제3절 광자 결정 광섬유를 이용한 대역폭 확장
LASERⅡ에 대한 공진기 출력과 PCF 통과 후 최종 출력 스펙트럼을 함께 보여주고 있 다. LASERⅡ의 경우 최종 출력의 스펙트럼은 공진기 출력 스펙트럼 대역폭 약 5 ㎚에 서 약 600 ㎚(스펙트럼 영역: 800~1400 ㎚)로 약 595 ㎚정도 확장되었다. 그림 3.29는 LASERⅡ의 입력 파워에 따른 PCF 통과 후 최종 출력 스펙트럼을 보여주고 있는데, 이 경우에도 PCF의 입력 파워가 증가함에 따라 최종 출력의 스펙트럼 대역폭이 확대됨을 확인 할 수 있다.
그림 3.30은 LASERⅠ과 LASERⅡ에 대한 PCF 통과 후 최종 출력 스펙트럼을 함께 보여주고 있다. LASERⅡ의 스펙트럼이 LASERⅠ보다 약 50 ㎚정도 더 확대되었음을 알 수 있다. LASERⅠ과 LASERⅡ의 최종 출력 스펙트럼을 비교해보면 단파장 영역에서는 비슷한 경향을 보이고 있으나 장파장 영역에서는 LASERⅡ의 파워 스펙트럼 밀도 (power spectral deity)가 LASERⅠ보다 더 큼을 알 수 있다. 이는 LASERⅡ의 장파장 영 역 변환 효율이 더 뛰어남을 의미한다. 또한 파워 스펙트럼 밀도의 전체적인 평탄도 또 한 LASERⅡ가 우수하여, 전반적으로 LASERⅡ의 출력 특성이 LASERⅠ보다 뛰어난 것 으로 판단된다.
그림 3.23 융착기에서 획득한 광자 결정 광섬유의 단면 사진
0 50 100 150 200 250 0
4 8 12 16 20
Output power [mW]
Pumping power [mW]
250 300 350 400 450 500
15 20 25 30 35 40 45
Output power [mW]
Pumping power [mW]
Output power [mW]
(a) 1단 (b) 2단
500 550 600 650 700 750
44 48 52 56 60 64
Output power [mW]
Pumping power [mW]
740 760 780 800 820 840 860 880 900
62 64 66 68 70 72 74
Output power [mW]
Pumping power [mW]
(b) 3단 (d) 4단
그림 3.24 각 증폭단별 펌핑 파워에 대한 PCF 출력 특성(LASERⅠ)
800 900 1000 1100 1200 1300 0
2 4
Intensity [a. u.]
Wavelength [nm]
OSC PCF
그림 3.25 공진기 출력과 PCF 통과 후 최종 출력의 스펙트럼(LASERⅠ)
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 0
1 2 3 4
OSC 40 ㎽ 140 ㎽ 330 ㎽ 390 ㎽
Intensity [a. u.]
Wavelength [nm]
(a)
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 -100
-80 -60 -40 -20 0 20
OSC 40 ㎽ 140 ㎽ 330 ㎽ 390 ㎽
Intensity [dB]
Wavelength [nm]
(b)
그림 3.26 입력 파워에 따른 PCF 통과 후 최종 출력의 스펙트럼(LASERⅠ) (a) 선형 스케일, (b) dB 스케일
0 50 100 150 200 250 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Output power [mW]
Pumping power [mW]
PCF 1단
250 300 350 400 450 500 550
0 5 10 15 20 25 30
PCF 2단
Output power [mW]
Pumping power [mW]
(a) 1단 (b) 2단
550 600 650 700 750 800 850
30 35 40 45 50 55 60
PCF 3단
Output power [mW]
Pumping power [mW]
940 960 980 1000 1020 1040 1060
65 70 75 80 85
90 PCF 4단
Output power [mW]
Pumping power [mW]
(c) 3단 (d) 4단
그림 3.27 각 증폭단별 펌핑 파워에 대한 PCF 출력 특성(LASERⅡ)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0
2 4
Intensity [a.u.]
Wavelength [nm]
OSC PCF
그림 3.28 공진기 출력과 PCF 통과 후 최종 출력의 스펙트럼(LASERⅡ)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0
1 2 3 4
5 OSA
8 ㎽ 100 ㎽ 280 ㎽ 400 ㎽
Intensity [a. u.]
Wavelength [nm]
(a)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400
-100 -80 -60 -40 -20 0 20
OSA 8 ㎽ 100 ㎽ 280 ㎽ 400 ㎽
log scale [dB]
Wavelength [nm]
(b)
그림 3.29 입력 파워에 따른 PCF 통과 후 최종 출력의 스펙트럼(LASERⅡ) (a) 선형 스케일, (b) dB 스케일
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 0
2 4
Intensity [a. u.]
Wavelength [nm]
LASERⅠ LASERⅡ
(a)
800 900 1000 1100 1200 1300 1400
-100 -80 -60 -40 -20 0 20
LASERⅠ LASERⅡ
log scale [dB]
Wavelength [nm]
(b)
그림 3.30 LASERⅠ과 LASERⅡ의 PCF 통과 후 최종 출력 스펙트럼 (a) 선형 스케일, (b) dB 스케일
제4장 결 론
본 논문에서는 반도체 포화흡수체를 이용한 모드 잠금된 광섬유 레이저 공진기 와 4단 광섬유 증폭기를 제작하였다. 광자 결정 광섬유를 이용한 레이저 시스템의 출력 대역폭 확장 실험을 추가적으로 수행하였고 최종 제작된 광대역 광원의 출력 특성을 조사하였다.
제작한 레이저 공진기는 이득 매질인 이터븀이 첨가된 광섬유와 수동형 모드 잠금 소자인 포화흡수체를 이용하여 모드 잠금을 구현하였다. 포화흡수는 광의 세 기가 증가함에 따라 광의 흡수가 감소하는 현상이다. 광의 세기가 약한 펄스의 가 장자리 부분은 포화흡수체를 통해 흡수가 되어 큰 손실을 겪고 광의 세기가 강한 펄스의 중간 부분은 적은 손실이 일어나게 되어 결과적으로 좁은 폭의 펄스를 만 들 수 있다. 본 논문에서 사용한 반도체 포화흡수체는 1030 ㎚의 파장대역에서 흡 수가 일어나는 반도체 화합물인 InGaAs를 양자 우물 구조로 증착되어있어 이터븀 을 이용한 모드 잠금 레이저 구현에 적합한 소자이다. 본 논문에서는 반도체 포화 흡수체의 주요 사양인 흡수율이 다른 2종의 포화흡수체(투과율 64%/변조깊이 13%, 투과율 52%/변조깊이 25%)를 사용하여 2종의 레이저 공진기(LASERⅠ, LASERⅡ) 를 제작하였고, 출력 특성을 비교하였다. LASERⅠ의 경우 안정적인 모드 잠금 최 대 출력은 12 ㎽이었으며, 펄스 반복률은 37 ㎒, 펄스 폭은 27 ㎰, 펄스 에너지는 0.3 nJ이었다. 공진기의 출력 스펙트럼은 1037 ㎚의 중심 파장에서 약 3 ㎚의 폭을 가졌다. LASERⅡ의 경우 안정적인 모드 잠금 최대 출력은 20 ㎽이었으며, 펄스 반 복률은 37 ㎒, 펄스 폭은 10 ㎰, 펄스 에너지는 0.5 nJ이었다. 공진기의 출력 스펙 트럼은 1034 ㎚의 중심 파장에서 약 5 ㎚의 폭을 가졌다. 전체적으로 LASERⅠ보 다 LASERⅡ의 성능이 더 우수한 것으로 판단되었다.
광섬유 레이저 증폭기를 구성하고 2종의 레이저 공진기를 입력으로 사용하였을 경우에 대한 각각의 출력 특성을 조사하였다. 레이저 증폭기는 4단으로 구성되어 있으며 1단부터 4단까지의 증폭기 펌핑 파워를 증가시킬 경우, 증폭기 출력 파워 또한 증가하였다. 2종의 레이저 공진기 모두에 대해 평균 출력 파워는 약 400 ㎽이 었다.
광자 결정 광섬유를 이용한 출력 대역폭 확대에 대한 연구를 수행하였다. 광자 결정 광섬유의 경우 입력시켜주는 펌프 광원이 높은 첨두 출력을 가질수록 강한
비선형 효과에 의해 넓은 스펙트럼을 얻을 수 있다. 이러한 특성을 활용하여 광대 역 광원을 제작하기 위해 LASERⅠ과 LASERⅡ 공진기 각각에 증폭단을 연결하고 20 m 길이의 광자 결정 광섬유를 사용하여 실험을 진행하였다. 각 레이저 모두 PCF 입력 파워를 점차적으로 증가시켰을 때 스펙트럼 대역폭 또한 증가함을 확인 하였다. LASERⅡ의 경우 약 800~1400 ㎚ 대역의 스펙트럼 출력을 보여 약 800~1350 ㎚ 대역의 스펙트럼 출력을 보인 LASERⅠ 대비 약 50 ㎚정도 더 넓은 대역폭확대를 보였으며, 전체적인 평탄도 또한 우수하였다. 본 논문에서 제작된 레 이저 시스템은 분광분해 간섭계의 광대역 광원으로 활용될 예정이다.
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