Er/Tm doped silica fiber의 분광학적 연구

목차

머리말

본론

(1) 광섬유(Otical Fiber)

(2) 희토류 원소

(3) ESA(excited state absorption)와 Up-conversion

(4) 980nm pumping에 의한 co-doped fiber의 분광특성 측정 실험

(6) 에너지 레벨을 통한 emission 파장의 가능성들

(7)광섬유의 농도 측정 실험

(8)분석

결론

참고 문헌

본문내용

인 광섬유의 Er의 농도를 계산하였다. cross section(σ)은 같은 silica이기만 하면 변화 없이 일정하기 때문에, 농도와 흡수계수가 비례한다는 것을 이용하면 비례식을 써서 농도를 구할 수 있게 된다. 표에 쓴 농도는 그렇게 해서 구한 것이다.
(8)분석
세 가지 광섬유 모두 Er의 양은 Tm에 대해 1x로 일정하고 Tm의 1:2:3의 꼴로 바뀐다. 여기서 x는 200ppm을 대신하는 말이다. 하지만 이 200ppm은 최초 원소재 첨가 비율로 대략 짐작한 값이므로 흡수계수 측정으로 결정한 값으로 대체해야 한다. 1x 가 의 농도라고 생각할 수 있겠다. 조성이 바뀐다는 것은 Tm의 양을 일정하게 증가시켰다는 것이고 밀도가 증가하면 광원이 들어갔을 때 여기되는 전자들도 더 많아지게 된다. 여기가 많아지면 그만큼 많은 에너지를 갖게 되는 것이고 이것은 안정해지기 위하여 바닥상태로 떨어지게 되기 때문에 더 많은 입자가 떨어질 때에는 그 만큼 출력이 높아져야 한다고 생각할 수 있다. 하지만 그림 9와 10에서 볼 수 있듯이 1x:0.5x 광섬유에서 1x:1x의 광섬유로는 그 출력이 확연하게 늘어나는 반면에 1x:2x는 오히려 1x:1x보다 더 출력이 떨어져서 1x:0.5x 광섬유의 출력과 비슷하게 나오고 있다. 이것에 대한 이유로 Er과 Tm의 에너지 레벨 천이를 생각해 보았다. 980nm광원이 입사하면 Er의 에너지 레벨에서 빛이 흡수된다고 생각할 수 있는데 전자들이 여기 되고 떨어지는 과정에서 Er과 Tm의 비슷한 파장의 에너지 레벨 간에는 전자들이 이동을 할 수 있다. selection rule(스핀의 변화량이 0이 되는)에 어긋나지 않는 천이가 이루어질 수 있기 때문에 Tm의 양이 너무 많거나 적을 경우 그 천이가 이루어지는 과정에서 출력이 최적으로 나타나지 않는다고 볼 수 있겠다. 너무 적을 경우에는 여기되는 전자들이 적어서 출력이 적다고 생각할 수 있고, 너무 많을 경우에는 여기상태에서 더 빛을 흡수함에 따라 일정 파장 대에 출력이 높게 나오지 않는 것이라고 생각해 보았다.
두 번째 이유로는 광섬유의 길이에 있다고 생각한다. Er의 양이 모두 일정하기 때문에 Tm의 양만 가지고 생각해보자. 광섬유의 손실은 지수 함수적으로 발생하는데 이것은 밀도와 길이의 곱에 영향을 받는다. 이것을 고려하면 밀도와 길이는 역수 관계에 있고 밀도가 커지면 길이는 더 줄어들어야 하는데 이 때 광섬유의 길이를 어느 정도로 했느냐에 따라서 출력특성이 달라질 수 있겠다. 세 가지 광섬유의 길이는 별 차이가 없고 여기서는 1x:1x가 1x:0.5x와 비교했을 때 출력이 더 좋아졌기 때문에, 1x:2x 광섬유의 길이를 더 짧게 해야만 1x:1x 광섬유의 출력보다 더 높은 출력을 얻을 수 있지 않을까 추측한다.
이번 실험에서 주로 알아보려고 했던 것은 980nm 파장의 광원을 입사했을 때 up-conversion 현상으로 그보다 더 짧은 파장을 갖는 즉, 긴 진동수를 갖는 빛이 나오는가에 대해서이다. 이 실험에서는 980nm의 광원이 들어간 후 600nm, 785nm, 840nm, 980nm, 1550nm 대역의 파장에서 peak가 나타났는데 여기서 980nm는 광원의 파장이므로 고려하지 않고 1550nm는 일반적인 여기현상에 의해서 유도 방출되는 파장이므로 역시 무시하기로 한다. 600nm를 고려하지 않는 이유는 앞에서 언급하였다. 그러면 대략 785nm, 840nm의 파장이 나오는데 이것이 980nm를 넣어서 up-conversion을 통해서 방출되는 빛이라 할 수 있겠다. 비록 그 출력이 수 ㎼ 인 980nm나 1550nm 파장에 비해서는 상당히 약하지만 그 파장에서의 스펙트럼을 보았고 광섬유의 농도를 알아내는 것으로 이 실험을 마치려고 한다. 희토류 이온이 co-doped된 광섬유는 빛을 주입하면 보통 실리카 광섬유와는 달리 광원보다 진동수가 높아지는 빛이 나올 수 있다.
결론
① 본 연구를 통해서 980nm 레이저 펌프에 따른 790nm(785nm)와 840nm파장대 형광 스펙트럼 측정과 농도에 따른 형광 세기를 측정해 보았다. 툴륨의 농도가 증가함에 따라서 세기가 일정하게 커지는 것이 아니라, 1x:1x 에서 툴륨이 큰 세기를 내는 것으로 보아 1x:1x에서 툴륨이 최적농도가 된다고 볼 수 있겠다.
② 790nm의 형광분석은 Er³ 의 와 Tm³ 의 천이에 해당될 것으로 짐작된다.
③ 840nm의 천이 과정은 Er³ 의 과 Er³ 의 의 가능성이 있으나, 좀 더 정밀분석이 요구된다.
④ Er³, Tm³의 농도 파악을 위해 흡수계수 측정 실험으로 구한 1x의 농도가 으로 측정되었다.
참고 문헌
[1] Allen P. Otto, Karen S. Brewer, Ann J. Silversmith, Journal of Non-Crystalline Solids 265 (2000) 176-180
[2] Erbium-Doped Fiber Amplifiers, “Erbium-doped fiber amplifiers", A Wiley-Interscience Publication, 1994
[3] Carsten Thirstrup, Yuan Shi, and Bera Palsdottir, "Pump-Induced refractive index modulation and dispersions in Er³-doped fibers" , Journal of Lightwave technology, vol.14, no.5, May.1996
[4] David S. Funk and J. Gary Eden, fellow, IEEE, "Glass-fiber lasers in the ultraviolet and visible", IEEE Journal of selected topics in quantum electronics. vol.1, no.3, september 1995
[5] Joseph C. Palais, "Fiber optic communication", Prentice hall, 2000
[6] 손병태 외 5인 공저, “광통신 공학”, 광문각, 2000
[7] 기타 인터넷을 이용한 참고자료

키워드

광섬유,   석영,   이온첨가,   펌핑,   희토류,   Erbium,   Thulium,   스펙트럼