KR100345313B1 - 툴륨 및 디스프로슘 공동 첨가 유리 및 그를 이용한 광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 툴륨 이온(Tm³⁺) 첨가 유리 광섬유를 광증폭 매질로 하고 Tm³⁺:³H₄→³F₄천이를 이용하여 1.47 ㎛ 대역의 효율 높은 광증폭기를 구현하기 위한 것으로, 새로운 활성 이온 조성의 유리로서 툴륨 이온(Tm³⁺)과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)을 공동 첨가한 유리 및 그를 이용한 광소자를 제공하는데 특징이 있다. 본 발명은 툴륨 이온 여기 준위 중의 하나인³H₄에서 역시 여기 준위의 하나인³F₄로 천이하는 1.47 ㎛ 대역의 천이를 광증폭에 이용하기 위해서 툴륨 이온(Tm³⁺)과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)을 공동 첨가한 유리를 광증폭 매질로 이용하여 상위 준위인³H₄로의 밀도 반전이 효율적으로 이루어지도록 한다.

Description

툴륨 및 디스프로슘 공동 첨가 유리 및 그를 이용한 광소자{Tm and Dy-co-doped glass and Optical device using the same}

본 발명은 광소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 툴륨 이온(Tm³⁺)과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)이 공동 첨가된 유리 및 이를 광증폭 매질로 이용하는 1.47 ㎛ 대역의 고효율 광증폭기 등과 같은 광소자에 관한 것이다.

툴륨 이온(Tm³⁺)은 현재 상용화되어 있는 0.8 ㎛ 대역 레이저 다이오드로 간편하게 여기시킬 수 있는 활성 이온으로서, 1.47 ㎛ 대역과 1.8 ㎛, 2.3 ㎛ 대역의형광이 방출되며 이 형광에 해당하는 천이를 이용하여 광증폭기를 구현할 수 있다.

툴륨 이온(Tm³⁺)이 첨가된 광섬유를 광도파로형 광증폭기 분야에 이용하는 종래기술로는 다음과 같은 것이 있다. 툴륨 이온(Tm³⁺)과 홀뮴 이온((Ho³⁺)을 공동 첨가하여 Tm³⁺:³F₄에서 Ho³⁺:⁵I₇으로 비복사 에너지 전달을 유도하여 툴륨에 의한 1.5 ㎛와 홀뮴에 의한 2.1 ㎛ 레이저를 동시에 발진하는 방법을 이용한다. 그리고, 광섬유 레이저를 구성할 때 1.46 ㎛ 및 1.86 ㎛를 동시에 발진할 수 있도록 두 쌍의 반사경을 사용하여 파브리-페롯 형태의 연차적 연속 레이저를 구현한다. 또한, 툴륨 이온과 터븀 이온을 공동 첨가하여 Tm³⁺:³F₄에서 Tb³⁺:⁷F₀로 비복사 에너지 전달을 유도하여 툴륨 이온의³H₄-³F₄준위 간 계속적인 밀도 반전을 이루어 연속 레이저 발진이 가능하게 하는 방법도 이용되고 있다. 그리고, 툴륨 이온을 첨가한 광섬유에서 1.064 ㎛ 상향 전이 펌프 구조를 이용하여³H₄-³F₄준위 간 밀도 반전을 이루고, 1.47 ㎛ 대역 광섬유 광증폭기를 구현하기도 한다.

희토류 이온의 특정 형광 천이를 이용하여 효율 높은 광증폭기를 구현하기 위해서는, 우선 해당 천이의 유도 형광 방출 단면적이 커야 하고, 상위 준위의 형광 수명 및 흡수 단면적이 커야 한다. 또한 필수적으로 해당 천이의 상위 준위와 하위 준위 사이의 전자 밀도 반전이 계속적으로 이루어져야 한다. 1.47 ㎛ 대역 툴륨 첨가 광섬유 광증폭기(Thulium Doped Fiber Amplifier)는 Tm³⁺:³H₄→³F₄천이를 이용하는데³F₄는 여기 준위의 하나이고³H₄보다 형광 수명이 길기 때문에 하위 준위의 전자 밀도가 상위 준위의 밀도 보다 커지므로 효과적인 광증폭 작용을 할 수 없게 된다.

³F₄상태에 있는 툴륨 이온의 전자 밀도를 빠르게 낮추는 방법의 하나로 비복사 에너지 전달 과정을 통해³F₄상태의 툴륨 이온의 에너지를 빼앗아 빠르게 기저 상태로 떨어뜨려 주는 공동첨가제를 이용하는 방법이 있다. 현재까지 알려진 공동첨가제로는 터븀 이온(Tb³⁺), 홀뮴 이온(Ho³⁺) 또는 유로퓸 이온(Eu³⁺) 이 있는데, 그 중 어느 하나 또는 둘 이상을 툴륨 이온(Tm³⁺)과 함께 첨가하여 1.47 ㎛ 대역 툴륨 첨가 광섬유형 광증폭기의 광섬유를 형성한다.

툴륨 이온(Tm³⁺)과 터븀 이온(Tb³⁺)이 첨가된 유리를 광증폭기의 광증폭 매질로 이용할 경우³H₄로 여기된 툴륨 이온은 1.47 ㎛ 대역의 형광을 발생하면서 복사 천이를 통해³F₄로 천이하고 다시 비복사 에너지 전달 과정을 통해 이웃한 터븀 이온의⁷F₀로 여기 에너지를 전달하고 기저 준위로 복귀한다.⁷F₀로 여기된 터븀 이온은 준위간 에너지 간격이 매우 좁으므로 다중 포논 완화 과정을 통해 빠르게 기저 준위로 떨어지게 된다. 이런 과정을 통해 Tm³⁺:³H₄-³F₄준위간 연속적 전자 밀도 반전을 이루게 된다.

그리고, 홀뮴 이온(Ho³⁺)과 툴륨 이온(Tm³⁺)이 함께 첨가된 유리에서는 Tm³⁺:³F₄→³H₆천이와 Ho³⁺:⁵I₇←⁵I₈천이의 교차완화를 통해 터븀 이온(Tb³⁺)과 유사한 과정으로 연속적 전자 밀도 반전을 이루게 된다.

이와 같이, 터븀 이온(Tb³⁺), 홀뮴 이온(Ho³⁺) 또는 유로퓸 이온(Eu³⁺)을 툴륨 이온(Tm³⁺)과 함께 첨가하는 종래 방법은 Tm³⁺:³F₄의 밀도를 낮추는 효과는 있으나 1.47 ㎛ 방출에 비해 형광 방출 분배율이 높은 0.8 ㎛의 증폭된 자발 방출을 억제할 수 없으므로 광증폭 이득의 포화 값이 0.8 ㎛ 형광에 의해 결정될 수 있다. 또한, Tm³⁺:³H₄-³H₅천이가 Tb³⁺:⁷F₆-⁷F₃흡수에 의해 교차 완화로 에너지가 전달됨에 따라 Tm³⁺:³H₄의 형광 수명도 줄어드는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 툴륨 이온 첨가 유리를 광증폭 매질로써 구비하는 1.47 ㎛ 대역 광섬유형 광증폭기에서³H₄→³F₄준위간 밀도 반전을 효율적으로 이루어 광증폭 효율을 높일 수 있는 툴륨(Tm³⁺) 및 디스프로슘(Dy³⁺) 공동 첨가 유리 및 그를 이용한 광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 툴륨 이온과 디스프로슘 이온의 에너지 준위도,

도2는 툴륨 첨가 텔루라이트 유리의 여기 스펙트럼(A) 및 툴륨, 디스프로슘 공동 첨가 텔루라이트 유리의 여기 스펙트럼(B)을 보이는 그래프,

도3은 툴륨 이온, 터븀 이온, 홀뮴 이온의 에너지 준위도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광소자의 매질로 이용되는 유리에 있어서, 툴륨 이온 및 디스프로슘 이온이 공동 첨가된 조성을 갖는 유리를 제공한다.

상기 유리에서 기지 유리로는 텔루라이트 유리, 중금속 산화물 유리, 불화물 유리 및 찰코지나이드 유리 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 상기 유리에는 터븀 이온 또는 유로퓸 이온이 더 첨가될 수도 있다.

또한, 본 발명은 상기 유리 중 어느 하나로 이루어지는 광섬유를 포함하는 광소자를 제공한다. 상기 광소자는 1.42 ㎛ 내지 1.53 ㎛ 대역의 광증폭기 또는 광섬유 레이저이다.

전술한 바와 같이 툴륨 이온은 0.79 ㎛ 펌프광에 의해 0.8 ㎛ 대역과 1.47 ㎛, 1.8 ㎛, 2.3 ㎛ 대역의 형광이 방출되며 이 형광에 해당하는 천이를 이용하여 광증폭기를 구현한다. 특히 여기 준위 중의 하나인³F₄로 천이하는 1.47 ㎛ 대역의천이를 광증폭기로 응용하기 위해서는 상위 준위인³H₄로의 밀도 반전이 효율적으로 이루어져야 한다.

0.79 ㎛의 펌프광을 이용하여 툴륨 이온을³H₄로 여기시킨 후³F₄로 천이시키면³H₄에 비하여³F₄의 형광수명이 길기 때문에³F₄상태에 있는 툴륨 이온의 전자 밀도를 빠르게 낮추어 주어야 효과적인 광증폭 작용을 할 수 있다.

³F₄여기 상태에 있는 툴륨 이온을 비복사 에너지 전달 과정을 통해 빠르게 기저 상태로 떨어뜨려 주는 공동첨가제로서 종래에는 터븀 이온(Tb³⁺)과 유로퓸 이온(Eu³⁺), 홀뮴 이온(Ho³⁺)을 첨가하였으나, 본 발명은 텔루라이트 유리, 중금속 산화물 유리, 불화물 유리 또는 찰코지나이드 등과 같은 기지 유리에 툴륨 이온과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)을 공동 첨가하는데 본 발명의 특징이 있다.

도1은 툴륨 이온(Tm³⁺)과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)을 공동 첨가했을 때 여기 및 각종 천이와 에너지 전달 과정을 보이는 에너지 준위도이다.

0.79 ㎛의 펌프광으로 툴륨 이온을 기저 상태(³H₆)에서³H₄로 여기시키면³H₄→³H₅(2.3 ㎛),³H₄→³F₄(1.47 ㎛),³H₄→³H₆(0.8 ㎛)의 세 가지 천이를 통해 3가지파장의 형광을 발생하게 된다.³F₄로 천이한 툴륨 이온은 다시³F₄→³H₆천이(1.8 ㎛)를 통해 기저 상태로 천이하는데³F₄의 형광 수명이³H₄보다 매우 크기 때문에 시간이 경과하면³F₄의 밀도가³H₄보다 증가하여 펌프광을 강하게 하더라도 연속적인 전자 밀도 반전을 이룰 수 없게 된다. 그러나 본 발명에서와 같이 툴륨 이온과 디스프로슘 이온을 공동 첨가할 경우³F₄상태의 툴륨 이온은 비복사 에너지 전달 과정을 통해 디스프로슘의⁶H_11/2로 에너지를 급속히 전이하고 기저 상태로 천이함으로써 형광 수명이 크게 짧아져³H₄-³F₄간의 계속적인 밀도 반전을 이룰 수 있게 된다.⁶H_11/2로 여기된 디스프로슘 이온은 포논에너지가 높은 규산계 유리를 비롯한 산화물 유리의 경우 다중 포논 완화 과정을 거쳐 빠르게 기저 상태로 비복사 천이하나, 포논에너지가 낮은 황화물, 불화물 유리는 다중 포논 완화와 함께 복사-흡수 과정을 거쳐 기저 상태로 천이하게 된다.

디스프로슘 이온(Dy³⁺)을 공동 첨가하였을 때 얻을 수 있는 또 하나의 장점은,³H₄로 여기된 툴륨 이온에서 1.47 ㎛(³H₄→³F₄) 유도 방출 형광 이외에 발생하는0.8 ㎛(³H₄→³H₆) 파장의 증폭된 자발 방출 형광을 Dy³⁺:⁶F_5/2←⁶H_15/2로 흡수하여 억제함으로써 포화 증폭 강도를 향상시킬 수 있다는 것이다.

터븀 이온(Tb³⁺), 홀뮴 이온(Ho³⁺) 또는 유로퓸 이온(Eu³⁺)을 툴륨 이온과 함께 첨가하는 종래 방법은 0.8 ㎛의 증폭된 자발 방출을 억제할 수 없으므로 광증폭 이득의 포화 값이 0.8 ㎛ 형광에 의해 결정될 수 있고, Tm³⁺:³H₄-³H₅천이가 Tb³⁺:⁷F₆-⁷F₃흡수에 의해 교차 완화로 에너지 전달됨에 따라 Tm³⁺:³H₄의 형광 수명도 감소하는데 반하여, 본 발명에 이용되는 디스프로슘 이온(Dy³⁺)은 2.3 ㎛ 대역의 흡수대가 없어 Tm³⁺:³H₄-³H₅천이의 교차 완화의 염려가 없고, 1.8 ㎛ 대역의 흡수 밴드(⁶H_9/2,⁶F_11/2) 뿐만 아니라 0.8 ㎛ 대역에도 흡수 밴드(⁶F_5/2)를 가지고 있어 Tm³⁺:³H₄→³H₆에 의한 증폭된 자발 방출 형광을 억제할 수 있다. 디스프로슘 이온(Dy³⁺)의 0.8 ㎛ 대역 흡수 밴드(⁶F_5/2←⁶H_15/2)는 밴드폭이 좁고 툴륨 이온(Tm³⁺)의 펌프광 흡수 밴드(³H₄←³H₆)와 중심 파장이 약 10 ㎚ 이상 차이가 있어 툴륨의 흡수 효율을 저해하지 않고 툴륨 이온의 0.8 ㎛ 대역의 방출 형광만을 흡수할 수 있다. 이것은 도2의 툴륨 단독 첨가 텔루라이트 유리의 1.47 ㎛ 형광을 모니터링한0.8 ㎛ 대역의 여기 스펙트럼(A)과 툴륨, 디스프로슘 공동 첨가 텔루라이트 유리의 여기 스펙트럼(B) 비교를 통하여 확인할 수 있다. 또한 Tm³⁺:³H₄의 형광 수명을 측정한 결과 0.1 몰% 툴륨을 단독 첨가한 텔루라이트 유리의 형광 수명이 약 370 ㎲이고 0.1 몰% 툴륨과 0.1 몰% 디스프로슘을 공동 첨가한 같은 조성의 텔루라이트 유리의 형광 수명이 약 350 ㎲로 양쪽의 차이가 거의 없음을 통해서도 확인할 수 있다.

홀뮴 이온(Ho³⁺)을 툴륨 이온(Tm³⁺)과 함께 첨가하는 종래의 방법은 교차 완화에 의해 여기된 홀뮴 이온(Ho³⁺)이 방출하는 2.1 ㎛ 형광을 흡수하는 터븀 이온 또는 유로퓸 이온을 다시 첨가해야 하는데 비해 본 발명의 디스프로슘 이온은 단독으로 첨가해도 문제가 없다. 도3은 툴륨 이온과 터븀 이온, 홀뮴 이온을 첨가하였을 때 흡수 및 방출 구조를 에너지 준위도에 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에서 제안한 활성 이온으로 작용을 하는 희토류 이온들은 과량으로 첨가될 경우 이온 간 비복사 천이가 활발해져 오히려 광증폭 효율을 저해할 수 있다. 툴륨 이온의 경우 너무 과량이 첨가될 경우³H₄→³H₆천이의 에너지가³F₄←³H₆에 흡수되는 자기 교차 완화에 의해 Tm³⁺:³H₄의 형광 수명이 감소하는 현상이 발생하므로 0.5 몰% 이상 첨가하는 것은 바람직하지 않다. 또한 디스프로슘 이온의경우도 너무 과량이 첨가될 경우 Tm³⁺:³H₄의 에너지가 Dy³⁺:⁶F_5/2로 비복사 천이되어 Tm³⁺:³H₄의 형광 수명을 감소시킬 염려가 있으므로 1.0 몰% 이상 첨가하는 것은 광증폭 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 터븀 이온이나 유로퓸 이온은 툴륨과 디스프로슘에 비해서는 비복사 천이에 의한 문제가 작은 편이나 역시 과량 첨가 시 교차 완화에 의해 Tm³⁺:³H₄의 형광 수명이 감소하는 경향이 있으므로 2.0 몰% 이상 첨가하는 것은 바람직하지 않다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 광소자의 매질, 광섬유를 이루는 유리로서 기지 유리에 툴륨 이온(Tm³⁺)과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)이 공동 첨가된 유리 및 이러한 유리를 구비하는 광소자를 제공함으로써, 종래의 방법 보다 높은 효율을 가지는 1.47 ㎛ 대역(1.42 ㎛ 내지 1.52 ㎛) 툴륨 첨가 광섬유 광증폭기를 제조할 수 있다.

이와 같이 툴륨 이온(Tm³⁺)과 디스프로슘 이온(Dy³⁺)이 공동 첨가된 유리로 이루어지는 광섬유를 구비하는 광증폭기는 석영 유리 광섬유를 통한 파장 분할 다중 광통신 전송 구조에 있어 필수 불가결한 제3 통신 창 영역(1.4㎛ 내지 1.8㎛)을 넓게 포괄하는 광대역 광증폭기의 주요 부분을 담당할 수 있다.

Claims (5)

1. 툴륨 이온 및 디스프로슘 이온이 공동 첨가된 조성을 갖는 것을 특징으로 하는,

   1.42㎛ 내지 1.52㎛ 대역의 광증폭기 또는 광섬유 레이저 매질로 이용되는 유리.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유리의 기지 유리는

   텔루라이트 유리, 중금속 산화물 유리, 불화물 유리 및 찰코지나이드 유리 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유리.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유리에는 터븀 이온 또는 유로퓸 이온 중 적어도 어느 하나가 더 첨가된 것을 특징으로 하는 유리.
4. 상기 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 유리로 이루어지는 광섬유를 포함하는 1.42 ㎛ 내지 1.52 ㎛ 대역의 광증폭기 또는 광섬유 레이저.
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