KR20030088599A - 광증폭기용 광섬유 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 S밴드 영역(1430nm~1530nm)에서 광전송 시스템 적용을 위한 광증폭기용 광섬유 및 제조방법에 관한 것으로서, 상용 내부기상증착 방법인 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)법과 용액 도핑법을 이용하여 코어층의 내면에 형성되는 제1코어층에 Tm3+이온 및 금속이온을 증착하고, 기본 유리 모재 재료로 실리카를 사용하여 광섬유의 실용성 및 그 제조성을 획기적으로 개선한 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유 및 제조방법에 관한 것이다.

Description

광증폭기용 광섬유 및 제조방법 {OPTICAL FIBER FOR OPTICAL AMPLIFIER AND PRODUCTION METHOD OF THE SAME}
본 발명은 S밴드 영역(1430nm~1530nm)에서 광전송 시스템 적용을 위한 광증폭기용 광섬유 및 제조방법에 관한 것으로서, 기존 S밴드의 광증폭기용 광섬유와는 달리 광섬유용 모재(preform) 성분을 실리카계 유리 조성으로 하고, 상용 내부기상증착 방법인 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)법과 용액 도핑법으로 코어층의 내면에 형성되는 제1코어층에 희토류 및 금속 이온을 증착하여 S밴드 영역에서 광증폭이 가능한 광섬유를 제조하는 데 있다.
일반적으로 광통신은 크게 전기 신호를 광신호로 바꾸는 전송기 부분과 광신호를 전달하는 광섬유와 광신호를 전기적 신호로 바꾸는 수신기 부분으로 나눈다.
이중에 광신호를 전달하는 수동 소자인 광섬유는 단파장의 경우 유리의 양이온에 의한 전자 천이에 의해서 광신호의 흡수가 일어나고, 장파장의 경우는 분자 진동에 의하여 광신호의 흡수가 일어나 약 1200nm에서 1700nm의 파장만이 광통신에 사용될 수 있다.
그러나 이러한 영역도 모재(母材:preform)인 유리에 포함되어 있는 OH-기와 전이 금속들과 같은 불순물의 영향으로 약 1300nm 대역 파장과 1550nm파장 근처의 대역만이 광통신에 사용된다.
한편, 1550nm대역은 실리카 유리 광섬유의 손실이 가장 작은 파장으로 투과 손실이 중요한 장거리 전송에 주로 이용되며, 1300nm대역은 실리카 유리 광섬유의 영분산 파장으로 단거리 광전송에 주로 이용되고 있다.(John B. MacChensey, David J. DiGiovanni, J. Am. Ceram. Soc., 73[12], 1990)
그러나 실리카 유리 광섬유는 빛을 투과시키지만 빛을 흡수하기도 하는데, 이러한 흡수에 의한 손실이 축적되어 신호광의 세기는 전송거리가 길어짐에 따라 지수적으로 감소하게 된다.
이렇게 감소되는 신호를 증폭하기 위해서 광섬유 네트워크의 수 십km 구간마다 신호광의 강도를 증폭해 주는 증폭기를 설치해 주어야 하는데, 이러한 증폭기는 처음에는 광신호를 전기적 신호로 바꾸어 증폭시키고 다시 광신호로 전달하는 방법을 사용하였으나, 증폭과정에서 생기는 오류의 영향과 광신호를 증폭시키는데 걸리는 지연 시간 등으로 효과적이지 못하여 많은 실용화가 되지 못하였다.
그리하여 위와 같은 광신호를 전기신호로 바꾸고 증폭시킨 후 다시 광신호로 전달시키는 증폭방법 대신, 광신호를 변환시키지 않고 광신호로 증폭시키는 광섬유 증폭기에 대한 연구가 활발하게 진행되었다.
최초의 광섬유 증폭기는 바륨 크라운 유리를 기지 재료로 하고, 니오디늄(Neodymium)을 첨가한 광증폭기가 연구되었다.(C. J. Koester and E. Snitzer, Appl. Opt., Vol.3, pp 1182-1186, 1964)
그 후, 광섬유 증폭기는 1980년대 후반 높은 이득과 낮은 손실을 가지고, 실리카 광섬유의 최저 손실 영역이 1550nm 대역 파장을 증폭시키는 어븀(Erbium)이 첨가된 광섬유 증폭기(EDFA, Erbium doped fiber amplifier)가 개발이 되어 상용화되었다.(W. J. Miniscalco, J. Lightwave Technol., Vol.9, pp234-250, 1991)
그러나, 최근 정보전달량의 폭발적인 증가로 종래의 WDM(wavelength division multiplexing)기술로는 사용 가능한 파장대역이 포화가 되어 새로운 파장대역에서 사용 가능한 광섬유 증폭기의 필요성이 제기되고 있다.
우선 1550nm 파장 대역보다 장파장인 1600nm으로 사용 가능 파장 대역을 Gain-Shifted EDFA를 이용하여 넓혔으나, 이 또한 포화되어 다른 파장 대역에서 사용 가능한 광섬유 증폭기가 필요하게 되었다.
한편, 1550nm대역에 인접한 1480nm대역이 손쉽게 접할 수 있는 파장대역인데, S-band(1430nm∼1530nm)에서 사용 가능한 광섬유 증폭기로서 현재 연구 개발중인 것은 Tm3+이온이 함유된 광증폭기용 광섬유이다.
Tm3+의3H4준위에서3F4준위로 천이 되는 과정에서 발생하는 형광은 그 중심파장이 1480nm로 S-band에서 광증폭이 가능하다.
그러나, Tm3+의 천이는3H4준위에서 그 하위 준위인3H5사이의 간격이 약 4200cm-1으로 작으므로, 약 1100cm-1의 격자 진동 에너지를 지니는 실리카 유리에서는3H4준위에서3F4준위로 천이 되어 발생하는 1480nm의 형광을 얻기 힘들다.
즉,3H4준위에서3F4준위로 천이가 일어나지 않고, 바로 하위 준위인3H5준위로 열적 천이가 일어나 유리 모재에 격자 진동으로 흡수된다.
따라서 현재의 연구개발 방향은 격자 진동 에너지가 작은 불화물계 유리와 황화물계 유리에서 Tm3+의3H4준위에서3F4준위로의 천이에 의한 1480nm의 형광을 얻으려 하는 것이다.
최근의 연구 결과로 T. Kasamatsu의 논문(Laser-Diode-Pumped Highly Efficient Gain-Shifted Thulium-Doped Fiber Amplifier Operating in the 1480-1510nm Band, IEEE Photonics Technology Letters, vol.13, No.5, 433-435, 2001)에서 불화물계 유리를 기지 재료로 하여 1480nm의 형광을 얻어냈다.
그리고, Y.B. Shin의 논문(Multiphonon and cross relaxation phenomena inGe-As(or Ga)-S glasses doped with Tm3+, Journal of Non-Crystalline Solids, 208, pp 29-35, 1996)에서는 황화물계 유리에서 1480nm의 형광발현과 그 메카니즘에 대하여 설명했다.
또 다른 연구 결과로 미국 특허 제 6266181호에는 기지 재료로서 텔루라이트(tellurite)계 유리를 사용하는 광섬유 증폭기에 대하여 제시하였고, Y.G. Choi의 논문(Influence of 4f absorption transitions of Dy3+ on the emission spectra of Tm3+-doped tellurite glasses, Journal of Non-Crystalline Solids, 276, pp 1-7, 2000)에 의하면 1480nm의 형광이 얻어졌다.
그러나, 이러한 불화물계 유리와 황화물계 유리, 텔루라이트 유리는 기존의 포설되어 있는 실리카 광섬유와의 접속에 많은 어려움이 있다.
즉, 그 굴절률이 높아 기존의 실리카 광섬유와 접속을 하였을 경우 신호광이 전달되지 않고 산란 등의 원인에 의하여 손실될 수 있으며, 불화물계 유리와 황화물계 유리의 용융점과 실리카 광섬유의 용융점 차이가 커서 용융을 통한 접속이 어렵다.
이와 더불어 광섬유 제조시 원료를 도가니에 넣어 녹인 후 광섬유를 인선하는 용융법으로 제조함으로써, OH-기와 전이 금속등과 같은 불순물에 의한 오염의 가능성이 높고, 광섬유 결함이 생길 가능성 또한 매우 높다.
이러한 이유로 광손실이 약 200dB/m에 달하고, 제조된 광섬유의 OH-기의 침투와 같은 화학적인 내구성도 떨어져 실용화에 어려운 단점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 창출된 것으로써, 본 발명의 목적은 일반적으로 사용하는 용액도핑법을 사용하여 코어층을 희토류 및 금속이온이 혼재된 용액으로 도핑함으로써, S-band(1430nm∼1530nm)에서 제조비용이 저렴하고, 안정된 광학특성과 편의성을 제공하는 광섬유를 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적중의 하나는 높고 안정된 도핑 농도를 얻을 수 있고, 도핑 이온의 농도를 조절하는 것에 의해 그리고 굴절율 프로파일을 조절하는 것에 의해 적절한 광증폭 특성을 얻을 수 있는 광증폭기용 광섬유를 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 위에 상술된 낮은 격자 진동 에너지를 지니는 불화물계 유리와 황화물계 유리에서만 Tm3+이온이 1480nm 대역에서 형광을 발현하는 문제점을 해결하여, 1480nm 대역에서 광증폭이 가능한 광증폭기용 실리카 광섬유를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유의 개략적인 제조방법을 나타내는 흐름도.
도 3은 Tm3+이온의 에너지 준위도를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼의 형광 측정 장치를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼에 800nm 파장의 레이저를 조사하여, Tm3+이온의 1480nm형광 및 1800nm의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼에서 Tm3+의 600nm에서 850nm 파장대역에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼에서 Tm3+의 1150nm에서 1250nm 파장대역에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 기판튜브 2 : 클래드층
3 : 제2코어층 4 : 제1코어층
11 : Ar레이져 12 : Ti-Sapphire레이져
13 : 초퍼 14 : 광섬유프리폼
15 : 모노크로미터 16 : 모노크로미터 콘트롤러
17 : InSb 디텍터 18 : 전 증폭기
19 : Lock-in amplifier 20 : 컴퓨터
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판튜브, 클래드층 및 코어층을 포함하는 광섬유에 있어서, 상기 광섬유가 1430nm에서 1530nm의 영역에서 광증폭기로 사용되도록 기지재료로서 실리카, 게르마늄, 불소를 포함하고, 상기 코어층의 중심부에는 Tm3+이온 및 금속 이온을 포함하는 불순물이 도핑되는 제1코어층과;상기 제1코어층의 외주면에 형성되고 불순물이 도핑되지 않는 제2코어층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유를 제공한다.
그리고, 본 발명에서 상기 광섬유는 MCVD 공법을 이용하여 실리카 기판튜브 내부에 클래드층과 제2코어층을 형성시키는 단계와; 상기 제2코어층의 내면에 Tm3+이온 및 금속 이온에 대하여 호스트(Host)를 제공하는 부분 소결층을 이루는 제1코어층을 형성시키는 단계와; 상기 부분 소결층이 형성된 제1코어층에 Tm3+이온 및 금속 이온이 혼합된 용액을 균일하게 용액 도핑하는 단계와; 용액 도핑이 완료된 후 고온에서 모재를 붕괴시켜 Tm3+이온 및 금속 이온이 함유된 유리봉을 제조하고 일정한 직경의 광섬유로 인선하는 단계를 통해 제조되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서는 상기한 광섬유를 이용한 광증폭기를 제공한다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명하도록 한다.
또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유의 개략적인 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유는 모재의 중심에 형성되는 제1코어층(4)과, 상기 제1코어층(4)의 외주면에 형성되는 제2코어층(3)과, 상기 제2코어층(3)의 외주면에 형성되는 클래드층(2)과, 상기 클래드층(2)의 외주면에 형성되는 기판튜브(1)로 구성된다.
즉, 본 발명에서 상기 광섬유가 1430nm에서 1530nm의 영역에서 광증폭기로 사용되도록 기지재료로서 실리카, 게르마늄, 불소가 사용되고, 코어층의 중심부에는 Tm3+이온 및 금속 이온을 포함하는 불순물이 도핑되는 제1코어층(4)이 형성되며, 상기 제1코어층(4)의 외주면에는 불순물이 도핑되지 않는 제2코어층이 형성된다.
이때, 상기 도핑되는 불순물에는 Ho, Tb, Eu, Dy, Yb, Er, Pr으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 희토류 이온을 부가적으로 포함시켜 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속 이온으로는 Al, La, Te로 이루어진 그룹 중에서 어느 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용 가능한데, 바람직하게는 상기 금속 이온으로 Te의 이온을 사용한다.
한편, 본 발명에서의 코어층은 불순물이 도핑되는 제1코어층(4)과 불순물이 도핑되지 않는 제2코어층(3)으로 구획되지만, 이 외에도 불순물이 도핑되는 하나의 단일층 만으로의 형성도 가능하다.
또한, 상기 광증폭기용 광섬유의 여기광원으로 Tm3+이온의 흡수가 발생하는 파장의 레이져 및 레이져 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명에 따른 광섬유의 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 실리카 기판튜브(1)에 사염화실리콘과 사염화게르마늄과 불소를 기상상태로 공급하고, 상기 기판튜브(1)를 회전시킴과 동시에 외부의 가열원을 좌, 우방향으로 이동시키면서 가열하여, 기판튜브(1) 내벽에 소결 투명화를 이루어 미립자의 퇴적을 일으킴으로서, 굴절율이 기판튜브(1)보다 약 0.2% 작은 클래드층(2) 또는 기판튜브(1)와 같도록 클래드층(2)을 형성시킨다.
그리고, 상기 제2코어층(3)은 사염화실리콘과 사염화게르마늄을 기상 상태로 공급하고, 상기와 같이 기판튜브(1)를 회전시킴과 동시에 외부의 가열원을 좌, 우 방향으로 이동하면서 가열하여, 클래드층(2) 내벽에 소결 투명화를 이루어 미립자의 퇴적을 일으킴으로서, 굴절율이 기판튜브(1) 보다 약 0.2%에서 1.2% 높은 제2코어층(3)을 퇴적시킨다.
상기한 바와 같이 MCVD공법을 이용하여 광섬유의 모재를 제조하기 위해 실리카 기판튜브(1) 내부에 클래드층(2)과 제2코어층(3)을 형성시키는 준비단계(S10)가 끝나면, 제2코어층(3)을 퇴적시키는 방법과 같은 방법으로 제1코어층(4)을 퇴적시키는데, 제2코어층(3)과 퇴적 방법에서 차이점은 외부에서 가열하는 온도를 높게 하여 완전 소결을 이루는 것이 아니라 온도를 낮게 하여 부분 소결을 이루어 불순물에 대한 호스트(host)를 제공하게 한다(S20).
이러한 호스트는 증착되는 화학물질이 기포를 만들어 내지 않고 불순물에 대해 다공성 구조를 가질 수 있도록 최적화되어야 한다.
이와 같이 부분 소결하는 이유는 부분 소결을 하지 않고 완전 소결 시킬 경우, 상기 제1코어층(4) 부분에 공간 형성이 어려워 도핑이 활발하게 이루어지지 않기 때문이다.
상기한 코어층의 내면 즉 제1코어층(4)에 Tm3+이온 및 금속이온에 대하여 호스트를 제공하는 부분 소결층을 형성시키는 단계(S20) 이후에는, 상기 부분 소결층이 형성된 모재에 Tm3+이온 및 금속이온이 혼합된 용액을 약 1시간 동안 유지하여 부분 소결층에 용액이 균일하게 도핑되도록 한다(S30).
이때, 상기 제1코어층(4)에 도핑되는 용액은 Tm 외에 Pr, Er, Nd, Eu, Tb, Dy, Ho, Yb으로 이루어진 군으로부터 선택된 희토류 금속 이온을 포함할 수 있으며, 상기 금속이온은 Al, Te, La로 이루어진 그룹 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 선택된 금속 이온이 혼합되어 이루어진다.
상기 Tm3+이온 및 희토류 금속이온과 금속이온을 물이나 아세톤 또는 알코올과 같이 희토류 금속이온과 금속이온을 녹일 수 있는 용매에 넣어 만든다.
상기한 용액도핑단계(S30)이후, 도핑 용액을 건조시키고 호스트(host)로 제공된 부분 소결층을 완전 소결 시킨 후, 고온에서 모재를 붕괴시켜 상기 Tm3+이온 및 금속이온이 함유된 유리봉을 제조하고 일정한 직경의 광섬유로 인선하여 광증폭기용 광섬유를 생산하게 된다(S40).
이와 같은 방법으로 제조된 광섬유는 코어층의 직경이 약 1에서 6㎛이고, 광섬유의 직경은 125㎛가 되는데, 코어층의 직경 및 굴절률을 조절함으로써, 1250nm이하의 차단파장(cutoff wavelength)을 지니도록 한다.
즉, 공지된 기술로서와 같은 식이 있다.
이때, a는 코어의 반지름이고, n1은 코어의 굴절률, n2는 클래드의 굴절률,는 빛의 파장을 나타내며,이다.
상기 식에서 V 값이 2.405보다 작을 때의값이 차단파장이 된다.
따라서,라는 식을 통해 코어의 크기와 굴절률을 조절하여 원하는 차단파장을 조절하게 된다.
한편, 상기 광섬유의 제1코어층(4)에 도핑되는 희토류 이온으로는3H4준위에서 하위 준위인3F4준위로 전이를 일으키며 1480nm의 형광을 내는 Tm3+이온이 첨가되고, 광증폭 대역을 넓히며 모재의 격자진동 에너지를 줄여 주는 Al, Te, La과 금속 이온들이 첨가되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 Tm3+이온의 함량은 100~20,000 ppm 인 것이 바람직하며, 상기 금속이온의 함량은 0.01~10mol% 인 것이 바람직하다.
즉, 상기 제1코어층(4)이 1430nm~1530nm의 파장대역에서 격자 진동으로 Tm3+의3H4준위에서3H5준위로 천이에 의한 에너지가 기지 재료에 흡수되는 것을 방지하기 위하여 Te 이온과 함께 도핑되는 것이 바람직하며, 상기 제1코어층(4)이 1430nm~1530nm의 파장대역에서 도핑되는 희토류 이온의 용해도를 증가시키고 광증폭 범위를 늘리기 위해 금속이온 Al 또는 La과 함께 도핑되는 것이 바람직하다.
또한, Tm3+의 하위준위인3F4준위의 형광 수명이 1480nm의 형광을 발현하는3H4준위의 형광 수명보다 길어 자발적인 형광 발현을 어렵게 하기 때문에, 상기 제1코어층(4)을 도핑시키는 용액에는 에너지 전달에 의해 Tm3+이온의 하위준위인3F4준위에서 다른 희토류 금속 이온으로 전이되어3F4준위의 형광 수명을 줄이는 역할을 하는 Ho, Dy, Eu, Tb이온을 첨가한다.
이때, 상기 첨가되는 희토류 이온의 함량은 0.01~5 mol% 인 것이 바람직하다.
즉, 종래 기술에서 언급한 바와 같이 Tm3+이온의3H4준위와3H5준위와의 간격이 약 4200cm-1로(John B. MacChensey, David J. DiGiovanni, J. Am. Ceram. Soc., 73[12], 1990) 약 1100cm-1의 격자 진동에너지를 가지는 실리카 유리를 이용하여 형광방출을 유도할 경우 원하는3H4준위에서3F4준위로 천이가 일어나며 형광을 방출하지 못하고, 격자 진동에 의해 열이 기지 재료로 흡수된다.
이러한 문제점을 해결하고자, 불화물계 유리와 황화물계 유리가 연구되고 있는데, 미국 특허 제 6266181호에는 기지 재료로서 텔루라이트(tellurite)계 유리를 사용하여 광섬유 증폭기에 대하여 제시하였고, Y.G. Choi의 논문(Influence of 4fabsorption transitions of Dy3+ on the emission spectra of Tm3+-doped tellurite glasses, Journal of Non-Crystalline Solids, 276, pp 1-7, 2000)에 의하면 1480nm의 형광을 얻어냈다.
그러나, 기지 재료의 굴절률이 높아 기존의 실리카 광섬유와 접속을 하였을 경우 신호광이 전달되지 않고 산란등의 원인에 의하여 손실될 수 있고, 불화물계 유리와 황화물계 유리, 텔루라이트 유리의 용융점과 실리카 광섬유의 용융점 차이가 약 500℃ 이상이므로 용융을 통한 접속이 어렵다.
이와 더불어 광섬유는 원료를 도가니에 넣어 녹인 후 광섬유를 인선하는 용융법으로 제조하기 때문에 OH-와 전이 금속등과 같은 불순물에 의한 오염의 가능성이 높고, 광섬유 결함이 생길 가능성 또한 매우 높다.
따라서, 본 발명은 낮은 격자 진동 에너지를 가지는 실리카 유리 광섬유를 제작하기 위하여 Te, Al, La를 함께 도핑시켜 희토류 주위의 국부 환경을 실리카 유리가 아닌 다른 유리 환경으로 만들고, 이로써 실리카 광섬유에서 1480nm 대역의 형광을 얻을 수 있도록 하였다.
도 3은 Tm3+이온의 에너지 준위도를 나타내는 도면인데, 800nm의 여기광으로 Tm3+이온이 바닥상태에서3H4준위로 여기되고,3F4준위로 천이가 이루어져 1480nm의 형광을 내게 된다. 또한3F4준위에서 바닥상태인3H6준위로 천이되며 1800nm의 형광을 내게 된다.
그리고, 1064nm의 여기광으로 Tm3+이온이3H5준위로 여기되고, 다시3F2준위로 여기가 이루어진 후 자발적으로3H4준위로 격자 진동에 의해 천이되고3F4준위로 천이가 이루어지면서 1480nm의 형광이 발생한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 실리카 유리의 제1코어층(4)에 희토류 이온이 도핑 되어 있고 더불어 다른 금속이온이 도핑 되어 있는 광증폭기용 광섬유를 제공하는데, 상기 광섬유는 MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)법으로 제조되었고, 전통적인 용액 도핑법으로 상기 제1코어층(4)에 Tm3+이온과 다른 금속 이온을 도핑 시킨다.
한편, 상기한 광섬유를 이용하여 주지된 구성을 갖는 광증폭기의 생산이 가능한바, 상기 광증폭기로 이용되는 여기광원으로는 Tm3+이온의 흡수가 발생하는 파장의 레이져 및 레이져 다이오드를 사용하는 것이 바람직하다.
실시예 1
도 4는 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼의 형광 측정 장치를 나타낸 도면인데, 코어에 Tm, Tb, Al, Te이온이 첨가된 광섬유 프리폼(14)을 제조하고, 측정에 맞는 시편을 제조하여 형광 스펙트럼과 흡수 스펙트럼을 측정하였다.
이때, 시편의 크기는 직경이 15mm이고 높이가 20mm이고, 코어의 크기는 1.13mm이고, Tm3+이온의 농도는 EPMA(Electron Probe Micro Analysis)를 이용하여 측정한 결과 0.16wt%이다. 그리고, 단면은 1㎛이하로 광학연마 하였고, 실험은 상온에서 진행되었다.
실시예 1의 실험장치를 구체적으로 살펴보면, 488nm 파장의 Ar레이져(11)로 구동되는 800nm파장의 Ti-Sapphire레이져(12)로 Tm3+이온을 여기시켜 모노크로미터(15)로 빛을 파장별로 분리하고, InSb디텍터(17)로 신호광을 측정하고 컴퓨터(20)를 이용하여 형광 스펙트럼을 얻었다.
즉, 800nm의 파장을 지니고 입사광의 세기가 1.3W인 Ti-Sapphire 레이져(12) 광원을 제조된 프리폼(14)의 코어부분에 입사 시켜 자발적으로 발현하는 형광을 입사광으로부터 수직으로 놓여진 550nm에서 2800nm까지의 빛을 감지할 수 있는 InSb 디텍터(EG&G사, 11)를 사용하여 형광 스펙트럼을 얻어냈다.
그리고, 상기 모노크로미터(9)는 1/4m의 것을 사용하였고, 디텍터(17)에서 나오는 신호를 증폭하기 위하여 100회/초로 회전하는 초퍼(7)와 lock-in-amplifier(13)을 사용하였다.
또한, 흡수 스펙트럼은 모재를 원판 모양으로 가공하여 PerkinElmer 사의 Lambda 900 UV/VIS/NIR spectrometer를 사용하여 측정하였다.
이때, 도면부호 16은 모노크로미터 콘트롤러이고, 도면부호 18은 전 증폭기이다.
도 5는 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼에 800nm 파장의 레이저를 조사하여, Tm3+이온의 1480nm형광 및 1800nm의 형광 방출 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
그리고, 도 6은 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼에서 Tm3+의 600nm에서 850nm 파장대역에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면인데, 800nm 파장대에 Tm3+이온의3H4준위와 650nm에서 700nm에 걸친 열적으로 접속된3F3와3F2준위를 볼 수 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따라 제조된 광증폭기용 프리폼에서Tm3+의 1150nm에서 1250nm 파장대역에서의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면인데, 1210nm대에 Tm3+이온의3H5준위를 볼 수 있다.
한편, 본 발명의 추가적인 이점 및 변형은 이 분야의 지식을 가진 자에게는 용이하게 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 광증폭기용 광섬유는 1430nm에서 1530nm대역에서 사용가능하고, 제조를 위한 비용이 저렴하며, 안정된 광학특성 및 편의성을 제시하는 효과가 있다.
또한, 높고 안정된 도핑 농도를 얻을 수 있으며, 도핑 이온의 농도와 굴절율 프로파일을 조절하는 것에 의해 적절한 광증폭 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 낮은 격자 진동 에너지를 지니는 불화물계 유리와 황화물계 유리에서만 Tm3+이온이 1480nm 대역에서 형광을 발현하는 문제점을 해결하여, 1480nm 대역에서 광증폭이 가능한 광증폭기용 실리카 광섬유를 제공하는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 기판튜브, 클래드층 및 코어층을 포함하는 광섬유에 있어서,
    상기 광섬유가 1430nm에서 1530nm의 영역에서 광증폭기로 사용되도록 기지재료로서 실리카, 게르마늄, 불소를 포함하고,
    상기 코어층의 중심부에는 Tm3+이온 및 금속이온을 포함하는 불순물이 도핑되는 제1코어층과;
    상기 제1코어층의 외주면에 형성되고 불순물이 도핑되지 않는 제2코어층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도핑되는 불순물에 Ho, Tb, Eu, Dy, Yb, Er, Pr으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 희토류 이온을 부가적으로 포함시켜 사용함을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 이온으로는 Al, La, Te로 이루어진 그룹 중에서 어느 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용함을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 코어층의 직경과 굴절율의 조절을 통해 1250nm 이하의 차단파장(cutoff wavelength)을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1코어층과 제2코어층은 불순물이 도핑되는 단일층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광증촉기용 광섬유.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광증폭기용 광섬유의 여기광원으로 Tm3+이온의 흡수가 발생하는 파장의 레이져 및 레이져 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 기재된 광섬유를 이용한 광 증폭기.
  8. MCVD 공법을 이용하여 광섬유의 모재를 제조하기 위하여 실리카 기판튜브 내부에 클래드층과 제2코어층을 형성시키는 단계(S10)와;
    상기 제2코어층의 내면에 Tm3+이온 및 금속 이온에 대하여 호스트(Host)를 제공하는 부분 소결층을 이루는 제1코어층을 형성시키는 단계(S20)와;
    상기 부분 소결층이 형성된 제1코어층(4)에 Tm3+이온 및 금속이온이 혼합된 용액을 균일하게 용액 도핑하는 단계(S30)와;
    용액 도핑이 완료된 후 고온에서 모재를 붕괴시켜 상기 Tm3+이온 및 금속이온이 함유된 유리봉을 제조하고 일정한 직경의 광섬유로 인선하는 단계(S40)를 통해 광섬유를 제조하는 것을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 도핑되는 불순물에 Ho, Tb, Eu, Dy, Yb, Er, Pr으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 희토류 이온을 부가적으로 포함시켜 사용함을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 금속 이온으로는 Al, La, Te로 이루어진 그룹 중에서 어느 하나 또는 둘 이상을 선택하여 사용함을 특징으로 하는 광증폭기용 광섬유 제조 방법.
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