본 논문에서는 고출력 광섬유 레이저를 위한 광섬유 칩 기반 all-fiber $7{\times}1$ 펌프 광 결합기의 제작에 대하여 보고한다. 광섬유 칩은 코어, 클래딩 직경이 각각 20, $400{\mu}m$인 광섬유를 길이 방향으로 식각하여 제작하였다. 7개의 입력 광섬유 부분은 105, $125{\mu}m$의 코어, 클래딩 직경을 가진 7개의 입력 광섬유를 원통형 다발로 제작하여 광섬유 칩의 $375{\mu}m$부분에 융착하였고, 1개의 출력 광섬유는 코어, 클래딩 직경이 각각 25, $250{\mu}m$ 광섬유를 광섬유 칩의 $250{\mu}m$부분에 융착하여 최종적으로 $7{\times}1$ 펌프광 결합기를 제작하였다. 제작된 광섬유 칩 기반 $7{\times}1$ 펌프 광 결합기의 포트별 평균 광 전달 효율은 약 90.2%로 나타났다.
본 논문에서는 고출력 광섬유 레이저를 위한 광섬유 칩 기반 all-fiber $7{\times}1$ 펌프 광 결합기의 제작에 대하여 보고한다. 광섬유 칩은 코어, 클래딩 직경이 각각 20, $400{\mu}m$인 광섬유를 길이 방향으로 식각하여 제작하였다. 7개의 입력 광섬유 부분은 105, $125{\mu}m$의 코어, 클래딩 직경을 가진 7개의 입력 광섬유를 원통형 다발로 제작하여 광섬유 칩의 $375{\mu}m$부분에 융착하였고, 1개의 출력 광섬유는 코어, 클래딩 직경이 각각 25, $250{\mu}m$ 광섬유를 광섬유 칩의 $250{\mu}m$부분에 융착하여 최종적으로 $7{\times}1$ 펌프광 결합기를 제작하였다. 제작된 광섬유 칩 기반 $7{\times}1$ 펌프 광 결합기의 포트별 평균 광 전달 효율은 약 90.2%로 나타났다.
In this paper, we report measured results for an all-fiber $7{\times}1$ pump combiner based on an optical fiber chip for high-power fiber lasers. An optical-fiber chip was fabricated by etching a fiber, having core and cladding diameters of 20 and $400{\mu}m$, in the longitudin...
In this paper, we report measured results for an all-fiber $7{\times}1$ pump combiner based on an optical fiber chip for high-power fiber lasers. An optical-fiber chip was fabricated by etching a fiber, having core and cladding diameters of 20 and $400{\mu}m$, in the longitudinal direction. To both ends of the etched chip, we spliced input and output fibers. First, we tied together seven optical fibers, having core and cladding diameters of 105 and $125{\mu}m$ respectively, in a cylindrical bundle and spliced them to the $375-{\mu}m$ end of the optical-fiber chip. Then, we attached an output DCF with core and cladding diameters of 25 and $250{\mu}m$ to the $250-{\mu}m$ end of the optical-fiber chip. Finally, the fabricated $7{\times}1$ pump combiner showed an average optical coupling efficiency of about 90.2% per port. This chip-based pump combiner may replace conventional pump combiners by massive production of fiber chips.
In this paper, we report measured results for an all-fiber $7{\times}1$ pump combiner based on an optical fiber chip for high-power fiber lasers. An optical-fiber chip was fabricated by etching a fiber, having core and cladding diameters of 20 and $400{\mu}m$, in the longitudinal direction. To both ends of the etched chip, we spliced input and output fibers. First, we tied together seven optical fibers, having core and cladding diameters of 105 and $125{\mu}m$ respectively, in a cylindrical bundle and spliced them to the $375-{\mu}m$ end of the optical-fiber chip. Then, we attached an output DCF with core and cladding diameters of 25 and $250{\mu}m$ to the $250-{\mu}m$ end of the optical-fiber chip. Finally, the fabricated $7{\times}1$ pump combiner showed an average optical coupling efficiency of about 90.2% per port. This chip-based pump combiner may replace conventional pump combiners by massive production of fiber chips.
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문제 정의
광섬유 칩은 길이 방향으로 375~250 µm의 직경을 가지고 있고, 불산의 수위를 조절함으로써 표면을 매끄럽게 이어 지도록 제작하며, 광섬유 칩의 375 µm 부분에 7개의 입력 광섬유를 융착하고, 250 µm 부분에 출력 광섬유를 융착하여 7 × 1 펌프 광 결합기를 제작한 결과를 보고한다.
고온을 이용한 테이퍼링 방식으로 제작한 광섬유 다발은 외력에 매우 취약하다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 본 논문에서는 불산으로 테이퍼 구간을 형성시켜 광섬유 칩을 제작하였다. 이 방식은 한 번의 실험으로 광섬유 칩을 대량 생산이 가능하고 외력에 매우 강하다는 장점이 있다.
제안 방법
25 µm의 코어와 250 µm 클래딩 직경을 가진 출력 광섬유를 제작한 광섬유 칩의 250 µm 부분에 융착 접속 하였으며, 광섬유 칩의 투과 효율은 약 97.29%로 측정되었고, 이는 펌프 광 결합기의 칩 역할로 적합하였다.
7 × 1 펌프광 결합기의 입력부분으로 에폭시를 이용하여 7개의 광섬유를 다발로 제작하였다.
제작된 7 × 1 펌프 광 결합기의 각 포트별 효율을 측정하기 위하여 그림 8과 같이 실험장치도를 구성하였다. 976 nm 파장의 LD를 사용하여 각각의 입력 광섬유에 8.06 W를 입사한 뒤, 출력 광섬유에서 나오는 출력을 측정하여 각 포트별 효율을 측정하였다. 표 1에서 보듯이 각 입력 포트별로 동일한 광 세기로 입사하였을 때 7 × 1 펌프 광 결합기에서 출력되는 광 세기는 약간씩 다름을 볼 수 있고, 이 때 입사 광 세기 대비 출력 광 세기의 평균 효율은 90.
광섬유 칩은 코어와 클래딩 직경이 각각 20 µm, 400 µm인 DCF (Double Cladding Fiber)를 불산에 넣어 식각하여 제작하였다.
그리고 광섬유 칩에 250에서 375 µm까지 테이퍼 구간을 만들기 위하여 불산의 수위를 변화시켜주었다.
본 논문에서는 TFB 제작방식과 달리, 불산을 이용하여 식각방식으로 광섬유 칩을 제작함으로써 7 × 1 펌프 광 결합 기를 제작하였다.
불산의 수위에 변화를 주는 높이만큼 광섬유 칩의 테이퍼 구간의 길이가 변하기 때문에 적합한 높이 조절이 필요하다. 본 제작에서는 수위를 약 1~3.5 cm로 변화시켜 가며 광섬유 칩의 총 길이를 조절하였다.
불산은 용액의 온도에 따라 식각이 되는 정도가 다르기 때문에, 약 26°C의 온도를 유지하여 진행하였다.
불산을 이용하여 식각방식으로 새로운 7 × 1 펌프 광 결합기용 광섬유 칩을 제작하였고, 이를 이용하여 최종적으로 7 × 1 펌프 광 결합기를 제작하였다.
사용된 입력 광섬유는 105 µm의 코어 직경과 125 µm의 클래딩 직경을 가진다. 에폭시를 이용하여 7개의 입력 광섬유를 고정한 뒤, 광섬 유들을 동시에 절단하여 광섬유 다발을 제작하였다. 그림 6(a)는 에폭시를 이용하여 7개의 광섬유를 다발로 고정한 모습이고, 그림 6(b)는 제작된 광섬유 다발의 단면을 보여준다.
제작된 광섬유 다발의 모양이 원을 형성하였고, 이를 광섬유 칩의 375 µm 부분에 융착하여 최종적으로 7 × 1 펌프 광 결합기를 제작하였다.
제작한 광섬유 칩의 250 µm부분과 클래딩 직경이 250 µm 인 DCF를 융착 결합하기 위하여 융착 접속기에서 정렬하였다.
제작한 광섬유 칩의 375 µm부분과 7개의 광섬유 다발을 융착 결합하기 위하여 융착 접속기에서 정렬하였다.
한편, 광섬유 칩의 375 µm부분에 7개의 입력 광섬유를 융착하기 위하여 광섬유 다발을 제작하였다.
대상 데이터
본 연구에서 제작된 7 × 1 펌프 광 결합기는 105 µm, 125 µm의 코어, 클래딩 직경을 가진 7개의 입력 광섬유와 광섬유 칩, 그리고 25 µm, 250 µm의 코어, 클래딩 직경을 가진 출력 광섬유로 구성된다.
사용된 입력 광섬유는 105 µm의 코어 직경과 125 µm으 클래딩 직경, 그리고 0.22의 NA를 가진다.
사용된 입력 광섬유는 105 µm의 코어 직경과 125 µm의 클래딩 직경을 가진다.
제작된 광섬유 다발의 모양이 원을 형성하였고, 이를 광섬유 칩의 375 µm 부분에 융착하여 최종적으로 7 × 1 펌프 광 결합기를 제작하였다. 펌프 광 결합 기의 효율을 측정하기 위하여 976 nm 파장 대역의 LD를 사용하였고, 각 포트에 8.06 W를 입력하였다. 7 × 1 펌프 광 결합기의 평균 효율은 약 90.
성능/효과
표 1에서 보듯이 각 입력 포트별로 동일한 광 세기로 입사하였을 때 7 × 1 펌프 광 결합기에서 출력되는 광 세기는 약간씩 다름을 볼 수 있고, 이 때 입사 광 세기 대비 출력 광 세기의 평균 효율은 90.2%였다.
후속연구
즉, 광섬유 다발과 광섬유 칩의 융착 부분에서 손실이 나타나기 때문으로, 융착 과정에서 각각의 입력 광섬유가 동일하게 융착되지 않았음을 나타낸다. 이러한 문제는 기계적 지그를 사용하여 입력 광섬유의 정밀 정렬을 하면 해결될 수 있을 것으로 판단되며 이로 인해 펌프 광 결합기의 투과율 및 균일도가 크게 개선될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광섬유 레이저는 어디에서 응용되고 있는가?
광섬유 레이저는 우주 산업, 광통신, 의료 기기 등 많은 산업 분야에서 응용되고 있다. 특히, 고출력 광섬유 레이저는 산업용으로 용접, 절단, 가공용으로 많이 사용된다.
단일 모드 광섬유를 사용한 고출력 광섬유 레이저의 문제점을 해결하기 위하여 무엇을 사용하는가?
하지만 단일 모드 광섬유를 사용한 고출력 광섬유 레이저는 빛이 진행할 때, 높은 온도 상승 (Thermal effect)과 강한 비선형 효과가 나타난다. 이러한 문제 점을 해결하기 위하여 펌프 광 결합기의 사용이 필요해졌다. 펌프 광 결합기는 여러 개의 광섬유를 하나의 광섬유로 융착하여 강한 출력을 얻을 수 있도록 제작한다.
고출력 광섬유 레이저는 산업용으로 어느 용도로 많이 사용되는가?
광섬유 레이저는 우주 산업, 광통신, 의료 기기 등 많은 산업 분야에서 응용되고 있다. 특히, 고출력 광섬유 레이저는 산업용으로 용접, 절단, 가공용으로 많이 사용된다. 고출력 광섬유 레이저는 kW 대역의 출력과 레이저의 안정성, 짧은 펄스폭이 중요한 요소이다.
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