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문제 정의
- 본 연구에서는 편광유지 광섬유를 이용한 협대역 단일모드 고출력 MOPA 레이저 시스템 연구결과에 대해 보고하였다. 특히 레이저 출력 증가를 제한하는 모드 불안정성에 대한 실험적 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 이때 발생되는 다량의 열을 효과적으로 배출할 수 있도록 그림 4와 같이 펌프 LD 모듈 기구부 및 주증폭기 기구부에 대한 열해석(ANSYS ICEPAK)을 통하여 최대온도가 35°C를 넘지 않도록 냉각 기구부 규격 및 수냉 변수를 설정 및 제작하였다. 그리고 전치증폭기와 주증폭기 사이에도 광고립기 및 모니터링 할 수 있는 빔결합기를 통해 모드 불안정성 및 SBS 비선형 현상 발생을 실험적으로 관측하였다.
- 기존의 많은 협대역 고출력 광섬유 레이저는 4~6단 MOPA 구성을 가지고 있는데, 대부분 낮은 출력의 시드빔 레이저를 사용하면서 전치증폭단까지 여러 단의 증폭기를 사용한다. 본 연구에서는 100 mW급 시드빔 레이저를 사용하고, 1단의 전치증폭만으로 4~10 W급의 출력을 얻을 수 있음을 확인한 후, 최소한의 구성인 3단 MOPA 시스템을 구현하여 레이저 시스템을 간소화하였다.
- 본 연구에서는 실험에 앞서 상용 RP Fiber Power 소프트웨어를 활용하여 1064 nm 대역의 이터븀 광섬유 레이저의 증폭단 구성, 증폭단 광섬유 길이, 코어직경, 펌프광 대비 출력광 변환효율 등 레이저 발진을 위한 주요 변수들을 전산모사하였다. 이를 통해 증폭기 구성은 시드레이저, 전치증폭단, 그리고 주증폭단으로 구성된 3단 전광섬유(all-fiber) MOPA 구조를 채택하였다.
- 광섬유 레이저의 출력 한계를 극복하기 위한 SBS 비선형 현상 억제 방법에 관해서는, 광섬유 길이 방향에 대해 불균일한 굴절율 변화를 주어 브릴루앙 이득을 줄이는 방법[1-5], 넓은 시드 선폭을 적용하여 브릴루앙 이득을 줄이는 방법[6-11], 온도 구배나 장력 분포를 통해 브릴루앙 이득을 줄이는 방법[12,13], 광섬유 코어 크기를 증가시켜 비선형 현상 발생 문턱 값을 높이는 방법, 이온 도핑농도를 높임으로써 요구되는 광섬유 길이를 최소화하는 방법 등이 연구되었다. 본 연구에서는 협대역 시드(수 MHz)를 사용하고, PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) 위상변조 방식을 적용하여 레이저 선폭을 수 GHz로 넓혀서 SBS 비선형 현상이 억제되도록 하였다.
- 증폭 후 남은 펌프광은 펌프광 제거기를 통하여 제거된다. 이후에는 2×2 타입 99:1 비율의 빔분할기를 연결하여 순방향 신호광과 주증폭기로 부터 되돌아오는 역방향 SBS 비선형신호 혹은 ASE (amplified spontaneous emission) 신호를 동시에 모니터링 하도록 하였다.
- 특히 편광유지 광섬유에서는 무편광 광섬유에 비해 협대역 고출력 발진 시, SBS와 MI 발생 문턱 값이 낮아 출력을 증대하기 어려운데, 본 연구에서는 상용 편광유지 25/400 um 대구경 광섬유를 사용하고 위와 같은 비선형 현상 억제 방법을 적용하여, 2.5 GHz 유효 선폭을 가지는 400 W급 연속발진 출력을 얻을 수 있었다. 또한 시드레이저, 전치증폭기 및 주증폭기로 구성된 최소한의 구조로 이루어진 3단 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 시스템으로써, 고출력 협대역 광섬유 레이저를 매우 간소화할 수 있었다.
대상 데이터
- 그림 5는 시드빔 레이저 및 전치 증폭기의 출력 특성을 나타낸다. 시드빔 레이저는 1063.5 nm 파장, ~10 MHz 선폭의 DFB LD를 사용하였고, 뒤따르는 위상변조기의 손상 문턱 값으로 인해 100 mW 이하의 출력 값을 가지는 모델을 사용하였다. 이 신호광은 PRBS 위상 변조기에서 선폭 ~2.
- 전산모사를 반영한 본 실험의 단일모드 편광유지 광섬유 레이저 증폭기 구성은 그림 3과 같이 주발진기 역할을 하는 시드빔 레이저와 2단의 증폭기로 이루어져 있다. 시드빔 레이저는 중심파장 1063.5 nm, 선폭 ~10 MHz의 DFB (Distributed Feedback) LD (Laser Diode)를 사용하였다. 단일 주파수에 가까운 좁은 선폭의 레이저광을 고출력으로 증폭할 경우, 실리카 광섬유의 경우 일반적으로 약 16 GHz 정도 장파장으로 천이된 SBS 비선형 신호가 발생한다.
- 본 연구에서는 실험에 앞서 상용 RP Fiber Power 소프트웨어를 활용하여 1064 nm 대역의 이터븀 광섬유 레이저의 증폭단 구성, 증폭단 광섬유 길이, 코어직경, 펌프광 대비 출력광 변환효율 등 레이저 발진을 위한 주요 변수들을 전산모사하였다. 이를 통해 증폭기 구성은 시드레이저, 전치증폭단, 그리고 주증폭단으로 구성된 3단 전광섬유(all-fiber) MOPA 구조를 채택하였다.
- 이터븀 첨가 이득매질 광섬유의 코일링 가이드 및 방열판은 깊이 >0.6 mm인 원형 그루브(groove)로 되어 있고, 이러한 그루브의 지름이 15 cm에서 10 cm까지 나선형으로 새겨진 구리판을 우선적으로 사용하였다. 광섬유 부품 간 융착접속(splicing) 후, 이득매질 광섬유를 열전도물질(thermal interface material, TIM)이 도포된 원형 그루브를 따라 감고, 구리테이프를 윗면에 부착하여 사방으로 열전도가 균일하게 일어나고 동시에 감긴 광섬유를 고정하도록 하였다.
- 전치증폭기는 편광유지 10/125 um 이중 클래드 이터븀 첨가 이득매질 광섬유(Nufern PLMA-YDF-10/125-M) 6 m로 구성되었으며, 최대 25 W 수준의 파장고정형 976 nm LD로 펌핑하여 신호광을 증폭하도록 하였다. 증폭 후 남은 펌프광은 펌프광 제거기를 통하여 제거된다.
이론/모형
- 이런 비선형 현상은 원하는 신호광의 증폭을 방해하여 출력 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다. Pseudo Random Binary Sequence (PRBS) 위상변조방식은 이를 가장 효과적으로 억제할 수 있는 방법으로서[6,7] 본 연구에서도 이를 적용하였다. PRBS 위상변조기는 입사광 중심 주파수에 특정 간격의 주변모드(side-mode) 주파수를 생성하는 방식으로 시드빔 레이저의 ~MHz급 좁은 선폭을 GHz 영역으로 넓히는 역할을 한다.
성능/효과
- 특히 레이저 출력 증가를 제한하는 모드 불안정성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 3단의 최소화된 MOPA 구조에서 주증폭기 편광유지 25/400 um 광섬유를 코일링 반경을 조절하여 모드 불안정성 문턱값을 높임으로써 기울기 효율 85% 이상, 400 W 출력 결과를 얻을 수 있었다.
- 이 연구되었다. 본 연구에서는 코일링 지름에 따른 모드 불안정성 발생 경향을 확인한 후, 코일링 지름을 조정하여 신호광 출력을 증가시킬 수 있었다.
후속연구
- 본 연구의 레이저 구조에서 최종 출력을 더 높이기 위해서는 모드 불안정성을 완화하고, SBS 비선형 현상 발생 문턱 값을 높이는 방법들을 추가적으로 모색해야 한다. 본 연구에서 사용한 NA 0.
- 이 외에도 주증폭기 광섬유로서 20/400~25/400 um 혼종 광섬유를 적용 시, 모드 불안정성 및 SBS 비선형 현상을 동시에 효과적으로 억제할 수 있을 것으로 예상된다. 이 밖에도 PRBS 위상 변조기의 고주파성분을 제거하기 위한 low-pass filter를 적용하여 SBS 주파수를 회피하는 방안[24]도 있으며, 향후 이러한 방안들을 복합적으로 적용할 경우 kW 이상의 고출력 편광유지 협대역 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 레이저 출력을 더욱 증대하기 위해서는 주증폭기에 코어 크기가 작은 편광유지 광섬유를 적용한 MOPA 시스템을 연구하거나, 20/400~25/400 um 혼종 광섬유를 적용하거나, PRBS 위상 변조기의 고주파성분을 제거하기 위한 low-pass filter를 적용함으로써 모드 불안정성과 SBS 비선형 현상을 보다 효과적으로 억제할 필요가 있다. 이를 통해 단일모드 협대역 편광유지 고출력 광섬유 레이저 출력을 kW급 이상으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 레이저 출력을 더욱 증대하기 위해서는 주증폭기에 코어 크기가 작은 편광유지 광섬유를 적용한 MOPA 시스템을 연구하거나, 20/400~25/400 um 혼종 광섬유를 적용하거나, PRBS 위상 변조기의 고주파성분을 제거하기 위한 low-pass filter를 적용함으로써 모드 불안정성과 SBS 비선형 현상을 보다 효과적으로 억제할 필요가 있다. 이를 통해 단일모드 협대역 편광유지 고출력 광섬유 레이저 출력을 kW급 이상으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.
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