In this study, two kinds of passive mode-locking and subsequent pulsations in fiber lasers are investigated. Mode-locking method utilizing fiber cubic nonlinearity is described and the pulsation phenomena including concomitant Q-switching and chaotic pulses are experimentally investigated. Besides, high power and high repetition rate fiber laser through passive harmonic mode-locking is demonstrated using carbon nanotube (CNT) saturable absorber which is evanescent wave interaction type.
Firstly, the output characteristics including pulsing behavior and noise properties of a multi-wavelength erbium-doped fiber (EDF) ring laser is described. This laser essentially includes a narrow-band periodic filter and a low frequency phase modulator with large phase modulation amplitude. Multi-wavelength operation is possible by suppressing the effect of homogeneous broadening in EDF through cavity modes dithering and with the help of periodic filter. Mode-locked output is due to the fiber cubic nonlinearity and Doppler frequency shift by low frequency phase modulation in the presence of band-pass filter. By changing the laser parameters, Q-switching and chaotic pulsations also appear. A pulsation map is presented as functions of pump power and phase modulation amplitude showing mode-locking with ns pulse width, Q-switching at harmonic and sub-harmonic frequencies of phase modulation frequency, and chaotic pulsing. The intensity noise of the single wavelength channel was measured to be under -100 dB/Hz (-140 dB/Hz over 1.5GHz). The mode-locked multi-wavelength laser can be useful in sensors, spectroscopy and multi-spectral imaging applications requiring high speed and high resolution by its cost-effectiveness and low noise.
Secondly, We successfully demonstrate passive harmonically mode-locked soliton laser by employing single-walled CNT saturable absorber. High circulating pulse energy in soliton laser can be split into multiple fundamental solitons in one round-trip by soliton energy quantization, resulting in passive harmonic mode-locking. The evanescent field interaction type CNT saturable absorber enables stable, 34th harmonic mode-locking corresponding repetition rate of 943 MHz with output power of 18 mW, slope efficiency of 9.6%. The super-mode was well suppressed down to 60 dB from main harmonics and the RIN was measured to be around -140 dB/Hz except at the main peaks over 1.5 GHz span. Timing jitter compared to pulse period was 0.62%. The performance of this harmonically mode-locked laser can be potentially applicable in optical communication system and optical comb.
이 논문은 광섬유 레이저에서 두 가지 방법의 수동형 모드록킹과 부가적인 펄스 발진에 대해 연구하였다. 첫 번째 레이저의 경우, 광섬유의 고유한 3차 비선형성이 대역 투과 필터 및 저주파 위상 변조와 결합하여 수동형 모드록킹과 큐스위칭, 혼돈형 펄스를 발진하게 된다. 그리고 두 번째 레이저에서는 레이저의 소멸파와 상호작용하도록 디자인 된 탄소나노튜브 포화흡수체를 이용하여 고출력, 고반복율의 특성을 가지며 수동형으로 고조파로 모드록킹 된 광섬유 레이저를 구현하였다.
모드록킹은 레이저 종모드들 간에 일정한 위상관계를 형성하도록 강제해 줌으로써 큰 첨두출력의 펄스 레이저를 만드는 주요한 방법이다. 이 중 수동형 모드록킹에서는 우연한 잡음 펄스로 시작된 레이저 펄스가 3차 비선형 현상을 띠는 매질을 지나면서 모드들 간에 일정한 위상 관계가 형성되어 펄스화 경향이 강화되고, 펄스의 세기가 클수록 레이저 손실이 작아지는 다양한 모드록킹 방법들에 의해 펄스폭이 짧아지면서 안정적으로 발진하게 된다. 포화흡수체는 이러한 대표적인 모드록킹 부품으로서 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 탄소나노튜브 포화흡수체를 사용하였다. 또한 일정한 대역의 투과 필터가 레이저 내에 존재할 때, 공진기에 위상변조를 가해 종모드들의 도플러 주파수 변환과 자기위상변조에 의한 레이저 선폭 넓어짐의 상호작용을 통해 인위적인 포화흡수체를 만들 수 있다.
먼저 저주파 위상 변조를 통한 다파장 발진 어븀 첨가 광섬유 레이저에서 여러 가지 펄스 발진 현상과 그 잡음 특성을 연구하였다. 이 레이저는 좁은 대역 투과 필터와 큰 진폭의 저주파 위상 변조기를 포함하는데, 공진기 길이를 계속 변화시켜 줌으로써 일정한 종모드의 안정적인 성장을 방해하는 방법으로 어븀 첨가 광섬유의 균일선폭확대 경향을 누그러뜨리고, 주기적인 페브리-페로 필터를 넣어 다파장 발진을 한다. 모드록킹은 언급한 바와 같이 이러한 필터와 위상변조, 광섬유 비선형성의 결합으로 일어나고, 위상 변조 세기를 키울 경우 큐스위칭 발진을 얻을 수 있다. 또한 B-클래스인 이 레이저에 완화진동과 비슷한 주파수의 위상 변조를 가함으로써 혼돈 펄스 현상 또한 관찰할 수 있다. 이러한 펄스 발진 경향을 펌핑 세기와 위상변조 세기의 함수로 조사하였다. 상대 잡음 세기는 -100 dB/Hz (1.5 GHz 이상에서는 -140 dB/Hz) 이하의 값을 가지는 이러한 모드록킹된 다파장 광섬유 레이저는 매우 간단한 실험 구성으로 고반복율, 고 시간분해능을 필요로 하는 센서, 분광 응용, 다파장 이미징 등에 응용될 수 있다.
다음으로 단일층 탄소나노튜브 포화흡수체를 이용하여 수동형의 고조파 모드록킹 광섬유 레이저를 실험적으로 구현하였다. 포화흡수체를 사용할 경우 공진기 내의 분산 값과 비선형 값이 균형을 이루는 솔리톤 형태의 모드록킹 레이저 펄스가 형성되는데, 공진기 내의 펄스 에너지가 커질 경우 한 회전 주기 시 불안정한 고차 솔리톤 형태보다는 여러 개의 안정한 기본 솔리톤으로 나눠지면서 고조파 모드록킹이 일어날 수 있다. 레이저의 소멸파와 상호작용하도록 디자인한 탄소나노튜브 포화흡수체를 사용하여 물리적 손상 문턱값을 높일 수 있었고, 그 결과 기본 주파수의 34차 고조파에 해당하는 943 MHz의 고조파 모드록킹 펄스를 얻었다. 펌핑 대비 출력 또한 9.6 %의 고효율로 18 mW 까지 얻을 수 있었다. 다른 고주파 성분들에 비해 60 dB 이상 큰 값을 가지고, 상대 잡음 세기 또한 모드록킹 주파수를 제외하고는 -140 dB/Hz 이하로 검출기의 바닥 잡음에 근접한 값을 갖는다. 시간적인 어긋남을 유발하는 위상 잡음 또한 펄스 주기 대비 0.62% 로 매우 안정적인 값을 가진다. 이러한 고반복율의 모드록킹된 레이저는 파장분할 다중화를 이용한 광통신이나 광주파수 빗 응용에 응용될 수 있다.
