CC BY
129
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №1/2016 ISSN 2410-6070
2. Гайкович А.И. Основы теории проектирования сложных технических систем. МОРИНТЕХ, СПб, 2001.
3. Lee S-J. A novel control algorithm for static series compensators by use of PQR instantaneous power theory / S-J. Lee, H. Kim, S-K. Sul, F. Blaabjerg // IEEE Trans. On Power Electron., vol. 19, no. 3, 2004. - pp. 814-827.
4. Руководство к своду знаний по управлению проектами, третье издание, Американский национальный стандарт ANSI/PMI 99-001-2004.
5. http://mon.gov.ru/dok/ukaz/nti/4406.
© Э.В. Альшевский, О.В. Нос, 2016
УДК 681.7.068
В.Г. Беспрозванных, к.ф.-м.н., доцент Е.С. Селина, студентка 4 курса Факультет прикладной математики и механики Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Г. Пермь, Российская Федерация
КООПЕРАТИВНЫЕ АП-КОНВЕРСИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ В АКТИВНЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ
Аннотация
В работе содержится анализ физических механизмов ап-конверсионных переходов в активном оптическом волокне. Представлены экспериментальные данные по определению степени кластеризации ионов активатора и проверке модифицированной теоретической модели.
Ключевые слова
Активный волоконный световод, степень кластеризации, ап-конверсионный переход, квантовая
эффективность усиления.
В настоящее время волоконные световоды, легированные эрбием Ег, широко применяются в волоконно-оптических усилителях и лазерах. При добавлении этого легирующего элемента в кварцевое стекло, атомы Ег окисляются и трансформируются в ионы Ег3+, которые, главным образом, и определяют такие характеристики активной среды, как рабочая длина волны и ширина полосы усиления.
Исследования, представленные в работах [1, с. 559; 2, с. 46], показывают, что в волокнах с концентрацией ионов Ег3+, превышающей определенное пороговое значение, эффективность усиления и генерации резко снижается. При этом величина предельной концентрации зависит от наличия и концентрации других легирующих примесей. Падение эффективности объясняется кластеризацией ионов Ег3+, сопровождающейся кооперативным ап-конверсионным переходом, названным так по аналогии с нелинейно-оптическими процессами преобразования частоты, которые приводят к ее увеличению [3, с. 25].
Физика ап-конверсионного перехода состоит в следующем. Введение ионов Ег3+ в матрицу кварцевого стекла в достаточно больших количествах затруднено из-за их недостаточной растворимости. Для каждого иона активатора, растворенного в стекле, требуются три немостиковых атома кислорода О для компенсации заряда. Поскольку катионы Ег3+ создают сильную напряженность электрического поля, пропорциональную г/г (где 2 = 3 - валентность катиона, г - ионный радиус), то нужно достаточно большое количество немостиковых атомов О для экранирования этого поля. В жесткой сетке кварцевого стекла ионы Ег3+ не могут вызвать координацию необходимого количества этих немостиковых атомов. Энергетически выгодным
становится создание кластеров (областей с высокой концентрацией) катионов Бг3+ с образованием общего окружения немостиковых атомов О.
С увеличением концентрации ионов активатора уменьшается среднее расстояние между ними, и становятся существенными дополнительные каналы релаксации возбуждения. Одним из таких каналов является эффект ап-конверсии. Он заключается во взаимодействии двух близкорасположенных возбужденных ионов эрбия, находящихся в кластере, с последующей безызлучательной релаксацией одного из них. Таким образом, энергия одного возбужденного иона переходит в тепло. При этом половина ионов, входящих в кластер (если считать, что кластер состоит только из двух активных ионов) находится на основном уровне вне зависимости от мощности накачки и не участвует в процессе усиления. На рис. 1 приведена схема перехода для пары ионов, где пунктирными стрелками показаны безызлучательные процессы, сплошной линией - излучательный.
Кластеризация ионов Бг3+ приводит к снижению инверсии заселенности энергетических уровней, падению эффективности усиления эрбиевых оптических волокон. В результате возникают потери как мощности накачки, так и усиленного сигнала.
Рисунок 1 - Ап-конверсионный переход в паре ионов Бг3+.
Рассмотренный физический механизм объясняет зависимость квантовой эффективности усилителя от концентрации ионов активатора (рис. 2). Для правой ветви графика с ростом абсолютной концентрации оксида эрбия квантовая эффективность падает, что обусловлено возрастанием относительной доли кластеризованных ионов. Возникновение эффекта кооперативной ап-конверсии фактически определяет верхний предел концентрации ионов Бг3+. В работе [1, с. 562] приводятся данные, что квантовая эффективность световода с сердцевиной на основе алюмосиликатного стекла при относительно невысокой концентрации ионов Бг3+ (~ 1018 см-3) достигает примерно 85%, а у световодов с концентрацией активных ионов до 1020 см-3 она падает до 33%.
Квантовая эффективность
п п
mm max
Концентрация ионов эрбия
Рисунок 2 - Зависимость квантовой эффективности усилителя от концентрации ионов Бг3+.
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №1/2016 ISSN 2410-6070
Таким образом, для создания эффективных устройств (усилителей, лазеров, широкополосных источников излучения) с использованием оптических волокон в качестве активной среды актуальной задачей является исследование зависимости степени кластеризации ионов Бг3+ от их концентрации.
В данной статье приводятся результаты экспериментальной проверки модифицированной теоретической модели кластеризации ионов Бг3+ в активном оптическом волокне, предложенной авторами совместно с коллегами в работе [4, с. 30].
Для определения степени кластеризации ионов Бг3+ (доли релаксирующих ионов) и корректного учета волноводных свойств активного световода следует получить экспериментальную зависимость пропускания излучения T от вводимой мощности P, а затем сравнить измеренную зависимость Tm {P) с соответствующей
расчетной зависимостью Tc {P), полученной в предположении отсутствия передачи энергии между ионами. Тогда долю ионов k, релаксирующих на основной уровень, можно определить из соотношения:
La Tm
где L — длина отрезка световода, а - коэффициент поглощения, измеренный в режиме слабого входного сигнала.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 3. В качестве источника накачки использовался диодный лазер с волоконным выходом и выходной мощностью 180 мВт на длине волны 0,974 мкм. Выходная мощность на конце волоконного световода контролировалась измерителем мощности. Во всех волокнах накачка осуществлялась в многомодовом режиме.
Диодный лазер накачки
WDM
Измеритель мощности
Иммерсионная жидкость
Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки.
Объектами исследования были выбраны активные волоконные световоды, изготовленные по MCVD-технологии, параметры которых представлены в таблице 1. Здесь Хс - длина волны отсечки.
Таблица 1
Основные параметры волоконных световодов
№ Яс ,iei Поглощение, дБ/м Диаметр, мкм Концентрация ионов эрбия, см-3 Входная апертура волокна
0,98 мкм 1,53 мкм Внешний Сердцевины
1 1,229 3,70 7,53 125,90 6,08 4,24118 • 1018 0,24
2 1,08 4,06 16,50 125,78 8,28 1,07723 • 1019 0,16
3 1,179 2,30 6,35 125,42 6,04 3,69588 • 1018 0,24
Коэффициенты поглощения измерены методом поглощения слабого сигнала, геометрические параметры световодов - методом Фурье, длина волны отсечки - методом изгиба.
В эксперименте были измерены вводимая и выходная мощности. Вводимая мощность была получена при длине волокна 10 см, а выходная - на длине вдоль световода, которая зависела от поглощения каждого
из волокон (X = 0,98 мкм). В результате были построены графики измеренной и расчетной зависимостей пропускания Т = Т(Р) от вводимой мощности для трех волоконных световодов, при этом большее расхождение измерений с расчетной (идеальной) кривой в соответствии с формулой (1) отвечает большей степени кластеризации активных ионов. Графики представлены на рис. 4.
Рисунок 4 - Графики измеренной и расчетной зависимостей пропускания от вводимой мощности.
Результаты для волоконных световодов №№ 1, 2 и 3 показывают отличие расчетных и измеренных данных, что позволяет сделать вывод о том, что степень кластеризации ионов Бг3+ у образцов №№ 1 и 2 высокая (доля релаксирующих ионов соответственно k1 = 3% и k2 = 6%), а у образца №2 3 - очень высокая (доля релаксирующих ионов k3 = 15% ). Величина k рассчитывалась по формуле (1).
Полученные результаты согласуются с моделью [4, с. 30] и могут быть использованы для прогнозирования и оптимизации характеристик волоконно-оптических устройств и систем, в частности, эрбиевых волоконных усилителей.
Список использованной литературы:
1. Усилительные свойства активных световодов с высокой концентрацией ионов эрбия / А.Ю. Плоцкий, А.С. Курков, М.Ю. Яшков, М.М. Бубнов, М.Е. Лихачев, А.А. Сысолятин, А.Н. Гурьянов, Е.М. Дианов // Квантовая электроника, 2005, т. 35, № 6. - С. 559-562.
2. Холодков А.В., Голант К.М. Особенности фотолюминесценции ионов Бг3+ в силикатных стеклах, полученных плазмохимическим осаждением в СВЧ разряде при пониженном давлении // Журнал технической физики, 2005, т. 75, вып. 6. - С. 46-53.
3. Беспрозванных В.Г., Первадчук В.П. Нелинейные эффекты в волоконной оптике. Учебное пособие. -Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2011. Сер. Инновации в образовательных программах национального исследовательского университета. - 228 с.
4. Модель кластеризации ионов эрбия в активном оптическом волокне / В.Г. Беспрозванных, Е.С. Селина, А.А. Поносова, Н.В. Сергеева // Мир науки и инноваций, 2015, т. 3, вып. 2(2). - С. 28-32.
© Беспрозванных В.Г., Селина Е.С., 2016
