광섬유 레이저가 내는 빛은 펌프 빛에서 옵니다. 다이오드의 펌프 빛을 이득 광섬유에 넣으면 그 대부분이 코어(fiber core)에 흡수되어 레이저 빛을 키웁니다. 그러면 흡수되지 않은 나머지는 어디로 갈까요?

나머지 빛은 클래드(cladding)에 남아 광섬유를 따라 계속 흐릅니다. 이 빛을 일부러 광섬유 밖으로 빼내 열로 바꾸는 부품이 클래드 광 제거기(cladding light stripper, CLS)입니다. 클래드에 남는 빛이 어디서 오는지, 왜 버려야 하는지, 어떤 원리로 빼내고 어디에 두는지를 차례로 봅니다.

이 부품은 「아이솔레이터와 광섬유 부품: 빛이 거꾸로 가지 않게」에서 이름과 쓰임으로 한 줄 소개했습니다. 펌프 빛이 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber)의 어느 층으로 들어가는지는 「이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기」에 있습니다. 여기서는 그 펌프 빛이 끝까지 쓰이지 못했을 때의 이야기를 합니다.

클래드에 남는 빛은 어디서 오나

고출력 광섬유 레이저와 증폭기(amplifier)는 흔히 이중 클래드 광섬유를 씁니다. 레이저 빛은 가는 코어를 지나고, 펌프 빛은 그 둘레의 넓은 안쪽 클래드를 지나며 코어를 가로질러 흡수됩니다. 펌프 빛의 큰 몫은 이렇게 코어에 흡수되지만, 작은 몫은 안쪽 클래드를 따라 계속 갑니다.

클래드 빛의 출처는 이것 하나가 아닙니다. 클래드 빛은 다음과 같은 곳에서도 생깁니다.

  • 흡수되지 않은 펌프 빛: 코어를 가로지르고도 끝내 흡수되지 않은 펌프 빛입니다.
  • 자연 증폭 방출(amplified spontaneous emission, ASE): 들뜬 원자가 저절로 낸 빛이 증폭기 안에서 증폭된 것입니다.
  • 접속점과 굽힘에서 흩어진 빛: 광섬유를 이은 자리나 굽은 자리에서 길을 벗어난 빛입니다.

접속점은 펌프 결합기 둘레에 특히 많습니다. 광섬유 결합기에는 센 펌프 빛이 지나는 접속점이 여럿 있어, 그 경계에서 펌프 빛이 흩어질 수 있습니다. 여러 레이저의 빛을 출력 광섬유 하나로 묶을 때 원하는 빛이 모두 코어로 들어가지 않고 일부가 클래드에 실린다고 적은 특허도 있습니다.

남은 빛이 왜 문제인가

미국 뉴저지의 OFS 연구소(OFS Laboratories) 연구진의 발표에 따르면, 발표 시점까지 지난 10년 동안 다중 kW급 이중 클래드 광섬유 레이저와 증폭기는 크게 발전했습니다. 그래도 클래드 모드에 실린 빛 때문에 신뢰성과 빔 품질(beam quality)에 관한 과제는 남아 있었습니다.

열도 문제입니다. 사전 공개된 한 리뷰 장은 제거기가 남은 펌프 빛을 없애 주변 부품과 자유 공간 광학이 열로 상하는 것을 막는다고 설명합니다. 뒤로 흩어진 신호와 ASE가 코어로 다시 들어가 또 증폭되는 것도 막는다고 덧붙입니다.

부품의 수명도 걸려 있습니다. 클래드 빛의 양은 고출력 광섬유 부품이 오래 버티게 하는 데 중요하고, 그래서 고출력 체계에서는 클래드 빛을 없애려고 제거기를 씁니다. 빌켄트대 UNAM 연구진은 2019년 논문에서 제거기를 고출력 광섬유 레이저 응용에 꼭 필요한 핵심 부품 가운데 하나로 꼽았습니다.

원리: 전반사를 깨서 빛을 내보내기

먼저 광섬유가 빛을 가두는 방법을 봅니다. 유리 광섬유는 코어의 굴절률이 높고 클래드의 굴절률이 낮습니다. 빛은 클래드와의 경계에서 전반사(total internal reflection, TIR)되어 코어에 머물고, 그래서 적은 손실로 나아갑니다.

전반사에는 조건이 둘 있습니다. 빛이 경계에 닿는 각이 임계각보다 커야 하고, 바깥 물질의 굴절률이 안쪽보다 낮아야 합니다. 바깥이 더 높으면 전반사는 일어날 수 없습니다.

이중 클래드 광섬유의 안쪽 클래드도 같은 방식으로 펌프 빛을 가둡니다. 굴절률은 코어가 가장 높고 바깥 클래드가 가장 낮으며, 바깥 클래드는 굴절률이 더 낮은 유리나 폴리머일 수 있습니다. 펌프 빛은 안쪽 클래드와 바깥 클래드의 경계에서 되튀며 앞으로 갑니다.

제거기는 이 조건을 일부러 깹니다. 한 구간에서 안쪽 클래드 바깥에 굴절률이 더 높은 물질이 닿으면, 그 구간에서는 전반사가 성립하지 않습니다. 펌프 빛은 경계를 넘어 그 물질로 빠져나가고, 빠져나간 빛은 둘레에서 흡수되어 열이 됩니다.

코어의 레이저 빛은 이 구간을 그대로 지납니다. 코어는 여전히 굴절률이 더 낮은 안쪽 클래드에 둘러싸여 있으므로, 코어와 안쪽 클래드 사이의 전반사는 그대로이기 때문입니다.

이중 클래드 광섬유를 옆에서 본 그림 두 줄. 위 줄은 보통 구간으로, 바깥 층의 굴절률이 낮아 주황 점선의 펌프 빛이 안쪽 클래드 안에서 지그재그로 되튀며 나아가고, 가운데 코어로는 빨간 레이저 빛이 지난다. 아래 줄은 제거기 구간으로, 바깥 층 자리에 굴절률이 더 높은 물질(또는 거친 면)이 있어 펌프 빛이 안쪽 클래드 밖으로 빠져나가 위아래의 방열판으로 가고, 코어의 레이저 빛은 그대로 지난다. 값은 없다
보통 구간에서는 바깥 층의 굴절률이 낮아 펌프 빛이 전반사로 갇히고, 제거기 구간에서는 굴절률이 더 높은 물질이 전반사를 깨 펌프 빛이 빠져나가 열이 됩니다. 축척과 값이 없는 개념도입니다 (도표)(도표)

벽이 거울로 된 복도에 창을 하나 낸다고 생각해 볼 수 있습니다. 거울 벽에서는 빛이 되튀어 복도를 따라가지만, 창이 난 자리에서는 빛이 밖으로 나갑니다. 실제로는 다른 점이 있습니다. 제거기의 "창" 밖에는 빛을 받아 열로 바꾸는 물질이 있고, 그 열을 내보내는 일이 따로 남습니다.

굴절률을 바꾸는 대신 표면을 거칠게 만드는 길도 있습니다. 매끈한 경계에서는 빛이 고르게 되튀지만, 거친 면에서는 빛이 흩어져 일부가 클래드 밖으로 나갑니다.

세 가지 방식과 각각의 약점

클래드 빛을 빼내는 방법은 여럿 연구되었습니다. 2017년 빌켄트대 연구진의 학회 발표는 높은 굴절률 폴리머 피복, 거친 클래드 표면, 빛을 흡수하는 무른 금속 피복, 그리고 CO2 레이저 가공을 듭니다. 방식마다 한계가 있습니다.

클래드 빛을 빼내는 세 방식을 카드 세 장으로 견준 그림. 첫째 높은 굴절률 피복은 굴절률이 더 높은 물질이 전반사를 깨서 빛이 나가고, 약점은 폴리머가 열로 열화되어 견디는 출력이 제한되는 것이다. 둘째 거친 표면은 거친 클래드 면이 빛을 흩뜨려 내보내고, 약점은 광섬유가 약해지고 열이 한곳에 몰리며 균열이 생길 수 있는 것이다. 셋째 유리만 쓰는 방식은 CO2 레이저로 바꾼 유리나 더 넓은 유리관으로 빛이 나가며, 열화될 폴리머가 없고 열을 더 넓은 면에 퍼뜨릴 수 있어 연구된다. 값은 없다
클래드 빛을 빼내는 세 방식과 각각의 약점. 재료와 치수는 실제 값이 아닙니다 (도표)(도표)
  • 높은 굴절률 피복: 가장 간단한 방법은 굴절률이 높은 물질을 입힌 광섬유를 이어 붙이는 것입니다. 광섬유를 길게 할 수 있어 빼내는 비율을 아주 높일 수 있습니다. 그러나 빼낼 수 있는 최대 출력은 폴리머의 손상 문턱에 막히고, 광섬유가 길어질수록 비선형성도 커집니다. 다시 입힌 폴리머가 열로 열화되는 것도 한계로 꼽힙니다.
  • 거친 표면: 식각 같은 방법으로 클래드 표면을 거칠게 해서 빛을 흩뜨립니다. 매우 높은 감쇠를 얻은 예도 있지만, 거칠게 하는 공정이 광섬유의 강도를 떨어뜨리고 열이 한곳에 몰리거나 클래드 벽에 미세한 균열이 생길 수 있습니다. 식각이 유리 표면을 상하게 하고 열을 내보낼 표면적이 클래드 지름에 묶이므로, 특히 생산 환경에서는 장기 신뢰성이 걱정이라는 것이 OFS 연구진의 판단입니다.
  • 유리만 쓰는 방식: 폴리머를 쓰지 않는 길입니다. 하나는 CO2 레이저로 클래드의 구조를 바꿔 빛의 길을 흐트러뜨리는 방법이고, 다른 하나는 클래드와 굴절률을 맞춘 유리관을 광섬유 위에 녹여 붙이는 방법입니다. 유리관 방식에서는 클래드 빛이 유리관의 더 큰 부피로 퍼진 뒤 방열재를 거쳐 금속 패키지로 흩어지고, 발표자들은 이렇게 열이 훨씬 넓은 면에 퍼져 더 믿을 만한 소자가 된다고 적었습니다.

모든 방식에 공통된 숙제는 열입니다. 광섬유는 가늘어서 빛이 빠져나오는 곳의 표면적이 작고, 그 좁은 곳에서 열이 생깁니다. 출력이 높은 상용 제품에는 물로 식히는 방열판이 필요하다는 주석이 붙기도 합니다. 광섬유 레이저의 열을 어디로 보내는지는 「냉각과 열 관리: 빛이 되지 못한 열은 어디로 가나」에서 이어집니다.

증폭기 안의 자리

제거기는 레이저 끝 한 곳에만 있지 않습니다. 원치 않는 빛을 줄이는 일은 출력 끝만이 아니라 증폭기 곳곳에서 중요합니다. 앞의 리뷰 장은 흔한 자리로 증폭기 안의 펌프 결합기 반대편, 그리고 펌프 레이저와 결합기 사이를 듭니다.

광섬유 증폭기의 블록 그림. 펌프 다이오드, 펌프 결합기, 이중 클래드 이득 광섬유, 클래드 광 제거기, 엔드캡이 차례로 이어지고 끝에서 출력이 나간다. 번호 1은 결합기와 이득 광섬유 사이의 접속점에서 흩어진 빛, 2는 흡수되지 않은 펌프 빛, 3은 자연 증폭 방출(ASE)을 가리킨다. 제거기에서 열이 아래의 냉각판으로 빠진다. 제거기는 증폭기의 다른 곳과 빔 전달 쪽에도 놓일 수 있다는 메모가 있다. 값은 없다
증폭기 안에서 클래드 빛이 생기는 곳과 제거기의 한 자리. 제거기는 다른 곳에도 놓이며, 블록의 크기와 간격은 실제 배치가 아닙니다 (도표)(도표)

빛이 밖으로 나가는 쪽에서도 쓰입니다. 상용 제품 가운데에는 빔 전달용 클래드 모드 제거기와, 제거기를 넣은 엔드캡과 콜리메이터가 있습니다. OFS 연구진은 자신들의 유리관 방식이 증폭기의 전달 광섬유를 그대로 제거에 쓸 수 있어 광섬유나 접속점을 더하지 않아도 된다는 점을 장점으로 들었습니다.

펌프 빛을 모아 넣는 결합기와 출력 끝을 맡는 엔드캡은 「펌프·신호 결합기와 엔드캡: 증폭기 안의 광섬유 소자」에 있습니다. 제거기는 그 두 부품 사이와 둘레에서 길을 벗어난 빛을 정리하는 자리에 놓입니다.

얼마나 잘 빼내는지 재기

제거기의 성능은 흔히 클래드 빛을 얼마나 줄였는지로 말하고, 단위로 데시벨(decibel, dB)을 씁니다. 들어간 클래드 빛의 99%를 걷어 내면 20 dB입니다. 남는 빛이 100분의 1이라는 뜻입니다.

그런데 한 광섬유에 대해 "이 제거기는 몇 dB"라고 못 박기는 어렵습니다. Fraunhofer IOF 연구진이 잰 결과, 제거기 효율은 클래드 빛의 개구수(numerical aperture, NA)에 따라 달랐습니다. 그래서 안내되는 빛의 성질을 따지지 않고는 어떤 광섬유에 대한 효율을 일반적인 값으로 믿을 만하게 내놓을 수 없다고 연구진은 정리했습니다.

개구수는 광섬유가 받아들이는 빛의 원뿔 각을 나타내는 값입니다. 클래드 빛이 어떤 각도로 퍼져 있느냐에 따라 같은 제거기의 성적이 달라질 수 있다는 뜻입니다. 제품 자료의 감쇠 값을 읽을 때도 어떤 빛으로 잰 값인지를 함께 봐야 하는 까닭입니다.

재는 일 자체도 까다롭습니다. 클래드 빛의 양은 보통 제거기를 덧붙여 광섬유를 영구히 바꾸거나, 바늘구멍으로 코어 빛만 통과시켜 잽니다. 광섬유를 바꾸지 않고 이중 클래드 광섬유의 클래드 빛을 재는 새 방법은 Fraunhofer IOF의 2018년 발표에 나옵니다.

연구와 제품의 흐름

2017년 빌켄트대 발표의 참고문헌에는 앞선 연구 셋이 들어 있습니다. 2008년 SPIE 논문집에 실린 Wetter, Faucher, Sévigny의 "High power cladding light stripper", 2013년의 "Fabrication and evaluation of a 500 W cladding-light stripper", 2014년 Applied Optics의 무른 금속 제거기 논문입니다.

그 뒤로는 폴리머에 기대지 않는 방법을 다룬 발표가 이어졌습니다. 2017년 빌켄트대 연구진은 CO2 레이저 가공으로 유리만 쓴 제거기를 발표했고, 2020년 튀르키예 과학기술연구위원회(TÜBİTAK) BİLGEM 연구진은 폴리머 없이 표면을 거칠게 만든 제거기를 Applied Optics에 냈습니다. 그 사이 2019년에는 빌켄트대 UNAM 연구진이 두 가지 식각을 묶은 방법을, 2018년에는 Fraunhofer IOF 연구진이 앞에서 본 측정 문제를 발표했습니다.

제품도 자리를 잡았습니다. 레이저 광섬유를 만드는 Coherent의 2013년 웨비나 자료는 제거기와 엔드캡이 여러 표준 대구경 모드 면적(LMA) 광섬유에 맞춰 상용으로 나와 있다고 적었습니다. 독일 하노버의 FiberBridge Photonics는 kW급 레이저 체계용 제거기를 능동·수동 광섬유와 편광 유지 광섬유(polarization-maintaining fiber)용으로 나누어 내놓고, 빔 품질과 편광을 유지한다고 설명합니다.

레이저 무기에서 광섬유 레이저가 칩부터 발사 장치까지 어느 단계에 놓이는지는 「레이저 무기 한 대 따라가기: 반도체 칩에서 발사 장치까지」에서 볼 수 있습니다.

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