KR20030001688A - 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기 - Google Patents

홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기 Download PDF

Info

Publication number
KR20030001688A
KR20030001688A KR1020010036514A KR20010036514A KR20030001688A KR 20030001688 A KR20030001688 A KR 20030001688A KR 1020010036514 A KR1020010036514 A KR 1020010036514A KR 20010036514 A KR20010036514 A KR 20010036514A KR 20030001688 A KR20030001688 A KR 20030001688A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
holmium
optical fiber
band
ytterbium
optical
Prior art date
Application number
KR1020010036514A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100406527B1 (ko
Inventor
최용규
박봉제
김경헌
Original Assignee
한국전자통신연구원
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 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to KR10-2001-0036514A priority Critical patent/KR100406527B1/ko
Priority to US09/963,649 priority patent/US6583927B2/en
Publication of KR20030001688A publication Critical patent/KR20030001688A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100406527B1 publication Critical patent/KR100406527B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06716—Fibre compositions or doping with active elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06754—Fibre amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/161—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth holmium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16—Solid materials
    • H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

본 발명은 새로운 유리 광섬유 조성물, 이를 이용한 광섬유 및 광증폭기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광섬유 조성물은 홀뮴(Ho)이 포함된 코어와, 전이 금속이온 또는 희토류 이온 중 하나 이상이 포함된 클래드를 포함하는 유리 광섬유 조성물에 있어서, 상기 홀뮴은 0.5몰% 이하로 첨가된 것을 특징으로 하는 조성물 및 상기 코어에 1몰% 이하의 이터븀(Yb)이 더 포함된 조성물을 제공하며, 또한 상기 조성물을 포함하는 광섬유 및 광증폭기를 제공한다. 본 발명에 따르면 1370nm 대역에서 광 이득을 얻기 위하여 상향전이 여기 방법을 사용함으로써 광도파로의 제작이 용이해지도록 하며, 실리카 광섬유와의 접속 손실이 줄게되는 효과가 나타날 뿐만 아니라, 본 발명에 따라 상기 조성물에 전이 금속 이온 또는 희토류 이온이 첨가시킬 경우, 540nm 대역 및 750nm 대역의 형광을 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및 광증폭기{HOLMIUM-DOPED OPTICAL FIBER COMPOSITION, OPTICAL FIBER AND OPTICAL AMPLIFIER}
본 발명은 새로운 유리 광섬유 조성물과 이를 이용한 유리 광섬유 및 광증폭기에 관한 것으로, 특히 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 이를 포함하는 유리 광섬유 및 이를 이용한 광증폭기에 관한 것이다.
전송용 실리카 광섬유의 저손실 파장 영역인 1200~1700 nm 범위를 모두 활용하기 위해서는 광대역 광증폭기의 개발이 필수적이며 현재까지는 1300nm 대역, 1450nm 대역 및 1530~1610nm 대역 및 1650~1680nm 대역에서 동작하는 이온 첨가 광섬유 증폭기가 개발되어 있다. 또한 희토류 이온 첨가 광섬유 증폭기는 첨가된 희토류 이온 및 기지 재료의 특성상 특정 파장대에서만 증폭이 가능하나, 전송용 실리카 광섬유의 저손실 파장 영역인 1200~1700nm 범위를 모두 활용하기 위해서는 광대역 광증폭기의 개발이 필수적이다.
1340~1410nm 대역에서 이득을 나타내는 희토류 첨가 광섬유 증폭기는 지금까지 구현된 바 없으나, 홀뮴 이온이 첨가된 불화물계 광섬유로부터 1380nm에서 발진하는 광섬유 레이저가 발표된 바 있다. 그러나 이 경우, 여기 파장은 530nm 보다짧은 파장이었다(참고문헌: M.C. Brierley, P.W.France, C.A.Miller, Lasing at 2.08㎛ 및 1.38㎛ in a Holmium-doped fluoro-zirconate fiber laser, Electronics Letters, Vol.204, No.9,(1988) pp.539-540). 또한 비정질 광섬유 재료를 대상으로 홀뮴을 단독 첨가하여 900-1000nm 대역에서 상향전이 여기가 가능함을 보인 바는 없었으며, 또한 기존 단독 첨가 샘플에서 상향전이가 관찰된 것은 650nm 대역에서 였다(D.S.Funk, S.B.Stevens, J.G.Eden, Excitation Spectra of the grees Ho: fluorzirconate glass fiber laser, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.5, No.2 (1993)).
900~1000nm 대역에서의 상향전이를 통한 여기효율을 향상시키기 위하여 이터븀 이온의 첨가가 효율적임은 밝혀진 바 있다. 그러나, 이터븀 이온의 농도가 증가할수록 홀뮴 이온에서 이터븀 이온으로의 에너지 전달이 발생하여 1370nm 형광방출 준위의 형광수명을 감소시킨다고 알려져 있다(X.X.Zhang, P.Hong, M.Base, B.H.T.Chai, Ho3+to Yb3+back transfer and thermal quenching of upconversion green emission in fluoride crystals, Applied Physics Letters, vol. 63, no. 19 (1993) pp. 2606-2608). 따라서 홀뮴에서 이터븀으로 에너지 전달이 발생하지 않는 최적 이터븀 첨가 농도를 결정해야 한다. 홀뮴의 1370nm 대역을 증폭기에 응용하는 경우, 동시에 발생되는 540nm 및 750 nm 형광의 증폭된 자발 방출 형광을 효과적으로 감소시키는 광도파로 구조는 아직까지 제안된 바 없다.
광도파로에 첨가된 홀뮴 이온의 (5S2,5F4) ->5I5천이를 이용하여 목표 파장대에서 작동하는 광증폭기를 제작할 경우, 하기와 같은 몇가지 문제점이 발생하게 됨이 알려져 있다.
(1) 홀뮴 이온의 (5S2,5F4)준위가 약 535nm에 위치한다. 따라서, 540nm 보다 짧은 파장의 광원을 이용한다면 적절한 여기광원의 확보가 어려울 뿐만 아니라 홀뮴 이온이 첨가된 광도파로의 차단파장을 짧게 하는 것은 전송용 실리카 광섬유와의 접속손실을 크게 하는 단점을 초래한다.
(2) (5S2,5F4) 준위에서 방출되는 540nm 및 750 nm 대역 형광의 전이분배율이 1370nm 대역 형광보다 매우 크기 때문에 이 대역의 증폭된 자발 방출 형광으로 인하여 1370nm 대역의 이득이 낮은 이득 값에서 포화된다.
(3) 기지재료의 단파장쪽 흡수단이 (5S2,5F4) 준위와 겹치게 되면 (5S2,5F4) 준위에 존재하는 에너지가 기지재료의 밴드갭 천이에 의하여 흡수되기 때문에 형광수명 및 형광강도가 크게 작아진다.
또한 (1) (5S2,5F4) 준위와 최근접 하위준위인5F5준위와의 간격이 약 2800cm-1로서 비교적 작기 때문에 다중포논완화(multiphonon relaxation)에 의한 비복사 천이가 작용하기 때문에 기지재료의 포논에너지가 작아서 형광수명의 감소를 최소화시켜야 하고, (2) 1370nm 대역에서의 광이득의 향상을 위해서는 (5S2,5F4) 준위의 형광수명이 길어야 하고 전송용 광섬유와의 접속시, 굴절률 차이에 의한 접속손실이 작아야 하므로 기지재료의 굴절률이 작아야 하며, (3) 1370nm 대역에서 수산화기(OH-)의 진동에 의한 흡수가 홀뮴의 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 감소시키기 때문에 광섬유 재료에서 수산화기의 제거가 용이해야 한다는 조건을 부가적으로 만족 시켜야 한다.
본 발명은 상기 문제점을 해결할 수 있으며, 상기 조건을 만족하는 1340-1410nm 대역 광신호의 증폭을 가능하게 하는 희토류 이온 첨가 광섬유 조성물과 이를 이용한 광섬유 및 광증폭기를 제공하고자 한다.
도 1은 홀뮴과 이터븀의 흡수 및 형광 천이 메카니즘을 나타내는 에너지 준위도.
도 2는 홀뮴 이온으로부터 방출되는 1370nm 대역의 형광 스펙트럼.
도 3은 홀뮴 단독 첨가 및 홀뮴/이터븀 공동 첨가 불화물계 유리에서 측정된 (5S2,5F4)의 형광수명을 나타내는 그래프.
도 4는 홀뮴 단독 첨가 및 홀뮴/이터븀 공동 첨가 불화물계 유리의 여기 스펙트럼.
도 5는 홀뮴 이온을 첨가한 불화물계 유리 광섬유를 이용한 1370nm 대역 광증폭기의 개략적 구조도.
*도면의 주요 부분의 부호의 설명*
510: 여기 광원(pumping light)
520: WDM(Wave Divisional Multiplexing) 커플러
530: 홀뮴(및 이터븀)첨가 코어
540: 전이 금속 이온(및/또는 희토류 이온)첨가 클래드
550: 증폭 신호
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명자들은 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 홀뮴(Ho)이 포함된 코어와, 전이 금속이온 또는 희토류 이온 중 하나 이상이 포함된 클래드를 포함하는 광섬유 조성물에 있어서, 상기 홀뮴은 0.5몰% 이하로 첨가되고, 대표적 포논에너지가 600 cm-1이하이며, 단파장쪽 흡수단이 530 nm보다 작은 광섬유 조성물 및 상기 코어에 1몰% 이하의 이터븀(Yb)이 더 포함된 조성물을 제공한다. 상기 전이 금속 이온은 Ti3+, V5+, Cr3+및 Ca2+중 선택된 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 클래드에 포함되는 희토류 이온은 Ee3+, Tb5+, Eu3+및 Nd2+중 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 상기 조성물 중 하나를 포함하는 광섬유를 제공한다.
또한 본 발명은 0.5몰%의 홀뮴(Ho)이 포함된 코어와, 전이 금속이온 또는 희토류 이온 중 하나 이상이 포함된 클래드를 포함하는 유리 광섬유 조성물을 포함하며, 상기 홀뮴 이온의 (5S2,5F4)->5I 천이를 이용한 1340~1410nm 대역의 광증폭기를 제공하며, 이때 여기 광원의 파장은 880~920nm 대역 또는 970~990nm 대역인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상기 광증폭기에 있어서, 상기 코어에 1몰% 이하의 이터븀(Yb)이 더 포함된 광증폭기를 제공하며, 이 때 여기 광원의 파장은 880~1000nm 대역인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광증폭기의 클래드에 포함되는 전이 금속이온은 Ti3+, V5+, Cr3+및 Ca2+중 선택된 하나 이상인 것이, 희토류 이온은 Ee3+, Tb5+, Eu3+및 Nd2+중 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 광섬유 조성물 및 광증폭기에 포함되는 전이 금속 이온의 첨가량은 2몰% 이하, 희토류 이온은 4몰% 이하로 첨가되는 것이 바람직하나, 이 양은 각 이온의 흡수계수 및 여기광의 세기 등의 함수로 결정되기 때문에 이에 한정되는 것은 아니다.
첨부한 도 1에 광섬유 조성물에 포함된 +3가 홀뮴 이온의 4f 궤도내 에너지 준위와 본 발명에서 개진하는 상향전이 여기 메카니즘을 도시하였다.
본 발명에 따른 홀뮴의 (5S2,5F4) ->5I5천이로부터 발생하는 1340~1410nm 사이의 형광을, 해당 파장의 광신호를 증폭하는 광섬유 증폭기에 사용하기 위해 홀뮴이 단독 첨가되거나 홀뮴/이터븀이 공동 첨가된 광섬유 조성물을 하기 실시예를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
실시예 1: 적절한 조성물 기지의 선정
홀뮴이 단독 첨가된 다양한 조성의 유리를 제조하였다. 첨가한 홀뮴의 양은 0.1몰%로 동일하게 유지하였으며 기지(host) 재료는 각각 중금속 불화물계(heavy metal fluoride, ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF), 텔루라이트(tellurite, TeO2-ZnO-Na2O), 중금속 산화물계(heavy metal oxide, PbO-Bi2O3-Ga2O3), 셀레나이드(selenide, Ge-As-Se) 및 황화물계(sulfide, Ge-Ga-S)조성의 유리들이었다.
상기 조성물에서의 홀뮴 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 측정하였다. 이 때,홀뮴의 농도가 작아 실측한 형광수명은 각 기지조성에서 (5S2,5F4) 준위의 자발천이 확률(spontaneous transition probability), 다중 포논 완화율(multiphonon relaxation rate) 및 기지(host)로의 에너지 전달 속도(energy transfer rate)를 반영하게 된다. 측정된 형광수명은 다음과 같았다.
중금속 불화물계 : ~320㎲
황화물계 : ~70㎲
중금속 산화물계 : ~15㎲
텔루라이트 : ~10㎲
셀레나이드 : <10㎲
셀레나이드 유리의 포논 에너지는 이 중 가장 작음에도 불구하고 측정된 형광수명이 가장 짧은 것은, 이 유리의 높은 굴절률 및 단파장쪽 흡수단(약 800nm에 위치) 때문이다.
텔루라이트 유리의 경우는 단파장쪽 흡수단은 약 350nm에 위치하나, 포논 에너지는 약 700 cm-1로 측정에 사용된 유리들 중 가장 컸다. 따라서 이보다 포논 에너지가 큰 일반적인 산화물 유리에서 (5S2,5F4) 준위의 형광수명이 매우 작을 것임을 알 수 있다.
중금속 산화물계 유리의 포논 에너지는 약 500cm-1로서 중금속 불화물계 유리와 유사하나, 단파장쪽 흡수단과 가시광 대역에서의 굴절률에서 큰 차이를 나타내었다 [(중금속 산화물계 - 흡수단: 약 50nm, 굴절률: ~2.3); (중금속 불화물계 - 흡수단: 약 200nm, 굴절률: ~1.5)]. 따라서, 중금속 산화물 유리에서는 (5S2,5F4) 준위의 자발천이 확률이 불화물계 유리보다 클 뿐더러 기지조성으로의 에너지 전달율 역시 크게 된다.
황화물계 유리에서 형광수명을 저하시키는 주된 이유는 이 유리의 단파장쪽 흡수단이 비교적 길기 때문이다.
상기와 같은 결과로부터, (5S2,5F4) 준위의 형광수명 관점에서 최적의 기지조성을 결정할 수 있으며 본 실시예에서 사용한 유리들 중에서는 불화물계 유리가 적합함을 알 수 있다. 도 2에서 불화물계 유리에서 측정한 1370 nm 대역의 형광 스펙트럼을 나타내었다. 따라서 본 특허의 사상을 구현하기에 적절한 조성물은 희토류 이온의 다중포논 완화율에 영향을 미치는 대표적인 포논에너지가 600cm-1이하이며 단파장쪽 흡수단이 530nm보다 작다는 조건을 만족하면 된다.
이하, 실시예는 불화물계 유리를 대상으로 진행되었으나 이것이 불화물계 유리만이 본 특허를 구현할 수 있음을 의미하는 것은 아니다.
실시예 2: 최적의 홀뮴 첨가 농도 결정
불화물계 유리를 대상으로 하여 홀뮴의 최적 첨가량을 결정하기 위하여(5S2,5F4) 준위의 형광수명을 측정하였다. 홀뮴의 (5S2,5F4) 준위의 형광수명 역시 첨가 농도가 증가함에 따라 감소하는 전형적인 농도 소광(concentration quenching) 현상을 나타내었다.
중금속 불화물계 유리를 대상으로 홀뮴의 첨가 농도가 각각 다른 다수의 샘플을 제조하였다. 이 샘플들을 대상으로 측정한 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 도 3에 도시하였다.
홀뮴의 첨가량이 0.5몰% 이하일 때는 형광수명이 거의 일정한 반면, 첨가량이 1.0몰%일 때는 형광수명이 상당히 감소하였다. 따라서 불화물계 유리에서 홀뮴의 첨가량은 0.5몰%보다 작은 것이 바람직함을 알 수 있었다. 한편, 증폭기의 실용성을 높이기 위해서는 상향전이 여기가 바람직하며 이 경우, 보편적인 고출력 레이저 다이오드가 작동하는 파장대역으로 여기시키는 것이 더욱 바람직하다.
실시예 3: 홀뮴 단독 첨가 샘플의 여기 스펙트럼 측정
홀뮴의 첨가량이 0.3몰%인 샘플을 대상으로 850~1000nm 범위에서 여기 스펙트럼을 측정하였다. 측정에 사용된 여기광원은 타이타늄: 사파이어 레이저였으며 각 여기 파장에서의 광세기를 일정하게 유지하였다. 도 4에 홀뮴을 단독으로 첨가한 샘플의 여기 스펙트럼을 제시하였으며 880~920 nm 대역 및 970~990 nm 대역으로 여기할 때, 1370 nm 형광을 관찰할 수 있었다.
상기와 같은 여기 파장대는 각각5F1준위(~22300 cm-1)와5F3준위(~20700 cm-1)의 에너지의 1/2에 해당한다.5I8->5F1흡수 천이의 진동강도(oscillator strength)가5I8->5F3의 진동강도보다 크고 880~920 nm 대역에5I8->5F5천이가 존재하기 때문에 도 4의 여기 스펙트럼에서도 볼 수 있듯이 대역으로의 여기 효율이 더 높다.
홀뮴 단독 첨가 샘플에서 상향전이 여기가 가능했지만, 그 효율을 더욱 향상시키기 위하여 다음 실시예에서는 이터븀 이온의 공동 첨가효과를 기술한다. 이터븀 이온이 첨가된 샘플의 최적 여기 파장대는 910~1000 nm였다. 따라서 양산되는 고출력 레이저 다이오드를 그대로 사용할 수 있다.
홀뮴이 단독 첨가된 샘플들을 대상으로 측정한 여기 스펙트럼(excitation spectrum)으로부터 최적 여기 파장대는 880~920nm 대역 및 970~990nm 대역임을 구체적으로 확인할 수 있었다.
실시예 4: 홀뮴/이터븀 공동 첨가 샘플의 여기 스펙트럼 측정
홀뮴과 이터븀이 공동첨가된 샘플들을 대상으로 실시예 3과 같은 조건으로 여기 스펙트럼을 측정하였다. 이터븀 이온이 첨가됨에 따라 1370nm 형광의 세기는 100~1000배 가량 향상됨을 확인하였다. 도 4에 공동첨가 샘플의 여기 스펙트럼을 도시하였다. 880~920nm 대역에서도 홀뮴 단독 첨가 샘플의 경우인 실시예 3에서와동일하게 1370nm 형광을 관찰할 수 있었으나, 910~1000nm 대역에서의 여기 효율이 100~1000배 이상 크기 때문에 도 4에서는 910~1000nm 대역에서만 여기가 되는 것처럼 보임을 주의해야 한다. 공동첨가 샘플에서 우수한 상향전이 여기특성을 나타내는 910~1000nm 대역에는 도 1에 나타낸 바와 같은 이터븀 이온의2F7/2->2F5/2천이가 존재한다. 따라서 이 대역에서 여기광은 우선 이터븀 이온을 여기시키고 여기된 이터븀 이온에서 홀뮴 이온의5I6준위로 에너지 전달이 발생하며 여기에 다시 여기광이 흡수되어 (5S2,5F4) 준위로 전자가 들뜨게 되는 것이다. 또 다른 여기 메카니즘으로는 이터븀 이온의2F5/2준위와 홀뮴 이온의5I6준위간의 교차 완화(cross relaxation)에 의한 에너지 전달이 있음을 알 수 있는데, 이러한 점은 980nm 대역으로 여기시키면서 측정한 홀뮴의 형광수명이 직접 여기시켜 측정한 형광수명에 비하여 매우 길게 나타났다는 것에서 뒷받침된다. 이는 형광수명이 긴 이터븀 이온의2F5/2준위로부터 홀뮴의 준위로 에너지가 느린 속도로 전달되기 때문이다.
실시예 5: 이터븀의 농도 결정
상기 실시예 4와 같은 홀뮴/이터븀 공동 첨가 샘플에 있어서, 이터븀에서 홀뮴으로의 에너지 전달만 발생한다면 이터븀의 첨가 농도는 기지 재료의 이터븀 이온에 대한 용해도 한계까지 첨가할 수 있을 것이다. 그러나, 이터븀의 첨가 농도가 커질수록 Ho3+: (5S2,5F4), Yb3+:2F7/2-> Ho3+:5I6, Yb3+:2F5/2형태의 교차완화(cross relaxation)가 발생하여 홀뮴 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 감소시킬 수 있다. 따라서, 최적의 이터븀 첨가 농도를 결정하기 위하여 홀뮴과 이터븀이 공동첨가된 불화물계 유리 샘플들을 대상으로 Ho3+:5F3준위로 직접 여기(direct excitation)시켜 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 측정하였다.
도 3에 홀뮴의 농도가 0.1몰%로 일정하고 이터븀의 농도가 서로 다른 샘플들의 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 측정하여 나타내었다. 이터븀의 농도가 1.0몰%가 되어도 (5S2,5F4) 준위의 형광수명은 홀뮴 단독 첨가 샘플에서 측정된 형광수명의 90% 수준을 유지함을 알 수 있다. 따라서 실질적으로 이터븀의 첨가 농도는 1.0몰% 까지도 적합함을 알 수 있었다.
상기한 실시예에 의하여 홀뮴의 1370 nm 대역 형광을 광증폭기에 적용하기 위한 최적의 기지 조성, 첨가 농도 및 최적 여기 파장대 등을 결정할 수 있었다. 즉, 기지 조성으로서는 홀뮴 이온의 다중포논 완화율에 영향을 미치는 대표적인 포논에너지가 600cm-1이하이며 단파장쪽 흡수단이 530nm보다 작다는 조건을 만족하면 된다. 이러한 유리에 첨가되는 홀뮴의 양은 0.5몰% 이하가 적합하며, 홀뮴을 단독 첨가할 때는 880~920nm 대역 및 970~990nm 대역으로 여기시키는 것이 바람직함을 알 수 있었다. 또한 1.0몰% 이하의 이터븀을 공동 첨가하는 경우엔 910~1000nm 대역으로 여기시킬 수 있다.
첨부한 도 5에 홀뮴 이온을 첨가한 유리 광섬유를 이용한 1370nm 대역 광증폭기의 개략적 구조도를 나타내었다. 1.37㎛(1370nm)의 신호와 여기 광(510)이 WDM 커플러(Wavelength Division Multiplexing Coupler)(520)를 통하여, 본 발명에 따른 홀뮴이 첨가된 또는 홀뮴과 이터븀이 공동첨가된 코어(530)와 전이금속이온 또는 희토류 이온 중 하나 이상이 첨가된 클래드(540)를 포함하는 광증폭기를 통과하여 신호가 증폭(550)되는 것을 도시하고 있다.
한편, 홀뮴의 (5S2,5F4) 준위에서는 1370nm 형광 이외에도 540nm 및 750nm 대역의 형광도 방출되나, 이들 형광의 전이분배율(branching ratio)이 1370nm 대역 형광보다 크기 때문에 광도파로 상에서 효과적으로 자발방출의 증폭을 억제하여야 한다. 본 발명에 따른 상향전이 여기를 사용하는 경우 광도파로의 차단파장을 약 880nm에 위치시킬 수 있기 때문에, 540nm 대역에서 광도파로는 다중모드로 빛이 진행하게 된다. 따라서, 클래드에 걸쳐서 진행하는 모드가 많아지고 많은 에너지가 클래드 부분에 걸쳐있게 된다. 따라서 540nm 대역이나 750nm 대역에서 흡수를 나타내며 펌프 파장 및 1370nm 대역에서 흡수를 나타내지 않는 전이금속 이온이나 희토류 이온을 클래드에 첨가하는 것이 바람직하다.
이러한 경우, 코어에 상기 전이 금속 이온 또는 희토류 이온들을 공동 첨가하면 이온간 거리가 매우 작아지기 때문에 에너지 전달이 비복사 형태로 발생하여 (5S2,5F4) 준위의 형광수명을 감소시킨다. 그러므로, 비복사 에너지 전달을 막고 복사 에너지 전달만을 발생시켜야 하기 때문에 홀뮴은 코어부에만 첨가하고 클래드부에는 540nm 대역 또는 750nm 대역의 빛을 흡수하는 물질을 첨가하는 것이 바람직하다. 540nm 대역이나 750nm 대역에서 흡수를 나타내고 본 발명의 상향전이 여기 파장대역 및 1370nm 대역에서는 흡수를 나타내지 않는 전이금속 이온인 Ti3+, V5+, Cr3+, Ca2+과 희토류 이온인 Er3+, Tb3+, Eu3+, Nd3+를 최소한 한 가지 이상 클래드에 첨가한다. 결과적으로, 홀뮴으로부터 방출되는 540nm 대역의 형광만 효과적으로 클래드부에 존재하는 이온들에 의하여 선택적으로 흡수되고 1370nm 대역의 형광은 이러한 흡수를 느끼지 않고 코어부에 집속되어 전파하게 되는 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 조성물, 특히 홀뮴( 및 이터븀)이 첨가된 유리 광섬유 조성물과 이를 이용한 광섬유 및 광증폭기는 1370nm에서 상향전이 여기 방법으로 인하여 광도파로의 제작이 용이해지도록 하며, 실리카 광섬유와의 접속 손실이 줄게되는 효과가 나타난다. 또한 본 발명에 따라 상기 조성물에 전이 금속 이온 또는 희토류 이온이 첨가될 경우, 540nm 대역과 750nm 대역의 형광을 효과적으로 억제할 수 있다.

Claims (12)

  1. 홀뮴(Ho)이 포함된 코어와, 전이 금속이온 또는 희토류 이온 중 하나 이상이 포함된 클래드를 포함하는 유리 광섬유 조성물에 있어서,
    상기 홀뮴은 0.5몰% 이하로 첨가되고,
    대표적 포논에너지가 600 cm-1이하이며, 단파장쪽 흡수단이 530 nm보다 작은 광섬유 조성물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 코어에 1몰% 이하의 이터븀(Yb)이 더 포함된
    광섬유 조성물.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 클래드에 포함되는 전이 금속이온은 Ti3+, V5+, Cr3+및 Ca2+중 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는
    광섬유 조성물.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 클래드에 포함되는 희토류 이온은 Ee3+, Tb5+, Eu3+및 Nd2+중 선택된 하나 이상인
    광섬유 조성물.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광섬유 조성물의 기지 재료가 불화물계인 것을 특징으로 하는
    광섬유 조성물.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 따른 조성물을 포함하는 광섬유.
  7. 0.5몰%의 홀뮴(Ho)이 포함된 코어와, 전이 금속이온 또는 희토류 이온 중 하나 이상이 포함된 클래드를 포함하며, 대표적 포논에너지가 600cm-1이하이고 단파장쪽 흡수단이 530nm 보다 작은 유리 광섬유 조성물을 포함하며,
    상기 홀뮴 이온의 (5S2,5F4)->5I 천이를 이용한
    1340~1410nm 대역의 광증폭기.
  8. 제7 항에 있어서,
    여기 광원의 파장이 880~920nm 또는 970~990nm 대역인 것을 특징으로 하는
    광증폭기.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 코어에 1몰% 이하의 이터븀(Yb)이 더 포함된
    광증폭기.
  10. 제9 항에 있어서,
    여기 광원의 파장이 880~1000nm 대역인 것을 특징으로 하는
    광증폭기.
  11. 제7 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 클래드에 포함되는 전이 금속이온은 Ti3+, V5+, Cr3+및 Ca2+중 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는
    광증폭기.
  12. 제7 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 클래드에 포함되는 희토류 이온은 Ee3+, Tb5+, Eu3+및 Nd2+중 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는
    광증폭기.
KR10-2001-0036514A 2001-06-26 2001-06-26 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기 KR100406527B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0036514A KR100406527B1 (ko) 2001-06-26 2001-06-26 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기
US09/963,649 US6583927B2 (en) 2001-06-26 2001-09-27 Optical amplifier incorporating therein holmium-doped optical fiber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0036514A KR100406527B1 (ko) 2001-06-26 2001-06-26 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030001688A true KR20030001688A (ko) 2003-01-08
KR100406527B1 KR100406527B1 (ko) 2003-11-20

Family

ID=19711334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-0036514A KR100406527B1 (ko) 2001-06-26 2001-06-26 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기

Country Status (2)

Country Link
US (1) US6583927B2 (ko)
KR (1) KR100406527B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100472054B1 (ko) * 2002-09-24 2005-03-10 한국전자통신연구원 광증폭기
KR101360005B1 (ko) * 2012-04-16 2014-02-07 재단법인대구경북과학기술원 광증폭 소자용 코어용액 조성물

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6816532B2 (en) * 2001-05-15 2004-11-09 Fuji Photo Film Co., Ltd. Laser-diode-excited laser apparatus, fiber laser apparatus, and fiber laser amplifier in which laser medium doped with one of ho3+, sm3+, eu3+, dy3+, er3+, and tb3+is excited with gan-based compound laser diode
US20030142395A1 (en) * 2002-01-30 2003-07-31 Jds Uniphase Corporation Coolerless pump wavelength optimization for Er/Yb-doped optical fiber amplifiers
US7042634B2 (en) * 2002-03-14 2006-05-09 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Optical amplifier
US7186456B2 (en) * 2003-10-02 2007-03-06 Ube Industries, Ltd. Easily slidable polyimide film and substrate employing it
US7170909B2 (en) * 2004-05-25 2007-01-30 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Low quantum defect holmium fiber laser
US7286587B2 (en) * 2005-01-05 2007-10-23 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Holmium doped 2.1 micron crystal laser
US7333263B2 (en) * 2005-01-24 2008-02-19 National Sun Yat-Sen University Transition metal doped fiber amplifier
ES2331215B1 (es) * 2006-10-13 2010-09-27 Universidad De La Laguna Amplificador optico de luz de 750 nm.
US8946942B2 (en) * 2008-03-03 2015-02-03 Alpha And Omega Semiconductor Incorporated Robust semiconductor power devices with design to protect transistor cells with slower switching speed
US11509110B2 (en) 2020-04-15 2022-11-22 Cybel, LLC. Broadband Ho-doped optical fiber amplifier
US11870205B2 (en) 2020-07-14 2024-01-09 Cybel, LLC. Efficient in-band pumping of Holmium-doped optical fiber amplifiers

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2546711B2 (ja) 1988-12-22 1996-10-23 国際電信電話株式会社 Ｅｒドープ光ファイバレーザ素子
US5299210A (en) 1992-04-28 1994-03-29 Rutgers University Four-level multiply doped rare earth laser system
US5861981A (en) 1997-08-20 1999-01-19 Ditech Corporation Optical amplifier having dynamically shaped gain

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100472054B1 (ko) * 2002-09-24 2005-03-10 한국전자통신연구원 광증폭기
KR101360005B1 (ko) * 2012-04-16 2014-02-07 재단법인대구경북과학기술원 광증폭 소자용 코어용액 조성물

Also Published As

Publication number Publication date
US20030002142A1 (en) 2003-01-02
US6583927B2 (en) 2003-06-24
KR100406527B1 (ko) 2003-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6407853B1 (en) Broadhead dual wavelength pumped fiber amplifier
US20030174391A1 (en) Gain flattened optical amplifier
US7245424B2 (en) Amplification device utilizing thulium doped modified silicate optical fiber
KR100406527B1 (ko) 홀뮴이 첨가된 유리 광섬유 조성물, 유리 광섬유 및광증폭기
EP0846353B1 (en) Optical waveguide, waveguide amplifier and laser
KR19980079262A (ko) 레이져, 광 증폭기 및 증폭방법
US7298768B1 (en) Thulium-doped heavy metal oxide glasses for 2UM lasers
KR100352373B1 (ko) 복합 희토류 이온을 첨가한 광도파로
US6859606B2 (en) ER3+ doped boro-tellurite glasses for 1.5 μm broadband amplification
US6501596B1 (en) 1.4-1.52 μm-band optical amplifier
Roy et al. Noise and gain band management of thulium-doped fiber amplifier with dual-wavelength pumping schemes
US6853480B2 (en) Optical amplifier
US6549330B1 (en) Optical gain fiber doped with rare earth ions
KR100341212B1 (ko) 1.6 미크론미터 대역 광 증폭 시스템
KR100415804B1 (ko) 희토류 첨가 광섬유 및 이를 이용한 광증폭기
Kimura et al. Pump wavelength dependence of the gain factor in 1.48 μm pumped Er3+‐doped fiber amplifiers
KR100345313B1 (ko) 툴륨 및 디스프로슘 공동 첨가 유리 및 그를 이용한 광소자
JP3434241B2 (ja) １．４〜１．５２μｍ帯の光増幅器またはレーザー発振器の励起方法
KR100597197B1 (ko) 복합 이온 첨가 낮은 포논 에너지 유리 및 광섬유 증폭기
Caspary et al. Avalanche pumping of thulium doped S-band fiber amplifiers
JP2004250252A (ja) 蛍光性ガラス、光増幅用導波路および光増幅モジュール
Simpson et al. Tm 3+/Yb 3+ co-doped alumino-silicate fibre: potential for S-band optical amplification
JP2002314177A (ja) １．４〜１．５２μｍ帯の光増幅器またはレーザー発振器の励起方法
JP2002299731A (ja) 光ファイバ増幅器
JP2002314176A (ja) １．４〜１．５２μｍ帯の光増幅器またはレーザー発振器の励起方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121031

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131030

Year of fee payment: 11

LAPS Lapse due to unpaid annual fee