초록 ▼

광통신 수요의 확대에 따라 광중계기의 전송 속도 향상이 크게요구됨에 따라 광증폭기를 이용하는 광중계기가 개발되고 있다. 1.3㎛ 파장의 광신호를 증폭하기 위해 PDFA(Praseodymium doped fiber amplifer)에 관한 연구가 활발히 이루어지고있다. 본 연구에서는 높은 효율의 PDFA를 제조하기 위해서 격자 진동 에너지가 낮은 기지 재료로 Pr3+이 첨가된 Ge-Ga-S계 유리를 제조하고, 광증폭 효율을 증대하기 위해donor 이온으로 Yb3+와 Er3+을 복합 첨가하였다.1차년도에는 벌크 유리

광통신 수요의 확대에 따라 광중계기의 전송 속도 향상이 크게요구됨에 따라 광증폭기를 이용하는 광중계기가 개발되고 있다. 1.3㎛ 파장의 광신호를 증폭하기 위해 PDFA(Praseodymium doped fiber amplifer)에 관한 연구가 활발히 이루어지고있다. 본 연구에서는 높은 효율의 PDFA를 제조하기 위해서 격자 진동 에너지가 낮은 기지 재료로 Pr3+이 첨가된 Ge-Ga-S계 유리를 제조하고, 광증폭 효율을 증대하기 위해donor 이온으로 Yb3+와 Er3+을 복합 첨가하였다.1차년도에는 벌크 유리 재료의 형광 특성으로부터 광섬유의 이득을 예측하기 위해 흡수 단면적, 형광 방출 단면적, 여기 상태 흡수, 형광 수명을 측정하고 Judd-Ofelt 분석등을행하여, 이득의 figure of merit을 구하였다. Ge-Ga-S계 유리 첨가된 Pr3+의 1.3㎛ 파장대이득 특성을 평가 결과, S 함량이 결핍한 조성에서 가장 높은 이득을 보였다. 이는 S 함량이 결핍한 Ge-Ga-S계 유리가 높은 희토류 용해도를 나타내어 낮은 희토류 이온의cluster 경향성을 나타내고, 교차 완화에 의한 형광 수명 감소가 가장 적은 것으로 해석되었다. 따라서 기지 유리의 최적 조성은 S 함량이 결핍한 Ge33Ga5S62으로 나타났다. 또한Pr3+의 농도에 따른 이득을 측정한 결과, 500ppm-wt이상의 농도에서 형광수명의 급격한감소에 의해 이득 계수가 감소하는 것을 발견하였다. 따라서 높은 효율의 PDFA 제조를위해서 Pr3+의 농도는 500 ppm-wt이하로 유지되어야 한다. 또한 fluoride계 유리와 달리격자 진동 완화가 아니라 교차 완화가 주된 비복사 천이 기구임이 밝혀졌다.2차년도에는 Pr3+가 첨가된 최적 조성의 유리에 Er3+와 Yb3+를 복합 첨가하여 이득향상을 꾀하였다. Yb3+ 복합 첨가의 경우 fluoride 계 유리의 경우와 달리 Yb3+ 첨가량증가에 따라 형광 수명이 감소하였다. 이는 기지 유리의 굴절률이 높아 Yb3+의 형광 수명이 Pr3+의 형광 수명보다 짧았기 때문인 것으로 해석되었다. 이에 따라 Yb3+ 형광 수명이 낮은 경우에 있어서 Pr3+의 1.3㎛ 파장대 이득계수를 구하는 이론식을 제시하였다.한편 Er3+ 복합 첨가의 경우, Er3+ 500ppm-wt 이상에서는 Pr3+의 여기 준위(1G4)로의 에너지 전달보다 다른 준위로의 에너지 전달 속도가 커져서 에너지 전달 효율이 감소하는 것이 관찰되었다. 따라서 Er3+의 복합 첨가량은 500 ppm-wt 이내로 제한 되어야 할 것이다.본 연구의 결과는 기지 유리의 최적 조성과 복합 첨가 이온의 최적 농도 조합에 집중되었다. 향후의 연구에서는 이온간 에너지 전달에 대한 정량적인 분석이 요구된다. 또한본연구에서 밝혀진 최적 조성의 기지 유리의 광섬유화를 위한 연구가 기대되고 있다.

Abstract ▼

Recenltly, the optical fiber telecommunication is in a greatdemand for the multimedia networks, of which the all-optical transmission system isrelayed on the fiber amplifiers. New host glass composition and codopant for mostefficient PDFA(Praseodymium doped fiber amplifer) at 1.3㎛ wavele

Recenltly, the optical fiber telecommunication is in a greatdemand for the multimedia networks, of which the all-optical transmission system isrelayed on the fiber amplifiers. New host glass composition and codopant for mostefficient PDFA(Praseodymium doped fiber amplifer) at 1.3㎛ wavelength was investigatedin this work. Pr3+-doped Ge-Ga-S glasses which have lowest multi-phonon relaxationrate, and Yb3+ or Er3+-codoped glasses were sythesized with various compositions.Figure of merit for gain coefficient was estimated from the measurements ofemsision cross-section and fluorescence lifetimes for the glasses based on Judd-Ofeltamnalysis. Effects of sulfur contents in host glasses on optical properties of Ge-Ga-Sglasses doped with Pr3+ were investigated. Glasses deficient in sulfur to thestoichiometric composition seemed to provide better potentials as evidenced from thehigher quantum efficiencies and figure of merit. Therefore, the optimum compositionfor efficient amplification at 1.3 ㎛ wavelength was determined to be Ge33Ga5S62.Concentration of Pr3+ should be kept below 500 ppm-wt in order to reduce the crossrelaxation. This cross relaxation mechanism is mainly responsible for the non-radiativerelaxation by the energy transfer among Pr3+ ions originated from the formation of thecluster. We found that the dominant non-radiative relaxation of Pr3+ in sulfide glasseswas the cross relaxation mechanism, but in the fluoride glasses, multi-phonon relaxationmechanism.Codoping effects of Er3+ or Yb3+ on the gain coefficient were investigated in theoptimum glass composition doped with Pr3+. Fluorescence lifetime of Pr3+ wasdecreased as increase of Yb3+, since higher refractive index reduced the intrinsicfluorescence liftime of Yb3+ less than that of Pr3+. However, we suggested atheoretical expectation of the gain coefficient based on the population density of Pr3+ inthe case of less lifetime of Yb3+. As increase of Er3+ codoping in Pr3+-dopedglasses, energy transfer rate from Er3+ to the 1G4 state of Pr3+ was saturated, sinceanother transfer process becomes dominant mechanism above 500 ppm-wt of Er3+.Therefore, codoping concentration of Er3+ must be kept below 500 ppm-wt for theefficient amplfier at 1.3 ㎛ wavelength.This work was achieved to determine the optimum composition and bestcombination of codopant for the efficient amplification of Pr3+ doped Ge-Ga-S glasses.However, quantative analysis of energy transfer mechanism is required for fiber designand drawing of Ge-Ga-S glass with the optimum composition, in the future.

목차 Contents

• I. 서론...8
• 1) 연구배경...8
• 2) 연구 목적 및 범위...8
• II. 연구방법 및 이론...9
• 1) 이론적 배경...9
• 2) 실험 방법...10
• III.결과...12
• 1) 유리의 조성 영역...12
• 2) $Pr^{3+}$의 흡수 스펙트럼...12
• 3) $Pr^{3+}$의 농도에 따른 이득 특성...12
• 4) $Yb^{3+}$ 복합 첨가에 따른 $Pr^{3+}$ 형광 수명...12
• 5) $Er^{3+}$ 복합 첨가에 따른 $Pr^{3+}$의 형광 스펙트럼...13
• IV. 고찰...14
• 1) 최적 조성유리의 조성 영역...14
• 2) $Yb^{3+}$와 $Pr^{3+}$ 간의 에너지 전달 현상...14
• 3) $Er^{3+}$와 $Pr^{3+}$ 간의 에너지 전달 현상...15
• V. 결론...16
• VI. 인용문헌...17
• Table & Figure...18
• 1. 연구수행관련 논문발표목록서...26
• 2. 자체평가서...27