KR100283954B1

KR100283954B1 - 광증폭기용 광섬유

Info

Publication number: KR100283954B1
Application number: KR1019980042713A
Authority: KR
Inventors: 허종; 이동진; 박세호; 정선태; 김현수
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2001-03-02
Also published as: CA2346851C; AU6125499A; DE69919733D1; CN1323282A; AU747960B2; JP2002527332A; RU2211812C2; CN1159244C; WO2000021898A1; US6347177B1; EP1129043B1; CA2346851A1; DE69919733T2; EP1129043A1; KR20000025572A

Abstract

본 발명은 유리에 희토류 이온이 도핑되어 있는 광증폭기용 광섬유에 관한 것으로서, 상기 희토류 이온으로서 Pr⁺³이온과 Er⁺³이온을 함께 사용하고, 상기 유리가 불화물계 유리 또는 황화물계 유리인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 광증폭기는 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역에 동시에 사용할 수 있다. 이 광증폭기는 종래의 Pr⁺³이온 함유 광섬유 증폭기나 또는 Er⁺³이온 함유 광섬유 증폭기를 사용한 경우에 비하여 광증폭 효율이 향상된다.

Description

광증폭기용 광섬유

본 발명은 광증폭기용 광섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는, 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역 겸용 광증폭기 형성용 광섬유에 관한 것이다.

광통신에서 사용하는 광의 파장범위는 대부분 1.3㎛ 파장대이었다가 근적외선 파장영역인 1.55㎛ 파장대로 이동되었다. 여기에서 1.3㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는데는 Pr⁺³이 도핑된 광섬유를 사용하고, 1.55㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 데는 Er⁺³이 도핑된 광섬유를 사용하는 것이 통상적이다.

미국 특허 제5,486,947호에는 1.3㎛ 파장 대역에서 충분한 광이득을 얻을 수 있는 광증폭기용 광섬유가 개시되었다. 상기 광섬유는 유리에 희토류 이온을 포함한 불화물계 유리 광섬유로서, 코아와 글래딩의 굴절율 차이가 1.4% 이상이며, 유리는 유리 형성용 조성물을 기준으로 하여 25몰% 미만의 PbF₂를 포함하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.

현재, 많은 광통신 분야에서 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역이 혼용되고 있다. 따라서, 동일한 광회로구성에 있어서 상이한 부품이 이중으로 사용되어 신규 개발비용과 파장 대역 전환시에 교환비용이 높아지는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역에서 모두 사용할 수 있는 광증폭기용 광섬유를 제공하는 것이다.

도 1은 Ge₂₉As₈Ga₁S₆₂유리에 Pr⁺³과 Er⁺³이 도핑된 광섬유에 980nm 파장의 레이저를 조사하는 경우, Pr⁺³의¹G₄→³H₅전자 천이에 의한 1.3㎛ 파장의 형광과 Er⁺³의⁴I_13/2→⁴I_11/2전자 천이에 의한 1.55㎛ 파장의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면이고,

도 2는 Ge₂₉As₈Ga₁S₆₂유리에 Pr⁺³과 Er⁺³이 도핑된 광섬유에 980nm 파장의 레이저를 조사하는 경우, Er⁺³의 함량에 따른 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 형광수명을 각각 나타낸 도면이고,

도 3은 Pr⁺³이온과 Er⁺³이온간의 에너지 전달 과정을 나타낸 도면이고,

도 4는 Ge₂₉As₈Ga₁S₆₂유리에 Pr⁺³이 도핑된 광섬유에 1070nm 파장의 레이저를 조사하는 경우, Pr⁺³의¹G₄→³H₅전자 천이에 의한 1.3㎛ 파장의 형광 방출 스펙트럼이고,

도 5는 Ge₂₉As₈Ga₁S₆₂유리에 Er⁺³이 도핑된 광섬유에 980nm 파장의 레이저를 조사하는 경우,⁴I_13/2→⁴I_11/2전자 천이에 의한 1.55㎛ 파장의 형광 방출 스펙트럼이고,

도 6은 Ge₂₉As₈Ga₁S₆₂유리에 Pr⁺³과 Er⁺³이 도핑된 광섬유에 980nm 파장의 레이저를 조사하는 경우, Pr⁺³의¹G₄→³H₅전자 천이에 의한 1.3㎛ 파장의 형광과 Er⁺³의⁴I_13/2→⁴I_11/2전자 천이에 의한 1.55㎛ 파장의 형광 방출 스펙트럼이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는 유리에 희토류 이온이 도핑되어 있는 광증폭기용 광섬유에 있어서, 상기 희토류 이온으로서 Pr⁺³이온과 Er⁺³이온을 함께 사용하고, 상기 유리가 불화물계 유리 또는 황화물계 유리인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유를 제공한다.

상기 Pr⁺³이온의 함량은 100 내지 1000ppm이고, Er⁺³이온의 함량이 100 내지 5000ppm인 것 바람직하다. 상기 Pr⁺³이온과 Er⁺³이온의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 광증폭효율이 감소하여 바람직하지 못하다. 바람직하게는, 상기 Pr⁺³및 Er⁺³이온의 혼합중량비는 1:1 내지 1:3이다. 이 때 Er⁺³이온에 대한 Pr⁺³이온의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 (1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 감소하고), Er⁺³이온에 대한 Pr⁺³이온의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 1.3㎛ 파장 대역의 증폭이 감소되는 문제점이 있어서 바람직하지 못하다.

본 발명은 광섬유 형성시 Pr⁺³와 Er⁺³이온을 함께 첨가하고 여기광원으로서 Er⁺³이온의⁴I_11/2준위의 흡수가 최대가 되는 980㎚ 파장의 레이저를 사용한다. 그 결과, 상기 두 이온을 동시에 여기하여 Pr⁺³이온이 1.3㎛ 파장의 형광을, Er⁺³이온이 1.55㎛ 파장의 형광을 각각 방출함으로써 두 파장 대역에서 겸용 가능한 광섬유 증폭기를 제공하고자 하는 것이다. 특히 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 도 3에 도시된 바와 같이 Er⁺³이온으로부터의 에너지 전달을 통하여 높아져서 종래의 Pr⁺³이온 함유 광섬유 증폭시에 비하여 광증폭 효율이 향상된다.

또한, 본 발명에서는 Pr⁺³의¹G₄준위가³F₄로 격자 진동 완화되는 것을 최소화하기 위하여 불화물계 또는 황화물계 유리를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 불화물계 유리로는 ZBLAN(Zr, Ba, La, Al 및 Na를 함유한 불화물) 이 바람직하고, 상기 황화물계 유리로는 Ge-As-Ga-S계 또는 Ge-As-S계 유리가 바람직하다. 여기에서, 황화물계 유리를 사용하는 것이 불화물계를 사용한 경우에 비하여 Pr⁺³의¹G₄준위가³F₄로 격자 진동 완화되는 것이 최소화된다. 그러나, 섬유를 제조하는 것은 불화물계 유리가 황화물계의 경우에 비하여 보다 유리하다.

또한, 1.3㎛ 파장과 1.55㎛ 파장 대역에서의 광증폭효율을 극대화하기 위하여 Pr⁺³와 Er⁺³이온의 함량비를 1:1 내지 1:3으로 제어해야 한다.

이하, 본 발명을 하기 실시예들을 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

비교예 1

하이드록시기(OH group)와 산소가 10ppm 이하로 유지된 글러브 박스내에서, 원자 퍼센트(at%)가 29:8:1:62가 되도록 순도 99.999% 이상의 Ge, As, Ga 및 S를 칭량하고, 여기에 300ppm인 Pr⁺³를 첨가하였다.

상기 조성물을 SiO₂시험관에 충진한 다음, 0.1mTorr의 진공조건하에서 소정시간동안 방치하였다. 이어서, 상기 시험관 입구를 옥시-프로판(oxy-propane) 불꽃을 이용하여 완전히 밀봉하였다.

그 후, 상기 시험관을 로킹 퍼어니스(rocking furnace)내에서 넣어 시험관의 내용물이 충분히 혼합될 수 있도록 하였으며. 950℃에서 12시간동안 용융하였다. 이어서, 압축공기를 이용하여 시험관을 급냉시킨 다음, 400℃로 유지된 로에서 1시간동안 열처리하였다. 열처리가 끝난 다음, 실온까지 천천히 냉각하였다. 이어서, 시험관을 깨서 격자 진동 완화가 낮은 황화물 유리 Ge₂₉As₈Ga₁S₆₂에 Pr⁺³이 도핑된 광섬유를 얻었다.

상기 광섬유를 디스크 형태(직경 10㎜, 두께 3㎜)로 자른 다음, 연마하였다.

그 후, 상기 결과물의 형광 스펙트럼과 형광 수명을 측정하였다. 이 때 여기광원으로는 Pr⁺³의¹G₄준위의 흡수가 최대가 되는 1017㎚ 파장의 레이저를 사용하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위와³H₅준위의 천이에서 비롯된 1.3㎛ 파장 대역의 형광 방출이 관찰되었으며(도 4), 형광 수명은 305μsec로 측정되었다.

비교예 2

Pr⁺³대신 Er⁺³를 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

상기 광섬유를 디스크 형태(직경 10㎜, 두께 3㎜)로 자른 다음, 연마하였다. 그 후, 상기 결과물의 형광 스펙트럼과 형광 수명을 측정하였다. 이 때 여기광원으로는 Er⁺³의⁴I_11/2준위의 흡수가 최대가 되는 980㎚ 파장의 레이저를 사용하였다.

측정 결과, Er⁺³의⁴I_13/2준위와⁴I_15/2준위의 천이에서 비롯된 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 관찰되었으며(도 4),⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명은 각각 2100, 3400μsec이었다.

실시예 1

Pr⁺³300ppm 대신 Pr⁺³300ppm과 Er⁺³300ppm을 함께 첨가한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었으며(도 1a), 각각의 파장대역에서 형광세기가 증가하였다. 그리고 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 605μsec 이고,⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명은 각각 824 및 3120μsec 이었다(도 2).

상기 실시예 1에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 과정 ②의 에너지 전달이효과적으로 이루어져 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역에서 동시에 형광 방출이 관찰되었다. 따라서, 실시예 1에 따라 제조된 광섬유는 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역에서 겸용가능한 광섬유 재료로서 사용가능하다.

또한, Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 605μsec로 크게 증가하여 비교예 1의 경우에 비하여 증가하였으며, Pr⁺³와 Er⁺³를 동시에 첨가함으로써 1.3㎛ 대역의 광증폭효율을 크게 향상시켰다.

그러나, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명은 3120μsec 로서, 비교예 2의 경우에 비하여 감소하여 광증폭 효율이 감소하였다. 이런 현상은 도 3의 과정 ⑥의 에너지 전달이 일어났기 때문이다.

실시예 2

Pr⁺³300ppm 대신 Pr⁺³300ppm과 Er⁺³500ppm을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었으며(도 1b), 각각의 파장대역에서 형광세기가 증가하였다. 그리고 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 760μsec 이고, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명은 각각 1740 및 2910μsec 이었다(도 2).

실시예 2에 따르면, 도 3의 과정 ②의 에너지 전달이 효과적으로 이루어져 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었다. 또한, Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 760μsec로서, 비교예 1 및 실시예 1의 경우에 비하여 증가하였으며, Er⁺³의⁴I_13/2준위의 형광수명은 2910μsec로서 비교예 2 및 실시예 1의 경우에 비하여 감소하였다.

상기 사실로부터, Er⁺³의 함량이 증가할수록 도 3의 과정 ②와 ⑥이 모두 더 잘 이루어지는 것을 알 수 있었다. 그러나 Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명은 1740μsec로서 실시예 1의 경우에 비하여 증가하므로, 도 3의 과정 ②의 에너지 전달 과정에 참여하지 않은 Er⁺³의 비율이 점차 증가하여 과정 ②의 에너지 전달 속도가 감소한다는 것을 알 수 있었다.

실시예 3

Pr⁺³300ppm 대신 Pr⁺³300ppm과 Er⁺³700ppm을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었으며(도 1c), 각각의 파장대역에서 형광세기가 증가하였다. 그리고 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 769μsec 이고, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명은 각각 1760 및 2920μsec이었다(도 2).

실시예 3에 따르면, Er⁺³의 함량이 증가함에 따라 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명이 증가하므로 도 3의 과정 ②의 에너지 전달이 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명이 증가하므로 과정 ②와 ⑥의 에너지 전달에 참여하는 Er⁺³의 이온의 비율이 감소하여 제3도의 과정 ②와 ⑥의 에너지 전달 속도가 감소하고 있음을 나타냈다.

즉, Er⁺³의⁴I_13/2준위의 형광 수명이 다시 증가함에 따라 1.55㎛ 파장 대역의 광증폭 효율이 증가하는 경향을 나타냈다.

실시예 4

Pr⁺³300ppm 대신 Pr⁺³300ppm과 Er⁺³1000ppm을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었으며(도 1d), 각각의 파장대역에서 형광세기가 증가하였다. 그리고 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 881μsec 이고, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명은 각각 2030 및 3340μsec이었다(도 2).

실시예 4에 따르면, 도 3의 과정 ②의 에너지 전달이 효율적으로 이루어져 Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었다. 또한, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명이 각각 최대값을 나타냈다. 이로써 실시예 4의 Pr⁺³과 Er⁺³의 함량 조합비가 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역의 광증폭효율을 가장 극대화시키는 범위임을 알 수 있었다.

실시예 5

Pr⁺³300ppm 대신 Pr⁺³300ppm과 Er⁺³1500ppm을 사용한 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었으며(도 1e), 각각의 파장대역에서 형광세기가 포화되어 최대치를 나타냈다. 그리고 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광수명은 794μsec이고, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명은 각각 1870 및 3240μsec 이었다(도 2).

실시예 5에 따르면, 도 3의 과정 ②의 에너지 전달이 효율적으로 이루어져 Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었다. 또한, Er⁺³의⁴I_11/2준위의 형광 수명과⁴I_13/2준위의 형광수명이 실시예 4에 비하여 약간 감소하였다. 이는 도 3의 과정 ②와 ⑥이 에너지 전달 작용이 포화상태로 도달하였기 때문이다.

실시예 6

하이드록시기와 산소가 10ppm 이하로 유지된 글러브 박스내에서, 원자퍼센트가 Pr⁺³26:5:70이 되도록 순도 99.999% 이상의 Ge, Ga 및 S를 칭량하고, 여기에 Pr⁺³300ppm과 Er⁺³300ppm을 동시에 첨가하였다.

그 후, 상기 시험관을 로킹 퍼어니스(rocking furnace)내에서 넣어 시험관의 내용물이 충분히 혼합될 수 있도록 하였으며. 950℃에서 12시간동안 용융하였다. 이어서, 압축공기를 이용하여 시험관을 급냉시킨 다음, 400℃로 유지된 로에서 1시간동안 열처리하였다. 열처리가 끝난 다음, 실온까지 천천히 냉각하였다. 이어서, 시험관을 깨서 격자 진동 완화가 낮은 황화물 유리 Ge₂₆Ga₅S₇₀에 Pr⁺³과 Er⁺³이 도핑된 광섬유를 얻었다.

상기 광섬유를 디스크 형태(직경 10㎜, 두께 3㎜)로 자른 다음, 연마하였다. 그 후, 시료의 형광 스펙트럼과 형광 수명을 측정하였다. 이 때 여기광원으로는 Er⁺³의⁴I_11/2준위의 흡수가 최대가 되는 980㎚ 파장의 레이저를 사용하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 측정되었다(도 6a).

상기 실시예 6에 따르면, Ge-As-Ga-S계 유리 뿐만 아니라 Ge-Ga-S계 유리에서도 Pr⁺³과 Er⁺³을 동시에 첨가함으로써 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의 1.55㎛ 파장 대역에서 겸용가능한 광증폭기 형성재료로 사용가능하다는 것을 알 수 있었다.

실시예 7

Pr⁺³300ppm 대신 Pr⁺³500ppm을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유를 제조하였다.

측정 결과, Pr⁺³의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역과 Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출이 동시에 관찰되었다(도 6b). 그리고 Pr⁺³이온의 농도가 증가할수록 도 3의 과정 ②와 ⑥의 에너지 전달이 이루어져 Pr⁺³이온의¹G₄준위의 1.3㎛ 파장 대역의 형광 방출 세기가 증가하였고, Er⁺³의⁴I_13/2준위의 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출 세기가 감소하였다. 그런데, 1.3㎛ 파장 대역의 형광 방출 세기 증가비가 1.55㎛ 파장 대역의 형광 방출 세기 감소비보다 작으므로 도 3에서 과정 ⑥의 에너지 전달이 과정 ②의 에너지 전달보다 빠르게 증가하는 것을 알 수 있었다.

상기 결과를 종합해 볼 때, Pr⁺³이온의 농도를 증가시키는 것은 바람직하지 않다는 것을 알 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 광증폭기는 1.3㎛ 파장 대역과 1.55㎛ 파장 대역에 동시에 사용할 수 있다. 이 광증폭기는 종래의 Pr⁺³이온 함유 광섬유 증폭기나 또는 Er⁺³이온 함유 광섬유 증폭기를 사용한 경우에 비하여 광증폭 효율이 향상된다.

Claims

유리에 희토류 이온이 도핑되어 있는 광증폭기용 광섬유에 있어서,

상기 희토류 이온으로서 Pr⁺³이온과 Er⁺³이온을 함께 사용하고,

상기 유리가 불화물계 유리 또는 황화물계 유리인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 황화물계 유리가 Ge-As-Ga-S계 또는 Ge-As-S계 유리인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 불화물계 유리가 ZBLAN인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 Pr⁺³및 Er⁺³이온의 혼합중량비가 1:1 내지 1:3인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 광증폭기의 여기광원으로는 Er⁺³이온의 흡수가 발생하는 파장의 레이저를 사용하는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 Pr⁺³이온의 함량이 100 내지 1000ppm 이고, Er⁺³이온의 S함량이 100 내지 5000ppm인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.