KR20010023640A - 높고 평평한 이득의 1.55㎛ 광증폭기용 유리 - Google Patents

높고 평평한 이득의 1.55㎛ 광증폭기용 유리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광신호 증폭에 사용하기 위한 일족의(a family of) 에르븀-도핑된 플루오로포스페이트에 관한 것이다. 100중량부에 기초하여, 상기 조성물은 10중량부까지의 에르븀 산화물과 함께, P2O515-40중량부, MgF20-10중량부, Al2O30-5중량부, CaF20-25중량부, MgO 0-9중량부, SrF20-25중량부, CaO 0-9중량부, BaF20-20중량부, SrO 0-9중량부, KHF20-2중량부, BaO 0-45중량부, K2TiF60-2중량부 및 AlF35-25중량로 구성된다. 본 발명에 따른 상기 유리는 도 1의 유리와 비교하여, 1550nm 대역폭에 있어서 높은 이득 및 매우 평평한 스펙트럼을 나타낸다. 이러한 유리 조성물들은 WDM 및 이와 유사한 적용분야에서 섬유 또는 평면의 광증폭에 사용하기 위해 특히 적합하다.

Description

높고 평평한 이득의 1.55㎛ 광증폭기용 유리 {Glass for high and flat gain 1.55㎛ optical amplifiers}
광신호 증폭기는 광통신망, 특히 장거리에 걸쳐서 광섬유를 이용하는 광통신망에서의 사용이 빠르게 진전되었다. 근래의 실리카-기초의 광섬유는 일반적으로 1.55㎛ 윈도우(window)에서 비교적 낮은 손실을 나타내고 있지라도, 그들은 어느 정도까지 손실이 많으며 거리에 대해 손실이 축적된다. 이러한 감쇠를 줄이기 위해, 신호 세기(signal power)를 증대시키도록 광전자 디바이스(opto-electronic devices)가 사용되어 왔다. 이러한 디바이스들은 상기 광신호가 전자신호로 전환되도록 요구한다. 그리하여 상기 전자신호는 통상적으로 공지인 증폭기술들을 사용하여 증폭되고 재-전송(re-transmission)을 위해 광신호로 다시 재전환된다.
광신호 증폭기는 신호의 광-전자 전환을 요구하는 일없이 광신호를 증폭시킨다. 광증폭기에서, 약해진 광신호는 희토류 원소로부터 이온으로 도핑되었던 증폭 매체(amplifying medium)의 단면을 통해 조정된다. 외부 광원, 통상적으로 세미-컨덕터 레이저(semi-conductor laser)로부터의 빛(light)은 더 높은 에너지 수준으로 상기 희토류 원자들을 자극시키는 증폭매체로 펌핑된다. 상기 신호의 파장에서의 빛이 공급된 증폭매체는 상기 여기된 희토류 이온들을 더욱 자극하여 그들의 과잉 광양자 에너지를 신호펄스(signal pulse)를 갖는 상(phase)에서 신호 파장에서의 빛으로서 방출하여, 그에 의해 광신호가 증폭된다. 광증폭기의 하나의 타입은 한 발의(a length of) 에르븀-도핑된 광섬유(Erbium-doped optical fiber)를 사용한다. 에르븀-도핑된 섬유 증폭기(EDFA)는 일반적으로 100-500ppm 정도의 에르븀 이온으로 도핑된다. 통상적인 EDFA 섬유의 길이는 특정 적용분야에서 필요로 하는 최종 이득 요구조건들에 의존하여, 10-30미터(meter)정도이다. 일부 응용분야에서는, 10-30미터 길이의 섬유를 사용하는 것은 비실용적이다. 평면-타입의 광증폭기는 더욱 한정된 공간에 사용하기 위해 개발되어 왔다. 평면 증폭 디바이스의 유용한 길이는 일반적으로 10센티미터이하이다. 10 내지 30미터 길이의 EDFA로서 동일한 수준의 증폭을 얻기 위해서는, 평면 증폭기는 4 내지 7중량% 정도까지의 더 높은 농도의 에르븀 이온들을 갖는 증폭매체를 필요로 한다.
그러나, 공지타입의 광증폭 매체에서, 몇 가지 이득 손실(gain loss)의 메카니즘은 이온 클러스터링(ion clustering) 및 공동 균일 업컨버젼(cooperative homogenous upconversion)(농도 소멸(concentraion quenching))을 포함하는 높은 에르븀 이온의 농도 수준(concentraion level)을 발생시킨다. 에르븀 이온은 실리카 매트릭스(silica matrix)에 잘 용해되지 않기 때문에 뭉쳐질 것이고, 상기 뭉쳐진 영역에서 에너지가 전이될 것이다. 또한, 높은 에르븀 농도에서, 이온 대 이온의 상호작용이 더욱 중요해진다. 상기 최종 에너지의 업컨버젼은 상기 반전된 집단(inverted population)을 소멸시킨다. 에르븀 이온에너지가 상기 클러스팅 및 소멸 공정에 사용됨에 따라, 요구되는 증폭 광양자 공정에 있어서 유용하지 않다. 결과적으로, 상기 증폭 매체의 양자 효율(quantum efficiency)은 증폭기 이득의 오염물(connomitant) 감소와 함께, 더 높은 에르븀 이온의 농도를 빠르게 감소시킨다.
그 이상 아직까지, 공지의 실리카-기초의 에르븀-도핑된 증폭기들은 이득의 명백한 스펙트럼의 불균일성을 나타낸다. 광대역폭에 걸쳐서 평평한 이득 스펙트럼의 결핍은 몇가지 문제들을 일으킨다. 예를 들어, 극히 짧은 광학 펄스들은 비교적 넓은 세기의 스펙트럼을 갖고, 이득 스펙트럼이 평평하지 않다면 정확하게 증폭되지 않는다. 또한, 파장 분할 멀티플렉싱(WDM)과 같은 더욱 넓은 대역폭의 응용분야에서, 상기 섬유는 각각 다른 광학 담체 주파수(optical carrier frequency)를 이용하여, 몇가지 광학 트랜스미터(optical transmitter)로부터 데이터-변조된 광신호를 수집한다. 상기 광학 증폭기로부터의 이득 스펙트럼이 작업 파장에 걸쳐서 평평하지 않다면, 변두리(skirts) 및 골짜기(valley)에서의 담체 주파수가 충분히 증폭되지 않는 반면, 이득 피크(gain peak)들에서의 상기 담체 주파수는 포화될 것이다. 이득 평평화를 위한 과거의 노력들은 기본적으로 상기 이득 스펙트럼의 높은 이득 특성들의 수동 또는 능동의 여과(filtering)에 의존하였다. 그러나, 이것은 특정 증폭기 및 필터의 밀접한 정합을 요구하며 이득 스펙트럼에서의 임시적인 변동에 주의해야 한다.
발명의 요약
본 발명은 광신호 증폭기들의 제조시에 특별한 활용성을 찾는 일족의 유리에 관한 것이다. 이러한 유리들은 약한 농도의 소멸거동을 나타내면서 높은 농도(10중량% 까지)의 에르븀 산화물로 도핑된다. 또한, 이러한 유리들은 공지의 실리케이트 및 플루오로지르코네이트 유리 매체보다, 더 높은 형광성 효율을 더욱 균일한 이득 특성들에 제공한다. 이러한 유리들은 1.55㎛ 광파장 윈도우에서 광증폭에 특히 유용하고 파장 분할 멀티플렉싱(WDM) 시스템에 사용하기에 특히 적합한 높고 평평한 이득 특성들을 제공한다.
본 발명의 하나의 관점은, 높은 희토류 이온의 농도 수준에 특히 적합한 일족의 유리, 특히 플루오로포스페이트 유리들에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 1.55㎛ 주위의 광파장 윈도우에서 높고 평평한 이득을 제공하기 위한 광증폭기에 사용하기 위한 에르븀 산화물 이온들로 도핑된 플루오로포스페이트 유리 매체를 제공하는데 있다. 본 발명의 플루오로포스페이트 유리들은 ZBLAN 〈-〉에 유사하며, 통상적인 실리케이트 및 포스페이트 유리 조성물보다 상당히 향상된, 고농도(즉, 10중량%에 가까운)의 에르븀 이온을 포함한다.
본 발명은 10중량부까지, 바람직하게는 0.01 내지 10중량부 사이의 에르븀 산화물과 함께, P2O515-40중량부, MgF20-10중량부, Al2O30-5중량부, CaF20-25중량부, MgO 0-9중량부, SrF20-25중량부, CaO 0-9중량부, BaF20-20중량부, SrO 0-9중량부, KHF20-2중량부, BaO 0-45중량부, K2TiF60-2중량부, AlF35-25중량부로 구성된 〈플루오르화된 유리(즉, 광섬유에 있어서 플루오르화된 유리는 플루오르화물 ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3, 및 NaF를 함유)〉로 구성된 조성물 100중량부로 도핑된 실질적으로 실리카가 없는 플루오로포스페이트 유리 매체를 포함하는 광증폭을 위한 유리족에 관한 것이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리는 P2O516.9-24.0중량부, MgF20-7.5중량부, Al2O31.6-3.2중량부, CaF20-18.7중량부, MgO 0-5.0중량부, SrF20-19.7중량부, CaO 0-5.1중량부, BaF21.5-11.3중량부, SrO 0-8.5중량부, KHF20-1.3중량부, BaO 2.7-43.2중량부, K2TiF60-0.6중량부 및 AlF39.5-19.3중량부를 포함하는 조성물을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리는 약 980nm에서 펌프 효율을 증가시키기 위해 센시티저(sensitizer)로서 15중량부까지의 Yb2O3로 코-도핑(co-doped)될 수 있다. 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리는 약 1.48 내지 1.58의 굴절률을 갖는다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 다른 성분들 100중량부 뿐만 아니라, Er2O3약 0.01-10중량부를 더욱 포함하는 실질적으로 실리카가 없는 플루오로포스페이트 유리 조성물을 포함하는 광증폭을 위한 매체를 갖는, 대략적으로 1.55㎛의 파장 대역에 있어서의 에르븀-도핑된 광증폭기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광증폭기는 평면-타입의 광증폭기 또는 단일모드 섬유타입의 광증폭기의 하나일 것이다.
본 발명에 따른 광증폭기는 P2O515-40중량부, MgF20-10중량부, Al2O30-5중량부, CaF20-25중량부, MgO 0-9중량부, SrF20-25중량부, CaO 0-9중량부, BaF20-20중량부, SrO 0-9중량부, KHF20-2중량부, BaO 0-45중량부, K2TiF60-2중량부 및 AlF35-25중량부로 구성된 혼합물 100중량부에 대해, 10중량부까지, 바람직하게는 0.01 내지 10중량부 사이의 에르븀 산화물을 포함하는 플루오로포스페이트 유리 조성물을 포함한다.
본 발명에 따른 광증폭기에 대해 사용된 플루오로포스페이트 유리는 또한 약 980nm에서의 펌프 효율을 증가시키기 위해 센시티저로서 15중량부까지의 Yb2O3로 도핑되며, 바람직하게 약 1.48 및 1.58 사이의 굴절률을 갖는다. 본 발명에 따른 광증폭기는 파장 분할 멀티플렉싱 (WDM) 시스템에 특히 유용하다.
본 발명은 일반적으로 광신호 증폭기의 분야에 관한 것으로, 특히 1.55㎛ 주위의 파장에서 작동되는 광신호 증폭기에 사용하기 위한 플루오로포스페이트 유리 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 잇점들은 하기 상세한 설명으로부터 볼 수 있으며, 실시예에 의한 예로서 주어진 첨부도면을 참조한다.
도 1 및 도 2는 바이너리 실리케이트 유리(binary silicate glass)의 형광성 수명(fluorescence lifetime) 및 효율(efficiency)에 있어서 농도 소멸의 통상적인 거동을 나타내는 그래프이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리의 형광성 수명 및 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 통상적인 실리케이트 기초 유리용 파장 대 이득 형태를 나타내는 그래프이다.
도 6은 통상적인 ZBLAN 유리용 파장 대 이득 형태를 나타내는 그래프이다.
도 7-9는 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리용 파장 대 이득 형태를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 조명, 광학 및 전자 응용분야에서 특히 활용성을 갖는 유리족에 관한 것이다. 상기 유리는 광신호 증폭기들의 생산에 특히 유용한 유일한 특성들을 갖는다.
이러한 유리의 하나의 특징은 SiO2로부터의 실질적인 자유이다. 에르븀 이온들은 실리카 매트릭스 내에 잘 용해되지 않아서, 이온 클러스터링의 증가 및 이득 효율의 격감을 일으킨다. 따라서, 상기 실리카 매트릭스의 제거는 이온 클러스터링을 방지할 수 있고, 과잉 이온 광양자 에너지가 증폭에 대해 보호된다. 본 발명에 따른 유리는 비교적 높은 농도의 P2O3를 함유한다. 본 발명은 다른 성분들 100중량부에 대해, 10중량부까지의 에르븀 산화물로 도핑된 실질적으로 실리카가 없는 플루오로포스페이트 유리 매체를 포함하는 광증폭을 위한 유리족에 관한 것이다. 하기 표 1은 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리에 대한 필수적인 조성물을 나타낸다.
P2O515-40중량부 MgF20-10중량부
Al2O30-5중량부 CaF20-25중량부
MgO 0-9중량부 SrF20-25중량부
CaO 0-9중량부 BaF20-20중량부
SrO 0-9중량부 KHF20-2중량부
BaO 0-45중량부 K2TiF60-2중량부
AlF35-25중량부
본 발명에 따른 에르븀-도핑된 유리는 약 980nm에서 펌프 효율을 증가시키기 위해 센시티저로서 약 0.01 내지 15중량부까지의 Yb2O3를 더욱 포함한다. 하기 표 2의 더 좁고, 바람직한 범위의 본 유리의 산화물 성분들을 나타낸다. 광신호 증폭기에 있어서의 최적의 특성들 및 그들의 생산은 이러한 더욱 좁은 범위들을 얻는다.
P2O516.9-24.0중량부 MgF20-7.5중량부
Al2O31.6-3.2중량부 CaF20-18.7중량부
MgO 0-5.0중량부 SrF20-19.7중량부
CaO 0-5.1중량부 BaF21.5-11.3중량부
SrO 0-8.5중량부 KHF20-1.3중량부
BaO 2.7-43.2중량부 K2TiF60-0.6중량부
AlF39.5-19.3중량부
본 발명에 따른 상기 유리의 다른 특징은 비교적 높은 농도의 에르븀 산화물(Er2O3)로 도핑될 수 있다는 것이다. 실리카-기초 유리의 부재에서, 고농도의 Er2O3도핑은 이온 클러스터링의 감소 및 업컨버전 소멸로 인한 레이저 펌핑에 의해 광신호 증폭에 대한 중요한 우수한 형광성 효과들을 제공한다. 이러한 특성은 1550nm 파장에 있어서 광증폭기를 사용하기 위한 우수한 증폭매체를 제공한다. 또 다른 관점에 따라, 본 발명은 플루오로포스페이트 유리 조성물을 포함하는 광증폭을 위한 매체를 포함하는 에르븀-도핑된 광증폭기에 관한 것이다. 바람직하게는, 상기 플루오로포스페이트 유리 조성물은 하기 표 3의 조성물 100중량부에 대해 약 0.01 내지 10중량부의 Er2O3로 도핑된다.
P2O515-40중량부 MgF20-10중량부
Al2O30-5중량부 CaF20-25중량부
MgO 0-9중량부 SrF20-25중량부
CaO 0-9중량부 BaF20-20중량부
SrO 0-9중량부 KHF20-2중량부
BaO 0-45중량부 K2TiF60-2중량부
AlF35-25중량부
본 발명의 또 다른 구체예에 따라, 상기 에르븀-도핑된 광증폭기 매체는 에르븀 산화물 이외의 성분에 대해, 하기 표 4에 나타난 조성물 100중량부를 포함한다.
P2O516.9-24.0중량부 MgF20-7.5중량부
Al2O31.6-3.2중량부 CaF20-18.7중량부
MgO 0-5.0중량부 SrF20-19.7중량부
CaO 0-5.1중량부 BaF21.5-11.3중량부
SrO 0-8.5중량부 KHF20-1.3중량부
BaO 2.7-43.2중량부 K2TiF60-0.6중량부
AlF39.5-19.3중량부
본 발명에 따른 에르븀-도핑된 광증폭기는 약 980nm에서 펌프 효율을 증가시키기 위한 센시티저로서 사용되는, 약 0.01 내지 15중량부까지의 Yb2O3를 더욱 포함한다. 본 발명에 따른 광증폭기는 매체가 에르븀 이온들로 도핑될 수 있을 정도로 긴 한, 여러가지 형태를 가질 수 있다. 상기 광증폭기는 단일모드 섬유타입의 광증폭기일 수 있다. 또는, 상기 광증폭기는 평면타입의 광증폭기일 수 있다. 통상적인 바이너리 실리카-기초 유리상에서의 농도 소멸의 영향이 도 1에 도시되어 있다. 5E19 이온/cc 미만의 Er2O3의 낮은 농도 수준(0.5중량부 미만과 등량)에서, 상기 형광성 수명은 일정하다. 이러한 농도 수준 이상에서, 형광성 수명은 농도가 증가함에 따라 빨리 감소된다. 두가지 특성 농도들이 유리를 세분화하기 위해 한정될 수 있다. Cqb의 농도는 농도 소멸의 온셋(onset)에 상응한다. 농도 Cq는 형광성 수명이 2에 의해 분할되는 농도 수준에 상응한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 농도 소멸은 Cqb=7E19 이온/cc(또는 대략적으로 1.9중량부)일 때, 통상적인 바이너리 실리케이트 유리들에서 시작된다. 이러한 점에서, 형광성 수명은 대략적으로 13ms이다. Cq=3E20 이온/cc(대략적으로 3중량부)일 때, 형광성 수명은 대략적으로 7.5ms이다.
도 2는 통상적인 실리카 기초 유리의 형광성 효율상에서 농도 소멸의 효과를 나타내는 그래프이다. 형광성 효율은 1.55㎛ 형광성/Er이온 대 Er농도로서 정의된다. 관심의 대상인 이온 농도의 수준, 즉 3 내지 5E20 Er 이온/cc(대략적으로 4-7중량부)에 있어서, 상기 실리카 기초의 유리의 형광성 효율은 0.5 내지 2E-19nW/이온의 사이이다.
도 3은 본 발명에 따른 3가지 타입의 플루오로포스페이트-기초 유리의 형광성 수명상에서 농도 소멸의 효과를 나타낸다. 도 4는 본 발명에 따른 3가지 타입의 플루오로포스페이트-기초 유리의 형광성 효율상에서의 농도 소멸의 효과를 나타낸다. 도 3 및 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 모든 Cqb및 Cq는 실리카-기초 유리에 대한 대응값보다 높은 정도이다. 이것은, Er 이온의 고농도 수준에서 농도 소멸의 거동이 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리들에서 비교적 약하고, 이러한 유리들이 짧은 길이, 높은 이득 광신호 증폭기들을 위한 매우 좋은 지원자임을 나타낸다. 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리들의 3가지 타입의 측정되고 계산된 특성들과 관련된 조성물과 비교해 보면, 통상적인 보로실리케이트-기초 유리 및 ZBLAN은 하기 표 5에 나타내었다. 하기 표 5에서의 상기 조성물들은 뱃치 수량으로 표현되었다. 상기 뱃치의 실질적인 성분들은 모든 타입의 원료, 산화물, 플루오르화물 또는 포스페이트로 이루어질 수 있으며, 이것은 함께 용해되었을 때, 적절한 비율로 바람직한 산화물 및 플루오르화물로 전환된다. 상기 (소비되지 않는) 원료의 예는: Ca(PO3)2, Ba2P2O7, Al4(P2O7)3, Al(PO3)3, NaPO3, K2TiF6, X2Oy, XFy, 여기서 X는 원자가 y의 금속이온이다.
하기 표 5에서 주어진 값(본원이외에서 주어진 수명값)은 당분야에서 일반적인 실시예에 따른 최종 유리에서의 다른 성분들의 이론적인 수량을 나타낸다. 산화물의 경우에, 이론량은 자연값(즉, 상기 "뱃치 수율"은 산화물에 대해 100%에 매우 근접하다)에 매우 근접하다. 플루오르화물의 경우에, 이것은 더욱 슬레이틸(slatile)인 경우에, 실제값은 이론값(상기 뱃치 수율은 약 90 내지 95%)보다 약간 낮은 값이다.
코드 실시예 1 실시예 2 실시예 3 보로실리케이트타입 유리 ZBLAN2
중량부 중량부 중량부 중량부 몰%
SiO2 66.6
B2O3 11.6
P2O5 16.9 24.0 30.9
Al2O3 3.2 2.7 1.6
MgF2 5.8 7.5 0.0
CaF2 18.7 0.5 0.0
SrF2 19.7 17.9 0.0
BaF2 11.3 14.4 1.5 22
AlF3 19.3 11.3 9.5 4
ZrF4 48
InF3
LaF3 3.2
NaF 22
KHF2 1.3 0.0 0.0
K2TiF6 0.6 0.5 0.0
Na2O 0.5 0.0 0.0
K2O
CaO 0.0 5.1 0.0
SrO 0.0 2.4 8.5
BaO 2.7 13.7 43.2
MgO 0.0 0.0 4.9
ErF3 0.8
Er2O3 6.0 4.0 1.5 2
Er2O3(이온/㎤) 5.84+20 4.64+20 1.6+20 1.6E+20 1.5E+20
굴절률 1.49 1.54 1.59 1.52
밀도 3.62 3.83 3.976 2.553
형광성수명 6.8 7.6 7 6.3
저Er함량에서형광성수명(ms) 9.5 8 7 16
QE(%) 68 95 100 39
형광성효율(nW/Er이온)*1E-19 2.3 2.7 3.2 1.3
단면(㎠)*1E-21
흡수펌프
975nm 1.9 2.3 (980nm) 0.8 2.6
1480nm 3.3 3.9 1.2 4.7
흡수신호(σab(λ))
1533nm 4.9 5.9 (1527nm) 5.6
FWHM(nm) 65 64 15
방출신호(σem(λ))
1522nm 5.3 6.5 (1537nm) 7.2 6
FWHM(nm) 51 49 17
방출/흡수 1.1 1.1 1.3 1.1
복사수명(ms) 10 8 16 8
상기 뱃치 성분들은 백금 도가니안에 두고 약 1000℃에서 가열된 줄(joule)에서 균일하게 제공되어 함께 혼합된다. 용해가 완료되면, 온도는 1050 내지 1350℃사이로 승온되어 유리의 균일성 및 미세성을 얻는다. 그리고나서, 상기 용해물은 냉각되고 동시에 바람직한 형태로 성형되며, 마지막으로 약 400℃에서 작동되는 어닐링 퍼네이스(annealing furnace)로 이송된다. 또 다른 용해 공정은 뱃치 성분들로부터 유리를 성형하는 단계 및 Er 및/또는 Yb 원료들의 바람직한 부분들과 함께 이러한 유리들을 재용해시키는 단계로 이루어진다. 이러한 공정은 경우에 따라서 유리의 균질성을 향상시킬 수 있다.
표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 양자 효율 τobs/τrad은 바람직한 Er 농도 수준에서 본 발명에 따라 플루오로포스페이트 유리들에 대해 70 내지 100%의 범위내인 반면, 동일한 농도 수준에서의 실리카-기초 유리에 대한 양자 효율은 20 내지 35%의 범위이다.
WDM 시스템에서 대역폭의 모든 사용에 대한 하나의 한계는 실리카-기초 유리 EDFA에서 나타난 이득의 스펙트럼의 불균일성이다. 실리카-기초 유리와 비교하여 본 발명에 따른 고농도의 Er-도핑된 플루오로포스페이트 조성물들의 또 다른 중요한 특징은 상기 플루오로포스페이트 유리가 1550nm 대역폭에서 대략적으로 20 내지 30nm의 범위에 걸쳐서 매우 평평한 이득 스펙트럼을 나타낸다는 것이다. 이것은 Er 도핑된 ZBNAN 유리 섬유들에 적합하다. 1528 및 1563 nm 사이의 이득 평평함을 얻기 위해, 본 발명에 따른 이득 매체는 바람직하게 적어도 18중량부의 불소 함량을 갖는다. 파장 대 이득 스펙트럼 형태의 양호한 양상은 하기 수학식 1을 이용하여 얻어질 수 있다.
여기서, σem(λ)는 방출 단면적으로 단위는 ㎠이고;
σab(λ)*는 흡수 단면적으로 단위는 ㎠이며;
N2는 상한 (4|13/2) 이온 집단 (길이에 있어서 평균화됨);
N1은 바닥상태 (4|15/2) 이온 집단 (길이에 있어서 평균화됨); 및
Nt는 총 Er농도(단위: 이온/㎤).
반전 퍼센트(inversion percentage)는 D=(N2-N1)/N1으로 정의되며, 그리하여 상기 수학식 1은 하기 수학식 2와 같이 다시 재작성될 수 있다:
여기서, D+-1 : % 반전; 및
D++1 : 100% 반전.
상기 수학식 2는 다른 유리 조성물의 파장 대 이득 형태를 계산하기 위해 사용되었고, 이것의 결과는 도 5-9에서 도시되었다.
도 5는 광신호 증폭기에서 사용되는 통상의 보로실리케이트 타입의 유리의 이득 형태를 나타낸다. WDM에서 사용된 1550nm 대역폭 주위의 이득 스펙트럼은 문자당 불균일하다. WDM에서 사용된 통상적인 범위인, 약 1535nm 및 1565nm 사이의 증폭은 평평치 않다. 최대 및 최소 이득 사이의 변화는 250%에 달할 수 있다.
도 6은 광신호 증폭기에 사용하기 위한 ZBLAN 유리의 이득형태를 나타내었다. 상기 보로실리케이트 타입의 유리와 비교하여, ZBLAN은 약 30nm 폭의 파장 범위에 걸쳐서 평평한 이득 형태를 제공한다.
도 7은 본 발명에 따른 제1플루오로포스페이트 타입의 유리를 위한 이득 형태를 나타낸다. 실시예 1에 언급한 바와 같이, 이러한 유리는 100중량부의 다른 성분에 대해 7중량부 정도의 Er 농도를 갖고, 여전히 1530-1560nm 대역에서 28nm 스펙트럼에 걸쳐서 실질적으로 평평한 이득 형태를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 제2타입의 플루오로포스페이트 유리의 이득 형태를 나타낸다. 실시예 2에 언급한 바와 같이, 이러한 유리는 100중량부의 다른 성분에 대해 4중량부 정도의 Er 농도를 갖고, 26nm 스펙트럼에 걸쳐서 평평한 이득 형태를 나타낸다.
도 9는 포스페이트-기초 유리의 이득 형태를 나타낸다. 실시예 3에서 언급한 바와 같이, 이러한 유리는 100중량부의 다른 성분에 대해 약간의 3중량부미만 정도의 Er 농도를 갖고, 이득의 두개의 비교적 평평한 면적들을 나타내며; 제1타입은 약 10nm 너비 아리드(arid) 및 제2타입은 약 9nm 폭이다.
본 발명의 또 다른 관점은 비교적 낮은 노이즈(noise) 수준을 유지하는 동안 980nm에서 효율적으로 증폭 매체를 펌프할 수 있는 것에 관한 것이다. 광증폭은 유리 매체에서 에르븀 이온들의 높은 에너지 수준으로의 여기를 요구하여 상기 이온들은 완화된다. 이러한 공정은 에르븀 이온의 완화(relaxation)로서 광양자의 방출이 수준을 바닥으로 낮추는 요인이 된다. 이러한 공정동안 방출된 광양자는 상기 파장에서 광신호들을 증폭시키기 위해 파장에 존재한다.
에르븀의 1/3 에너지 수준을 고려하면, 유용한 방출이 수준 2(측정가능한 수준) 내지 수준 1(바닥 수준) 사이에서 발생한다. 집단 반전(수준 2 또는 50% 이상의 집단)을 갖기 위해, 따라서 이득, 상기 이득 매체는 외부 소스에 의해 펌프되어야 한다. 일반적으로 광신호 증폭을 이용하여, 상기 이득 매체는 980 또는 1480nm 디오드 레이저로 펌핑된다. 980nm 디오드 레이저가 사용될 때, 전자들은 1/3 수준(4|11/12)으로 이동되며, 제2수준으로 완화되고 1.55㎛ 광양자를 방출하여 바닥상태로 변한다. 1480nm 디오드 레이저가 사용되었을 때, 전자는 레이싱 수준(2)으로 직접 이동하여 1.55㎛ 광양자를 방출하여 바닥상태로 향한다. 광증폭에 있어서 가장 효과적이고 신뢰성 있는 펌프는 980nm 펌프이다. 그러나, 상기 980nm 펌핑 공정이 1/3 수준으로 전자를 이동시키기 때문에, 수준(3)에서의 수명은 매우 낮아야 하고, 바람직하게는 마이크로초정도이며, 그렇지 않으면, 상기 전자들은 상한으로 여기되어 펌프 효율을 감소시킨다. 이것은 사실상 수준(3)(약 9ms)의 비교적 긴 수명으로 인해 980nm 펌프로 펌핑될 때 ZBLAN-과 같은 유리 매체는 일어난다. 따라서, ZBLAN-과 같은 증폭 매체가 980 레이저 디오드 펌프를 갖는 본 발명의 플루오로포스페이트 유리 매체와 같이 효과적으로 펌핑될 수 없다.
980nm 펌프를 갖는 증폭매체로서의 본 발명에 따른 Er-도핑된 플루오로포스페이트 유리는 Er-도핑된 플루오르화물에 있어서 잇점을 갖는다.4|11/12펌핑 수준에서 높은 형광성 수명(9ms)으로 인해, ZBLAN-과 같은 (100% 플루오르화물, 무 산소) 조성물은 펌핑 효율을 잃는다. 따라서, ZBLAN-과 같은 조성물들은 1480nm에서 일반적으로 펌핑된다. 그러나, 이러한 높은 파장들에서 펌핑하는데는 단점이 있다. 예를 들어, 상기 이온의 집단이 이러한 수준에서 완전히 반전될 수 없고 증폭기에서 노이즈가 증가된다. 대조적으로, 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리 매체는4|11/12수명시간이 10 내지 70㎲의 범위이기 때문에, 980nm에서 효과적으로 펌핑될 수 있다.
도 5-9는 본 발명에 따른 플루오로포스페이트 유리가 ZBLAN과 유사한 980nm 펌프를 이용하여 이득 평평화 특성들을 나타내며 실리케이트 및 포스페이트와 비교하여 상당히 향상된 결과를 나타냄을 도시한다. 본 발명에 따른 상기 유리 조성물들은 짧은 길이의 광증폭기에서 높고 평평한 이득 특성들을 제공하며, 따라서 WDM 및 다른 유사한 적용분야에서 유용한 ZBLAN-과 같은 이득을 갖는 평면 증폭기 및/또는 짧은 길이의 단일모드 섬유의 제조를 위한 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. P2O515-40중량부, MgF20-10중량부, Al2O30-5중량부, CaF20-25중량부, MgO 0-9중량부, SrF20-25중량부, CaO 0-9중량부, BaF20-20중량부, SrO 0-9중량부, KHF20-2중량부, BaO 0-45중량부, K2TiF60-2중량부 및 AlF35-25중량부로 구성된 100중량부의 혼합물에 대해, Er2O30.01-10중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 높고 평평한 이득의 1.55㎛ 광증폭기에 사용하기 위한 플루오로포스페이트 유리.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유리는 0.01-15중량부의 Yb2O3를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 플루오로포스페이트 유리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유리가 P2O516.9-24.0중량부, MgF20-7.5중량부, Al2O31.6-3.2중량부, CaF20-18.7중량부, MgO 0-5.0중량부, SrF20-19.7중량부, CaO 0-5.1중량부, BaF21.5-11.3중량부, SrO 0-8.5중량부, KHF20-1.3중량부, BaO 2.7-43.2중량부, K2TiF60-0.6중량부 및 AlF39.5-19.3중량부를 포함하는 화학조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 플루오로포스페이트 유리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유리의 플루오르화물 함량이 7 내지 88중량부임을 특징으로 하는 플루오로포스페이트 유리.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유리의 플루오르화물 함량이 18중량부 이상임을 특징으로 하는 플루오로포스페이트 유리.
  6. P2O515-40중량부, MgF20-10중량부, Al2O30-5중량부, CaF20-25중량부, MgO 0-9중량부, SrF20-25중량부, CaO 0-9중량부, BaF20-20중량부, SrO 0-9중량부, KHF20-2중량부, BaO 0-45중량부, K2TiF60-2중량부 및 AlF35-25중량부로 구성된 혼합물에 대해 Er2O30.01-10중량부를 포함하는 플루오로포스페이트 유리 조성물을 포함하는 광증폭용 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 매체가 P2O516.9-24.0중량부, MgF20-7.5중량부, Al2O31.6-3.2중량부, CaF20-18.7중량부, MgO 0-5.0중량부, SrF20-19.7중량부, CaO 0-5.1중량부, BaF21.5-11.3중량부, SrO 0-8.5중량부, KHF20-1.3중량부, BaO 2.7-43.2중량부, K2TiF60-0.6중량부 및 AlF39.5-19.3중량부를 포함하는 화학조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 매체가 0.01-15중량부의 Yb2O3를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  9. 제6항, 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 광증폭기가 평면타입의 광증폭기임을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  10. 제6항, 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 광증폭기가 단일모드 섬유타입의 광증폭기임을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  11. 제6항 내지 제10항의 어느 한 항에 있어서, 상기 매체의 플루오르화물 함량이 7 내지 88중량부임을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 매체의 플루오르화물 함량이 18중량부 이상임을 특징으로 하는 에르븀-도핑된 광증폭기.
  13. 입구 및 출구를 갖고, 형광성 도핑제로 도핑되며, 1525 내지 1570nm 범위의 파장을 갖는 입구 광신호에서 수신하는 활성 광학매체; 및
    펌핑 라이트가 상기 형광성 도핑제를 여기시키는데 사용되어 1525 내지 1565nm의 스펙트럼 범위에서 13% 미만의 이득변동을 갖는 실질적으로 평평한 이득 스펙프럼과 함께 20 내지 30nm 폭의 파장범위 내에서 상기 광신호를 증폭시키도록 광양자를 방출시키고, 양자 효율이 상기 활성 광학매체의 형광 수명 및 복사선 수명 사이의 비일 때 상기 활성 광학매체의 양자 효율이 65%를 초과하며, 980nm의 파장에서 상기 활성 광학매체에 펌핑 라이트 파워를 공급하는 펌프소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 광증폭기.
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