1. 서 론

광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating: 이하 FBG) 레이저는 광통신⁽¹⁾, 광센서⁽²⁾, 그리고 분광기⁽³⁾와 같은 분야에서 널리 사용되고 있으며 단일 종 모드(longitudinal mode), 좁은 선폭(linewidth), 우수한 광섬유 호환성, 낮은 잡음 세기, 넓은 출력 파워 동적 범위(dynamic range) 등과 같은 많은 장점을 지니고 있다. 특히 FBG 레이저는 마이크로파 발생⁽⁴⁾, 벡터 빔 생성⁽⁵⁾, FBG 센서 시스템⁽⁶⁾과 같은 다양한 연구 분야에 적용하기 위해 FBG를 반사형 필터로 사용한 어븀 첨가 광섬유(erbium-doped fiber: 이하 EDF) 레이저⁽²⁾, 위상 천이(phase-shifted) FBG 레이저⁽⁷⁾, 편광 유지(polarization-maintaining) FBG(이하 PM-FBG) 레이저⁽⁸⁾, 이중 모드(two-mode) FBG 레이저⁽⁹⁾ 등의 형태로 개발되어 왔다. 현재의 광학 시스템에서 광의 편광 상태(state of polarization: 이하 SOP)를 이해하고 제어하는 것은 매우 중요한 부분이며, FBG 레이저의 경우에도 편광 특성을 이용하는 것은 실제 응용 분야에서 매우 중요한 요소가 된다. 이전의 연구⁽¹⁰⁾에서 FBG 레이저의 편광 제어 특성을 구현하기 위해 편광 상이 고리 구조 (polarization-diversified loop structure: 이하 PDLS)를 기반으로 한 EDF 레이저의 서로 다른 파장에서 직교 출력 SOP(이하 SOPOUT)를 갖는 출력 스펙트럼의 스위칭 동작이 제안되었지만, FBG 레이저의 발진 파장 별 출력 SOP를 독립적으로 제어할 수 있는 특성에 관한 연구는 아직 보고되지 않았다. 이러한 각 발진 파장에서의 독립적인 SOPOUT 제어 특성을 구현하는 FBG 레이저는 서로 다른 파장에서 직교 또는 평행하게 편광된 신호를 출력함으로써 높은 효율을 제공하는 파장 변환(wavelength conversion) 시스템^(11,13)과 고조파 발생(high harmonic generation) 장치^(12,14) 등의 특정 광 응용 분야에서 활용될 수 있다. 서로 다른 발진 파장에서 출력되는 스펙트럼의 SOP를 독립적으로 제어할 수 있는 레이저 동작을 구현하기 위해, 편광 빔 분배기(polarization beam splitter: 이하 PBS), 서로 다른 공진 파장을 갖는 두 FBG, 3개의 1/4 파장판(quarter-wave plate: 이하 QWP)으로 구성된 PDLS 기반 동일 선로 FBG 필터가 레이저의 공동 필터(cavity filter)로 사용될 수 있으며, 이전 연구에서 동일한 구조의 PDLS 기반 동일 선로 필터를 사용하여 필터의 구조 변환 없이 세 QWP의 방위각을 적절히 조절함으로써 서로 다른 공진 파장을 갖는 두 FBG 중 특정 FBG의 투과 또는 반사 스펙트럼을 선택할 수 있는 필터 출력 특성이 보고된 바 있다⁽¹⁵⁾. 상기 PDLS 기반 동일 선로 필터가 두 FBG의 반사 스펙트럼을 선택하는 대역통과(band-pass) 모드로 동작할 때, 필터의 입력 편광과 QWP 3개의 방위각을 적절히 제어함으로써 PBS의 수평축과 수직축을 따라 정렬된 두 직교 SOP 중 한 성분을 특정 FBG 공진 파장에서의 SOPOUT로 선택할 수 있다. 따라서 PDLS 기반 동일 선로 필터를 사용하여 서로 다른 공진 파장에서의 SOPOUT의 독립적인 제어가 가능한 이중 파장 FBG 레이저를 구현할 수 있다.

본 논문에서는 서로 다른 공진 파장(λ1과 λ2)을 갖는 두 FBG를 포함하는 PDLS 기반 동일 선로 필터를 이용하여 λ1과 λ2에서의 SOPOUT를 개별적으로 선택할 수 있는 이중 파장 FBG 레이저를 제안하고, 필터의 입력 편광과 세 QWP의 방위각을 적절히 제어함으로써 각 공진 파장에서의 SOPOUT가 서로 직교 또는 평행한 편광 성분을 가질 수 있도록 구현하였다. λ1과 λ2에서 발진되는 레이저 출력은 각 공진 파장의 SOPOUT에 따라 Set I에서 Set IV까지 4개의 Set로 구분할 수 있다. 편의상 PBS의 수평축과 수직축을 따라 정렬된 두 직교 선형 편광 성분을 각각 선형 수평 편광(linear horizontal polarization: 이하 LHP)과 선형 수직 편광(linear vertical polarization: 이하 LVP)으로 나타낼 경우, λ1과 λ2에서의 SOPOUT는 Set I의 경우 LHP와 LVP, Set II의 경우 LVP와 LHP, Set III의 경우 모두 LHP, Set IV의 경우 모두 LVP가 되도록 선택할 수 있다. 제안된 레이저는 이중 파장 발진 스펙트럼의 개별 공진 파장에서 SOPOUT를 두 직교 편광 성분(LHP와 LVP) 중 하나로 선택할 수 있도록 구현한 최초의 PDLS 기반 FBG 레이저이다. 이후에는 제안된 레이저의 구성과 동작 원리를 설명하고, 제작된 레이저의 SOPOUT 측정 결과에 대해 논의한다.

2. 레이저의 구성 및 동작 원리

Fig. 1은 제안된 레이저의 모식도를 나타내며, 15m 길이의 EDF(Optical fiber solutions), 980nm 레이저 다이오드(laser diode: 이하 LD, 3SP photonics), 파장 분할 다중화(wavelength-division multiplexing: 이하 WDM) 커플러(Thorlabs), 회전 가능한 선형 편광기(OZ Optics), 광 고립기(optical isolator), 2×1 3dB 결합기, 광 스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer: 이하 OSA, Yokogawa) 및 PDLS 기반 동일 선로 필터로 구성되었다. 레이저의 내부 공동 필터로 사용되는 PDLS 기반 동일 선로 필터는 광섬유로 마감된(fiber-pigtailed) 4단자 PBS(OZ optics), 광섬유로 마감된 3개의 QWP(QWP 1, QWP 2, QWP 3)(OZ optics), 그리고 서로 다른 공진 파장을 갖는 두 FBG(FBG 1, FBG 2)로 구성되었다. FBG 1과 FBG 2로 표시된 두 FBG의 공진 파장은 각각 λ1 = 1549.6nm과 λ2 = 1554.6nm로 측정되었다. 제작된 레이저는 광 증폭을 위해 이득 매질로서 980nm LD로 여기되는 EDF를 사용하며, 광 고립기를 이용하여 레이저 고리 구조에서 빛이 한쪽 방향으로만 순환하도록 만든다. 입력 선형 편광기는 PBS의 IN 단자로 입력되는 빛의 파워 분배 비율을 결정한다. EDF에서 증폭된 방출 광은 PBS를 통해 내부 공동 필터로 입력되며, PBS의 단자 1과 단자 2의 출력 광은 각각 수평과 수직으로 선형 편광되어 시계(clockwise: 이하 CW) 방향과 반시계(counterclockwise: 이하 CCW) 방향으로 필터 내부를 회전하며 두 FBG에서 반사되거나 투과한다. PBS의 OUT단자에서 출력되는 광 출력은 3dB 결합기를 통해 OSA에서 모니터링 된다.

Fig. 1. Schematic diagram of the proposed FBG laser based on a PDLS-based inline filter

내부 공동 필터가 세 QWP의 특정 각도 조합에 의해 λ1과 λ2 모두에서 대역통과 모드로 작동하도록 설정된 경우, 필터는 입력 편광에 의존하는 투과 특성을 가지기 때문에 각 공진 파장에서의 SOPOUT가 서로 직교하는 편광 성분을 갖도록 선택할 수 있다. 또한 세 QWP 방위각을 다르게 조합할 경우, 내부 공동 필터는 입력 편광에 무관한 투과 특성을 제공할 수도 있으며, 이는 두 공진 파장에서의 SOPOUT가 서로 동일한(즉 평행한) 편광 성분을 갖도록 선택할 수 있다. 구체적으로, 내부 공동 필터가 편광에 의존하는 투과도를 갖는 세 QWP 방위각의 특정 조합에서 PBS의 수평축과 수직축을 따라 입력되는 광의 파워가 동일하다면, 각 공진 파장에서의 SOPOUT는 서로 직교하는 편광 성분으로 선택될 수 있다. 여기서 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 각각 LHP와 LVP인 경우의 필터 동작 모드를 Set I으로 지정하고, SOPOUT가 각각 LVP와 LHP인 경우를 Set II라고 지정한다. 이와 반대로, 세 QWP의 방위각 조합이 내부 공동 필터 투과도가 편광에 무관한 특성을 갖도록 설정되면, 입력 편광이 LVP 또는 LHP인 경우 두 공진 파장들의 SOPOUT는 각각 LHP 또는 LVP로 동일한 편광 성분을 갖도록 선택될 수 있다. 여기서 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 모두 LHP인 경우의 필터 동작 모드를 Set III로, 모두 LVP인 경우의 동작 모드를 Set IV로 지정한다. 즉 세 QWP 방위각 조합과 입력 편광을 조절함으로써 제안된 레이저의 내부 공동 필터는 상기 네 종류(Set I, Set II, Set III, Set IV)의 이중 파장 대역통과 동작 모드를 구현할 수 있으며, 레이저는 상기 Set에 따라 서로 다른 네 종류의 SOPOUT를 갖게 된다.

Fig. 2는 내부 공동 필터가 FBG의 두 공진 파장에서 대역통과 모드로 동작하는 경우, 필터 출력에 주로 기여하는 네 개의 광 전파 경로를 보여주고 있다. 상기 언급한 바와 같이 필터에 입력되는 임의의 선형 편광된 빛은 PBS의 수평과 수직축을 따라 편광된 빛으로 분리되어 필터 내부를 각각 CW와 CCW 방향으로 전파한다. 먼저 PBS의 단자 1과 단자 2로부터 출력되는 빛의 LHP와 LVP 성분이 각각 Fig. 2에서 표시된 CW1과 CCW1 경로를 진행하게 되면 λ1에서의 대역통과 동작을 얻을 수 있으며, λ2에서의 대역통과 동작은 각 편광 성분들이 CW2와 CCW2 경로를 진행함으로써 얻어질 수 있다. 편의상 PBS의 수평축과 수직축을 각각 x축과 y축이라고 가정하면, CW1 경로를 진행하는 입력 광의 LHP 성분은 x축 편광자와 QWP 1(방위각: θq1)을 거쳐 FBG 1(반사도: r1)에서 반사되고 동시에 편광 상태가 y축 대칭 형태로 바뀌어 역방향으로 QWP 1(방위각: -θq1)를 통과하여 y축 편광자를 통해 출력된다. 이 경로에서는 FBG 1의 반사도만이 고려된다. 마찬가지로 CCW1 경로를 진행하는 LVP 성분은 순서대로 y축 편광자, QWP 3(방위각: -θq3), FBG 2(투과도: t2), QWP 2(방위각: -θq2), FBG 1(반사도: r1), QWP 2(방위각: θq2), FBG 2(투과도: t2), QWP 3(방위각: θq3), 그리고 x축 편광자를 통해 출력되며, 이 경로에서는 빛이 FBG 1에서 한 번 반사되어 되돌아가면서, 최종적으로 FBG 2를 두 번 통과하게 된다. CW1과 CCW1 두 경로를 통해 얻어지는 필터의 투과도는 각각 ar1과 (1-a)r1(t2)2이며 λ1에서의 대역통과 동작을 위한 필터의 투과도는 두 경로의 합에 의해 ar1 + (1-a)r1(t2)2로 얻어질 수 있다. 여기서 a는 PBS에서의 파워 분배 비율로 입력 편광이 LVP와 LHP일 때 각각 0과 1의 값을 갖는 0과 1사이의 실수 값을 의미한다. 이상적인 FBG 2의 삽입 손실(insertion loss: 이하 IL)이 0이라고 가정하면 투과도 식의 r1(t2)2항은 r1으로 근사되며, λ1에서의 대역통과 동작은 CW1와 CCW1 두 경로 모두를 통해 얻어지는 경우 전체 투과도가 r1에 근사하는 입력 편광에 무관한 특성을 지닌 FBG 반사 스펙트럼이 출력된다. 또한 λ1에서의 대역통과 모드가 CW1(입력 편광: LHP) 또는 CCW1(입력 편광: LVP) 두 경로 중 하나를 통해 작동되는 경우, 투과도는 ar1 또는 (1-a)r1로 근사되며, SOPOUT가 각각 LVP 또는 LHP인 입력 편광에 의존하는 FBG 반사 스펙트럼이 출력된다.

Fig. 2. Optical propagation paths within the PDLS-based filter for band-pass operation at each Bragg wavelength

이와 유사하게 λ2에서의 대역통과 동작은 CW2과 CCW2 경로를 통해 선택될 수 있으며, CW2 경로를 진행하는 입력 광의 LHP 성분은 순차적으로 x축 편광자, QWP 1(방위각: θq1), FBG 1(투과도: t1), QWP 2(방위각: θq2), FBG 2(반사도: r2), QWP 2(방위각: -θq2), FBG 1(투과도: t1), QWP 1(방위각: -θq1), 그리고 y축 편광자를 통해 출력된다. 이 경로에서는 빛이 FBG 2에서 한 번 반사되고, FBG 1을 두 번 통과하게 된다. 다음으로 CCW2 경로를 통해 진행하는 입력 광의 LVP 성분은 y축 편광자, QWP 3(방위각: -θq3), FBG 2(반사도: r2), QWP 3(방위각: θq3), 그리고 x축 편광자를 순서대로 통과하며 결과적으로 FBG 2에서 한 번 반사되어 출력된다. CW2과 CCW2 경로를 통해 얻어지는 필터의 투과도는 FBG 1의 IL이 0이라는 가정 하에 r2(t1)2항이 r2로 근사되면서 각각 ar2와 (1-a)r2가 되며, λ2에서 입력 편광에 무관한 대역통과 동작 특성을 위한 필터의 투과도는 두 경로의 합에 의해 r2로 근사한다. λ2에서 입력 편광에 의존하는 대역통과 동작을 위한 필터의 투과도는 CW2(입력 편광: LHP) 또는 CCW2(입력 편광: LVP) 경로를 통해 각각 ar2 또는 (1-a)r2로 얻어질 수 있으며, 각 경우에서의 SOPOUT는 LVP 또는 LHP이 된다.

제안된 필터의 λ1과 λ2 모두에서 대역통과 모드 동작 특성은 Jones 행렬을 이용하여 정량적으로 분석할 수 있으며 전술된 4개의 광 경로(CW1, CCW1, CW2, CCW2)에 대한 Jones 전달 행렬은 다음과 같다.

여기서 TQWP1, TQWP2, TQW3는 PBS의 x축에 대해 고속축 방위각(fast-axis orientation angle)이 각각 θq1, θq2, θq3인 QWP1, QWP2, QWP3의 Jones 행렬이며, t1, r1, t2, r2는 각각 FBG1과 FBG2의 투과도(transmittance)와 반사도(reflectance)를 나타낸다. Tfilter는 필터의 전체 전달 행렬을 나타내며 식(1)∼(4)의 합으로 표현되고, TSM은 빛의 편광 상태가 FBG에서 반사되는 경우 y축 대칭 형태로 변경되는 것을 반영하는 Jones 행렬을 나타낸다. Tfilter를 기반으로 필터의 이론적인 투과도(tfilter) 식을 유도할 수 있으며 방위각이 θIN인 선형 입력 편광에 대한 필터의 투과도 식은 아래와 같다.

간단히 정리하면, 필터의 주요 광 경로에 대한 투과도는 세 QWP 방위각들에 의해 결정되는 0부터 1사이의 실수 값을 갖는 경로-가중 계수(path-weighting coefficient) γ1, δ1, γ2, δ2를 이용하여 γ1ar1(CW1 경로), δ1(1-a)r1(CCW1 경로), γ2ar2(CW2 경로), 그리고 δ2(1-a)r2(CCW2 경로)로 나타낼 수 있으며, 필터의 전체 투과도는 각 경로 투과도의 합인 tfilter = [γ1a + δ1(1-a)]r1 + [γ2a + δ2(1-a)]r2로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 필터에 입력되는 선형 편광이 ±45°(a = 0.5)일 때 세 QWP 방위각들을 적절히 조절하여 네 개의 주요 광 경로 중에 CCW1과 CW2 경로를 선택한 경우의 tfilter는 (δ1r1 + γ2r2)/2에 근사하는 결과를 얻을 수 있으며, 이러한 필터 투과도는 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 각각 LHP와 LVP가 되는 Set I 동작 모드에 해당한다. 반대로, 위와 동일한 입력 편광 조건에서 세 QWP 방위각들을 달리 조합함으로써 CW1과 CCW2의 광 경로를 선택하면, tfilter는 (γ1r1 + δ2r2)/2에 근사하게 되며 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 각각 LVP와 LHP가 되는 Set II의 동작 모드가 된다. 특히, 세 QWP 방위각들의 조합을 상기 Set I과 Set II의 조건과는 달리 네 개의 주요 광 경로가 동일하게 선택되도록 설정하면, tfilter는 ε(r1 + r2)/2에 근사되며 필터를 편광에 무관한 이중 파장 대역통과 모드로 작동시킬 수 있다. 여기서 입력 편광이 LVP(a = 0) 또는 LHP(a = 1)인 경우 투과도 식은 각각 δ1r1 + δ2r2 또는 γ1r1 + γ2r2으로 근사되며, λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 모두 LHP 또는 LVP인 각각 Set III 또는 Set IV에 해당하는 필터 동작 모드를 구현할 수 있다. 즉 이러한 PDLS 기반 내부 필터의 Set I부터 Set IV까지 네 가지 유형의 대역통과 동작 모드를 선택할 수 있는 특성을 이용하여, 제안된 FBG 레이저는 세 QWP 방위각과 입력 편광을 적절하게 제어함으로써 λ1 또는 λ2의 개별 파장에서의 SOPOUT를 독립적으로 선택할 수 있는 이중 파장 발진 동작을 구현할 수 있다.

3. 실험 결과 및 고찰

Figs. 3-6은 Fig. 1에 나타난 모식도의 구성과 동일하게 제작된 광섬유 레이저가 364mA의 주입 전류에 의해 발진되었을 때, 회전 가능한 선형 편광기와 세 QWP들의 방위각을 적절히 제어함으로써 Set I부터 Set IV까지 네 가지 필터 동작 모드에 따른 이중 파장 발진 스펙트럼을 OSA로 측정한 결과를 보여주고 있다. 또한 측정된 네 가지 유형의 레이저 출력 스펙트럼에 대해 각 파장에서의 SOPOUT를 분석하기 위해 회전 가능한 선형 편광기, QWP, 그리고 1/2 파장판(half-wave plate: 이하 HWP)으로 구성된 추가적인 편광 제어기(polarization controller: 이하 PC, Agilent 8169A)를 레이저 출력단에 위치시켜 편광 소거율(polarization extinction ratio: 이하 PER)을 측정하였다. Fig. 3 (a)는 제작된 FBG 레이저를 구성하는 FBG 1과 FBG 2의 공진 파장인 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 각각 LHP와 LVP인 직교 편광 성분을 갖는 Set I의 이중 파장 레이저 출력을 나타내고 있다.

Fig. 3. (a) Measured output spectrum of the fabricated laser with orthogonal SOPOUT’s (LHP at λ1 and LVP at λ2) at Set I operation mode. Output spectra of the laser with its output port connected to the PC set at (b) 55° and (c) 145°, indicated as blue and red solid lines, respectively

먼저 Fig. 3 (a)는 필터 입력 선형 편광기의 각도가 245°이고, 세 QWP의 방위각이 (θq1, θq2, θq3) = (193°, 348°, 40°)인 조건에서 필터가 Set I으로 동작할 경우, λ1(= 1549.6nm)과 λ2(= 1554.6nm)에서 SOPOUT가 각각 LHP와 LVP인 레이저 출력 스펙트럼을 보여주고 있다. 여기서 레이저 출력 파워(이하 POUT)와 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio: 이하 SNR)는 발진 파장 λ1에서 각각 ～1.17dBm과 ～50.9dB, 그리고 발진 파장 λ2에서 각각 ～1.18dBm과 ～50.1dB로 측정되었다. Figs. 3 (b)와 3 (c)는 Fig. 3 (a)에서 측정된 이중 파장 레이저 출력 스펙트럼의 각 파장에서의 PER을 측정하기 위해 레이저의 출력단에 PC를 연결하여 PC에 포함된 선형 편광 분석기(analyzer)의 편광이 LHP(청색) 또는 LVP(적색)로 설정된 경우 측정된 출력 스펙트럼들을 각각 보여주고 있다. 여기서 PC는 HWP, QWP, 그리고 선형 편광 분석기의 순서로 레이저 출력단에 연결함으로써, 레이저 출력단과 PC를 연결하는 lead out 광섬유에서 발생할 수 있는 편광 변화를 보상할 수 있도록 하였다. Figs. 3 (b)와 3 (c)는 PC의 선형 편광 분석기 방위각이 각각 55° 또는 145°로 설정되어, 각각 LHP 또는 LVP 분석기를 통과시켰을 경우의 레이저 출력 스펙트럼을 보여주고 있다. 여기서 lead out 광섬유에서 발생하는 편광 변화 보상을 위한 HWP와 QWP의 방위각은 각각 170°와 20°로 설정되었다. λ1과 λ2에서의 POUT는 LHP 분석기를 통과한 경우 각각 -3.08dBm과 -23.94dBm으로 측정되었으며, LVP 분석기를 통과한 경우 각각 -24.38dBm과 -3.82dBm으로 측정되었다. 상기 출력 스펙트럼들에서 측정된 개별 파장에서의 PER은 20.1dB이상이었다.

Fig. 4. (a) Measured output spectrum of the fabricated laser with orthogonal SOPOUT’s (LVP at λ1 and LHP at λ2) at Set II operation mode. Output spectra of the laser with its output port connected to the PC set at (b) 55° and (c) 145°, indicated as blue and red solid lines, respectively

Fig. 5. (a) Measured output spectrum of the fabricated laser with parallel SOPOUT’s (LHP at both λ1 and λ2) at Set III operation mode. Output spectra of the laser with its output port connected to the PC set at (b) 55° and (c) 145°, indicated as blue and red solid lines, respectively

Fig. 6. (a) Measured output spectrum of the fabricated laser with parallel SOPOUT’s (LVP at both λ1 and λ2) at Set IV operation mode. Output spectra of the laser with its output port connected to the PC set at (b) 55° and (c) 145°, indicated as blue and red solid lines, respectively

Fig. 4 (a)는 내부 공동 필터가 Set II로 동작할 경우, λ1과 λ2에서 SOPOUT가 각각 LVP와 LHP인 레이저 출력 스펙트럼을 보여주고 있으며, 입력 선형 편광기의 각도는 245°, 세 QWP 방위각은 (θq1, θq2, θq3) = (53°, 32°, 301°)으로 설정되었다. 상기 스펙트럼에서 POUT와 SNR은 λ1에서 각각 ～1.06dBm과 ～50.07dB, 그리고 λ2에서 각각 ～1.22dBm과 ～50.09dB로 측정되었다. Figs. 4 (b)와 4 (c)는 PER 분석을 위해 사용된 PC의 조건이 Set I과 동일하고(HWP 및 QWP의 방위각: 170° 및 20°), 선형 편광 분석기의 방위각이 각각 55°와 145°인 LHP 분석기(청색 화살표)와 LVP 분석기(적색 화살표)를 통해 출력된 이중 파장 발진 스펙트럼들을 보여주고 있으며, 각각 청색과 적색 실선으로 표시하였다. LHP 분석기를 통과시킨 레이저 출력 스펙트럼에서 POUT는 λ1과 λ2에서 각각 -26.63dBm과 -5.59dBm으로 측정되었으며, LVP 분석기를 통과시킨 출력 스펙트럼에서 POUT는 λ1과 λ2에서 각각 -4.87dBm과 -26.52dBm으로 측정되었다. 결과적으로 각 공진 파장에서의 PER은 20.9dB 이상으로 측정되었다.

Figs. 5와 6은 내부 공동 필터가 각각 Set III와 Set IV로 동작할 경우 두 공진 파장에서 평행한 SOPOUT를 갖는 이중 파장 발진 출력 스펙트럼들을 보여주고 있다. 여기서 세 QWP 방위각은 (θq1, θq2, θq3) = (164°, 130°, 181°)으로 동일하게 설정되며, 입력 선형 편광기의 각도가 20° 또는 110°일 때, λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 모두 LHP(Fig. 5) 또는 LVP(Fig. 6)로 각각 선택된다. Fig. 5 (a)는 내부 공동 필터가 Set III로 동작할 경우(입력 선형 편광기 방위각: 20°), λ1과 λ2에서의 SOPOUT이 모두 LHP인 이중 파장 레이저 출력 스펙트럼을 나타내고 있으며, POUT와 SNR은 λ1에서 각각 ～1.09dBm과 ～51.7dB, 그리고 λ2에서 각각 ～1.39dBm과 ～51.25dB로 측정되었다. Figs. 5 (b)와 5 (c)는 Set I과 동일한 PC 조건(HWP 및 QWP의 방위각: 170° 및 20°)에서 선형 편광 분석기의 방위각이 각각 55°와 145°인 LHP 분석기(청색 화살표)와 LVP 분석기(적색 화살표)를 통해 출력된 이중 파장 발진 스펙트럼들을 보여주고 있으며, 각각 청색과 적색 실선으로 표시하였다. LHP 분석기를 통과시킨 레이저 출력 스펙트럼에서 POUT는 λ1과 λ2에서 각각 -4.26dBm과 -2.78dBm으로 측정되었으며, LVP 분석기를 통과시킨 출력 스펙트럼에서 POUT는 λ1과 λ2에서 각각 -24.38dBm과 -23.06dBm으로 측정되었다. 결과적으로 각 공진 파장에서의 PER은 20.1dB 이상으로 측정되었다. 다음으로 Fig. 6 (a)는 내부 공동 필터가 Set IV로 동작할 경우(입력 선형 편광기 방위각: 110°), λ1과 λ2에서의 SOPOUT이 모두 LVP인 이중 파장 레이저 출력 스펙트럼을 나타내고 있으며, POUT와 SNR은 λ1에서 각각 ～1.33dBm과 ～51.59dB, 그리고 λ2에서 각각 ～1.95dBm과 ～51.05dB로 측정되었다. Figs. 6 (b)와 6 (c)는 Fig. 5의 경우와 마찬가지로 Set I과 동일한 PC 조건에서 선형 편광 분석기의 방위각이 각각 55°와 145°인 LHP 분석기(청색 화살표)와 LVP 분석기(적색 화살표)를 통해 출력된 이중 파장 발진 스펙트럼들을 보여주고 있으며, 각각 청색과 적색 실선으로 표시하였다. LHP 분석기를 통과시킨 레이저 출력 스펙트럼에서 POUT는 λ1과 λ2에서 각각 -25.32dBm과 -23.82dBm으로 측정되었고, LVP 분석기를 통과시킨 출력 스펙트럼에서 POUT는 λ1과 λ2에서 각각 -3.56dBm과 -2.85dBm으로 측정되었으며, 따라서 각 공진 파장에서의 PER은 20.9dB 이상으로 측정되었다. 결과적으로 상기 PER 측정 결과를 통해 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 서로 직교 편광 상태일 때 편광 분석기의 편광 방향이 두 SOPOUT 중 하나와 일치되면 분석기 출력 광에서 두 파장 간 파워 값에 큰 차이가 발생하는 것을 확인하였고, 반대로 두 파장에서의 SOPOUT가 서로 평행한 편광 상태일 때는 편광 분석기 출력 광에서 두 파장 간 파워 값에 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 이를 통해 제안된 레이저는 세 QWP 방위각들과 입력 선형 편광기를 적절히 제어함으로써 발진 파장 λ1과 λ2에서의 SOPOUT이 서로 직교 또는 평행하도록 독립적으로 설정하는 것이 가능함을 알 수 있었다.

4. 결 론

본 논문에서는 서로 다른 공진 파장을 갖는 두 FBG들과 세 개의 QWP들로 구성된 PDLS 기반 내부 공동 필터를 사용하여, 두 발진 파장 λ1과 λ2에서의 SOPOUT을 독립적으로 선택할 수 있는 이중 파장 FBG 레이저를 구현하였다. 제작된 레이저는 회전 가능한 입력 선형 편광기와 세 QWP 방위각들을 적절히 제어함으로써 각 발진 파장에서의 SOPOUT이 서로 직교 또는 평행하도록 설정된 네 가지 유형의 이중 파장 발진 스펙트럼을 출력하였다. 네 가지 유형의 레이저 출력 스펙트럼을 결정하는 내부 공동 필터의 동작 모드는 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 서로 직교하는 선형 편광을 출력하는 Set I 및 Set II, 서로 평행한 선형 편광을 출력하는 Set III 및 Set IV로 지정하였다. 구체적으로 내부 공동 필터는 Set I의 경우 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 LHP와 LVP, Set II의 경우 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 LVP와 LHP, Set III의 경우 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 모두 LHP, Set IV의 경우 λ1과 λ2에서의 SOPOUT가 모두 LVP로 설정된다. 네 가지 유형의 모든 레이저 출력 스펙트럼들에 대해 POUT와 SNR은 각각 1.06dBm과 50.07dB이상으로 측정되었다. 특히 레이저의 출력단에 PC를 연결하여 네 가지 유형의 이중 파장 출력 스펙트럼들의 개별 파장에서의 PER을 조사한 결과, 모두 20.1dB 이상으로 측정되었다. 이러한 결과를 통해 제안된 FBG 레이저는 세 QWP 방위각과 입력 편광을 적절하게 제어함으로써 λ1 또는 λ2의 개별 파장에서의 SOPOUT가 LHP 또는 LVP가 되도록 독립적으로 선택할 수 있음을 보였다. 추가적으로 제안된 레이저는 출력단에 HWP와 같은 편광 회전자를 추가할 경우, 서로 직교하거나 평행한 두 발진 파장에서의 SOPOUT를 원하는 방위각을 갖는 선형 편광으로 조절할 수 있다.