 실시예에서, 상기 이득 매질은, 단일 클래드, 이중 클래드 또는 다중 클래드 구조일 수 있는 희토류로 도핑된 광섬유를 포함한다. 상기 광섬유는 편광 유지 광섬유일 수 있다. 상기 희토류로 도핑된 광섬유는, 이테르븀(Yb), 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd), 툴륨(Th), 홀뮴(Ho), 또는 프라세오디뮴(Pr)을 포함하되 이에 한정되지 않는 하나 또는 그 이상의 희토류 원소의 조합을 포함할 수 있다. 상기 펌프는 반도체 다이오드 레이저, 광섬유 레이저, 고체 레이저, 이들의 조합 등을 포함한다.

- 이테르븀으로 도핑된 제1 길이의 광섬유 및 실질적으로 1000nm 내지 1040nm의 범위 내에서 선택된 파장을 갖는 광 펌프를 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 이테르븀으로 도핑된 제1 길이의 광섬유 및 실질적으로 1020nm 내지 1040nm의 범위 내에서 선택된 파장을 갖는 광 펌핑 수단을 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 이테르븀으로 도핑된 제1 길이의 광섬유 및 실질적으로 1025nm 내지 1030nm의 범위 내에서 선택된 파장을 갖는 광 펌프를 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

다양한 실시예에서, 상기 광 증폭기 또는 레이저는 단일 클래드, 이중 클래 드 또는 다중 클래드 광섬유를 포함하는 이테르븀으로 도핑된 광섬유를 포함한다. 상기 이테르븀의 도핑 농도는 1×10²⁴ 내지 1×10²⁶ 이온/m³의 범위에 있을 수 있다. 상기 광섬유는 편광 유지형일 수 있다. 상기 펌프는 반도체 다이오드 레이저, 광섬유 레이저, 고체 레이저, 이들의 조합 등이 될 수 있다.

다음의 시스템들 또한 본 발명의 다양한 실시예들의 영역에 포함된다:

- 에르븀으로 도핑된 제1 길이의 광섬유 및 실질적으로 1490nm 내지 1535nm의 범위 내에서 선택된 파장을 갖는 광 펌프를 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 에르븀으로 도핑된 제1 길이의 광섬유 및 실질적으로 1500nm 내지 1530nm의 범위 내에서 선택된 파장을 갖는 광 펌프를 포함하는 광 증폭기 또는 레이저.

- 에르븀으로 도핑된 제1 길이의 광섬유 및 실질적으로 1515nm 내지 1525nm의 범위 내에서 선택된 파장을 갖는 광 펌프를 포함하는 광 증폭기 또는 레이저. 상기 에르븀으로 도핑된 광섬유는 에르븀의 도핑 농도가 1×10²⁴ 내지 1×10²⁶ 이온/m³의 범위에 있는 단일 클래드 광섬유를 포함할 수 있다. 상기 광섬유는 편광 유지형일 수 있다. 상기 펌프는 반도체 다이오드 레이저, 광섬유 레이저, 고체 레이저, 이들의 조합 등이 될 수 있다.

- 펌핑 파장에서 동작할 수 있는 광 펌프, 신호 파장에서 증폭될 수 있는 광 신호, 및 시드 파장에서 동작할 수 있는 이득 고정 시드를 포함하는 광 증폭기. 일 실시예에서, 상기 광 펌프, 상기 광 신호 및 상기 이득 고정 시드는 동시에 광 이득 매질에 주사된다.

- 펌핑 파장에서 동작할 수 있는 광 펌프, 신호 파장에서 증폭될 수 있는 광 신호, 및 시드 파장에서 동작할 수 있는 이득 고정 시드를 포함하는 광 증폭기. 상기 광 펌프, 상기 광 신호 및 상기 이득 고정 시드는 동시에 광 이득 매질에 주사되어, 상기 이득 고정 시드의 광 파워가 상기 신호 파장 외측의 광 이득을 상기 신호 파장에서의 이득을 5dB 넘는 값보다 작게 제한할 수 있다. 실시예에 따라서, 상기 광 증폭기는 희토류로 도핑된 광섬유 이득 매질일 수 있는 광섬유 증폭기를 포함하고, 상기 광 펌프는 하나 또는 그 이상의 반도체 레이저를 포함하며, 상기 이득 고정 시드는 하나 또는 그 이상의 반도체 레이저를 포함한다.

상기 희토류로 도핑된 광섬유는 이테르븀, 에르븀, 툴륨, 홀뮴, 프라세오디뮴 또는 네오디뮴을 포함할 수 있다. 상기 희토류로 도핑된 광섬유는 단일 클래드형, 이중 클래드형, 또는 다중 클래드형일 수 있다.

- 910nm와 1000nm 사이의 펌핑 파장에서 적어도 하나의 반도체 레이저를 포함하고, 1050nm와 1100nm 사이의 파장을 갖고 증폭이 가능한 광 신호 및 1000nm와 1050nm 사이의 파장을 갖는 이득 고정 반도체 시드를 포함하는 광 펌프를 포함하는 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기. 상기 광 펌프, 상기 광 신호 및 상기 이득 고정 반도체 시드는 모두 공통된 길이의 이테르븀으로 도핑된 광섬유에 주사된다.

상기 광섬유 증폭기는 또한, 펌프 광, 신호 광 및 이득 고정 반도체 시드 광을 상기 공통 길이의 이테르븀으로 도핑된 광섬유로 연결하는 광 커플러를 포함한다. 일 실시예에 의하면, 상기 신호 파장 외측의 광 이득은 상기 신호 파장에서의 광 이득보다 5dB 높은 값보다 작다. 다른 실시예에서 상기 이득 고정 반도체 시드 는 10mW보다 높은 파워를 갖는다. 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유는 단일 클래드형, 이중 클래드형 또는 다중 클래드형 중 하나일 수 있고 다른 도핑 원소를 더 포함할 수도 있다.

이하의 시스템들이 추가적으로 본 발명의 다양한 실시예의 영역에 포함된다:

- 펌프 및 이득 매질을 포함하되, 상기 이득 매질은 그 길이를 따라 실질적으로 완전히 반전된, 광 증폭기. 상기 펌프는 반도체 다이오드 레이저, 광섬유 레이저, 고체 레이저, 또는 이들의 조합 등이 될 수 있다. 상기 이득 매질은 단일 클래드, 이중 클래드 또는 다중 클래드 구조 중 어느 하나를 갖는 희토류로 도핑된 광섬유를 포함할 수 있다. 상기 광섬유는 편광 유지 광섬유를 포함할 수 있다. 상기 희토류로 도핑된 광섬유는 이테르븀(Yb), 에르븀(Er), 네오디뮴(Nd), 툴륨(Th), 홀뮴(Ho), 또는 프라세오디뮴(Pr)을 포함하는 하나 또는 그 이상의 희토류 원소들의 조합을 포함할 수 있다.

본 발명은 구체적인 실시예 및 그 특정 예시의 관점에서 설명되었지만, 다른 실시예들도 본 발명의 사상 및 영역에 포함된다는 점을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명의 영역은 첨부된 청구범위와 함께 그 모든 등가물들을 참조로 결정되어야 한다.

종래 기술에 비해 진보된 본 발명을 사용함으로써 많은 이점이 성취된다. 예를 들어, 시드 신호를 이용하는 본 발명의 일 실시예에서는, 광 펄스가 자연적인 이득 피크 외측의 파장에서 높은 파워로 증폭될 수 있는 동시에, 성능 특성이 유사한 레이저와 비교할 때 안정성이 향상된다. 또한, 본 발명의 실시예들에서는, ASE 배경 잡음(background)이 감소된 짧은 펄스들이 생성된다.

Claims

특정 스펙트럼 이득 곡선을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법에 있어서,

신호 파장에서 입력 신호를 공급 - 상기 신호 파장은, 제1 대역내 파장으로부터 제2 대역내 파장으로 연장되는 상기 스펙트럼 이득 곡선의 대역내 부분에 존재하고, 상기 대역내 부분은 제1 진폭 범위를 특징으로 함 - 하는 단계;

상기 신호 파장보다 작은 펌프 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계;

상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계; 및

상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하되,

상기 제1 대역내 파장보다 작고 상기 펌프 파장보다 큰 파장에서 상기 스펙트럼 이득 곡선의 모든 부분은, 상기 제1 진폭 범위보다 10dB 큰 값과 같거나 그보다 작은 제2 진폭을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 대역내 파장보다 작은 파장에서 상기 스펙트럼 이득 곡선의 모든 부분은, 상기 제1 진폭 범위보다 작은 제2 진폭을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 대역내 파장, 상기 제2 대역내 파장 및 상기 신호 파장은 단일 파장(single wavelength)인 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계는, 광섬유의 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 분포 반전을 발생시키는 상기 광섬유 증폭기 내의 상기 펌프 방사의 흡수를 포함하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제4항에 있어서,

상기 광섬유의 출력단을 빠져나가는 펌프 파워의 값은 적어도 상기 광섬유에서 흡수된 펌프 파워의 값보다 크거나 그와 동일한 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제4항에 있어서,

상기 광섬유의 출력단을 빠져나가는 펌프 파워의 값은 적어도 임계 파워의 세 배보다 크거나 그와 동일한 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제4항에 있어서,

실질적으로 균일한 분포 반전은 피크 반전 값의 10% 이내인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 스펙트럼 이득 곡선의 상기 대역내 부분은 그 중심이 상기 신호 파장에 놓이는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제1항에 있어서,

상기 광섬유 증폭기는 이테르븀을 포함하고 상기 펌프 파장은 1μm보다 큰 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제9항에 있어서,

상기 광섬유 증폭기는 이테르븀을 포함하고 상기 펌프 파장은 1025nm 내지 1035nm의 범위에 존재하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 작동 방법에 있어서,

1050nm와 1090nm 사이의 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계;

1010nm와 1050nm 사이의 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계;

상기 펌프 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계; 및

상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제11항에 있어서,

상기 펌프 방사는 1025nm와 1035nm 사이의 파장을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제11항에 있어서,

상기 펌프 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계는, 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 분포 반전을 생성하기 위해 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에서 상기 펌프 방사를 흡수하는 단계를 포함하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제13항에 있어서,

상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 출력단을 빠져나가는 펌프 파워의 값은 적어도 임계 파워의 세 배보다 크거나 그와 동일한 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제13항에 있어서,

상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 출력단을 빠져나가는 펌프 파워의 값은 적어도 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에서 흡수된 펌프 파워의 값보다 크거나 그와 동일한 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제13항에 있어서,

상기 실질적으로 균일한 분포 반전은 피크 반전 값의 10% 이내인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제11항에 있어서,

상기 입력 신호는 1060nm와 1070nm 사이의 파장을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제17항에 있어서,

상기 입력 신호는 1064nm의 파장을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기의 작동 방법에 있어서,

1050nm와 1090nm 사이의 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계;

1010nm와 1050nm 사이의 파장에서 시드 방사를 제공하는 단계;

상기 시드 방사를 상기 이테르븀으로 도핑된 광섬유 증폭기에 연결하는 단계;

910nm와 1050nm 사이의 파장에서 펌프 방사를 제공하는 단계;

상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계; 및

상기 입력 신호를 증폭하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제19항에 있어서,

상기 펌프 방사의 상당 부분이 시드 방사 파장에서 광자로 변환되는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제20항에 있어서,

상기 상당 부분은 상기 펌프 방사의 50% 이상인 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제19항에 있어서,

상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계는,

상기 광섬유 증폭기에서 상기 펌프 방사를 흡수하는 단계; 및

시드 방사 파장에서 상기 펌프 방사의 상당 부분을 광자로 변환함으로써 광섬유의 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 분포 반전을 생성하는 단계를 포함하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제22항에 있어서,

시드 방사 파장에서 상기 광섬유의 출력단을 빠져나가는 파워의 값은 적어도 상기 광섬유 내에서 흡수된 펌프 파워의 값보다 크거나 그와 동일한 광섬유 증폭기의 작동 방법.
광섬유 증폭기의 작동 방법에 있어서,

신호 파장에서 입력 신호를 공급하는 단계;

펌프 파장에서 펌프 방사를 제공 - 상기 펌프 방사는 입력 펌프 파워를 특징으로 함 - 하는 단계;

상기 펌프 방사를 상기 광섬유 증폭기에 연결하는 단계; 및

광섬유 길이의 함수로서 실질적으로 균일한 분포 반전을 제공하는 단계를 포함하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제24항에 있어서,

상기 펌프 파장은 970nm와 980nm 사이인 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제24항에 있어서,

상기 펌프 파장은 910nm와 930nm 사이인 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제24항에 있어서,

상기 신호 파장은 1060nm와 1070nm 사이인 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제24항에 있어서,

상기 광섬유 증폭기의 출력단을 빠져나가는 펌프 파워의 양은 임계 파워의 세 배보다 크거나 그와 동일한 값을 갖는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제24항에 있어서,

실질적으로 균일한 분포 반전은 피크 반전 값의 10% 이내인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기의 작동 방법.
제24항에 있어서,

상기 입력 펌프 파워가, 상기 광섬유의 출력단을 빠져나가는 상기 펌프 방사의 양이 적어도 상기 펌프 방사가 상기 광섬유에서 흡수되는 양보다 크거나 그와 동일한 값을 가질 수 있을 만큼 높은 광섬유 증폭기의 작동 방법.