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논문 상세정보

3단 MOPA 시스템에서 2.5 GHz 선폭을 가지는 편광유지 단일모드 400 W 이터븀 첨가 광섬유 레이저 연구

Polarization-maintained Single-mode 400-W Yb-doped Fiber Laser with 2.5-GHz Linewidth from a 3-stage MOPA System

초록

본 논문에서는 3단으로 구성된 전광섬유(all-fiber) Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) 구조의 협대역 이터븀 첨가 편광 유지 광섬유 레이저 증폭에 대해 보고한다. 편광유지 단일모드 출력은 85%의 기울기 효율을 가지는 400 W 출력을 얻을 수 있었고, 레이저 반치폭은 2.5 GHz였다. 더불어, 이득매질 광섬유를 11 cm 지름으로 코일링하여 모드 불안정성을 완화할 수 있었다. 추가적으로 레이저 출력 증가를 위한 방법들에 대해 논하였다.

Abstract

In this paper, we report on the high power amplification of a narrow-linewidth Yb-doped polarization-maintained (PM) fiber laser in a 3-stage, all-fiber master oscillator power amplifier (MOPA) system. The linearly polarized single-mode output power was 400 W with an 85% slope efficiency, with a linewidth of 2.5 GHz (full width at half maximum). Furthermore, mitigation of mode instability (MI) has been demonstrated by tightly coiling the gain fiber to a diameter of 11 cm. In addition, methods for higher power scaling are discussed.

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SBS 비선형 신호
SBS 비선형 신호가 발생했을 때 나타나는 문제점은 무엇인가?
비선형 현상은 원하는 신호광의 증폭을 방해하여 출력 효율을 떨어뜨리는

단일 주파수에 가까운 좁은 선폭의 레이저광을 고출력으로 증폭할 경우, 실리카 광섬유의 경우 일반적으로 약 16 GHz 정도 장파장으로 천이된 SBS 비선형 신호가 발생한다. 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.

SBS 비선형 현상 억제 방법
SBS 비선형 현상 억제 방법에는 어떤 것들이 있는가?
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 등

이와 관련하여 여러 실험적 및 이론적 연구들에서 광섬유 내에서 발생되는 SBS 비선형 현상 억제 및 모드 불안정성 경감에 관해서 발표하고 있다. 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.

광섬유 레이저의 고출력화
회절한계에 가까운 광섬유 레이저의 고출력화를 제한하는 요소는 무엇인가?
유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS) 비선형현상 및 모드 불안정성(mode instability, MI) 등

단일모드 편광유지 고출력 광섬유 증폭기에 관한 연구는 전 세계적으로 비선형 파장 변환 및 레이저 빔결합의 효율 증대를 목적으로 활발하게 진행되고 있다. 이 가운데 회절한계에 가까운 빔품질을 갖는 광섬유 레이저의 고출력화는 광섬유 내에 발생되는 유도 브릴루앙 산란(stimulated Brillouin scattering, SBS) 비선형현상 및 모드 불안정성(mode instability, MI) 등의 제한적 요소들에 의해 수 kW 수준으로 제한된다. 이와 관련하여 여러 실험적 및 이론적 연구들에서 광섬유 내에서 발생되는 SBS 비선형 현상 억제 및 모드 불안정성 경감에 관해서 발표하고 있다.

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