CC BY
43ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ЭРБИЕВЫХ КОМПОЗИТНЫХ СВЕТОВОДОВ
Галаган Б.И.1, Денкер Б.И.1, Камынин В.А.1, Поносова А-А.1'2, Сверчков С.Е.1,
Семенов С.Л.3, Цветков В.Б.1'4
1 Институт общей физики им. А М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва 2Российский квантовый центр, г. Москва 3Научный центр волоконной оптики Российской академии наук, г. Москва 4Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16107
К актуальным задачам волоконной оптики относится увеличение концентрации ионов эрбия в активных световодах для источников излучения 1.53-1.55 мкм. Это обусловлено потенциальной возможностью улучшения мощностных и энергетических параметров излучения за счет увеличения порога нежелательных нелинейных эффектов, характерных для протяженных активных волоконных сред. Использование высококонцентрированных активных световодов должно облегчить создание одночастотных лазеров с высокой средней мощностью [1, 2] и импульсных лазеров с высокой частотой повторения импульсов [3, 4].
Наиболее перспективными материалами для высококонцентрированных эрбиевых световодов (ЭС) являются лазерные фосфатные стекла. В ряде работ продемонстрированы рекордно высокие коэффициенты усиления на единицу длины полностью фосфатных световодов [5-7]. Однако подобные световоды обладают серьезными недостатками, сдерживающими их применение на практике. Оптические и механические свойства фосфатных стекол деградируют со временем под воздействием окружающей среды, и кроме того, полностью фосфатные световоды практически не поддаются сварке с кварцевыми из-за значительной разности физических свойств этих стекол.
Коллективом авторов ИОФ РАН и НЦВО РАН были разработаны композитные световоды с сердцевиной из высококонцентрированного фосфатного стекла и оболочкой из кварцевого стекла. Предполагалось, что композитная конструкция световодов позволит использовать преимущества обоих стёкол и обеспечит одновременно высокое усиление на единицу длины и высокую механическую прочность.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании свойств разработанных световодов, легированных 1 вес.% и 3 вес.% Er3+ , и параметров волоконных источников на их основе.
Для сердцевины световодов были использованы лазерные стекла, содержащие 65 мол.% P2O5, 7 мол.% Ai2O3, 12 мол.% B2O3, 9 мол.% Li2O и 7 мол.% окислов редкоземельных ионов x-Er2O3-(7-x)-Gd2O3. В процессе вытяжки световодов состав существенно изменился из-за взаимной диффузии компонентов стёкол сердцевины и оболочки (Рисунок 1). Концентрация P2O5 в сердцевинах световодов снизилась до 20-25 мол.%, а SiO2 увеличилась до 75 мол.%. Аналогичная концентрация P2O5 может быть получена при помощи традиционной технологии изготовления заготовок активных оптических волокон методом модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD). Тем не менее, концентрации оптически активных и пассивных редкоземельных ионов в сердцевине исследованных световодов, как минимум, на порядок превышают концентрации, достижимые MCVD.
Исследованные оптические, геометрические и спектроскопические свойства изготовленных световодов приведены в Таблице 1.
Благодаря кварцевой оболочке, сварки между композитными и кварцевыми волокнами хорошо воспроизводились при использовании стандартного сварочного аппарата для телекоммуникационных волокон. Потери на сварках составляли от 0.12 дБ до 1.1 дБ.
40
38-
36-
34-
32-
30-
28-
26-
24
14
13
12
10
■7
-2-1012 Радиальная координата сердцевины (мкм)
Рис. 1. Распределение компонентов стекла в поперечном сечении сердцевины волокна (3 вес.% Бг3" , диаметр 100 мкм)
214
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
Таблица 1. Свойства эрбиевых световодов (ЭС) Параметр_ЭС#1 ЭС#2
Концентрация ионов Ег в заготовке, вес.% (см-)
Пик поглощения слабого сигнала @980 нм, дБ/см
Пик поглощения слабого сигнала @1535 нм, дБ/см Пик усиления слабого сигнала @1535 нм, дБ/см Диаметр сердцевины, мкм Числовая апертура ЫЛ Длина волны отсечки, нм
1
3
(1.02-1020) (3.Q6-1Q20)
0.44 1.25
1.4 3.65
1.6 3.10
4.3 3.6
0.265 0.288
1490 1350
Мощность введенного сигнала 15 35 нм —■— 7 дБм 0 дБм —•--10 дБм—>— - 30 дБм
На основе описанных экспериментальных активных световодов реализованы полностью волоконные широкополосные источники излучения, непрерывные волоконные лазеры, усилители и импульсные лазеры.
В однопроходных суперлюминесцентных волоконных источниках (СВИ) со встречной накачкой получено широкополосное излучение. Спектры излучения имели сложную форму с двумя пиками на длинах волн 1535 нм и 1543 нм и шириной на полувысоте порядка 2 нм и 5 нм, соответственно. Максимальная выходная мощность составила ~30 мВт при длине активной среды всего 50 см, тогда как в случае кварцевых эрбиевых световодов для достижения такого уровня мощности требуются десятки метров.
Показано, что в композитных световодах может быть достигнута высокая эффективность лазерной генерации. Выходная мощность непрерывного волоконного лазера на длине волны 1535 нм достигала 105 мВт при длине активного световода, легированного 3 вес.% Er3+ , всего 15 см. Дифференциальная эффективность по отношению к поглощенной мощности накачки с учетом потерь на сварках достигала порядка 38 %. Таким образом, высококонцентрированные световоды перспективны для создания одночастотных лазеров с высокой средней мощностью.
Благодаря уникальному составу сердцевины, получены высокие удельные коэффициенты усиления слабого сигнала - 1.6 дБ/см (1 вес.%) и 3.1 дБ/см (3 вес.%) на длине волны 1535 нм. Эти значения ниже теоретически предсказанных (4.7±0.1 дБ/см для 3 вес. % и 1.80±0.05 дБ/см для 1 вес.%), что обусловлено кооперативными процессами. Тем не менее, экспериментально полученный коэффициент усиления 3.1 дБ/см в световоде, легированном 3 вес.% ионов эрбия, является самым высоким среди волокон с аналогичной конструкцией и близким к значениям усиления полностью фосфатных световодов (от 3 до 5 дБ/см).
Использование композитного световода, легированного 3 вес.% эрбия, длиной не более 19 см в
импульсном волоконном лазере с синхронизацией мод на нелинейном вращении плоскости поляризации позволило получить параметры генерации фемтосекундных импульсов аналогичные тем, что могут быть получены с применением нескольких метров эрбиевых кварцевых световодов.
Таким образом, композитные световоды с сильнолегированной Er3+ фосфатной сердцевиной в кварцевой оболочке наиболее перспективны для создания усилителей слабого сигнала и волоконных лазеров, требующих короткую длину резонатора, а именно для одночастотных лазеров и лазеров с высокой частотой повторения импульсов.
Благодарности
Авторы выражают благодарность Ольге Николаевне Егоровой (НЦВО РАН) за предоставленные световоды и ООО "НЦВО-Фотоника" за волоконные брэгговские решетки. Работа выполнена при частичной поддержке программы президиума РАН № 5 "Фотонные технологии в зондировании неоднородных сред и биообъектов", РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-01010 и РНФ в рамках проекта 17-12-01564. Литература
1. Li L, et al, Appl. Phys. Lett., 85, 2721-3 (2004)
2. Qiu Т., IEEE Photonic Tech. L, 16, 2592-2594 (2004)
3. Ye N.N., et al, Laser Phys, 22, 1247-1251 (2012)
4. Thapa R, et al, Opt. Lett, 39, 1418-1421 (2014)
5. Hwang B.C., et al, IEEE Photonic Tech. L, 13(3), 197-199 (2001)
6. Boetti N.G, et al, J. Opt, 17, 065705 (2015)
7. Xu S. H, et al, Opt. Express, 18, 1249-1254 (2010)
40
35
30
w
д( 25
е
и н 20
е л и 15
10
5
0
100
200 300 400 500
Мощность накачки (мВт)
Рис. 2. Усиление в 10 см отрезке световода, легированного 3вес.% Ег3*
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
215
