KR20100043207A - 포스포실리케이트 유리를 구비한 발광 디바이스 - Google Patents

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Abstract

적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 포함하는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 갖는 이득 매질을 포함하는 발광 디바이스가 제공된다. 인 산화물은 임의의 광암 효과를 감소시키고, 시스템의 포화 에너지를 증가시키기에 충분한 양으로 존재할 수 있다. 활성 이온 도펀트는 희토류 도펀트일 수 있다. 발광 디바이스는 이득 매질을 포함하는 광도파로를 포함할 수 있다. 광도파로는 코어 및 적어도 하나의 클래딩을 가질 수 있고, 포스포실리케이트 유리를 갖는 이득 매질이 코어 및/또는 클래딩중 하나에서 발견될 수 있다.
Figure pct00003
(도9c)

Description

포스포실리케이트 유리를 구비한 발광 디바이스{LIGHT EMITTING DEVICES WITH PHOSPHOSILICATE GLASS}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 그의 전체 내용이 본 원에 참고로 포함되는, 모라스(Morasse) 등에 의해 "광암성(photodarkening)이 감소된 광학 활성 유리 및 광섬유, 및 광암성을 감소시키기 위한 방법"이라는 명칭으로 2007년 7월 3일 출원되고 출원인이 동일한 미국 특허 출원의 관련 대상을 포함한다.
본 발명은 일반적으로, 광학 활성 유리 및 이러한 유리를 포함하는 발광 디바이스에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 포스포실리케이트 광도파로 및 이를 포함하는 고출력(output power) 증폭기 또는 레이저에 관한 것이다.
광 증폭에 사용되는 광섬유 레이저 및 증폭기는, 보통, 예를 들어, 툴륨, 에르븀, 이테르븀 및 네오디뮴과 같은 희토류 활성 이온으로 도핑된 광학 활성 도파 코어(waveguiding core)를 갖는 광섬유를 포함한다. 증폭은 도핑된 광섬유중 도펀트(dopant) 이온으로부터 광자가 자극 방출됨으로써 이루어지고, 따라서 광섬유 조성은 방출된 증폭 광의 특성에 영향을 미친다. 그러므로, 섬유 조성은 주어진 적용에 바람직한 특성을 최적화하도록 조정되어야 한다. 그러나, 섬유의 최적화된 바람직한 광학 특성이 시간이 지남에 따라 안정적으로 남아있어야 하는 것이 또한 중요하다.
일반적으로, 광섬유는 대형 모드 범위(large mode area(LMA)) 섬유와 같은 다중 모드 또는 단일 모드 또는 소수 모드(few-moded)일 수 있다. 다중 모드 또는 LMA 섬유는 각 모드가 다른 위상 속도로 이동하는 광파의 복수 모드를 허용하여 코어에 한정시키고, 섬유를 따라 안내되도록 한다. 단일 모드 섬유는 대상 주파수에서 단 하나의 횡방향 공간 모드(transverse spatial mode)를 지원한다. 충분히 작은 코어 또는 충분히 작은 수의 개구(aperture)가 제공되면, 코어에 기본적인 모드인 단일 모드를 한정하는 것이 가능하다. 기본 모드는 고도의 빔 품질 및 포커싱 (focusing) 특성이 얻어지기 때문에 많은 응용에 바람직하고, 섬유로부터 나오는 광파의 강도 분포는 섬유의 타출 조건(launch condition) 및 어떠한 방해에도 상관없이 변하지 않는다.
실제 광섬유는 이를 통해 이동하는 광을 감쇠시키게 되며, 따라서 섬유 길이를 가능한 짧게 유지하는 것이 유리하다. 이득 매질(gain medium)중에 저장되는 에너지를 최대화하는 것이 중요하다. 이득 매질의 포화 에너지는 이득 매질의 상당한 포화를 달성하는데 요구되는 에너지이다. 저장된 에너지로부터 추출되는 에너지를 최대화하는 것도 또한 중요하다. 광섬유 내부에 높은 피크 파워(peak power)를 달성하기 위한 주된 한계는 비선형 효과를 생성할 수 있는 작은 모드 크기 및 대형 전파 길이에 의한다. 높은 방출 단면을 갖는 일부 이득 매질의 문제는 단위 면적당 포화 에너지가 낮고, 따라서 추출될 수 있는 에너지의 양을 제한하고, 펄스 변형을 유발할 수 있다는 것이다.
종모드 비팅(Longitudinal mode beating)은 결과적으로 펄스화된 증폭기 또는 레이저의 펄스 구조에서 피크 파워 변동을 일으키는 고주파수 노이즈의 중요한 공급원일 수 있다. 진폭 및 주파수 스펙트럼에 따라서, 이 노이즈는 미세 구조를 갖는 특정 형태의 안정적인 광 펄스 발생능을 심각하게 제한할 수 있다.
고에너지 증폭기 및 레이저가 갖는 다른 문제점은 고에너지에서 나타나는 비선형 효과이다. 비선형 효과가 개시되면 스펙트럼 성분이 심하게 분해되고, 레이저 공급원의 출력이 제한될 수 있다.
일부 희토류 도핑 코어 조성물에 대해, 경시(over time) 광암성(즉, 광유도된 구조적 변형 형성)은 섬유의 도핑된 유리 코어에서 손실을 유발하여 섬유의 출력 효율 감소로 이어질 수 있다.
광암성은 희토류 도핑 실리카 섬유에서 이미 관찰되었다: 엠엠. 브뢰어(M.M. Broer) 등은 문헌(Opt. Lett. 1993, 18 (10), p. 799-801)에서 툴륨-도핑 섬유에서의 광암성을 기술하였고, 엠엠. 브뢰어 등은 문헌(Opt. Lett. 1991, 16 (18), p. 1391-1393)에서 세륨-도핑 섬유에서의 광암성을 기술하였으며, 이.쥐 베렌스(E.G. Behrens) 등은 문헌(1990, JOSA B 7 (8), p. 1437-1444)에서 유로퓸- 및 프라세오디뮴-도핑 섬유에서의 광암성을 기술하였다. 이테르븀 도핑 실리카 섬유에서 이러한 현상의 첫번째 실험적 증거가 알. 파쇼타(R. Paschotta) 등에 의한 문헌[Opt. Commun., 1997, 136 (5-6), p. 375-378]에 기술되었다.
미국 특허 제 5,173,456호는 고에너지 레이저에 유용한 포스페이트 유리를 기술하였다. 구체적으로, 다중 패스(pass), 높은 열전도성을 갖는 고에너지 레이저 시스템, 낮은 열 팽창계수, 낮은 방출 단면 및 높은 형광 수명을 가져 레이저 증폭기로 유용한 저실리카 또는 무실리카, 저알칼리 또는 무알칼리 포스페이트 유리가 기술되었다.
따라서, 출력 증대, 높은 추출 및 포화 에너지, 비선형 효과 감소, 펄스-정형(pulse-shaping)에 대한 요구 감소, 높은 빔 품질 및 포커싱 특성을 갖고, 용이하게 펌핑되고 패키징되며, 경시 안정성이 있는 에너지 레이저 및 증폭기가 요망된다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 한가지 목적은 포스포실리케이트 광학 활성 유리를 포함하는 발광 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 포함하는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 구비한 이득 매질을 갖고 있는 발광 디바이스가 제공된다.
적어도 하나의 활성 이온 도펀트는 광학 활성 유리의 광학적 성질에서 광암 효과를 유도할 수 있고, 인 산화물은 광암 효과를 감소시키기에 효과적인 양으로 존재할 수 있다.
활성 이온 도펀트는 희토류 도펀트일 수 있다. 희토류 도펀트는 이테르븀, 툴륨, 에르븀, 네오디뮴, 이들의 산화물 또는 이들의 임의의 배합물을 포함할 수 있다.
발광 디바이스는 이득 매질을 포함하는 광도파로를 포함할 수 있다.
광도파로는 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩(cladding)을 가질 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 광도파로는 광섬유일 수 있다.
코어는 외부 영역 및 내부 영역을 가질 수 있고, 외부 영역은 내부 영역의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 갖는다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 이득 매질은 도파관의 코어를 포함한다. 다른 구체예에 따르면, 이득 매질은 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 포함한다. 또 다른 구체예에 따르면, 이득 매질은 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 포함한다.
광도파로는 코어를 둘러싼 두개 이상의 클래딩을 가질 수 있다. 이는 삼중 클래딩 페데스탈 디자인(triple-clad pedestal-design)의 광섬유를 포함할 수 있다.
발광 디바이스는 광을 방출하거나, 또는 광을 교대로 및 추가적으로 증폭하는 디바이스일 수 있다. 발광 디바이스는 이득 매질을 포함하는 증폭기를 포함할 수 있다. 발광 디바이스는 이득 매질을 포함하는 레이저를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 포함하는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 구비한 이득 매질을 포함하는, 발광 디바이스에 사용하기 위한 광도파로가 제공된다.
광도파로는 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 포함할 수 있고, 이득 매질은 코어 또는 적어도 하나의 클래딩을 포함할 수 있다.
본 발명의 목적, 이점 및 다른 특징은 도면을 참조하면서 하기 본 발명의 바람직한 구체예의 비제한적인 설명을 보면 더욱 분명해지고, 보다 잘 이해될 것이다. 도면은 순전히 예시적인 목적으로 제공된 것이며, 본 발명의 범위를 어떠한 방식으로도 제한하는 것으로 해석하여서는 안된다.
도 1a는 본 발명의 구체예에 따른 발광 디바이스의 광도파로 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 구체예에 따른 발광 디바이스의 광도파로 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 구체예에 따른 발광 디바이스의 광도파로 단면도이다.
도 2는 포스포실리케이트계 광도파로에 대해 910 nm 내지 970 nm 범위에서 평탄 흡수를 나타내는 펌프 에너지의 흡수 대 파장에 대한 그래프이다.
도 3은 광학 활성 포스포실리케이트 유리 코어를 구비한 광도파로에서 광암성에 의한 손실이 무시할 정도임을 나타내는, 고유 손실 증가 대 광파장에 대한 그래프이다.
도 4는 포화 에너지에서 펄스-정형이 불필요하고 포화 에너지 후 펄스 변형 증가를 나타내는, 시간에 따라 발생하는 펄스 진폭 그래프이다.
도 5a는 광도파로에 릴레이 섬유(relay fiber)를 접속시킴에 따른 이론적 손실을 나타내는 도표이다.
도 5b는 본 발명에 따라 광도파로에 릴레이 섬유를 접속시킴에 따른 측정 손실을 나타내는 도표이다.
도 6은 삼중-클래딩 광도파로에 대해 코어의 개구수 감소를 나타내는, 이중-클래딩 광도파로의 직경 및 본 발명의 구체예에 따른 삼중-클래딩 광도파로의 직경에 따른 굴절률 프로필의 도표이다.
도 7a는 본 발명의 구체예에 따른 광도파로 코어의 단면도이다.
도 7b는 굴절률의 계단식 변화를 나타내는, 본 발명의 구체예에 따른 광도파로의 코어의 직경에 따른 굴절률 프로필의 도표이다.
도 7c는 굴절률의 점진적인 변화를 나타내는, 본 발명의 구체예에 따른 광도파로의 코어 직경에 따른 굴절률 프로필의 도표이다.
도 8은 광학 활성 포스포실리케이트 유리 이득 매질을 포함하는 광도파로에서, 시간에 따른 변형이 적고, 출력 펄스가 더욱 직사각형으로 지속됨을 나타내는 직사각형 펄스의 진폭 도표이다.
도 9a는 본 발명의 구체예에 따른 발광 디바이스의 도표이다.
도 9b는 본 발명의 구체예에 따른 이득 매질을 포함하는 단순 레이저의 도표이다.
도 9c는 본 발명의 구체예에 따른 이득 매질을 포함하는 광섬유를 구비한 섬유 레이저의 도표이다.
이하, 본 발명이 도면인 도 1a 내지 9c를 참조로 하여 보다 더욱 충분히 기술될 것이고, 이때 동일 참조 부호는 본 명세서를 통해서 동일 요소를 나타낸다.
하기 기술에서, 용어 "광"은 가시광을 포함하나 이에만 제한되지 않는 모든 전자기 방사를 나타내는데 사용된다. 또한, 용어 "광학"은 모든 전자기 방사, 즉, 가시 스펙트럼의 광 및 다른 파장(λ) 범위의 광을 정의하는데 사용된다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 갖는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 구비한 이득 매질을 포함하는 발광 디바이스를 제공한다.
발광 디바이스는 광을 방출하고, 광을 교대로 또는 추가적으로 증폭시킬 수 있다. 발광 디바이스는 증폭기 또는 펄스화된 증폭기에 의해 바람직하게 구현되지만, 레이저, 펄스화된 레이저, 증폭형 자발적 방출(ASE) 방사의 광원, 임의의 연속파(CW) 또는 준-연속파(준-CW) 증폭기 또는 레이저에 의해(일관되거나 일관되지 않음), 또는 광을 증폭 또는 발생(광원)시키는 임의의 다른 수단에 의해 구현될 수 있다.
용어 "레이저"는 방사의 자극 방출에 의한 광 증폭을 의미한다. 광학 증폭기는 레이저와 유사하나, 광 공동(optical cavity)으로부터의 피드백이 없다.
예를 들어, 레이저는 방사의 자극 방출에 의해 광을 증폭시킨다. 이는 내부에 광 공동이 있는 이득 매질을 포함하고, 이득 매질에 에너지를 공급하거나, 펌핑하는 것을 의미한다. 이득 매질은 적절한 광학 특성을 가진 물질이다. 광 공동은 빛이 이득 매질을 통해 전 후로 이동하도록 한다. 에너지는 이득 매질속으로 펌핑된다. 이 에너지는 이득 매질에서 원자를 여기시켜 높은 에너지 수준으로 전이시킴으로써 반전 분포(population inversion)를 일으킨다. 적절한 파장의 빛이 이득 매질을 통과할 때, 광자는 여기된 원자를 자극하여 같은 파장의 추가적인 광자를 방출시키고, 낮은 에너지 수준으로 붕괴시켜 빛의 증폭을 야기한다. 여기된 원자는 다른 파장(입사광)의 광자의 자발적 방출을 통해 자발적으로 붕괴하여 광 증폭 효율을 감소시킬 수 있다.
발광 디바이스는 예를 들어, 증폭기, 레이저 또는 광도파로를 포함할 수 있고, 여기에서, 증폭기, 레이저 또는 광도파로는 포스포실리케이트 유리를 포함하는 이득 매질을 갖는다. 도 9a는 광학 활성 포스포실리케이트 유리 (50)를 갖는 이득 매질 (40)을 포함하는 일반 발광 디바이스 (30)를 예시한다. 빛 (56)은 포스포실리케이트 유리 (50)를 포함하는 이득 매질 (40)로 들어간다. 이득 매질은 빛 (58)으로 펌핑되고, 출력 광 신호 (60)가 방출된다. 도 9b는 단순 광 펌핑 레이저 (32)의 예를 예시한다. 레이저 공동, 즉, 공진기는 일부 회전 레이저 광을 추출하고, 출력 빔 (38)을 생성하도록, 고반사성의 만곡 거울 (34) 및 부분 투과성 평면 거울 (36)로 구성된다. 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 가진 이득 매질(40)은 적절한 파장의 펌핑 광 (44)으로 측면-펌핑되는 레이저 유리 (42)이다. 도 9c는 또 다른 광학 펌핑 레이저 (46)를 예시한다. 레이저 (46)는 다중 모드 펌프 다이오드 (48)로부터의 빛으로 펌핑된다. 빛은 고반사성 이중 클래딩 섬유 브래그 그레이팅(Bragg grating) (52)을 통해 광섬유 (10)에 진입한다. 그 후, 빛은 광섬유 (10)로부터 저반사성 이중 클래딩 섬유 브래그 그레이팅 (54)을 통해 출력된다. 여기에서, 광섬유 (10)는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 가진 이득 매질을 함유한다.
용어 "광도파로"는 가이드(guide)에 의해 한정되는 경로를 따라 전자기 방사의 전파를 억제하거나 안내하는 디바이스를 의미한다.
광도파로가 바람직하게는 광섬유로 구체화되고, 본 원에서는 간단하게 하기 위해서 본 발명이 이와 같은 바람직한 구체예에 따라 기술되는 경우가 종종 있더라도, 광도파로는 임의의 적절한 도파관 또는 미세구조화 광섬유에 의해 구체화될 수 있으며, 이는 평면 도파관, 복굴절 도파관, 예를 들어, 팬더(panda) 섬유, 광자 결정(photonics crystal) 섬유, 다중 코어 섬유, 편광 유지 섬유, 공기 클래딩 섬유, 단일-클래딩 또는 다중-클래딩 섬유일 것이다.
광도파로는 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 포함할 수 있다. 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 함유하는 이득 매질은 광도파로의 코어, 광도파로의 코어를 둘러싼 클래딩중 하나 또는 이들의 임의 조합에 포함될 수 있다.
광학 활성 포스포실리케이트 유리는 적어도 하나의 활성 이온 도펀트를 포함한다. 본 발명에서 "광학 활성"이라는 표현은 빛을 증폭 또는 발생시키는데 사용되는 물질을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 활성 이온 도펀트는 희토류 이온 도펀트일 수 있다. 희토류 도펀트는 이테르븀, 툴륨, 네오디뮴, 에르븀 또는 이들의 산화물과, 이들의 임의 배합물을 포함할 수 있다. 바람직하게, 희토류 이온은 이테르븀이다. 물론, 예를 들어 티탄 또는 크롬과 같은 다른 활성 이온도 또한 사용될 수 있다.
광학 활성 포스포실리케이트 유리는 예정 파장의 빛으로 펌핑될 때 원하는 파장의 빛을 방출한다. 예를 들어, 특정 포스포실리케이트 이중-클래딩 섬유 레이저 및 증폭기는 1060 nm 내지 1090 nm를 방출하도록 910 nm 내지 980 nm에서 펌핑될 수 있고, 특정 포스포실리케이트 단일-클래딩 섬유는 1015 nm에서 방출하도록 975 nm에서 펌핑될 수 있다(나타낸 예시적인 파장 값은 실제로는 파장값에 대해 ± 5% 파장의 좁은 파장 밴드를 포함하는 것으로 이해하여야 한다).
광학 활성 희토류 도핑 포스포실리케이트 유리는 약 50 내지 98 몰%의 실리카, 0.01 내지 약 5 몰%의 적어도 하나의 희토류 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 특히, 고에너지 적용을 위해서, 인 산화물은 광암성을 감소시키기에 효과적인 양으로 존재한다. 임의로, 광학 활성 희토류 도핑 포스포실리케이트 유리는 약 50 내지 98 몰%의 실리카 및 0.01 내지 약 5 몰%의 Yb2O3을 포함할 수 있다.
광학 활성 희토류 도핑 포스포실리케이트 유리는 추가로 0.01 내지 약 30 몰%의 적어도 하나의 코-도펀트(co-dopant)를 포함할 수 있다. 코-도펀트는 Al의 산화물, La의 산화물, Lu의 산화물, P의 산화물, Ge의 산화물, Ti의 산화물, F의 산화물, B의 산화물 또는 이들의 임의의 배합물일 수 있다.
또한, 섬유의 코어는 방사상으로 균일할 필요는 없다. 도 7a에 나타낸 바와 같이, 코어 (12)의 외부 영역 (12B)은 코어의 내부 영역 (12A)보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 굴절률 변화는 도 7b 및 7c에서 각각 나타낸 바와 같이 점진적 또는 계단형일 수 있다. 외부 코어의 굴절률을 감소시키기 위해, 외부 코어는 적절한 외부 코어 도펀트, 예를 들어, Al, La, Lu, P, Ge, Ti, F, B 또는 이들의 산화물 또는 이들의 배합물로 도핑될 수 있다. 코어의 하나 이상의 하위 영역은 도펀트가 전혀 없이 순수한 실리카로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 광학 활성 포스포실리케이트 유리는 약 90 몰%의 실리카, 약 1 몰%의 Yb2O3, 약 1 몰%의 Al2O3 및 약 8 몰%의 인 산화물을 포함할 수 있다. 이러한 조성물은 도 3에 나타낸 바와 같이 증폭기 및 레이저에서 파워 붕괴를 야기하는 불리한 광암 효과를 감소시킬 것이다.
다른 광학 활성 포스포실리케이트 유리 조성물이 모라스 등에 의해 "Opti-cally active glass and optical fiber with reduced photodarkening and method for reducing photodarkening"이라는 명칭으로 2007년 7월 3일 출원된 관련 미국 특허 출원에 개시되었고, 이는 그의 전체 내용이 본 원에 참조로 포함된다.
인을 섬유 도파관에 첨가하는 것은 굴절률 대비(refractive index contrast)를 유리하게 증가시키고, 섬유의 내휨성(resistance to bendings)을 개선한다.
상기 언급한 바와 같이, 본 발명의 구체예에 따르면, 포스포실리케이트 유리를 함유하는 이득 매질을 포함하는 광도파로를 구비한 발광 디바이스는 코어 및 적어도 하나의 클래딩을 가질 수 있다. 바람직하게, 클래딩은 순수한 실리카로 구성된다. 그러나, 이는 임의의 적절한 물질, 예를 들면, 불소 산화물로 도핑된 실리카로 구성될 수도 있다. 또한, 클래딩은 미세구조화될 수 있다. 발광 디바이스가 바람직하게는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 가진 코어를 포함하더라도, 클래딩도 또한 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 포함할 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 갖는 포스포실리케이트 유리가 코어 및/또는 임의의 클래딩에 포함될 수 있다(도 1a, 1b 및 1c를 참조 바람). 또한, 코어에서 발견되는 광학 활성 포스포실리케이트 유리는 클래딩에서 발견되는 것과 조성이 다를 수도 있다. 또한, 광도파로는 추가의 클래딩을 포함할 수 있다. 바람직하게, 광도파로는 삼중-클래딩 광섬유이다. 삼중-클래딩 광섬유의 디자인은 또한 페데스탈 지다인으로도 공지되어 있다. 이중-클래딩 및 삼중-클래딩 디자인이 도 1a, 1b 및 1c에 예시되었다.
도 1b 및 1c는 본 발명의 바람직한 구체예에 따른, 이중 클래딩을 갖는 광섬유의 예를 나타낸다. 이들 도면에서 보듯이, 광섬유 (10)에는 광학 활성 포스포실리케이트 유리 (5OA)를 갖는 도파관 코어 (12)가 제공된다. 이 경우에, 코어는 원형 단면을 갖는다. 코어는 광섬유 (10)에서 중앙으로 연장된다. 코어 (12)는 펌프 에너지를 수용하여 펌프 에너지를 코어 (12)로 전달하기 위한 펌프 가이드를 한정하는 내부 클래딩 (14)에 의해 둘러싸인다. 도 1b에 나타낸 내부-클래딩 (14)은 원형 단면인 반면, 도 1c에 나타낸 내부-클래딩은 5각형 단면을 갖는다. 또한, 도 1b에서 섬유 (10)의 내부 클래딩 (14)은 광학 활성 포스포실리케이트 유리 (5OB)로 제조되었다. 도 1b 및 1c에서 나타낸 이중-클래딩 광섬유에는 또한 내부 클래딩 (14)을 둘러싼 외부 클래딩 (16)이 제공된다. 도 1a는 광학 활성 포스포실리케이트 유리 (50)를 함유하는 코어 (12) 및 삼중 클래딩을 갖는 본 발명의 구체예에 따른 광섬유를 나타내고, 이는 클래딩 (14) 및 (16)을 둘러싼 제3의 클래딩 (18)을 갖는다. 물론, 당업자들은 코어 및 클래딩이 예를 들어, 6각형, 8각형 등을 비롯한 임의의 적절한 단면 구조를 가질 수 있고, 예시된 구조에 제한되는 것으로 간주해서는 안된다는 것을 이해할 것이다.
이중-클래딩 및 삼중-클래딩 광섬유의 직경을 따른 굴절률 프로필을 나타내고 있는 도 6에서와 같이, 삼중-클래딩 디자인은 코어 개구수를 더 줄이도록 할 수 있어서, 도파관에서 전달되는 모드들의 모드 면적을 증가시키고, 그럼으로써 비선형 효과 감소, 모드 수 감소 및 이에 따른 개선된 빔 품질 및 감소된 증폭형 자발적 방출(ASE) 및 이에 따른 효율 증강이 있게 된다. 개선된 빔 품질이, 낮은 M2, 낮은 BPP 파라미터, 보다 가우스 유사형(Gaussian-like)인 펄스 정형 및 우수한 포커싱 특성을 갖는 것은 주지의 사실이다. 삼중-클래딩 디자인의 다른 장점은 경우에 따라 적절한 직경의 삼중 클래딩을 사용하여 높은 내휨성 손실을 얻을 수 있다는 것이다.
상술된 포스포실리케이트계 광도파로는 통상적인 광섬유를 능가하는 많은 유용한 장점들을 나타내고, 따라서, 증폭기 및 레이저, 특히, 펄스화된 증폭기 및 레이저에 사용하기에 적합하다. 포스포실리케이트계 광도파로는 펄스화된 증폭기와 레이저의 포화 에너지 및 추출 에너지를 증가시킬 수 있다.
도 2는 910 nm 내지 970 nm 범위에서 이 도파관으로 달성되는 평탄하고, 증가된 흡수를 나타낸다. 이는 펌프 튜닝(pump tuning)이 불필요하고, 이테르븀의 흡수 스펙트럼과 중첩되는 910 nm 내지 970 nm 범위에서의 펌핑이 더욱 효과적임을 의미한다. 더 높은 흡수는 더 작은 섬유 길이를 허용하고, 비선형 효과를 감소시킨다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 포스포실리케이트계 광도파로는 1064 nm에서 작은 방출 단면(σes) 및 흡수 단면(σas) 때문에 표준 섬유보다 최대 3배 높은 포화 에너지(Esat)를 나타낸다. 값은 식 1로부터 유도되고, 여기에서, h는 플랑크 상수이고, v는 파장 λ 빛의 상응하는 주파수이며, A는 코어 면적이고, Γ는 코어 및 전파 모드간 중첩이다.
Figure pct00001

Figure pct00002
도 4는 출력 에너지 증가로 인한 펄스 변형 문제를 나타낸다. 포스포실리케이트계 광도파로는 펄스 변형을 감소시킴으로써 펄스 정형에 대한 필요성을 감소시키거나, 이를 용이하게 한다. 또한, 포스포실리케이트계 광도파로를 위한 포화 에너지가 크기 때문에, 포스포실리케이트계 광도파로를 사용한 증폭기 및 레이저에서 보다 높은 추출 에너지가 가능하며, 포화 에너지의 대략 10배일 수 있다. 따라서, 높은 에너지 추출이 달성되고, 이는 또한 경우에 따라 작은 코어를 사용할 수 있게 한다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 테이퍼링된(tapered) 포스포실리케이트계 광도파로의 비도핑 수동 릴레이 섬유(undoped passive relay fiber)로의 개선된 접속을 나타낸다. 본 발명의 포스포실리케이트계 광도파로의 개선된 테이퍼링 및 도펀트 확산은 테이퍼링된 포스포실리케이트계 광도파로 (10B)의 실측 접속 손실(splice loss)이 릴레이 섬유(즉, 섬유 (10A))에 맞추어 테이퍼링되지 않고 확산성이 동등하지 않은 섬유의 이론적 접속 손실에 4분의 1이 되게 할 수 있다. 개선된 도펀트 확산은 예를 들어, 인의 높은 증기압으로 유발된다. 도 5a 및 5b에 나타낸 예는 1060-nm에서 5-μm 단일 모드 섬유 릴레이 (20)가 15-μm 포스포실리케이트계 광도파로 (10A) 및 (10B)에 접속된 것이다. 이 예에서, 테이퍼링되지 않은 접속 (13A)의 접속 손실은 이론상 1.6 db인 것으로 계산되었으나, 테이퍼링된 접속 (13B)에 대한 접속 손실은 0.35 db인 것으로 측정되었다. 단일 모드 여기가 가능하다.
도 8은 시간에 따른 직사각형 펄스의 진폭 그래프이다. 도면으로부터 명백한 바와 같이, 직사각형 펄스로 출발하여 출력 펄스는 변형이 덜하고, 광학 활성 포스포실리케이트 유리 이득 매질을 포함하는 광도파로, 예를 들어, 섬유에서 더욱 직사각형인 채로 유지된다.
유리하게도, 포스포실리케이트계 광도파로는 또한 예를 들어, 포스페이트계 유리에 비해 우수한 기계적, 열적 및 광학 특성, 예를 들어, 고강도, 고융점 및 저 감쇠성을 가질 수 있다. 바람직한 구체예에서, 이는 또한 실리카계 유리와 잘 매칭되며, 이에 용이하게 접속된다.
본 발명의 구체예에 따른 발광 디바이스, 예를 들어 포스포실리케이트 광학 활성 유리를 사용한 고에너지 레이저 및 증폭기는 출력 증대, 높은 추출 및 포화 에너지, 광암 효과 감소, 비선형 효과 감소, 펄스 정형에 대한 요구 감소, 높은 빔 품질 및 포커싱 특성을 나타내고, 용이하게 펌핑 및 패키징되며, 경시 안정성이 있다.
이하, 특허청구범위에 한정되어 있는 바와 같이, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 상술된 임의의 구체예에 다수의 변형이 가해질 수 있다.

Claims (31)

  1. 적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 갖는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 구비한 이득 매질을 포함하는 발광 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 활성 이온 도펀트가 광학 활성 유리의 광학적 성질에서 광암 효과를 유도하고, 인 산화물이 광암 효과를 감소시키기에 효과적인 양으로 존재하는 발광 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서, 활성 이온 도펀트가 희토류 도펀트인 발광 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서, 희토류 도펀트가 이테르븀, 툴륨, 에르븀, 네오디뮴, 이들의 산화물 또는 이들의 임의 배합물을 포함하는 발광 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서, 광학 활성 유리가 적어도 하나의 코-도펀트를 추가로 포함하는 발광 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서, 코-도펀트가 Al의 산화물, B의 산화물, F의 산화물, Ge의 산화물, La의 산화물, Lu의 산화물, P의 산화물, Ti의 산화물 또는 이들의 임의 배합물인 발광 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서, 빛을 방출하거나, 빛을 교대로 및 추가적으로 증폭시키는 발광 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서, 이득 매질을 포함하는 증폭기를 구비한 발광 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서, 이득 매질을 포함하는 레이저를 구비한 발광 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서, 이득 매질을 포함하는 광도파로를 구비한 발광 디바이스.
  11. 제 10 항에 있어서, 광도파로가 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 포함하는 발광 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서, 이득 매질이 코어를 포함하는 발광 디바이스.
  13. 제 11 항에 있어서, 이득 매질이 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 적어도 하나 포함하는 발광 디바이스.
  14. 제 11 항에 있어서, 이득 매질이 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 적어도 하나 포함하는 발광 디바이스.
  15. 제 11 항에 있어서, 코어가 방사상으로 균일하지 않은 발광 디바이스.
  16. 제 11 항에 있어서, 코어가 외부 영역 및 내부 영역을 포함하고, 외부 영역의 굴절률이 내부 영역의 굴절률보다 낮은 발광 디바이스.
  17. 제 16 항에 있어서, 코어의 굴절률이 점진적으로 또는 계단형으로 변하는 발광 디바이스.
  18. 제 16 항에 있어서, 외부 영역이 Al, B, F, Ge, La, Lu, P, Ti 또는 이들의 산화물 또는 이들의 임의 배합물로 도핑된 발광 디바이스.
  19. 제 11 항에 있어서, 코어가 하나 이상의 도핑되지 않은 하위 영역을 포함하는 발광 디바이스.
  20. 제 19 항에 있어서, 하나 이상의 도핑되지 않은 하위 영역이 순수한 실리카를 포함하는 발광 디바이스.
  21. 제 11 항에 있어서, 적어도 하나의 클래딩의 적어도 하나가 순수한 실리카를 포함하는 발광 디바이스.
  22. 제 11 항에 있어서, 적어도 하나의 클래딩의 적어도 하나가 도핑된 실리카를 포함하는 발광 디바이스.
  23. 제 11 항에 있어서, 적어도 하나의 클래딩의 적어도 하나가 미세구조화된 발광 디바이스.
  24. 제 11 항에 있어서, 광도파로가 코어를 둘러싼 2 이상의 클래딩을 갖는 발광 디바이스.
  25. 제 11 항에 있어서, 광도파로가 광섬유인 발광 디바이스.
  26. 제 11 항에 있어서, 광도파로가 삼중-클래딩 페데스탈 디자인 광섬유인 발광 디바이스.
  27. 제 11 항에 있어서, 광도파로가 이중 클래딩 광섬유이고, 광섬유의 코어는 원형 단면을 가지며, 적어도 하나의 클래딩은 5각형 단면을 갖는 내부 클래딩을 포함하고 코어를 둘러싸고 있으며, 외부 클래딩은 내부 클래딩을 둘러싸고 있는 발광 디바이스.
  28. 제 11 항에 있어서, 광도파로가 접속 손실을 감소시키도록 테이퍼링된 말단을 갖는 발광 디바이스.
  29. 적어도 하나의 활성 이온 도펀트 및 약 1 내지 30 몰%의 인 산화물을 함유하는 광학 활성 포스포실리케이트 유리를 구비한 이득 매질을 포함하는, 발광 디바이스에 사용하기 위한 광도파로.
  30. 제 29 항에 있어서, 적어도 하나의 활성 이온 도펀트가 광학 활성 유리의 광학적 성질에서 광암 효과를 유도하고, 인 산화물이 광암 효과를 감소시키기에 충분한 양으로 존재하는 광도파로.
  31. 제 29 항에 있어서, 광도파로가 코어 및 코어를 둘러싼 적어도 하나의 클래딩을 포함하고, 이득 매질이 코어 또는 적어도 하나의 클래딩의 적어도 하나를 포함하는 발광 디바이스.
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