KR100485749B1 - 광증폭특성을가지는Ge­Ga­S계유리조성물및상기유리조성물을이용하는통신용광증폭장치 - Google Patents

Abstract

광증폭 특성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리 조성물(glass composition) 및 유리 조성물을 이용하는 통신용 광증폭 장치(laser amplifier of radiation)를 개시한다. 본 발명은, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지(glass host) 및 유리 기지에 도핑(doping)되어 형광 및 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제(active material)를 가지는 유리 조성물을 포함한다. 이때, 유리 기지에는 대략 67 몰(mole)% 이하의 S 및 대략 10 몰% 이하의 Ga이 포함된다. 또한, 희토류계 활성제로는 Pr³⁺ 이온을 이용한다. 더하여, 유리 기지의 안정적인 유리화(vitrification) 및 단파장 흡수단의 청색 이동의 작용을 위해서, Br 및 I 등과 같은 할로겐(halogen) 원소의 유리화 안정제를 유리 기지에 첨가시킨다. 또한, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 유리 기지에 도핑(doping)되어 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함하는 유리 조성물로 이루어지는 광섬유를 사용하는 광증폭 장치 등과 같은 광원 장치(light source)를 포함한다.

Description

광증폭 특성을 가지는 Ｇｅ­Ｇａ­Ｓ계 유리 조성물 및 상기 유리 조성물을 이용하는 통신용 광증폭 장치{Ge-Ga-S based glass composition having light amplifying character & light amplifier for communication network system fabricated therefrom}

본 발명은 광소자의 제조에 이용되는 유리 조성물 및 상기 유리 조성물을 이용하는 광원 장치(light source)에 관한 것으로, 특히 광증폭 및 형광 작용을 하는 활성제(active material)를 포함하는 Ge-Ga-S계 유리 조성물 및 상기 유리 조성물을 이용하는 광통신용 광원 장치에 관한 것이다.

광통신에 사용되는 단파장의 레이저 공진기(laser oscillator of radiation), 형광 장치(superluminescent source of radiation) 및 광증폭 장치(laser amplifier of radiation) 등과 같은 광원 장치에 이용되는 광섬유가 개발되고 있다. 이와 같은 광섬유로는, 현재 어븀(erbium;Er)이 활성제(active material)로 도핑(doping)된 실리카 유리(silica glass) 섬유를 들 수 있다. 상기 Er이 도핑된 실리카 유리 섬유는, 1.5㎛ 파장 대역의 광신호로 증폭하는 데 이용되고 있다.

이에 비해, 실리카 유리의 영분산 대역인 1.31㎛ 파장 대역의 광신호를 증폭하는 데 사용되는 광섬유는, 성공적인 개발이 이루어지지 않고 있다. 현재 1.3㎛ 파장 대역의 광증폭에 사용되는 광섬유의 제조에는, 두 가지 희토류계 원소가 상기 활성제로 제시되고 있다. 즉, 유리 기지(glass host)에 니오디뮴(neodymium;Nd) 및 프레지오디뮴(praseodymium;Pr)이 도핑(doping)된 유리 조성물(glass composition)을 이용한 광섬유가 제시되고 있다. 상기한 희토류계 원소는 상기 실리카 유리와 같은 유리 기지(glass host)에, Nd³⁺ 이온 및 Pr³⁺ 이온으로 상기 실리카 유리에 포함된다. 이하, 상기한 바와 같이 활성제가 도핑되지 않은 상태의 유리를 유리 기지라 칭하고, 상기 활성제가 유리 기지에 도핑된 상태를 유리 조성물이라 칭한다.

그러나, 상기한 Nd³⁺이온을 포함하는 경우에는, Nd³⁺이온의 ⁴F_3/2준위에서 ⁴F_13/2준위로의 천이 과정에서 발생하는 형광의 중심 파장은, 대략 1.35㎛로 영분산 대역에서 상당히 이격되어 있다. 또한, ⁴F_3/2준위에서 발생되는 다른 파장, 예컨대 0.89㎛ 및 1.064㎛의 파장에 비해, 상기 1.35㎛파장의 형광의 세기가 상대적으로 약하다. 더하여, ⁴F_3/2준위에서의 여기 준위 흡수(excited state absorbtion)에 의해서, 1.36㎛보다 짧은 파장에서의 이득(gain)이 매우 저하되는 문제점이 발생한다.

도 1의 도시된 Pr³⁺이온의 에너지 준위도를 참조하면, 상기한 Pr³⁺이온을 첨가하는 경우에는, 상위의 에너지 준위인 여기 준위 ¹G₄준위와 하위의 에너지 준위인 ³H₅준위사이의 천이(transmission)에 의해서 발생하는 광을 이용한다. 이때, 상기한 천이가 발생할 확률은, 상기 ¹G₄준위에서 ³H₅준위 이외의 다른 에너지 준위로 천이될 확률에 비해서 월등히 크다. 따라서, 높은 광증폭 효율을 얻을 수 있다.

그러나, 상기 ¹G₄준위와 바로 아래의 에너지 준위인 ³H₄준위와의 에너지 갭(energy gap)의 차이가 3000㎝^-1정도에 불과하다. 따라서, 격자 진동 에너지가 큰 산화물 유리(>800㎝^-1)를 기지 재료로 사용하는 경우에는 다중 격자 진동에 의한 완화(relaxation)에 의해서, ¹G₄준위로 여기된 Pr³⁺이온의 에너지가 비복사 천이되는 확률이 높아진다. 따라서, 광증폭 효율을 저하시키는 효과를 발생시킨다. 따라서, 낮은 격자 진동 에너지를 가지는 유리를 기지의 재료로 이용하는 것이 요구되고 있다.

상기한 바와 같은 격자 진동 에너지가 낮은 유리 기지로는, 황(S)이 과잉 첨가된 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga) 및 황(S)의 삼성분계 조성의 유리를 들 수 있다. 상기한 유리 기지는 미국 특허 공보 제5379149호에 출원 공개된 바 있다. 상기 유리 기지는, Ge-Ga-S의 삼성분계에서 GeS₂-Ga₂S₃의 조성선 보다 S가 과잉 첨가된 조성을 가지며, Ge₂₅Ga₅S₇₀의 조성이 대표적이다. 상기 Ge₂₅Ga₅S₇₀ 조성의 유리 기지는, 기존의 Ge-S, As-S 및 Ge-As(P,Sb)-S계 조성의 유리 기지보다 높은 Pr³⁺이온의 고용도를 가진다. 그러나, 상기 Pr³⁺이온이 고농도로 첨가되는 경우에는, 상기 Pr³⁺이온의 군집 현상(agglomeration phenomenon)이 발생된다. 이러한 Pr³⁺이온의 군집은, 상기 Pr³⁺이온간의 에너지 전달 속도의 급격한 증가를 유발시킨다. 따라서, ¹G₄준위의 형광 수명의 단축 및 광증폭 효율의 감소를 야기시킨다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 희토류계 이온을 활성제로 사용하며, 형광 특성 및 광증폭 특성을 가지는 유리 조성물에서, 상기 활성제의 군집 현상의 발생을 억제할 수 있으며, 광증폭 효율의 증가 및 안정적인 유리화(vitrification)를 구현할 수 있는 조성을 가지는 유리 조성물을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기한 유리 조성물을 사용하여 광증폭 효율을 증가시킬 수 있는 광증폭 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 형광 특성 및 광증폭 특성을 가지는 유리 조성물에 있어서, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 상기 유리 기지에 도핑되어 형광 및 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함한다. 이때, 상기 유리 기지는 몰 백분율 비로 대략 67몰% 이하의 S, 대략 10몰% 이하의 Ga 및 대략 40몰%이하의 Ge을 포함한다. 즉, 상기 유리 기지는 Ge_32.5Ga₅S_62.5의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리 또는 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리를 예로 들 수 있다. 더하여, 상기 유리 기지에 도핑되는 희토류계 활성제로 Pr³⁺ 이온을 포함한다. 또한, 상기 유리 조성물은, 상기 유리 기지의 안정적인 유리화 및 단파장 흡수단의 청색 이동의 작용을 위해서, Br 및 I 등과 같은 할로겐 원소의 유리화 안정제를 더 포함한다. 이때, 상기 유리화 안정제는, 상기 유리 기지에 원자 백분율로 대략 0.1몰% 내지 15몰% 정도 첨가된다.

상기한 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 광통신 장치에 있어서, 신호광 및 여기광을 생성하고 광섬유에 공급하는 수단, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 상기 유리 기지에 도핑되어 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함하는 유리 조성물로 이루어지는 광섬유 및 상기 광섬유에서 나오는 광이 상기 광섬유로 되반사되는 것을 방지하는 수단을 포함한다. 이때, 신호광 및 여기광을 생성하고 광섬유에 공급하는 수단은 커플러를 포함한다. 또한, 광이 상기 광섬유로 되반사되는 것을 방지하는 수단은 패러데이 아이솔레이터를 포함한다. 더하여, 상기 희토류계 활성제는 Pr³⁺ 이온을 이용한다. 또한, 상기 유리 기지는 대략 67몰% 이하의 S, 대략 10몰% 이하의 Ga 및 대략 40몰% 이하의 Ge을 포함한다. 즉, 상기 유리 기지의 대표적인 조성으로는 Ge_32.5Ga₅S_62.5의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리 또는 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리를 들 수 있다. 더하여, 상기 유리 조성물은, 상기 유리 기지의 안정적인 유리화 및 단파장 흡수단의 청색 이동의 작용을 위해서, Br 및 I 등과 같은 할로겐 원소의 유리화 안정제를 더 포함한다. 이때, 상기 할로겐 원소는 상기 유리 조성물에 0.1 원자% 내지 10 원자% 정도 더 첨가된다.

본 발명에 따르면, 활성제의 군집 현상의 발생을 억제하며, 광증폭 효율을 증가시킬 수 있는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 희토류계 이온을 포함하는 유리 조성물을 구현할 수 있다. 또한, 안정적인 유리화(vitrification)를 구현할 수 있는 조성을 가지는 유리 조성물을 구현할 수 있다. 더하여, 상기한 유리 조성물로 이루어지는 광섬유를 이용함으로써, 광증폭 효율을 증가시킬 수 있는 광통신용 광증폭 장치를 구현할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따르는 게르마늄, 갈륨 및 황의 삼성분계 유리의 상태도를 나타낸다. 여기서 본 발명과 관련되는 황이 부족하게 첨가된 조성은 참조 부호 100으로 나타낸다.

본 발명에 따르는 유리 조성물의 실시예는, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 상기 유리 기지에 도핑되어 형광 및 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함한다. 즉, 상기 유리 기지는, 도 2에 나타낸 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선(200)상의 조성보다, 황이 부족하게 첨가되는 Ge-Ga-S계 유리를 유리 기지로 이용한다. 예컨대, 도 2에 도시한 바와 같이, Ge-Ga-S의 삼성분계에서 참조 부호 100으로 표시되는 영역의 조성 범위를 포함한다. 따라서, 상기 유리 기지는, 몰 백분율 비(mole percent fraction)로 대략 67몰% 이하의 S, 대략 10몰% 이하의 Ga 및 대략 40몰% 이하의 Ge을 포함하는 조성을 가진다. 상기한 조성 범위의 유리 기지의 대표적인 예로는, Ge_32.5Ga₅S_62.5의 조성 또는 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리를 들 수 있다. 이하, 상기한 세 조성의 유리 기지에 근거하여 본 실시예를 설명하지만, 상기한 조성의 유리 기지에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

상술한 유리 기지에 활성제로 희토류계 이온, 예컨대, Pr³⁺ 이온을 도핑시켜 유리 조성물을 형성시킨다. 상술한 유리 조성물은, 종래의 S가 과잉 첨가된 Ge-Ga-S계 유리 조성물에 비해, 높은 희토류계 이온의 고용도를 나타낸다. 따라서, 고용 한계의 증가로 인해서, 보다 균질하게 상기 희토류계 이온들이, 상기 유리 기지에 도핑될 수 있다. 이와 같은 고용 한계의 증가가 보다 높은 균질도를 구현하는 이론적인 근거는 다음과 같다.

Ge-S, As-S 및 Ge-As(P,Sb)-S계 조성의 유리 기지에서, 화학량론적 조성 또는 더 많은 S가 첨가되면, 희토류계 원소의 고용도는 수백 ppm 정도에 불과하다는 것이 알려지고 있다. 또한, 상기 유리 기지에 더 많은 희토류계 원소를 첨가할 경우에는, 상기 첨가되는 희토류계 이온들이 상기 유리 기지 내에서 미세한 군집을 형성한다. 또한, 이러한 희토류계 이온들의 군집으로 인해서, 미세 결정이 석출되어 실투 현상이 보인다. 그러나, 상기 Ge-S, As-S 및 Ge-As(P,Sb)-S계 조성의 유리 기지에서 상기 S의 첨가량을 낮추어 상기 S가 부족한 조성이 되면, 상기 희토류계 이온들은 수천 ppm 정도까지 고용됨이 알려지고 있다. 이러한 현상은 상기 S의 양에 따른 상기 유리 기지의 구조 변화와 연관된다. 즉, S가 부족한 조성의 유리 기지 내에서는, 양이온간의 금속 결합이 존재하게 된다. 이러한 금속 결합의 존재에 의해서 더 많은 희토류계 이온이 고용될 수 있다. 이와 같은 근거에 의해서 본 발명에 따르는 S가 부족하게 첨가된 Ga-Ge-S계 유리 기지를 이용하는 유리 조성물은 종래의 기술에 비해서 첨가되는 희토류계 이온의 고용 한계를 증가시킬 수 있다. 이와 같이 증가된 고용 한계에 의해서 비복사 천이 발생의 확률을 감소시킬 수 있다.

도 1을 참조하면, Pr³⁺이온의 ¹G₄준위의 형광 수명 및 광증폭 효율에 큰 영향을 미치는 요소는, 상기 ¹G₄준위로 여기된 Pr³⁺의 에너지가 광이 아닌 다른 형태로 발산되는 비복사 천이이다. 이러한 비복사 천이 현상의 예로는 다음의 두 가지 형태를 들 수 있다. 먼저, 준 안정 준위인 ¹G₄준위와 바로 아래의 에너지 준위인 ³H₄준위와의 작은 에너지 갭의 차이에 의해서 야기되며, 상기 Pr³⁺이온이 도핑된 유리 기지의 격자 진동 에너지에 의한 다중 격자 진동 완화 현상을 들 수 있다. 더하여, 상기 Pr³⁺이온들간의 에너지 전달 현상을 들 수 있다.

상기한 비복사 천이와 같이, Pr³⁺이온의 ¹G₄준위의 전자 밀도를 감소시키는 이온간의 에너지 전달 경로에는 다음과 같은 경로가 있다. 예컨대, ¹G₄준위로 여기된 Pr³⁺이온이, 주위의 여기된 또다른 Pr³⁺이온의 에너지를 흡수하여 상위 전위인 ¹D₂준위로 상향 천이하는 경로가 있다. 또한, 기저 준위인 ³H₄준위에 있던 Pr³⁺이온이 ¹G₄준위에 있는 주위의 또다른 Pr³⁺이온의 에너지를 흡수하여 ³F₂준위로 여기되고, 상기 ¹G₄준위에 있는 주위의 또다른 Pr³⁺이온은 ³H₆준위로 격하되는 교차 완화 경로가 있다.

상술한 Pr³⁺이온들간의 에너지 전달 현상에 따른 에너지 전달 속도는, 상기 이온들간의 거리에 의존한다. 에너지 전달 속도는, 에너지 전달 기구가 정전기적 상호작용일 때, 다음과 같이 상기 이온들간의 거리에 반비례한다. 예컨대, 전기 쌍극자-쌍극자간의 상호 작용이 상기 에너지 전달 기구일 때, 상기 에너지 전달 속도는 상기 이온들간의 거리의 6승에 반비례하고, 전기 쌍극자-사극자 상호 작용일 때는 거리의 8승에, 그리고, 전기 사극자-사극자 상호 작용일 때는 거리의 10승에 반비례한다.

따라서, 첨가한 희토류계 활성제, 예컨대 Pr³⁺이온이 유리 기지에 균질하게 용해되어 분포되지 않고, 서로 미세하게 모여서 군집 상태로 존재하면, 상기한 에너지 전달 속도는, 균질하게 분포된 이상적인 상태에 비해 매우 큰 값을 가지게 된다. 이에 따라, Pr³⁺이온의 ¹G₄준위의 형광 수명을 단축시키는 결과가 유발되며, 결과적으로 광증폭 효율의 심각한 저해를 초래한다.

그러나, 본 실시예에 따르는 유리 기지는, S가 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리이므로, 상술한 바와 같은 근거에 의해서, 수천 ppm 이상의 희토류계 이온이 고용될 수 있다. 즉, 상기 희토류계 이온에 대한 높은 고용 한계를 가진다. 따라서, 고용되는 희토류계 이온의 군집 현상을 유발을 보다 더 억제할 수 있다. 그러므로, 상기 활성제로 도핑되는 희토류계 이온, 예컨대, Pr³⁺이온이, 상기 S가 부족하게 첨가된 본 실시예에 따르는 Ge-Ga-S계 유리 기지에, 보다 균질한 분포될 수 있다. 따라서, 상술한 이론적 근거에 의해서, 이온간의 에너지 전달에 의한 비복사 천이 확률을 감소시킬 수 있다. 이와 같이 비복사 천이 확률을 감소시킬 수 있어, 광증폭 효율의 향상을 구현할 수 있다.

이하, 상술한 본 발명에 따르는 유리 조성물의 광학적 특성을 분석 설명한다.

먼저, 상술한 본 실시예에 따르는 유리 조성물은 다음과 같이 형성되어 광학적 특성이 측정된다. 그러나, 본 발명에 따르는 유리 조성물은, 이후에 상술되는 방법으로만 한정되어 형성되는 것은 아니고, 통상적인 유리 제조 기술에 의해서 형성될 수 있다.

구체적으로, 고순도, 예컨대, 99.999% 내지 99.9999% 정도의 고순도의 Ge, Ga 및 S 등을 출발 물질로 이용한다. 또한, 활성제로는, 고순도, 예컨대 대략 99.99% 정도의 고순도의 Pr을 출발 물질로 이용한다. 이때, 상기 Pr은 대략 5000ppm정도 포함되도록 한다. 이와 같은 물질을 상기한 본 발명에 따르는 유리 기지의 조성에 근거하여, 전체 배치(batch)가 대략 10g가 되도록 칭량한다. 상기 칭량은 Ar 분위기의 그로브 박스(grove box)내에서 수행된다. 이와 같이 칭량된 배치를 실리카 앰플(silica ampoule)에 넣고 진공 중에서 봉합한다. 이후에, 교반로에 상기 앰플을 인입하여, 대략 950℃ 정도의 온도에서 대략 12간 정도 용융시킨다. 이후에, 상기 앰플을 공랭하여 유리화된 유리 조성물을 얻는다. 이후에, 유리 전이 온도 부근에서 소둔하여 섬유 형태를 얻는다.

이후에, 1.3㎛ 파장 영역의 형광 스펙트럼(spectrum)을 다음과 같이 얻는다. Ar⁺ 레이저(laser)로 구동되는 Ti-사파이어(sapphire) 레이저의 1020㎚ 파장의 여기광(pumping radiation)을 이용하여, 상기 유리 조성물내의 Pr³⁺이온을 ¹G₄준위로 여기시킨다. 이후에, 상기 유리 조성물에서 발생되는 형광을, 1/4m 이중 단파장 검출기(double monochromator)로 파장을 선별하고, InGaAs PIN 형광 검출기(Photodetector)로 형광을 감지하고, 이를 컴퓨터가 연결된 록인 증폭기(lock-in amplifier)로 분석한다. 형광 수명은 디지털 오실로스코프(digitized oscilloscope)를 이용하여, 형광 세기가 초기의 1/e되는 지점의 시간으로 정의하여 측정한다.

상술한 바와 같이 측정된 광학적 특성을, 종래의 S가 과첨가된 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지를 이용하는 유리 조성물과 비교 설명한다. 이때, 본 발명에 따르는 조성의 유리 기지 및 종래의 기술에 따르는 유리 기지 모두에, 상술한 바와 같은 조건으로 시편을 준비한다. 마찬가지로, 상기 두 종류의 시편은 모두, 대략 5000ppm 정도의 Pr³⁺ 이온을 첨가된다. 본 발명에 따르는 유리 기지로는 Ge_32.5Ga₅S_62.5 조성의 유리 기지를 예시하며, 종래의 기술에 따르는 유리 기지로는 Ge₂₅Ga₅S₇₀ 조성의 유리 기지를 예시한다. 이와 같은 비교 측정 결과를 표 1에 예시한다.

유리 기지의 조성에 따른 형광 수명 및 양자 효율.

유리 기지의 조성	계산된 형광 수명(㎲)	측정된 형광 수명(㎲)	양자 효율(%)
Ge25Ga5S70	783	123	16
Ge32.5Ga5S62.5	507	160	31

표 1을 참조하면, 종래의 Ge₂₅Ga₅S₇₀ 조성의 유리 기지를 이용한 경우에는, ¹G₄준위의 형광 수명이 대략 123㎲정도이고, 형광 수명의 측정값(τ_M)과 계산값(τ_R)의 비율로 정의되는 양자 효율은 대략 16%정도이다. 이에 비해, 본 발명에 따르는 Ge_32.5Ga₅S_62.5 조성의 유리 기지를 이용하는 경우에는, 형광 수명이 대략 160㎲정도로 증가하고, 양자 효율 또한 31%까지 증가한다. 이와 같이, 두 종류의 유리 기지에 같은 농도로 Pr³⁺이온을 첨가함에도 불구하고, S의 양이 부족하게 첨가된 본 발명에 따르는 유리 기지에서의 형광 수명 및 양자 효율이 더 뛰어나다. 이는 앞서 설명한 바를 근거로 고려하면, 첨가되는 Pr³⁺이온이, 종래의 유리 기지에서보다 더 균질하게 분포됨을 의미한다. 또한, 앞서 설명한 바를 근거로 고려하면, 본 발명에 따르는 유리 기지를 이용한 경우가, 이온간의 에너지 전달에 의한 비복사 천이 속도의 감소를 구현할 수 있음을 간접적으로 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따르는 유리 조성물 내에 도핑된 Pr³⁺이온의 ¹G₄준위에서 ³H₅준위로의 유도 방출 단면적(emission cross section)을 파장대에 따라서 나타낸다.

광증폭기 및 레이저 공진기를 설계할 때, 여기 광원의 문턱 세기(P_th)는 광증폭 효과와 연관된다. 또한, 여기 광원의 문턱 세기는, 상기 ¹G₄준위의 형광 수명과 유도 방출 단면적의 곱에 반비례한다. 따라서, 도 3에 도시된 유도 방출 단면적이 클수록 높은 광증폭 효과를 기대할 수 있다. 종래의 Ge₂₅Ga₅S₇₀ 조성의 유리 기지를 이용한 경우에는, Pr³⁺ 이온의 1.31㎛ 파장대의 유도 방출 단면적이 대략 6.78×10^-21㎝²의 값을 나타낸다. 반면에, 본 발명을 따르는 Ge_32.5Ga₅S_62.5 조성의 유리 기지를 이용하는 경우에는, 대략 9.92×10^-21㎝²의 값을 나타낸다. 이와 같은 결과는, 상술한 바와 같이 S가 부족하게 첨가된 조성에서 금속간 결합이 생성되는 것과 연관된다. 상기 금속간 결합의 생성은 굴절율의 증가를 야기하며, ¹G₄준위와 ³H₅준위간의 천이 확률을 증가시킨다.

상술한 바와 같이, S가 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지를 이용함으로써, 활성제로 첨가된 희토류계 이온, 즉, Pr³⁺이온의 ¹G₄준위의 형광 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 1.31㎛ 파장에서의 유도 방출 단면적을 증가시킬 수 있어, 광증폭 효율의 증가를 구현할 수 있다.

도 4는 DSC(Differential Scale Calorimeter)를 이용하여 측정된 유리 기지의 유리 전이 온도(temperature of glassification;T_g) 및 결정화 온도(temperature of crystallization;T_X)를 나타낸다.

상술한 바와 같이 S가 부족하게 첨가되는 조성의 유리 기지는, 유리화의 안정성이 침해될 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 S가 부족한 조성의 유리 기지의 설계에서는 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다. 첫째, S를 부족하게 첨가시키는 경우에 상기 S의 양을 무한히 줄일 수 없다. S가 부족하게 되면, 유리 기지 내에 금속간 결합이 생성되어 유리 기지의 단파장 투과 한계 파장이 급격히 근적외선 방향으로 이동하게 된다. 따라서, 여기 광원의 파장에 대한 유리 기지 자체의 흡수와 이에 따른 여기 광원에 의한 유리 기지의 손상의 유발이 가능하게 된다. 둘째, 일반적으로 S를 포함하는 유리 기지는, 상기 S의 첨가량이 감소함에 따라, 유리화(vitrification)가 어려워 안정적인 유리화를 구현할 수 없다.

따라서, 본 실시예에서는 상기 희토류계 안정제가 도핑된, S가 부족한 Ge-Ga-S계 유리 조성물에, 예컨대, Ge_32.5Ga₅S_62.5의 조성 또는 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리등과 같은 유리 조성물에, 할로겐(halogen) 원소가 더 첨가된다. 즉, 상기 할로겐 원소는 유리화 안정제로 첨가된다. 이때, 상기 할로겐 원소로는 브롬(Br) 및 요오드(I) 등을 이용한다. 또한, 상기 할로겐 원소는 상기 유리 조성물에 몰 백분율 비로 대략 0.1 몰% 내지 15 몰% 정도 첨가된다. 이와 같이 할로겐 원소를 더 첨가함으로써, 상기 S가 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리 조성물의 유리화가 보다 안정되고, 또한, 상기 유리화를 더 확장된 조성 범위에서 얻을 수 있다. 더하여, 상기 할로겐 원소를 첨가함으로써, 상기 유리 조성물에서의 단파장 흡수단의 청색 이동을 구현할 수 있다. 따라서, 상술한 여기 광원의 기지로 이용되는 유리 조성물에의 흡수 및 상기 여기 광원에 의한 상기 유리 조성물의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명의 조성 범위에 해당되는 Ge₂₅Ga₁₀S₆₅ 조성의 유리 기지를 예시하면, 원자 백분율(atom percentage)로 95 원자%에, 5 원자%의 Br이 첨가된 유리 조성물, 즉, 0.95(Ge₂₅Ga₁₀S₆₅)-0.05Br의 유리 조성물과, Ge₂₅Ga₁₀S₆₅ 조성의 유리 조성물의 유리 전이 온도 및 결정화 온도를 도 4에 나타낸다. 상기한 0.95(Ge₂₅Ga₁₀S₆₅)-0.05Br의 유리 조성물은 본 발명을 따르는 유리 조성물의 예시이지, 본 발명을 한정하지는 않는다.

통상의 유리화 안정성은 결정화 온도와 유리 전이 온도의 차이(T_X-T_g)에 비례한다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 0.95(Ge₂₅Ga₁₀S₆₅)-0.05Br의 유리 조성물은 385℃의 T_g 및 536℃의 T_X를 가진다. 따라서, 상기 (T_X-T_g)는 대략 151℃ 정도이다. 반면에, 종래의 Ge₂₅Ga₁₀S₆₅ 조성의 유리 기지는 434℃의 T_g 및 552℃의 T_X를 가진다. 따라서, 상기 (T_X-T_g)는 대략 118℃ 정도이다. 이와 같이 본 발명에 따르는 0.95(Ge₂₅Ga₁₀S₆₅)-0.05Br의 유리 조성물의 경우에는 종래의 유리 기지에 비해, 유리의 결정화에 대한 안정성, 즉, 유리화 안정성의 향상을 크게 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르는 유리 조성물을 이용하여 광섬유를 제조하는 공정에서, 결정의 석출 등과 같은 광손실의 발생을 보다 더 방지할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따르는 유리 조성물을 이용한 광증폭 장치의 실시예를 설명하기 위해서 도시한 개략도이다.

이하, 본 실시예에서는 본 발명에 따르는 유리 조성물이 적용되는 광학적 장치의 실시예로 광통신용 광증폭기에 관하여 설명하지만, 이에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명에 따르는 유리 조성물은 레이저 공진기 및 형광 장치 등과 같은 광원 장치에도 적용될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따르는 광증폭기는, 신호광 및 여기광(pumping radiation)을 생성하고 광섬유(530)에 상기 광을 공급하는 수단(500, 510, 505, 515, 520)과, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 상기 기지에 도핑되어 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함하는 유리 조성물로 이루어지는 광섬유(530) 및 상기 광섬유(530)에서 나오는 광이 상기 광섬유(530)로 되반사되는 것을 방지하는 수단(540)을 포함한다.

이때, 신호광 소오스(signal source;500)에서 공급되는 신호광과 레이저 소오스(510)에서 공급되는 여기광, 예컨대 1020㎚ 파장 등과 같은 파장을 가지는 여기광은, 분산 커플러(dispersive coupler;520)에서 합쳐지고 커플(couple)되어 상기 광섬유(530)에 공급된다. 이때, 상기 신호광 및 여기광이 합쳐지고 커플된 광의 일부는, 상기 분산 커플러(520)에서 분리되어 모니터(monitor;535)에 의해서 모니터링되고, 대부분, 예컨대, 대략 90%의 광은 상기 광섬유(550)로 도입된다.

상기 광섬유(550)는, 상술한 바와 같이, S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 포함되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지, 예컨대 Ge_32.5Ga₅S_62.5의 조성 또는 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리 기지 및 상기 기지에 도핑되어 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제, 예컨대 Pr³⁺ 이온을 포함하는 유리 조성물로 이루어진다. 이때, 상기 유리 조성물에는 상술한 바와 같이, 유리화 안정제, 예컨대 I 및 Br 등과 같은 할로겐 원소를 이용한다. 상기 유리 조성물은, 상술한 바와 같이 1.31㎛광으로 증폭시키는 작용을 한다. 또한, 상기 광섬유(530)에서 나오는 광이 상기 광섬유(530)로 되반사되는 것을 방지하는 수단(540)으로는, 패러데이 아이솔레이터(Faraday isolator)를 이용한다. 이와 같이 상기 광섬유(530) 및 상기 패러데이 아이솔레이터를 거친 참조 부호 550의 광은, 대략 1.31㎛의 파장대를 가진다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해서 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

상술한 본 발명에 따르면, S가 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리 기지를 이용함으로써, 상기 유리 기지에 도핑되는 활성제의 희토류계 이온, 즉, Pr³⁺이온의 고용 한계를 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 고용되는 희토류계 이온의 균질한 분포를 구현할 수 있다. 이에 따라, Pr³⁺이온의 ¹G₄준위의 형광 수명 및 광 이득의 증가를 구현할 수 있다. 따라서, 1.31㎛ 파장대의 광증폭 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 S가 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리 기지에 Br 및 I 등과 같은 할로겐 원소를 첨가함으로써, 상기 유리 기지의 유리화 안정성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 상기 유리 조성물을 이용하여 광섬유를 가공하는 공정에서, 결정 석출 등과 같은 광손실의 발생을 방지할 수 있다.

더하여, S가 부족하게 첨가된 Ge-Ga-S계 유리 기지 및 활성제를 포함하는 본 발명에 따르는 유리 조성물로 이루어진 광섬유를 이용함으로써, 광증폭기의 광증폭 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 Pr³⁺ 이온의 에너지 준위를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따르는 유리 조성물의 조성 범위를 설명하기 위해서 도시한 게르마늄, 갈륨 및 황의 삼성분계 유리의 상태도이다.

도 3은 본 발명에 따르는 유리 조성물 내에 도핑된 Pr³⁺ 이온의 ¹G₄ 준위에서 ³H₅ 준위로의 유도 방출 단면적을 파장대에 따라 나타내는 도면이다.

도 4는 DSC(Differential Scale Calorimeter)에 의해서 측정된 본 발명에 따르는 유리 조성물의 유리 전이 온도 및 결정화 온도를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명을 따르는 유리 조성물을 광섬유로 이용한 광증폭기를 설명하기 위해서 도시한 개략도이다.

Claims (10)

1. 대략 67 몰% 이하의 S,

   대략 10 몰% 이하의 Ga, 및

   대략 40 몰%이하의 Ge을 포함하여 S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 첨가되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지; 및

   상기 유리 기지에 도핑되어 형광 및 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 희토류계 활성제는 Pr3+ 이온인 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 유리 기지는 Ge_32.5Ga₅S_62.5의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리인 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 유리 기지는 Ge_28.3Ga₁₀S_61.7의 조성을 가지는 Ge-Ga-S계 유리인 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 유리 기지에

   상기 유리 기지의 안정적인 유리화 및 단파장 흡수단의 청색 이동의 작용을 하며 할로겐 원소를 포함하는 유리화 안정제가 더 첨가되는 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
6. 제5항에 있어서, 상기 할로겐 원소는

   Br 및 I로 이루어지는 일군에서 선택되는 어느 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
7. 제6항에 있어서, 상기 할로겐 원소는

   상기 유리 기지에 대략 0.1 몰% 내지 15 몰% 정도 첨가되는 것을 특징으로 하는 유리 조성물.
8. 광통신용 장치에 있어서,

   신호광 및 여기광을 생성하고 광섬유에 공급하는 수단;

   대략 67 몰% 이하의 S, 대략 10 몰% 이하의 Ga 및 대략 40 몰%이하의 Ge을 포함하여 S의 함량이 GeS₂-Ga₂S₃ 조성선 보다 부족하게 첨가되는 Ge-Ga-S계 조성의 유리 기지 및 상기 기지에 도핑되어 광증폭 작용을 하는 희토류계 활성제를 포함하는 유리 조성물로 이루어지는 광섬유; 및

   상기 광섬유에서 나오는 광이 상기 광섬유로 되반사되는 것을 방지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 신호광 및 여기광을 생성하고 광섬유에 공급하는 수단은 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 광이 상기 광섬유로 되반사되는 것을 방지하는 수단은 패러데이 아이솔레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 광증폭 장치.

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