KR20020010772A - 1.6 미크론미터 대역 광 증폭 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 1.6 ㎛ 대역의 광신호를 증폭할 수 있는 광 증폭 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 +3가 프라세오디뮴(Pr³⁺) 이온을 첨가한 비정질 재료로부터 발생하는 1.6 ㎛ 대역의 근적외선 형광을 박막이나 광섬유 형태의 광증폭기로 이용하는 것이다. 본 발명의 광 증폭 시스템은 희토류 이온의 다중포논 완화(multiphonon relaxation)에 가장 큰 영향을 미치는 대표적인 포논 에너지가 실질적인 320 cm^-1이하인 기지 재료(host material) 유리와, 상기 유리에 첨가된 프라세오디뮴 이온 및/또는 어븀이온과, 상기 이온 첨가 유리를 광 펌핑시켜 1.6 ㎛ 대역의 형광 천이를 유도하는 여기 수단을 포함하여 구성된다.

Description

1.6 미크론미터 대역 광 증폭 시스템{1.6 ㎛-band optical amplification system}

본 발명은 1.6 ㎛ 대역, 특히 1600∼1650 nm 대역의 신호광을 증폭 구현하기 위한 광 증폭 시스템에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이 광전송 용량의 획기적 향상을 위해서 도입된 파장 분할 다중(wavelength division multiplexing) 전송 기법에 있어서 채널 간격을 작게 하는 것은 비선형 효과로 인하여 전송 품질을 저하시키게 된다. 따라서, 광전송 용량을 크게 하기 위해서는 신호광의 파장 범위는 넓은 것이 바람직하다. 통상적인 전송용 실리카 광섬유의 저손실 파장 영역은 대략 1200∼1700 nm에 달한다. 따라서 약 500 nm에 이르는 넓은 파장 대역이 실제 광전송에 사용 가능한 것이다. 그러므로 실질적으로 광전송을 가능케 하는 필수 소자 가운데 하나인 광 증폭기를 개발하는 것은 매우 중요한 일이다.

전송용 실리카 광섬유의 저손실 파장 영역인 1200∼1700 nm 범위를 모두 활용하기 위해서, 현재까지 1300 nm 대역, 1450 nm 대역, 1530∼1600 nm 대역 및 1650∼1680 nm 대역에서 동작하는 이온 첨가 광섬유 증폭기가 연구되고 있다.

특히 어븀(Er)(Erbium) 첨가 실리카 광섬유 증폭기의 이득 대역은 약 1600 nm보다 짧은 파장에 국한된다. 이는 어븀 이온의 형광 천이의 특성에 기인하는 것으로 종래 기술로는 1600∼1650 nm 대역에서 동작하는 이온 첨가 광섬유 증폭기는 전무하다.

또한, 툴륨을 첨가한 불화물계 광섬유 증폭기의 이득 파장은 1650 nm보다 길다. 이는 마찬가지로 툴륨 이온의 특성에 기인하는 것으로, 이득 대역을 1650 nm보다 짧게 하는 것은 종래의 기술로는 매우 어렵다.

결론적으로 종래에는 1600∼1650 nm 파장 대역에서 광 증폭기로 적용할 수 있는 희토류 이온의 종류 및 첨가 농도, 여기 소스 및 형광 특성, 기지 재료가 갖추어야 할 조건에 대해서 제시되지 못하고 있다.

전술한 바와 같이, 종래의 이온 첨가 광섬유 증폭기는 1600∼1650 nm 대역을 증폭할 수 없는바, 본 특허에서는 상기 1600∼1650 nm 대역의 증폭기로 적용할 수 있는 광증폭 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 희토류 이온 첨가 광증폭 시스템을 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 1 몰% Pr³⁺첨가 셀레나이드 유리의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면.

도 3은 +3가 프라세오디뮴 이온 및 +3가 어븀 이온의 에너지 준위를 나타낸 도면.

도 4는 0.05 몰% Pr³⁺첨가 셀레나이드 유리의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면.

도 5는 셀레나이드 유리 내 Pr³⁺첨가 농도에 대한 (³F₃,³F₄) 준위의 형광 수명을 나타낸 도면.

도 6은 0.05 몰% Pr³⁺과 0.2 몰% Er³⁺가 공동 첨가된 유리의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면.

도 7은 0.05 몰% Pr³⁺단독 첨가 유리와 0.05 몰% Pr³⁺/0.5 몰% Er³⁺공동 첨가 유리의 형광 감쇠 곡선.

도 8은 Er³⁺첨가량에 따른 Pr³⁺: 1.65㎛ 형광과 Er³⁺: 1.54㎛ 형광의 형광 수명을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 입력 광신호

20 : 여기 소오스

30 : 희토류 이온 첨가 저 포논 에너지 유리

40 : 증폭된 광신호

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광증폭 시스템은, 대표적인 포논 에너지가 실질적인 320 cm^-1이하인 광재료(optical material); 상기 광재료에 도핑된 프라세오디뮴 이온; 상기 광재료를 광 펌핑시켜 1.6 ㎛ 대역의 형광 천이를 유도하는 여기 수단을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 광 증폭 시스템은 상기 광재료에 도핑된 센시타이저로서의 어븀 이온을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 광재료는 단결정 또는 비정질 재료임을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 1.6㎛ 대역 광증폭 시스템을 개략적으로 도시한 도면으로서, 도면부호 10은 입력 광신호, 20은 여기 소오스, 30은 희토류 이온 첨가 저 포논 에너지 유리, 40은 증폭된 광신호를 각각 나타낸다.

본 발명의 광 증폭 시스템에서, 프라세오디뮴 이온의 1.6 ㎛ 형광을 이용하기 위해서는 기지 재료의 대표적인 포논 에너지가 약 320 cm^-1보다 작을 것이 요구되는 바, 그 이유를 이하에서 상세히 설명한다.

어븀 첨가 실리카 광섬유 증폭기(Er-doped silica-based optical fiber amplifier) 경우와 같이, 일반적인 광섬유 증폭기 및 평판 도파로 증폭기는 목적하는 파장 대역에서 형광 천이를 발생시키기 위해서 광 펌핑이 이루어진 상태에서 상기 파장 대역의 신호광이 주입되면, 유도 방출(stimulated emission) 현상으로 인하여 신호광의 세기가 커지게 된다. 이때, 신호광의 이득에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하며 기본적으로, 특정 파장에서 효과적인 광증폭을 달성하기 위해서는 첫째 형광 천이의 파장 범위가 당연히 신호광 파장 대역에 위치해야 하며, 둘째 형광 천이의 유도 방출 단면적이 커야 하며, 셋째 형광 천이의 전이 분배율(branching ratio)이 커야 하며, 넷째 형광 수명이 길어야 하며, 다섯째 기지 재료가 광섬유 형태나 평판 도파로 형태로 용이하게 성형될 수 있어야 하며, 여섯째 기지 재료가 열적, 기계적으로 안정해야 한다.

1.3㎛ 대역 증폭기용 능동 이온으로 사용되는 프라세오디뮴(Pr)(praseodymium) 이온의 4f-4f 천이(intra-4f-configurational transition)의 하나인 (³F₃,³F₄) →⁶H₄천이의 중심 파장은 약 1650 nm에 위치한다. 그러나 일반적인 유리에서 이 천이의 강도는 매우 약하고 측정되는 형광 수명 또한 매우 짧다. 이는³F₃준위와 최근접 하위 준위(next lower-lying)인³F₂준위와의 에너지 간격이 약 1350 cm^-1로 작으므로 다중포논 완화(multiphonon relaxation) 현상이 매우 크게 발생하여 형광 수명을 짧게 하기 때문이다. 다중포논 완화율의 크기는 기지 재료를 구성하는 화학 결합의 진동 에너지에 대하여 지수적으로 비례한다. 즉, 기지 재료의 진동 에너지가 클수록 다중포논 완화율 또한 커지게 된다. 일반적으로 유리의 망목(network)을 구성하는 유리 형성 이온(glass-forming ion)과 관련된 진동 모드가 주로 희토류 이온의 다중포논 완화율에 큰 영향을 미치게 된다. 그 예로써, 실리카 유리에서 Si-O 결합의 진동 에너지(vibrational phonon energy)는 약 1100 cm^-1이기 때문에 프라세오디뮴 이온의 1.6 ㎛ 천이는 실리카 유리에서 양자 효율(quantum efficiency)이 극히 작게 되는 것이다.

결국, 프라세오디뮴 이온으로부터 발생하는 1.6 ㎛ 형광의 강도를 향상시키기 위해서는 포논 에너지가 작은 유리를 기지 재료로 사용하는 것이 요구된다. 포논 에너지가 약 210 cm^-1인 LaCl₃단결정에 프라세오디뮴 이온을 첨가하여 1.6 ㎛ 대역에서 레이저를 구현한 바 있으나(S. R. Bowman, J. G. Ganem, B. J. Feldman, and A. W. Kueny, "Infrared laser characteristics of praseodymium-doped lanthanum tricloride,"IEEE Journal of Quantum Electronics, 30[12] (1994) 2925-2928), 지금까지 비정질 소재에서는 그러한 연구가 진행된 바 없다. 현재, 광섬유 광증폭기용 기지 재료로 사용되는 유리들은 알루미노-실리케이트(alumino-silicate, ∼1100 cm^-1), 텔루라이트 유리(tellurite, ~700 cm^-1), 중금속 불화물계유리(heavy metal fluoride glass, ~500 cm^-1), 황화물계 유리(sulfide glass, ~350 cm^-1) 등이 있다. 그러나 프라세오디뮴 이온의³F₃준위와³F₂준위와의 에너지 간격이 작은 편이어서 황화물계 유리를 사용하여도 1.6 ㎛ 형광의 형광 수명이 매우 짧아지게 된다. 따라서 1.6 ㎛ 대역 증폭기로써 프라세오디뮴 첨가 유리 소재를 이용하기 위해서는 기지 유리의 대표적인 포논 에너지가 약 320 cm^-1보다 작아야 한다. 이러한 유리 시스템들 중, 유리 형성 능력(glass-forming ability)이 뛰어난 조성이 셀레나이드 유리(selenide glass)와 텔루라이드 유리(telluride glass)가 있다. 셀레나이드 유리는 주 유리 형성 이온(main glass-forming ion)이 셀레늄(selenium)으로써 광섬유 인선이 시도된 바 있는 대표적인 조성으로는 Ge-As-Se, Ge-Sb-Se, As-Se 등이 있다(T. Kanamori, Y. Terunuma, and T. Miyashita, "Preparation of chalcogenide optical fiber," Review of the Electrical Communication Laboratories, 32[3] (1984) 469-477). 한편, 텔루라이드 계열 유리는 텔루륨(tellurium)이 주된 유리 형성 이온이며 Ge-Se-Te, Ge-As-Se-Te 등이 광섬유 제조가 가능하다. 한편, 안정한 유리상을 형성하는 여타 낮은 포논 에너지 유리 시스템으로서 Ge-S-I, Ge-Ga-S-Br 등의 유리들이 있다. 결론적으로, 프라세오디뮴 이온의 1.6 ㎛ 형광을 이용하기 위해서는 기지 재료의 대표적인 포논 에너지가 약 320 cm^-1보다 작을 것이 요구된다.

바람직한 실시예를 통해 프라세오디뮴 이온의 1.6 ㎛ 형광의 제반 특징을 살펴본다. 본 실시예에서는 몰%로서 Ge₃₀As₆Ga₂Se₆₀유리를 기지 조성으로 사용하였다. 우선, 프라세오디뮴 이온의 용해도를 점검한 결과, 1 몰%(~3.5 ×10²⁰cm^-3)의 프라세오디뮴 이온이 첨가되어도 양호한 유리상을 형성하였다. 즉, Ge-As-Se 삼성분계 유리에 소량의 Ga를 첨가함으로써 희토류 이온의 용해도를 향상시킨 것이다. 도 2에 1몰% Pr이 첨가된 샘플의 흡수 스펙트럼을 도시되어 있다. 기지 유리의 단파장쪽 흡수가 약 800 nm부터 시작되는 것을 알 수 있다. 따라서 약 800 nm보다 짧은 파장으로 프라세오디뮴 이온을 여기하는 것은 여기광의 일부가 기지 재료로 흡수되기 때문에 여기 효율을 저하시키게 될 뿐더러 기지 재료의 변형을 야기하게 된다. 실제로 800 nm에서 150 mW 세기로 레이저 빔을 약 10분간 시편을 조사한 결과, 시편의 온도가 급격히 상승하였으며 레이저 빔이 조사된 부분의 국부적 용융 현상이 발견되었다.

흡수 스펙트럼으로부터 각 에너지 준위의 위치를 측정한 결과가 도 3에 도시되어 있다.³F₃과³F₄및³F₂과³H₆준위의 각 간격이 좁은 편이어서 각 에너지 준위의 차이에 따른 볼쯔만 분포(Boltzmann distribution)를 계산해보면 각각의 상위 준위인³F₄와³F₂준위에 존재하는 팝퓰레이션(population)은 10 %와 9 %임을 알 수 있다. 따라서 실질적으로³F₃과³F₄및³F₂과³H₆준위들은 각각 (³F₃,³F₄) 및 (³F₂,³H₆) 준위(manifold)로 간주하는 것이 타당하다(L. B. Shaw, S. R. Bowman, B. J.Feldman, and J. Ganem, "Radiative and multiphonon relaxation of the mid-IR transitions fo Pr³⁺in LaCl₃," IEEE Journal of Quantum Electronics, 32[12] (1996) 2166-2172). (³F₃,³F₄) 준위의 흡수 단면적의 최대값은 1590 nm에서 2.1 ×10^-20cm²였으며 1480 nm에서는 1.2 ×10^-20cm²로 일반적인 산화물 유리에서보다 큰 값을 나타내었으며 셀레나이드 유리의 큰 굴절률(∼2.6)이 주요 원인으로 작용하기 때문이다. 한편, 각 흡수 천이의 진동 강도(oscillator strength)를 이용하여 저드-오펠트 분석(Judd-Ofelt analysis)를 실시해보면, 최적화된 저드-오펠트 강도 인자(Judd-Oflet intensity parameter) Ω₂, Ω₄및 Ω₆는 각각 1.01 ×10^-20cm², 10.54 ×10^-20cm²및 2.53 ×10^-20cm²이다.

도 4에는 일반적으로 어븀 첨가 광섬유 증폭기에 사용되는 1480 nm 레이저 다이오드를 이용하여 광펌핑하여 얻은 형광 방출 스펙트럼이 도시되어 있다. 본 실시예에서 사용한 기지 조성으로부터 관찰된 1.6 ㎛ 대역 형광의 피크 파장(peak wavelength)은 약 1650 nm 였으며 반가폭(full width at half maximum)은 약 100 nm였다. 또한, 첨가 농도를 달리하여 측정한 형광 수명을 도 5에 도시하였다. 1.6 ㎛ 대역 형광의 형광 수명은 프라세오디뮴 이온의 농도가 0.05 몰%까지는 215 ±5㎲로 거의 일정하다가 그 이상의 농도부터 감소하였다. 저드-오펠트 분석으로부터 계산된 복사 천이 확률(radiative transition probability)와 비교하여 계산한 양자 효율은 65 ±20%였다. 양자 효율을 계산할 때 발생한 오차의 대부분은 저드-오펠트 분석 시 발생한 것으로 판단된다. 또한 유도 방출 단면적(stimulated emission cross-section)을 계산한 결과, 최대값이 (3 ±1) ×10^-20cm²로 매우 큰 값을 나타내었다. (³F₃,³F₄) →³H₄천이의 전이 분배율은 약 77 %로 계산되었으며 따라서 해당 준위로부터 발생하는 복사 천이의 대부분은 1.6 ㎛ 형광에 집중됨을 알 수 있다. 한편, 희토류 이온의 농도가 증가하면서 발생하는 형광 수명의 감소를 농도 소광(concentration quenching)이라 하며 이러한 형광 수명의 감소는 프라세오디뮴 이온간 비복사 에너지 전달에 기인한다. 구체적으로, 다음과 같은 두 가지 스킴(scheme)이 존재한다. 즉, 첫째로써 (³F₃,³F₄) :³H₅→(³F₂,³H₆) : (³F₂,³H₆)가 있고 둘째는 (³F₃,³F₄) :³H₄→(³F₂,³H₆) :³H₅가 있다(S. M. Kirkpatrick, S. R. Bowman, L. B. Shaw, and J. Ganem, "Cross relaxation and upconversion coefficients of the mid-infrared transitions of Pr³⁺: LaCl₃," Journal of Applied Physics, 82[6] (1997) 2759-2765). 이러한 이온간 비복사 에너지 전달을 최소화하기 위하여 본 실시예의 기지 조성에서는 프라세오디뮴 이온의 첨가량은 최대 0.05 몰%가 적절함을 알 수 있으며, 여러 조건에 따라 프라세오디뮴 이온의 첨가량은 0.1몰% 이하가 바람직하다.

프라세오디뮴 이온으로부터 발생하는 1.6 ㎛ 대역 형광을 얻기 위한 여기 파장으로는 직접 여기(direct pumping), 즉³H₄→(³F₃,³F₄) 흡수 천이가 나타나는 파장 대역 중 짧은 파장쪽을 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로 기존 어븀 첨가 실리카 광섬유 증폭기를 여기할 때 사용되는 1480 nm 레이저 다이오드를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또 다른 여기 방법으로는³H₄→(³F₂,³H₆) 흡수 밴드를 이용하는 것이다. 즉, 약 2000 nm에 해당하는 파장으로 여기하는 경우, (³F₂,³H₆) : (³F₂,³H₆) →(³F₃,³F₄) :³H₅에 해당하는 에너지 전달이 발생하며 결과적으로 상향전이 펌핑(upconversion pumping)이 가능케 되는 것이다(S. R. Bowman, L. B. Shaw, B. J. Feldman, and J. Ganem, "A 7-㎛ praseodymium-based solid-state laser," IEEE Journal of Quantum Electronics, 32[4] (1996) 646-649).

두번째 실시예로써 1480 nm 대역의 여기 효율을 향상시키기 위한 이온 공동 첨가 스킴에 대하여 기술한다. 본 실시예에서는 기존 1480 nm 레이저 다이오드를 그대로 사용하는 경우에 대하여 1.6 ㎛ 대역 형광의 강도 및 겉보기 형광 수명(apparent lifetime)의 향상을 도모하였다. 전술한 바와 같이 1480 nm 대역은 현재 어븀 첨가 증폭기의 여기 파장으로 사용되고 있다. 따라서 프라세오디뮴 이온과 어븀 이온을 공동 첨가한 셀레나이드 유리를 제조하였다. 구체적으로, 프라세오디뮴 이온의 첨가량은 농도 소광이 발생하지 않는 최고 농도인 0.05 몰%로 고정하였고 여기에 어븀의 첨가량을 다양하게 변화시킨 샘플들을 제조한 것이다. 이러한유리에 1480 nm 레이저 다이오드를 사용하여 여기하는 경우, 프라세오디뮴 이온과 어븀 이온이 동시에 여기된다. 이 때, 각 이온이 여기되는 비율은 해당 파장에서의 흡수 단면적 및 첨가 농도에 비례하게 된다. 상술한 것처럼, 1480 nm에서 프라세오디뮴 이온의 흡수 단면적은 1.2 × 10^-20cm²이고 어븀의 흡수 단면적을 측정한 결과, 1.1 ×10^-21cm²였다. 따라서 같은 농도로 두 이온이 첨가된 유리를 여기하는 경우, 프라세오디뮴 이온이 여기되는 분율이 어븀 이온의 그것보다 크게 된다. 프라세오디뮴 이온의 1.6 ㎛ 형광 세기를 향상시키기 위해서는 어븀 이온의⁴I_13/2준위에 존재하는 팝퓰레이션이 프라세오디뮴 이온의 (³F₃,³F₄) 준위로 효율적으로 이동해야 한다. 이 때, 이러한 에너지 전달은 두 가지 형태로 발생할 수 있다. 첫째는 복사 에너지 전달(radiative energy transfer)이며 둘째는 비복사 에너지 전달(nonradiative energy transfer)가 그것이다. 이러한 두 형태의 에너지 전달의 크기를 결정하는 인자들 중의 하나가 에너지 도너(donor)의 방출 스펙트럼과 에너지 억셉터(acceptor)의 흡수 스펙트럼이 많이 겹쳐야 한다는 것이다. 즉, 에너지 공명(energy resonance)이 클수록 에너지 전달이 활발히 발생하는 것이다. 본 실시예에서와 같이 프라세오디뮴 이온과 어븀 이온을 공동으로 첨가하면 어븀 이온으로부터 약 1536 nm에 피크가 위치한 전형적인 어븀 이온의⁴I_13/2→⁴I_15/2천이에 기인하는 형광이 발생한다. 이러한 형광의 파장은 도 2에 나타낸 것처럼 프라세오디뮴이온의 (³F₃,³F₄) 흡수대와 매우 잘 일치한다. 반면, 프라세오디뮴 이온의 방출 스펙트럼과 어븀 이온의 흡수 스펙트럼은 겹치는(spectral overlap) 부분이 반대 경우보다 매우 작다. 한편, 에너지 전달의 크기를 결정하는 또 다른 인자는 에너지 도너의 복사 천이 확률과 비복사 천이율이 작아서 측정되는 형광 수명이 길어야 한다는 것이다. 본 실시예에서 사용한 셀레나이드 조성의 유리에서 어븀 이온을 단독 첨가하였을 경우, 어븀 이온의⁴I_13/2준위의 형광 수명은 3.26 ms로서 프라세오디뮴 이온의 (³F₃,³F₄) 준위의 형광 수명보다 매우 길다는 것을 확인하였다. 결국, 두 이온을 공동으로 첨가하여 1480 nm 대역으로 여기하는 경우, 어븀 이온으로부터 프라세오디뮴 이온으로 활발한 에너지 전달이 발생할 것임을 알 수 있으며 반대로 프라세오디뮴 이온으로부터 어븀 이온으로의 에너지 전달은 이에 비해 훨씬 작을 것임을 이론적으로 알 수 있다. 한편, 어븀 이온에서 프라세오디뮴 이온으로의 에너지 전달은 복사 에너지 전달보다 비복사 에너지 전달이 우세하다. 이는 도너와 억셉터 간 거리가 작아질수록 비복사 에너지 전달의 크기가 복사 에너지 전달의 크기보다 매우 커지게 되고 따라서 공동 첨가된 조성물에서는 일반적으로 비복사 에너지 전달이 우세하게 된다. 어븀 이온으로부터 프라세오디뮴 이온으로의 에너지 전달이 활발하게 발생함을 보여주는 단적인 예로써 프라세오디뮴 이온이 단독 첨가된 샘플과 어븀 이온과 공동 첨가된 샘플에서 측정한 스펙트럼을 도 7에 도시하였다. 프라세오디뮴 이온에서 발생하는 1.6 ㎛ 대역 형광 강도가 어븀 이온이 첨가된 경우에더욱 향상됨을 확인할 수 있으며 동시에 1.5 ㎛ 대역에서 어븀 이온에서 발생하는 형광이 나타난다. 중요한 것은, 어븀 이온의 첨가량이 프라세오디뮴보다 매우 큼에도 불구하고 어븀 이온의 1.5 ㎛ 대역 형광의 강도는 프라세오디뮴 이온의 1.6 ㎛ 대역 형광에 비하여 매우 작다는 것이다. 이는 도 2에 나타낸 것과 같은 에너지 전달이 매우 활발하게 발생함을 보여주는 예이다. 한편, 비복사 에너지 전달이 발생하면 도너의 형광 수명은 감소하게 된다. 도 8에 제시한 바와 같이, 0.1 몰%의 어븀이 첨가된 유리를 예로 들면, 단독 첨가인 경우 형광 수명이 3.26 ms에서 프라세오디뮴 이온이 0.05 몰% 도입되면 약 0.75 ms로 급격히 감소함을 알 수 있다. 이러한 자료 역시 어븀 이온에서 프라세오디뮴 이온으로 에너지 전달이 매우 활발하게 발생함을 보여주는 증거들 중의 하나이다. 또한, 어븀 이온의 형광 수명이 프라세오디뮴보다 길기 때문에 공동 첨가된 샘플에서 프라세오디뮴 이온에서 발생하는 1.6 ㎛ 형광의 형광 수명은 길어지게 된다. 즉, 여기광이 꺼져도 지속적으로 긴 시간에 걸쳐 어븀 이온으로부터 프라세오디뮴 이온으로 팝퓰레이션이 공급되기 때문에 프라세오디뮴 이온의 형광 수명(정확히는 duration time)이 길어지게 되는 것이다. 이러한 예를 보여주는 것이 도 8에 제시되어 있다. 결론적으로, 어븀 이온을 첨가하면 1480 nm 대역의 여기 효율이 급격히 향상되는 것이다. 이는 프라세오디뮴 이온을 다량 첨가하는 것이 바람직하지 않은 상황에서 1.6 ㎛ 대역 형광의 강도를 향상시키는 매우 효율적인 수단이다. 단, 어븀 이온의 최대 첨가량은 기지 재료의 희토류 이온에 대한 용해도와 어븀 이온으로부터 발생하는 1.6 ㎛ 대역에서의 기저 상태 흡수(ground state absorption)에 의해서 결정할 수 있으며, 바람직하게는 1몰% 이하가 바람직하다. 한편, 프라세오디뮴 이온과 어븀 이온이 공동 첨가된 경우에 있어, 여기 파장으로 1.5 ㎛ 대역 광섬유 레이저와 같은 광원을 사용하여도 상기 1480 nm 레이저 다이오드를 사용한 경우와 같은 효과를 나타낸다.

또 다른 실시예로서, 프라세오디뮴 이온을 대상으로 셀레나이드 계열 유리의 용해도를 향상시키고자 실시된 일련의 실험 결과, 열적 안정성이 우수하여 광섬유 제조가 용이한 Ge-As-Se 삼성분계에 소량의 Ga를 첨가하면 용해도가 향상됨을 확인하였다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

프라세오디뮴 이온을 대표적인 포논 에너지가 약 320 cm^-1보다 작은 유리에 첨가하는 경우, 1.6 ㎛ 대역에서 형광을 방출하며 이를 이용하여 레이저 및 증폭기로 이용할 수 있다. 여기 파장은 기존 1480 nm 레이저 다이오드를 사용할 수 있고 1550 nm 대역의 어븀 첨가 광섬유 레이저를 사용할 수도 있다. 또한 프라세오디뮴과 어븀 이온을 공동으로 첨가한 유리에서 어븀 이온으로부터 프라세오디뮴 이온으로의 에너지 전달이 매우 효율적으로 발생하여 1.6 ㎛ 형광의 여기 효율이 향상된다.

Claims (17)

1. 광 증폭 시스템에 있어서,

   대표적인 포논 에너지가 실질적인 320 cm^-1이하인 광재료;

   상기 광재료에 도핑된 프라세오디뮴 이온;

   상기 광재료를 광 펌핑시켜 1.6 ㎛ 대역의 형광 천이를 유도하는 여기 수단

   을 포함하여 이루어진 광 증폭 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 광재료는 센시타이저로서 어븀 이온을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 프라세오디뮴 이온의 첨가량이 실질적으로 0.1 몰% 이하임을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 광재료는 셀레나이드 계열 유리임을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 광재료는 텔루라이드 계열 유리임을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 여기 수단은 1450 ∼ 1600 nm의 파장의 광을 포함하는 것을 특징으로 광 증폭 시스템.
7. 제1항에 있어서,

   상기 여기 수단은 1900 ∼ 2100 nm 파장의 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 여기 수단은 1480 nm 대역 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 여기 수단은 1.5㎛ 대역의 레이저 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
10. 제1항에 있어서,

    상기 광 펌핑은 (³F₃,³F₄) 준위 또는 (³F₂,³H₆) 준위로 이루어짐을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
11. 제2항에 있어서,

    상기 광 펌핑은 (³F₃,³F₄) 준위로 이루어짐을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
12. 제2항에 있어서,

    상기 어븀 이온의 첨가량이 실질적으로 1 몰% 이하임을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
13. 1.6 ㎛ 대역의 광증폭을 위한 희토류 첨가 조성물에 있어서,

    대표적인 포논 에너지가 실질적인 320 cm^-1이하인 유리; 및

    상기 유리에 실질적인 0.1 몰% 이하로 첨가된 프라세오디뮴 이온을 포함하는 조성물.
14. 1.6 ㎛ 대역의 광증폭을 위한 희토류 첨가 조성물에 있어서,

    대표적인 포논 에너지가 실질적인 320 cm^-1이하인 광재료;

    상기 광재료에 실질적인 0.1 몰% 이하로 첨가된 프라세오디뮴 이온; 및

    상기 광재료에 실질적인 1 몰% 이하임로 첨가된 어븀이온

    을 포함하는 조성물.
15. 제14항에 있어서,

    상기 광재료는 단결정 또는 비정질 재료임을 특징으로 하는 조성물.
16. 제14항에 있어서,

    상기 광재료는 셀레나이드 계열 유리임을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.
17. 제14항에 있어서,

    상기 광재료는 텔루라이드 계열 유리임을 특징으로 하는 광 증폭 시스템.