광섬유 Jones matrix를 이용한 비선형 편광 회전 방식으로 모드잠금된 Yb 첨가 광섬유 레이저의 안정영역 분석에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 정산 분산 광섬유로만(All Normal Dispersion: ANDi) 구성된 모드 잠금 광섬유 레이저에 대한 모드잠금 안정영역 분석을 위해 공진기 내부의 편광 상태 분석을 이용한 새로운 안정 영역 분석법을 제안하였다. ANDi 모드잠금 광섬유 레이저는 비선형 편광 회전을 기반으로 모드잠금 펄스를 형성한다. ANDi 광섬유 레이저는 공진기를 정상 분산 소자로만 구성하여 공진기 내를 진행하는 펄스가 선형 처핑되어 펄스 폭이 길어지게 된다. 이로 인해 광섬유로 수동형 펄스를 생성하는 기존의 방법보다 단일 펄스 에너지를 크게 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 ANDi 광섬유 레이저는 비선형 편광 회전을 통한 인위적인 포화 흡수체 특성이 나타나도록 하기 위해서는 공진기 내에 다수의 파장판 들과 편광기를 삽입하여야 하는 문제가 생긴다. 따라서 안정적인 모드잠금을 위한 파장판들의 회전각 조정이 필수적이지만 파장판들의 높은 자유도로 인해 모드잠금 조건을 찾기 위한 레이저 정렬이 매우 어렵다. 본 연구에서는 모드잠금 안정영역분석을 위해서 공진기 내부의 광의 편광 상태를 측정하고 이를 이용해 광섬유의 존스 행렬(Jones matrix)을 구해서 광섬유의 벤딩(Bending) 이나 뒤틀림(Twisting) 등의 효과가 광섬유 존스 행렬에 표현되도록 했다. 이를 통해 공진기를 한 번 왕복 했을 때의 광의 진폭과 위상에 대한 정보를 공진기 내부에 삽입된 파장판들의 회전각의 함수로 표현한 2차원 지도를 만들었다. 이 진폭 지도 및 위상 지도와 실험을 통해 얻은 모드잠금 영역을 비교 분석함으로써 서로 간의 상관 관계 특성을 찾아냈고 이를 모드잠금 영역을 찾는 데 활용할 수 있음을 규명하였다. |This study proposed a new stable region analysis method using the analysis of polarization state inside a resonator to analyze the mode-locked stability zone for mode-locked optical fiber laser only composed of all normal dispersion (ANDi) fiber and optical elements. The ANDi mode-locked optical fiber laser forms mode-locked pulses based on nonlinear polarization rotation. Because the resonator of ANDi optical fiber laser is only composed of ANDi devices, the pulses that move inside the resonator are linearly chirped, thus increasing the pulse width. Consequently, this has the advantage of increasing the single pulse energy compared with the conventional method of generating passive pulses using optical fibers. However, in order for the ANDi optical fiber laser to exhibit artificial saturable absorber properties through nonlinear polarization rotation, multiple wave plates and polarizers should be inserted in the resonator. Therefore, the rotation angle of the wave plates must be adjusted for stable mode-locking, but this process for laser alignment to find the mode-locking condition is extremely difficult. To find the mode-locked stability zone for easy laser alignment, this study measured the polarization state of light inside the resonator and calculated the Jones matrix of optical fiber by using this, in which the effects of optical fibers such as bending or twisting would be expressed. Through this process, a two-dimensional map was created, which expressed the amplitude and phase of light when light arrived at the resonator output coupler after one roundtrip as a function of the rotation angle of wave plates inserted into the resonator. These amplitude and phase maps were compared with the mode-locked zone obtained through experiments to find their correlation and we found their correlation. This study confirmed that this correlation can be used to find the mode-locked zone.