광섬유 증폭기의 상자를 열어 본다고 해 봅시다. 한쪽에서는 펌프 다이오드(pump diode) 여러 대의 광섬유가 줄지어 들어오고, 다른 쪽에서는 키울 신호가 광섬유 한 가닥으로 들어옵니다. 그런데 나가는 빛은 한 줄기입니다. 이 많은 가닥은 어디서 하나가 될까요?

빛이 유리를 떠나는 곳도 물어볼 만합니다. 증폭을 마친 센 빛은 광섬유 끝에서 공기로 나옵니다. 이 글은 증폭기 안의 두 관문, 가닥을 합치는 결합기와 끝에 붙는 엔드캡을 봅니다.

증폭기 한 대를 지나는 빛의 길

주 발진기 출력 증폭기(master oscillator power amplifier, MOPA)에서 빛의 길은 대략 이렇게 그려집니다. 씨앗 레이저(seed laser)의 약한 신호가 광 아이솔레이터(optical isolator)를 지나 펌프-신호 결합기에 들어갑니다. 거기서 펌프 빛과 합쳐진 신호는 희토류를 넣은 이득 광섬유로 들어가 커집니다. 이득 광섬유의 출력 끝에는 흔히 엔드캡이 붙습니다.

AI 생성 이미지: 어두운 남색 배경의 아이소메트릭 그림. 왼쪽에서 여러 가닥의 가는 광섬유가 주황빛 펌프 빛을 싣고 모여, 가운데를 지나는 푸른 신호 광섬유 한 가닥을 둘러싼 채 하나의 굵은 광섬유로 합쳐진다. 합쳐진 광섬유는 오른쪽으로 길게 감긴 이득 광섬유로 이어지고, 맨 끝에 작은 투명 유리 덩어리가 붙어 밝은 빔이 나간다. 영어 이름표가 붙어 있다. 가닥 수와 크기는 실제 값이 아니다
광섬유 증폭기 안의 두 관문. 펌프·신호 결합기에서 펌프 빛과 신호가 한 광섬유로 들어가고, 증폭된 빛은 끝의 엔드캡을 지나 유리를 떠납니다. 개념을 보여 주는 그림입니다 (AI 생성 이미지)(AI 생성 이미지)

결합기와 엔드캡은 여러 공급사가 표준 구성으로 내놓는 부품입니다. 이런 부품의 이름과 하는 일을 한 줄씩 정리한 목록은 아이솔레이터와 광섬유 부품 글에 있고, 펌프 빛이 이중 클래드 광섬유(double-clad fiber)의 어느 층을 지나 어디로 들어가는지는 이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기 글에 있습니다. 여기서는 결합기와 엔드캡이 무엇에 묶이는지를 봅니다.

펌프 결합기: 왜 가닥 수에 한계가 있나

앞 글에서 본 펌프 결합기는 펌프 다이오드 여러 대의 광섬유를 출력 광섬유 하나로 모읍니다. 그렇다면 다이오드를 더 붙여 가닥을 계속 늘리면 될까요? 몇 가닥이 들어갈지는 출력 광섬유가 얼마나 굵은지, 그리고 얼마나 비스듬한 빛까지 받아들이는지가 정합니다. 뒤의 것이 개구수(numerical aperture, NA)입니다.

까닭은 밝기(brightness)에 있습니다. 렌즈, 거울, 광섬유처럼 스스로 빛을 키우지 않는 수동 광학계는 밝기를 늘리지 못합니다. 광학에서는 이를 밝기 정리라고 부릅니다. 빛 다발이 차지하는 넓이와 퍼지는 각을 함께 잰 양이 보존되기 때문입니다.

넓이와 각은 서로 맞바뀝니다. 빛을 더 좁은 곳에 모으면 각이 넓어지고, 각을 좁히려면 넓이가 커져야 합니다. 그러니 입력 광섬유들이 실어 온 빛의 넓이와 각을 모두 더한 것이, 출력 광섬유가 받아들일 수 있는 넓이와 각 안에 들어가야 합니다. 출력 광섬유의 굵기와 개구수가 정해지면, 들어갈 수 있는 입력의 수도 정해지는 까닭입니다.

깔때기에 물을 붓는 장면을 떠올리면 비슷합니다. 실제로는 다른 점이 있습니다. 물은 밀어 넣으면 들어가지만, 빛은 출력 광섬유가 받아들이는 넓이와 각을 넘으면 길을 따라가지 못하고 새어 나갑니다.

AI 생성 이미지: 좌우 두 칸의 그림. 왼쪽 칸에서는 여러 레이저 모듈에서 나온 같은 색의 빔이 각자의 광섬유를 따라와 한 가닥의 굵은 광섬유로 모이고, 그 끝에서 조금 넓게 퍼지는 빔이 나간다. 오른쪽 칸에서는 굵은 출력 광섬유 끝면을 확대해, 받아들일 수 있는 빛의 원뿔과 끝면의 넓이를 반투명한 면으로 보여 준다. 영어 이름표가 붙어 있다
여러 광섬유의 빛을 한 가닥에 모으는 결합기. 출력 광섬유의 굵기와 받아들이는 각, 곧 개구수가 넣을 수 있는 입력의 수를 정합니다. 개념을 보여 주는 그림입니다 (AI 생성 이미지)(AI 생성 이미지)

새는 빛은 열이 됩니다. kW급 펌프 빛을 다루는 결합기는 손실이 아주 낮아야 하는데, 길을 벗어난 펌프 빛이 결국 주변을 데우기 때문입니다. 접속점에서 흩어지는 빛과 열은 이중 클래드 광섬유 글에서 볼 수 있습니다.

신호도 함께 지나는 결합기

증폭기에서는 펌프 빛만 모아서는 끝나지 않습니다. 키울 신호가 같은 광섬유의 코어로 함께 지나가야 해서, 신호 광섬유가 가운데를 지나고 펌프 광섬유들이 둘레에서 빛을 넣는 펌프-신호 결합기가 필요합니다.

이 결합기에는 짐이 하나 더 있습니다. 신호는 펌프 빛처럼 아무 각으로나 들어가도 되는 빛이 아니라, 증폭기 끝까지 빔 품질을 지켜야 하는 빛입니다. 결합기를 지나는 동안 신호가 코어 밖으로 새거나 고차 모드로 바뀌면 그만큼 빔이 나빠집니다. 고출력 광섬유용 결합기 제품은 대구경 모드 면적 광섬유에 맞추고, 신호 광섬유로 이득 광섬유와 수동 광섬유를 모두 쓸 수 있게 내놓습니다.

신호와 반대 방향으로 펌프 빛을 넣는 역방향 펌핑에도 이런 결합기를 씁니다. 이때는 신호의 클래드 빛이 결합기와 다이오드를 해칠 수 있다는 주의가 붙습니다. 그 까닭은 아이솔레이터와 광섬유 부품 글에서 다룬 거꾸로 가는 빛과 같습니다.

학회로 본 결합기의 흐름

결합기는 레이저 출력이 오를 때마다 함께 고쳐져 온 부품입니다. 국제광공학회(SPIE)의 해마다 열리는 Photonics West 학회 발표를 연도별로 보면 흐름이 보입니다. 공개된 발표 초록 가운데 결합기를 다룬 것만 추려 보았습니다.

해공개된 발표의 요지
2022코어가 큰 특수 광섬유(카이랄 결합 코어)에 맞는 신호·펌프 결합기를 개발해 전광섬유 고출력 체계에 쓰려는 연구
2023제목에 6 kW 처리를 내건 펌프-신호 결합기 발표
2024대만 국립 타이베이 공대의 kW급 광섬유 레이저용 측면 펌프·신호 결합기. OFS가 역방향 결합기를 지난 빛의 고차 모드 억제를 잰 발표. ISL·Exail이 2 µm 대역 삼중 클래드 고출력 결합기를 처음 만든 발표
2025OFS의 큰 모드 면적 출력 역방향 결합기, 그리고 새 결합기를 쓴 역방향 펌핑 좁은 선폭 이터븀 증폭기의 출력 3.7 kW. 툴륨·홀뮴 광원용 삼중 클래드 측면 결합기
2026대만 국립 타이베이 공대가 다음 세대 수 kW 레이저용으로 이전 판보다 펌프 용량을 50% 늘린 결합기. 4.5 kW 넘게 다룰 것으로 봄

표에서 세 갈래가 읽힙니다. 하나는 결합기가 이미 kW급 출력을 견디는 부품이 되었다는 것입니다. 2023년 발표는 제목에 6 kW 처리를 내걸었고, 2026년 발표는 펌프 용량을 더 늘린 결합기로 수 kW 레이저를 내다봅니다.

둘째는 역방향 펌핑용 결합기에서 신호의 빔 품질, 곧 고차 모드를 얼마나 막는지를 재고 다투는 쪽으로 관심이 옮겨 간 것입니다. 셋째는 이터븀 광섬유 레이저의 대역을 넘어 2 µm 대역의 툴륨·홀뮴 광섬유 레이저를 위한 결합기가 나온 것입니다. 결합기가 레이저의 출력과 빔 품질을 함께 묶는 자리에 있다는 뜻으로 읽을 수 있습니다.

레이저 여러 대를 한 가닥에: 신호 결합기

결합기가 모으는 것이 펌프 빛만은 아닙니다. 이미 증폭을 마친 레이저 여러 대의 출력을 한 가닥에 모으는 결합기도 있습니다. 서로 위상을 맞추지 않은 빛을 합치니 비간섭성 빔 결합(incoherent beam combining)의 한 방식이고, 산업용 레이저에서 쓰입니다.

여기에도 앞의 밝기 정리가 그대로 걸립니다. 레이저 여러 대의 빛을 수동 부품으로 한 가닥에 모으면 출력은 모이지만, 빛 다발의 넓이와 각은 줄지 않습니다. 그래서 출력 광섬유가 굵어지거나, 나온 빔이 한 대일 때보다 더 퍼집니다. 여러 레이저의 빛을 비간섭으로 합치면서 높은 밝기를 지키기 어렵다는 MIT 기술 이전 쪽의 설명도 같은 이야기입니다.

이 벽을 넘는 길도 광학 강의에 나옵니다. 넓이와 각의 보존은 기하만 따지므로, 빛의 스펙트럼, 편광, 결맞음 같은 성질을 쓰면 한 빔에 더 많은 빛을 담을 수 있습니다. 파장이 다른 빛을 겹치는 분광 빔 결합, 위상을 맞춰 간섭시키는 결맞음 빔 결합이 바로 그 길입니다. 세 방법을 나란히 견준 것은 "비간섭 빔 결합: 박자도 색도 맞추지 않고 나란히" 글에 있습니다.

엔드캡: 빛이 유리를 떠나는 자리

증폭된 빛은 결국 유리 끝면에서 공기로 나옵니다. 이 끝면이 약한 고리가 되기 쉽습니다. 끝면의 손상 문턱(laser-induced damage threshold, LIDT)은 표면이 얼마나 매끈하고 깨끗한지에 크게 달려 있습니다. NKT Photonics의 응용 노트는 작은 흠 하나로도 손상 문턱이 몇 자릿수 떨어질 수 있다고 경고합니다.

엔드캡은 광섬유 끝에 붙인 유리 덩어리입니다. 빛이 코어를 떠난 뒤 이 덩어리 안에서 넓어지고, 넓어진 빔이 끝면을 지납니다. 손상을 부르는 펄스 에너지가 빛이 지나는 넓이에 비례해 커지므로, 끝면에서 빔을 넓히면 더 큰 에너지를 견딜 수 있습니다.

AI 생성 이미지: 위아래 두 칸의 단면 그림. 위 칸은 맨 광섬유 끝으로, 가는 코어를 따라온 빔이 유리 끝면의 아주 작은 점에서 바로 공기로 나가며 그 점이 하얗게 달아오른다. 아래 칸은 같은 광섬유 끝에 투명한 유리 덩어리가 붙어 있어, 빔이 덩어리 안에서 퍼진 뒤 넓은 끝면을 지나 나가고 끝면은 은은하게만 빛난다. 영어 이름표가 붙어 있다. 크기는 실제 값이 아니다
엔드캡은 광섬유 끝에 붙인 유리 덩어리입니다. 끝면에서 빔을 넓히면 끝면이 받는 세기가 낮아집니다. 두께에 따라 빔이 넓어지는 정도는 다릅니다. 개념을 보여 주는 그림입니다 (AI 생성 이미지)(AI 생성 이미지)

엔드캡이라고 다 빔을 넓히지는 않습니다. 유연한 광섬유에 붙이는 얇은 엔드캡은 광섬유와 바깥 지름이 같아 빔을 크게 넓히지 못합니다. 대신 순수 실리카로 되어 있어, 도핑한 이득 코어보다 손상 문턱이 조금 높을 수 있습니다. 끝면의 첨두 세기를 낮추려는 막대 모양 광섬유에는 더 두꺼운 엔드캡을 씁니다.

되돌아오는 빛도 엔드캡을 붙이는 까닭입니다. 출력 끝을 비스듬히 자르거나 엔드캡을 붙이면, 신호와 자연 방출 증폭(amplified spontaneous emission, ASE)이 코어로 되돌아 반사되는 것을 줄일 수 있습니다. 고출력 광섬유 증폭기를 다룬 한 리뷰 장(사전 공개본)은 출력이 높아지면 엔드캡이 대개 필요하다고 정리합니다.

실제 부품도 이 방향을 따릅니다. kW급 빔 전달과 대구경 모드 면적 광섬유 증폭기용 엔드캡은 흡수가 낮은 유리와 코팅으로 만들어지고, 고출력 증폭기를 만드는 nLIGHT도 광섬유 끝처리 선택지에 엔드캡을 둡니다. 엔드캡 끝면의 코팅이 하는 일은 거울, 렌즈, 코팅 글의 무반사 코팅(anti-reflection coating)에서 볼 수 있습니다.

작은 부품이 출력을 묶을 때

결합기와 엔드캡은 증폭기 안의 작은 부품이지만, 증폭기 전체가 낼 수 있는 출력을 묶을 수 있습니다. 결합기에서 새는 펌프 빛, 엔드캡 끝면의 작은 흠이 모두 열과 손상의 씨앗이 됩니다.

손상이 나는 자리도 정해져 있는 편입니다. NKT 노트에 따르면 이득 광섬유에서는 보통 에너지가 더 큰 출력 끝면에서 손상이 납니다. 끝면이 아니어도 광섬유 안에서 손상이 번지는 광섬유 퓨즈(fiber fuse)나, 광섬유와 엔드캡이 만나는 경계의 손상 같은 고장도 있습니다.

이 노트가 다룬 것은 펄스 체계입니다. 연속파로 오래 빛을 내는 증폭기에서도 제조사들은 kW급 빔 전달용 엔드캡에 흡수가 낮은 유리와 코팅을 쓴다고 밝힙니다.

다음에 읽을 글

  • 이중 클래드 광섬유와 펌프 빛 넣기: 결합기가 모은 펌프 빛이 이득 광섬유 안에서 어느 길로 가는지 봅니다.
  • 아이솔레이터와 광섬유 부품: 결합기 앞뒤에 붙는 다른 광섬유 부품들과 거꾸로 가는 빛을 봅니다.
  • "비간섭 빔 결합: 박자도 색도 맞추지 않고 나란히": 레이저 여러 대를 위상 없이 합칠 때 무엇을 얻고 잃는지 봅니다.