다중코어 섬유에서 비선형 빔 스터링을 이용한 전력 균등화와 빔 셀프클리닝

초록

본 연구는 7‑코어 다중코어 섬유(7CF)에서 서브나노초 펄스를 전송할 때, 중심 코어에 고출력(kW 수준) 펄스를 주입하면 비선형 효과가 코어 간 전력을 자동으로 균등하게 분배하고, 원거리에서 베벨형 빔 프로파일을 형성한다는 새로운 현상을 보고한다.

상세 분석

이 논문은 약 10 m 길이의 7‑코어(헥사곤 형태) 섬유에 435 ps, 피크 전력 수 kW 수준의 변환 제한 펄스를 주입했을 때 나타나는 ‘빔 스터링(beam stirring)’ 현상을 처음으로 실험적으로 확인하고, 이를 수치 모델링으로 정량적으로 설명한다. 저전력(≈0.13 kW)에서는 코어 간 결합이 약하고 섬유의 미세 굴곡·불균일에 의해 랜덤한 전력 재분배가 일어나며, 각 코어의 출력 전력 변동이 30 % 이상으로 크게 나타난다. 반면 피크 전력이 6 kW에 달하면 비선형 굴절률 변화(크 Kerr 비선형)로 인해 펄스 전반에 걸쳐 큰 비선형 위상(γ P·z/7)이 축적된다. 이 위상은 시간축을 따라 변동하면서 각 코어 사이의 전력 전달 과정을 통계적으로 평균화시켜, 펄스 전체에 걸친 다방향 전력 교환이 균등하게 이루어지게 만든다. 결과적으로 5 m 정도 전파된 뒤부터 코어별 전력이 약 14 %씩(전체 전력의 1/7)로 수렴하고, 변동폭은 5 % 이하로 억제된다.

수치 모델은 각 코어의 전기장 진폭 A_j(z,t)를 커플링 상수 J와 코어별 굴절률 변동 δn_j(z)로 연결한 연속 방정식 집합을 Split‑Step Fourier 방법으로 풀었다. 실험에 맞추기 위해 δn_max≈3×10⁻⁶, J≈9×10⁻⁷(단위 무차원)으로 설정했으며, 약 150번의 시뮬레이션을 통해 파라미터 스윕을 수행했다. 모델은 (i) 약한 결합(J < δn_max)에서만 균등화가 일어나고, (ii) 결합이 강해지면 전력 진동이 지속되어 균등화가 사라지는 점을 재현한다. 또한 비선형 길이 L_NL=1/(γ P_in/7)보다 에너지 전달 길이가 길어질 때 비선형 위상 누적이 충분히 커져 펄스 내부에서 다중 위상 사이클(N≈1+ (γ P_in z/7)²)이 발생하고, 이 사이클이 평균화 효과를 제공한다는 물리적 해석을 제시한다.

전기광학적으로는 출력 빔의 원거리(Far‑Field) 프로파일이 저전력에서는 스펙클 구조를 보이지만, 고전력에서는 베벨형(밝고 매끄러운) 프로파일로 변하며 이는 다중모드 섬유에서 보고된 Kerr self‑cleaning 현상과 유사하다. 또한 외부 기계적 교란(굽힘·비틀림)에 대해 고전력 상태에서는 전력 분포와 빔 형태가 거의 변하지 않아, 비선형 빔 스터링이 매우 강인한 현상임을 확인했다. 이러한 특성은 다중코어 레이저·증폭기, 고용량 SDM 통신, 다중 파라미터 센싱 등에서 코어 간 전력 균등화를 자동으로 달성하고, 출력 빔 품질을 향상시킬 수 있는 새로운 설계 원칙을 제공한다.