다중 경로 간섭계 기반의 소형 DPA 모듈의 시간 및 공간 영역에서 분할된 펄스들 을 결합하기 위해서, 본 연구에서는 변조 (modulation) / 복조 (demodulation) 기술을 이용하여 LOCSET 방법을 통해 제어 실험을 수행하였고, LOCSET 방법을 구현하기 위해 lock-in-amplifier를 사용하였다. lock-in-amplifier는 위상 민감 검출 (phase sensitive detection)을 이용하여 측정하고자 하는 신호와 잡음 (noise)을 분리하기 때문 에 원하는 신호를 얻을 수 있는 특징이 있다. 그래서 lock-in-amplifier는 측정 신호가 특정한 주파수와 위상을 갖는 특징을 이용하여, 잡음으로부터 신호를 분리하여 잡음을 제거하고, 신호 대 잡음비를 증가시켜 미약하거나 잡음에 묻혀있는 신호까지 측정할 수 있다. 본 실험에서는 lock-in-amplifier의 위상 민감 검출 방법을 통해 특정한 변조 신호에 따라 해당하는 제어 신호 (control signal)를 획득하고, 이를 이용하여 다중 경 로 간섭계 기반의 소형 DPA 모듈의 보강간섭을 유지하기 위한 LOCSET 방법의 실험 을 수행하였다.
다중 경로 간섭계 기반의 소형 DPA 모듈의 실험에 사용된 광 검출기로는 그림 3.9 와 같은 Thorlabs사의 DET10A2를 사용하였고, lock-in-amplifier는 그림 3.10과 같은 Standford Research System사의 SR830을 사용하였다. 광경로를 변조하기 위한 장치로 그림 3.11과 같은 PI사의 PZT (piezoelectric transducer)를 사용하였고, PID 제어기 (SIM 960), 가산 증폭기 (SIM 980)는 그림 3.12와 같은 Standford Research System사 제품을 사용하였다. 실험에 사용된 광학 부품들은 표 1에 정리된 광학 부품들을 사용 하여 구성되었으며, 그림 3.13은 실험에 사용된 LOCSET 제어 방법의 모식도를 나타 낸다. 간섭 신호는 그림 3.2의 거울 (M12)에서 반사하고 나온 펄스들을 광분할기를 통 해 광검출기 (PD1)에서 획득하였고, 압전 구동기와 연결된 수동 스테이지는 가간섭 거 리를 맞추어주기 위한 용도로 사용되었다.
먼저, LOCSET를 통한 제어 신호를 확인하기 위해 거울 (M10)에 구성된 압전 구동 기에 미세하게 변조 신호를 인가한 이후에 광경로차를 변화시킨 경우, 그림 3.14와 같 이 변조된 간섭 신호가 획득되었고, lock-in-amplifier에 의해 간섭 신호에 따른 제어 신호가 획득됨을 확인하였다. 이때, 간섭 신호와 제어 신호의 관계를 보면 간섭 신호가 최대일 때, 제어 신호가 0인 것을 확인할 수 있다. 이후, LOCSET을 통해 획득한 제어 신호를 피드백 제어에 이용하여 가간섭 펄스 결합을 수행하였다. 그림 3.15는 본 논문 에서 구성한 다중 간섭계 기반의 소형 DPA 모듈에서 분할 영역을 통과해 분할되었던
펄스를 증폭시킨 후 결합 영역을 통과해 결합된 모습을 오실로스코프로 확인한 결과이 다. 이를 통해 lock-in-amplifier에서 획득한 제어 신호가 PID controller를 통해 압전 구동기에 피드백되어, 그림 3.16과 같이 가간섭 펄스 결합이 이루어짐을 확인하였다.
또한, 가간섭 펄스 결합에 대한 장시간 안정도를 평가하기 위해서 대략 11시간 동안 제어를 수행하였다. 가간섭 펄스 결합 제어를 수행하기 이전의 간섭 신호는 시간에 따 라 변화지만, 제어를 수행한 이후에는 보강간섭을 유지하면서 간섭 신호가 최대가 됨 을 확인하였다. 구성한 다중 간섭계 기반의 소형 DPA 모듈의 펄스 결합 안정도를 평 가하기 위해 알란 편차 값 (Allan deviation)을 계산하였고, 그림 3.17과 같은 안정도를 얻었다. 간섭 신호의 안정도는 integration time이 1 s일 때 2.97 × 10-2를 가지며 integration time이 증가함에 따라 점차 높은 안정도를 갖는다. 그러나 레이저 출력을 보상하지 않은 경우, 100 s 이상에서 안정도가 다시 낮아지는 현상이 발생하는데, 이는 제어의 결과보다는 실제 레이저 광원이 가지는 시간에 따른 drift 효과이며, 레이저 출 력 변화를 보상한 결과 간섭 신호의 안정도가 유지하는 것을 알 수 있었다.
한편, 본 논문에서 연구한 다중 경로 간섭계 기반의 가간섭 펄스 결합 모듈에서 분 할된 펄스가 결합 모듈에서 가간섭 결합하였을 때, 이론적인 펄스 결합 효율을 계산하 기 위해 존스 행렬 (Jones matrix)을 이용하였다. 초기 레이저의 p-편광 펄스와 s-편 광 펄스의 출력이 동일하게 2.6 mW일 때, 시간 및 공간 영역의 펄스 분할 모듈 이후 에는 각각 2.34 mW, 1.88 mW로 감소하였으며, 이때 모듈의 펄스 분할 효율은 80%로 계산되었다. 그러나 분할된 펄스들이 각각 광 증폭기에 입사하면서 광섬유 커플러의 광삽입 손실로 인해 평균 출력이 50% 정도로 감소하였으며, 이는 이론적으로 설명하 기에 한계를 가진다. 그래서 결과적으로 구성한 DPA의 펄스 결합 효율은 실험적으로 측정하여 계산하였고, 다음 식 (7)과 같이 각각의 펄스들의 출력 합과 결합 펄스의 출 력 비율로 펄스 결합 효율 ()을 정의하였다.
∙
(7)여기서 는 펄스 결합 모듈의 펄스 결합 후 출력을 나타내며, 는 분할된 펄스들의 출력 합을 나타낸다. 펄스 결합 효율을 평가하기 위해 각각 분할된 펄스들의 출력을 측정한 후, 펄스 결합 모듈 이후 결합 펄스의 출력을 측정하여 펄스 결합 효율을 계산 하였고, 표 2와 같이 5초 간격으로 15번 반복 측정한 후, 평균값으로 정리하였다. 펄스
결합 효율은 73%로 평가되었고, 결합된 펄스의 출력은 45.25 mW로 측정되었다. 본 실험에서는 다중 경로 간섭계 기반의 소형 DPA 모듈을 설계 및 구현하여 시간, 공간 영역의 분할과 펄스 결합을 수행하였으며, LOCSET 제어를 통해 가간섭 펄스 결합을 확인하였다.
그림 3.9 간섭 신호를 검출하기 위한 광 검출기
그림 3.10 LOCSET 제어에 사용한 lock-in-amplifier
그림 3.11 본 연구에서 사용한 PZT 및 PZT 제어기
그림 3.12 LOCSET 제어에 사용한 PID controller 및 summing amplifier
그림 3.13 LOCSET 제어 방법의 개략도
그림 3.14 간섭 신호 및 제어 신호의 결과
그림 3.15 가간섭 펄스 분할 및 결합
그림 3.16 PID 제어 전과 제어 후의 결과
그림 3.17 DPA 모듈의 Allan deviation을 통한 가간섭 제어의 안정도 평가
표 2. 다중 경로 간섭계 기반의 가간섭 결합 모듈의 펄스 결합 효율 측정 결과 채널 1의 펄스
출력 (mW)
채널 2의 펄스 출력 (mW)
결합 펄스 출력 (mW)
펄스 결합 효율 (%)
1 25.76 36.61 45.02 72
2 25.84 36.52 45.10 72
3 25.34 36.47 45.04 72
4 25.29 36.49 45.13 73
5 25.93 36.57 45.07 72
6 25.72 36.52 45.11 72
7 25.67 36.65 45.32 72
8 25.88 36.72 45.26 72
9 25.83 36.51 45.21 73
10 25.44 36.36 45.17 73
11 25.41 36.29 45.53 73
12 25.33 36.35 45.28 73
13 25.15 36.48 45.42 73
14 25.49 36.62 45.48 73
15 25.54 36.44 45.59 73
평균 25.57 36.51 45.25 73