연구논문 Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 29, No. 4, August 2018, pp DOI: ISSN :

연구논문 Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 29, No. 4, August 2018, pp. 159-165 DOI: https://doi.org/10.3807/kjop.2018.29.4.159 ISSN : 1225-6285(Print) ISSN : 2287-321X(Online) Polarization-maintained Single-mode 400-W Yb-doped Fiber Laser with 2.5-GHz Linewidth from a 3-stage MOPA System Young Ho Park 1, Young Seok Youn 1, Min Wan Jung 2, Changsu Jun 3, Bong-Ahn Yu 3, and Woojin Shin 3 1 Hanwha Systems, 491-23, Gyeonggidong-ro, Namsa-myeon, Cheoin-gu, Yongin 17121, Korea 2 Hanwha, 305, Pangyo-ro, Bundang-gu, Seongnam 13488, Korea 3 Advanced Photonics Research Institute, GIST, 123, Cheomdangwagi-ro, Buk-gu, Gwangju 61005, Korea (Received June 4, 2018; Revised June 25, 2018; Accepted June 25, 2018) In this paper, we report on the high power amplification of a narrow-linewidth Yb-doped polarization-maintained (PM) fiber laser in a 3-stage, all-fiber master oscillator power amplifier (MOPA) system. The linearly polarized single-mode output power was 400 W with an 85% slope efficiency, with a linewidth of 2.5 GHz (full width at half maximum). Furthermore, mitigation of mode instability (MI) has been demonstrated by tightly coiling the gain fiber to a diameter of 11 cm. In addition, methods for higher power scaling are discussed. Keywords: Stimulated Brillouin scattering, Mode instability, Fiber amplifier OCIS codes: (140.3510) Lasers, fiber; (140.3280) Laser amplifiers 3단 MOPA 시스템에서 2.5 GHz 선폭을가지는편광유지단일모드 400 W 이터븀첨가광섬유레이저연구 박영호 1 ㆍ윤영석 1 ㆍ정민완 2 ㆍ전창수 3 ㆍ유봉안 3 ㆍ신우진 3 1 한화시스템용인종합연구소우 17121 경기도용인시처인구남사면경기동로 491-23 2 한화종합연구소우 13488 경기도성남시분당구판교로 305 3 광주과학기술원고등광기술연구소우 61005 광주광역시북구첨단과기로 123 (2018 년 6 월 4 일받음, 2018 년 6 월 25 일수정본받음, 2018 년 6 월 25 일게재확정 ) 본논문에서는 3 단으로구성된전광섬유 (all-fiber) Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) 구조의협대역이터븀첨가편광유지광섬유레이저증폭에대해보고한다. 편광유지단일모드출력은 85% 의기울기효율을가지는 400 W 출력을얻을수있었고, 레이저반치폭은 2.5 GHz 였다. 더불어, 이득매질광섬유를 11 cm 지름으로코일링하여모드불안정성을완화할수있었다. 추가적으로레이저출력증가를위한방법들에대해논하였다. Keywords: 유도브릴루앙산란, 모드불안정성, 광섬유증폭기 OCIS codes: (140.3510) Lasers, fiber; (140.3280) Laser amplifiers E-mail: youngho76.park@hanwha.com, ORCID: 0000-0002-1340-0359 Color versions of one or more of the figures in this paper are available online. 159

160 한국광학회지제 29 권제 4 호, 2018 년 8 월 I. 서론 단일모드편광유지고출력광섬유증폭기에관한연구는전세계적으로비선형파장변환및레이저빔결합의효율증대를목적으로활발하게진행되고있다. 이가운데회절한계에가까운빔품질을갖는광섬유레이저의고출력화는광섬유내에발생되는유도브릴루앙산란 (stimulated Brillouin scattering, SBS) 비선형현상및모드불안정성 (mode instability, MI) 등의제한적요소들에의해수 kw 수준으로제한된다. 이와관련하여여러실험적및이론적연구들에서광섬유내에서발생되는 SBS 비선형현상억제및모드불안정성경감에관해서발표하고있다. 광섬유레이저의출력한계를극복하기위한 SBS 비선형현상억제방법에관해서는, 광섬유길이방향에대해불균일한굴절율변화를주어브릴루앙이득을줄이는방법 [1-5], 넓은시드선폭을적용하여브릴루앙이득을줄이는방법 [6-11], 온도구배나장력분포를통해브릴루앙이득을줄이는방법 [12,13], 광섬유코어크기를증가시켜비선형현상발생문턱값을높이는방법, 이온도핑농도를높임으로써요구되는광섬유길이를최소화하는방법등이연구되었다. 본연구에서는협대역시드 ( 수 MHz) 를사용하고, PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) 위상변조방식을적용하여레이저선폭을수 GHz로넓혀서 SBS 비선형현상이억제되도록하였다. 또한모드불안정성 (MI) 발생문턱을높이기위한방법들로는, 횡모드개수가최소가되도록코어직경을최소화한대구경광섬유를적용하는방법, 코일링을통해고차모드발생을억제하는방법 [14-16], 이온도핑농도를높인이득광섬유를적용하는방법들 [17-21] 이연구되었다. 본연구에서는코일링지름에따른모드불안정성발생경향을확인한후, 코일링지름을조정하여신호광출력을증가시킬수있었다. 특히편광유지광섬유에서는무편광광섬유에비해협대역고출력발진시, SBS와 MI 발생문턱값이낮아출력을증 대하기어려운데, 본연구에서는상용편광유지 25/400 um 대구경광섬유를사용하고위와같은비선형현상억제방법을적용하여, 2.5 GHz 유효선폭을가지는 400 W급연속발진출력을얻을수있었다. 또한시드레이저, 전치증폭기및주증폭기로구성된최소한의구조로이루어진 3단 MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) 시스템으로써, 고출력협대역광섬유레이저를매우간소화할수있었다. II. 실험방법및결과 본연구에서는실험에앞서상용 RP Fiber Power 소프트웨어를활용하여 1064 nm 대역의이터븀광섬유레이저의증폭단구성, 증폭단광섬유길이, 코어직경, 펌프광대비출력광변환효율등레이저발진을위한주요변수들을전산모사하였다. 이를통해증폭기구성은시드레이저, 전치증폭단, 그리고주증폭단으로구성된 3단전광섬유 (all-fiber) MOPA 구조를채택하였다. 그림 1은전치증폭단에대한전산모사결과를나타낸다. 상용 RP Fiber Power 소프트웨어를이용하여전산모사를수행하였다. 편광유지 10/125 um 이중클래드이터븀첨가광섬유약 6 m에 976 nm 파장의펌프광 8.5 W를넣을경우, 광섬유길이대비증폭된신호광세기, 펌프광세기대비증폭된신호광세기를나타내는전산모사결과이다. 전치증폭단에서 8.5 W의펌프광에대해약 6.5 W의신호광출력을얻을수있다. 이때, 입사된신호광세기는 50 mw, 이득매질광섬유손실은 0.15 db/m, 976 nm에서이득매질의펌프광흡수율은 7.4 db/m로계산하였다. 이어서주증폭단에대한전산모사를수행하였다. 그림 2는코어 / 클래드직경이 25/400 um인편광유지이중클래드이터븀첨가이득매질광섬유를적용한주증폭단에대한전산모사결과이다. 광섬유길이대비증폭된신호광세기, 펌프광세기, 밀도반전변화, 펌프광세기대비증폭된신호광세기 Fig. 1. Numerical simulation results of Amplified signal power versus fiber length and Amplified signal power versus pump power in PM Yb doped DCF (10/125 um) laser using RP Fiber Power software.

연구논문 3 단 MOPA 시스템에서 2.5 GHz 선폭을가지는편광유지단일모드 박영호ㆍ윤영석외 161 Fig. 2. Numerical simulation results of Amplified signal power versus fiber length and Amplified signal power versus pump power in PM Yb doped DCF (25/400 um) laser using RP Fiber Power software. 등을나타낸다. 광섬유길이 8.5 m에 976 nm 파장펌프광을정방향으로 1.5 kw 이상펌핑할때, 소자손실들을감안하더라도 1.1 kw 이상의신호광출력을얻을수있다. 이때, 입사된신호광세기는 4.5 W, 이득매질광섬유손실은 0.15 db/m, 976 nm에서이득매질의펌프광흡수율은 3 db/m로계산하였다. 이와같은전산모사에서는신호광입사세기및펌프광세기만을고려했을때, 증폭된출력세기를얻은결과로서, 레이저선폭, 광섬유편광비, 코일링손실, 모드불안정성, SBS 비선형현상등의특수한변수들의영향은별개의독립적인계산을통해확인하거나, 실험을통해확인한다. 기존의많은협대역고출력광섬유레이저는 4~6단 MOPA 구성을가지고있는데, 대부분낮은출력의시드빔레이저를사용하면서전치증폭단까지여러단의증폭기를사용한다. 본연구에서는 100 mw급시드빔레이저를사용하고, 1단의전치증폭만으로 4~10 W급의출력을얻을수있음을확인한후, 최소한의구성인 3단 MOPA 시스템을구현하여레이저시스템을간소화하였다. 전산모사를반영한본실험의단일모드편광유지광섬유레이저증폭기구성은그림 3과같이주발진기역할을하는시드빔레이저와 2단의증폭기로이루어져있다. 시드빔레이저는중심파장 1063.5 nm, 선폭 ~10 MHz의 DFB (Distributed Feedback) LD (Laser Diode) 를사용하였다. 단일주파수에 가까운좁은선폭의레이저광을고출력으로증폭할경우, 실리카광섬유의경우일반적으로약 16 GHz 정도장파장으로천이된 SBS 비선형신호가발생한다. 이런비선형현상은원하는신호광의증폭을방해하여출력효율을떨어뜨리는주요원인이된다. Pseudo Random Binary Sequence (PRBS) 위상변조방식은이를가장효과적으로억제할수있는방법으로서 [6,7] 본연구에서도이를적용하였다. PRBS 위상변조기는입사광중심주파수에특정간격의주변모드 (side-mode) 주파수를생성하는방식으로시드빔레이저의 ~MHz급좁은선폭을 GHz 영역으로넓히는역할을한다. 변조주파수는 Voltage Controlled Oscillator (VCO) 로조절하는데, 1~6 GHz 범위내에서조절하였다. PRBS 위상변조기다음에는광고립기 (optical isolator) 와시드빔파장, 선폭, 출력등을모니터링하기위한 99:1 광섬유빔분할기 (tap coupler) 를연결하였다. 전치증폭기는편광유지 10/125 um 이중클래드이터븀첨가이득매질광섬유 (Nufern PLMA-YDF-10/125-M) 6 m로구성되었으며, 최대 25 W 수준의파장고정형 976 nm LD로펌핑하여신호광을증폭하도록하였다. 증폭후남은펌프광은펌프광제거기를통하여제거된다. 이후에는 2 2 타입 99:1 비율의빔분할기를연결하여순방향신호광과주증폭기로부터되돌아오는역방향 SBS 비선형신호혹은 ASE (amplified spontaneous emission) 신호를동시에모니터링하도록하였다. Fig. 3. Experimental setup for narrow linewidth high power fiber laser with a 3-stage MOPA system (seed laser, pre-amplifier, main-amplifier).

162 한국광학회지제 29 권제 4 호, 2018 년 8 월 주증폭기는편광유지 25/400 um 이중클래드이터븀첨가이득매질광섬유 (Nufern PLMA-YDF-25/400-M) ~8 m로구성하여이득매질에서펌프흡수율이 18 db 이상되도록하였다. 펌핑은 100 W급 976 nm 펌프 LD를 (18+1) 1 펌프광결합기를통해연결함으로써, 최대 1.8 kw급까지확장할수있도록하였다. 이때발생되는다량의열을효과적으로배출할수있도록그림 4와같이펌프 LD 모듈기구부및주증폭기기구부에대한열해석 (ANSYS ICEPAK) 을통하여최대온도가 35 C를넘지않도록냉각기구부규격및수냉변수를설정및제작하였다. 그리고전치증폭기와주증폭기사이에도광고립기및모니터링할수있는빔결합기를통해모드불안정성및 SBS 비선형현상발생을실험적으로관측하였다. 이터븀첨가이득매질광섬유의코일링가이드및방열판은깊이 >0.6 mm인원형그루브 (groove) 로되어있고, 이러한그루브의지름이 15 cm에서 10 cm까지나선형으로새겨진구리판을우선적으로사용하였다. 광섬유부품간융착접속 (splicing) 후, 이득매질광섬유를열전도물질 (thermal interface material, TIM) 이도포된원형그루브를따라감고, 구리테이프를윗면에부착하여사방으로열전도가균일하게일어나 고동시에감긴광섬유를고정하도록하였다. 그림 5는시드빔레이저및전치증폭기의출력특성을나타낸다. 시드빔레이저는 1063.5 nm 파장, ~10 MHz 선폭의 DFB LD를사용하였고, 뒤따르는위상변조기의손상문턱값으로인해 100 mw 이하의출력값을가지는모델을사용하였다. 이신호광은 PRBS 위상변조기에서선폭 ~2.5 GHz 정도로넓혀진후에전치증폭기로입사된다. 선폭측정결과는그림 7에서자세히설명한다. 부품손실후전치증폭기로입사하는시드빔세기는 47 mw이다. 전치증폭기에서는 4~10 W급출력으로증폭된후주증폭기로입사하게되는데, 전치증폭기출력값에따라미미한 ASE 차이는있지만전체적인증폭효율에큰영향을미치지않으므로전치증폭기증폭후신호광출력이 4 W 이상이면최종출력에크게영향을미치지않는다. 본실험에서는 4.4 W 출력이주증폭기로입사하였다. 그림 6은주증폭기에서편광유지 25/400 um 광섬유를나선형방열판에코일링한경우, 펌프출력증가에따른신호광출력결과이다. MI 발생에의해 100 W 근방부터기울기효율이감소하고, 빔모양이고차모드및기본모드가불규칙하게발진되는것을확인할수있었다. 또한주증폭기펌프 Fig. 4. Thermal analysis results of pump LD part and main-amplifier part using ANSYS ICEPAK tool. Fig. 5. Experimental results of seed power and beam shape depending on the seed current and ouput signal power and beam shape depending on the pump power in pre-amplifier.

연구논문 3 단 MOPA 시스템에서 2.5 GHz 선폭을가지는편광유지단일모드 박영호ㆍ윤영석외 163 Fig. 6. Output result of PM Yb doped DCF (25/400 um) at a spinal design with diameter coil from 15 cm to 11 cm: It shows degradation of output signal power and laser beam shapes near to 100 Watt due to mode instability. 광제거기온도상승및역방향으로산란되는신호광세기가증가하는것을확인할수있었는데, 이는앞서보고된경향들과일치하고 [22,23], 발생한고차모드가펌프광제거기를 통해빠져나가면서온도를높이고레일리산란정도를높이기때문에발생한다. 이러한결과는 SBS에의한영향과분명히구별되어야하며, 그림 7의레이저시스템구조로변경후 400 W 출력까지얻은결과를통해이를확인할수있다. 즉, 400 W 출력까지얻은경우의파장인그림 7(c) 를보면, 신호광파장을비대칭으로만드는 SBS 파장이매우작은세기로오른쪽에존재한다. SBS 효과가클경우에는, 이러한 SBS 파장세기가신호광세기보다약 10 db 이상까지커지게되는데, 400 W 출력에서의 SBS 파장의세기는매우낮게관측되었으며, 100 W급출력에서는 SBS는발생하지않는다. 또한 PM 25/400 um 광섬유의경우 SBS는최소수백 Watt 이상에서발생하는것으로보고되었다 [22,23]. 앞서 MI 발생경향은주증폭기이득매질광섬유코일링지름을나선형에서약 11 cm 지름으로변경하여원통형방열기구부에코일링함으로써완화할수있었다. 즉코일링반경을작게유지함으로써고차모드손실을크게하여단일모드조건에더욱가깝게함으로써, MI 발진경향을억제할수있다. 그림 7은주증폭기편광유지 25/400 um 이터븀광섬유의코일링후출력결과를보여준다. 먼저그림 7 는주증폭단이후에서 scanning Fabry-Perot Interferometer (s-ffi) 장비 (Thorlabs SA210-8B) 를이용하여측정한신호광선폭결과이다. PRBS 위상변조기동작전 ( 붉은색 ) 에는신호광선 (c) (d) Fig. 7. Output results of PM Yb doped DCF (25/400 um) at a cylinder design with 11 cm diameter coil: Narrow linewidth measurement from scanning Fabry-Perot interferometer (6.4 ms : 10 GHz = 1.6 ms : 2.5 GHz), Output signal power and laser beam shape, (c) Backward Rayleigh scattering and SBS spectrum from optical spectrum analyzer, (d) RF frequency for TMI (Transverse Mode Instability).

164 한국광학회지제 29 권제 4 호, 2018 년 8 월 폭이 MHz 정도로측정되지만, 이는장비의분해능이 ~60 MHz 이하이기때문에정확한값을확인할수없다. 위상변조기동작후 ( 검은색 ) 에는선폭이 GHz 정도로넓어지므로정확한값을측정하였다. s-ffi 장비의 10 GHz free spectral range는오실로스코프로측정결과시간단위로 6.4 ms에해당한다. 신호광의시간단위측정값은 1.6 ms이며, 이는신호광선폭 2.5 GHz 반치폭을나타낸다. 나선형방열판의경우출력이약 130 W까지로제한되었던결과에비해, 작은지름의원통형방열판을사용한결과 85% 의기울기효율, 400 W 급출력까지증가시킬수있었다 ( 그림 7). 이때그림 7(c) 에서보는바와같이, 역방향으로진행하는 SBS 파장의세기는레일리파장의세기에비해미미하므로 SBS 문턱값에는아직이르지않았음을확인할수있다. 또한그림 7(d) 는 RF spectrum analyzer를이용하여측정한 MI 주파수이다. 코일링지름을조정하여 400 W까지출력을증가시킬수는있었으나, 출력이증가함에따라 MI 주파수세기또한점점커지는것을확인할수있었다. 신호광출력이 400 W 이상으로더증가시에는고차모드빔모양이다시나타나면서 MI 현상이다시뚜렷해지는것을확인할수있었는데, 이는상용편광유지 25/400 um 광섬유을사용할경우약 400 W 출력근방이 MI 문턱값한계라고할수있다. 코일링지름을더작게하면 MI 문턱값을더높일수있을것으로예상되지만, 기본모드손실까지커지면서레이저효율이저하되기때문에다른접근방법이필요하다. 이외에도편광소거율은약 20 db로측정되었다. 본연구의레이저구조에서최종출력을더높이기위해서는모드불안정성을완화하고, SBS 비선형현상발생문턱값을높이는방법들을추가적으로모색해야한다. 본연구에서사용한 NA 0.06~0.065인상용제품 25/400 um 광섬유의경우, 존재가능한횡모드개수가 4개이상이다. 따라서매우작은지름으로코일링하지않으면출력이증대할수록 MI 현상이발생하게된다. 코어지름을 20/400 um 등으로줄일경우, 존재가능한횡모드개수가 2개로줄어들게되어 MI 경향을크게완화할수있을것이다. SBS 비선형현상은 PRBS 주파수및주파수간격등의변수를더최적화할경우, 문턱값을높일수있을것으로예상된다. 이외에도주증폭기광섬유로서 20/400~25/400 um 혼종광섬유를적용시, 모드불안정성및 SBS 비선형현상을동시에효과적으로억제할수있을것으로예상된다. 이밖에도 PRBS 위상변조기의고주파성분을제거하기위한 low-pass filter를적용하여 SBS 주파수를회피하는방안 [24] 도있으며, 향후이러한방안들을복합적으로적용할경우 kw 이상의고출력편광유지협대역결과를얻을수있을것으로기대된다. III. 결 본연구에서는편광유지광섬유를이용한협대역단일모드고출력 MOPA 레이저시스템연구결과에대해보고하였다. 특히레이저출력증가를제한하는모드불안정성에대한실 론 험적연구를수행하였다. 3단의최소화된 MOPA 구조에서주증폭기편광유지 25/400 um 광섬유를코일링반경을조절하여모드불안정성문턱값을높임으로써기울기효율 85% 이상, 400 W 출력결과를얻을수있었다. 향후레이저출력을더욱증대하기위해서는주증폭기에코어크기가작은편광유지광섬유를적용한 MOPA 시스템을연구하거나, 20/400~25/400 um 혼종광섬유를적용하거나, PRBS 위상변조기의고주파성분을제거하기위한 low-pass filter를적용함으로써모드불안정성과 SBS 비선형현상을보다효과적으로억제할필요가있다. 이를통해단일모드협대역편광유지고출력광섬유레이저출력을 kw급이상으로높일수있을것으로기대된다. 감사의글 본연구는기업체 R&D 자체투자, 민군기술협력사업 (UM 16211RD2) 및광주과학기술원 2018 첨단레이저기술연구 지원을받아수행하였습니다. References 1. L. Zhang, J. Hu, J. Wang, and Y. Feng, Stimulated-Brillouinscattering-suppressed high-power single-frequency polarizationmaintaining Raman fiber amplifier with longitudinally varied strain for laser guide star, Opt. Lett. 37, 4796-4798 (2012). 2. C. Zeringue, C. Vergien, and I. Dajani, Pump-limited, 203 W, single-frequency monolithic fiber amplifier based on laser gain competition, Opt. Lett. 36, 618-620 (2011). 3. N. A. Naderi, A. Flores, B. M. Anderson, and I. Dajani, Beam combinable kilowatt. All-fiber amplifier based on phase-modulated laser gain competition, Opt. Lett. 41, 3964-3967 (2016). 4. P. D. Dragic, J. Ballato, S. Morris, and T. Hawkins, Pockels coefficients of alumina in aluminosilicate optical fiber, J. Opt. Soc. Am. B 30, 244-250 (2013). 5. C. Robin, I. Dajani, and F. Chiragh, Experimental studies of segmented acoustically tailored photonic crystal fiber amplifier with 494 W single-frequency output, Proc. SPIE 7914, 79140B (2011). 6. A. Flores, C. Robin, A. Lanari, and I. Dajani, Pseudo-random binary sequence phase modulation for narrow linewidth kilowatt monolithic fiber amplifiers, Opt. Express 22, 17735-17744 (2014). 7. N. A. Naderi, I. Dajani, and A. Flores, High-efficiency, kilowatt 1034 nm all-fiber amplifier operating at 11 pm linewidth, Opt. Lett. 41, 1018-1021 (2016). 8. L. Yingfan, L. Zhiwei, D. Yongkang, and L. Qiang, Research on SBS suppression based on multi-frequency phase modulation, Chin. Opt. Lett. 7, 29-31 (2009). 9. J. Edgecumbe, T. Ehrenreich, C. H. Wang, K. Farley, J. Galipeau, R. Leveille, D. Bjork, I. Majid, and K. Tankala, Solid State and Diode Laser Technical Review, 17 June 2010.

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