KR100597197B1 - 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리 및 광섬유 증폭기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 형태나 기타 광도파로 형태의 광증폭기로 사용할 수 있는 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리 및 이를 이용한 광섬유 증폭기에 관한 것으로서, 상세하게는 통신 분야에서 유용하게 사용될 수 있는 어븀 이온을 첨가한, 구체적으로는 +3가 어븀(Er³⁺) 이온을 첨가한 비정질 재료로부터 발생하는 1.5 ㎛ 대역의 근적외선 형광을 이용하는 광섬유 증폭기의 980 nm 대역의 여기 효율을 향상시키기 위하여 +3가 세륨(Ce³⁺) 이온 또는 세륨 이온과 +3가 이터븀(Yb³⁺) 이온을 공동으로 첨가함으로써 980 nm 파장 대역의 여기 효율을 증가시키고 1550 nm 파장대 광 증폭 특성 향상을 시킨 것이다.

Description

복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리 및 광섬유 증폭기{Er3+ and multi-ion codoped low phonon energy glass system and fiber amplifier}

도 1은 +3가 어븀(Er³⁺)이온, +3가 세륨(Ce³⁺)이온 및 +3가 이터븀(Yb³⁺)이온의 에너지 준위를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Er³⁺/Ce³⁺ 공동 첨가 유리의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 Er³⁺/Ce³⁺ 공동 첨가 유리에서 ⁴I_11/2 준위의 전이 속도의 변화를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Er³⁺/Ce³⁺ 또는 Er³⁺/Ce³⁺/Yb³⁺ 공동 첨가 유리를 적용한 광대역 광섬유 증폭기의 구성도.

본 발명은 광섬유 형태나 기타 광도파로 형태의 광증폭기에 사용되는 유리에 관한 것으로서, 특히 텔루라이트와 같은 낮은 포논 에너지를 갖는 기지에 어븀이온이 첨가된 유리에 대하여 세륨 이온을 첨가하거나 이터븀 이온과 세륨 이온을 공동첨가 함으로써 980 nm 파장 대역의 여기 효율을 증가시키고 1550 nm 파장대 광 증폭 특성을 향상시킨 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리 및 이를 이용한 광섬유 증폭기에 관한 것이다.

광섬유 증폭기는 광신호를 전기신호로 변환했다가 다시 광신호로 변환하는 과정을 거칠 필요 없이 광신호를 직접 증폭하는 장치이다. 이러한 광섬유 증폭기는 최근 광통신 네트워크 분야, 특히 장거리 광전송에 있어서 광섬유를 광도파로로 사용하는 분야에 널리 응용되고 있으며, 특히 광대역 이득 대역을 확보하기 위하여 어븀 이온을 텔루라이트 계열의 유리에 첨가한 어븀 첨가 광섬유 증폭기가 활발히 연구되고 있다. 어븀 첨가 텔루라이트 광섬유 증폭기는 어븀 첨가 실리카 혹은 실리케이트 광섬유 증폭기에 비하여 넓은 파장에 걸쳐 이득을 나타낸다. 이는 텔루라이트 유리의 굴절률이 실리카를 주성분으로 하는 유리에 비하여 크기 때문에 1.5 ㎛ 대역의 형광의 유도 방출 단면적이 크기 때문이다.

한편, 보편적인 어븀 첨가 실리카 혹은 실리케이트 광섬유 증폭기는 980 nm 또는 1480 nm로 여기할 수 있다. 1480 nm 대역의 흡수 단면적이 980 nm 대역에 비하여 크기 때문에 고출력을 요구하는 경우에는 1480 nm 여기 방법을 주로 사용하나 이 경우, 여기 파장에서 유도 방출 현상이 역시 발생하기 때문에 100 % 밀도 반전을 이룰 수 없으며 잡음 지수를 크게 하는 이유가 된다. 따라서 잡음 지수가 낮은 효과적인 여기 구도로서 980 nm 대역의 여기 구도가 반드시 필요하다. 어븀 첨가 실리카 혹은 실리케이트 광섬유에서 980 nm 대역의 여기가 효과적으로 일어날 수 있는 이유는 이 유리들의 높은 포논 에너지에 기인한다. 즉, 이 유리들의 약 1100 cm^-1에 달하는 높은 포논 에너지는 ⁴I_11/2 준위(980 nm 대역)에서 ⁴I_13/2 준위(1480 nm 대역)로 매우 빠르게 여기전자 이동을 발생시킨다. 그 결과, 이 유리들에서 ⁴I_11/2 준위의 형광 수명은 10 ㎲보다 작게 된다.

이러한 비복사 형태의 에너지 전이를 다중포논완화(multiphonon relaxation)라 하며, 이 비복사 전이의 크기는 기지 유리의 대표적인 포논 에너지에 지수적으로 비례한다. 따라서 포논에너지가 약 800 cm^-1 이하인 유리에서는 다중포논완화의 크기가 급격히 작아지므로 980 nm 여기 시 ⁴I_11/2 준위로부터 ⁴I_13/2 준위로 여기전자 이동이 효율적으로 발생할 수 없다.

현재까지 어븀이온을 첨가한 증폭기용 유리는 텔루라이트 유리(포논에너지 ~700 cm^-1)와 중금속 불화물 유리(heavy metal fluoride glass, 포논에너지 ~500 cm^-1)가 있으며 최근 황화물계 유리(chalcogenide glass, 포논에너지 ~350 cm^-1)가 어븀이온의 기지 조성으로 연구되고 있다. 이러한 낮은 포논에너지 유리들에서는 공통적으로 ⁴I_11/2 준위로부터 발생하는 다중포논완화의 크기가 작기 때문에 1.5 ㎛ 대역용 어븀 첨가 증폭기로의 응용 시 980 nm 여기 효율을 저하시키는 이유가 된다.

텔루라이트 유리의 경우, 어븀 이온의 ⁴I_11/2 준위의 형광 수명이 수 백 ㎲로서 실리케이트 유리의 10 ㎲보다 매우 길고, 또한 텔루라이트 유리의 포논 에너지는 일반적으로 약 700 cm^-1 정도로서 실리케이트 유리의 1100 cm^-1에 비하여 현저히 작기 때문에 ⁴I_11/2 준위에서 ⁴I_13/2 준위로의 효과적인 여기전자 이동이 어렵게 된다.

즉, 많은 여기전자들이 여기광의 여기 상태 흡수(pump excited state absorption)나 ⁴I_11/2 : ⁴I_11/2 → ⁴F_7/2 : ⁴I1_5/2에 해당하는 교차 완화(cross-relaxation) 또는 ⁴I_11/2 준위에서 ⁴I1_5/2 준위로의 형광 방출 전이에 의해서 빠져나가게 된다. 형광 방출 전이만을 고려할 경우, ⁴I_11/2 준위에서 ⁴I_13/2 준위로의 전이 분배율(branching ratio)은 전기 쌍극자 진동 강도와 자기 쌍극자 진동 강도의 영향을 모두 합해도 15%보다 작기 때문에 결국 텔루라이트 유리에서 많은 여기광이 효율적으로 ⁴I_13/2 준위를 여기시킬 수 없게 되므로, 어븀 이온을 텔루라이트 계열 유리에 사용하여 구성한 어븀 첨가 광섬유 증폭기는 980 nm 대역의 여기 효율이 1480 nm 대역의 여기 효율보다 낮다.

980 nm 대역의 여기 효율은 광섬유 광증폭기의 특성 평가의 한 항목인 이득 계수(gain coefficient), 즉 여기광의 세기에 대한 증폭기의 이득비와도 관계가 있는데, 980 nm 여기시 여기전자가 효율적으로 1480 nm 준위로 이동되지 않으면 특정 이득을 얻기 위하여 더 큰 여기광 세기가 필요해지기 때문에 이득계수(gain coefficient)가 낮아지게 되고, 높은 여기광 세기는 펌프 LD(pump Laser Diode)의 신뢰도(long-term reliability)를 낮추는 한 원인이 된다.

따라서, 낮은 포논 에너지를 갖는 어븀 첨가 유리에서 980 nm 파장 대역의 여기 효율을 증가시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 요구된다.

상기와 같은 요구에 의해 안출된 본 발명은 낮은 포논 에너지를 갖는 어븀 첨가 유리에 복합 이온을 첨가함으로써 980 nm 파장 대역의 여기 효율을 증가시키고 1550 nm 파장대 광 증폭 특성 향상시킨 유리를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리를 이용한 광섬유 증폭기를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리는 텔루라이트와 같은 낮은 포논 에너지를 가진 기지에 어븀 이온이 첨가된 유리에서 ⁴I_11/2 준위(980 nm 대역)에서 ⁴I_13/2 준위(1480 nm 대역)로 효율적인 여기전자 이동이 이루어지도록 ⁴I_11/2 준위와 ⁴I_13/2 준위 사이에 해당하는 에너지를 선별적으로 흡수하는 복합 이온을 첨가하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 첨가되는 복합 이온은 ⁴I_11/2 준위와 ⁴I1_3/2 준위 간격에 해당하는 약 3600 cm^-1 에너지를 선별적으로 흡수하는 것으로 선택된다. 이 때, 반드시 고려해야 할 사항은 첨가하는 이온이 ⁴I_11/2 준위의 형광 수명만 감소시켜야 하며 ⁴I _13/2 준위의 형광 수명을 감소시켜서는 안 된다.

우선, 약 3600 cm^-1에 해당하는 에너지를 흡수하는 이온으로는 수산화기(OH^-)와 유로퓸(Eu³⁺), 터븀(Tb³⁺) 및 세륨(Ce³⁺) 등이 있다. 수산화기가 진동 에너지를 이용하는 반면, 나머지 희토류 이온은 4f-4f 궤도간 전자 전이 에너지를 이용하게 된다. 한편, 수산화 이온은 양이온-OH간 신축 진동의 첫 번째 오버톤(overtone)이 약 1.4 ㎛에서 발생하고 유로퓸 및 터븀 이온 역시 어븀 이온의 1.5 ㎛ 형광을 일부 흡수하는 것으로 나타나 본 발명의 목적에 부합하지 않는 것으로 밝혀졌다. 그러나 세륨 이온은 4f 궤도내에 바닥 준위인 ²F_5/2와 그 위에 ²F_7/2 준위만을 가지며 약 300 nm에서 5d 궤도에 의한 흡수를 나타내기 때문에 어븀의 1.5 ㎛ 대역의 형광 세기 및 형광 수명을 저하시키지 않는다.

이하, 실시예에서 본 발명의 구체적인 작용을 설명한다.

대표적인 광섬유 증폭기용 텔루라이트 계열 유리 조성인 TeO₂-ZnO-Na₂O 삼성분계에 Er₂O₃/CeO₂ 또는 Er₂O₃/CeO₂/Ye ₂O₃를 첨가한 유리를 보편적인 용융-냉각법으로 제조하였다. 제조한 시편의 흡수 스펙트럼을 측정한 결과, 첨가한 희토류 원소가 +3가로서 모 유리에 용해됨을 확인하였다. 또한 세륨의 첨가 농도에 따른 어븀의 ⁴I_11/2 준위와 ⁴I_13/2 준위의 형광 수명 및 각 준위에서 방출되는 ⁴I_11/2 → ⁴I_15/2 전이에 의한 형광과 ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 전이에 의한 형광 스펙트럼을 측정하였다.

도 1에 텔루라이트 유리에서 어븀, 세륨 및 이터븀 이온의 에너지 준위를 도시하였다. 여기서 어븀 이온은 980 nm 대역의 여기광을 흡수하여 최종적으로 1532 nm 부근의 형광을 방출하게 되며 이 방출 전이가 광증폭기에 이용된다. 세륨의 역할은 ⁴I_11/2 준위의 여기전자들을 ⁴I_13/2 준위로 효율적으로 끌어내리는 것이며 이터븀의 역할은 고출력이 요구되는 상황에서 980 nm 대역의 흡수 단면적을 크게 해주는 것이다. 즉, 일반적인 상황에서는 어븀과 세륨을 공동 첨가하고 고출력이 요구되는 상황에서는 어븀, 세륨 및 이터븀을 공동 첨가하게 되는 것이다.

도 2는 어븀만을 첨가한 경우와 어븀과 세륨을 공동 첨가한 유리에서 발생하는 형광 스펙트럼을 도시하였다. 목적한 바와 같이, ⁴I_11/2 → ⁴I_15/2 전이에 의해서 생기는 980 nm 부근의 형광 세기는 세륨이 첨가될 때 크게 감소하였고 ⁴I_13/2 → ⁴I_15/2 전이에 기인하는 1530 nm 부근의 형광 세기는 급격히 증가하였다.

도 3에는 ⁴I_11/2 준위의 형광 수명을 세륨의 첨가 농도에 대하여 도시하였다. 세륨의 첨가 농도가 증가하면서 ⁴I_11/2 준위의 전이 속도는 커짐을 알 수 있으며 세륨이 4 mole%일 때는 증가량이 다소 감소하였다. 또한 세륨의 첨가량이 4 mole% 보다 작을 때는 어븀의 ⁴I_13/2 준위의 형광 수명이 감소하지 않았으나 4 mole%부터는 다소 감소하였고 텔루라이트 계열 유리의 희토류 이온에 대한 용해도가 약 6 mole%로 제한되기 때문에 적합한 세륨의 첨가량은 4 mole% 보다 작은 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서 사용한 텔루라이트 유리의 ⁴I_11/2 준위에서 ⁴I_13/2 준위로의 이론적인 방출 전이 속도는 45 s^-1이며 다중 포논 완화 속도는 약 4500 s^-1이므 로 단지 1 mole%의 세륨을 첨가함으로써 약 2000 s^-1 정도의 전이 속도의 향상이 이루어진다.

또한 텔루라이트 계열의 유리가 아닌 어븀이나 어븀/이터븀을 첨가한 대표적인 포논 에너지가 800 cm^-1 이하인 유리에 +3가 세륨 이온을 공동 첨가함으로써도 980 nm 파장 대역의 여기 효율을 증가시킬 수 있다.
여기서, 어븀이나 어븀/이터븀을 첨가한 유리는 다양한 포논 에너지를 갖는다. 이 발명에서는 희토류 이온의 다중포논완화 현상과 결부되어 있는 바, 대표적인 포논 에너지라 함은 희토류 이온의 다중포논완화 현상에 가장 큰 영향을 미치는 포논 에너지를 뜻한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Er³⁺/Ce³⁺ 또는 Er³⁺/Ce³⁺/Yb³⁺ 공동 첨가 유리를 적용한 광대역 광섬유 증폭기 구성도로서, 증폭될 광신호를 전송하는 코어(core)와 클래드(clad)로 이루어진 광섬유, 상기 광섬유에 펌프광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단, 상기 광섬유에 신호를 입력시키기 위한 입력수단, 상기 입력수단과 펌핑수단에서 공급되는 입사신호광과 펌프광을 결합하여 상기 광섬유에 전달하는 WDM 커플러(Wavelength Division Multipexing coupler), 상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단으로 이루어지며, 상기 광섬유의 코어는 Er³⁺/Ce³⁺ 또는 Er³⁺/Ce³⁺/Yb³⁺ 공동 첨가 텔루라이트 계열 유리를 사용하여 980 nm 파장 대역의 여기 효율을 증가시킨 것이다.

이외에 본 발명의 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리는 박막 도파로형 증폭기로도 응용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 텔루라이트와 같은 낮은 포논 에너지를 갖는 어븀 첨가 유리에 세륨 또는 세륨/이터븀을 첨가함으로써 980 nm 대역의 여기 효율을 향상시킬 수 있으며, 이는 1550 nm 파장대 광 증폭 특성을 향상시키는 효과가 있다.

또한 본 발명의 어븀/세륨 또는 어븀/세륨/이터븀 공동 첨가 낮은 포논 에너지 유리는 광대역 광증폭기의 핵심 소재 기술로 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (4)

1. 어븀이나 어븀/이터븀을 첨가한 희토류 이온의 다중포논완화에 가장 큰 영향을 미치는 포논 에너지가 800 cm^-1 이하인 유리로서,

   +3가 세륨 이온이 공동 첨가된 것을 특징으로 하는 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리.
2. 어븀 첨가 텔루라이트 계열 유리로서,

   +3가 세륨 이온 또는 세륨 이온과 이터븀 이온이 공동 첨가된 것을 특징으로 하는 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 첨가되는 세륨 이온의 양은, 4 mole% 미만인 것을 특징으로 하는 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리.
4. 광신호를 전송하는 코어와 클래드를 구비한 광섬유와, 상기 광섬유에 펌프광을 조사하도록 상기 광섬유에 광학적으로 접속된 펌핑수단과, 상기 광섬유에 신호를 입력시키기 위한 입력수단과, 상기 입력수단과 상기 펌핑수단에서 각각 공급되는 입사신호광과 펌프광을 결합하여 상기 광섬유에 전달하는 WDM 커플러와, 상기 광섬유에 의해 증폭된 광신호를 받아들이도록 접속된 출력수단을 포함한 광섬유 증폭기로서,

   상기 광섬유의 코어는, Er³⁺/Ce³⁺ 또는 Er³⁺/Ce³⁺/Yb³⁺ 공동 첨가 텔루라이트 계열 유리인 것을 특징으로 하는 광섬유 증폭기.

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