KR102022975B1 - 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리 - Google Patents

높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리 Download PDF

Info

Publication number
KR102022975B1
KR102022975B1 KR1020170061909A KR20170061909A KR102022975B1 KR 102022975 B1 KR102022975 B1 KR 102022975B1 KR 1020170061909 A KR1020170061909 A KR 1020170061909A KR 20170061909 A KR20170061909 A KR 20170061909A KR 102022975 B1 KR102022975 B1 KR 102022975B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mol
baf
glass
composition
erf
Prior art date
Application number
KR1020170061909A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180126886A (ko
Inventor
최주현
인정환
김영복
황연
Original Assignee
한국광기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국광기술원 filed Critical 한국광기술원
Priority to KR1020170061909A priority Critical patent/KR102022975B1/ko
Priority to US16/465,432 priority patent/US10941072B2/en
Priority to JP2019529610A priority patent/JP6901560B2/ja
Priority to PCT/KR2018/005756 priority patent/WO2018212631A2/ko
Publication of KR20180126886A publication Critical patent/KR20180126886A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102022975B1 publication Critical patent/KR102022975B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/04—Fibre optics, e.g. core and clad fibre compositions
    • C03C13/041—Non-oxide glass compositions
    • C03C13/042—Fluoride glass compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C13/00—Fibre or filament compositions
    • C03C13/04—Fibre optics, e.g. core and clad fibre compositions
    • C03C13/048—Silica-free oxide glass compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C4/00—Compositions for glass with special properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

개시되는 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리는, 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물; 52mol%의 BaF2 및 20mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및 3mol%의 ErF3 및 5mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성된다.

Description

높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리{Fluorophosphate Glasses for Active Device with high emission cross section}
본 개시(disclosure)는, 능동소자용 불소인산염계 유리(Fluorophosphate Glasses)에 관한 것으로, 특히 광섬유 레이저용 유리 모재로 채용 가능한 열적· 기계적 특성을 가지면서도 높은 형광단면적 특성을 가지는 능동소자용 불소인산염계 유리의 조성에 관한 것이다.
일반적으로 어븀(Er) 도핑(doping)된 광섬유증폭기(erbium doped fiber amplifier, EDFA)는 파장분할방식(wavelength division multiplexing, WDM)방식의 통신 시스템은 물론이고 거의 대부분의 광 네트워크에서 주요한 장치로 사용되고 있는 광증폭기 장치로서, 유리재질의 광섬유에 어븀을 도핑하여 1530 내지 1610nm 사이의 파장을 갖는 빛을 증폭 시킨다.
불화물 유리(fluoride glass)에 인산염(phosphate)이 혼합된 불소인산염계 유리(fluorophosphate glass, FP)는 불화물 유리(fluoride glass)에 비하여 열적 안정성과 화학적 내구성이 뛰어나며, 포논 에너지(phonon energy가 낮고, 자외선에서 근적외선까지의 넓은 스펙트럼(spectrum) 영역에서의 광투과 특성 및 굴절률을 선형성이 우수하며, 희토류(RE, rare earth) 원소를 도펀트로 사용할 경우에, 다중 에너지 준위를 제공함으로써 높은 도펀트(dopant) 농도를 구현 할 수 있기 때문에, 짧은 길이 캐비티(cavity)를 이용하면서도 높은 효율을 얻을 수 있는 유리 모재이다.
한편 이터븀(Yb)은 980nm영역에서 월등히 높은 흡수단면적(absorption cross section)을 제공하며, 도너(2F5/2, Yb3+)의 에너지 준위(energy level)와 억셉터(4I11/2, Er3+)의 에너지 준위의 겹침(overlap)이 우수하기 때문에, 어븀(Er)과 함께 도핑(co-doping)됨으로써, 레이저 여기(laser excitation)의 증감제(sensitizer)로서 이용된다.
이러한 우수한 특성을 갖는 Er/Yb co-doping된 불소인산염계 유리는 앞서 설명한 우수한 성능을 활용하고자, 가시광 또는 적외선 레이저, 광섬유 증폭기, 광 저장 장치 및 해저 광통신 망과 같은 기존의 응용 분야뿐만 아니라, 최근에는 라이다(LiDAR, Light Detection and Ranging)와 같이 고출력이 요구되는 3차원 공간 관측 시스템에까지 그 응용 범위가 확대되고 있다.
그러나 이와 같은 넓은 범위의 응용 분야에서 활용되기 위해서는, 장치의 크기가 축소되더라도 높은 펄스 출력을 구현할 수 있는 불소인산염계 유리 모재의 개발이 요구된다.
이를 위해서는, 높은 형광단면적 특성 또는 캐리어의 장수명(long-lifetime) 특성의 개선이 요구된다.
1. 미국등록특허 제5,796,903호 2. 미국등록특허 제5,274,728호
본 개시(Discloure)는, 광섬유 레이저용 유리 모재로 채용 가능한 열적· 기계적 특성을 가지면서도 높은 형광단면적 특성을 가지는 능동소자용 불소인산염계 유리의 제공을 일 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 일 태양에 따르면, 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물; 52mol%의 BaF2 및 20mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및 3mol%의 ErF3 및 5mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성된다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 또 다른 일 태양에 따르면, 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물; 43mol%의 BaF2 및 30mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및 3mol%의 ErF3 및 4mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성된다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 또 다른 일 태양에 따르면, 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물; 34mol%의 BaF2 및 40mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및 3mol%의 ErF3 및 3mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성된다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 개시의 또 다른 일 태양에 따르면, 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물; (40-4x) mol%의 BaF2 및 40 mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및 3x mol%의 ErF3 및 xmol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성되며, 상기 x는 1 내지 5이다.
또한, 상기 x는 1 내지 2인 것을 특징으로 할 수 있다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
본 개시에 따르면, 유리전이온도(tg) 및 피크온도(tp)를 포함하는 열적 특성, 열팽창계수(CTE)를 포함하는 열기계적 특성 및 유리경도(Knop Hardness)를 포함하는 기계적 특성이 개선되어 광섬유 레이저를 포함하는 능동소자의 제조 공정 상 장점을 제공한다.
본 개시에 따르면, 높은 형광단면적(emission cross-section) 특성을 구현하여, 장치의 크기가 축소되더라도, 높은 펄스 출력을 구현할 수 있는 효과를 가진다.
본 개시에 따르면, 도핑물질(예: Er, Yb)의 조성 최적화에 의해 유효한 에너지 전달(energy transfer) 현상으로 인해 유도방출(stimulated emission) 되는 준 안정상태(metastable state) 에너지 준위에서의 캐리어 수명이 연장되는 효과를 가진다.
도 1은 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 유리 조성 설계 도면이다.
도 2a는 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 열적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 2b는 ErF3-Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 열적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 3은 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 조성 변화에 따른 열기계적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 4a는 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 유리조성 설계에 따른 기계적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 4b는 ErF3-Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 유리조성 설계에 따른 기계적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 5a은 Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 sample composition 8번에서 이터븀(Yb) 농도에 따른 캐리어 형광단면적 변화에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 5b은 Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 sample composition 9번에서 이터븀(Yb) 농도에 따른 캐리어 형광단면적 변화에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 5c은 Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 sample composition 10번에서 이터븀(Yb) 농도에 따른 캐리어 형광단면적 변화에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 6은 Er/Yb 시스템에서 광자의 흡수 및 방출현상을 설명하는 에너지 준위(energy level) 도면이다.
도 7은 Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 sample composition 10번에서 이터븀(Yb) 농도에 따른 캐리어 수명변화에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
이하, 본 개시에 따른 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리의 다양한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
본 실시형태에 따른 능동소자용 불소인산염계 유리는, Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2를 기재(base material)로 하여 구성된다. 구체적으로 본 발명자들은 ErF3-YbF3-Al(PO3)3-BaF2-SrF2로 구성되거나, 이들 조성을 기재로 하여 구성되는 불소인산염계 유리의 조성을 본 발명의 특징으로 한다.
이에 의하면, Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리의 경우, 능동소자용(예: 광섬유 레이저) 유리에 적용될 수 있는 열적· 기계적 특성 조건을 만족시키면서도, Er3 + 및 Yb3 +로 구성되는 도핑물질의 조성비율(mol%)을 최적화함으로써, 높은 형광단면적(emission cross-section) 특성을 구현하여, 장치의 크기가 축소되더라도, 높은 펄스 출력을 구현할 수 있는 효과를 도출할 수 있게 된다.
도 1은 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 유리 조성 설계 도면이다.
도 1을 참조하면, Al(PO3)3를 인산염으로 사용하며, 스트론튬(Sr)과 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)각각의 불소화합물로 사용하는 불소인산염계 유리의 물질 조합에서 유리 형성 영역을 기준으로 정해진 샘플조성(sample composition)을 확인할 수 있다.
도 1에서 적색 테두리 내부에 위치되는 샘플조성이 그것이며, 샘플조성에서 각 조성물의 조성비율(mol%) 변화에 따른 열·기계적 특성 변화를 분석하여 능동소자용 유리 모재로서의 적합성을 확인하였다.
도 2a는 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 열적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이며, 도 2b는 ErF3-Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 열적 특성 평가에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
잉곳(ingot) 형태로 제조된 유리 모재를 일정한 온도로 재가열 하면서 일정한 속도로 인선함으로써 광섬유를 제조하게 된다.
따라서 광섬유 생산용 유리 모재는 유리전이온도(Tg)와 피크온도(Tp)가 공정의 난이도와 수율을 결정하는 주요한 요소가 된다.
도 2a를 참조하면, Al(PO3)3-BaF2-MgF2계 유리에서 BaF2 대신 MgF2 함량이 증가함에 따라 Tg(glass transition temperature)의 변화가 크지 않음을 알 수 있고, Al(PO3)3-BaF2-CaF2계 유리에서도 sample composition (6)에서 (7)로 BaF2 대신 CaF2 함량이 증가함에 따라 Tg(glass transition temperature)의 변화는 미미함을 확인할 수 있다.
또한, Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리조성 후보에서 sample composition (8)에서 (14)로 BaF2 대신 SrF2 함량이 20mol%에서 70mol%로 증가함에 따라 열특성 변위 거동 경향성은 나타나지 않아 상대적으로 미미한 것으로 판단된다.
따라서 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계 유리의 경우, 그 조성 변화가 광섬유 제조시 인선 공정에서의 난이도 및 수율에 미치는 영향이 낮으므로, 그 외의 다른 특성 조절을 위한 조성 최적화가 가능한 이점을 가지게 된다.
한편, 망상조직 형성 성분(Network former, 網狀組織形成成分)인 Al(PO3)3 함량이 20mol%에서 30mol%로 증가함에 따라 상대적으로 강성구조(structure of rigidity)가 증가하여 유리전이온도는 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 Al(PO3)3 함량의 조성변화 범위는 제한이 필요하게 된다.
도 2b를 참조하면 (1, 2) mol% ErF3-Al(PO3)3-BaF2-MgF2계 유리에서 ErF3가 증가함에 따라 상대적으로 유리전이온도가 선형적으로 감소함이 확인되는데, (1, 2)mol% ErF3-Al(PO3)3-BaF2-CaF2계와 (1, 2)mol% ErF3-Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리에서도 동일한 경향성을 확인할 수 있다.
일반적으로 희토류 물질 이온(rare earth ion)이 첨가될 경우 상대적으로 유리전이온도는 증가시키는 현상과 반대 현상을 나타낸다.
또한, (1, 2)mol% ErF3-Al(PO3)3-BaF2-MgF2계 유리에서 ErF3가 증가함에 따라 상대적으로 유리전이온도가 선형적으로 감소함을 보였으며, (1, 2)mol% ErF3-Al(PO3)3-BaF2-CaF2계와 (1, 2)mol% ErF3-Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리에서도 동일한 경향성을 확인할 수 있다.
도 3은 ErF3 doped Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 조성 변화에 따른 열·기계적 특성에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
광섬유가 외부 온도에 따라 팽창하거나 수축하게 되면, 통신 시스템에서 전송 특성이 나빠짐은 물론이고, 광섬유레이저 또는 광섬유 증폭기에서는 이득 특성의 변화를 야기하게 되므로, 열팽창 계수는 작은 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, Er3 +도핑에 의한 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion; CTE)의 변화는 Al(PO3)3-BaF2-MgF2계 유리, Al(PO3)3-BaF2-CaF2계 유리에서 Er3 +도핑 양이 증가할수록 열팽창 계수가 커지는 경향을 보이고 있으나, Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리에서는 반대의 경향을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
이에 의하면, Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리가 광섬유레이저 또는 광섬유 증폭기에서는 이득 특성의 변화에 긍정적인 영향이 예상된다.
도 4a는 Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 유리조성 설계에 따른 기계적 특성에 대한 실험결과를 보인 도면이며, 도 4b는 ErF3-Al(PO3)3-BaF2-(Sr, Ca, Mg)F2계의 유리조성 설계에 따른 기계적 특성에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 4a를 참조하면, Al(PO3)3-BaF2-MgF2계 유리의 경도변화는 0.2Al(P03)3에서 BaF2 mol%가 70에서 30으로 감소, 즉 MgF2 mol%는 20에서 50으로 증가함에 따라 경도는 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
한편, sample composition 4번 조성의 경우, 상대적으로 경도가 낮은데, Al(P03)3의 조성비가 0.1로 낮아진 것이 원인으로 판단된다.
따라서, Al(PO3)3-BaF2-MgF2계 유리에서 Al(P03)3의 조성비가 증가함에 따라 경도는 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다.
다음으로, Al(PO3)3-BaF2-CaF2계 유리의 경도변화는 0.2Al(P03)3에서 BaF2 mol%는 70에서 40으로 감소 즉 CaF2 mol%는 10에서 40으로 증가함에 따라 경도는 선형적으로 증가하였으며 0.3Al(P03)3에서도 동일한 경도 증가의 경향을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한 Al(P03)3가 증가할 경우 상대적으로 경도가 증가하여 본 실험에서는 6번 14번으로 조성이 변할 경우 경도는 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다.
다음으로, Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리의 경도변화에서는, 첫째 8번과 14번 조성시편의 경우처럼 BaF2 조성몰비가 60mol%로 상대적으로 많이 차지하는 경우 경도가 매우 약함을 나타내었다.
특이한 점은 Al(PO3)3-BaF2-SrF2계 유리에서는 Al(P03)3의 mol%가 증가에도 크게 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있다.
한편, 0.2Al(P03)3로 고정되고 9번에서 13번 조성으로 즉 SrF2 mol%가 40에서 70으로 증가함에 따라 경도는 선형적으로 증가하는데, 이는 Al(PO3)3-BaF2-(Ca, Mg, Sr)F2 불소인산염계 유리경도 변화 동향을 정리하면 BaF2 많은 조성비가 많은 영역에서는 경도가 약하며 BaF2대비 CaF2 ,MgF2 또는 SrF2 조성비가 증가함에 따라 경도는 일반적으로 증가함을 의미하며, 또한 용융온도가 높은 인산염의 증가는 경도의 향상을 가져오는 것으로 사료된다.
한편, 도 4b를 참조하면, Al(PO3)3-BaF2-(Mg, Ca, Sr)F2계 유리에 각각 (1, 2) mol% ErF3 첨가함에 따라 Knoop경도의 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다.
실질적으로 1 mol% ErF3 농도로 첨가될 경우, 휘발현상에 의한 Er3+ 이온이 유리 결정 내부에 균질하게 분포되지 못하는 점을 감안하더라도 상대적으로 희토류 원소이온(rare earth ion)이 첨가될 경우 Er 이온 주변 리간드(Ligand)와 공유결합성이 증가하여 상대적으로 유리전이온도의 증가와 더불어 경도 향상도 예상된다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 능동소자용 불소인산염계 유리의 형광단면적 특성에 대해 설명한다.
도 5a 내지 도 5c는 Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 sample composition 8번, 9번, 10번에서 이터븀(Yb) 농도에 따른 형광단면적 변화에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 5a를 참조하면, Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 삼성분계 조성 8('ABS-8'라 함)의 경우, (0.03)ErF3/(0.05)YbF3에서 형광단면적 4.841x10-21cm2으로 가장 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
여기서, ABS-8의 조성은, 도 1 및 도 4b의 가장 우측 선도를 참조할 때 Al(PO3)3는 20 mol%, BaF2는 60 mol%, SrF2는 20 mol%이고, 도 5a를 참조할 때 가장 높은 형광단면적을 나타내는 도펀트의 함량은 ErF3가 3 mol%, YbF3가 5 mol%로 포함된 경우이다. 이때, 전체 함량이 100 mol%가 되도록, 도펀트의 함량인 8 mol%는 BaF2를 대체한 것으로서 BaF2는 52 mol%이다.
도 5b를 참조하면, Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 삼성분계 조성 9('ABS-9'라 함)의 경우, (0.03)ErF3/(0.04)YbF3에서 형광단면적 4.2412x10-21cm2으로 가장 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
여기서, ABS-9의 조성은, 도 1 및 도 4b의 가장 우측 선도를 참조할 때 Al(PO3)3는 20 mol%, BaF2는 50 mol%, SrF2는 30 mol%이고, 도 5b를 참조할 때 가장 높은 형광단면적을 나타내는 도펀트의 함량은 ErF3가 3 mol%, YbF3가 4 mol%로 포함된 경우이다. 이때, 전체 함량이 100 mol%가 되도록, 도펀트의 함량인 7 mol%는 BaF2를 대체한 것으로서 BaF2는 43 mol%이다.
도 5c를 참조하면, Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 삼성분계 조성 10('ABS-10'이라 함)의 경우, (0.03)ErF3/(0.03)YbF3에서 형광단면적 4.145x10-21cm2으로 가장 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
여기서, ABS-10의 조성은, 도 1 및 도 4b의 가장 우측 선도를 참조할 때 Al(PO3)3는 20 mol%, BaF2는 40 mol%, SrF2는 40 mol%이고, 도 5c를 참조할 때 가장 높은 형광단면적을 나타내는 도펀트의 함량은 ErF3가 3 mol%, YbF3가 3 mol%로 포함된 경우이다. 이때, 전체 함량이 100 mol%가 되도록, 도펀트의 함량인 6 mol%는 BaF2를 대체한 것으로서 BaF2는 34 mol%이다.
이들 결과를 정리하면, 이는 희토류 원소가 에너지 전이 및 multiphonon relaxation 등과 같은 quenching effect가 상대적으로 적은 비율에 기인한 것으로 사료된다.
또한, 모재 조성변화에 따라 BaF2 대신 SrF2의 함량이 증가시, 즉 sample composition ABS-8에서 ABS-10으로 증가시, 상대적으로 가장 높은 형광단면적은 ErF3:YbF3 = 0.03:0.03~0.03:0.05 비율에서 나타났으며 이는 지금까지 연구된 비율인 1:3보다 상대적으로 매우 낮은 YbF3의 함량에 의해서도 높은 형광단면적을 구현할 수 있게 된다.
도 6은 Er/Yb 시스템에서 광자의 흡수 및 방출현상을 설명하는 에너지 준위(energy level) 도면, 도 7은 Al(PO3)3-(1-x)BaF2-SrF2-(0.03)ErF3/(x)YbF3 (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)계 유리의 sample composition 10번에서 이터븀(Yb) 농도에 따른 캐리어 수명변화에 대한 실험결과를 보인 도면이다.
도 6을 참조하면 Er/Yb가 함께 도핑(co-doping)되면 3개의 에너지 준위를 통해 동작(three level laser)함을 확인할 수 있다.
이때 이터븀(Yb)의 2F7/2 2F5/2 전이(transition)와 어븀(Er)의 4I15 / 2 4I11 /2 전이(transition) 상호 간에 에너지 전이현상이 발생하며, 어븀(Er)의 4I11 / 2 4I13 / 2 로의 비발광성 전이 현상이 복합적으로 나타남으로써, 4I13 /2에서의 캐리어 수명에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
이터븀(Yb)의 농도가 증가하는 상황에서는 이터븀(Yb)의 2F7/2 2F5/2 전이(transition)와 어븀(Er)의 4I15 / 2 4I11 / 2전이(transition)가 중첩(overlap)되어 이터븀(Yb)으로부터 어븀(Er)으로의 에너지 전달(energy transfer) 현상이 증가하게 되며, 앞서 설명한 바와 같이 이터븀(Yb) 이온이 어븀(Er) 이온의 비 발광성 프로세스를 감소시키는 효과가 커지기 때문에, 4I13 / 2에너지 준위에서의 캐리어 수명이 늘어나게 된다.
반면에, 이터븀(Yb)의 농도가 특정농도 이상으로 증가하게 되면, 어븀(Er)의 4I15/2 4I11/2 전이(transition)로 이터븀(Yb)의 2F7/2 2F5/ 2전이(transition)로 에너지 전달 현상이 증가하게 되어, 4I13 /2에서의 캐리어 수명이 줄어들게 된다.
한편, 도 7과 같이 ABS-10의 경우, 어븀(Er)/이터븀(Yb)의 mol% 비율이 3:1일 때, 이터븀(Yb)으로부터 어븀(Er)으로의 에너지 전달(energy transfer) 현상이, 4I13/2에너지 준위에서의 캐리어 장수명에 효과적이며, 기존 연구에 비해 상당히 증가된 13.6ms에 이름을 확인할 수 있다.

Claims (12)

  1. 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물;
    52mol%의 BaF2 및 20mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및
    3mol%의 ErF3 및 5mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성되는 것을 특징으로 하는 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리.
  2. 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물;
    43mol%의 BaF2 및 30mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및
    3mol%의 ErF3 및 4mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성되는 것을 특징으로 하는 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리.
  3. 20 mol%의 Al(PO3)3로 구성되는 메타인산염(metaphosphate) 조성물;
    34mol%의 BaF2 및 40mol%의 SrF2로 구성되는 불소(fluoride) 조성물; 및
    3mol%의 ErF3 및 3mol%의 YbF3로 구성되는 도펀트(dopant);로 구성되는 것을 특징으로 하는 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리.


  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
KR1020170061909A 2017-05-19 2017-05-19 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리 KR102022975B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170061909A KR102022975B1 (ko) 2017-05-19 2017-05-19 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리
US16/465,432 US10941072B2 (en) 2017-05-19 2018-05-19 Fluorophosphate glasses for active device
JP2019529610A JP6901560B2 (ja) 2017-05-19 2018-05-19 能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス
PCT/KR2018/005756 WO2018212631A2 (ko) 2017-05-19 2018-05-19 능동소자용 불소인산염계 유리

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170061909A KR102022975B1 (ko) 2017-05-19 2017-05-19 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180126886A KR20180126886A (ko) 2018-11-28
KR102022975B1 true KR102022975B1 (ko) 2019-09-20

Family

ID=64561817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170061909A KR102022975B1 (ko) 2017-05-19 2017-05-19 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102022975B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014091650A (ja) 2012-11-02 2014-05-19 Sumita Optical Glass Inc 透明結晶化ガラス
US20170016995A1 (en) * 2015-07-19 2017-01-19 Afo Research, Inc. Fluorine resistant, radiation resistant, and radiation detection glass systems

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5796903A (en) 1992-07-06 1998-08-18 Infrared Fiber Systems, Inc. Heavy metal-oxide glass optical fibers for use in laser medical surgery and process of making
US5274728A (en) 1992-07-06 1993-12-28 Infrared Fiber Systems, Inc. Heavy metal-oxide glass optical fibers for use in laser medical surgery
JP4106476B2 (ja) * 1995-11-27 2008-06-25 株式会社ニコン 光学ガラスの製造方法
CN102923950B (zh) * 2011-08-11 2016-08-17 Hoya株式会社 氟磷酸玻璃及其制造方法以及近红外光吸收过滤器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014091650A (ja) 2012-11-02 2014-05-19 Sumita Optical Glass Inc 透明結晶化ガラス
US20170016995A1 (en) * 2015-07-19 2017-01-19 Afo Research, Inc. Fluorine resistant, radiation resistant, and radiation detection glass systems

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
T. S. Goncalves, el al., Meterials Chemistry and Physics, Vol. 157, pp. 45-55 (2015.03.16.)

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180126886A (ko) 2018-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8486850B2 (en) Aluminophosphate glass composition
JP5024900B2 (ja) ビスマス含有フルオロリン酸ガラスおよびその作製方法
US6589895B2 (en) Thulium-doped germanate glass composition and device for optical amplification
US6515795B1 (en) Borosilicate cladding glasses for germanate core thulium-doped amplifiers
US6911160B2 (en) Phosphate glass for use in the manufacture of ultra-short length lasers and amplifiers
JP4723569B2 (ja) 光増幅器ファイバ用ガラス
US6583927B2 (en) Optical amplifier incorporating therein holmium-doped optical fiber
EP0843424B1 (en) Optical waveguide and 1.5um-band optical amplifier using same
US10941072B2 (en) Fluorophosphate glasses for active device
EP1732856B1 (en) Glass for optical amplifier fiber
US6821917B2 (en) Tellurite glass and applications thereof
KR102022975B1 (ko) 높은 형광단면적 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리
JP2010260790A (ja) エルビウム添加光学ガラス
KR102022976B1 (ko) 형광 장수명 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리
JP2755280B2 (ja) 光増幅用希土類ドープ光ファイバ
KR102075439B1 (ko) 강화된 하향 및 상향전환 방출 특성을 갖는 능동소자용 불소인산염계 유리
JP2772349B2 (ja) 光増幅器用光ファイバ
JP3149119B2 (ja) 光増幅用光ファイバ
Engholm et al. Materials optimization for ytterbium-doped high power fiber lasers

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right