KR20000025573A

KR20000025573A - 광증폭기용 광섬유

Info

Publication number: KR20000025573A
Application number: KR1019980042714A
Authority: KR
Inventors: 허종; 신용범; 박세호; 정선태; 김현수
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-05-06
Also published as: GB2342771A; US6272277B1; GB2342771B; GB9924016D0; FR2784513B1; JP2000124555A; CN1251916A; CN1131579C; FR2784513A1; KR100319296B1

Abstract

본 발명은 광증폭기용 광섬유를 개시한다. 상기 광섬유는 GeS₂-Ga₂S₃조성선보다 황(S)이 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리에 희토류 원소가 도핑되어 있고, 기 Ge-Ga-S계 유리를 기준으로 하여 0.1 내지 10 원자 퍼센트(at%)의 할로겐 원소가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유를 이용하면, 광증폭효율을 향상시킬 수 있다.

Description

광증폭기용 광섬유

본 발명은 광증폭기용 광섬유에 관한 것으로서, 보다 상세하기로는 광증폭효율이 개선된 광증폭기 형성용 광섬유에 관한 것이다.

실리카 유리의 영분산대역인 1310㎚ 파장의 광증폭기 제조시, 유리에 도핑하는 희토류 원소로서 Nd⁺³, Pr⁺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_3/3준위에서 발생하는 다른 파장(890㎚, 1064㎚)의 형광에 비하여 1.3㎛ 영역에서의 형광의 세기가 매우 약하고⁴F_3/2준위에서의 여기 준위 흡수(excited state absotption)에 의하여 1.36㎛보다 짧은 파장에서의 광이득이 매우 저하된다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여 실리카 유리 대신 불화물계 유리를 사용하는 방법이 제안되었다. 그러나 이 방법도 1310㎚ 파장 영역에서의 광이득을 크게 향상시키지는 못했다.

반면, 유리에 도핑하는 희토류 원소로서 Pr⁺³을 사용하면¹G₄준위와³H₅준위 사이의 천이과정에서 방출하는 형광을 이용한다. 그런데, 이러한 천이의 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 작아서 기지 재료로서 격자 진동 에너지가 큰 산화물 유리(＞800cm^-1)를 사용하는 경우에는 다중 격자 진동 완화로 인하여¹G₄준위로 여기된 Pr⁺³이 비복사 천이되는 확률이 매우 높아지게 됨으로써 광증폭효이 저하된다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 미국 특허 제5379149호에는 기지 재료로서 Ge-Ga-S계 유리를 사용하는 방법이 개시되었다. 여기에서 Ge-Ga-S계 유리는 격자 진동 에너지가 종래의 산화물 유리나 불화물 유리보다 작아서 1310㎚ 파장의 광증폭 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 기대되었다.

그런데, 이러한 Ge-Ga-S계 유리는 도 1의 Ge-Ga-S 상분리도에 도시된 바와 같이, GeS₂-Ga₂S₃조성선보다 황(S)이 과잉 첨가된 조성으로 이루어져 있다. 또한 이러한 조성을 갖는 대표적인 예인 Ge₂₅Ga₅S₇₀유리의 경우, 종래의 Ge-S, As-S, Ge-As(P, Sb)-S 유리에 비하여 Pr⁺³의 용해도는 큰 편이지만, Pr⁺³이 고농도로 첨가되는 경우 Pr⁺³이온의 군집현상으로 인하여 이온간 에너지 전달 속도가 급격하게 증가된다. 이로써¹G₄준위의 형광 수명이 단축될 뿐만 아니라 광증폭 효율이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하여 Pr⁺³이 고농도로 첨가되는 경우에도 Pr⁺³이온의 군집현상이 억제됨으로써 광증폭효율이 개선된광증폭기 형성용 광섬유를 제공하는 것이다.

도 1은 Ge, Ga 및 S의 3성분으로 구성된 상태도(phase diagram)로서, 종래기술에 따른 Ge-Ga-S 유리의 조성 영역을 나타낸 도면이고,

도 2는 Pr⁺³의 에너지 준위도이고,

도 3은 Ge, Ga 및 S의 3성분으로 구성된 상태도(phse diagram)로서, 본 발명에 따른 Ge-Ga-S 유리의 조성 영역를 나타낸 도면이고,

도 4는 일반적인 광증폭기의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예 따른 광섬유에 있어서, 파장에 따른 유도 방출 면적을 나타낸 도면이고,

도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 광섬유에 있어서, 시차주사열량계 분석결과를 나타낸 도면이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에서는, GeS₂-Ga₂S₃조성선보다 황(S)이 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리에 희토류 원소가 도핑되어 있고, 상기 Ge-Ga-S계 유리를 기준으로 하여 0.1 내지 10 원자퍼센트(atomic percent: at%)의 할로겐 원소가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유를 제공한다.

상기 Ga의 함량이 10몰% 이하이고, S의 함량은 70몰% 미만인 것이 바람직하다. 여기에서 Ga와 S의 함량이 상기 범위일 때 광증폭효율이 증가하여 바람직하기 때문이다.

또한, 상기 희토류 원소는 특별히 제한되지는 않으나 Pr⁺³인 것이 바람직하다.

상기 희토류 원소는 Yb, Nd, Ho, Er, Tm, Cr 및 Mn중에서 선택된 하나의 원소와 함께 유리에 도핑되기도 한다. 이와 같이 Yb, Nd, Ho, Er, Tm, Cr 및 Mn를 함께 도핑하면, 광 증폭 효율이 증가하면서 여러 파장의 광이 동시에 증폭된다는 면에서 유리한 점이 있다.

본 발명은 Ge-Ga-S계 유리의 조성을 화학양론적 조성보다 황이 부족한 방향으로 조절하는 동시에 Ge-Ga-S계 화합물의 유리 형성 능력을 향상시키기 위하여 할로겐 원소를 첨가하는 데 그 특징이 있다. 이와 같은 특징과 관련한 본 발명의 원리를 설명하기로 한다.

Pr⁺³이온의¹G₄준위의 형광 수명 및 광증폭 효율에 가장 큰 영향을 미치는 인자로서,¹G₄준위로 여기된 Pr⁺³이 빛이외의 다른 형태로 바뀌어 발산되는 비복사 천이가 있다. Pr⁺³이온내에서 발생되는 비복사 천이 현상은 도 2에 도시된 바와 같이 준안정준위인¹G₄준위와 바로 하위 준위인³F₄준위와의 에너지 차이가 3000cm^-1정도로 작아서 발생하는 유리의 격자 진동 에너지에 의한 다중 격자 진동 완화 현상과 Pr⁺³이온간의 에너지 전달 현상으로 대별된다.

Pr⁺³이온의¹G₄준위의 전자밀도가 감소되면 광증폭 효율이 저하되는데, 이는¹G₄준위로 여기된 Pr⁺³이온이 주위의 여기된 다른 Pr⁺³이온의 에너지를 흡수하여 상위 준위인¹D₂준위로 상향 전이되고, 기저 준위인³H₄준위에 있던 Pr⁺³이온이 주위의 다른 Pr⁺³이온의 에너지를 흡수하여³F₂준위로 여기되고 원래¹G₄준위에 여기되어 존재하던 Pr⁺³이온이³H₆준위로 격하되는 교차 완화가 발생되기 때문이다(도 2). 이와 같은 Pr⁺³이온간의 에너지 전달 속도는 이온간의 거리에 의존되는데, 이러한 사실을 Pr⁺³이온간의 에너지 전달 메카니즘이 이온간의 정전기적 상호작용에 의한 것이라고 가정하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 쌍극자-쌍극자 상호작용인 경우에는 이온간 거리의 6승에, 쌍극자-사극자 상호작용인 경우에는 이온간 거리의 8승에, 사극자-사극자 상호작용인 경우에는 이온간 거리의 10승에 각각 반비례한다. 따라서 첨가한 Pr⁺³이온이 기지내에서 균일하게 용해되어 분포되지 않고 서로 뭉쳐서 군집된 상태로 존재하면 이온간 에너지 전달속도는, Pr⁺³이온이 균일하게 분포되어 있다고 가정한 경우에 비하여 매우 큰 값을 갖게 되어¹G₄준위의 형광 수명을 단축시킨다. 그 결과, 광증폭 효율이 매우 현저하게 저하되는 것이다.

한편, Pr⁺³이온을 기지내에 균일하게 분포시키기 위해서는 기지 유리의 Pr⁺³이온에 대한 고용 한계가 높아야 한다.

케이. 웨이(K. Wei)의 논문("Synthesis and Characterization of rare earth doped chalcogenide glasses, 1994)에 의하면, Ge-S, As-S, Ge-As(P, Sb)-S 유리에서 유리 구성 성분들이 화학양론적인 조성을 가지고 있거나 또는 이보다 황이 많은 조성을 가지고 있는 경우에는 이러한 유리에 대한 희토류 원소의 용융도가 수백 ppm에 불과하다고 알려져 있다. 따라서, 희토류 원소를 과량으로 첨가하는 경우에는 희토류 이온의 군집으로 인하여 미세 결정이 석출되어 실투 현상을 보인다고 보고되어 있다.

반면, Ge-S, As-S, Ge-As(P, Sb)-S 유리에서 유리 구성 성분들이 화학양론적인 조성보다 황이 부족한 조성을 갖는 경우에는 희토류 원소의 용융도가 수천 ppm까지 증가되는 것으로 알려져 있다. 이로부터 황의 함량과 유리 구조는 매우 밀접한 관련이 있다는 것을 알 수 있다.

즉, 황 함량이 화학양론적인 조성보다 부족한 경우, 이로부터 형성된 유리내에서는 양이온간의 금속 결합이 존재하는데 이러한 금속 결합은 희토류 이온의 용해도를 증가시키는 데 결정적인 역할을 한다.

본 발명은 상술한 사실을 Ge-Ga-S 유리에 적용하여 Pr⁺³이온이 Ge-Ga-S 유리내에서 군집되는 것을 억제하는 동시에, Pr⁺³이온을 Ge-Ga-S 유리내에 가능한 균일하게 분포시켜 이온간의 에너지 전달에 의한 비복사전이 확률을 감소시킴으로써 광증폭효율을 향상시키고자 한 것이다.

그런데, Ge-Ga-S 유리가 화학양론적인 조성보다 황이 부족한 조성으로 이루어져 있는 경우에는, 다음과 같은 문제점이 야기될 것으로 예상된다.

첫째, 양이온간의 금속 결합으로 유리의 투과 한계 파장이 급격하게 근적외선 방향으로 이동함으로써 여기 광원의 파장을 기지 유리 자체가 흡수하거나 이러한 여기 광원의 흡수에 의하여 기지 재료 자체가 손상될 우려가 있다.

둘째, 황 함량이 적을수록 유리 형성능력이 저하된다.

상술한 바와 같은 문제점을 미연에 방지하기 위하여 본 발명은 Ge-Ga-S 유리를 할로겐 원소를 함께 첨가한다.

상기 할로겐 원소는 브롬(Br) 또는 요오드(I)인 것이 바람직하며, 이들을 이용하면, Ge-Ga-S-Br 또는 Ge-Ga-S-I 유리를 얻을 수 있다. 이와 같이 할로겐 원소를 부가하면 이미 언급한 Ge-Ga-S계 유리의 결정화에 대한 안정성과 흡수단의 파장이 단파장족으로 이동하는 단파장 흡수단의 청색 이동면에서 유리하다.

또한, 할로겐 원소의 함량은 Ge-Ga-S계 유리를 기준으로 하여 0.1 내지 10at%인 것이 바람직하다. 여기에서 할로겐 원소의 함량이 10at%를 초과하는 경우에는 광증폭효율이 저하되고, 0.1 at% 미만인 경우에는 유리 형성 능력이 저하되어 바람직하지 못하다.

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시에 따른 광섬유 즉, Ge-Ga-S-Br 유리에 Pr⁺³이 도핑된 광섬유 (42)를 이용하고 있는 광증폭기 (40)에 대하여 살펴보기로 한다.

도 4를 참조하면, 광증폭기 (40)은, 광섬유 (43)으로부터의 펌프 방사(pump radiation)를 광섬유 (44)로부터의 방사와 결합시키는 분산 커플러(dispersive coupler) (41), Ge-Ga-S-Br 유리에 Pr⁺³이 도핑된 광섬유 (42) 및 재방사를 방지하기 위한 패러데이 분리기(faraday isolator)로 구성된다. 여기에서 분산 커플러 (41)은 광섬유 (43)과 광섬유 (44)의 방사의 90%를 모아서 광섬유 (42)로 보내고, 나머지 10%는 광섬유 (47)로 보내서 모니터링한다.

상기한 바와 같은 구조로 되어 있는 광증폭기 (40)은 최종적으로 증폭된 1310㎚ 광 (46)을 방사시킨다.

본 발명에 따른 광섬유는 광증폭기이외에 레이저 공진기, 슈퍼루미네슨트 디바이스(superluminescent device) 등과 같은 광생성장치(light generating devide)에 폭넓게 적용가능하다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하기로 하되, 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것이 아니다.

실시예

순도 99.999%의 Ge, Ga, S을 이용하여 Ge_32.5Ga₅S_62.5과 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7를 제조하였다. 여기에 5000ppm의 Pr⁺³과, 상기 Ge_32.5Ga₅S_62.5과 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7를 기준으로 하여5 at%의 Br을 첨가하였다.

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 열처리하여 광섬유를 제작하였다.

비교예

Ge_32.5Ga₅S_62.5과 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7대신 Ge₂₅Ga₅S₇₀을 사용하고, 브롬을 부가하지 않은 것을 제외하고는, 실시에와 동일한 방법에 따라 광섬유을 제작하였다.

상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 광섬유의 1310㎚ 파장 영역에서의 유도 방출 단면적과 Pr⁺³의¹G₄준위의 형광 수명을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

형광 수명(τ: 측정치)은 디지타지드 오실로스코프(dizitized oscilloscope)를 이용하여 형광 세기가 초기의 1/e되는 지점의 시간으로 정의하며, 형광수명(τ_R: 계산치)는 전자 천이에 의한 광방출만을 가정했을 때 형광 세기가 초기의 1/e되는 지점의 시간으로 정의한다. 그리고 양자효율(η)은 형광 수명의 측정값과 계산값의 비율로 정의한다.

이 때 여기 광원으로는 Ar¹레이저로 구동되는 Ti-사파이어(sapphire) 레이저(파장: 1020㎚)를 사용하였고, 이를 이용하여 Pr⁺³를¹G₄준위로 여기시킨 다음, 발생되는 형광을 1/4m 더블 모노크로메이터(double monochromater)로 파장을 선별하고, InGaAs PIN 포토디텍터(photodetector)로 형광을 감지하였다. 그리고 감지된 형광을 컴퓨터가 연결된 록-인 증폭기(rock in amplifier)로 분석하였다.

구분	τ(μs)	η(%)	τ_R(μs)
실시예	160	31	507
비교예	123	16	783

상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 비교예의¹G₄준위의 형광수명은 123μs이고, 양자효율은 16%였다.

반면, 실시예의 경우는¹G₄준위의 형광 수명이 160μs로서 비교예의 경우에 비하여 증가되었고, 양자효율 또한 31%로 증가하였다.

이러한 결과로부터, Pr⁺³의 농도가 동일하다고 하더라도 황의 함량이 감소하면 Pr⁺³의 이온의 군집이 억제됨으로써 이온간의 에너지 전달에 의한 비복사전이가 감소된다는 것을 알 수 있었다.

한편, 광증폭기 및 레이저 공진기를 설계할 때, 여기광원의 문턱세기는 매우 중요하다. 여기 광원의 문턱세기는 일반적으로 형광 준위의 수명과 유도 방출 단면적의 곱에 반비례한다.

도 5를 참조하면, 상기 실시예의 1.3㎛ 파장대의 유도 방출 단면적은 9.92×10^-21㎠로서 비교예의 유도 방출 단면적 6.78×10^-21㎠에 비하여 큰 값을 나타냈다. 이는 황이 부족한 조성을 갖는 유리에서는¹G₄준위와³H₅준위간의 천이 확률이 증가하기 때문인 것으로 생각된다.

상기 결과로부터, Ge-Ga-S계 유리에서 황의 함량을 화학양론적인 조성에 비해 감소시키면, Pr⁺³이온의¹G₄준위의 형광수명을 증가시키며, 1.31㎛ 파장에서의 유도 방출 단면적 역시 증가시켜 광증폭효율을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.

도 6은 시차주사열량계(Differential Scanning Calorimeter: DSC)를 이용하여 상기 실시예 및 비교예에 따라 제조된 유리의 유리전이온도와 결정화 온도를 분석한 결과를 나타낸 것이다. 일반적으로 유리의 결정화에 대한 안정성은 결정화 온도(Tx)와 유리전이온도(Tg)의 차이(△T)에 비례한다.

비교예의 경우는 △T가 118℃이고, 실시예의 경우는 △T가 151℃로서, 실시예의 경우가 △T가 보다 크다. 이러한 결과로부터, 실시예는 비교예의 경우에 비하여 유리의 결정화에 대한 안정성이 크게 향상되어 광섬유 제조시 나타날 수 있는 결정 석출로 인한 광손실 발생 가능성을 현저하게 감소시킬 수 있었다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 광증폭기용 광섬유가 Pr⁺³을 도핑한 경우,¹G₄준위의 형광 수명과 광이득이 증가하여 1310㎚ 파장에서의 광증폭효율이 향상된다.

Claims

GeS₂-Ga₂S₃조성선보다 황(S)이 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리에 희토류 원소가 도핑되어 있고,

상기 Ge-Ga-S계 유리를 기준으로 하여 0.1 내지 10at%의 할로겐 원소가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 희토류 원소가 Pr⁺³인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 할로겐 원소가 브롬(Br) 또는 요오드(I)인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, Ga의 함량이 10몰% 이하인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, S의 함량이 70몰% 미만인 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
제1항에 있어서, 상기 희토류 원소가 Yb, Nd, Ho, Er, Tm, Cr 및 Mn으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 원소와 함께 도핑되는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.