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자이로용 Er-첨가 광섬유 광원에서 편광 스크램블링을 이용한 편광효과의 억제
Suppression of polarization effects in Er-doped fiber source for gyroscope by polarization scrambling 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.14 no.4, 2003년, pp.449 - 453  

김택중 (전북대학교 물리학과) ,  진영준 (전북대학교 물리학과) ,  박희갑 (전북대학교 물리학과)

초록
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자이로스코프용 광대역폭 erbium 첨가 광섬유 광원에서 중심파장의 편광의존성을 억제하기 위하여 펌프광의 편광을 변조함으로써 스크램블링하는 방식을 사용하였다. 원통형 PZT에 광섬유를 감은 형태의 편광변조기에 적정진폭의 변조를 가함으로써 펌프광의 편광도(시간평균치)를 1.4%까지 낮출 수 있었다. 펌프 편광 스크램블러와 출력단 depolarizer를 함께 사용한 경우에 임의의 편광변화에 대한 광원의 중심파장 변화가 측정기의 측정한계(∼5 ppm) 이하로 관찰되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In a broadband erbium-doped fiber source for fiber optic gyroscope, a pump-polarization scrambling scheme is used to suppress the polarization dependence of the source mean wavelength. The degree of polarization of the pump is reduced to 1.4% by applying proper modulation depth to the polarization m...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 3 Vpp을 인가하였다. Depolarized 두가닥(길이: 2m/4m)의 편광유지 광섬유를 각각의 고유축에 대하여 45°가 되도록 splicing한 형태의 Lyot depolarized"를 사용하였다. Depolarizer 를 이루는 편광유지 광섬유의 두 부분 중 첫번째 부분(PMF1) 에서 임의 편광상태 입사광이 편광유지 광섬유의 고유 편광성 분으로 분해되고, 두번째 부분(PMF2)의 편광축은 PMF1과 45° 를 이루므로 PMF1에서 분해된 각각의 편광성분이 PMF2에서 같은 크기로 다시 분해되는데, 결과적으로 PMF2를 통과하여 나온 빛의 두 편광성분의 세기는 입사 편광상태와 관계없이 같게 된다.
  • 광원을 구성하는 광섬유 내에서의 임의 복굴절 변화를 시늉 하기 위하여 펌프 LW WDM 사이와 광원의 출력단에 각각 편광조절기를 두었다. 두 편광조절기를 임의로 조작함으로써 펌프 편광상태와 출력광 편광상태를 임의로 변화시키면서 광 원의 중심파장 변화를 측정하였다.
  • 광원을 구성하는 광섬유 내에서의 임의 복굴절 변화를 시늉 하기 위하여 펌프 LW WDM 사이와 광원의 출력단에 각각 편광조절기를 두었다. 두 편광조절기를 임의로 조작함으로써 펌프 편광상태와 출력광 편광상태를 임의로 변화시키면서 광 원의 중심파장 변화를 측정하였다.
  • 따라서 이 논문에서는 EDF 광원 중심파장의 편광의존성을 억제시키기 위하여 원통형 PZT에 광섬유를 감은 형태의 편광 변조기를 이용하여 펌프광의 편광을 scrambling하는 방식을 사용하였다. Pigtail이 편광유지 광섬유인 펌프 LD 사용하였는 데, 펌프 LD pigtail 광섬유의 고유편광축과 PZT의 축이 45° 를 이루도록 해줌으로써 하나의 PZT만을 이용하여 효율적인 편광변조를 가능케 하였으며, 적절한 진폭 변조로 편광을 스 크램블링 해줌으로써 펌프광 편광도의 시간평균치를 1.
  • 4%까 지 낮출 수 있었다. 또한 광원의 출력단에는 짧은 길이(2 m/ 4 m)의 편광유지 광섬유로 이루어진 depolarizer®- 두어 출력 광 경로의 복굴절 변화로 인한 중심파장의 변화를 최소화시켰 다. 이러한 방법으로 광원을 구성하여 펌프단과 광원 출력단 의 임의의 편광변화에 대한 EDF 광원의 중심파장 변화를 계 측기의 측정한계 이내(<5 ppm)로 낮출 수 있었다.
  • Depolarizer 를 이루는 편광유지 광섬유의 두 부분 중 첫번째 부분(PMF1) 에서 임의 편광상태 입사광이 편광유지 광섬유의 고유 편광성 분으로 분해되고, 두번째 부분(PMF2)의 편광축은 PMF1과 45° 를 이루므로 PMF1에서 분해된 각각의 편광성분이 PMF2에서 같은 크기로 다시 분해되는데, 결과적으로 PMF2를 통과하여 나온 빛의 두 편광성분의 세기는 입사 편광상태와 관계없이 같게 된다. 또한 직교 편광성분들 간의 상관성 (correlation)을 없애기 위해서 길이의 비를 1:2로 하였다.
  • 우선 그림 6의 구성에서 펌프단의 편광스크램블러는 사용하 지 않고 출력단의 depolazier만을 사용한 경우에 대하여 펌프 단과 출력단의 편광조절기를 임의로 조작하면서 광원 출력광 의 중심파장 변화를 측정하였다. 그림 7은 그 결과인데, 출력 단의 편광조절기(PCout)를 임의 조절하는 동안에는 광원의 중 심파장 변화를 거의 감지할 수 없었다.
  • 자이로스코프용 EDF 광원에서 중심파장이 편광에 따라 임 의로 변화하는 현상은 자이로스코프의 안정성 측면에서 반드시 억제되어야 하는 효과이다. 이 논문에서는 이러한 편광효과를 편광 스크램블러와 depolarizer를 사용하여 효과적으로 억 제하였다.
  • 일반적으로, 광섬유 자이로스코프에서는 가역성 확보를 위하여 Sagnac loop의 입구에 반드시 편광기가 존재하여 광원 빛의한 편광 성분만이 자이로스코프의 실제 광원으로 사용된다. 이러한 자이로스코프 편광기를 시늉하기 위하여 우리의 측정계에서 EDF 광원의 출력단에 편광기를 두고, 편광기를 통과한 광 원의 출력스펙트럼 (P(2))을 광 스펙트럼 분석기 (OSA: optical spectrum analyser)로 측정하였다. P(2)의 측정 결과로부터 다 음의 식에 의해 중심파장(자을 구하였다.
  • 이번에는 출력단의 depolarizer뿐만 아니라 펌프단의 편광 스 크램블러를 함께 사용하면서 같은 방법으로 두 편광조절기를 조절하면서 중심파장 변화를 측정하였다. 그 결과를 그림 8에 나타내었는데, 출력단과 펌프단의 어느 편광조절기를 임의로 조절하더라도 광원의 중심파장 변화는 측정계의 배경잡음 이하 수준으로 나타났다.
  • 이번에는 펌프단의 편광 스크램블러와 출력단의 depolarizer가 얼마나 편광효과를 억제할 수 있는지를 실험하였다. 그림 6은 편광의존이득 효과와 편광의존손실을 억제하기 위하여 single-pass backward 방식의 광원에 펌프 편광 스크램블러와 출력단 depolarizof- 각각 삽입할 수 있도록 구성한 측정계이다.
  • 그림 2는 제작된 편광 스크램블러에서 변조파의 구동 전압에 따른 편광도를 나타낸 것이다. 펌프광의 파장은 1.48 pm이고 PZT에는 고주파 공명 주파수인 700 kHz의 사인파를 가하였으 며 다음의 관계식을 이용하여 펌프광의 편광도를 측정하였다. DOP= max 'min

대상 데이터

  • 소 자 자체가 광섬유와 PZT로 이루어져 있기 때문에 삽입 손실 이 적고, 수 백 kHz의 주파수와 낮은 전압을 전기적으로 적 절히 조절함으로써 편광을 변조시킬 수 있다는 장점이 있다. 본 실험에 사용된 원통형 PZT는 두께 2.9 mm, 길이 39 mm, 외경 38 mm이며, 10m 길이의 일반 통신용 단일모드 광섬유 를 PZT에 감았다.
  • 사용된 EDF는 1530 nm 파장에서 흡수계수가 17.1 dB/m로 길이는 9.6 m이었다. EDF에서 펌프광과 반대방향으로 증폭되는 후방(backward) ASE광이 isolator! 거쳐 나오면서 광원의 출력이 된다.
  • 우선 편광 스크램블러나 depolarizer를 사용하지 않은 상태에서 EDF 광원의 편광의존성을 측정하기 위하여 single-pass backward 방식 El의 광원을 그림 3과 같이 구성하였다. 사용된 pump LED는 반사 파장이 1478 nm인 광섬유 Bragg 격자 가 포함된 것으로서 편광유지 광섬유 pigtail 로부터 선편광 된 광출력을 내며, WDM(wavelength division multiplexer)을 통해 EDF에 입사한다.

이론/모형

  • 우선 편광 스크램블러나 depolarizer를 사용하지 않은 상태에서 EDF 광원의 편광의존성을 측정하기 위하여 single-pass backward 방식 El의 광원을 그림 3과 같이 구성하였다. 사용된 pump LED는 반사 파장이 1478 nm인 광섬유 Bragg 격자 가 포함된 것으로서 편광유지 광섬유 pigtail 로부터 선편광 된 광출력을 내며, WDM(wavelength division multiplexer)을 통해 EDF에 입사한다.
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참고문헌 (6)

  1. Wagener, J.L., Digonnet, M.J.F., Shaw, H.J.. A high-stability fiber amplifier source for the fiber optic gyroscope. Journal of lightwave technology : a joint IEEE/OSA publication, vol.15, no.9, 1689-1694.

  2. Hall, D.C., Burns, W.K., Moeller, R.P.. High-stability Er3+-doped superfluorescent fiber sources. Journal of lightwave technology : a joint IEEE/OSA publication, vol.13, no.7, 1452-1460.

  3. Wysocki, P.F., Digonnet, M.J.F., Kim, B.Y., Shaw, H.J.. Characteristics of erbium-doped superfluorescent fiber sources for interferometric sensor applications. Journal of lightwave technology : a joint IEEE/OSA publication, vol.12, no.3, 550-567.

  4. Falquier, D.G., Digonnet, M.J.F., Shaw, H.J.. A depolarized Er-doped superfluorescent fiber source with improved long-term polarization stability. IEEE photonics technology letters : a publication of the IEEE Laser and Electro-optics Society, vol.13, no.1, 25-27.

  5. Mazurczyk, V.J., Zyskind, J.L.. Polarization dependent gain in erbium doped-fiber amplifiers. IEEE photonics technology letters : a publication of the IEEE Laser and Electro-optics Society, vol.6, no.5, 616-618.

  6. Wysocki, P., Mazurczyk, V.. Polarization dependent gain in erbium-doped fiber amplifiers: computer model and approximate formulas. Journal of lightwave technology : a joint IEEE/OSA publication, vol.14, no.4, 572-584.

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