Путешествие из Петербурга в Москву» А.Н. Радищева (1790);pdf

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ
На правах рукописи
РЮМКИН КОНСТАНТИН ЕВГЕНЬЕВИЧ
СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ
ВИСМУТОВЫХ АКТИВНЫХ СВЕТОВОДОВ
01.04.21 - Лазерная физика
Диссертационная работа на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук
Мелькумов Михаил Александрович
Москва 2014
2
Оглавление
Основные обозначения и сокращения ................................................................ 6
Введение ................................................................................................................. 8
Глава 1. Висмутовые активные световоды ..................................................... 17
1.1.
ИК висмутовые активные центры ...................................................... 17
1.1.1. Кварцевые световоды, легированные висмутом, без
дополнительных легирующих добавок................................................................. 20
1.1.2. Германосиликатные световоды, легированные висмутом. .......... 23
1.1.3. Алюмосиликатные и фосфоросиликатные световоды,
легированные висмутом. ........................................................................................ 26
1.1.4. Физическая природа ИК висмутовых активных
центров в стеклах. ................................................................................................... 29
1.2.
Висмутовые волоконные лазеры ........................................................ 29
1.2.1. Si-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые лазеры в спектральном
диапазоне 1390-1520 нм) ........................................................................................ 30
1.2.2. P-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в
спектральном диапазоне 1270-1360 нм) ............................................................... 34
1.2.3. Al-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в
спектральном диапазоне 1140-1220 нм) ............................................................... 36
1.2.4. Ge-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в
спектральном диапазоне 1625-1775 нм) ............................................................... 38
1.3.
Импульсные лазеры ............................................................................. 41
1.3.1. Алюмосиликатные световоды. ........................................................ 41
1.3.2. Фосфоросиликатные световоды. ..................................................... 41
1.3.3. Германосиликатные световоды ....................................................... 42
1.4.
Висмутовые волоконные усилители .................................................. 42
3
1.4.1. Германосиликатные световоды. ...................................................... 43
1.4.2. Фосфоросиликатные световоды. ..................................................... 44
1.4.3. Алюмосиликатные световоды. ........................................................ 46
Глава 2. Суперлюминесцентные волоконные источники излучения .......... 48
2.1.
Введение ................................................................................................ 48
2.2.
Обзор СВИ. ........................................................................................... 49
2.2.1. Простейшие схемы СВИ .................................................................. 49
2.2.2. Сравнение характеристик двухпроходных СВИ с попутной и
встречной накачкой................................................................................................. 52
2.2.3. Температурная стабильность средневзвешенной длины волны
излучения СВИ в однопроходной конфигурации со встречной накачкой. ...... 57
2.3.
СВИ на германосиликатном световоде, легированном висмутом, со
средней длиной волны 1,44 мкм. .............................................................................. 62
2.3.1. Влияние мощности накачки на спектр и мощность
выходного сигнала .................................................................................................. 66
2.3.2. Описание установки для исследования влияния температуры .... 68
2.4.
СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом,
со средней длиной волны 1,34 мкм. ......................................................................... 73
2.4.1. Двухпроходный СВИ на фосфоросиликатном световоде,
легированном висмутом. ........................................................................................ 73
2.5.
Выводы по главе 2................................................................................ 80
Глава 3. Поглощение из возбужденного состояния ...................................... 82
3.1.
Введение ................................................................................................ 82
3.1.1. ПВС в световодах, легированных висмутом.................................. 83
3.1.2. Измерение ПВС в волоконных световодах .................................... 85
3.2.
Экспериментальная установка ............................................................ 87
4
3.3.
Поглощение из возбужденного состояния в световодах,
легированных висмутом. ........................................................................................... 90
3.3.1. Германосиликатные световоды, легированные висмутом. .......... 91
3.3.2. Фосфоросиликатные висмутовые световоды ................................ 94
3.3.3. Алюмосиликатные висмутовые световоды.................................... 95
3.4.
Выводы по главе 3.............................................................................. 108
Заключение ........................................................................................................ 110
Литература ......................................................................................................... 112
5
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю
кандидату физико-математических наук заведующему лабораторией волоконных
лазеров и усилителей Михаилу Александровичу Мелькумову, под чьим
непосредственным руководством были выполнены работы, за предложенную
тематику,
за
всестороннюю
поддержку,
обсуждение
экспериментальных
результатов и помощь при написании данной работы, а также членукорреспонденту РАН, доктору физико-математических наук И.А. Буфетову за
поддержку, постоянный интерес и внимание к работе.
Автор выражает искреннюю признательность своим коллегам А. В. Шубину
и С. В. Фирстову за помощь в проведении экспериментов, освоении сложных
измерительных приборов и плодотворном обсуждении результатов.
Также автор выражает благодарность всем сотрудникам НЦВО РАН и
ИХВВ РАН за полезные консультации, помощь в работе и дружескую поддержку.
Все исследованные висмутовые световоды и световоды, используемые в
качестве активных в СВИ, были созданы в лаборатории технологии волоконных
световодов ИХВВ РАН. Выполнение данной работы было бы не возможно без
тесного взаимодействия с ее сотрудниками: Хопиным В.Ф., Умниковым А.,
Вечкановым Н.Н. и Гурьяновым А.Н.
Автор выражает им глубокую
признательность.
Автор выражает признательность директору Научного центра волоконной
оптики РАН академику Е.М. Дианову за поддержку, постоянный интерес и
внимание к работе.
6
Основные обозначения и сокращения
Al-ВАЦ
— висмутовый активный центр, ассоциированный с
атомами алюминия
ASB световод
— алюмосиликатный световод, легированный висмутом
EDF
— световод, легированный эрбием
FWHM
— ширина спектра излучения на полувысоте
GSB световод
— германосиликатный световод, легированный висмутом
MCVD
— метод модифицированного химического парофазного
осаждения
NF
— noise figure, шум фактор
OOG
— on/off gain
PPNL
— периодически поляризованный кристалл ниобата лития
PSB световод
— фосфоросиликатный световод, легированный висмутом
P-ВАЦ
— висмутовый активный центр, ассоциированный с
атомами фосфора
Si-ВАЦ
— висмутовый активный центр, ассоциированный с
атомами кремния
АОС
— анализатор оптического спектра
АЦП
— аналогово-цифровой преобразователь
ВАЦ
— висмутовый активный центр
ВБР (FBG)
— волоконная брэгговская решетка показателя
преломления
ВКР
— вынужденное комбинационное рассеяние
7
ВОГ
— волоконно-оптический гироскоп
ВС
— волоконный световод
ГКДЦ
— германиевый кислородо-дефицитный центр
ДПВ СВИ
— двухпроходный СВИ с встречной накачкой
ДПП СВИ
— двухпроходный СВИ с попутной накачкой
ДПР (LPG)
— длиннопериодная волоконная решетка показателя
преломления
ИК
— инфракрасное излучение
КДЦ
— кислородо-дефицитный центр
КПД
— коэффициент полезного действия
ОВС
— оптический волоконный световод
ПВС
— поглощение из возбужденного состояния
ПИ
— приемник излучения
ПП
— показатель преломления
ППП
— профиль показателя преломления
СВИ
— суперлюминесцентный волоконный источник
излучения
СД
— суперлюминесцентный диод
ССО (WDM)
— спектрально-селективный волоконный ответвитель
УСИ (ASE)
— усиленное спонтанное излучение
УФ
— ультрафиолетовое излучение
8
Введение
Суперлюминесцентные волоконные источники (СВИ) находят широкое
применение во многих областях науки и техники: в волоконных оптических
гироскопах, в офтальмологии, в оптической рефлектометрии, в оптических
телекоммуникациях, в приборах, нуждающихся в сигнале с низкой временной
когерентностью при сохранении высокой пространственной когерентности.
Требования к СВИ обусловлены областью их применения. Так, для работы
точных
волоконно-оптических
гироскопов
необходимо, чтобы
ширина
выходного спектра СВИ превышала 15 нм, а выходная мощность составляла не
менее 10 мВт при достаточно высоком оптическом КПД. Кроме того, при
изменении температуры и других внешних факторов сигнал должен обладать
стабильной средневзвешенной длиной волны. Большинству этих характеристик
соответствуют
суперлюминесцентные волоконные источники, легированные
редкоземельными металлами; наиболее распространенными из них являются
эрбиевые, иттербиевые, тулиевые и неодимовые.
Разработка волоконных широкополосных источников вблизи 1,3 и 1,4 мкм
затруднена отсутствием редкоземельных элементов,
имеющих
переходы
с
высоким коэффициентом усиления в данной области. В данных диапазонах могут
использоваться полупроводниковые суперлюминесцентные лазерные диоды,
производимые практически на любую длину волны между 0,4 и 2,0 мкм. Однако
они имеют свои недостатки: ограниченная выходная мощность, низкая
температурная
стабильность
средневзвешенной
длины
волны,
заметная
модуляция спектра излучения, низкий коэффициент преобразования энергии на
больших длинах волн, а также остаточная поляризация выходного излучения.
Световоды, легированные висмутом, имеющие довольно широкие полосы
лазерных переходов и достаточно высокий коэффициент полезного действия
(КПД), представляются перспективной активной средой для создания СВИ в
новых оптических диапазонах. Дополнительным преимуществом является то, что
различные матрицы стекла позволяют получать усиление в различных диапазонах
9
длин волн: алюмосиликатная (1,1-1,22 мкм), фосфоросиликатная (1,26-1,37 мкм),
германосиликатная (1,34-1,54 мкм), силикогерманатная (1,58 – 1,78 мкм).
В
работе
впервые
разработаны,
созданы
и
исследованы
суперлюминесцентные источники на активных световодах, легированных ионами
висмута. На германосиликатном световоде, легированном ионами висмута был
разработан СВИ со средневзвешенной длиной волны выходного излучения
1441 нм. СВИ обладает КПД ~ 31%, выходная мощность составляет 83 мВт при
накачке 264 мВт. Ширина спектра на полувысоте составила 25 нм при
максимальной мощности. Температурная стабильность средневзвешенной длины
волны – 0,27 % в температурном диапазоне от -55 до +65 °С. Что не является
рекордным значением, но достаточно для многих применений. Специальных мер
по стабилизации средневзвешенной длины волны не применялось. Основные
характеристики сопоставимы с широко используемыми источниками на эрбии. На
фосфоросиликатном световоде, легированном ионами висмута был разработан
СВИ работающий в области 1,34 мкм. В двухпроходной схеме с усилителем
выходная мощность составила 48 мВт при накачке на 1240 нм. Форма спектра
близка к гауссовой кривой, на максимальной мощности ширина спектра на
полувысоте составляет 26 нм.
Разработка высокоэффективных СВИ на алюмосиликатных световодах,
легированных висмутом, затруднена по причине низкого погонного усиления при
довольно
высоком
уровне
непросветляемых
потерь.
В
то
время,
как
эффективность висмутовых лазеров на германосиликатных световодах в
настоящее
время
достигает
60%
и
более,
эффективность
лазеров
на
фосфоросиликатных световодах достигает 35%, в алюмосиликатных световодах
достигнутая эффективность составляет всего лишь 20%. Кроме того, невозможно
использовать всю ширину спектра люминесценции алюмосиликатных световодов
для усиления. Различные матрицы демонстрируют не только различные
абсолютные значения эффективности при комнатной температуре, но и
различный наклон температурной зависимости. Такое различие в эффективностях
10
и влияние температуры может быть вызвано различными факторами, а именно
наличием таких процессов, как кооперативное преобразование с повышением
частоты, кросс-релаксации, поглощение из возбужденного состояния (ПВС) и
другие.
Измерение поглощения из возбужденного состояния позволяет получать
информацию о процессах, происходящих в волоконных усилителях или лазерах.
Изменение населенности при накачке может привести к просветлению потерь
(или
даже
усилению
сигнала),
либо
при
доминировании
процессов
кооперативного преобразования с повышением частоты или поглощения из
возбужденного состояния может привести к дополнительным потерям.
Для того чтобы лучше понять природу ненасыщаемых потерь в световодах,
легированных висмутом, мы измерили спектры ПВС в световодах с различными
матрицами стекла сердцевины, в алюмосиликатных висмутовых волоконных
световодах с различной концентрацией висмутовых активных центров при
различных температурах.
Основные цели диссертационной работы
Реализация суперлюминесцентных волоконных источников оптического
излучения в областях вблизи 1.44 и 1.34 мкм на основе германо- и
фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом
Изучение
алюмосиликатных
факторов,
снижающих
световодах,
эффективность
легированных
висмутом,
устройств
не
на
позволяющих
реализовать высокоэффективные СВИ.
Проведение исследования ПВС в висмутовых активных световодах на
основе алюмосиликатных, фосфоросиликатных и германосиликатных стекол.
11
В алюмосиликатных световодах, в которых наблюдается наименьший КПД
генерации из рассматриваемых, измерить спектры ПВС в диапазоне 0,9-1,7 мкм
при различной концентрации висмутовых активных центров при комнатной
температуре и при температуре 77 К.
Научная новизна диссертационной работы
Показана возможность реализации СВИ оптического излучения в областях
1.44 и 1.34 мкм на основе германо- и фосфорогерманосиликатных световодов,
легированных висмутом
Исследовано поглощение из возбужденного состояния в активных
световодах с различными матрицами стекла сердцевины, легированных ионами
висмута.
Исследована
зависимость
ПВС
в алюмосиликатных
световодах
от
концентрации висмутовых активных центров при различных температурах.
Практическая значимость диссертационной работы
Созданы суперлюминесцентные источники на активных световодах,
легированных ионами висмута с характеристиками, сопоставимыми с широко
распространенными СВИ на редкоземельных элементах, в новых спектральных
диапазонах (1.44 и 1.34 мкм).
Созданные СВИ обладают характеристиками, позволяющими использовать
их в волоконных оптических гироскопах и других приборах.
Результаты работы, выносимые на защиту:
На одномодовом германосиликатном световоде, легированном висмутом,
создан СВИ генерирующий широкополосное излучение вблизи 1,44 мкм.
Средневзвешенная длина волны выходного излучения составила 1441 нм, ширина
спектра на полувысоте – 25 нм. СВИ обладает КПД в 31%, что сравнимо с КПД
эффективных эрбиевых СВИ с накачкой на 0,98 мкм. Выходная мощность
12
составила
83 мВт
при
накачке
264 мВт.
Температурная
стабильность
средневзвешенной длины волны оказалась на уровне 0,27 % в температурном
диапазоне от -55 до +65оС. Спектр излучения имел форму близкую к гауссовой
функции.
На одномодовом фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом,
создан
СВИ
генерирующий
широкополосное
излучение
на
1,34 мкм.
Средневзвешенная длина волны выходного излучения составила 1336 нм, ширина
спектра на полувысоте – 26 нм. Выходная мощность составила 48 мВт при
суммарной мощности накачки в первом и втором каскаде 600 мВт. Форма спектра
близка к гауссовой кривой, ширина спектра на полувысоте составила 26 нм на
максимальной мощности. Впервые был продемонстрирован СВИ, работающий в
области 1,34 мкм, с эффективностью, сопоставимой с широко используемыми
СВИ на редкоземельных элементах. Следует отметить, что это лишь одна из
возможных реализаций СВИ на висмутовом фосфоросиликатном световоде,
возможна оптимизация схемы в соответствии с требованиями к характеристикам
выходного сигнала.
Показано, что в исследованном диапазоне концентраций висмута в германои фосфоросиликатных световодах практически не наблюдается явление ПВС в
ИК полосе усиления висмутовых активных центров.
Обнаружено,
что
в
алюмосиликатных
световодах
поглощение
из
возбужденного состояния присутствует в диапазоне длин волн от 750 до 1700 нм,
монотонно возрастая от 1700 до 900 нм и затрагивая область оптического
усиления 1100-1220 нм.
Обнаружено, что ПВС нелинейно зависит от концентрации висмутовых
активных центров (ВАЦ). Зависимость ПВС от концентрации ВАЦ может быть
аппроксимирована степенной функцией с показателем 1,5-1,8 в зависимости от
длины волны. Степенная зависимость роста ПВС с ростом концентрации ВАЦ
13
целиком ответственна за снижение уровня on/off усиления и появление
затемнения при росте концентрации.
Обнаружено, что уровень ПВС снижается при понижении температуры,
снижение достигает 2х раз для световодов с низкой концентрацией ВАЦ при
температуре 77К.
Полученные результаты позволяют утверждать, что ПВС существенно
влияет на КПД лазеров и усилителей и является одним из основных механизмов
ответственных
за
снижение
КПД
при
росте
концентрации
ВАЦ
в
алюмосиликатных световодах наряду с ростом серых потерь.
Апробация работы
Результаты
исследований,
изложенные
в
диссертационной
работе,
опубликованы в четырех статьях и доложены на шести международных
конференциях: The 17th OptoElectronics and Communications Conference 2012
(Бусан, Корея), International Conference on Advanced Laser Technologies 2012 (Тун,
Швейцария), The 22nd annual International Laser Physics Workshop LASPHYS 2013
(Прага, Чехия), ICONO/LAT 2013 (Москва, Россия), Optical Fiber Communication
Conference 2014 (Washington, D.C., USA), The 23nd annual International Laser
Physics Workshop LASPHYS 2014 (София, Болгария). Результаты исследований
так же регулярно докладывались на семинарах НЦВО. На конкурсах научных
работ молодых ученых НЦВО РАН в 2013 и 2014 гг. работы получили призовые
места.
Структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка
цитируемой литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного
текста, содержит 77 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 79
наименований.
14
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и
задачи диссертационной работы, научная новизна и практическая значимость
работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора,
изложена структура диссертации.
В первой главе сделан обзор опубликованных данных на тему висмутовых
активных световодов. Описаны основные свойства ВАЦ в световодах с различной
матрицей сердцевины. Произведен обзор усилителей, непрерывных и импульсных
лазеров, созданных на световодах, легированных висмутом.
Во второй главе приведено обоснование актуальности создания висмутовых
СВИ, описание основных схем СВИ, проведено сравнение характеристик
различных схем, на основе обзора литературы сделан выбор оптимальной
конфигурации для создания СВИ на висмутовых активных световодах. Описана
методика сборки и проведения измерений характеристик СВИ, описаны основные
компоненты. Представлены результаты исследований и выводы.
В третьей главе приведено обоснование актуальности измерения ПВС в
активных
световодах,
легированных
висмутом,
приведено
описание
экспериментальной установки для проведения исследования ПВС, описаны
основные
компоненты
исследований
ПВС
оптической
в
схемы.
германосиликатных,
Представлены
результаты
фосфоросиликатных
и
алюмосиликатных световодах, результаты измерения зависимости ПВС в
алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, от концентрации ВАЦ.
В
заключении
сформулированы
основные
выводы
по
результатам
проведенных исследований.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих
работах:
Статьи
15
K. E. Riumkin, M. A. Melkumov, I. A. Bufetov, A. V Shubin, S. V Firstov, V. F.
Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Superfluorescent 1.44 μm bismuth-doped
fiber source.," Opt. Lett. 37, 4817–9 (2012).
K. E. Riumkin, M. A. Melkumov, I. A. Varfolomeev, A. V. Shubin, I. A.
Bufetov, S. V. Firstov, V. F. Khopin, A. A. Umnikov, A. N. Guryanov, and E. M.
Dianov, "Excited-state absorption in various bismuth-doped fibers," Opt. Lett. 39, 2503
(2014).
I. Bufetov, M. Melkumov, S. Firstov, K. Riumkin, A. Shubin, V. Khopin, A.
Guryanov, and E. Dianov, "Bi-Doped Optical Fibers and Fiber Lasers," IEEE J. Sel.
Top. Quantum Electron. 20, 1–15 (2014).
К. Е. Рюмкин, М. А. Мелькумов, А. В. Шубин, С. В. Фирстов, И. А.
Буфетов, В. Ф. Хопин, А. Н. Гурьянов, Е. М. Дианов, “Висмутовый
суперлюминесцентный волоконный источник на длину волны 1.34 мкм”, Квант.
электрон., 44(7), 700–702 (2014).
Конференции:
K. E. Riumkin, M. A. Melkumov, I. A. Bufetov, A. V. Shubin, S. V. Firstov, V.
F. Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Superfluorescent 1.44-μm bismuthdoped fiber source," in 2012 17th Opto-Electronics and Communications Conference
(IEEE, 2012), pp. 805–806.
M. A. Melkumov, K. E. Riumkin, I. A. Bufetov, A. V. Shubin, S. V. Firstov, V.
F. Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Broadband Superfluorescent Source
Based on Bismuth-Doped GeO2-SiO2 Fiber," ALT Proc. 1, (2012).
K.E. Riumkin, M.A. Melkumov, I.A. Varfolomeev, A.V. Shubin, I.A. Bufetov,
S.V. Firstov and E.M. Dianov, "Excited state absorption beyond 1.1 micron in bismuthdoped aluminosilicate fibers," LThC2, ICONO LAT, Moscow, Russia, (2013).
16
M.A. Melkumov, K.E. Riumkin, I.A. Varfolomeev, A.V. Shubin, I.A. Bufetov,
S.V. Firstov, V.F. Khopin, A.N. Guryanov, and E.M. Dianov, “Excited state absorption
in Bi-doped aluminosilicate fibers with different concentration of active centers,”
LPHYS’13, Prague, Czech Republic (2013).
E. M. Dianov, K. E. Riumkin, M. A. Melkumov, and I. A. Bufetov, "Excited
State Absorption in Bismuth-doped Fibers with Various Glass Compositions," in
Optical Fiber Communication Conference (OSA, 2014), p. Tu2D.5.
K.E. Riumkin, M.A. Melkumov, A.V. Shubin, S.V. Firstov, I.A. Bufetov, V.F.
Khopin, A.N. Guryanov, and E.M. Dianov, “Superfluorescent bismuth-doped fiber
source at 1.34 μm,” LPHYS’14, Sofia, Bulgaria (2014).
17
Глава 1.
Висмутовые активные световоды
1.1. ИК висмутовые активные центры
К настоящему времени были исследованы оптические свойства большого
количества висмут-содержащих стекол различного состава. Начиная с работы [1],
ИК-люминесценция в диапазоне 1-2 мкм была обнаружена и исследована в
значительном количестве таких стекол. Стекла изготавливались по различным
технологиям, в том числе и по волоконно-оптическим. В последнем случае
висмут-содержащее
стекло
представляло
собой
сердцевину
волоконного
световода. Люминесцентные свойства стекол, легированных висмутом, зависят от
состава стекла, концентрации висмута и технологии изготовления. До настоящего
времени оптическое усиление и лазерная генерация были получены только в
волоконных световодах на основе кварцевого стекла. В обзоре мы ограничимся
рассмотрением свойств только висмутовых волоконных световодов, главным
образом только таких, в которых наблюдалось реальное оптическое усиление и
лазерная генерация.
Отдельно следует остановиться на рабочих концентрациях висмута в ВС.
ИК люминесценция в ВС, легированных висмутом, обусловлена присутствием ИК
висмутовых
активных
центров
(ВАЦ).
С
одной
стороны,
появление
люминесценции вызвано, несомненно, введением в состав стекла висмута - без
него ИК люминесценция отсутствует. С другой стороны, в стеклах с высоким
содержанием трехвалентного висмута (на уровне десятков моль %) ИК
люминесценция и соответствующие полосы поглощения часто не наблюдаются
[2, 3]. Следовательно, в состав ВАЦ входят атомы висмута в состоянии, отличном
от трехвалентного. Эффективное усиление и лазерная генерация наблюдаются
только в волоконных световодах с низкой концентрацией висмута (обычно
меньше или порядка 0.1 вес %). При увеличении концентрации висмута сначала
наблюдается некоторое повышение концентрации ВАЦ (она может быть оценена
по уровню оптического поглощения в известных полосах поглощения ВАЦ [4]).
Но при дальнейшем увеличении концентрации висмута рост концентрации ВАЦ
18
происходит медленнее, чем рост уровня оптических потерь в световоде [5]. В
результате достижение оптического усиления и генерации затрудняется. В
рабочих же световодах концентрация ВАЦ составляет ~(1017-1018) см-3, как это
было оценено в [6]. Измерения квантового выхода люминесценции в
германосиликатных световодах, легированных висмутом [7] так же показали, что
квантовый выход люминесценции близок к единице в германосиликатных
световодах с низкой концентрацией ВАЦ и уменьшается с ростом концентрации.
В работе [8] были проведены детальные измерения интенсивности
люминесценции (Ilum) в зависимости от длин волн эмиссии (λem) и возбуждения
(λex) в широком спектральном диапазоне от 250 до 1700 нм для висмутовых
световодов различного состава. Состав сердцевины и метод изготовления
приведены в Таб. 1. По измеренным данным были построены контурные графики
Ilum(λex, λem ) - Рис. 1.2 - Рис. 1.8. Контурный график спектра люминесценции,
подобный, например, представленному на Рис. 1.3, построен на основании ≈140
обычных двумерных спектров люминесценции и является очень компактным
способом представления полученной информации. На таком графике наглядно
представлены как полосы люминесценции, так и спектральные области
возбуждения каждой наблюдаемой полосы.
Таб. 1 Обозначения, состав сердцевины и метод изготовления исследованных волоконных световодов
№
1
2
3
4
Обозначение
SB
GSB
ASB
PSB
Состав сердцевины *
100SiO2+Bi
5GeO2+95SiO2+Bi
3Al2O3+97SiO2+Bi
10P2O5+90SiO2+Bi
Метод изготовления
powder-in-tube [9]
MCVD
MCVD
MCVD
Концентрация висмута в сердцевинах световодов не превышала порога чувствительности нашей измерительной аппаратуры (0.02 at%)
*
19
Рис. 1.1. Спектры оптических потерь ASB, PSB, SB, и GSB световодов (снизу-вверх) [8].
Характерные спектры оптических потерь световодов, легированных
висмутом, представлены на Рис. 1.1. Измерения спектров люминесценции
проводились отдельно в диапазоне λex = (450-1700) нм и λex = (250-900) нм. В
первом диапазоне люминесценция в одномодовых и многомодовых волоконных
световодах (внешний диаметр 125 мкм) возбуждалась с помощью источника
излучения
суперконтинуума
(Fianium)
и
регистрировалась
с
помощью
спектроанализаторов НР и Ocean Optics [10]. В диапазоне λex = (250-900) нм
люминесценция сердцевин заготовок соответствующих оптических волокон
возбуждалась и измерялась с помощью флуориметра (Edinburgh Instruments) с
помощью 3х оптических приемников, работающих в различных диапазонах.
Таким образом, спектры люминесценции были получены в диапазоне 250-1700 нм
с шагом λex 10 нм. Шаг λex определяет точность измерения положения пиков
зависимости
Ilum(λex, λem ).
скорректированы с
Полученные
спектры
люминесценции
были
учетом чувствительности системы детектирования и
нормализованы по вводимой мощности накачки. Измерения производились при
комнатной температуре.
20
1.1.1. Кварцевые
световоды,
легированные
висмутом,
без
дополнительных
легирующих добавок.
Известно, что возбуждение в УФ области может сопровождаться
возникновением
люминесценции,
обусловленной
наличием
собственных
дефектов сетки стекла. Для устранения неоднозначности в определении пиков,
относящихся к ВАЦ или к собственным дефектам сетки стекла, в работе были
измерены спектры возбуждения-эмиссии люминесценции для одинаковых по
составу образцов, один из которых содержал висмут, а другой - нет. На Рис. 1.2
приведен такой график, полученный для среза заготовки чистого кварцевого
стекла
без других
легирующих
примесей. В этом случае
наблюдался
единственный пик люминесценции T2 (λex=252 нм, λem=279 нм). Появление этой
люминесценции
обусловлено
синглет-синглетным
переходом
кварцевого
кислородно-дефицитного центра (ККДЦ) [11, 12]. Люминесценция триплетсинглетного перехода ККДЦ (на длине волны около 460 нм) не наблюдалась в [8]
вследствие того, что сила осциллятора триплет-синглетного перехода в ККДЦ на
7 порядков меньше, чем синглет-синглетного перехода [11].
Рис. 1.2. Зависимость интенсивности люминесценции от длины волны люминесценции и длины волны
возбуждения для чисто кварцевой заготовки, не легированной висмутом [8].
21
На Рис. 1.3 приведен спектр возбуждения-эмиссии люминесценции в
области 240-1600 нм кварцевого световода, легированного висмутом. Измерения
трехмерного спектра возбуждения-эмиссии люминесценции в области длин волн
возбуждения 700-1600 нм проводились ранее [10]. В области длин волн
возбуждения 240-700 нм подобные измерения выполнялись на отрезке заготовки
световода SB [8]. Следует отметить, что ранее оптические свойства таких стекол и
световодов исследовались в [9, 13, 15]. Для ВАЦ, образованных в кварцевом
стекле (Si-ВАЦ), типичным является возникновение трех групп полос: А, В и С,
соответствующих люминесценции на длинах волн 1410, 830 и 600 нм (Рис. 1.3).
Использование УФ излучения для возбуждения ВАЦ позволило авторам работы
[8] установить положение ранее неизвестных пиков люминесценции. Пик T2 (Рис.
1.2) на Рис. 1.3 не наблюдается на фоне гораздо более яркой люминесценции
ВАЦ. Наблюдаются 3 пика красной люминесценции C (λex=480 нм; λem=600 нм),
С1 (350 нм; 610 нм), С2 (265 нм; 610 нм). Они, по мнению авторов работы, могут
быть отнесены к люминесценции двухвалентного висмута [10].
22
Рис. 1.3. Зависимость интенсивности люминесценции ВАЦ от длины
лины волны люминесценции и длины волны
возбуждения для SB световода [8].
Кроме красной люминесценции
инесценции наблюдались попарно расположенные на
одной горизонтальной линии пики ИК люминесценции B1(420
1(420 нм; 830 нм) и
A2(420 нм; 1410 нм); B2(375
2(375 нм; 830 нм) и A3(375 нм; 1410 нм);
нм B3(≈240 нм;
830 нм) и A4(≈240 нм;; 1410 нм). Красная люминесценция имеет спектр
спе
возбуждения, отличный от спектра возбуждения ИК люминесценции,
люминесценции что
указывает на то, что она не принадлежит ВАЦ.. Пики люминесценции серий А и В
принадлежат ВАЦ,, и по их положению авторами [10] была построена схема
23
энергетических уровней Si-ВАЦ, представленная на Рис. 1.4a. Измеренное время
жизни уровня SE1 составило 600 мкс, уровня SE2 – 40 мкс.
Рис. 1.4. Схемы энергетических уровней Si-ВАЦ (а) и Ge-ВАЦ (б) [10].
Следует отметить, что справедливость схемы уровней Si-ВАЦ на Рис. 1.4а
(а также схемы уровней Ge-ВАЦ на Рис. 1.4б) подтверждается экспериментами по
двухступенчатому возбуждению люминесценции [16].
1.1.2. Германосиликатные световоды, легированные висмутом.
Возбуждение УФ излучением германосиликатного стекла без висмута
приводит к появлению интенсивной синей люминесценции, более чем на порядок
превышающую по интенсивности люминесценцию кремниевых КДЦ (Рис. 1.2)
[8]. Синее свечение таких стекол, легко наблюдаемое невооруженным глазом,
связано с присутствием германиевых кислородо-дефицитных центров (ГКДЦ).
Типичный спектр Ilum(λex, λem ) люминесценции ГКДЦ представлен на Рис. 1.5.
Люминесценция ГКДЦ характеризуется тремя интенсивными максимумами,
обозначенными на Рис. 1.5 как T (330 нм, 380 нм), T1 (245 нм, 380 нм), T2
(255 нм, 280 нм). Структура и оптические свойства ГКДЦ изучены достаточно
подробно во многих работах, например, [17, 11], откуда следует, что пики
люминесценции T и T1 обусловлены триплет-синглетными переходами, а T2 –
синглет-синглетным переходом ГКДЦ. Интенсивность люминесценции в пиках
24
T2 и T1 была сравнима и примерно в три раза превосходила интенсивность
люминесценции в пике T.
Рис. 1.5. Зависимость интенсивности люминесценции от длины волны люминесценции и длины волны
возбуждения для германосиликатной заготовки, не легированной висмутом, при T=300 K [8].
Спектр
люминесценции
Ilum(λex,
λem )
легированного
висмутом
германосиликатного стекла (GSB) представлен на Рис. 1.6. Он содержит гораздо
большее число полос люминесценции, чем SB (Рис. 1.4).
1) Здесь присутствуют все пики люминесценции "кремниевых" активных
центров Si-ВАЦ (серии A и B). Это может показаться логичным, поскольку
световод GSB состоит в основном из SiO2.
2) В [10] было показано, что в световоде с германатной сердцевиной,
легированной висмутом, наблюдается система пяти пиков люминесценции
висмутовых активных центров, ассоциируемых с германием (Ge-ВАЦ), подобная
системе пиков Si-ВАЦ (A, A1, A2, B, B1). На Рис. 1.6 видны не наблюдавшиеся
ранее пики люминесценции BG2, BG3, и AG3, которые, судя по положению полос
люминесценции, также принадлежат Ge-ВАЦ. На Рис. 1.6 также приблизительно
нанесено положение пика AG4, определенное в дополнительных экспериментах
по измерению спектров возбуждения на lem=1650 нм. Следует отметить, что
25
мощная линия поглощения и полосы люминесценции на 280 и 380 нм ГКДЦ в
GSB световоде [17] могут приводить к смещению наблюдаемого положения
пиков люминесценции по оси λex. В частности, явно наблюдается смещение λex
максимума B3 для световода GSB на 30 нм в длинноволновую сторону по
сравнению с аналогичным пиком B3 в чисто кварцевом световоде SB (c 240 нм
для SB до 270 нм для GSB).
Рис. 1.6. Зависимость интенсивности люминесценции ВАЦ от длины волны люминесценции и длины волны
возбуждения для GSB световода T=300 K [8].
3) На спектре люминесценции GSB световода наблюдается серия пиков
красной люминесценции С (С, С1 и С2), как и для SB световода, которые
относятся к люминесценции двухвалентного висмута. Только в случае GSB их
26
относительная интенсивность существенно ниже. Как полагают авторы [8] это
объясняется
тем,
что
при
увеличении
концентрации
оксида
германия
концентрация двухвалентного висмута снижается. Тем более что в световоде с
чисто германатной сердцевиной эта красная люминесценция не наблюдается [10].
4) И, наконец, на Рис. 1.6 также наблюдаются три пика (серия Т),
соответствующих люминесценции ГКДЦ (как и на Рис. 1.5).
Полученные таким образом данные позволили авторам представить схему
энергетических уровней Ge-ВАЦ, показанную на Рис. 1.4б, которая подобна
схеме уровней центра Si-ВАЦ (Рис. 1.4а).
1.1.3. Алюмосиликатные
и
фосфоросиликатные
световоды,
легированные
висмутом.
При добавлении других легирующих добавок в сердцевину стекла, таких
как оксиды алюминия или фосфора, картина люминесценции световодов,
легированных висмутом, качественно изменяется. 3-х мерные контуры спектров
люминесценции ASB и PSB световодов показаны на Рис. 1.7 и Рис. 1.8 (см.
работы [8,10]).
За люминесценцию в этих световодах ответственны ВАЦ со свойствами,
существенно отличными от Si-ВАЦ и Ge-ВАЦ. Обозначим их как Al-ВАЦ и PВАЦ соответственно. Эти ВАЦ имеют более яркую зависимость спектра
люминесценции
от
длины
волны
возбуждения
для
некоторых
полос
люминесценции (например, пики G и G2 для ASB световода, Рис. 1.8, и I3 и I2 для
PSB световода, Рис. 1.7): эти полосы выглядят в виде эллипсов, наклоненных
относительно оси абсцисс. Такое поведение полос люминесценции было
обнаружено ранее в некоторых стеклах и световодах, легированных висмутом [18,
19].
Спектры возбуждения люминесценции пика С′ в ASB световодах (Рис. 1.8)
и люминесценции пика C в PSB световодах (Рис. 1.7) похожи на спектры
27
возбуждения пика C в SB световодах и в кристаллах,
ах, легированных
легированн
Bi2+ [10].
Таким образом, можно сделать вывод о том, что пики С′ и C′′ в ASB
A световодах и
пики C и C1 в PSB-световодах
световодах также связаны с ионами Bi2+.
Рис. 1.7. Зависимость интенсивности люминесценции ВАЦ от длины
лины волны люминесценции и длины волны
возбуждения
озбуждения для PSB световода при T=300 K [8].
Полоса люминесценции B в ASB световоде при комнатной температуре
(Рис. 1.8)) представляет собой наложение нескольких полос. На основе измерений
измер
при 77К, из этой суперпозиции могут быть выделены пики B и F [10
10].
Пик B в ASB световоде (Рис. 1.8) и пики B, B1, B2, и B3
3 в PSB- световоде
(Рис. 1.7),
), длины волн которых близки к одноименны
одноименным пикам
пик
на Рис. 1.3
свидетельствуют о присутствии Si-ВАЦ в этих световодах.
28
Рис. 1.8. Зависимость
ь интенсивности люминесценции ВАЦ от длины
лины волны люминесценции и длины волны
возбуждения для ASB световода при T=300 K [8].
Спектры возбуждения
возбуждения-излучения ASB и PSB световодов не позволяют
легко построить схему энергетических ууровней ВАЦ,, как это было сделано для
SB и GB световодов (Рис. 1..4). Значительные
начительные сдвиги Стокса большинства
большинств линий
свидетельствуют о существенном влиянии электрон
электрон-фононного
фононного взаимодействия.
Лазерная генерация в P
PSB световодах наблюдалась
лась только в полосе
люминесценции I (Рис. 1.7).
). В полосе длин волн около 1300 нм наблюдается
одноэкспоненциальный распад люминесценции со временем жизни τ≈700 мкс
29
[20]. Времена распада люминесценции на других длинах волн значительно
короче.
Лазерная генерация в ASB световодах наблюдалась только в полосе
люминесценции G (Рис. 1.8). Здесь также наблюдается одноэкспоненциальный
распад люминесценции со временем жизни τ≈850 мкс. Времена жизни
люминесценции на других длинах волн, как и в случае PSB, значительно короче.
Генерация при накачке на длинах волн около 700 нм (полоса G1) и около 500 нм
(полоса G2) до настоящего времени не наблюдалась.
1.1.4. Физическая природа ИК висмутовых активных центров в стеклах.
Был предложен ряд моделей ВАЦ [21-29]. Но, как правило, каждая из этих
моделей объясняет не все, а только некоторые свойства ВАЦ. С нашей точки
зрения,
наиболее
логичный
подход
к
решению
этой
задачи
был
продемонстрирован в [30]. По результатам моделирования ВАЦ в SB и GB
стеклах, с учетом предположения об общности происхождения ВАЦ, отвечающих
за ИК люминесценции в кварцевых и германатных стеклах, в работе было
предложено, что ионы висмута, отвечающие за ближнюю ИК люминесценцию в
Bi:SiO2 и Bi:GeO2 стеклах в основном представлены в виде комплексов
Bi0⋅⋅⋅≡Si-Si≡ и Bi0⋅⋅⋅≡Ge-Ge≡, образованных внедренными атомами висмута и
собственными дефектами стекла, кислородными вакансиями ≡Si-Si≡ и ≡Ge-Ge≡.
1.2. Висмутовые волоконные лазеры
Как
было
показано
выше,
спектры
люминесценции
световодов,
легированных висмутом, зависят от состава стекла сердцевины. Исторически
сложилось так, что первые висмутовые волоконные лазеры были разработаны на
алюмосиликатных световодах (Al-ВАЦ). Таким образом, наибольшее количество
публикаций было посвящено изучению этого типа лазеров. Тем не менее, в
скором времени лазерная генерация была получена на кварцевых (Si-ВАЦ),
германосиликатных
(также
Si-ВАЦ),
фосфоросиликатных
(P-ВАЦ),
и
30
германофосфоросиликатных (Si-ВАЦ вместе с Р-ВАЦ) световодах, легированных
висмутом, на других длинах волн. Кроме того, лазеры на основе этих волокон
демонстрируют более высокую эффективность по сравнению с лазерами на
алюмосиликатных световодах.
1.2.1. Si-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые лазеры в спектральном диапазоне
1390-1520 нм)
Генерация в диапазоне от 1,4 до 1,5 мкм в световодах, легированных
висмутом, была получена на переходе между энергетическими уровнями ИК
висмутовых активных центров, связанных с SiO2 SE1⇒SE0 (Рис. 1.4). Впервые
генерация и усиление на основе этого перехода были достигнуты в
фосфорогерманосиликатных световодах [31,32], а затем в алюмосиликатных [33]
и в чистом кварцевом световоде [34]. Следует отметить, что атомы P, Ge, и Al не
участвуют в формировании висмутовых активных центров с люминесценцией на
1,4 мкм. Эта полоса наиболее ярко выражена в кварцевых световодах,
легированных висмутом, свободных от других примесей [9, 13, 34, 35].
Как можно заключить из сравнения Рис. 1.3 и Рис. 1.6, легирование SB
световода небольшим количеством GeO2 не влияет на структуру пиков
люминесценции, связанных с Si-ВАЦ, и практически не изменяет ее время жизни.
Однако, возникают дополнительные пики люминесценции низкой интенсивности,
которые обусловлены Ge-ВАЦ. Серые потери в германосиликатных световодах,
легированных висмутом, оказываются существенно ниже, чем в случае чисто
кварцевых световодов, легированных висмутом. Причина такого улучшения не
ясна до сих пор. Поэтому для разработки эффективных лазеров высокой
мощности
в
диапазоне
длин
волн
(1400-1500) нм
используются
германосиликатные световоды, легированные висмутом (~5 моль % GeO2) [36].
Схема лазера на Si-ВАЦ приведена на Рис. 1.9. Низкая концентрация
висмута в сердцевине активного световода не позволяет использовать накачку по
оболочке, поэтому накачка осуществлялась в сердцевину активного световода. В
качестве источника накачки использовался однокаскадный рамановский (ВКР)
31
лазер, работающий на 1340 нм, который в свою очередь накачивался с помощью
иттербиевого лазера на 1137 нм. На выходе рамановского лазера мощность
излучения составляла 43 Вт. Резонатор висмутового лазера состоял из активного
световода длиной 93 м и брэгговской решетки с коэффициентом отражения
примерно 100%. Выходным зеркалом лазера служил сколотый торец активного
световода.
Рис. 1.9. Схема 20 Вт висмутового волоконного лазера, работающего на длине волны 1460 нм [36].
Зависимость выходной мощности висмутового лазера от введенной
мощности накачки приведена на Рис. 1.10. Дифференциальная эффективность
такого лазера составляла 58 % при мощности накачки менее 15 Вт. С ростом
уровня накачки данная зависимость отклонялась от линейной, что связано, по
мнению авторов, с нагревом световода и с нелинейными процессами (спектр
генерации лазера уширялся с увеличением выходной мощности). Тем не менее,
оптический КПД висмутового лазера составил 50 %. Максимальная выходная
мощность лазера достигала 21.8 Вт. В процессе экспериментов никакие
специальные меры для охлаждения лазерного световода не принимались. На Рис.
1.10б изображен спектр излучения при выходной мощности ~ 20 Вт
32
Рис. 1.10. a) График зависимости выходной мощности на 1460 нм от введенной мощности накачки в 1340 нм
для висмутового волоконного лазера. б) Выходной спектр висмутового волоконного лазера[36].
Следует отметить, что с использованием фосфорогерманосиликатного
световода, легированного висмутом, была получена лазерная генерация на
1550 нм [37]. Длина волны накачки - 925 нм, пороговая мощность накачки
~ 200 мВт. Судя по всему, это может быть объяснено генерацией на Ge-ВАЦ.
Только эти активные центры имеют широкую полосу люминесценции на 1650 нм
(с плечом до 1550 нм) с полосой возбуждения на ~ 930 нм (см. Рис. 1.4).
Влияние температуры на КПД
Влияние температуры на КПД лазера важно не только с практической точки
зрения, но может дать полезную информацию о процессах, происходящих в
активных центрах. Зависимости КПД от температуры для GeO2-SiO2, GeO2-P2O5SiO2 [38] и Al2O3-SiO2 [39] световодов, легированных висмутом, показаны на Рис.
1.11. Видно, что эффективность в GeO2-SiO2 значительно выше, чем в других
составах световодов. Еще более интересным является факт, что наклон
зависимостей различен и в случае GeO2-SiO2 световодов зависимость КПД от
температуры выражена очень слабо по сравнению с другими составами
световодов.
33
Рис. 1.11. Зависимость КПД лазеров от температуры для различных составов сердцевины световодов[36].
Очевидно, что такая зависимость эффективности от температуры требует
детального исследования, что и было проделано в настоящей работе (см. Главу 3).
Генерация на различных длинах волн
Одним из важных свойств висмутовых световодов, привлекающих к ним
большое внимание, являются широкие полосы люминесценции и усиления
висмута
в
ближнем
ИК
диапазоне,
что
дает
возможность
создавать
широкополосные источники света и лазеры с большой перестройкой по длине
волны. Возможность широкой перестройки висмутовых волоконных лазеров на
световодах разного состава исследовалась в нескольких работах. Так, например, в
работе [36] исследовалась перестройка лазера на световоде с сердцевиной,
легированной GeO2-SiO2. Для получения генерации на различных длинах волн
использовалось несколько пар ВБР от 1389 до 1538 нм. Каждая пара состояла из
ВБР с отражательной способностью ~ 100% и ВБР с отражательной способностью
20%, 4%, 20% и 32% на 1389, 1480, 1500, и 1538, соответственно. Пары ВБР
сваривались с активным световодом. Длина световода не изменялась. Длина
волны
накачки
составляла
1340
нм.
Зависимости
эффективности
и
34
дифференциальной эффективности лазеров от введенной мощности накачки
показаны на Рис. 1.12. Также на рисунок нанесен спектр усиления этого
световода, полученный ранее [40]. Для предотвращения генерации в пике
усиления (~ 1430 нм) при работе на 1390, 1500 и 1538 нм, торцы световодов были
сколоты под углом. Максимальная эффективность генерации на световоде длиной
95 м приходится на длины волн между 1480 и 1500 нм. Снижение эффективности
на 1389 нм в основном связано с пиком поглощения воды на 1385 мкм.
Максимальные полученные выходные мощности составили 2,2 Вт на 1390 нм,
8 Вт на 1480 нм, 4 Вт на 1500 нм и 1,6 Вт на 1538 нм.
Рис. 1.12. Зависимость наклонной эффективности (1) и эффективности преобразования мощности (2) от
длины волны генерации, и спектр усиления (3) для Si-ВАС волоконных лазеров[36].
Таким образом, дополнительное легирование германием сердцевины SB
световодов позволяет более эффективно использовать висмутовые активные
центры, связанные с кремнием, для получения ИК излучения за счет улучшения
оптических характеристик стекла. На одном GSB световоде, изменяя длины волн
ВБР, можно получить эффективную генерацию в диапазоне 1389 - 1538 нм.
1.2.2. P-ВАЦ волоконные лазеры (Висмутовые волоконные лазеры в спектральном
диапазоне 1270-1360 нм)
Как
и
Si-ВАЦ,
фосфоросиликатных
P-ВАЦ
световодах,
демонстрируют
дополнительно
лучшие
характеристики
легированных
в
небольшим
количеством оксида германия [20]. Используя накачку на длине волны 1230 нм,
35
была получена генерация на длинах волн 1270 [41], 1280, 1330, 1340, и 1360 нм
[38] на одном германофосфоросиликатном волоконном световоде. Длина волны
генерации определялась соответствующими брэгговскими решетками.
Оптическая схема всех лазеров подобна представленной на Рис. 1.9.
Висмутовые волоконные лазеры на основе PGSB световодов демонстрируют
температурную зависимость КПД аналогичную зависимости лазерам на ASB
световодах (см. Рис. 1.11). По этой причине во всех экспериментах, световоды
были перемотаны на катушку с высокой теплоемкостью, с регулируемой
температурой, обеспечивающей хороший тепловой контакт со световодом. Эта
катушка помещалась в термостатическую камеру. Все описанные здесь
результаты были получены при комнатной температуре.
Порог мощности накачки у всех лазеров составлял порядка 100 мВт.
Максимальные выходные мощности составляли 7 Вт на 1270 нм, 9 Вт на 1280 нм,
10,6 Вт на 1330 нм, 8,8 Вт на 1340 нм и 5,2 Вт на 1360 нм. Эффективность лазеров
на различных длинах волн иллюстрируется на Рис. 1.13.
Во всех этих лазерах накачка на 1230 нм осуществляется на тот же
энергетический уровень P-ВАЦ, переходы с которого в основное состояние и
обеспечивают
генерацию
(соответствует
области
эмиссии-возбуждения
люминесценции I на Рис. 1.7). Но возможна в принципе и накачка на более
высокий уровень (область I2 на Рис. 1.7). И действительно, в [32] наблюдалась
генерация на длине волны 1320 нм при накачке на длине волны 808 нм (пороговая
мощность 200 мВт).
36
Рис. 1.13. Значения КПД P-ВАЦ волоконных лазеров при различных длинах волн генерации [38, 41].
1 - RВР=0.5 и 2- RВР =0.035, по отношению к поглощенной мощности накачки; 3- RВР =0.5 и 4- RВР =0.035, по
отношению к введенной мощности накачки.
Таким образом, волоконные лазеры на P-ВАЦ работают в диапазоне от 1270
до 1360 нм с эффективностью до 35% при комнатной температуре. Снижение
температуры световода ведет к повышению КПД лазера.
1.2.3. Al-ВАЦ
волоконные
лазеры
(Висмутовые
волоконные
лазеры
в
спектральном диапазоне 1140-1220 нм)
Первый
висмутовый
алюмосиликатного
Непрерывная
волоконный
оптического
лазерная
лазер
световода,
генерация
с
был
создан
легированного
достаточно
на
висмутом
высокой
основе
[42].
наклонной
эффективностью 10 и 14% была получена на 1146 и 1215 нм соответственно. В
качестве источника накачки использовался Nd:YAG лазер с длиной волны
генерации 1064 нм. Параметры световода и конструкция лазера не были
оптимизированы, и полученные результаты не достигли максимальных значений.
Однако это было первым подтверждением целесообразности использования
световодов, легированных висмутом, в качестве активной лазерной среды. После
этого был разработан ряд висмутовых волоконных лазеров на основе Al-ВАЦ,
среди них мощные непрерывные лазеры [43, 44, 39,6], висмутовые волоконные
лазеры с удвоением частоты [39, 46-48].
37
Непрерывные висмутовые волоконные лазеры в широком диапазоне длин
волн генерации и мощностей накачки были исследованы в [39]. В качестве
активной среды использовались одномодовые ASB световоды с длиной волны
отсечки 1,1 мкм (те же самые световоды были использованы в [42]). Диаметр поля
моды на 1,1 мкм составлял 6,8 мкм. Концентрация Bi в алюмосиликатной
сердцевине не превышала 2⋅10-2 ат.%. Оптические потери на длине волны около
1300 нм были менее 10 дБ/км. Поглощение излучения накачки составляло
0,29 дБ/м на 1070 нм и 0,26 дБ/м на 1085 нм. Длина световода L = (50-80) м была
подобрана для эффективного поглощения излучения накачки.
Схема непрерывных волоконных лазеров на ASB световодах аналогична
показанной на Рис. 1.9. Главное отличие в том, что в данном случае в качестве
источника накачки использовался Yb волоконный лазер с выходной мощностью
80 Вт на 1070 нм. В некоторых экспериментах использовался лазер с меньшей
мощностью на 1085 нм. Излучение накачки вводилось в сердцевину активного
световода. Резонатор лазера был образован двумя волоконными брэгговскими
решетками (ВБР). ВБР были записаны в специальных светочувствительных
световодах, легированных германием, а затем сварены с активным световодом. В
большинстве экспериментов выходная решетка имела коэффициент отражения R
= 50%. Ширина спектра ВБР составляет ~ 1 нм. Для разделения накачки и
излучения лазера на выходе использовалась диспергирующая призма.
Порог мощности накачки для всех Al-ВАЦ лазеров составил порядка
100 мВт. Максимальные полученные выходные мощности составляли 13 Вт на
1150 нм, 15 Вт на 1160 нм, 5,5 Вт на 1200 нм, 4,5 Вт на 1215 нм [39].
На Рис. 1.14 показаны зависимости непоглощенной мощности накачки Pup и
мощности лазерного излучения PBi от введенной мощности накачки (Pin) для
четырех висмутовых лазеров.
38
Рис. 1.14. Зависимости выходной мощности лазеров (при комнатной температуре) от введенной мощности
накачки (λp≈1070 нм) для разных длин волн генерации. η - средняя дифференциальная эффективность (a, b
и c) и дифференциальная эффективность по отношению к поглощенной мощности накачки при мощности
накачки менее 15 Вт (d) [39].
Максимальная эффективность висмутовых лазеров на 1150 и 1160 нм
составляет 19% и 21%, соответственно.
В [39] эффективный висмутовый лазер на 1160 нм был использован, для
демонстрации
возможности
генерации
желтого
света
с
использованием
частотного удвоения непрерывного излучения периодически поляризованным
кристаллом
ниобата
лития
(PPNL).
Максимальная
мощность
желтого
непрерывного излучения, полученная в этих экспериментах, составила 300 мВт.
Аналогичные эксперименты были выполнены в [47]. Предполагается, что
полученные результаты могут быть значительно улучшены путем создания
висмутового лазера с линейной поляризацией выходного излучения и узкой
шириной линии.
1.2.4. Ge-ВАЦ
волоконные
лазеры
(Висмутовые
волоконные
лазеры
в
спектральном диапазоне 1625-1775 нм)
Германосиликатные световоды, легированные висмутом, использовались в
качестве активной среды для создания висмутовых лазеров в спектральном
диапазоне 1625-1775 нм [49]. Лазеры были сконструированы по обычной
линейной схеме с резонатором, состоящим из отрезка активного световода и
39
волоконных брэгговских решёток, которыми определялась длина волны лазерной
генерации (λLas). Для получения генерации на длинах волн 1625 нм и 1775 нм
использовалась пара брэгговских решеток с коэффициентом отражения близким к
100%. В случае длин волн генерации 1688, 1703, 1735 нм выходным зеркалом
служил торец активного световода. В экспериментах по лазерной генерации
источниками накачки были висмутовый волоконный лазер (Si-ВАЦ), работающий
на длине волны 1460 нм, и Er-Yb волоконный лазер с длиной волны генерации
1568 нм. Излучение накачки вводилось в сердцевину активного световода. Длина
активного световода варьировалась в диапазоне 15-20 м. Все измерения
проводились при комнатной температуре.
Рис. 1.15 Зависимость мощности излучения висмутового лазера на длине волны 1703 нм от мощности
вводимой накачки [49].
В результате была получена лазерная генерация на длинах волн λLas = 1625,
1688, 1703, 1735, 1775 нм при λp = 1460 нм. Пороговое значение мощности
накачки составила около 40 мВт. Зависимость выходной мощности на длине
волны λLas = 1703 нм от вводимой мощности накачки на длине волны λp = 1460 нм
представлена на Рис. 1.15. Дифференциальный КПД лазера не превосходил 1.5%.
По-видимому, низкое значение КПД при λp = 1460 нм обусловлено высоким
уровнем поглощения накачки ВАЦ, ассоциированных с SiO2, которые не вносят
вклад в лазерную генерацию в области 1700 нм. Для повышения КПД
40
висмутового лазера было предложено использовать в качестве накачки излучение
с длиной волны более чем 1460 нм, в частности излучение λp=1568 нм Er-Yb
волоконного лазера. В результате дифференциальный КПД висмутового лазера на
длине волны 1703 нм стал выше и составил 6% (Рис. 1.15). Максимальное
значение выходной мощности на длине волны λLas = 1703 нм составило 150 мВт.
Такой же КПД был получен для висмутового лазера с λLas = 1735 нм. Позднее,
после оптимизации световода КПД генерации в области 1,7 мкм был повышен до
20% [50].
На Рис. 1.16 показан спектр оптического усиления и отмечены длины волн,
на которых была получена лазерная генерация. Ширина (по полувысоте) полосы
усиления
разработанного
волоконного
германосиликатного
световода,
легированного висмутом, составила 150 нм.
Рис. 1.16 Спектр полного оптического усиления GSB световода. Стрелки и серые кружки показывают
длины волн накачки (λp) и полученной генерации (λLas) соответственно [49].
Таким образом, германосиликатные световоды, легированные висмутом,
являются перспективной активной средой для лазеров и усилителей, работающих
в спектральном диапазоне 1625-1775 нм, что подтверждается полученными
результатами по демонстрации лазерной генерации на длинах волн 1625, 1688,
1703, 1735 и 1775 нм.
41
1.3. Импульсные лазеры
В настоящее время продемонстрированы импульсные волоконные лазеры,
работающие на трех лазерных висмутовых активных центрах: Al-ВАЦ, P-ВАЦ и
Si-ВАЦ. И если импульсные лазеры на Al-ВАЦ уже исследовались в
значительном количестве работ [51, 52, 53, 54, 55, 56], то по лазерам на P-ВАЦ и
Si-ВАЦ только появились первые результаты [57, 58]. Кроме того, было
предложено использовать легированные висмутом алюмосиликатные световоды в
качестве насыщающегося поглотителя для модуляции добротности резонатора
иттербиевого волоконного лазера [59].
1.3.1. Алюмосиликатные световоды.
Режим синхронизации мод в висмутовом лазере впервые был достигнут в
2007 году [51]. Стабильные 50 пс лазерные импульсы с частотой повторения
13 МГц со средней мощностью 2 мВт были получены на длине волны 1161,6 нм.
В течение следующих трех лет на Al-ВАЦ были разработаны солитонные
волоконные лазеры. Были получены лазеры с длительностью импульса ≈ 1 пс с
частотой повторения 7,5 МГц на длинах волн от 1153 до 1170 нм [52, 55]. Режим
генерации коротких импульсов был осуществлен с помощью полупроводникового
насыщающегося поглотителя SESAM. Солитонный режим был достигнут с
помощью тщательного управления дисперсией с помощью пары дифракционных
решеток, работающих в режиме пропускания и за счет улучшения параметров
висмутовых световодов, позволивших уменьшить длину резонатора.
1.3.2. Фосфоросиликатные световоды.
Первый
висмутовый
волоконный
лазер
на
P-ВАЦ
(1.32 мкм)
с
синхронизацией мод, работающий в режимах аномальной и нормальной
дисперсии групповых скоростей, был продемонстрирован в работе [57]. При
аномальной
достигающейся
внутрирезонаторной
за
счет
дисперсии
использования
13 нм/см
групповых
скоростей,
линейно-чирпированной
волоконной брэгговской решетки, была получена лазерная генерация солитонов с
длительностью 2,51 пс в многоимпульсном режиме. С нормальной дисперсией
42
резонатора, был получен солитонный режим работы с более высокой мощностью,
превышающей мощность фундаментального солитона, в одноимпульсном
режиме.
1.3.3. Германосиликатные световоды
Лазер с модуляцией добротности на германосиликатном световоде,
легированном висмутом, работающий на 1463 нм был продемонстрирован в [58].
Оказалось, что в области низких мощностей накачки (190-260 мВт на длине
волны 1310 нм) реализуется генерация в режиме самомодуляции добротности на
длине волны 1430 нм. Экспериментально было показано, что стабильные
импульсы длительностью (1.8-5) мкс при частоте повторения ~ (40-65) кГц можно
получить
в
резонаторе
Фабри-Перо
без
использования
насыщающегося
поглотителя. Было установлено, что длительность и частота повторения
импульсов зависит от мощности накачки.
Физический механизм явления собственной модуляции добротности в
германосиликатных световодах, легированных висмутом, до сих пор не изучен
полностью и нуждается в дальнейшем исследовании.
1.4. Висмутовые волоконные усилители
Оптические световоды, легированные висмутом, могут служить активной
средой для волоконных усилителей в диапазоне длин волн от 1150 до 1775 нм.
Как и в случае лазеров, диапазон рабочих длин волн висмутовых волоконных
усилителей определяется составом сердцевины световода. ASB световоды
(Al-ВАЦ) демонстрируют оптическое усиление в коротковолновом диапазоне от
1150 до 1220 нм, фосфоросиликатные (P-ВАЦ) — в диапазоне 1270-1360 нм,
германосиликатные
(Si-ВАЦ)
—
в
диапазоне
от
1390
до
1520 нм,
силикогерманатные (Ge-ВАЦ) — в диапазоне от 1625 до 1775 нм. Разумеется,
наилучшие
результаты
демонстрируют
усилители,
максимумов соответствующих полос усиления.
работающие
вблизи
43
1.4.1. Германосиликатные световоды.
До настоящего времени наилучшие параметры были продемонстрированы
усилителем на Si-ВАЦ активных центрах в германосиликатных световодах,
легированных висмутом.
В [40] сообщалось о разработке висмутового волоконного усилителя, на
германосиликатном
световоде,
легированном
висмутом,
для
E-диапазона
прозрачности стандартных кварцевых световодов.
Рис. 1.17. Спектр усиления и шум-фактор висмутового волоконного усилителя на Si-ВАЦ при Pp = 65 мВт,
λр = 1310 нм [40].
На Рис. 1.17 показаны спектр усиления и шум фактор (NF) усилителя с
накачкой лазерным диодом на λ = 1310 нм. Мощность накачки составляла около
65 мВт. Непоглощенная мощность при этом составляла ~ 20 мВт. Пик усиления
достигал 24 дБ на 1427 нм, полоса усиления по уровню 3 дБ ∆λ= 36 нм, величина
шум фактора NF ≈ 6 дБ. Фильтры для сглаживания спектров усиления не
использовались.
Как показано на Рис. 1.17 положительное усиление наблюдалось в
диапазоне длин волн 1350 - 1550 нм, таким образом, покрывая целиком E- и Sдиапазоны.
Максимальное
усиление
34 дБ было
получено
для
сигнала
λs = 1427 нм при мощности накачки 180 мВт. Дальнейший рост усиления был
44
ограничен возникновением лазерной генерации в усилителе из-за недостаточного
подавления обратной оптической связи.
На Рис. 1.18 изображен график зависимости усиления от мощности накачки
вблизи пика усиления. Мощность сигнала на входе была Ps_in < -20 дБм.
Максимальный коэффициент эффективности накачки G = 0,4 дБ/мВт. Значение G
на порядок ниже, чем для типичных Er-волоконных усилителей, но на порядок
выше, чем у рамановских волоконных усилителей и в 2-4 раза выше, чем у Tm
волоконных усилителей на флюоридных световодах усиливающих вблизи
1,48 мкм. Ожидается, что соответствующая оптимизация параметров световода
позволит увеличить коэффициент усиления по отношению к мощности накачки в
2-4 раза. В работе показано, что коэффициент усиления в усилителе на Si-ВАЦ
практически не зависит от температуры в диапазоне (-70 - +70) оС.
Рис. 1.18. Зависимость усиления от мощности введенной накачки для: 1- Si-ВАЦ усилителя при λs = 1427 нм
и λp = 1320 нм; 2-P-ВАЦ усилителя при λs = 1318 нм и λp = 1230 нм [38].
1.4.2. Фосфоросиликатные световоды.
Как и в случае с лазерами, P-ВАЦ лучше усиливают оптическое излучение в
фосфоросиликатных
световодах,
дополнительно
легированных
небольшим
количеством оксида германия [20]. В [60, 38] такие световоды тестировались в
качестве усилителей. Источником излучения накачки усилителя служил
45
волоконный ВКР-лазер с длиной волны генерации 1230 нм и выходной
мощностью до 500 мВт в непрерывном режиме. В качестве источников сигнала
использовался широкополосный суперлюминесцентный источник с максимумом
вблизи 1.31 мкм. Длина активного световода составляла 200 м.
На Рис. 1.19 представлены спектр усиления висмутового волоконного
усилителя при мощности накачки 460 мВт на длине волны λp = 1230 нм и шумфактор (NF) данного усилителя, рассчитанный по измеренным значениям
усиленной спонтанной люминесценции и сигнала на выходе усилителя.
Минимальный шум-фактор данного усилителя составил ~ 5 дБ.
Рис. 1.19 Спектр усиления G и шум-фактор NF висмутового волоконного усилителя при Pp = 460 мВт,
λр = 1230 нм [38].
Положительный коэффициент усиления наблюдался в диапазоне длин волн
сигнала λs = 1283 — 1372 нм. Пик усиления находился на длине волны
λмакс = 1321 нм и достигал 24.5 дБ. Ширина полосы усиления по уровню 3 дБ —
Δλ 0.5 = 37 нм.
На Рис. 1.18 показана зависимость усиления вблизи его пика от мощности
накачки Pp. Максимальная эффективность усиления gmax определяется наклоном
штриховой
линии,
проходящей
через
начало
координат,
и
составляет
~0.09 дБ/мВт. Отметим, что приведенные результаты получены при комнатной
46
температуре, при понижении температуры параметры усиления улучшатся (см.
Рис. 1.11).
Возможность получения лазерной генерации c длиной волны 1320 нм при
накачке фосфорогерманосиликатного световода, легированного висмутом, в более
коротковолновую
полосу
возбуждения
на
длине
волны
808 нм
была
продемонстрирована в [32]. В работе [61] была исследована возможность
усиления оптического излучения в аналогичном световоде на длине волны
1310 нм и накачке на 810 нм. Наблюдался on/off gain около 2 дБ при накачке
около 350 мВт. Сравнение результатов, полученных в [32, 61] и [38, 60],
указывает
на
существенно
меньшую
эффективность
использования
коротковолновой полосы возбуждения на 800 нм по сравнению с накачкой на
1230 нм.
Таким образом, оптические волоконные усилители на P-ВАЦ в настоящее
время способны обеспечивать усиление более 20 дБ в одном каскаде, что важно
для телекоммуникационных систем, но требуемая для этого мощность накачки
(460 мВт) еще слишком велика. Необходимо найти пути совершенствования
параметров световодов такого типа.
1.4.3. Алюмосиликатные световоды.
Al-ВАЦ в ASB световодах обеспечивают оптическое усиление в диапазоне
≈1150-1220 нм. Исследования усиления в алюмосиликатных световодах связаны
большей частью с генерацией и усилением излучения в лазерных схемах. Так, в
схемах лазеров на ASB световодах, рассмотренных в работе [39], коэффициент
усиления излучения на длинах волн 1150, 1160, 1200 и 1215 нм не превышает 3 дБ
за круговой обход резонатора лазера, т. е. только 3 дБ на 160 м волоконного
световода. Несколько большее значение усиления – 5 дБ на длине световода 30 м
было получено при комнатной температуре в [62]. И только охлаждение ASB
световода до температуры жидкого азота повышало коэффициент усиления в
аналогичных условиях до 20 дБ и эффективность использования накачки до
47
0.07 дБ/мВт (при комнатной температуре 0.004 дБ/мВт - рассчитано по данным
работы [62]). Максимальное погонное усиление, достигнутое в ASB световодах
при комнатной температуре, составляет ~0,25 дБ/м. Важно отметить, что
увеличение концентрации активных висмутовых центров ассоциированных с
алюминием от нуля до уровня соответствующего поглощению около 1дБ/м на 1,0
мкм приводит к росту усиления от нуля до ~0.25 дБ/м, а дальнейший рост
концентрации Al-АВЦ ведет только к снижению усиления.
Таким образом, ASB световоды на современном уровне исследований при
комнатной температуре значительно уступают по эффективности использования
накачки как GSB, так и PSB световодам.
Следует отметить, что в ряде работ, опубликованных до примерно 2009
года, оптическое усиление в алюмосиликатных стеклах наблюдалось на длинах
волн в окрестности 1300 нм. Причем усиление наблюдалось как в объемных
образцах стекол [63, 64], так и в волоконных световодах [65, 66, 67]. Это усиление
нельзя объяснить с точки зрения оптических свойств алюмосиликатных
волоконных
световодов
с
низкой
(≤
0.02ат%)
концентрацией
Необходимы дополнительные исследования условий его возникновения.
висмута.
48
Глава 2.
Суперлюминесцентные волоконные источники излучения
2.1. Введение
Суперлюминесцентные источники излучения в настоящее время получают
все большее распространение в науке и технике благодаря особенным
характеристикам, главными из которых являются широкий спектр излучения (от
единиц до сотен нанометров), высокая мощность. Такие источники находят
применения как в чисто научных исследованиях, так и в различных приложениях
– в телекоммуникациях, медицине (например, в качестве источников излучения в
оптической когерентной томографии), микроскопии, разнообразных датчиках,
включая волоконные, волоконных оптических гироскопах (ВОГ) и т.д.
Набольшее распространение получили два типа суперлюминесцентных
источников,
суперлюминесцентные
диоды
(СД)
и
суперлюминесцентные
волоконные источники (СВИ) излучения. СД имеют достаточно широкий спектр
излучения (10-100 нм) и сравнительно простую конструкцию. Однако выходная
мощность СД ограничена, кроме того длина волны выходного излучения таких
устройств сильно зависит от температуры, в излучении наблюдается остаточная
поляризация, а в спектре заметна периодическая рябь. В приложениях, когда
недостатки СД являются критичными, вместо таких источников, как правило,
используются СВИ. Такие устройства имеют более сложную конструкцию, но при
этом позволяют достичь гораздо больших мощностей излучения на выходе, могут
иметь намного менее выраженную зависимость средней длины волны излучения
от температуры, их излучение практически полностью деполяризовано, а спектр
более гладкий.
В первой части данной главы дается обзор литературы по СВИ, в частности
приводятся простейшие схемы СВИ и на примере СВИ на эрбиевых световодах
иллюстрируются их работа и основные характеристики.
49
2.2. Обзор СВИ.
2.2.1. Простейшие схемы СВИ
Основной частью СВИ является активный волоконный световод (как
правило, одномодовый на длине волны излучения). С помощью оптической
накачки, в качестве которой, обычно используются лазерные диоды, активные
ионы
переводятся
в
возбужденное
метастабильное
(долгоживущее
~мс)
состояние. Возбужденные ионы, переходя в основное состояние, испускают
спонтанное излучение, часть которого захватывается сердцевиной световода как в
прямом направлении (сонаправлено с накачкой), так и обратном (противоположно
направлению накачки). В случае достаточной мощности накачки в активной среде
возникает усиление сигнала в определенной области длин волн, и спонтанные
фотоны, направленные в прямом и обратном направлениях, усиливаются по мере
движения вдоль световода и производят усиленное спонтанное излучение (УСИ),
или суперлюминесценцию.
Возможны несколько конфигураций СВИ [68-70], каждая со своими
характеристиками, преимуществами и недостатками. Наиболее простой вариант –
прямой однопроходный СВИ [71], изображен на Рис. 2.1. Это устройство
генерирует сигнал как в прямом, так и в обратном направлениях, но используется
только сигнал, идущий в прямом направлении. Это однопроходное устройство:
усиленное спонтанное излучение проходит через световод только один раз.
Вообще, чтобы выходная мощность СВИ была значительной (сопоставимой с
мощностью накачки), суммарное усиление должно превышать 40-60 дБ в одну
сторону для однопроходных схем и за обход для двухпроходных. Следовательно,
если появятся отражения от обоих концов, в особенности отражения Френеля на
концах волоконных световодах, устройство перейдет в режим лазерной генерации
и будет излучать нежелательно узкий спектр. Чтобы избежать этого эффекта
обычно концы волокон полируют под углом (7 градусов или больше в
зависимости от числовой апертуры сердцевины ВС). Если требуется, можно
также уменьшить отражения от оптики накачки, поместив оптический изолятор
50
или дополнительный ССО (спектрально-селективный ответвитель) со стороны
ввода накачки. В данной схеме в спектре выходного излучения возможно
присутствие излучения накачки.
Рис. 2.1 Простейшая схема однопроходного СВИ с попутной накачкой [71].
Другая однопроходная конфигурация – СВИ с обратным ходом накачки
Рис. 2.2. В данной конфигурации используемый сигнал это усиленное спонтанное
излучение, распространяющееся в обратном направлении. В данном случае УСИ
выводится из того конца активного световода, в который вводится накачка. Для
разделения излучения накачки и сигнала используется ССО. Накачка вводится в
активный световод через первое плечо ССО. Второе плечо ответвителя имеет
максимум пропускания на длине волны сигнала СВИ и минимум на длине волны
накачки. Одно из преимуществ СВИ со встречной накачкой заключается в том,
что его чувствительность к обратной связи ниже (особенно если световод очень
длинный, что требуется для достижения высокого КПД), чем у однопроходного
СВИ с попутной накачкой. Однако он часто используется с изолятором на выходе
для уменьшения чувствительности его средней длины волны излучения от
обратного сигнала.
Рис. 2.2 СВИ с обратным ходом накачки [71].
51
Для устройств, построенных на ионах с четырехуровневой схемой уровней
(например,
4
F3/2 → 4I11/2 на 1060 нм в Nd3+), если потери в световоде
незначительны по сравнению с усилением (что обычно выполняется) мощности
на прямом и обратном выходах практически равны, и обе конфигурации
демонстрируют
одинаковую
эффективность
преобразования.
Однако
для
трехуровневых лазерных переходов (к примеру, переход 4I13/2 → 4I15/2 на 1550 нм в
Er3+) сигнал из схемы с попутной накачкой обычно имеет меньшую мощность.
Таким образом, СВИ со встречной (по отношению к выходному излучению)
накачкой, как правило, эффективнее чем СВИ с попутной накачкой. Однако в
этом случае может потребоваться более длинный световод, потому что его
эффективность максимальна для более длинных волокон по сравнению с СВИ с
попутной накачкой [71].
Третья конфигурация – двухпроходные СВИ (Рис. 2.3). Для того чтобы
обратное усиленное спонтанное излучение прошло через активный световод и
усилилось повторно, в данную схему добавлено зеркало, отражающее на длине
волны УСИ. В этой схеме выводится только прямой выходной сигнал. В качестве
альтернативы отражатель может быть помещен на другом конце легированного
световода, чтобы выводить только сигнал, идущий навстречу накачке. Основное
преимущество двухпроходных конфигураций заключается в том, что фотоны
сигнала проходят через световод дважды и испытывают большее усиление. Таким
образом, порог двухпроходных СВИ соответственно ниже и требования к
мощности накачки снижены. Длина световода, при которой его КПД максимален,
короче, чем для однопроходных СВИ. Главный недостаток двухпроходных СВИ
заключается в том, что наличие зеркала усиливает чувствительность схемы к
обратному отражению от выходного конца, что налагает более жесткие
требования на выходной изолятор. В двухпроходных СВИ также может
потребоваться установка изолятора между источником накачки и ССО для
уменьшения отражения от оптики накачки.
52
Рис. 2.3 Простейшая схема двухпроходного СВИ [71].
Усиление за обход в таких СВИ обычно составляет 40-60 дБ. Даже
незначительные отражения, происходящие одновременно на двух концах,
превратят СВИ в лазер.
Экспериментальные исследования СВИ показали, что для выходных
мощностей более 20 мВт, генерации можно избежать путем поддержания
отражательной способности R1 и R2 на каждом конце ниже 1,2·10-6. Если один из
коэффициентов отражения умышленно высок (например, в двухпроходных СВИ
или если СВИ подсоединен к ВОГу с низкими потерями), коэффициент
отражения второго конца должен сохраняться предельно низким, что обычно
требует очень хорошей изоляции.
2.2.2. Сравнение характеристик двухпроходных СВИ с попутной и встречной
накачкой
В статье [72] сравниваются характеристики двухпроходных СВИ с
попутной (ДПП) и встречной (ДПВ) накачкой. Схема СВИ представлена на Рис.
2.4. Накачка осуществлялась лазерным диодом через спектрально-селективный
ответвитель WDM. Числовая апертура активного световода составляла 0.16,
концентрация эрбия 600 мд (вес.), Al2O3 (1 моль %) GeO2 (7 моль %). Длина волны
отсечки 975 нм, поглощение Er на 1530 нм – 10.5 дБ/м. В качестве отражателя
использовалось
волоконное
зеркало
с
контролируемым
коэффициентом
отражения. Для уменьшения оптической обратной связи на выход добавлен
изолятор с потерями для сигнала, распространяющегося в обратную сторону
59 дБ. Выход второго WDM с остаточной накачкой был погружен в масло для
53
предотвращения обратного отражения. Средневзвешенная длина волны, ширина
спектра
излучения
на
полувысоте
(FWHM)
и
эффективность
рассчитывались из измеренного спектра.
Рис. 2.4 Схемы двухпроходных СВИ с попутной (a) и встречной (b) накачкой [72].
накачки
54
Рис. 2.5 Зависимость выходной мощности от длины активного световода (DPF – СВИ с попутной накачкой,
DPB –СВИ со встречной накачкой) [72].
На Рис. 2.5 показана зависимость выходной мощности от длины активного
световода
при
накачке
80 мВт.
Оптимальная
длина
соответствующая
максимальной выходной мощности составляла 6 м для ДПП и 7 м для ДПВ. При
длинах
больших
оптимальной
выходная
мощность
уменьшалась
из-за
перепоглощения УСИ. У ДПВ выходная мощность снижалась медленнее и на
длинах больших 18 м переставала меняться, из-за того что отражение от зеркала
переставало влиять на обратную связь вследствие большого перепоглощения.
Зависимость средневзвешенной длины волны от мощности накачки для
двухпроходного СВИ с попутной накачкой представлена на Рис. 2.6.
55
Рис. 2.6 Зависимость средневзвешенной длины волны ДПП СВИ от мощности накачки [72].
Авторы отмечают, что средневзвешенная д
длина
лина волны ДПВ практически не
меняется от мощности накачки и не приводят зависимости средневзвешенной
длины волны для них,, в то время как для ДПП наклоны в диапазоне (70–80
(70
мВт)
составляли
ляли примерно 13, 13, 22, 32, 34, и 440 мд/мВт для 5, 6, 7, 8, 9, и 10-ти
метровых активных волокон..
Далее авторы исследовали ввлияние коэффициента отражения волоконного
зеркала на выходную мощность и ширину спектра излучения. Длина активного
световода для ДПВ составляла 111 м, для ДПП - 6 м (исходя из наилучшей
эффективности накачки
качки и зависимости средней длины волны от мощности
накачки). Выходная мощность уменьшалась с уменьшением коэффициента
отражения в обеих конструкциях, и при определенных значениях отражения обе
они начинали функционировать как однопроходные.
56
Рис. 2.7 Влияние коэффициента отражения зеркала на ширину линии (DPF – СВИ с попутной накачкой,
DPB –СВИ со встречной накачкой) [72].
На Рис. 2.7 показана зависимость ширины спектра излучения на полувысоте
от коэффициента отражения от зеркала. В ДПП при изменении отражения от-60
до -30 дБ ширина спектра уменьшалась от 11 до 7 нм и затем возрастала до 12 нм
при отражении примерно 50%. В ДПВ при изменении отражения от -60 до -25 дБ
ширина спектра остается практически неизменной и составляет 13 нм, что
свидетельствует о слишком слабой обратной связи обеспечиваемой зеркалом при
данной длине устройства, затем возрастает до 27 нм при 50% отражении.
Двухпроходные обратные СВИ превосходят прямые по следующим
характеристикам: более высокая выходная мощность при любых длинах
активного световода, лучшая стабильность средней длины волны от мощности
накачки, более широкий спектр при определенных коэффициентах отражения
волоконного зеркала.
Для каждой конструкции существует определенная оптимальная длина ВС,
при которой наблюдается максимальная мощность. Для любых длин выходная
мощность ДПВ больше выходной мощности ДПП равной длины. У ДПВ лучше
стабильность средней длины волны излучения от мощности накачки. ДПВ имеет
более широкий спектр излучения при любом коэффициенте отражения, поэтому
ДПВ предпочтителен при выборе двухпроходных конструкций.
57
К сожалению, в данной работе авторы не проводили исследования
стабильности рассмотренных схем от температуры.
Наряду с простейшими одноступенчатыми схемами, СВИ могут быть
созданы по многоступенчатой (многокаскадной) схеме. В этом случае можно
повысить КПД СВИ и поднять их выходную мощность. Так же, в
многоступенчатой схеме появляется возможность более гибко управлять шириной
и формой спектра СВИ.
2.2.3. Температурная стабильность средневзвешенной длины волны излучения
СВИ в однопроходной конфигурации со встречной накачкой.
Для некоторых типов применений СВИ, например, таких как ВОГ,
стабильность длины волны излучения СВИ от температуры является одним из
ключевых факторов. Поэтому большое число работ посвящено повышению этой
стабильности.
В статье [73] авторы исследуют зависимость средневзвешенной длины
волны СВИ на световоде, легированном эрбием, от температуры, длины волны
накачки и мощности накачки. В частности, в данной работе был измерен
температурный коэффициент, показывающий изменение средневзвешенной
длины волны излучения СВИ (
СВИ /
) в зависимости от длины световода и
параметров накачки. С увеличением мощности наблюдалось уменьшение средней
длины волны с наклоном между 0 и -93 мд/мВт
Температурная стабильность средневзвешенной длины волны излучения
СВИ определяется тремя составляющими, указанными в следующей формуле:
СВИ
Первое
=
СВИ
+
слагаемое
СВИ
накач
отвечает
накач
за
+
СВИ
накач
накач
температурную
зависимость
средневзвешенной длины волны излучения от температуры активной среды и
пассивных компонентов, которая в случае СВИ на редкоземельных элементах,
58
обусловлена изменением распределения заселенностей между подуровнями
согласно формуле Больцмана. В статье рассматриваются характеристики СВИ в
однопроходной конфигурации со встречной накачкой.
Характеристики активного световода: 1600 мд эрбия с добавлением
алюминия; радиус сердцевины 2,2 мкм, радиус моды сигнала 4,17 мкм, числовая
апертура - 0,2. Для уменьшения отражений до -60 дБ (оценочный уровень) оба
конца активного световода были отполированы под углом 15о. Длина световода
составляла 2,4 м, немного больше оптимальной для генерации прямого излучения
для всех рассмотренных мощностей накачки. Причины: 1) дополнительные
потери уменьшают двухпроходное усиление и предотвращают лазерную
генерацию; 2) гарантируют поглощение более 99% накачки во всей полосе
поглощения от 955 до 995 нм
В качестве накачки использовался титан-сапфировый лазер, вводимый в
световод с помощью 18х объектива с коэффициентом ввода 47%. Рабочее
расстояние до линзы было достаточно большим для того, чтобы отражения были
меньше -50 дБ
Рис. 2.8 Зависимость выходной мощности СВИ от мощности накачки на 980 нм (длина - 2,4 м) для
однопроходных СВИ со встречной (Backward) и попутной (Forward) накачкой [73].
59
Пороговая мощность (мощность при которой зависимость выходной
мощность от входной приобретает линейный характер) для прямого 70 мВт, для
обратного 29 мВт, наклоны 12,2% и 38,9% соответственно.
Средняя длина волны спектра СВИ измерялась оптическим спектральным
анализатором, который разделял спектр на 580 дискретных точек. Средняя длина
волны рассчитывалась с использованием формулы
̅= ∑ (
∑
)∙
( )
,
Для измерения внутренней температурной стабильности проводились
измерения спектров на выходе СВИ при периодическом изменении температуры
световода
между
25
и
75 ˚C
и
усреднением
измеренного
изменения
средневзвешенной длины волны. Оказалось, что в рассматриваемой схеме при
всех условиях тестирования ширина спектра излучения СВИ оставалась шире
20 нм.
Рис. 2.9 Внутренний температурный коэффициент, измеренный для 50-ти градусного изменения
температуры от 25 до 75 оС для различных длин волн и мощностей накачки [73].
Точность измерений оценивается в +-2 мд/C. Типично, внутренний
температурный коэффициент составляет +6 мд/C, что примерно в 60 раз меньше
такого коэффициента для суперлюминесцентных диодов. В большинстве случаев
температурный коэффициент в СВИ на эрбиевых световодах положителен в
60
отличие от типичных коэффициентов СВИ на световодах, легированных
неодимом. Это объясняется тем, что в четырехуровневой системе переходов
увеличение
температуры
сдвигает
заселенность
верхнего
подуровня
по
направлению к более высоким энергетическим уровням. Это приводит к
возрастанию
излучаемой
частоты
или
уменьшению
длины
волны.
В
трехуровневой системе переходов эрбия, как нижний, так и верхний подуровни
заселены в зависимости от степени инверсии.
Рис. 2.10 Зависимость средней длины волны излучения от мощности накачки [73].
Для определения зависимости средневзвешенной длины волны от мощности
накачки производились измерения при различных мощностях и длинах волн
накачки. Результат представлен на Рис. 2.10. В большом диапазоне мощностей
эти кривые имеют значительный наклон до -93 мд/мВт. Стоит отметить, что при
мощности накачки в диапазоне 30-70 мВт и длине волны накачки около 976 нм,
кривая зависимости почти плоская. Авторы утверждают, что из этого следует то,
что при определенных условиях, может быть достаточным управление питанием
накачки в пределах 1 мВт, чтобы сохранять зависимость от мощности накачки
ниже 1 мд.
61
Рис. 2.11 Зависимость средней длины волны излучения от длины волны накачки для двух мощностей [73].
Зависимость от длины волны накачки была исследована путем измерения
средневзвешенной длины волны при изменении длины волны накачки при
постоянном уровне мощности накачки. Это повторялось для двух уровней
мощности накачки, результаты измерений показаны на Рис. 2.11. Кривые почти
симметричны относительно своего минимума на длине волны 976 нм.
Выше был дан обзор литературы по схемам СВИ и их практической
реализации на Er световодах. Далее приводятся оригинальные результаты по
СВИ, разработанным и созданным на основе висмутовых ВС различного состава.
62
2.3. СВИ на германосиликатном световоде, легированном висмутом, со
средней длиной волны 1,44 мкм.
Как было показано в первой главе, люминесценцией и усилением в области
1,4 мкм обладают ВАЦ, ассоциируемые с кремнием (Si-ВАЦ). Дополнительное
легирование германием сердцевины SB световодов позволяет более эффективно
использовать висмутовые активные центры, связанные с кремнием, для
получения ИК излучения за счет улучшения оптических характеристик стекла.
При
этом
небольшое
количество
не
Ge
влияет
на
структуру
пиков
люминесценции, связанных с Si-ВАЦ, и практически не изменяет ее время жизни.
Соответственно для изготовления эффективного СВИ в диапазоне длин волн
(1400-1500) нм наиболее целесообразно использовать германосиликатные
световоды, легированные висмутом.
НЦВО РАН (вытяжка и тестирование световодов) совместно с ИХВВ РАН
(изготовление заготовок и их вытяжка) была изготовлена серия GSB световодов с
различными концентрациями висмута и германия. Были исследованы оптические
свойства световодов: ППП заготовок, спектры поглощения, люминесценции и
оптического усиления, уровень просветления на длине волны накачки.
Из серии был выбран ВС, наиболее подходящий для создания СВИ:
обладающий
наибольшим
усилением
с
максимально
высоким
уровнем
просветления. Основные характеристики световода: длина волны отсечки
примерно 0,9 мкм, разница показателей преломления Δn = 8×10−3, концентрация
Bi менее 0,1 мас.%. Спектры поглощения и усиления световода Bi-119
изображены на Рис. 2.14.
Спектры поглощения активного ВС измерялись методом “облома” (cutback). Суть данного метода заключалась в измерении спектрального пропускания
света на длинном отрезке световода, а затем, при неизменной системе ввода света
в
световод,
исследуемый
световод
укорачивался,
и
затем
измерялось
63
спектральное пропускание короткого отрезка. В качестве источников света в
данном
случае
использовались
излучение
галогенной
лампы.
Спектры
пропускания измерялись с помощью оптического спектроанализатора Agilent
86140B. Спектр оптических потерь ВС, представленный на Рис. 2.12,
рассчитывался по следующей формуле:
где
( )=
и
длин
соответственно;
и
кор
∙ lg
длин
)
длин ( )
− интенсивности света на выходе из короткого и
длинного отрезков световода, соответственно,
Поглощение, дБ/м
кор (
− длины короткого и длинного отрезка световода,
кор
кор
10
длин −
− длина волны.
1
0,1
0,01
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 2.12 Измеренный спектр поглощения активного световода.
На Рис. 2.13 изображен профиль показателя преломления активного
световода, измеренный анализатором ППП оптического световода.
64
0,0075
L = 040 mm, ϕ = 0;
L = 040 mm, ϕ = 90;
L = 130 mm, ϕ = 0;
L = 130 mm, ϕ = 90;
L = 220 mm, ϕ = 0;
L = 220 mm, ϕ = 90;
0,0060
Разница ПП
0,0045
0,0030
0,0015
0,0000
-0,0015
-8,4
-5,6
-2,8
0,0
2,8
5,6
8,4
Радиус, мм
Рис. 2.13 Профиль показателя преломления заготовки активного световода.
Спектры
усиления
световода
при
различных
мощностях
накачки
изображены на Рис. 2.14.
5,86 (mW)
8,06 (mW)
16,10 (mW)
24,06 (mW)
33,98 (mW)
39,96 (mW)
46,55 (mW)
51,90 (mW)
56,65 (mW)
61,57 (mW)
20
Усиление, дБ/м
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
1380
1400
1420
1440
1460
1480
1500
Длина волны, нм
Рис. 2.14 Спектры усиления световода.
Для создания СВИ использовалась двухпроходная схема со встречной
накачкой (Рис. 2.15). Выбор схемы обусловлен более высоким КПД и низким
порогом УСИ по сравнению с однопроходными СВИ. В качестве накачки
использовался лазерный диод на 1310 нм (до 100 мВт) и рамановский лазер на
1320 нм (до 300 мВт). Излучение накачки вводилось в активный световод через
65
ССО 1310/1480 нм, длина активного световода составляла 200 м. На конце
световода в качестве отражателя использовалось волоконное кольцевое зеркало
(широкополосный разветвитель 50/50 со сваренными выходными каналами) с
коэффициентом отражения близким 100% в широком спектральном диапазоне
(1,3-1,5 мкм). На выходе устройства установлен оптический волоконный изолятор
для уменьшения воздействия обратного сигнала.
Рис. 2.15 Схема СВИ.
Спектры выходного сигнала измерялись спектроанализатором Agilent
86140B. На Рис. 2.16 представлен спектр выходного сигнала СВИ при комнатной
температуре при мощности накачки в 200 мВт. Средневзвешенная длина волны
составляет 1441 нм, ширина спектра (FWHM) - 25 нм. Выходная мощность
определялась помощью измерителя оптической мощности EXFO FPM-600 и
составляла 57 мВт, КПД – 28 %.
66
Интенсивность, отн. ед.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
1400 1410 1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480
Длина волны, нм
Рис. 2.16 Спектр выходного сигнала СВИ.
2.3.1. Влияние мощности накачки на спектр и мощность выходного сигнала
Спектры и значения мощности выходного сигнала измерялись при разном
значении мощности накачки. Изменяя на лабораторном источнике питания силу
тока можно было варьировать мощность накачки от 0 до ~200 мВт. На Рис. 2.17
Выходня мощность, мВТ
изображен график зависимости выходной мощности СВИ от мощности накачки.
100
80
Генерация
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
Мощность накачки, мВт
Рис. 2.17 График зависимости выходной мощности СВИ от мощности накачки.
67
На Рис. 2.18 изображены спектры выходного сигнала СВИ от мощности
накачки. При увеличении мощности накачки ширина спектра уменьшается до
25 нм при 260 мВт (Рис. 2.19), при дальнейшем увеличении источник переходит в
режим лазерной генерации. Низкий порог генерации обуславливается сильным
отражением сигнала от зеркала (двухпроходная схема). Порог генерации можно
увеличить, используя двухкаскадную схему СВИ.
Интенсивность, отн, ед.
2,0
83 мВт
121 мВт
143 мВт
167 мВт
180 мВт
190 мВт
212 мВт
249 мВт
264 мВт
275 мВт
297 мВт
1,5
1,0
0,5
0,0
1400
1420
1440
1460
1480
Длина волны, нм
Рис. 2.18 Спектр выходного сигнала СВИ от мощности накачки.
Ширина спектра, нм
28
26
24
50
100
150
200
250
300
Мощность накачки, мВт
Рис. 2.19 График зависимости ширины спектра выходного сигнала СВИ от мощности накачки.
68
2.3.2. Описание установки для исследования влияния температуры
Для исследования температурных зависимостей характеристик СВИ была
собрана специальная экспериментальная установка по термоциклированию Рис.
2.20. Элементы схемы СВИ помещались в термобокс, состоящий из основания и
крышки, выполненных из дюрали для обеспечения хорошей теплопроводности.
Для охлаждения термобокса ко дну нижней пластины был прикреплен латунный
или дюралевый теплорезервуар, который помещался в жидкий азот и посредством
теплопередачи охлаждал термобокс. Вся конструкция теплоизолировалась с
помощью пенопластового короба. Расход жидкого азота подбирался таким
образом, чтобы обеспечить охлаждение термобокса до температуры чуть ниже 60 оС. При достижении этой температуры включался обогрев термобокса
нагревателями. В качестве нагревателей использовались четыре резистора, на
которых суммарно выделялось примерно до 55 Вт мощности. Температура
измерялась с помощью терморезистора B57861-S 103-F40, прикрепленного к
внутренней поверхности верхней пластинки. Помимо этого температура
снималась еще с термопары, прикрепленной к теплорезервуару, что делалось для
контроля равномерности нагрева или охлаждения всей конструкции. Разница
температур между верхней и нижней пластинами при проведении эксперимента
составляла менее 2 градусов, что гарантировало одинаковую температуру всех
элементов,
находящихся
между
пластинами
и
адекватность
показаний
терморезистора. Охлаждение конструкции до -60 оС происходило за время 510 минут в зависимости от количества жидкого азота. Скорость нагрева была
выбрана на уровне около 1,25 оС/мин для того чтобы элементы оптической схемы
успевали приходить в тепловое равновесие с термобоксом.
Для автоматизации процесса съема данных со спектроанализатора была
написана специальная программа. К компьютеру через интерфейс RS-232
подключался
мультиметр
Mastech
MAS-343, который
снимал показания
прокалиброванного терморезистора, и, через интерфейс GPIB, оптический
спектроанализатор, который по команде программы считывал спектр сигнала и
69
передавал его на компьютер.
тер. При изменени
изменении температуры на 5 оС программа
опрашивала спектроанализатор и записывала спектр в таблицу.
Фотографии установки представлены на Рис. 2.20.. На левом верхнем
рисунке изображена фотография верхней кр
крышки
ышки с резисторами для ускорения
нагрева.
рева. Справа от нее основание, далее
алее идут два общих вида термобокса на
теплорезервуаре. Снизу изображены фотографии термобокса в пенопластовом
теплоизолирующем коробе.
Рис. 2.20 Фотографии установки для исследования температурных зависимостей
70
Для измерения температурных характеристик катушка с световодом была
помещена в установку по термоциклированию. К выходу СВИ был приварен
широкополосный разветвитель 1х2, один из каналов которого подключался к
спектроанализатору Agilent 86140B, второй – к измерителю оптической мощности
EXFO. Температура световода варьировалась от -55 до 65 оС
Спектры выходного сигнала СВИ от температуры изображены на Рис. 2.21.
Спектры имеют форму близкую к форме Гаусса, при изменении температуры
форма меняется слабо, наблюдается сдвиг пика и изменение интенсивности.
Интенсивность, отн. ед.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
1400 1410 1420 1430 1440 1450 1460 1470 1480 1490
Длина волны, нм
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Рис. 2.21 Спектры выходного сигнала СВИ от температуры.
При увеличении температуры средневзвешенная длина волны выходного
сигнала СВИ монотонно убывает от 1444 до 1440,5 нм, демонстрируя изменение
на 3,5 нм в диапазоне температур 120 градусов (Рис. 2.22). Ширина спектра на
полувысоте меняется от 24,4 до 26 нм (Рис. 2.23)
Средневзвешенная длина волны, нм
71
1444,0
1443,5
1443,0
1442,5
1442,0
1441,5
1441,0
1440,5
1440,0
-60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
70
Температура, С
Рис. 2.22 Зависимость средневзвешенной длины волны СВИ от температуры.
26,0
25,8
Ширина спектра, нм
25,6
25,4
25,2
25,0
24,8
24,6
24,4
24,2
-60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20 30 40 50 60 70
Температура, С
Рис. 2.23 Зависимость ширины спектра СВИ от температуры.
В данной части работы была впервые продемонстрирована работа СВИ на
германосиликатном
световоде,
легированном
ионами
висмута
(Si-ВАЦ).
Средневзвешенная длина волны выходного излучения составляет 1441 нм,
ширина спектра на полувысоте - 25 нм. СВИ обладает довольно высоким КПД в
31%, выходная мощность составляет 82 мВт при накачке 260 мВт. Данные
характеристики сравнимы с эффективность широко распространенных Er СВИ, но
в новом спектральном диапазоне. Температурная стабильность средневзвешенной
72
длины волны – 0,27 % во всем температурном диапазоне. Спектр излучения имеет
форму близкую к гауссовой функции. СВИ на висмутовом световоде не лишен
недостатков, основным из которых является необходимость использования
световода большой длины (200м) из-за низкого коэффициента усиления на
единицу длины. Еще одним недостатком является ограниченный выбор мощных
(200 мВт) диодов на 1310 нм используемых для накачки СВИ.
73
2.4. СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом, со
средней длиной волны 1,34 мкм.
Разработка широкополосных источников в области 1,3 мкм затруднена
отсутствием редкоземельных элементов, обладающих переходами с высоким
коэффициентом усиления рядом с этой длиной волны. В этом диапазоне длин
волн сообщалось только об одном СВИ, на основе фторциконатного (ZBLAN)
волоконного световода, легированного празеодимом [74]. Усиленное спонтанное
излучение (УСИ) на переходе
1
G4→3H5 наблюдалось на 1,306 мкм при
непосредственном возбуждении метастабильного уровня 1G4 титан-сапфировым
лазером на 1,017 мкм. В однопроходной конфигурации выходная мощность СВИ
составляла всего 0,166 мВт при мощности накачки 540 мВт. Эффективность
преобразования ограничивается низким квантовым выходом люминесценции
(около 3%).
2.4.1. Двухпроходный СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном
висмутом.
В данной части работы демонстрируются СВИ на фосфоросиликатном
волоконном световоде со средневзвешенной длиной волны выходного излучения
1336 нм. Как и Si-ВАЦ, P-ВАЦ демонстрируют лучшие характеристики в
фосфоросиликатных
световодах,
дополнительно
легированных
небольшим
количеством оксида германия. Таким образом, для изготовления эффективного
СВИ в диапазоне длин волн (1300-1400) нм наиболее целесообразно использовать
фосфорогерманосиликатные световоды, легированные висмутом.
НЦВО РАН (вытяжка и тестирование световодов) совместно с ИХВВ РАН
(изготовление заготовок и их вытяжка) была изготовлена серия PSB световодов с
различными концентрациями висмута и германия. Были исследованы оптические
свойства световодов: ППП заготовок, спектры поглощения, люминесценции и
оптического усиления, уровень просветления на длине волны накачки. Из серии
был выбран ВС, наиболее подходящий для создания СВИ: обладающий
74
наибольшим усилением и максимально высоким уровнем просветления.
Заготовка световода была изготовлены методом MCVD, разница показателей
преломления сердцевины и оболочки Δn = 5,5×10−3, концентрация висмута в
сердцевине менее 0,1 мас.%. Длина волны отсечки световода составляет примерно
0,9 мкм. Спектры поглощения и усиления световода изображены на Рис. 2.24.
Оптическое поглощение слабого сигнала в световоде на длине волны накачки
1240 нм равно 0,6 дБ/м, при мощности сигнала более 50 мВт поглощение падает
до 0,09 дБ/м (Рис. 2.25). При накачке на 1240 нм максимальное усиление
составляет 0,2 дБ/м на 1320 нм.
Рис. 2.24 Спектры поглощения и усиления световода.
Поглощение на 1230 нм, дБ/м
75
0,4
α1230нм=0.088 дБ/м
0,3
0,2
0,1
0
500
1000
Мощность сигнаха на входе на1230 нм, мВт
Рис. 2.25 График изменения поглощения от мощности сигнала.
СВИ состоял из двух каскадов: источника сигнала и усилителя. Первый
каскад был построен по двухпроходной схеме со встречной накачкой (Рис. 2.26,
левая верхняя часть). Выбор схемы обусловлен более высоким КПД и низким
порогом УСИ по сравнению с однопроходными СВИ. В качестве накачки
использовался лазерный диод Innolume на 1240 нм LD-1240-FBG-300 (до
300 мВт).
Рис. 2.26 Схема СВИ: ЛД – лазерный диод; ССО – спектральный ответвитель; ИЗО – оптический изолятор;
КВЗ – кольцевое волоконное зеркало.
76
Излучение накачки вводилось в активный световод через спектральноселективный ответвитель 1240/1340 нм. Длина активного световода выбиралась
такой, чтобы максимизировать эффективность СВИ для заданной мощности
накачки и составляла 150 м. На конце световода в качестве отражателя
использовалось кольцевое волоконное зеркало (широкополосный разветвитель
50/50 со сваренными выходными каналами). На выходе 1-ого каскада установлен
оптический волоконный изолятор для уменьшения воздействия обратного
сигнала.
Спектры выходного сигнала измерялись спектроанализатором Agilent
86140B. Выходная мощность измерялась оптическим тестером EXFO FPM-600.
4 мВт
32 мВт
63 мВт
95 мВт
128 мВт
162 мВт
195 мВт
227 мВт
259 мВт
289 мВт
321 мВт
Интенсивность, дБм
-50
-60
-70
-80
-90
1260
1280
1300
1320
1340
1360
1380
1400
Длина волны, нм
Рис. 2.27 Спектры выходного сигнала первого каскада СВИ при различных мощностях накачки.
Спектры выходного сигнала первого каскада СВИ при различных
мощностях накачки показаны на Рис. 2.27. При увеличении мощности выходной
спектр сужается, и средневзвешенная длина волны смещается в длинноволновую
область (Рис. 2.28). При малых мощностях накачки усиление в световоде мало и,
поскольку используется схема со встречной накачкой, на выходе первого каскада
присутствует в основном неусиленная люминесценция с небольшого участка
активного световода, в котором поглощается большая часть накачки. Пик этой
77
люминесценции приходится на 1.32 мкм и несколько смещен относительно
максимума (на 1.3 мкм) люминесценции висмута в фосфоросиликатной матрице
за счет перепоглощения, а также из-за наложения спектра пропускания ССО. По
мере увеличения мощности накачки инверсная населенность достигается на все
большей длине световода, появляется УСИ и спектр выходного сигнала
смещается вправо в область максимума усиления висмутовых активных центров.
При мощности накачки 260 мВт средневзвешенная длина волны стабилизируется
и в дальнейшем с ростом мощности практически не меняется. Условный порог
возникновения УСИ составляет примерно 150 мВт. Зависимость выходной
Полуширина спектра, нм
35
Средневзвешенная длина волны
1337,0
34
1336,5
33
1336,0
32
31
Полуширина
1335,5
30
1335,0
29
180 200 220 240 260 280 300 320 340
Средневзвешенная длина волны,нм
мощности СВИ от мощности накачки изображена на Рис. 2.29.
Мощность накачки, мВт
Рис. 2.28 Графики зависимости ширины и средней длины волны выходного спектра СВИ от мощности
накачки.
78
7
Выходная мощность, мВт
6
5
4
3
2
1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Мощность накачки, мВт
Рис. 2.29 Зависимость мощности выходного сигнала первого каскада СВИ от мощности накачки.
Для достижения более высокой выходной мощности СВИ в схеме
использовался дополнительный каскад усиления. Каскад усиления представлял
собой 120 м активного висмутового световода, накачиваемого лазерным диодом
на 1240 нм. На выходе устройства для предотвращения возникновения лазерной
генерации и уменьшения воздействия обратного сигнала на параметры выходного
сигнала СВИ установлен оптический волоконный изолятор.
Рис. 2.30 Спектры выходного сигнала СВИ при различных мощностях накачки.
79
Спектры выходного сигнала СВИ при различных мощностях накачки
второго каскада усиления, а также спектр сигнала на входе в усилитель
изображены на Рис. 2.30.
Выходная мощность, мВт
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Мощность накачки второго каскада, мВт
Рис. 2.31 Зависимость мощности выходного сигнала СВИ от мощности накачки.
Мощность выходного сигнала СВИ растет линейно с мощностью накачки
второго каскада и достигает 48 мВт при накачке 300 мВт (Рис. 2.31).
Средневзвешенная
длина
волны
составляет
1336 нм,
ширина
спектра
λFWHM ≈ 26 нм (Рис. 2.32). При малых мощностях накачки второго каскада в
большей части световода инверсная населенность не достигается и излучение
первого каскада частично поглощается активными центрами, в результате чего в
спектре на выходе остается длинноволновая часть излучения, т. е. пик излучения
смещен вправо относительно входного сигнала. Излучение висмутовых активных
центров второго каскада при этом заметно меньше, чем проходящее излучение
первого каскада. С увеличением мощности накачки инверсная населенность
достигается вдоль всего световода, и спектр выходного сигнала смещается влево в
область максимума усиления висмута.
26,8
1341
Полуширина спектра, нм
26,6
Средневзвешенная длина волны
26,4
1340
Полуширина
26,2
1339
26,0
25,8
1338
25,6
0
50
100
150
200
250
300
1337
350
Средневзвешенная длина волны, нм
80
Мощность накачки второго каскада, мВт
Рис. 2.32 Графики зависимости ширины и средней длины волны выходного спектра СВИ от мощности
накачки.
В данной части работы была впервые продемонстрирована работа СВИ на
фосфоросиликатном
световоде,
легированном
ионами
висмута
(P-ВАЦ).
Средневзвешенная длина волны выходного излучения составляет 1336 нм,
ширина спектра на полувысоте – 26 нм при максимальной мощности. Выходная
мощность равна 48 мВт при суммарной мощности накачки 600 мВт. Форма
спектра близка к гауссовой (аппроксимация спектра функцией Гаусса при
мощности накачки 320 мВт представлена на Рис. 2.30). Продемонстрирован СВИ,
работающий в области второго окна прозрачности (1.3 мкм) оптических
волоконных световодов на основе кварцевого стекла, эффективность которого
сопоставима с эффективностью широко используемых СВИ на редкоземельных
элементах. Следует отметить, что это лишь одна из возможных реализаций СВИ
на висмутовом фосфоросиликатном световоде; схему можно оптимизировать в
соответствии с требованиями к характеристикам выходного сигнала.
2.5. Выводы по главе 2
В
результате
проделанной
работы
проведен
анализ
схем
СВИ,
предложенных в литературе с точки зрения температурной стабильности, ширины
81
спектра излучения и выходной мощности, были собраны и протестированы СВИ.
В процессе исследований проведена оптимизация длины активных световодов с
точки зрения ширины спектра и выходной мощности. Исследовано влияние
температуры на характеристики СВИ, ширину спектра излучения и выходную
мощность. Исследован СВИ на GSB световоде со средневзвешенной длиной
волны выходного излучения 1441 нм и шириной спектра на полувысоте - 25 нм.
СВИ обладает довольно высоким КПД в 31%, выходная мощность составляет
82 мВт
при
накачке
260 мВт.
Данные
характеристики
сравнимы
с
эффективностью широко распространенных Er СВИ, но с излучением в новом
спектральном диапазоне. Температурная стабильность средневзвешенной длины
волны – 0,27 % во всем температурном диапазоне. Спектр излучения имеет форму
близкую к гауссовой функции. СВИ на висмутовом световоде не лишен
недостатков, основным из которых является необходимость использования
световода большой длины (200м) из-за низкого коэффициента усиления на
единицу длины.
Также продемонстрирована работа СВИ на фосфоросиликатном световоде,
легированном ионами висмута. Средневзвешенная длина волны выходного
излучения СВИ составляет 1336 нм, ширина спектра на полувысоте – 26 нм при
максимальной мощности. Выходная мощность равна 48 мВт при суммарной
мощности накачки 600 мВт. Форма спектра близка к гауссовой. Следует отметить,
что это лишь одни из возможных реализаций СВИ на висмутовых световодах;
схему можно оптимизировать в соответствии с требованиями к характеристикам
выходного сигнала.
82
Глава 3.
Поглощение из возбужденного состояния
3.1. Введение
В настоящее время оптическое усиление и лазерная генерация получены на
германосиликатных,
фосфоросиликатных,
алюмосиликатных
и
силикогерманатных световодах, легированных висмутом. Различия в составе
матрицы стекла данных образцов приводят к смещению положения спектров
люминесценции и поглощения. Длины волн накачки и генерации висмутовых
лазеров представлены на Рис. 3.1 [75].
Рис. 3.1 Длины волн накачки и генерации висмутовых лазеров [75].
Если
КПД
висмутовых
лазеров
при
комнатной
температуре
на
германосиликатных световодах в настоящее время составляет до 60% и более,
КПД лазеров и усилителей на фосфоросиликатных световодах достигает более
35%, то для алюмосиликатных световодов удаётся достичь КПД не более 20%.
Кроме того, если построить зависимости эффективности лазеров от
температуры
(Рис.
3.2),
то
графики
для
различных
составов
будут
демонстрировать существенно отличный наклон. Эффективность лазеров на
германосиликатных световодах практически не зависит от температуры, при этом
эффективность лазеров на алюмосиликатных световодах заметно увеличивается
при низких температурах.
83
Laser efficiency, %
60
GeO2-SiO (λ =1460 nm; λ
2
las
40
o
pump
=1340 nm)
1.9% / 100 C
GeO
-P O
2 5 -SiO
2 (λ =
las 133
0 nm
;λ
Al O
pum =12
2
p
30 nm 9.6 % / 100 oC
S
3
iO
)
(
2 λ
la s = 1
160
nm
;λ
pum =
p 10
o
70
14.2 % / 100 C
nm
)
2
20
0
-80 -60 -40 -20
0
20 40 60 80 100 120 140
o
Fiber temperature, C
Рис. 3.2 Зависимости
ависимости эффективности лазеров от температуры [36].
Одной из возможных причин таких различий в эффективности и влиянии
температуры может быть поглощение из возбужденного состояния (ПВС). На
наличие ПВС также указывает тот факт, что в высококонцентрированных
висмутовых
алюмосиликатных
световодах
при
измерении
просветления
наблюдается рост потерь при увеличении инв
инверсии
ерсии населенностей.
3.1.1. ПВС в световодах, легированных висмутом.
Ввиду того, что висмут стал рассматриваться в качестве возможного
активного элемента волоконных световодов относительно недавно, активные ВС,
демонстрирующие усиление были изготовлены всего в четырех
тырех научных центрах.
центрах
Измерением ПВС в таких ВС занимались всего две группы, поэтому до
настоящего исследования в литературе можно было найти всего три работы по
этой теме. Все эти работы посвящены исследованию ПВС в алюмосиликатных
световодах. Ниже приводятся
дятся основные результаты работ по ПВС в висмуте,
опубликованных ранее.
ПВС в алюмосиликатных
осиликатных световодах, легированных ионами висмута, в
диапазоне длин волн 900 – 1250 нм было измерено в работе [76
76]. Целью этой
84
работы было изучение возможности прямой диодной накачки висмутовых лазеров
на длинах волн 915 и 975 нм.
Рис. 3.3 Схема установки по измерению ПВС [76].
При помощи установки, показанной на Рис. 3.3, было измерено ПВС при
накачках в 800 и 1047 нм. (При накачке на 1047 нм дихроматическое зеркало
было заменено на волоконный разветвитель). Результаты были представлены в
виде изменения пропускания (Рис. 3.4). Спектры поглощения из основного
состояния были получены методом «cut-back». Из рисунка четко видно, что при
накачке на 1047 нм on/off усиление наблюдается в диапазоне 1000-1260 нм, а
нетто усиление примерно в диапазоне 1100-1220 нм. В области короче 1000нм
наблюдается увеличение поглощения в световоде, что обусловлено эффектом
ПВС. Для накачки на 800 нм увеличение потерь наблюдается во всем измеренном
диапазоне спектра.
85
Рис. 3.4 Спектры поглощения и изменения пропускания под действием накачки [76].
В работе [77] на основании измерений кинетики люминесценции и
зависимости пропускания ASB световодов при изменении мощности сигнала
было получено отношение ПВС к поглощению на 1.06 мкм.
3.1.2. Измерение ПВС в волоконных световодах
Существует
достаточно
большое
количество
работ,
посвящённых
измерениям ПВС в уже хорошо известных активных волоконных световодах.
Одна из наиболее распространённых схем измерения, из работы [78], приведена
на Рис. 3.5. В данной работе длина волны накачки (980 нм) могла быть легко
отделена от сигнала (1400-1800 нм) за счёт значительной разницы длин волн. В
общем случае это может быть не так, поэтому удобнее использовать накачку
"навстречу" излучению сигнала, как предлагается, например, в работе[79]].
86
Рис. 3.5 Схема измерения ПВС, использованная в работе [78].
Численное
моделирование
скоростных
уравнений
для
световодов,
легированных эрбием или иттербием упрощается тем, что хорошо известна
структура электронных уровней и основные процессы. Однако, даже в случае
известной структуры уровней, исследователи часто ограничиваются приведением
спектров потерь и изменений в потерях под действием накачки, не пытаясь
отдельно рассчитать сечение ПВС. В случае не известной структуры уровней и
сечений переходов из основного на метастабильный лазерный уровень и обратно,
рассчитать сечения ПВС можно только для случая, когда оно не налагается на
спектры излучения и поглощения, связанные с переходами на основное
состояние. Если же ПВС налагается на спектры таких переходов, то в явном виде
отделить его от основных переходов не представляется возможным. Однако, на
практике, общая величина изменений в пропускании может оказаться не менее
полезной и наглядной, чем сечение ПВС.
Рис. 3.6 Схема измерения ПВС, использованная в работе [79].
87
Для измерения ПВС в волоконных световодах необходимо обеспечить
одновременное присутствие в образце излучения накачки и тестового излучения.
При этом необходимо не допускать попадания сколь-нибудь существенной
мощности в фотодиод, измеряющий интенсивность монохроматического сигнала
после прохождении через световод.
3.2. Экспериментальная установка
Для измерения ПВС мы использовали экспериментальную установку,
подобную описанной в статье [76]. В качестве источника сигнала использовался
источник суперконтинуума Fianium FemtoPower 1060 (SC, Рис. 3.7). Данный
источник на выходе имеет квазинепрерывное сверхширокополосное излучение в
области 450-1800 нм со спектральной плотностью мощности порядка 1мВт/нм.
Взаимодействие с ПК осуществляется через USB порт, с помощью терминального
протокола
через
суперконтинуума
виртуальный
имеет
последовательный
волоконно-оптический
порт.
выход
с
Источник
разъёмом
для
подключения к акустооптическому перестраиваемому фильтру (AOTF, Рис. 3.7).
AOTF позволяет выделять из широкого спектра источника суперконтинуума одну
или несколько (до 8) длин волн с шириной спектра от 5 нм и варьировать их
мощность. AOTF подключается к ПК посредством USB интерфейса и управляется
по собственному протоколу через вызовы прилагающейся динамической
библиотеки. Протокол позволяет, в частности, установить длину волны и
мощность
излучения.
Неполное
совпадение
положения
пика
выхода
и
выставленной длины приводит к необходимости калибровки длин волн AOTF.
Использование
AOTF
позволяет
в
первую
очередь
обезопасить
суперконтинуум от попадания отражённого излучения. Более того, из схемы на
Рис. 3.7 легко видеть, что в сторону суперконтинуума идёт непоглощённое
излучение накачки, попадание которого в SC, очевидно, не желательно. AOTF, в
силу обратимости оптики, не пропускает в суперконтинуум излучение накачки,
для чего при проходе спектра достаточно "вырезать" область в +/- 15 нм вокруг
длины волны накачки. Особенно опасно при этом излучение вблизи 1058 нм.
88
Однако, даже 30 мВт излучения, например, на 1240 нм при попадании в
суперконтинуум вызывают отключение последнего по превышению сигнала на
защитном фотодиоде.
Использованный AOTF имеет 3 сменных кристалла. На стыках диапазонов,
в частности вблизи 1100 нм, могут иметь место небольшие нестыковки в
спектрах. AOTF имеет узкий параллельный пучок на выходе. Ввод излучения из
AOTF в световод типа SMF-28 был выполнен при помощи микрообъектива (lens,
Рис. 3.7) и 3х-координатного столика. Мощность введённого излучения
составляла
до
300 мкВт.
В
воздушное
пространство
между
AOTF
и
микрообъективом был помещен модулятор оптического излучения (Chopper, Рис.
3.7). Частота модуляции сигнала составляла порядка 200 Гц. Введенное излучение
через неактивный одномодовый световод Corning® SMF-28® попадало в тестовый
образец (BDF, Рис. 3.7) с отсечкой второй моды в области 0,9-1,1 мкм.
Необходимость использования промежуточного световода типа SMF-28® как
связки
между
микрообъективом
и
тестовым
образцом
заключается,
в
желательности использования хорошо зафиксированной системы ввода. Для
замены образца (BDF) в данном случае достаточно переделать сварку SMF-28® и
образца, что позволяет не юстировать ввод излучения при каждой замене
изучаемых световодов. Так же, в большинстве экспериментов, между объективом
и активным световодом мы вваривали волоконный деполяризатор излучения, т.к.
излучение источника суперконтинуума сильно поляризовано, что приводит к
нежелательным флуктуациям в измеряемых спектрах излучения.
89
Рис. 3.7 Схема экспериментальной установки: SC – источник белого света, AOTF - акустооптический
перестраиваемый фильтр, APC – торец с полировкой под углом, PD - фотодиод, MCh - монохроматор,
MCntrl - микроконтроллер.
Излучение накачки (Pump, Рис. 3.7) вводилось в BDF через оптический
спектрально-селективный ответвитель (coupler, Рис. 3.7) навстречу излучению
сигнала. Использованный разветвитель делит мощность накачки, поступающей
на плечо Pin, между плечами Sin и Pidle. Таким образом, часть мощности накачки
выходит в торец Pidle, с другой стороны, часть мощности сигнала, поступающей на
Pin,теряется, попадая в диод или лазер накачки. Торец в плече Pidle схемы, с целью
минимизации количества отражённой в фотодиод накачки, был выполнен с косым
сколом.
При мощности излучения накачки на входе в схему в 0.5 Вт, мощность
накачки, отражённая в фотодиод составляла не более 400 нВт. Использование
синхронного детектирования позволяет измерять слабый сигнал на фоне гораздо
большего шума.
В качестве источников накачки использовались:
1. ASB световодов
• 1058 нм Yb волоконный лазер
• 1085 нм Yb волоконный лазер
2. PSB световодов
• 1240 нм 300 мВт лазерный диод
• 1240 нм ВКР лазер
90
3. GSB световодов
• 1310 нм лазерный диод
• 1310 нм ВКР лазер
Мощность накачки, вводимая в систему, была ограничена 1 Вт из-за
использования в схеме стандартного телекоммуникационного разветвителя.
Сигнал из порта Sout вводился в монохроматор ЛОМО МДР-23(MCh, Рис.
3.7) при помощи коллиматора Thorlabs F230FC-C (lens, Рис. 3.7). После
прохождения
через
монохроматор
МДР-23,
сигнал
вводился
в
торец
многомодового световода, расположенного на 3х координатном столике, с
помощью короткофокусной линзы (lens, Рис. 3.7). Световод посредством разъема
подключался к фотоприемнику. Использование световода после монохроматора
обусловлено возможностью оперативно менять фотоприемник не меняя сам
световод, таким образом, не требуется повторная юстировка. Прошедший сигнал
детектировался InGaAs фотодиодом Thorlabs FGA-01 в диапазоне 1000-1700 нм и
Si фотодиодом Thorlabs FDS-02 в диапазоне 700-1000 нм. Оба фотодиода
работают при комнатной температуре, но, за счёт небольшой активной площадки
(Ø250 мкм и Ø120 мкм соответственно), обладают минимальными шумами.
Сигнал с фотоприемников усиливался с помощью Thorlabs PDA200C.
На всём протяжении измерения спектра ПВС длина волны AOTF совпадает
с длиной волны монохроматора. Данное "слежение" организовано на уровне
управляющего
программного
обеспечения
на
персональном
компьютере,
микроконтроллер, управляющий монохроматором с AOTF напрямую не связан.
3.3. Поглощение из возбужденного состояния в световодах, легированных
висмутом.
Все исследованные световоды были изготовлены по MCVD технологии. Из
заготовок были вытянуты одномодовые (длина волны отсечки 1.1 мкм)
волоконные световоды диаметром 125 мкм. Разность показателей преломления
91
сердцевины и оболочки во всех световодах составляла 5-8∙10-3. Следует отметить,
что общая концентрация висмута в световоде не соответствует концентрации
ВАЦ, ответственных за люминесценцию, поскольку висмут может входить в
состав стекла в разных валентных состояниях и не входить в ВАЦ. Поэтому в
качестве меры концентрации ИК ВАЦ использовалось значение поглощения на
длине волны λmax максимума ИК полосы, характерной для каждого из
рассматриваемых типов. Так, для ASB световодов λmax ≈ 1.00 мкм, для GSB
λmax ≈ 1.4 мкм, для PSB λmax ≈ 1.24 мкм. Поэтому в дальнейшем световоды будут
обозначаться следующим образом: {тип световода}- αλmax ≈ (в дБ/м) (например,
ASB-2.4).
3.3.1. Германосиликатные световоды, легированные висмутом.
Для каждого световода по отношению слабого сигнала на входе и на выходе
определялся спектр оптических потерь (он же поглощение из основного
состояния). Изображен на Рис. 3.8 и на последующих графиках черной линией и
номером 1. Затем в световод вводилось излучение накачки и измерялся спектр
оптических потерь световода в накачанном состоянии αp(λ). Изображен на Рис.
3.8 и на последующих графиках линией красного цвета и номером 2.
Длина образца световода выбиралась таким образом, чтобы достигнуть
насыщения усиления вдоль всего световода (непоглощенная мощность накачки
была значительно выше мощности насыщения). Следует отметить, что
достигалась не 100% инверсия, а максимальная при данной длине волны накачки.
Длины световодов в разных экспериментах варьировались от 0,5 до 40 м.
Cпектры αp(λ) показывают, в каком спектральном диапазоне наблюдается
реальное усиление сигнала (net gain > 0 если αp(λ) < 0) , а в каком наблюдается
поглощение αp(λ) > 0.
Зеленой линией изображен график разности этих спектров αp(λ) - α(λ),
который показывает оптические потери, наведенные накачкой. Спектры
изменения пропускания под действием накачки характеризуют только переходы
92
активного центра как с возбужденного уровня, так и с основного. Если αp(λ) - α(λ)
< 0, то в этом диапазоне on/off gain (OOG) положителен.
1- потери в световоде без накачки (GSA)
2 - потери в световоде при накачке
3- изменение оптических потерь при включении накачки
Потери/усиление, дБ/м
2
1
1
0
2
-1
-2
GSB-2.0
3
-3
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
Длина волны, нм
Рис. 3.8 Спектры поглощения, усиления и изменения пропускания световода GSB-2.
На Рис. 3.8 показаны измеренные спектры поглощения, усиления и
изменения пропускания световода GSB-2.0. Схема энергетических уровней ВАЦ в
GSB световодах (Si-ВАЦ) была предложена ранее на основании исследования
люминесценции световодов. Переходу между основным и первым возбужденным
состоянием ВАЦ в световоде GSB-2.0 со сравнительно низкой концентрацией
ВАЦ соответствует максимум GSA (Рис. 3.8) на длине волны 1400 нм и максимум
on/off усиления на той же длине волны. Положительное усиление наблюдается от
1325 нм до 1550 нм, максимальное значение 0.8 дБ/м. В спектральном диапазоне
от 1100 нм до 1700 нм αp(λ) - α(λ) ≤ 0. Из этого можно сделать вывод о том, что
ПВС за пределами переходов активного центра отсутствует, а в диапазоне
переходов либо отсутствует, либо незначительно.
93
Потери/усиление, дБ/м
60
40
GSB-17
20
1
0
2
-20
3
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.9 Спектры поглощения, усиления и изменения пропускания световода GSB-17.
При повышении концентрации ВАЦ в примерно 10 раз полосы поглощения
и on/off усиления пропорционально увеличиваются (Рис. 3.9). В диапазоне 9501200 нм наблюдается ПВС, а полоса положительного усиления (NGmax=5 дБ/м)
сужается до 1375-1430 нм. Заметное сужение полосы реального усиления
обусловлено более высокими серыми потерями в световоде с большей
концентрацией, а так же, возможно в меньшей степени, появлением ПВС, которое
наблюдается напрямую в области 950-1200, но может маскироваться основным
переходом в области вокруг 1,4 мкм.
94
3.3.2. Фосфоросиликатные висмутовые световоды
На
Рис.
3.10
показаны
измеренные
спектры
оптических
потерь
фосфоросиликатного световода, легированного висмутом PSB-0.7. Накачка
световода осуществлялась на длине волны 1240 нм, так же как и во всех
экспериментах достигалась предельная инверсия населенностей. На графике
видно, что при наличии накачки усиление наблюдается в диапазоне 1260-1450 нм,
максимальное значение NG=0.15 дБ/м достигается при λ=1330 нм.
Рис. 3.10 Спектры поглощения, усиления и изменения пропускания световода PSB-0.7.
Значения спектра изменения пропускания под действием накачки во всем
диапазоне измерения отрицательны либо равны 0. Из этого можно сделать вывод
о том, что ПВС за пределами переходов активного центра отсутствует, а в
диапазоне переходов либо отсутствует, либо незначительно.
К сожалению на момент выполнения данной работы образцов PSB
световодов с сильно отличающейся концентрацией висмута от представленного
выше в нашем распоряжении не было.
95
3.3.3. Алюмосиликатные висмутовые световоды
Поскольку явление ПВС наиболее ярко выражено в ASB световодах,
легированных
висмутом,
в
эксперименте
использовалась
целая
серия
алюмосиликатных волокон с различной концентрацией ВАЦ. В качестве меры
концентрации ИК ВАЦ использовалось значение поглощения на длине волны
1000 нм. Оно изменялось от α1,0мкм=1.5 до α1,0мкм=50 дБ/м. Спектры поглощения
представлены на Рис. 3.11.
ASB-50
ASB-17
ASB-8.6
ASB-3.3
ASB-2.1
ASB-1.5
Потери, дБ/м
100
10
1
0,1
0,01
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.11 Спектры поглощения серии алюмосиликатных световодов.
В
алюмосиликатных
световодах
наибольший
интерес
представляет
изучение причин, приводящих к низкому просветлению поглощения и к низкому
КПД генерации.
96
Алюмосиликатные световоды с низкой концентрацией ВАЦ
На Рис. 3.12 представлены спектры потерь (при включенной и выключенной
накачке) в алюмосиликатных световодах с низкой концентрацией ВАЦ.
Световоды с данной концентрацией используются в эффективных лазерах и
усилителях. Чтобы определить степень влияния ПВС на температурный наклон
КПД алюмосиликатных лазеров, помимо измерений при комнатной температуре,
измерения также проводились и при температуре 77К.
Так же как и для предыдущих световодов черной линией 1 представлены
спектры потерь при выключенной накачке, красной линией 2 представлены
спектры потерь при включенной накачке. При температуре жидкого азота
графики потерь при выключенной и включенной накачке представлены теми же
цветами, однако точечной линией и обозначены номерами со штрихом.
Следует обратить внимание, что для большей наглядности спектры
изменения пропускания под действием накачки (обозначенные 3) вынесены на
отдельный график (Рис. 3.14). Так же как и для предыдущих световодов
обозначены зеленым цветом. Для 77К спектры изображены точечной линией.
6
Потери/усиление, дБ/м
ASB-1.5
@300K
4
2
2
1
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.12 Спектры поглощения световода ASB-1.5 без накачки (1) и при включенной накачке (2).
97
6
Потери/усиление, дБ/м
ASB-1.5
@77K
4
2
2'
1'
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.13 Спектры поглощения световода ASB-1.5 без накачки (1) и при включенной накачке (2)
(при T=77K).
В ASB световодах с низким содержанием ВАЦ усиление наблюдается в
диапазоне от 1100 нм до 1240 нм с максимальным значением коэффициента
усиления 0,3 дБ/м на 1150 нм. При температуре 77 K усиление увеличивается до
0,5 дБ/м.
Изменение пропускания, дБ/м
2,0
ASB-1.5 @300K
ASB-1.5 @77K
1,5
3
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
3'
-1,5
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.14 Спектры изменения пропускания световода ASB-1.5 под действием накачки при комнатной
температуре и T=77K.
98
Стоит отметить, что уже при низких концентрациях ВАЦ (которые дают
всего 1.5 дБ/м в пике поглощения на 1,0 мкм) в диапазоне 800-1000 нм
наблюдается существенное увеличение потерь в присутствии накачки.
На спектрах изменения потерь под действием накачки видно, что
затемнение, обусловленное ПВС на 800 нм составляет около 2 дБ/м при том, что
просветление на 1100 нм меньше единицы. Таким образом, можно сделать вывод
о том, что ПВС может затрагивать область усиления и сказываться на
эффективности лазеров.
Результаты измерения ПВС, полученные в данной работе, в световодах с
низкой
концентрацией
ВАЦ
качественно
совпадают
с
результатами,
представленными в работе [76], что свидетельствует в пользу достоверности
полученных данных и подтверждает схожесть оптических свойств висмутовых
активных световодов, изготовленных в различных лабораториях.
99
Алюмосиликатные световоды с высокой концентрацией ВАЦ
Увеличение концентрации приводит к росту влияния ПВС и снижению
просветления.
Потери/усиление, дБ/м
80
70
ASB-8.6
60
@300K
50
40
30
2
20
10
1
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.15 Спектры поглощения световода ASB-8.6 без накачки (1) и при включенной накачке (2).
Спектры поглощения и поглощения при включенной накачке световода
ASB-8.6 представлены на Рис. 3.15. Усиление не наблюдается, и потери
положительны во всем измеренном диапазоне длин волн. Очевидно, что в таких
световодах не может быть получено усиление или генерация. При комнатной
температуре в световодах со средним содержанием ВАЦ потери немного
просветляются (около 0,5 дБ) лишь в диапазоне 1100-1170 нм при накачке на
1058 нм.
100
70
ASB-8.6
Потери/усиление, дБ/м
60
@77K
50
40
30
2'
20
10
0
1'
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.16 Спектры поглощения световода ASB-8.6 без накачки (1’) и при включенной накачке (2’)
при Т=77К.
При 77К (Рис. 3.16) наблюдается не только просветление, но и нетто
усиление. Максимум усиления - 2 дБ/м приходится на 1150 нм. Спектры
изменения пропускания под действием накачки световода ASB-8.6 при комнатной
температуре и T=77K представлены на Рис. 3.17.
Изменение пропускания, дБ/м
15
3
[email protected]
[email protected]
10
5
3'
0
-5
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.17 Спектры изменения пропускания световода ASB-8.6 под действием накачки при комнатной
температуре и T=77K.
101
В световодах с высокой концентрацией АВЦ ПВС явно проявляются во
всем исследованном диапазоне длин волн, включая диапазон 1,1-1,25 мкм, в
котором наблюдаются лазерные переходы в Al-АВЦ.
При понижении температуры интенсивность ПВС заметно падает, но не
снижается до нуля.
102
Алюмосиликатные световоды с очень высокой концентрацией ВАЦ
В световодах с высоким содержанием ВАЦ (17 дБ/м) усиление не
наблюдается во всем диапазоне измерений, как при комнатной температуре, так и
при 77К (Рис. 3.18 и Рис. 3.19). Кроме этого при комнатной температуре ПВС
доминирует над усилением во всем диапазоне усиления.
180
ASB-17
160
@300K
Потери, дБ/м
140
120
100
80
60
2
40
20
1
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.18 Спектры поглощения световода ASB-17 без накачки (1) и при включенной накачке (2).
120
ASB-17
@77K
100
Потери, дБ/м
80
60
2'
40
20
1'
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.19 Спектры поглощения световода ASB-17 без накачки (1’) и при включенной накачке (2’)
при Т=77К.
103
При температуре жидкого азота наблюдается слабое просветление в
диапазоне 1100-1200 нм. Спектры изменения пропускания под действием накачки
световода ASB-17 при комнатной температуре и T=77K представлены на Рис.
Изменение пропускания, дБ/м
3.20.
40
ASB-17 @300K
ASB-17 @77K
3
30
20
3'
10
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.20 Спектры изменения пропускания световода ASB-17 под действием накачки при комнатной
температуре и T=77K.
Стоит отметить, что в германосиликатном световоде с поглощением в пике
17 дБ/м ПВС практически не наблюдалось, а усиление при комнатной
температуре составляло 5дБ/м.
104
Зависимость ПВС от концентрации ВАЦ
На Рис. 3.21 представлены спектры наведенных потерь ASB световодов.
Для наглядности спектры были нормированы на поглощение на длине волны
Нормированное изменение потерь, у.е.
1060 нм в каждом из рассматриваемых световодов.
6
ASB-50.0
ASB-17.0
ASB-8.6
ASB-3.3
ASB-1.5
@300K
4
2
0
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.21 Нормированные спектры изменения пропускания под действием накачки ASB световодов при
комнатной температуре.
Рис. 3.21 позволяет определить при какой концентрации перестает
наблюдаться просветление и ПВС начинает доминировать над изменением
пропускания, обусловленным лазерными переходами в ВАЦ. Так же этот график
показывает, что скорость роста ПВС с концентрацией превышает рост усиления
ВАЦ.
Из спектров изменения пропускания под действием накачки исключено
влияние серых потерь, они характеризуют только переходы активного центра как
из основного уровня, так и с возбужденного. То есть в них входит изменение
пропускания, обусловленное лазерным переходом ВАЦ, а также изменение,
обусловленное ПВС. Для того, чтобы получить спектры чистого ПВС следует из
спектров изменения пропускания исключить изменения, обусловленные лазерным
переходом ВАЦ.
105
Изменение пропускания, дБ/м
6
∆αобщ
∆αПВС
4
2
0
-2
-4
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.22 Общее изменение пропускания и оценочное изменение пропускания, обусловленное
исключительно ПВС.
На графиках спектров наведенных потерь на фоне монотонного спада ПВС
наблюдается полоса просветления в области 1100 нм, соответствующая лазерному
переходу (Рис. 3.23). Мы представили спектр в виде суммы двух функций:
монотонно возрастающей функцией ПВС и Гаусса (Рис. 3.22).
Изменение пропускания, дБ/м
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Длина волны, нм
Рис. 3.23 Изменение пропускания, обусловленное усилением активных центров.
106
ASB-50.0
ASB-17.0
ASB-8.6
ASB-3.3
ASB-1.5
100
ПВС, дБ/м
10
1
0,1
800
1000
1200
1400
1600
Длина волны, нм
Рис. 3.24 Спектры, характеризующие ПВС в ASB световодах.
Для того, чтобы оценить ПВС из спектров наведенных потерь был вычтен
оцененный выше спектр усиления. Полученные графики приведены на Рис. 3.24.
Спектры ПВС монотонно убывают по экспоненциальному закону от 900 нм.
Какие-либо характерные пики отсутствуют. Наклон кривых у световодов с
различной концентрацией примерно одинаков и незначительно падает с
увеличением концентрации. Неровности спектров в области 1150 нм для ASB0.83 образцов связаны с неточностью оценок усиления. Следует отметить, что
спектры ПВС получены для предельной инверсии населенности при данной длине
волны накачки (1,06 мкм). Наклон кривых у световодов с различной
концентрацией примерно одинаков и незначительно падает с увеличением
концентрации.
Взяв значения ПВС на 900, 1200 и 1500 нм для каждого световода из серии
и построив их от концентрации, мы получили графики зависимости ПВС на
различных длинах волн от поглощения ВАЦ (Рис. 3.25). Графики построены в
логарифмическом масштабе. Зависимости могут быть хорошо аппроксимированы
степенной функцией вида (Abs)x, где x зависит от длины волны и составляет 1.5,
1.6 и 1.8 для 900, 1200 и 1500 нм соответственно.
107
900 нм
1200 нм
1500 нм
100
Abs
Abs
10
ПВС, дБ/м
1,5
1,6
Abs
1,8
1
0,1
0,01
1
10
[email protected],0мкм, дБ/м
Рис. 3.25 Зависимости ПВС на различных длинах волн от поглощения ВАЦ.
108
Как
было
показано
выше,
при
температуре
77К
висмутовые
алюмосиликатные световоды просветляются гораздо лучше, чем при комнатной.
Данное поведение может быть объяснено ростом ПВС с температурой.
Зависимость ПВС на 900 нм от концентрации (поглощения) ВАЦ при комнатной
температуре и при 77 К представлена на Рис. 3.26 в логарифмическом масштабе.
100
ПВС, дБ/м
Abs
1,5
10
Abs
900 нм
900 нм (77K)
1,7
1
0,1
1
10
100
[email protected],0мкм, дБ/м
Рис. 3.26 Зависимость ПВС на 900 нм от концентрации (поглощения) ВАЦ при комнатной температуре и
при 77 К.
Разница при некоторых температурах составляет до двух раз. Такое
поведение ПВС может объяснить существенных наклон зависимости КПД от
температуры в лазерах на висмутовых алюмосиликатных световодах
3.4. Выводы по главе 3
В данной главе проведено исследование ПВС в висмутовых волоконных
световодах различных составов сердцевины в широком спектральном диапазоне.
Было показано, что в исследованном диапазоне концентраций висмута в германои фосфоросиликатных световодах практически не наблюдается явление ПВС в
ИК полосе усиления висмутовых активных центров. В алюмосиликатных
световодах поглощение из возбужденного состояния присутствует в диапазоне
длин волн от 750 до 1700 нм, монотонно возрастая от 1700 до 900 нм и затрагивая
область оптического усиления 1150-1200 нм. Кроме того, обнаружено, что ПВС
109
нелинейно зависит от концентрации висмутовых активных центров (ВАЦ).
Зависимость ПВС от концентрации ВАЦ может быть аппроксимирована
степенной функцией с показателем 1,5-1,8. Обнаружено, что уровень ПВС
снижается при понижении температуры, снижение достигает 2х раз для
световодов с низкой концентрацией ВАЦ при температуре 77 К. Полученные по
ПВС данные позволяют утверждать, что данный эффект существенно влияет на
КПД лазеров и усилителей и является одним из основных механизмов,
ответственных
за
снижение
КПД
при
росте
концентрации
ВАЦ
в
алюмосиликатных световодах наряду с ростом серых потерь. Степенная
зависимость роста ПВС с ростом концентрации ВАЦ целиком ответственна за
снижение
уровня
концентрации.
on/off
усиления
и
появление
затемнения
при
росте
110
Заключение
В
диссертационной
работе
разработаны,
созданы
и
исследованы
суперлюминесцентные источники излучения на активных висмутовых световодах
с различными матрицами стекла сердцевины.
На одномодовом геманосиликатном световоде, легированном висмутом,
впервые создан СВИ генерирующий широкополосное излучение вблизи 1,44 мкм.
Средневзвешенная длина волны выходного излучения составила 1441 нм, ширина
спектра на полувысоте – 25 нм. СВИ обладает КПД в 31%, что сравнимо с КПД
эффективных эрбиевых СВИ с накачкой на 0,98 мкм. Выходная мощность
составила
83 мВт
средневзвешенной
при
накачке
длины
волны
264 мВт.
оказалась
Температурная
на
уровне
стабильность
0,27 %
во
всем
температурном диапазоне. Спектр излучения имел форму близкую к гауссовой
функции.
На одномодовом фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом,
впервые создан СВИ генерирующий широкополосное излучение на 1,34 мкм.
Средневзвешенная длина волны выходного излучения составила 1336 нм, ширина
спектра на полувысоте – 26 нм. Выходная мощность составила 48 мВт при
суммарной мощности накачки в первом и втором каскаде 600 мВт. Форма спектра
близка к гауссовой кривой, ширина спектра на полувысоте составила 26 нм на
максимальной мощности. Впервые был продемонстрирован СВИ, работающий в
области 1,34 мкм, с эффективностью, сопоставимой с широко используемыми
СВИ на редкоземельных элементах. Следует отметить, что это лишь одна из
возможных реализаций СВИ на висмутовом фосфоросиликатном световоде,
возможна оптимизация схемы в соответствии с требованиями к характеристикам
выходного сигнала.
В работе проведено исследование ПВС в висмутовых волоконных
световодах различных составов сердцевины в широком спектральном диапазоне.
В работе показано, что в исследованном диапазоне концентраций висмута в
111
германо- и фосфоросиликатных световодах практически не наблюдается явление
ПВС в ИК полосе усиления висмутовых активных центров. В алюмосиликатных
световодах поглощение из возбужденного состояния присутствует в диапазоне
длин волн от 750 до 1700 нм, монотонно возрастая от 1700 до 900 нм и затрагивая
область оптического усиления 1100-1220 нм. Кроме того, обнаружено, что ПВС
нелинейно зависит от концентрации висмутовых активных центров (ВАЦ).
Зависимость ПВС от концентрации ВАЦ может быть аппроксимирована
степенной функцией с показателем 1,5-1,8 в зависимости от длины волны.
Степенная зависимость роста ПВС с ростом концентрации ВАЦ целиком
ответственна за снижение уровня on/off усиления и появление затемнения при
росте концентрации. Обнаружено, что уровень ПВС снижается при понижении
температуры, снижение достигает 2х раз для световодов с низкой концентрацией
ВАЦ при температуре 77К. Полученные результаты позволяют утверждать, что
ПВС существенно влияет на КПД лазеров и усилителей и является одним из
основных механизмов ответственных за снижение КПД при росте концентрации
ВАЦ в алюмосиликатных световодах наряду с ростом серых потерь.
112
Литература
[1]
Y. Fujimoto, “New Infrared Luminescence from Bi-doped Glasses,” in:
Advances in Solid-State Lasers: Development and Applications, M. Grishin, Ed.
Croatia: INTECH, 2010, chapter 2, pp.25-44.
[2]
M. Peng, Q. Zhao, J. Qiu, and L. Wondraczek, “Generation of Emission
Centers for Broadband NIR Luminescence in Bismuthate Glass by Femtosecond Laser
Irradiation,” J. Am. Ceram. Soc. vol. 92, no.2, pp.542-544, 2009.
[3]
D. Ehrt, "Structure, properties and applications of borate glasses," Glass
Tech., vol.41, no. 6, pp.182–185, 2000.
[4]
I.A. Bufetov, E.M. Dianov, “Bi-doped fiber lasers,” Laser Physics Lett.,
vol.6, pp.487-504, 2009.
[5]
V. V. Dvoyrin, V. M. Mashinsky, L. I. Bulatov, I. A. Bufetov, A. V.
Shubin, M. A. Melkumov, E. F. Kustov, E. M. Dianov, A. A. Umnikov, V. F. Khopin,
M. V. Yashkov, and A. N. Guryanov, “Bismuth-dopedglass optical fibers—a new active
medium for lasers and amplifiers,” Opt. Lett., vol.31, no.20, pp. 2966-2968, 2006.
[6]
V. V. Dvoyrin, V. M. Mashinsky, and E. M. Dianov, “Efficient Bismuth-
Doped Fiber Lasers,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 44, no. 9, pp. 834-840, 2008.
[7]
M.A. Melkumov, A.I. Frantovskaya, S.V. Firstov, V.F. Khopin, G.A.
Bufetova, A.N. Guryanov, I.A. Bufetov, E.M. Dianov, "Quantum yield measurements
in Bismuth-doped germanosilicate fibers," in: 20th International Laser Physics
Workshop, Sarajevo, 2011, paper P4.1.
[8]
I.A. Bufetov, M.A. Melkumov, S.V. Firstov, K.E. Riumkin, A.V. Shubin,
V.F. Khopin, A.N. Guryanov, E.M. Dianov, "Bi-Doped Optical Fibers and Fiber
Lasers," Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of , vol.20, no.5,
pp.1,15, Sept.-Oct. 2014.
[9]
I.A. Bufetov, S.L. Semenov, V.V. Velmiskin, S.V. Firstov, G.A. Bufetova,
E.M. Dianov, “Optical properties of active bismuth centres in silica fibres containing no
other dopants”, Quantum Electron., vol. 40, pp.639-641, 2010.
113
[10]
S.V. Firstov, V.F. Khopin, I.A. Bufetov, E.G. Firstova, A.N. Guryanov,
and E.M. Dianov, “Combined excitation-emission spectroscopy of bismuth active
centers in optical fibers,” Opt. Exp., vol.19, no. 20, pp.19551-19561, 2011.
[11]
L.Skuja, "Optically active oxygen-deficiency-related centers in amorphous
silicon dioxide," J. Non-Crystalline Solids, vol. 239, pp.16-48, 1998.
[12]
D.L. Griscom, "Optical properties and structure of defects in silica glass,"
J. Ceramic Society of Japan, the centennial memorial issie, vol. 99, no. 10, pp.923-942,
1991.
[13]
M. Neff, V. Romano, W. Luethy, “Metal-doped fibres for broadband
emission: Fabrication with granulated oxides,” Optical Materials, vol. 31, pp. 247-251,
2008.
[14]
I. Razdobreev, H.El Hamzaoui, V.Yu. Ivanov, E.F. Kustov, B. Capoen and
M. Bouazaoui, “Optical spectroscopy of bismuth-doped pure silica fiber perform,” Opt.
Lett., vol. 35, pp. 1341-1343, 2010.
[15]
A. S. Zlenko, V. M. Mashinsky, L. D. Iskhakova, S. L. Semjonov, V. V.
Koltashev, N. M. Karatun, and E. M. Dianov, "Mechanisms of optical losses in Bi:SiO2
glass fibers," vol. 20, no. 21, pp.23186-23200, 2012.
[16]
S. V. Firstov, V. F. Khopin, V. V. Velmiskin, E. G. Firstova, I. A. Bufetov,
A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Anti-Stokes luminescence in Bismuth-doped silica
and germania-based fibers," Optics Expess, vol. 21, no.15, pp.18408-18413, 2013.
[17]
V. B. Neustruev, "Colour centres in germanosilicate glass and optical
fibres," J. Phys.:Condens. Matter, vol. 6, pp.6901-6936, 1994.
[18]
Y. Arai, T. Sizuki, and Y. Ohishi, “Spectroscopic properties of
bismuthdoped silicate glasses for ultra-broadband near-infrared gain media,” Glass
Technology: European Journal of Glass Science and Technology, Part A, vol. 51, pp.
86-88, 2010.
[19]
L.I. Bulatov, V.M. Mashinsky, V.V. Dvoyrin, A.P. Sukhorukov,
“Spectroscopic study of bismuth centers in aluminosilicate optical fibers,” Journal of
radio electronics, no. 3, pp.1-19, 2009, (in Russian).
114
[20]
S.V. Firstov, I.A. Bufetov, V. F. Khopin, A.V. Shubin, A.M. Smirnov, L.D.
Iskhakova, N.N. Vechkanov, A.N. Guryanov, and E.M. Dianov, "2 W bismuth doped
fiber lasers in the wavelength range 1300 – 1500 nm and variation of Bi-doped fiber
parameters with core composition," Laser Physics Letters, vol. 6, no. 9, pp.665–670,
2009.
[21]
Y. Fujimoto and M. Nakatsuka, “Infrared luminescence from bismuth-
doped silica glass”, Jpn. J. Appl. Phys, vol. 40, pp. L279-L281, 2001.
[22]
X. Meng, J. Qiu, M. Peng, D. Chen, Q Zhao, X. Jiang, and C. Zhu, "Near
infrared broadband emission of bismuth-doped aluminophosphate glass," Optics
Express, vol. 13, pp. 1628-1634, 2005.
[23]
J. Ren, L. Yang, J. Qiu, D. Chen, X. Jiang, C. Zhu, "Effect of various
alkaline-earth metal oxides on the broadband infrared luminescence from bismuthdoped silicate glasses," Solid State Communications, vol. 140, pp. 38–41, 2006.
[24]
S. Khonton, S. Morimoto, Y. Arai, and Y. Ohishi, "Luminescence
Characteristics of Te- and Bi-doped Glasses and Glass-Ceramics," Journal of the
Ceramic Society of Japan, vol. 115, no. 4, pp. 259-263, 2007.
[25]
V. O. Sokolov, V. G. Plotnichenko, and E. M. Dianov, "Origin of
broadband near-infrared luminescence in bismuth-doped glasses," Opt. Lett., vol. 33,
no. 13, pp.1488-1490, 2008.
[26]
B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, I. Shulman, S. Sverchkov, and E.
Dianov, "The IR Emitting Centers in Bi-doped Mg–Al–Si Oxide Glasses," Laser
Physics, vol. 19, no. 5, pp. 1105-1111, 2009.
[27]
M. Yu. Sharonov, A. B. Bykov, V. Petricevic, and R. R. Alfano,
"Spectroscopic study of optical centers formed in Bi-, Pb-, Sb-, Sn-, Te-, and In-doped
germanate glasses," Opt. Lett., vol. 33, no.18, pp.2131-2133, 2008.
[28]
G. Lakshminarayana, R. Yang, M. Mao, Y. Zhang, and J. Qiu, "Spectral
analysis of optical centres formed in Bi-, Bi/Yb-, Pb-, Pb/Yb-, Sb-, Sb/Yb- and Sn-,
Sn/Yb-co-doped germanate glasses," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 42, 145108 (8pp),
2009.
115
[29]
M. Peng, G. Dong, L. Wondraczek, L. Zhang , N. Zhang, and J. Qiu,
"Discussion on the origin of NIR emission from Bi-doped materials". J Non-Cryst
Solids, vol. 357, pp. 2241–2245, 2011.
[30]
V. O. Sokolov, V. G. Plotnichenko, and E. M. Dianov, "The origin of near-
IR luminescence in bismuth-doped silica and germania glasses free of other dopants:
First-principle study," Optical Materials Express, vol. 3, no. 8, pp. 1059-1074, 2013.
[31]
E.M. Dianov, S.V. Firstov, V.F. Khopin, A.N. Guryanov, and I.A.
Bufetov, "Bi-doped fibre lasers and amplifiers emitting in a spectral region of 1.3 µm,"
Quantum Electron., vol. 38, no.7, pp.615-617, 2008.
[32]
I.A. Bufetov, S.V. Firstov, V.F. Khopin, O.I. Medvedkov, A.N. Guryanov,
and E.M. Dianov, " Bi-doped fiber lasers and amplifiers for a spectral region of 1300–
1470 nm," Opt. Lett., vol. 33, no. 19, pp.2227-2229, 2008.
[33]
V.V.Dvoyrin, O.I. Medvedkov, V.M.Mashinsky, A.A.Umnikov, A.N.
Guryanov, and E.M. Dianov, “Optical amplification in 1430-1495 nm range and laser
action in Bi-doped fibers”, Optics Express, vol. 16, pp.16971-16976, 2008.
[34]
I.A. Bufetov, M.A. Melkumov, S.V. Firstov, A.V. Shubin, S.L. Semenov,
V.V. Velmiskin, A.E. Levchenko, E.G. Firstova, E.M. Dianov, “Optical gain and laser
generation in bismuth-doped silica fibers free of other dopants,” Optics Lett., vol. 36,
no. 2, pp.166-168, 2011.
[35]
I. Razdobreev, H. El Hamzaoui, L. Bigot, V. Arion, G. Bouwmans, A.Le
Rouge, M. Bouazaoui. “Optical properties of Bismuth-doped silica core photonic crystal
fiber”, Optics Express, vol. 18, no. 19, pp.19479-19484, 2010.
[36]
A. V. Shubin, I. A. Bufetov, M. A. Melkumov, S. V. Firstov, O. I.
Medvedkov, V. F. Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, " Bismuth-doped silicabased fiber lasers operating between 1389 and 1538 nm with output power of up to 22
W," Opt. Lett., vol. 37, pp. 2589-2591, 2012
[37]
E.M. Dianov, S.V. Firstov, V.F. Khopin, O.I. Medvedkov, A.N. Guryanov,
I.A. Bufetov, " Bi-doped fibre lasers operating in the range 1470 - 1550 nm," Quantum
Electron., vol. 39, no.4, pp.299-301. 2009.
116
[38]
I.A. Bufetov, M.A. Melkumov, V.F. Khopin, S.V. Firstov, A.V. Shubin,
O.I. Medvedkov, A.N. Guryanov, E.M. Dianov, “Efficient Bi-doped fiber lasers and
amplifiers for the spectral region 1300-1500 nm,” Proc. of SPIE, vol. 7580, 758014
(9pp.), 2010.
[39]
E. M. Dianov, A. V. Shubin, M. A. Melkumov, O. I. Medvedkov, and I. A.
Bufetov, "High-power cw bismuth-fiber lasers," J. Opt. Soc. Am. B vol. 24, pp.17491755, 2007.
[40]
M. A. Melkumov, I. A. Bufetov, A. V. Shubin, S. V. Firstov, V. F. Khopin,
A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, " Laser diode pumped bismuth-doped optical fiber
amplifier for 1430 nm band," Opt. Lett., vol. 36, no.13, pp. 2408-2410, 2011.
[41]
I.A. Bufetov, A.V. Shubin, S.V. Firstov, M.A. Melkumov, V.F. Khopin,
A.N. Guryanov, E.M.Dianov, "High-power cw 1.27 μm Bi-doped fiber laser," in: Conf.
on Lasers and Electro-optics (CLEO/Europe 2011), Munich, 2011, paper CJ8.2THU.
[42]
E.M. Dianov, V.V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, A.A. Umnikov, M.V.
Yashkov, and A.N. Guryanov, Quantum Electron., vol.35, 1083, 2005.
[43]
I. Razdobreev, L. Bigot, V. Pureur, G. Bouwmans, M. Douay, and A.M.
Jurdyc, in: Proc. 15th International Laser Physics Workshop(LPHYS’06), Lausanne,
Switzerland, 2006.
[44]
S. Yoo, M.P. Kalita, J.K. Sahu, J. Nilsson, and D. Payne, " BismuthDoped
Fiber Laser at 1.16 μm," in: Proc. Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO),
San Jose, CA, USA, 2008, paper CFL4.
[45]
I. Razdobreev, L. Bigot, V. Pureur, G. Bouwmans, M. Douay, Appl. Phys.
Lett., vol. 90, no. 3, 031103, 2007.
[46]
E.M. Dianov, I.A. Bufetov, V.V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, O.I.
Medvedkov, "Yellow frequency-doubled bismuth fibre laser," in Proc. European
Conference on Optical Communications (ECOC), Cannes, 2006, paper Th2.3.1
[47]
A.B. Rulkov, A.A. Ferin, S.V. Popov, J.R. Taylor, I. Razdobreev, L. Bigot
and G. Bouwmans, "Narrow-line, 1178nm CW bismuth-doped fiber laser with 6.4W
117
output for direct frequency doubling" Optics Express, vol. 15, no. 9, pp. 5473-5476,
2007.
[48]
V.V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, and E.M. Dianov, ""Yellow" CW
frequency-doubled fiber lasers," in: Proc.17th International Laser Physics Workshop
(LPHYS’08), Trondheim, Norway, p. 525, 2008.
[49]
E.M. Dianov, S.V. Firstov, S.V. Alyshev, K.E. Riumkin, A.V. Shubin, V.F.
Khopin, A.N. Gur'yanov, O.I. Medvedkov and M.A. Mel'kumov, "A new bismuthdoped fibre laser, emitting in the range 1625 – 1775 nm", Quantum Electron. vol. 44, ,
no.6, p. 503, 2014.
[50]
E. Dianov, S. Firstov, S. Alyshev, K. Riumkin, A. Shubin, V. Khopin, A.
Guryanov, O. Medvedkov, M. Melkumov, “New Bismuth-Doped Fiber Laser Operating
at 1625 - 1775 nm,” in Proc. European Conference on Optical Communications
(ECOC), Cannes, 2014, paper P.1.5
[51]
E.M. Dianov, A.A.Krylov, V.V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, P.G.Kryukov,
O.G. Okhotnikov, and M. Guina, "Mode-locked Bi-doped fiber laser," J. Opt. Soc. Am.
B, 27, 1807-1808, 2007.
[52]
A.A. Krylov, V.V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, P.G. Kryukov, O.G.
Okhotnikov, M. Guina, "Mode locking in a bismuth fibre laser by using a SESAM,"
Quantum Electron., vol. 38, no. 3, pp.233-238, 2008.
[53]
S. Kivistö, J. Puustinen, M. Guina, O.G. Okhotnikov, and E.M. Dianov,
"Tunable modelocked bismuth-doped soliton fibre laser,"Electron. Lett., vol. 44, pp.
1456-1458, 2008.
[54]
A.A. Krylov, P.G. Kryukov, E.M. Dianov, O.G. Okhotnikov, M. Guina,
"Pulsed bismuth fibre laser with the intracavity-compensated group velocity
dispersion," vol.39, no.1, pp.21-24, 2009.
[55]
A.A. Krylov, P.G. Kryukov, E.M. Dianov, and O.G. Okhotnikov,
"Picosecond pulse generation in a passively mode-locked Bi-doped fibre laser,"
Quantum Electron., vol.39, no.10, pp.882-886, 2009.
118
[56]
S. Kivisto, J. Puustinen, M. Guina, R. Herda, S. Marcinkevicius, E. Dianov,
and O. Okhotnikov, "Pulse dynamics of a passively mode-locked Bi-doped fiber laser,"
Opt. Express 18, 1041-1048 (2010).
[57]
R. Gumenyuk, J. Puustinen, A. V. Shubin, I. A. Bufetov, E. M. Dianov,
and O. G. Okhotnikov, "1.32 μm mode-locked bismuth-doped fiber laser operating in
anomalous and normal dispersion regimes," Opt. Lett., vol. 38, no.20, pp.4005-4007,
2013.
[58]
M. Jung, M. Melkumov, V. F. Khopin, E. M. Dianov, J. Y. Kim, and J. H.
Lee, "Self-Q-switching of a bismuth-doped germanosilicate fiber laser operating at 1.46
mkm," Laser Physics Letters, vol.10, 125104, 2013.
[59]
V. V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, E.M. Dianov, "Yb-Bi pulsed fiber lasers,"
Opt. Lett., vol. 32, no.5, pp.451-453, 2007.
[60]
E.M. Dianov, M.A. Melkumov, A.V. Shubin, S.V. Firstov, V.F. Khopin,
A.N. Guryanov, I.A. Bufetov, " Bismuth-doped fibre amplifier for the range 1300 1340 nm," Quantum Electron., vol.39, no. 12, pp.1099-1101, 2009.
[61]
S. F. Norizan, W. Y. Chong, S. W. Harun, and H. Ahmad, "O-Band
Bismuth-Doped Fiber Amplifier With Double-Pass Configuration," IEEE Photonics
Technology Letters, vol. 23, no. 24, pp.1860-1862, 2011.
[62]
B. H. Chapman, E. J. R. Kelleher, K. M. Golant, S. V. Popov, and J. R.
Taylor, “Amplification of picosecond pulses and gigahertz signals in bismuth-doped
fiber amplifiers”, Optics Lett., vol. 36, no. 8, pp. 1446-1448, 2011.
[63]
Y. Fujimoto and M. Nakatsuka, “Optical amplification in bismuth-doped
silica glass”, Appl. Phys. Lett., vol. 82, no. 19, pp.3325-3326, 2003.
[64]
Y.-S. Seo, Y. Fujimoto, and M. Nakatsuka, “Optical amplification in a
bismuth-doped silica glass at 1300 nm telecommunication window,” Optics
Communications, vol. 266, pp.169-171, 2006.
[65]
S. Zhou, H. Dong and H. Zeng, G. Feng, H. Yang, B. Zhu, and J. Qiu,
“Broadband optical amplification in Bi-doped germanium silicate glass”, Appl. Phys.
Lett., 91, 061919, 2007.
119
[66]
Y.-S. Seo, Y. Fujimoto, and M. Nakatsuka, “Optical amplification in a
bismuth-doped silica fiber,” Pros. of SPIE, vol. 6351, p.63512C, 2006.
[67]
Y. S. Seo, C. Lim, Y. Fujimoto, and M. Nakatsuka, “9.6 dB Gain at a 1310
nm Wavelength for a Bismuth-doped Fiber Amplifier,” Journal of the Optical Society of
Korea, vol. 11, no. 2, , pp. 63-66, 2007.
[68]
P. F. Wysocki, M. J. F. Digonnet Characteristics of Erbium-Doped
Superfluorescent Fiber Sources for Interferometric Sensor Applications, Journal Of
Lightwave Technology, Volume 12, No. 3, March 1994.
[69]
L. A. Wang and C. D. Su, Modeling of a Double-Pass Backward Er-Doped
Superfluorescent Fiber Source for Fiber-Optic Gyroscope Applications, Journal Of
Lightwave Technology, Vol. 17, No. 11, November 1999.
[70]
H. G. Park, M. Digonnet, “Er-Doped Superfluorescent Fiber Source With a
0.5-ppm Long-Term Mean-Wavelength Stability”, Journal Of Lightwave Technology,
Vol. 21, No. 12, December 2003.
[71]
Rare-earth-doped fiber lasers and amplifiers, 2nd edition. Michel Digonnet
(Ed.); Marcel Dekker Inc., New York, Basel, 2001.
[72]
L.A. Wang, C.D. Chen, Characteristics Comparison of Er-Doped Double-
Pass Superfluorescent Fiber Sources Pumped Near 980 nm, IEEE Photonics Technology
Letters, Volume: 9, Issue:4, pp 446 – 448, 1997.
[73]
P. F. Wysocki, M. J. F. Digonnet, and B. Y. Kim, Wavelength stability of a
high-output, broadband, Er-doped superfluorescent fiber source pumped near 980 nm,
Optics Letters, vol.16, no. 12, 1991.
[74]
Y. Ohishi, T. Kanamori, S. Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys., 30, L1282,
1991.
[75]
E. M. Dianov, “Bismuth-doped optical fibers: a challenging active medium
for near-IR lasers and optical amplifiers,” Light Sci. Appl. 1, e12, 2012.
[76]
M. P. Kalita, S. Yoo, and J. Sahu, “Bismuth doped fiber laser and study of
unsaturable loss and pump induced absorption in laser performance,” Opt. Express 16,
21032-21038, 2008.
120
[77]
A. V. Kir’yanov, V. V. Dvoyrin, V. M. Mashinsky, Yu. O. Barmenkov and
E. M. Dianov, “Nonsaturable absorption in alumino-silicate bismuth-doped fibers”, J.
Appl. Phys. 109, 023113, 2011.
[78]
J. E. Román, M. Hempstead, C. Ye, S. Nouh, P. Camy, P. Laborde and C.
Lerminiaux, “1.7 μm excited state absorption measurement in erbium‐doped glasses,”
Appl. Phys. Lett., vol. 67, p. 470, 1995.
[79]
R. I. Laming, S. B. Poole, E. J. Tarbox, “Pump excited-state absorption in
erbium-doped fibers,” Opt. Lett., vol. 13, no. 12, pp. 1084-1086, 1988.