KR101394218B1 - 형광 효율이 우수한 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유 - Google Patents

형광 효율이 우수한 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유 Download PDF

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Abstract

형광세기가 강하고, 형광밴드폭이 넓은 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 이득매질용 광학유리는 mol%로, SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만 및 ZnO : 0.001~40%를 포함하여, Bi2O3와 함께 ZnO가 첨가되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

형광 효율이 우수한 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유 {OPTICAL GLASS FOR GAIN MEDIUM WITH HIGH FLUORESCENCE EFFICIENCY AND OPTICAL FIBER USING THE OPTICAL GLASS}
본 발명은 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화아연(ZnO) 및 산화비스무트(Bi2O3)를 복합 첨가하여 형광 효율이 우수한 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유에 관한 것이다.
광통신에 있어서, 광섬유 증폭기(fiber optic amplifier)는 광섬유로 전송되는 광신호를 광섬유 상에서 직접 전광(all optical) 방식으로 증폭한다. 따라서, 광섬유 증폭기는 광신호를 전기신호로 바꾸어 신호를 증폭하는 기존의 전자소자 기반 증폭기에 비하여 구동 속도가 빠르며, 신호 왜곡을 발생시키지 않는 특징이 있다.
또한, 광섬유 레이저(fiber laser)는 일반 고체 레이저(solid state laser)에 비하여 빔 품질, 안정성, 내구성, 경제성이 뛰어나기 때문에 정밀가공, 반도체, 정보통신, 에너지, 의료 분야에서 최근에 그 수요가 급속도로 증가하고 있다.
광섬유 증폭기 또는 광섬유 레이저 구성에 있어서 가장 핵심적인 부분은 증폭 또는 레이징 역할을 하는 이득매질(gain medium)이며, 이러한 이득매질은 광섬유로 이루어져 있다. 따라서 광섬유 증폭기 또는 광섬유 레이저의 성능을 결정짓는데 있어서 광섬유의 특성이 중요하고, 이러한 광섬유의 소재가 되는 광학유리는 형광 세기가 강하고, 형광 밴드가 넓을 것이 요구된다.
OH기에 기인하는 1380nm 광흡수가 제거된 저손실 광섬유 기술의 발달로 인하여, 수동광섬유 기술로만 보자면 1200~1700 nm 에 이르는 광대역파장에서 광전송이 가능하게 되었다. 이러한 저손실 광섬유 개발에 더하여 파장분할다중(WDM) 기술의 확보에 따라 현재까지 대용량 초고속 통신에 대한 필요성이 꾸준히 부각되어 왔다. 또한, 광섬유 레이저의 경우에 있어서는 응용분야가 바이오, 의료, 군사 등 특수분야로 확대되고 있으며 그에 따라 다양한 파장에서 출력이 가능한 레이저가 필요하게 되었다.
광섬유 증폭기용 이득매질 및 광섬유 레이저용 이득매질로 활용하기 위한 광학유리에는, 형광 특성을 가진 Er, Yb, Nd, Tm, Pr, Ho, Sm 등과 같은 희토류 물질의 산화물이 주로 첨가되어 있다. 그러나, 희토류 물질의 경우, 그 형광특성이 f-f 전자 천이에 의하여 발생하기 때문에 형광 밴드폭이 100 nm를 초과하기 어렵다는 근본적인 한계를 가지고 있다.
최근에는 Bi 산화물이 함유된 광학유리에서 1000~1600 nm 에 이르는 광대역 적외선 형광을 얻을 수 있음이 발견되었고, 이를 이득매질로 사용하여 광증폭기 및 레이저로 개발할 수 있음이 확인되었다. 이후에 Bi 산화물의 함유량 조절, 유리의 기지조성 변화, 알칼리 산화물 첨가 등 조성 변화를 가하여 형광효율을 증대시키기 위한 연구가 진행되어 왔으며 적외선 형광 발현에 대한 메커니즘을 규명하기 위한 노력이 계속되고 있다.
현재까지 조성 및 첨가물에 있어서 알칼리 금속, 알칼리 토금속, Al, Ta 등 다양한 원소들의 산화물을 첨가하여 형광효율을 증대시키고자 노력하여 왔다.
하지만 Li, Na, K 등의 알칼리 금속의 산화물 첨가의 경우 광학적 염기도(optical basicity) 가 증가하여 오히려 형광효율이 감소하는 역효과를 가져 왔다.
또한 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 등의 알칼리 토금속의 산화물 첨가의 경우에도 알칼리 원소의 경우처럼 형광효율이 오히려 감소하는 경향을 보여주었다.
Al 산화물의 경우 형광 효율이 일부 개선되는 효과는 확인되었으나, 알루미늄 산화물이 6 mol% 이상 첨가될 경우 오히려 형광 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 관련된 배경 기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2001-0036623호(2001.05.07. 공개)에 개시된 할로겐이 첨가된 다성분계 산화물 조성의 광증폭기 및 레이저용 유리가 있다.
본 발명의 목적은 SiO2에 Bi2O3 및 ZnO가 복합 첨가되어, 종래 이득매질용 광학유리에 비하여 형광 효율이 우수하며, 형광 밴드폭이 넓은 이득매질용 광학 유리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이득매질용 광학유리를 이용한 광섬유를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이득매질용 광학유리는 mol%로, SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만 및 ZnO : 0.001~40%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, SiO2의 함량은 mol%로, 85~99%인 것이 보다 바람직하다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질용 광학유리는 mol%로, SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만, ZnO : 0.001~40% 및 하기 ⅰ) 내지 ⅵ) 중에서 1군 이상의 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 한다.
ⅰ) B2O3, GeO2, P2O5, PbO 및 TiO2 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 50% 이하,
ⅱ) Na2O, Li2O, K2O, BeO, MgO, CaO, SrO 및 BaO 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 30% 이하,
ⅲ) Al2O3, Ga2O3 및 In2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 20% 이하,
ⅳ) TeO2, WO3, SnO, Ta2O5, Nb2O5 및 La2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 25% 이하,
ⅴ) CeO2, Sb2O3 및 As2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 10% 이하,
ⅵ ) Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb 산화물 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 5% 이하.
이때, SiO2의 함량은 mol%로, 85~99%인 것이 보다 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 광섬유는 상기 제시된 조성을 갖는 이득매질용 광학유리 재질로 형성되는 코어; 및 상기 코어를 감싸며, 상기 코어보다 굴절률이 낮은 재질로 형성되는 클래드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1 내지 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, Bi2O3와 함께 ZnO가 첨가된 본 발명에 따른 이득매질용 광학유리는 종래의 Bi2O3만 첨가된 이득매질용 광학유리에 비하여 형광 세기가 매우 강하며, 또한 매우 넓은 범위의 형광밴드를 나타낼 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이득매질용 광학유리를 이용한 광섬유를 이득매질로 하는 광섬유 증폭기 또는 광섬유 레이저의 경우, 증폭밴드가 매우 넓고, 이득비가 높은 장점이 있다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이득매질용 광학유리의 형광세기를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 이득매질용 광학유리의 형광세기를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 3에 따른 이득매질용 광학유리의 형광세기를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 4 및 비교예 3에 따른 광섬유의 형광세기를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유의 단면구조 및 굴절률 분포를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유의 단면구조 및 굴절률 분포를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유의 단면구조 및 굴절률 분포를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 형광 효율이 우수한 이득매질용 광학유리 및 이를 이용한 광섬유에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
이득매질용 광학유리
본 발명에 따른 이득매질용 광학유리는 광섬유 증폭기 또는 광섬유 레이저의 이득매질이 되는 광섬유의 코어로 활용하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 이득매질용 광학유리는 SiO2에 Bi2O3 및 ZnO가 복합 첨가됨으로써, 종래의 이득매질용 광학유리에 비하여 형광세기가 강하고 및 형광밴드폭이 넓은 것을 것을 특징으로 한다.
이러한 특징을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 이득매질용 광학유리는 mol%로, SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만 및 ZnO 0.001~40%를 포함한다.
SiO 2
SiO2는 광학유리를 형성하는 필수 성분으로, 유리 망목을 만들어 안정화된 유리형성이 가능하도록 한다.
상기 SiO2는 이득매질용 광학유리 전체 mol의 40~99mol%로 포함되는 것이 바람직하고, CVD(chemical vapor deposition), MCVD(modified chemical vapor deposition) 등의 방법을 이용하여 광섬유를 제조하는 것 등을 고려할 때 85~99%가 보다 바람직하다. 이득매질용 광학유리에서 SiO2의 함량이 40mol% 미만일 경우 일반 상용 실리카 광섬유와 광연결성이 좋지 못하다. 반대로, 이득매질용 광학유리에서 SiO2의 함량이 99mol%를 초과하는 경우, 광학유리의 융점이 높아져 광학유리 제작이 어렵게 된다. 따라서 1100 ~ 1600 nm 파장을 포함하는 광대역 이득 매질로의 활용하게 위해서는 광학유리에 40~99mol%의 SiO2가 포함되는 것이 바람직하다.
Bi 2 O 3
Bi2O3는 기존 희토류 물질의 산화물에서 구현되지 않는 1200~1300nm 범위의 피크를 가진 형광밴드를 유도하는 역할을 한다.
상기 Bi2O3는 이득매질용 광학유리 전체 mol의 0.001mol% 이상 내지 15mol% 미만으로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1~14.99mol%를 제시할 수 있다. Bi2O3의 함량이 0.001mol% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, Bi2O3의 함량이 15mol% 이상일 경우, 상기의 형광밴드 발현은 가능하나, Bi metal 이 형성되어 광투과도가 감소하거나 형광 효율이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
ZnO
ZnO는 본 발명에 따른 이득매질용 광학유리에서 Bi2O3와의 복합 첨가에 의해 형광 효율을 향상시키는 역할을 한다.
상기 ZnO는 이득매질용 광학유리 전체 mol의 0.001~40mol%로 포함되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1~35mol%를 제시할 수 있다. ZnO의 첨가량이 0.001mol% 미만일 경우, 형광 효율 향상 효과가 불충분하다. 반대로, ZnO의 첨가량이 40mol%를 초과하는 경우, 결정화로 인하여 유리망목 형성이 방해를 받을 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득매질용 광학유리는 유리 특성의 향상, 형광밴드폭의 향상 등을 달성하기 위하여, 상기의 SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만, ZnO : 0.001~40%를 만족하고, 또한, 하기 ⅰ) 내지 ⅵ) 중에서 1군 이상의 첨가제를 포함한다.
ⅰ) B2O3, GeO2, P2O5, PbO 및 TiO2 중에서 선택된 1종 또는 그 이상(이하, 제1군 첨가제)으로, 각각 50% 이하,
ⅱ) Na2O, Li2O, K2O, BeO, MgO, CaO, SrO 및 BaO 중에서 선택된 1종 또는 그 이상(이하, 제2군 첨가제)으로, 각각 30% 이하,
ⅲ) Al2O3, Ga2O3 및 In2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상(이하, 제3군 첨가제)으로, 각각 20% 이하,
ⅳ) TeO2, WO3, SnO, Ta2O5, Nb2O5 및 La2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상(이하, 제4군 첨가제)으로, 각각 25% 이하,
ⅴ) CeO2, Sb2O3 및 As2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상(이하 제5군 첨가제)으로, 각각 10% 이하
ⅵ ) Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb 산화물 중에서 선택된 1종 또는 그 이상(이하 제6군 첨가제)으로, 각각 5% 이하.
제1군 첨가제
제1군 첨가제는 B2O3, GeO2, P2O5, PbO 및 TiO2 중에서 선택된 1종 또는 그 이상 선택될 수 있다. 이러한 제1군 첨가제는 SiO2와 함께 포함될 경우, 유리 망목 형성을 용이하도록 하는데 사용된다. 또한 제1군 첨가제의 함량에 따라 광학유리의 굴절률 및 열팽창계수가 조절될 수 있다.
상기 제1군 첨가제에 속하는 산화물이 첨가되는 경우, 산화물 각각은 이득매질용 광학유리 전체 mol의 50mol% 이하인 것이 바람직하다. 제1군 첨가제에 속하는 산화물 각각의 첨가량이 50mol%를 초과하는 경우, 굴절률 및 열팽창계수가 상용 실리카 광섬유와 상이하게 되므로 상용 실리카 광섬유와 광연결성이 떨어지게 된다.
제2군 첨가제
제2군 첨가제는 알칼리 금속 산화물인 Na2O, Li2O, K2O 및 알칼리토금속 산화물인 BeO, MgO, CaO, SrO, BaO 중에서 선택된 1종 또는 그 이상 선택된다. 이러한 제2군 첨가제는 유리의 성질을 개선(glass modifier)하는 역할을 하는 것으로서, 유리에 첨가하여 유리의 실투(devitrification)을 막아 광섬유의 강도를 증가시킨다. 또한 제2군 첨가제는 유리 망목 내에서 첨가물을 고르게 분산시키고, 뭉침(clustering)에 의한 광흡수 증가를 막는 역할을 하게 된다.
상기 제2군 첨가제에 속하는 산화물이 첨가되는 경우, 산화물 각각의 첨가량는 이득매질용 광학유리 전체 mol의 30mol% 이하인 것이 바람직하다. 제2군 첨가제에 속하는 산화물 각각의 첨가량이 30mol%를 초과하는 경우, 유리의 망목 형성이 방해되거나 유리의 결정화 문제점이 발생한다.
제3군 첨가제
제3군 첨가제는 3족 원소의 산화물인 Al2O3, Ga2O3 및 In2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상 선택된다. 제3군 첨가제는 유리에 첨가되어 유리의 결정화를 막고, 유리내 첨가물의 분산을 유도하게 하여 균질화 증대 및 유리의 광특성 및 열특성을 개선하는데 역할을 한다.
상기 제3군 첨가제에 속하는 산화물이 첨가되는 경우, 산화물 각각의 첨가량는 이득매질용 광학유리 전체 mol의 20mol% 이하인 것이 바람직하다. 제3군 첨가제에 속하는 산화물 각각의 첨가량이 20mol%를 초과하는 경우, 유리의 굴절률이 과다하게 증가되거나 결정화 문제가 발생하게 된다.
제4군 첨가제
제4군 첨가제는 TeO2, WO3, SnO, Ta2O5, Nb2O5 및 La2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상 선택되며, 유리 보완재로서의 역할을 한다.
상기 제4군 첨가제에 속하는 산화물이 첨가되는 경우, 산화물 각각의 첨가량는 이득매질용 광학유리 전체 mol의 25mol% 이하인 것이 바람직하다. 제4군 첨가제에 속하는 산화물의 첨가량이 25mol%를 초과하는 경우, 유리의 굴절률이 과다하게 증가되거나 결정화 문제가 발생하게 된다.
제5군 첨가제
제5군 첨가제는 CeO2, Sb2O3 및 As2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상 선택되며, 유리에서 발생하는 기포 및 결함 발생을 억제함으로써 유리 청징제(refining element)로서 작용한다.
상기 제5군 첨가제에 속하는 산화물이 첨가되는 경우, 산화물 각각의 첨가량은 이득매질용 광학유리 전체 mol의 10mol% 이하인 것이 바람직하다. 제5군 첨가제에 속하는 산화물 각각의 첨가량이 10mol%를 초과하는 경우, 유리의 결정화 또는 안정성 저하 문제가 발생하게 된다.
제6군 첨가제
제6군 첨가제는 Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb 중에서 선택된 1종 또는 그 이상 선택되는 희토류의 산화물이다. 이러한 제6군 첨가제는 Bi2O3와 함께 이득매질용 광학유리의 형광밴드폭 향상에 기여한다.
제6군 첨가제에 속하는 산화물이 첨가되는 경우, 산화물 각각의 첨가량은 이득매질용 광학유리 전체 mol의 5mol% 이하인 것이 바람직하다. 제6군 첨가제에 속하는 산화물 각각의 첨가량이 5mol%를 초과하는 경우, 뭉침(clustering) 현상이 발생하여 오히려 형광 세기가 감소하는 문제점이 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
[실시예 1]
실시예 1에 따른 이득매질용 광학유리 조성은 mol%로, SiO2(48.94%)－B2O3(19.56%)－ZnO(16.65%)－Bi2O3(14.73%) + CeO2(0.12%)이다.
실시예 1에 따른 이득매질용 광학유리는 유리용융법을 이용하여 제조하였으며 칭량, 볼밀(ball milling), 건조, 용융, 서냉의 과정을 통해 제작되었다.
우선, 실시예 1에 따른 조성에 따라 각 성분을 칭량하였다.
다음으로, 칭량된 각 성분을 알루미나 볼을 이용하여 24시간동안 140rpm의 회전속도로 볼밀시켜 유리 입자가 분쇄 및 교반되도록 하였다. 볼밀 공정 중에 유리 입자의 뭉침을 방지하기 위하여 에탄올을 사용하였으며, 볼밀 공정이 끝난 후에는 상온에서 건조 시켜 에탄올을 제거하였다.
이로부터 얻어진 분말 형태의 유리원료를 알루미나 도가니에 담아 전기로 내에서 1300℃의 온도로 약 2시간동안 용융하였고, 용융된 유리를 470℃로 예열된 주물틀에 부어 성형시켰다.
이후, 2시간 동안 서냉시켜 유리 내의 잔류응력(residual stress)을 제거하였다.
여기서 SiO2 및 B2O3는 유리망목 형성을 위한 성분이다. Bi2O3는 Bi 이온에 의한 1000~1600nm 대 형광밴드 발생을 위하여 필수적으로 함유되었다. 그리고 ZnO 는 Bi 이온 에 의한 형광효율을 증대시키기 위하여 첨가되는 본 발명에 따른 함유물이다. 또한 유리 내에 발생되는 기포를 제거하기 위하여 CeO2를 소량 함유시켰다.
비교예 1로 ZnO를 함유하지 않은 이득매질용 광학유리를 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 비교예 1의 조성은 mol%로, SiO2(58.71%)－B2O3(23.47%)－Bi2O3(17.67%) + CeO2(0.15%) 이었다.
도 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 이득매질용 광학유리의 형광세기를 나타낸 것이다.
형광세기는 출력이 370mW이고, 파장이 800nm인 펌프광을 입사시켜 유리에서 발생되는 형광분포를 측정하여 나타내었다.
도 1을 참조하면, ZnO가 Bi2O3와 함께 첨가된 실시예 1의 경우, 1250nm 근처의 형광피크가 Bi2O3만 첨가된 비교예 1에 비하여 상당히 증가함을 확인할 수 있다. 이는 Bi2O3와 함께 ZnO를 첨가함으로써 1250nm 형광효율이 상당히 증가하였음을 나타낸다.
[실시예 2]
실시예 2에 따른 이득매질용 광학유리 조성은 mol%로, SiO2(55.76%)－B2O3(18.31%)－Na2O(8.32%)－ZnO(8.32%)－Bi2O3(9.16%)－CeO2(0.13%) 이다.
실시예 2에 따른 이득매질용 광학유리의 경우, 조성의 차이 및 용융시간이 1시간인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 제조하였다.
비교예 2로 ZnO를 함유하지 않은 이득매질용 광학유리를 실시예 2와 동일한 조건으로 제조하였다. 비교예 2의 조성은 mol%로, SiO2(55.76%)－B2O3(18.31%)－Na2O(16.65%)－Bi2O3(9.16%)－CeO2(0.12%)이다.
도 2는 실시예 2 및 비교예 2에 따른 이득매질용 광학유리의 형광세기를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, ZnO를 첨가하지 않은 비교예 2의 경우, 1000~1600nm 근방에서 형광밴드가 발생하지 않았다.
이와 비교하여 ZnO를 첨가한 실시예 2의 경우, 1320nm 근처의 피크를 갖는 매우 강한 형광밴드가 발생함을 알 수 있다. 따라서, ZnO 첨가에 의하여 1000~1600 nm에서 형광특성이 강하게 발생하였음을 확인할 수 있다.
[실시예 3]
실시예 3에 따른 이득매질용 광학유리 조성은 mol%로, SiO2(51.85%)－B2O3(9.60%)－Al2O3(14.40%)－Na2O(9.60%)－ZnO(7.68%)－Ga2O3(0.96%)－In2O3(1.92%)－Er2O3(0.96%)－Yb2O3(0.96%)－Bi2O3(1.92%)－CeO2(0.15%)이다.
실시예 3에 따른 광학 유리의 경우, 유리 조성의 차이 및 볼밀 후 110℃에서 10시간동안 건조 과정을 실시하고, 전기로 내에서 1550℃의 온도로 2시간동안 용융하였고, 용융된 유리를 500℃로 미리 예열된 주물틀에 부어 성형하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 제조하였다.
도 3은 실시예 3에 따른 이득매질용 광학유리의 형광세기를 나타낸 것이다. 실시예 3에 따른 이득매질용 광학유리의 경우, ZnO, Bi2O3, Er2O3, 및 Yb2O3가 함께 첨가되었다.
도 3을 참조하면, 실시예 3에 따른 이득매질용 광학유리의 경우, 950~1650nm에 이르는 광범위한 영역에서 형광특성이 발생하고 있음을 알 수 있다. 이러한 특성은 Bi, Er, Yb 이온에 의한 것으로 볼 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 실시예 3에 따른 이득매질용 광학유리는 950~1650 nm의 광대역밴드에서 사용이 가능한 광증폭기 및 레이저의 광섬유 소재로 활용할 수 있다.
[실시예 4]
mol%로, SiO2(93.4%)－GeO2(4.2%)－P2O5(2.1%)－Bi2O3(0.2%)－ZnO(0.1%)로 조성되는 이득매질용 광학유리를 코어로 하는 광섬유를 제작하였다.
광섬유용 유리모재 제작에는 MCVD(modified chemical vapor deposition) 공정을 사용하였다. SiCl4, GeCl4, POCl3 로 이루어진 원료가스를 사용하여 고순도 실리카 튜브 내에 온도 1650℃에서 다공성 코팅막으로 증착하고, 1350℃에서 유리입자가 무너지지 않도록 부분 소결시켰다.
코어용 유리에 Bi 및 Zn 원소들를 첨가하기 위하여 용액첨가법을 이용하였다. Bi 및 Zn 가 함유된 수용액으로 다공성(porous) 코팅막을 120분간 침적시켜 Bi 및 Zn 성분이 코팅막 내부로 침투되도록 하였다.
이어서, 유리 튜브를 150~350 ℃로 가열시켜 수분을 제거하고, 1000 SCCM의 He, 1000 SCCM의 O2, 300 SCCM 의 Cl2 가스를 튜브 내로 흘려가면서 온도 1200~2150℃에서 유리화, 소결공정을 진행하였다. 그리고, 수소-산소 버너를 이용하여 2100~2250℃의 고온 및 고압 하에서 응축을 시켜 도 5에 도시된 형태와 같은 코어 및 클래드 구조를 가진 광섬유 모재를 제작하였고 광섬유 인출공정을 통하여 2150℃의 인출온도 및 20m/min의 인출속도로 지름이 125㎛인 광섬유를 제작하였다.
결과적으로 코어 조성이 mol%로, SiO2(93.4%)－GeO2(4.2%)－P2O5(2.1%)－Bi2O3(0.2%)－ZnO(0.1%)인 광섬유를 제조하였다.
비교예 3으로, 광섬유 코어용 다공성 코팅막 증착후 Bi가 함유된 수용액을 이용하여 용액첨가법을 실시하고 이어서, 건조, 소결, 응축과정을 거쳐 Bi 만 함유된 광섬유 모재 및 광섬유를 실시예 4와 동일한 방법으로 제작하였다. 비교군 광섬유의 코어 조성은 mol%로, SiO2(93.5)－GeO2(4.2%)－P2O5(2.1)－Bi2O3(0.2%)이다.
도 4는 실시예 4 및 비교예 3에 따른 광섬유의 형광세기를 나타낸 것이다.
광섬유의 형광세기는 출력이 300mW이고, 파장이 1064nm인 펌프광을 입사시켜 광섬유의 코어에서 출력되는 형광스펙트럼을 측정하여 나타내었다.
도 4를 참조하면, 실시예 4 및 비교예 3에 따른 광섬유 모두에서 1000~1600nm에 이르는 광범위한 영역에서 형광특성이 발생하고 있으나, 실시예 4에 따른 광섬유의 경우, 비교예 3에 따른 광섬유에 비하여 1000~1600nm 형광세기가 2배 이상 강하게 나타남을 확인할 수 있다.
따라서, 도 4에 의해서도 Zn은 Bi에 의하여 발생하는 형광효율을 강하게 증대시키는 구성 성분이 됨을 알 수 있다.
상기와 같은 형광세기 및 형광밴드폭을 갖는 본 발명에 따른 이득매질용 광학유리는 광섬유의 코어재로 활용할 수 있으며, 이를 이용하여 만든 광섬유는 광섬유 증폭기 및 광섬유 레이저에 활용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유의 단면구조 및 굴절률 분포를 나타낸 것이다.
광섬유는 일반적으로 도 5에 도시된 예와 같이, 이득물질로 만들어진 코어(510)와 코어(510)를 둘러싸는 클래드(520)를 포함한다.
코어(510)는 본 발명에 따른 이득매질용 광학유리 재질로 형성될 수 있다. 클래드(520)는 코어-클래드 계면에서 전반사를 일으키기 위하여 코어(510)보다 낮은 굴절률을 갖는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유의 단면구조 및 굴절률 분포를 나타낸 것이다.
도 6에 도시된 광섬유의 경우, 클래드가 내부 클래드(520a) 및 외부 클래드(520b) 2중 구조를 갖는다.
고출력 광섬유 레이저의 경우, 펌프광 출력이 높아지므로 코어에 직접 펌프광을 입사할 경우 광파괴에 의하여 손상을 받을 수가 있다. 이를 방지하기 위하여 펌프광을 면적이 넓은 클래드에 입사하게 되는데, 클래드에 입사된 펌프광의 손실을 방지하기 위하여, 내부 클래드(520a) 및 외부 클래드(520b) 2중 구조를 가질 수 있다.
내부 클래드(520a)의 경우, 이득물질로 만들어진 코어(510)보다 굴절률이 낮은 재질로 형성될 수 있다. 또한, 외부 클래드(520b)는 내부 클래드(520a)보다 굴절률이 낮은 재질로 형성될 수 있으며, 그 예로, 저굴절 유리 또는 저굴절률 고분자 등을 제시할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유의 단면구조 및 굴절률 분포를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 광섬유를 편광유지(polarization maintaining) 기능을 갖는 광섬유 증폭기 및 광섬유 레이저에 적용하기 위해서, 광섬유에 편광유지 기능을 갖도록 할 수 있다.
광섬유의 편광유지 기능을 갖도록 하기 위하여, 도 5에 도시된 클래드(520)의 일부 혹은 도 6에 도시된 내부 클래드(520a)의 일부에 내부 클래드보다 열팽창계수가 높은 물질로 채워 PANDA 타입의 응력부여부(530a)나 bow-tie 타입의 응력부여부(530b)를 형성할 수 있다.
여기서 PANDA 타입의 응력부여부라 함은 클래드 내부에서 코어 양쪽에 각각 위치한 한 쌍의 원형의 잔류응력(residual stress) 발생부를 의미하며, 클래드 물질보다 열팽창계수가 높은 물질로 채워져 광섬유에 잔류응력을 발생시키게 된다.
또한, 여기서 bow-tie 타입의 응력부여부라 함은 클래드 내부에서 코어 양쪽에 각각 위치한 한 쌍의 부채꼴 모양의 잔류응력(residual stress) 발생부를 의미하며, 클래드 물질보다 열팽창계수가 높은 물질로 채워져 광섬유에 잔류응력을 발생시키게 된다. 응력부여부로부터 발생된 잔류응력에 의하여 코어에 복굴절이 유도되며 이로 인하여 광섬유가 편광유지 기능을 가지게 된다.
도 9 및 도 10에 도시된 광섬유의 경우, 클래드가 내부 클래드(520a) 및 외부 클래드(520b) 2중 구조를 갖는다. 도 6에서 설명하였듯이, 펌프광에 의한 광파괴를 방지하기 위하여, 광섬유가 내부 클래드(520a) 및 외부 클래드(520b) 2중 구조를 가질 수 있다.
도 6에 설명된 광섬유와 같이, 내부 클래드(520a)의 경우, 이득물질로 만들어진 코어(510)보다 굴절률이 낮은 재질로 형성될 수 있다. 또한, 외부 클래드(520b)는 내부 클래드(520a)보다 굴절률이 낮은 재질로 형성될 수 있으며, 그 예로, 저굴절 유리 또는 저굴절률 고분자 등을 제시할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
510 : 코어
520 : 클래드
520a : 내부 클래드
520b : 외부 클래드
530a : PANDA 타입 응력부여부
530b : bow-tie 타입 응력부여부

Claims (10)

  1. mol%로, SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만 및 ZnO : 0.001~40%를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광세기가 강하고, Bi 이온에 의한 형광밴드폭이 넓은 이득매질용 광학유리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SiO2의 함량은 mol%로, 85~99%인 것을 특징으로 하는 이득매질용 광학유리.
  3. mol%로, SiO2 : 40~99%, Bi2O3 : 0.001% 이상 내지 15% 미만, ZnO : 0.001~40% 및 하기 ⅰ) 내지 ⅵ) 중에서 1군 이상의 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광세기가 강하고, Bi 이온에 의한 형광밴드폭이 넓은 이득매질용 광학유리.
    ⅰ) B2O3, GeO2, P2O5, PbO 및 TiO2 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 50% 이하,
    ⅱ) Na2O, Li2O, K2O, BeO, MgO, CaO, SrO 및 BaO 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 30% 이하,
    ⅲ) Al2O3, Ga2O3 및 In2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 20% 이하,
    ⅳ) TeO2, WO3, SnO, Ta2O5, Nb2O5 및 La2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 25% 이하,
    ⅴ) CeO2, Sb2O3 및 As2O3 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 10% 이하,
    ⅵ ) Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb 산화물 중에서 선택된 1종 또는 그 이상으로, 각각 5% 이하.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 SiO2의 함량은 mol%로, 85~99%인 것을 특징으로 하는 이득매질용 광학유리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 이득매질용 광학유리 재질로 형성되는 코어; 및
    상기 코어를 감싸며, 상기 코어보다 굴절률이 낮은 재질로 형성되는 클래드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 클래드의 내부에는
    상기 클래드보다 열팽창 계수가 높은 물질로 이루어지며 한 쌍의 원형 또는 부채꼴 모양을 갖는 응력부여부가 상기 코어 양쪽에 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 클래드는
    상기 코어를 감싸는 내부 클래드와,
    상기 내부 클래드를 감싸며, 상기 내부 클래드보다 굴절률이 낮은 물질로 형성되는 외부 클래드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 내부클래드의 내부에는
    상기 내부클래드보다 열팽창 계수가 높은 물질로 이루어지며 한 쌍의 원형 또는 부채꼴 모양을 갖는 응력부여부가 상기 코어 양쪽에 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유.
  9. 제5항에 기재된 광섬유를 이용하여 제조된 광섬유 증폭기.
  10. 제5항에 기재된 광섬유를 이용하여 제조된 광섬유 레이저.
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