KR100322129B1

KR100322129B1 - 광증폭기용 광섬유

Info

Publication number: KR100322129B1
Application number: KR1019990001647A
Authority: KR
Inventors: 허종; 신용범; 정선태; 김현수
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2002-02-04
Also published as: EP1022823B1; EP1022823A2; CN1174267C; JP3415088B2; CN1262447A; JP2000216469A; US6480663B1; DE60012380D1; DE60012380T2; KR20000051293A; EP1022823A3

Abstract

본 발명은 1.31㎛ 파장대의 광증폭효율이 개선된 Dy⁺³함유 광증폭기용 광섬유를 제공한다. 상기 광증폭기용 광섬유는 Ge-Ga-S계 유리 또는 Ge-Ga-As-S계 유리에 희토류 원소인 Dy⁺³이 도핑되어 있고, 상기 Ge-Ga-S계 유리에 알칼리 금속-할로겐화물 1 내지 20몰%가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 Dy⁺³이온 함유 광증폭기는, Dy⁺³과 기지의 격자 진동간의 상호작용을 최소화함으로써 Dy⁺³의⁶F_11/2,⁶H_9/2준위에서 최인접 하위 준위인⁶H_11/2준위사이에서 발생하는 다중 포논 완화 속도를 극소화시킴으로써 1.31㎛ 형광 준위의 수명을 연장시킴으로써 형광효율이 매우 개선된다.

Description

광증폭기용 광섬유{Optical fiber for optical amplifier}

본 발명은 광증폭기용 광섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 1.31㎛ 파장대의 광증폭효율이 개선된 Dy⁺³함유 광증폭기용 광섬유에 관한 것이다.

실리카 유리의 영분산대역인 1310㎚ 파장의 광증폭기 제조시, 유리에 도핑하는 희토류 원소로서 Nd⁺³, Pr⁺³, Dy⁺³등을 사용하는 것이 일반적이다. 그런데, 희토류 원소로서 Nd⁺³을 사용하는 경우에는, 다음과 같은 문제점이 있다.

즉,⁴F_3/2준위에서⁴I_13/2준위로 천이되는 과정에서 발생하는 형광의 중심파장이 1.35㎛로서 영분산대역으로부터 상당히 떨어져 있으며,⁴F_3/2준위에서 발생하는 다른 파장(890㎚, 1064㎚)의 형광에 비하여 1.35㎛ 영역에서의 형광의 세기가 매우 약하고⁴F_3/2준위에서의 여기 준위 흡수(excited state absotption)에 의하여 1.31㎛ 파장대에서의 광이득이 저하된다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 실리카 유리 대신 불화물계 유리를 사용하는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법도 1.31㎛ 파장 영역에서의 광이득을 크게 향상시키지는 못했다.

반면, 유리에 도핑하는 희토류 원소로서 Pr⁺³을 사용하는 경우는,¹G₄준위와³H₅준위 사이의 천이과정에서 방출하는 형광을 이용한다. 이 때 이러한¹G₄준위와³H₅준위 사이의 천이 확률이 다른 천이 확률에 비하여 월등히 높기 때문에 광증폭효율이 높을 것으로 예상된다.

그러나, Pr⁺³을 실질적으로 적용해보면,¹G₄준위와 바로 하위 준위인³F₄준위와의 에너지 차이가 3000cm^-1정도로 작은 편이라서 기지 재료로서 격자 진동 에너지가 큰 산화물계 유리(hω＞800cm^-1)를 사용하는 경우에는 다중 격자 진동 완화로 인하여¹G₄준위로 여기된 Pr⁺³이온 에너지가 열로 방출되는 비복사 천이 확률이 매우 높아지게 됨으로써 광증폭효율이 저하된다. 따라서, Pr⁺³를 이용한 광증폭 소자 재료로는 격자 진동 에너지가 낮은 물질을 사용해야만 양호한 광증폭효율을 기대할 수 있다.

격자 진동 에너지가 낮은 물질로는 ZrF₄를 함유한 불화물계 유리가 알려져 있다(Y, Ohoshi, T. Kanamori, T. Kitagawa, S. Takahashi, E. Snitzer & G. H. Siegel, Jr, 'Pr⁺³-doped fluoride fibre amplifier perating at 1.31㎛' Opt. Lett.16, 1747(1991) 및 Y. Durteste, M. Monerie, J. Y. Allain, and H. Poignant, 'Amplification and lasing at 1.31㎛ in praseodymium doped fluorozirconate fibres' Electron. Lett, 27, 626 (1991)).

그런데, 이러한 불화물계 유리는 양자 효율이 4% 이하로 매우 낮아서 만족할만한 성능 발현이 어려운 단점이 있다. 이에 최근에는 기지 재료로서 불화물계 유리보다 격자 진동에너지가 보다 낮은 황화물계 유리를 이용하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.(P. C. Becker, M. M. Borer, V. C. Lambrecht, A. J. Bruce and C. Nykolak, 'Pr⁺³La-Ga-S glass: A promising material for 1.31㎛ fiberamplication' in Tech. Digest of Topical Meeting Optical Amplifiers and their Applications, PDP5(1992) 및 K. Wei, D. P. Machewirth, J. Wenzei, E. Snitzer and G. H. Siegel Jr., 'Pr⁺³-doped Ge-Ga-S glasses for 1.31㎛ optical fiber amplifiers ' J. Non-Cryst. Solid, 182, 257(1995))

도 1은 Dy⁺³의 에너지 준위도이다. 이를 참조하면, Dy⁺³에서 방출되는 1.31㎛ 형광은, 여기 준위인⁶F_11/2,⁶H_9/2준위에서 기저준위인⁶H_15/2준위로 천이하는 과정에서 발생하며, Er⁺³과 동일한 3-준위 레이저 형태를 나타낸다는 것을 알 수 있다.

한편, 하기 표 1은 칼코지나이드(chalcogenide) 유리 기지를 사용하여 Dy⁺³과 Pr⁺³에서 발생하는 1.31㎛ 형광의 광증폭 성능 인자를 비교하여 나타낸 것이다.

구분	Pr	Dy
유도방출단면적(10^-20㎠)	1.05	4.35
형광수명(μs)	300	38
양자효율(%)	0.60	0.17
분기율(branching ratio)(%)	0.6	0.91

상기 표 1로부터, Dy⁺³의 경우, Pr⁺³의 경우에 비하여 유도방출단면적이 4배 이상으로 크고, 분기율도 크다는 것을 알 수 있었다. 또한, Dy⁺³은 Pr⁺³과는 달리 근적외선 영역에 다수의 큰 흡수대가 존재하므로 여기가 용이한 장점을 가지고 있다. 그러나, Dy⁺³의 형광수명을 실질적으로 측정해보면 Pr⁺³의 10% 정도에 불과하여 형광효율이 매우 낮고, 이로써 광증폭에 필요한 이득 계수가 매우 작다는 단점을 가지고 있다.

Dy⁺³의 형광수명이 작은 원인은 다중 포논 완화 현상에서 기인된 것인데, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

즉, 여기 준위인⁶F_11/2,⁶H_9/2준위와 최인접 하위 준위인⁶H_11/2준위 사이의 에너지 차이가 약 1800㎝^-1로 Pr⁺³의 경우보다 더 작아 다중 포논 완화속도가 1.31㎛ 형광의 방출 속도를 훨씬 능가하기 때문에 여기된 이온 에너지의 대부분이 이온간 에너지의 상호작용에 의하여 손실된다. 따라서 포논 에너지가 큰 산화물계 유리는 물론, 포논 에너지가 비교적 작은 불화물계 유리를 Dy⁺³의 기지로 사용할 경우에도 형광 발생이 불가능하며 황화물계 유리에서만 형광 발생이 확인되었다.

상술한 바와 같이, Dy⁺³은 광증폭의 활성 이온으로서 충분한 가능성을 지니고 있음에도 불구하고, 그 가능성을 확인해줄 수 있는 기지 재료가 제대로 개발되지 않아서 1.31㎛ 파장대 광증폭기의 활성 이온으로서의 응용이 제한되어 왔다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 1.31㎛ 파장대의 광증폭효율이 개선된 Dy³⁺함유 광증폭기용 광섬유를 제공하는 것이다.

도 1은 Dy⁺³의 에너지 준위도이고,

도 2는 본 발명의 실시예 1-4 및 비교예에 따라 제조된 광증폭기용 광섬유에 914nm 파장의 레이저를 조사하는 경우, Er⁺³의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면이고,

도 3은 본 발명의 실시예 1-4 및 비교예에 따라 제조된 광증폭기용 광섬유에 914nm 파장의 레이저를 조사하는 경우, Er⁺³의 1.31㎛ 형광에 있어서 시간 경과에 따른 형광세기의 감쇄곡선이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, Ge-Ga-S계 유리에 희토류 원소인 Dy³⁺이 도핑되어 있고,

상기 Ge-Ga-S계 유리에 알칼리 금속-할로겐화물 1 내지 20몰%가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유를 제공한다.

바람직하게는, 상기 알칼리 금속-할로겐화물은 KBr, CsBr, KI 또는 CsI이다.

상기 알칼리 금속-할로겐화물의 함량은 Ga의 함량과 동일하거나 많고, 상기 알칼리 금속-할로겐화물은 KBr 또는 CsBr인 것이 1.31㎛ 형광 수명 개선면에서 바람직하다.

또한, 상기 Ge-Ga-S계 유리에서 Ga의 함량이 10 몰% 이상인 경우에는, 알칼리 금속-할로겐화물의 함량은 Ga의 함량과 동일하거나 많고, 상기 알칼리 금속-할로겐화물은 KI 또는 CsI인 것이 1.31㎛ 형광 수명 개선면에서 바람직하다.

본 발명의 기술적 과제는 또한, Ge-Ga-As-S계 유리에 희토류 원소인 Dy³⁺이 도핑되어 있고,

상기 Ge-Ga-As-S계 유리에 알칼리 금속-할로겐화물 1 내지 20 몰%가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유에 의하여 이루어진다.

Dy³⁺내⁶F_11/2,⁶H_9/2준위의 1.31㎛의 형광수명 및 광증폭효율은,⁶F_11/2,⁶H_9/2준위로 여기된 에너지가 빛이외의 다른 형태로 바뀌어 소모되는 비복사천이 정도에 의하여 크게 달라진다. 이러한 비복사 천이 현상은 도 1에 나타난 바와 같이 유리의 격자 진동 에너지에 의한 다중 격자 진동 완화 현상(도 1의 ①)과 근접 Dy³⁺이온간의 에너지 전달 현상(도 1의 ②)으로 대별된다.

Dy³⁺내⁶F_11/2,⁶H_9/2준위의 전자밀도를 감소시켜 광증폭효율을 저해하는 요인으로는, 상술한 비복사 천이 현상중 격자 진동에 의한 다중 포논 완화 현상이다. 따라서 Dy³⁺을 1.31㎛ 광증폭용 활성 이온으로 사용하기 위해서는 다중 포논 완화 속도를 최소화하는 것이 선결과제이다. 여기에서 '다중 포논 완화'란 희토류, 전이금속, 그 밖의 발광 이온이 결정, 유리 등과 같은 고체 기지내에 존재하는 경우, 외부의 에너지를 흡수하여 이온이 들뜬 상태가 된 후 바닥 상태 또는 하위 준위로 전이하는 과정에서 유용한 빛에너지가 발생되는 것을 의미한다. 이러한 다중 포논 완화에 있어서, 이온을 둘러싸고 있는 기지 구성 원소의 준위와 그의 최인접 하위 준위 사이의 에너지 차이는 매우 중요한 인자이다. 일반적으로 두 에너지 준위의 에너지 차이는 기지의 격자 진동 에너지의 수배 이상 크므로 여기된 이온의 에너지를 기지의 격자 진동에 의하여 소모시키기 위해서는 수개의 포논이 필요하며, 이 때 다중 포논 완화 속도는 포논 갯수에 지수적으로 반비례하게 된다. 따라서 에너지 준위간 차이가 일정한 경우, 기지의 격자 진동 에너지가 가능한 작아야 다중 포논 완화 속도를 줄일 수 있게 된다.

그런데, 격자 진동 에너지는 격자를 구성하는 원자의 질량의 제곱근에 반비례하고 각 원자 사이의 결합상수의 제곱근에 비례하므로 구성 원자 질량이 크고 결합력이 약한 기지를 사용하는 것이 다중 포논 완화 속도를 감소시킬 수 있다. 또한 다중 포논 완화 속도는 희토류 이온내의 전자와 주위의 격자 진동간의 커플링(coupling) 강도에 크게 의존한다. 따라서 다중 포논 완화 속도를 감소시키기 위해서는 희토류 이온내의 전자와 주위의 격자 진동간의 커플링 강도를 극소화시키는 것이 바람직하다.

한편, 황화물계 유리는 격자 진동 에너지가 약 350㎝^-1정도로 산화물계 유리와 불화물계 유리에 비하여 현저하게 낮기 때문에 다중 포논 완화 속도가 느릴 것으로 기대된다. 그러나, 고체 기지로서 황화물계 유리를 사용한 경우 Dy³⁺내⁶F_11/2,⁶H_9/2준위의 형광수명이 대략 40μs로 매우 작아 양자 효율이 20% 미만이 되는 문제점이 있다. 따라서 황화물계 유리내 전자-전자 커플링 강도를 감소시키는 것이 필요하다.

이에 본 발명에서는 일반적인 황화물계 유리를 사용하여 격자 진동 에너지를 낮추는 동시에, 황화물계 유리의 구성 원소에 비하여 질량이 크면서 전자-포논 커플링 강도가 현저하게 작은 브롬 또는 요오드를 첨가하여 Dy³⁺과 기지의 격자 진동간의 상호작용을 최소화하여 Dy³⁺에서 발생하는 1.31㎛ 파장대 형광의 효율을 증대하고자 한 것이다.

이하, 본 발명의 광증폭기용 광섬유에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

본 발명의 광증폭기용 광섬유는 Ge-Ga-S계 유리 또는 Ge-Ga-As-S계 유리에희토류 원소인 Dy³⁺이 도핑되어 있으며, 상기 유리에 알칼리 금속-할로겐화물이 함유되어 있다. 여기에서 알칼리 금속-할로겐화물은 특별히 한정되지는 않으나, KBr, CsBr, KI 또는 CsI인 것이 바람직하며, 그 함량은 Ge-Ga-S계 유리 또는 Ge-Ga-As-S계 유리를 기준으로 하여 1 내지 20몰%인 것이 바람직하다. 알칼리 금속-할로겐화물의 함량은 보다 바람직하게는, 1 내지 10 몰%이다. 만약 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 1몰% 미만인 경우에는 광효율 특성이 우수하지 않고, 20 몰%를 초과하는 경우에는 열적 및 화학적 성질이 저하되어 바람직하지 못하다.

Ge-Ga-As-S계 유리는 Ge-Ga-S 유리의 광섬유 제조시 문제되는 결정화 성향을 최소화하기 위하여 고안된 조성으로서, Ge는 25 내지 30%, Ga는 2 내지 10%, As는 5 내지 10%, S는 60 내지 65%이다.

희토류 원소인 Dy³⁺의 도핑량은 Ge-Ga-S계 유리 또는 Ge-Ga-As-S계 유리를 기준으로 하여 0.1몰% 이하인 것이 바람직하다. 여기에서 Dy³⁺의 도핑량이 0.1몰%를 초과하는 경우에는 교차 완화에 의한 농도 소광 현상이 발생하여 광증폭효율이 저하되므로 바람직하지 못하다.

상기 알칼리 금속-할로겐화물의 함량은 Ga의 함량과 동일하거나 많은 것이 바람직하다. 그중에서도 특히 알칼리 금속-할로겐화물의 함량은 Ga의 함량과 동일한 것이 보다 바람직한데, 그 이유는 이러한 조건일 때 화학적 내구성과 희토류 용용해도 특성이 가장 우수하기 때문이다. 만약 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 Ga의 함량에 비하여 지나치게 많은 경우에는 유리의 열적 안정성과 희토류의 용해도가 급격하게 저하된다. 그리고 상기 알칼리 금속-할로겐화물은 KBr 또는 CsBr인 것이 1.31㎛ 형광 수명 개선면에서 바람직하다. 부언하자면, 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 Ga의 함량에 비하여 작은 경우나 또는 알칼리 금속-할로겐화물로서 CsI과 CsBr을 사용한 경우는 1.31㎛ 형광 수명 증가폭이 그다지 크지 않다.

구체적인 예를 들자면, 0.95[Ge₃₂Ga₅S₆₃]-0.05KBr 및 0.95[Ge₃₂Ga₅S₆₃]-0.05CsBr인 경우가 0.95[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.05KBr 및 0.95[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.05CsBr인 경우에 비하여 1.31㎛ 형광 수명 증가폭이 크다.

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

실시예 1

광섬유의 출발물질로서, 순도 99.999%의 Ge, Ga, S와 99.9%의 KBr과, 99.9%의 Dy₂O₃를 이용하여 0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr를 제조하였다. 여기에서 상기 0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr에는, 0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅)]-0.10KBr를 기준으로 하여 0.05 몰%의 Dy³⁺를 도핑하였다.

상기 결과물을 아르곤 분위기의 글러브 박스내에서 칭량하여 배치 10g을 얻은 다음, 이를 실리카 앰플에 담고, 진공상태에서 봉합하였다. 이를 교반로에서 950℃에서 12시간동안 용융시킨 다음, 공냉시켰다. 상기 결과물을 유리전이온도 부근에서 2시간동안 소둔하고 나서 두께 5㎜의 디스크 형태로 절단 및 연마하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 2

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KI를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 3

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 4

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10CsI를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 5

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.05KBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 6

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.05CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 7

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₃₂Ga₅S₆₃]-0.05KBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 8

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₃₂Ga₅S₆₃]-0.05CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 9

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.96[Ge₃₂Ga₅S₆₃]-0.04CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 10

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.97[Ge₃₂Ga₅S₆₃]-0.03CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 11

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95238[Ge₂₉Ga₅S₆₆]-0.04762CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 12

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₂₉Ga₅S₆₆]-0.05KI를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 13

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₂₉Ga₅S₆₆]-0.05CsI를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

실시예 14

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 0.95[Ge₃₀AS₉Ga₁S₆₀]-0.05CsBr를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

비교예

0.90[Ge₂₅Ga₁₀S₆₅]-0.10KBr 대신 Ge₂₅Ga₁₀S₆₅를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 광섬유 시편을 제작하였다.

상기 실시예 1-14 및 비교예에 따라 제조된 광섬유에 있어서, Dy³⁺의⁶F_11/2,⁶H_9/2준위의 형광 수명을 측정하였다.

형광 수명(τ: 측정치)은 디지탈 오실로스코프(digitized oscilloscope)를 이용하여 형광 세기의 시간에 대한 감소 곡선을 얻은 다음, 형광세기가 초기값의 1/e되는 지점의 시간으로 정의한다. 그리고 양자효율(η)은 형광 수명의 측정값과 계산값의 비율로 정의한다.

여기광원으로는 Ar¹레이저로 구동되는 Ti-사파이어(sapphire) 레이저(파장: 914㎚)를 사용하였고, Ge-Ga-S-알칼리 금속 할로겐화물 유리(또는 Ge-Ga-As-S-알칼리 금속 할로겐화물 유리)내의 Dy³⁺을⁶F_2/7준위로 여기시킨 다음, 발생되는 형광을 1/4m 더블 모노크로메이터(double monochromater)로 파장을 선별하고, InSb 포토디텍터(photodetector)로 형광을 감지하였다. 그리고 감지된 형광을 컴퓨터가 연결된 록-인 증폭기(rock in amplifier)로 분석하였다.

형광 수명 측정 결과, 실시예 1의 경우는 420μs로서, 비교예의 경우(형광수명: 38μs, 양자효율: 16.6%)에 비하여 형광수명이 증가하였다. 이는 Ge-Ga-S계 유리에 KBr를 첨가함으로써 Dy³⁺의⁶F_11/2,⁶H_9/2준위에서 하위 준위인⁶H_11/2준위로의 다중 포논 완화 속도가 격감된 데에서 기인된 것이다.

실시예 2의 경우는 형광수명이 270μs이며, 실시예 3의 경우는 1.26ms로 형광수명이 최대치를 나타냈다. 실시예 3에서는 Ge-Ga-S계 유리에 CsBr을 첨가함으로써 Dy³⁺의⁶F_11/2,⁶H_9/2준위에서 하위 준위인⁶H_11/2준위로의 다중 포논 완화 속도를 매우 격감시킬 수 있었다.

실시예 4의 형광수명은 190μs이었고, 실시예 5의 형광수명은 44μs로서 비교예의 경우와 유사한 결과를 나타냈다. 실시예 6의 형광수명은 60μs, 실시예 7의 경우는 650μs, 실시예 8의 경우는 1.12ms였다.

상기 결과로부터, Ge-Ga-S계 유리에 KBr 또는 CsBr을 첨가한 경우(실시예 5-6)에는 비교예의 경우에 비하여 형광수명의 증가폭이 그다지 크지 않았으나, 모유리의 조성을 변화시키고, 여기에 KBr 또는 CsBr를 첨가하는 경우(실시예 7 및 8)는 형광수명의 증가폭이 컸다.

실시예 9의 형광수명은 107μs이고, 실시예 10의 경우는 72μs로서, 실시에 1-4 및 실시예 7-8의 경우와 같이 형광수명이 현저하게 증가하는 현상은 나타나지 않았다.

상기 실시예 1, 3, 5-10의 결과를 종합해볼 때, 브롬의 함량이 Ga의 함량에 비하여 작은 경우에는 1.31㎛ 형광 수명의 증가가 미미하다는 것을 알 수 있었다. 이를 확인하기 위하여 실시예 11에서는 Ga/CsBr=1이 되도록 Ge-Ga-S계 유리에 CsBr을 첨가하였다. 그 결과, 형광수명은 1.13ms로서, 현저하게 증가하였으며, 이로써 CsBr의 함량이 Ga의 함량과 같거나 많은 경우에만 다중 포논 완화 속도가 감소하는 현상을 보이는 것으로 판명되었다.

실시예 12의 형광수명은 55μs이고, 실시예 13의 형광수명은 59μs로서 비교예의 경우에 비하여 형광수명이 약간 증가하였다. 이러한 결과로부터 Ge₂₉Ga₅S₆₆유리 95 몰%에 KI 또는 CsI 5 몰%를 첨가한 경우에는 CsBr를 첨가하는 경우와는 달리 형광수명이 현저하게 개선되지 않는 것으로 판명되었다.

실시예 14의 경우는 720μs로서, Dy³⁺의 1.31㎛ 형광수명이 현저하게 증가되었다.

한편, 상기 실시예 1-4 및 비교예에 따라 제조된 광증폭기용 광섬유를 914㎚의 여기 광원으로 Dy³⁺의⁶F_7/2준위로 여기했을 때,⁶F_11/2,⁶H_9/2준위에서 기저 준위로 천이하면서 발생되는 1.31㎛ 형광과⁶H_11/2준위에서 기저 준위로 천이하면서 발생되는 1.71㎛ 형광 스펙트럼을 도 2에 나타내었다.

도 2를 참조하면, 비교예의 경우는 1.3㎛ 형광세기가 1.75㎛ 형광세기에 비하여 매우 작다, 이는 다중 포논 완화 속도가 Ge-Ga-S계 유리에서는 약 2000sec^-1로 1.31㎛ 형광의 자발 방출 속도(약 4000sec^-1)의 5배에 이르므로⁶F_11/2,⁶H_9/2준위로 여기된 대부분의 Dy³⁺이온은 1.31㎛ 형광을 방출하지 못하고, 하위 준위인⁶H_11/2로 천이하여 1.75㎛ 형광을 방출하기 때문이다.

반면, 실시예 1 및 3의 경우는 Ge-Ga-S계 유리에 브롬이 첨가되어 다중 포논 완화속도가 거의 무시할 정도 만큼 감소되어 1.31㎛ 형광 세기가 1.75㎛ 형광세기보다 매우 크다. 실시예 2 및 실시예 4(Ge-Ga-S계 유리에 요오드를 첨가한 경우)는 1.75㎛ 형광에 대한 1.31㎛ 형광의 상대적인 세기의 증대 폭이 브롬을 첨가한 경우(실시예 1 및 3)에 비하여 미미하였다.

한편, 상기 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3, 실시예 4 및 비교예에 따라 제조된 광증폭기용 광섬유를 914㎚의 여기 광원으로 Dy³⁺의⁶F_7/2준위로 여기했을 때,6F_11/2,⁶H_9/2준위에서 기저 준위로 천이하면서 발생되는 1.31㎛ 형광세기가 시간이 경과함에 따라 점차적으로 감소하는 것을 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, 실시예 1-4의 경우는 비교예의 경우에 비하여 형광세기가 매우 천천히 감소하므로 형광수명이 연장된 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 Dy³⁺이온 함유 광증폭기는, Dy³⁺이온이 도핑되는 유리 기지로서 격자 진동 에너지가 낮은 황화물계 유리를 사용하고, 여기에 알칼리 금속-할로겐화물을 첨가하여 Dy³⁺과 기지의 격자 진동간의 상호작용을 최소화함으로써 Dy³⁺의⁶F_11/2,⁶H_9/2준위에서 최인접 하위 준위인⁶H_11/2준위사이에서 발생하는 다중 포논 완화 속도를 극소화시킨다. 그 결과, 1.31㎛ 형광 준위의 수명을 연장시킴으로써 형광효율이 매우 개선된다.

Claims

Ge-Ga-S계 유리에 희토류 원소인 Dy³⁺이 도핑되어 있고,

상기 Ge-Ga-S계 유리에 알칼리 금속-할로겐화물 1 내지 20몰%가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물이 KBr, CsBr, KI 또는 CsI인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 Ga의 함량과 동일하거나 많은 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제3항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물이 KBr 또는 CsBr인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 Ge-Ga-S계 유리에서 Ga의 함량이 10몰% 이상일 때, 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 Ga의 함량과 동일하거나 많은 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제5항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물이 KI 또는 CsI인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
Ge-Ga-As-S계 유리에 희토류 원소인 Dy³⁺이 도핑되어 있고,

상기 Ge-Ga-As-S계 유리에 알칼리 금속-할로겐화물 1 내지 20몰%가 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제7항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물이 KBr, CsBr, KI 또는 CsI인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제7항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 Ga의 함량과 동일하거나 많은 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제9항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물이 KBr 또는 CsBr인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제7항에 있어서, 상기 Ge-Ga-As-S계 유리에서 Ga의 함량이 10 몰% 이상일 때, 알칼리 금속-할로겐화물의 함량이 Ga의 함량과 동일하거나 많은 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제11항에 있어서, 상기 알칼리 금속-할로겐화물이 KI 또는 CsI인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.