공간상의 스펙트럼 측정을 통한 대면적 광섬유에서의 고차 공간모드 분석

Abstract

기본모드(fundamental mode)만 진행하는 단일모드 광섬유는 빔 품질이 우수하다는 장점이 있어 광섬유 레이저 제작에 보편적으로 사용되었다. 하지만 고출력 동작에 있어서 단일모드 광섬유의 작은 유효면적(effective area)은 광학적 손상의 임계점이 낮고 3차 비선형 현상이 발생한다는 단점이 있다. 때문에 고출력 광섬유 레이저 및 증폭기를 제작할 경우 단일모드 광섬유 보다 유효면적이 큰 대면적 광섬유를 사용하는 것이 유리하다. 하지만 대면적 광섬유를 진행하는 빔은 기본모드뿐만 아니라 여러 고차공간모드도 함께 도파하는데 고차공간모드의 세기가 증폭되어 강해지면 레이저의 출력의 불안정성, 빔 품질 및 빔 조향(steering)에 심각한 문제를 발생시킬 수 있다. 그러므로 고차모드를 분석하고 효율적으로 억제하는 연구는 안정적인 대면적 광섬유 레이저 및 증폭기를 구현하는데 있어 매우 중요하다. 본 연구에서는 모드간의 군 지연 차이로 인해 발생하는 스펙트럼에서의 간섭패턴을 분석하여 기본모드와 고차모드의 상대적인 세기를 알아내고 각 모드의 빔 단면을 시각화할 수 있는 S2 imaging 방법을 실험적으로 구현하였다. S2 imaging 시스템을 통해 특정 대면적 광섬유에서 1000nm와 1550nm 파장에서 측정한 결과 -50dB 이상의 고차모드 상대적인 세기도 측정 가능하였고 또한 LP모드들의 빔 단면을 시각화한 결과 이론적으로 예상되는 빔 단면과 상당히 일치하는 모습을 볼 수 있었다. 추가적으로 대면적 광섬유로 측면 연마 광섬유를 제작하고 적당한 굴절률의 물질을 도포함으로써 기본모드는 지속적으로 도파하되 고차모드의 세기는 효과적으로 억제시키는 소자를 설계 및 제작하였다. S2 imaging 시스템을 통해 이 소자에 대한 검증을 한 결과 고차모드의 세기를 약 -12dB 이상 감소시킬 수 있음을 확인하였다.