1. 서론

단일 종단 모드(single-longitudinal mode), 좁은 선폭, 우수한 광섬유 호환성과 같은 장점을 가진 광섬유 레이저(fiber laser)는 광섬유 통신 시스템, 광학 기기 테스트 및 시스템 진단에 유용한 광원으로 고려되어 왔다^(1-2). 특히 주파수 가변 마이크로파 생성(frequency-tunable microwave generation)^(3-4), 분광 기반 광 감지(spectroscopy-based optical sensing)⁽⁵⁾, 다양한 형태의 벡터 빔(vector beam) 생성과 같은 잠재적 응용 분야를 위해 파장 스위칭(switching)이 가능한 광섬유 레이저가 사용 및 개발되고 있다^(6-8). 대표적인 이득(gain) 매질인 어븀 첨가 광섬유(erbium-doped fiber: 이하 EDF)는 파장 스위칭 또는 가변 가능한 광섬유 레이저에 주로 사용되며, 광섬유 레이저의 출력을 증폭시키기 위해 사용된다. 또한 광섬유 레이저를 구성하는 요소 중 한 가지인 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: 이하 FBG)는 협대역 필터링(narrow bandwidth filtering), 우수한 광섬유 호환성, 경량 및 소형, 사용 용이성과 같은 장점으로 인해 이상적인 발진 파장 선택 요소로 사용되어 왔다. 광섬유 레이저에서 발진 파장의 스위칭을 구현하기 위해 높은 복굴절(birefringence)을 가진 FBG^(9-10), 직렬로 연결된 FBG 공동들(cascaded FBG cavities)^(11-12), 편광유지 광섬유(polarization-maintaining fiber)에 새긴 장주기 격자(long-period fiber grating: 이하 LPFG)를 기반으로 한 편광 의존 손실(polarization-dependent loss: 이하 PDL) 소자⁽¹³⁾ 및 다중 모드(few-mode) 광섬유 격자^(14-15) 등을 사용한 다양한 광섬유 레이저들이 제안되었다. 그러나, 광섬유 레이저의 발진 파장 스위칭에 사용되는 스위칭용 격자 필터는 외부 열 에너지에 민감하기 때문에 레이저의 출력 세기와 파장이 불안정해질 수 있다.

본 논문에서는 온도에 둔감한 스펙트럼 PDL 소자와 직렬로 연결된 두 FBG를 사용하여 파장 스위칭이 가능한 FBG 레이저를 제안한다. 두 FBG는 제안된 레이저의 발진 파장을 결정하는 역할을 하고, 스펙트럼 PDL 요소는 레이저 발진 파장을 스위칭하기 위한 레이저 공동(cavity) 스위칭 필터(filter)의 역할을 수행한다. 이러한 스펙트럼 PDL 요소는 편광유지 광자결정 광섬유(polarization-maintaining photonic crystal fiber: 이하 PMPCF)에 장주기 광섬유 격자(long-period fiber grating: 이하 LPFG)를 형성함으로써 제작되었다. PMPCF에 제작된 LPFG(이하 PMPC-LPFG)는 PMPCF의 복굴절과 LPFG의 동일 방향 모드 결합(co-directional mode coupling)으로 인해 두 개의 특정 공진 파장에서 편광자(polarizer)로서의 특성을 보인다. 이러한 PMPC-LPFG의 두 공진 파장(λ1 및 λ2)을 중심으로 하는 손실 대역(attenuation band)을 가지며, 최대 대역 소거율(rejection ratio)을 갖는 손실 대역은 직교하는 두 입력 편광 상태(state of polarization: 이하 SOP)에서 얻을 수 있다. 두 FBG의 각 브래그 파장(Bragg wavelength)이 PMPC-LPFG의 두 공진 파장의 손실 대역 중심 근처에 위치하는 경우, 입력 편광을 조절하여 PMPC-LPFG의 두 손실 대역 중 하나를 선택할 수 있으므로 두 브래그 파장 중 하나의 파장에서 선택적 발진을 일으킬 수 있다. PMPCF의 복굴절은 기존의 편광유지 광섬유(polarization-maintaining fiber: 이하 PMF)보다 온도 민감도가 30배 이상 낮기 때문에, 제작된 PMPC-LPFG는 LPFG를 스위칭 격자 필터로 사용한 이전의 광섬유 레이저와 비교하여 파장 스위칭 동작을 보다 안정적으로 수행할 수 있다. 우선 제작된 PMPC-LPFG의 두 손실 골(dip)의 온도 의존성을 30∼80℃의 온도 범위에서 조사하였다. 다음으로 제안된 레이저를 제작하여 발진 파장 스위칭을 구현하고, 스위칭된 각각의 레이저 출력 스펙트럼의 온도에 대한 의존성을 동일한 범위에서 조사하였다. 결과적으로 제안된 레이저는 레이저 공동의 SOP 조절을 통해 PMPC-LPFG의 입력 편광을 변화시켜 30∼80℃의 온도 범위 내에서 안정적인 파장 스위칭 동작을 구현할 수 있었다.

2. 온도에 둔감한 스펙트럼 PDL 소자

LPFG는 광섬유에서 코어 모드(core mode)와 클래딩 모드(cladding mode) 사이의 동일 방향 모드 결합을 기반으로 하는 투과형 격자로 손실 필터로 널리 사용되는 광학 소자이다. 단일 모드 광섬유(single-mode fiber)에 LPFG를 제작할 경우, 코어 모드와 클래딩 모드의 결합은 광 신호의 투과 스펙트럼에서는 손실로 나타난다. 제안된 레이저에 사용된 PMPC-LPFG의 공진 파장 λ₀는 식(1)처럼 주어진다.

여기서 n_core,eff 및 n_clad,eff는 각각 PMPCF의 코어 및 클래딩 모드의 유효 굴절률이며, Λ는 격자 주기이다. PMPC-LPFG의 저속 축(slow axis)과 고속 축(fast axis) 간 복굴절에 의해 식(1)을 만족하는 공진 파장은 입력 편광에 의존한다. 즉 코어에 입사된 빛은 PMPCF의 복굴절 때문에 빛의 편광에 따라 서로 다른 n_core,eff를 느끼고, 이는 PMPC-LPFG가 입력 편광에 따라 서로 다른 손실 대역을 갖도록 만든다. 따라서 특정 선형 편광된 빛이 입사되면 식(1)을 만족하는 특정 공진 파장에서 손실 대역이 나타나고, 위의 빛과 직교하는 편광을 갖는 빛이 입사하게 되면 위와 다른 공진 파장에서 손실 대역이 발생한다.

LPFG가 제작된 PMPCF의 모드 필드 직경(mode-field diameter)은 고속 축 및 저속 축에 대해 각각 6.8 및 4.3μm이며, 복굴절 및 감쇠(attenuation) 계수는 ∼8.18×10^-4 및 2dB/km(@ 1550nm) 미만이다. 특히 기존의 편광유지 광섬유에 비해 PMPCF는 온도 민감도가 30배 이상 낮다. 제안된 레이저에 사용된 PMPC-LPFG는 10.6μm CO₂ 레이저를 이용하여 제작되었으며, 격자 간격, 격자 길이 및 레이저 스캐닝(scanning) 수는 각각 410μm, 12.3mm(30 격자 주기) 및 6번이었다. 그림 1은 0°(적색), 45°(흑색) 및 90°(청색)의 선형 입력 편광들에 대해 측정된 PMPC-LPFG의 투과 스펙트럼들을 보여주고 있다. 0° 및 90°의 직교하는 선형 입력 편광에서 얻는 PMPC-LPFG의 두 손실 스펙트럼들은 최대 대역 소거율을 가지며, 각각 공진 파장 ∼1528.6nm(λ₀) 및 ∼1555.9nm(λ₉₀)를 갖는다. λ₀와 λ₉₀에서 대역 소거율은 각각 ∼31.0 및 ∼26.7dB로 측정되었으며, 최대 대역 소거율은 갖는 이러한 손실 스펙트럼 골들은 이후 RD₁(λ₀의 골)과 RD₂(λ₉₀의 골)로 표시한다. 여기서 대역 소거율은 PMPCF의 두 주축(저속 및 고속 축)으로 결합되는 입력 광의 비율에 따라 달라지기 때문에 입력 편광에 직접적으로 의존한다. 두 주축 중 하나가 여기(excitation)되는 경우, 최대 대역 소거율을 갖는 두 손실 골들(RD₁ 및 RD₂) 중 하나가 선택된다. 역으로 입력 광이 다른 주축에 완전히 결합되면 나머지 최대 대역 소거율을 갖는 손실 골이 선택된다.

Fig. 1. Transmission spectra of fabricated PMPC-LPFG, measured for three input polarizer angles of 0°, 45°, and 90°, indicated as red, black, and blue solid lines, respectively

그림 2(a) 는 입력 편광이 0° 선형 편광일 때, 제작된 PMPC-LPFG 투과 스펙트럼(RD₁)의 온도 의존성을 나타낸다. PMPC-LPFG의 주변 온도를 30°C에서 80°C까지 변화시켜가면서 RD₁의 공진 파장 및 세기 변화를 측정하였다. 그림 2(b) 는 온도 변화에 따른 RD₁의 공진 파장과 투과도의 변위를 보여주고 있다. 총 50°C의 온도 변화에 대해 RD₁의 공진 파장 및 투과도 변위는 각각 ∼0.16nm 및 ∼1.08dB 이하로 측정되었다. 마찬가지로 그림 3(a) 는 입력 편광이 90° 선형 편광일 때, 제작된 PMPC-LPFG 투과 스펙트럼(RD₂)의 온도 의존성을 보여주고 있다. 또한 그림 3(b) 는 온도 변화에 따른 RD₂의 공진 파장과 투과도의 변위를 보여주고 있다. 총 50°C의 온도 변화에 대해 RD₂의 공진 파장 및 투과도 변위는 각각 ∼0.14nm 및 ∼1.69dB 이하로 측정되었다. 공진 파장의 변화량을 기준으로 생각하면, PMPC-LPFG는 편광유지 광섬유에 제작된 LPFG(이하 PM-LPFG)에 비해 훨씬 낮은 4.4pm/°C 이하의 온도 민감도를 보인다. 참고로 PM-LPFG의 경우 온도 민감도는 36.6∼129.1pm/°C이다⁽¹⁶⁾. 따라서 PM-LPFG를 사용한 이전의 FBG 레이저에 비해 PMPC-LPFG를 사용한 FBG 레이저가 동일한 외부 온도 변화에 대해 훨씬 더 안정적인 파장 스위칭 동작 구현이 가능하다.

Fig. 2. (a) Temperature dependence of fabricated PMPC-LPFG when excited by input light polarized by input polarizer whose angle is set as 0°. (b) Variations of resonance wavelength (red circles) and dip transmission (blue squares) for ambient temperature variation from 30 to 80℃

Fig. 3. (a) Temperature dependence of fabricated PMPC-LPFG when excited by input light polarized by input polarizer whose angle is set as 90°. (b) Variations of resonance wavelength (red circles) and the dip transmission (blue squares) for ambient temperature variation from 30 to 80℃

3. 레이저 파장 스위칭 결과 및 토의

그림 4는 제안된 파장 스위칭 가능한 FBG 레이저의 실험 모식도를 보여주고 있다. 제안된 레이저는 단방향 레이저이며, 단방향 발진은 광 분리기(isolator) 및 서큘레이터(circulator)를 통해 보장된다. 레이저의 활성 영역은 ∼450ppm의 어븀 농도를 갖는 20m 길이의 EDF로 구성되며, 이 EDF는 파장분할 다중화(wavelength-division-multiplexing: 이하 WDM) 커플러(coupler)를 통해 입력되는 150mW의 출력을 갖는 980nm 레이저 다이오드(laser diode)에 의해 여기된다. 편광 제어기(polarization-controller: 이하 PC)와 WDM 커플러 사이에 삽입된 포화 흡수체(saturable absorber)는 잡음(noise) 억제 및 레이저의 안정적인 발진을 위해 사용되며, 여기되지 않는 EDF로 구성된다. 선형 편광자, 1/4 파장판(quarter-wave plate: 이하 QWP), 그리고 1/2 파장판(half-wave plate: 이하 HWP)을 포함하는 PC(Agilent 8169A)는 레이저 공동 내에서 진행하는 빛을 편광시키고, 그 SOP를 제어하는데 사용된다. 즉 PMPC-LPFG로 진행하는 빛의 입력 편광을 조절할 수 있다. 광 흡수체(light absorber)를 포함한 두 FBG(FBG 1 및 FBG 2)는 광 서큘레이터를 통해 레이저 공동에 결합되고, FBG 1과 FBG 2에서 반사되는 두 브래그 파장의 빛은 레이저 공동을 따라 진행한다. 따라서 PC를 이용하여 스펙트럼 PDL 소자의 입력 편광을 적절히 제어하면, 두 브래그 파장 성분 중 하나만이 발진되도록 선택, 즉 발진 파장을 스위칭할 수 있다. 여기서 광섬유 레이저의 발진 파장은 사용된 EDF의 이득 스펙트럼, 제작된 PMPC-LPFG의 손실 스펙트럼 및 두 FBG의 반사 스펙트럼에 의해 결정된다. 사용된 FBG 1과 2의 브래그 파장은 각각 ∼1527.7nm와 ∼1554.7nm이었으며, 3dB 대역폭과 반사율은 각각 0.1nm 이하 및 70% 이상이었다. 여기서 FBG 1 및 2의 브래그 파장은 PMPC-LPFG의 두 공진 골 RD₁과 RD₂의 파장 즉 λ₀(= ∼1528.6nm) 및 λ₉₀(= ∼1555.9nm)를 고려하여 선택하였다. 그림 1에서 전술하였듯이 RD₁ 및 RD₂는 PC에 의해 결정되는 입력 편광이 각각 0° 및 90° 선형 편광일 때 얻어진다. 따라서 PC를 사용하여 PMPC-LPFG의 입력 편광을 제어하면 서로 다른 두 브래그 파장 중 하나의 파장에서 선택적으로 발진을 구현할 수 있다. 즉 입력 편광으로 0° 및 90° 선형 편광을 번갈아 선택할 경우, 서로 다른 두 발진 파장 간의 스위칭이 가능하다. 구체적으로는 입력 편광을 0° 선형 편광으로 설정할 경우, λ₀을 중심 파장으로 갖는 RD₁은 FBG 1의 브래그 파장 성분을 억제시키고, FBG 2의 브래그 파장 성분이 발진되도록 만든다. 역으로 입력 편광이 90° 선형 편광으로 설정되면, λ₉₀을 중심 파장으로 갖는 RD₂는 FBG 2의 브래그 파장 성분 대신 FBG 1의 브래그 파장을 발진시킨다. 이렇게 선택된 브래그 파장 성분은 50:50 광섬유 커플러를 통해 레이저에서 출력된다.

Fig. 4. Experimental setup of proposed wavelength-switchable FBG laser

그림 5는 제작된 FBG 레이저의 단파장 발진 동작 및 파장 스위칭 동작을 보여주고 있다. 적색 실선 및 청색 점선은 스펙트럼 PDL 소자의 입력 편광이 각각 0° 및 90° 선형 편광일 때 발진되는 레이저의 출력 스펙트럼을 나타낸다. 전술되었듯이 PC를 통해 레이저 공동 내 빛의 편광이 0° 및 90° 선형 편광으로 설정될 경우, PMPC-LPFG의 출력이 각각 RD₁과 RD₂으로 선택되어 레이저의 출력 파장이 두 브래그 파장 사이에서 스위칭되는 것을 확인할 수 있다. 고정된 주변 온도에서 레이저 출력의 변동은 0.5dB 미만이었으며, 발진 출력의 신호-대-증폭 자발 방출(amplified spontaneous emission) 비 50dB 이상이었다. 2절에서 언급된 것과 같이 PMPCF는 기존의 편광유지 광섬유에 비해 외부 온도 변화에 훨씬 둔감하다. 따라서 PMPC-LPFG는 PM-LPFG에 비해 훨씬 더 안정적인 발진 및 파장 스위칭 동작을 구현할 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 5. Single-wavelength lasing operation of fabricated FBG laser. The red solid and blue dotted lines indicate lasing spectra, which are designated by cavity polarizer angles of 0° and 90°, when the PMPC-LPFG is excited to have RD1and RD2as its transmittance, respectively

그림 6(a) 는 입력 편광이 0° 선형 편광일 때, PMPC-LPFG 주변의 온도를 30℃에서 80℃까지(10℃ 간격) 증가시키면서 레이저 출력 스펙트럼의 변동을 측정한 결과를 보여준다. 그림 6(b) 는 주변 온도 변화에 따른 레이저 발진 파장 및 출력 세기 변동을 보여주고 있으며, 총 50℃의 온도 변화에 대해 발진 파장 및 출력 세기 변동량은 각각 ∼0.02nm 및 ∼0.58dB 이하로 측정되었다. 유사하게 그림 7(a) 는 입력 편광이 90° 선형 편광일 때, PMPC-LPFG 주변의 온도를 30℃에서 80℃까지(10℃ 간격) 증가시키면서 레이저 출력 스펙트럼의 변동을 측정한 결과를 보여준다. 그림 7(b) 도 그림 6(b) 와 마찬가지로 주변 온도 변화에 따른 레이저 발진 파장 및 출력 세기 변동을 보여주고 있으며, 총 50℃의 온도 변화에 대해 발진 파장 및 출력 세기 변동량은 각각 ∼0.02nm 및 ∼0.53dB 이하로 측정되었다. 이러한 결과는 PMPC-LPFG가 PM-LPFG에 비해 외부 열 교란에 대해 훨씬 더 안정적인 발진 동작을 제공할 수 있음을 뒷받침한다. 특히 PMPC-LPFG의 두 공진 파장에서의 손실 골들의 대역폭은 FBG의 반사 대역폭 보다 훨씬 넓기 때문에, 실험에 사용된 브래그 파장(∼1527.7 또는 ∼1554.7nm)에서 ± 5nm 이상 벗어난 브래그 파장을 갖는 FBG로도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 또는 PMPC-LPFG의 제작 조건을 변경하여 λ₀ 및 λ₉₀을 변화시킴으로써, 원하는 브래그 파장을 갖는 FBG를 이용하여 레이저의 발진 파장을 선택할 수도 있다. 추가적으로 FBG의 브래그 파장에 따라 선택된 두 발진 파장은 레이저에 사용된 FBG에 길이 방향의 스트레인을 인가하여 연속적으로 조정할 수도 있다.

Fig. 6. (a) Variation of optical power spectrum of fabricated FBG laser under ambient temperature changes from 30 to 80℃ at a cavity polarizer angle of 0°. (b) Temperature-induced variations of wavelength and peak output power of the lasing line, indicated as red and blue squares, respectively

Fig. 7. (a) Variation of optical power spectrum of fabricated FBG laser under ambient temperature changes from 30 to 80℃ at a cavity polarizer angle of 90°. (b) Temperature induced variations of wavelength and peak output power of the lasing line, indicated as red and blue squares, respectively

4. 결 론

본 논문에서는 온도에 둔감한 스펙트럼 PDL 소자(PMPC-LPFG)와 직렬 연결된 두 FBG를 사용하여 파장 스위칭 가능한 FBG 레이저를 구현하였다. 여기서 두 FBG는 레이저의 발진 파장을 결정하였으며, PMPC-LPFG는 발진 파장 간 스위칭을 위한 공동 스위칭 필터로 사용되었다. PMPC-LPFG는 CO₂ 레이저로 PMPCF에 LPFG를 형성하여 제작되었으며, PMPCF의 복굴절과 LPFG에서의 동일 방향 모드 결합 특성으로 인해 직교하는 두 입력 편광에 따라 두 공진 파장(λ₀ 및 λ₉₀)에서 선형 편광자로 작용할 수 있었다. PMPC-LPFG의 공진 파장들을 고려하여 FBG의 두 브래그 파장은 ∼1527.7과 ∼1554.7nm로 선택되었다. 우선 제작된 PMPC-LPFG의 입력 편광에 따라 달리 선택되는 각 손실 골의 온도 의존성을 30∼80℃의 범위에서 조사하였으며, ∼4pm/°C의 온도 민감도를 얻을 수 있었다. 이러한 온도 민감도는 기존의 PM-LPFG에 비해 9∼32배 만큼 더 낮은 결과이다⁽¹⁶⁾. 제작된 PMPC-LPFG를 이용하여 제작된 FBG 레이저의 발진 및 파장 스위칭 실험 결과, 제안된 레이저는 PMPC-LPFG의 입력 편광을 적절히 제어함으로써 30∼80℃의 온도 변화에 대해서도 안정적인 파장 스위칭 동작을 구현할 수 있다. 총 50℃의 주변 온도 변화에 대해 레이저 발진 파장은 거의 변화가 없었고, 출력 세기 변동은 0.6dB 미만으로 측정되었다. 결과적으로 PMPC-LPFG가 기존의 PM-LPFG에 비해 안정적인 발진 파장 스위칭 동작에 기여한다는 것을 알 수 있었다.