CC BY
6ВКВ0-2023- ВОЛОКНО
ПАССИВНЫЙ СВЕТОВОД С УЛЬТРАНИЗКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ВРМБ
12 2 11 Цветков С.В. , Лобанов А.С. , Липатов Д.С. , Заушицына Т.С. , Лихачев М.Е.
1 Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,
г. Москва
2 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г.Нижний Новгород * E-mail: science@fopts.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-146-147
В настоящее время для целого ряда применений требуются одночастотные импульсные лазеры с высокой пиковой мощностью и длительностью импульсов порядка сотен наносекунд и более. Основным фактором, ограничивающим максимальную пиковую мощность в этом случае является вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). К настоящему моменту предложен целый ряд эффективных решений, позволяющих получить высокую пиковую мощность на выходе из активного световода. Так, для эрбиевых усилителей нами разработаны эрбиевые световоды с увеличенным диаметром сердцевины и накачкой по оболочке, которые позволили получить рекордно-высокие пиковые мощности для спектрального диапазона 1.55мкм [1]. В то же время в реальных усилительных системах часто требуется доставить усиленное излучение при помощи отрезка пассивного световода. Так, это могут быть пигтейлы на выходе лазера, либо схемы с накачкой активных световодов навстречу сигналу [2]. В этом случае максимальная пиковая мощность ограничивается на гораздо более низком уровне из-за развития ВРМБ в пассивном световоде на выходе из усилителя [2]. Как правило, простое увеличение диаметра сердцевины таких световодов не позволяет решить проблему, так как световод становится слишком чувствительным к изгибу, поэтому в полностью волоконных схемах необходимо использование световодов с повышенным порогом ВРМБ при сохранении соответствующих оптических характеристик.
В работе [3] показано, что существенно понизить коэффициент усиления ВРМБ в одномодовых световодах с большой площадью моды (БПМ) можно с помощью формирования неоднородного профиля акустического показателя преломления (АПП) в сердцевине, который, как известно [4], зависит от концентрации легирования и типа добавки. Также известно, что в умеренных количествах любое сочетание легирующих добавок обладает аддитивностью в отношении как оптического, так и акустического показателей преломления.
Основываясь на этом, мы разработали и изготовили пассивный волоконный световод с увеличенным диаметром поля моды (MFD = 21.5мкм@1.55мкм), обладающий ультранизким коэффициентом усиления ВРМБ — 1.2пм/Вт в максимуме. Сравнение с германо-силикатным световодом, имеющим близкий диаметр поля моды (MFD = 20.5мкм@1.55мкм, сердцевина диаметром 20 мкм и апертура NA = 0.064) показало, что нам удалось понизить коэффициент усиления ВРМБ более чем на 10 дБ (см. рис. 1г). Достижению такого эффекта, главным образом, способствуют три фактора: особая радиальная структура легирования, получаемая в результате ширина акустического спектра КУВРМБ на полувысоте (730МГц против 34МГц у стандартного) и число акустических мод (~20), эффективно возбуждаемых полем оптической интенсивности.
Радиальная структура сердцевины состоит из двух частей (рис. 1а): центральной (I) и периферической (II). Центральная часть содержит оксиды алюминия Al2O3 и германия GeO2 (рис. 1б). Обе добавки повышают оптический показатель преломления кварцевого стекла, однако неодинаково влияют на его АПП. Al2O3 понижает АПП и тем самым смещает вправо собственную частоту акустической волны в кварцевом стекле (Бриллюэновскую частоту) [4], создавая правую границу спектра ВРМБ. GeO2, в свою очередь, повышает АПП, смещая Бриллюэновскую частоту влево. Соответствующим градиентным изменением концентраций добавок Al2O3 и GeO2 по радиусу можно добиться плавного изменения АПП (рис. 1в) и создания потенциального Бриллюэновского частотного окна для распределения части спектра коэффициента усиления ВРМБ. В нашем случае, при проектной числовой апертуре световода NA = 0.076 ограничение концентраций Al2O3 и GeO2 позволило создать Бриллюэновское частотное окно шириной ~250МГц в области от 11 до 11.25ГГц при длине волны света 1555нм (рис. 1г).
Для дальнейшего уширения окна была добавлена периферическая часть сердцевины (II), содержащая оксид фосфора P2O^ фтор F. Обе добавки увеличивают АПП, однако по-разному влияют на оптический показатель преломления, поэтому не имеют ограничений, связанных с числовой апертурой световода, но только технологические. В рамках последних [5] удалось добиться
ВКВО-2023- ВОЛОКНО
дополнительного сдвига Бриллюэновской частоты влево почти до 10.25 ГГц, что в совокупности дало Бриллюэновское окно шириной ~1ГГц.
Радиальная координата, мкм Акустическая частота, ГГц
Рис. 1. а) Оптический профиль показателя преломления An нового световода; б) распределения концентраций легирующих добавок; в) профиль АПП; г) измеренные спектры коэффициента усиления ВРМБ для 1 = 1555нм
В силу градиентного распределения добавок по радиусу сердцевины удалось получить в совокупности многомодовый профиль АПП (рис. 1в). При ширине Бриллюэновской линии от одной акустической моды ~50МГц, столь большая потенциальная ширина спектра усиления ВРМБ позволяет насытить его довольно большим числом акустических мод ~20 без избыточного перекрытия их линий (с расстоянием между собственными частотами ~50МГц). Для достижения такого числа азимутально-симметричных направляемых акустических мод (ибо только такие моды могут быть эффективно возбуждены полем фундаментальной оптической моды) к сердцевине был добавлен акустически плотный слой (III), легированный относительно большим количеством P2O5 и F (рис. 1б), но так, чтобы его результирующий показатель преломления не превышал показателя преломления внешней кварцевой оболочки.
В итоге, измерения спектров коэффициента усиления ВРМБ (рис. 1г) показали, что сформированный в новом световоде профиль АПП обеспечивает эффективное участие большинства азимутально-симметричных акустических мод в процессе ВРМБ, а следовательно, дает широко распределенный и на порядок более низкий спектр усиления ВРМБ по сравнению с аналогичным по оптике германо-силикатным световодом с БПМ. Дальнейшее понижение максимума спектра усиления ВРМБ возможно в пределах 2-3дБ и связано с реализацией технологических пределов одновременного легирования Р205и F [5] и тонкой оптимизации получаемых форм распределения добавок для максимального выравнивания профиля спектра усиления ВРМБ.
Коллектив авторов выражает благодарность сотруднику НЦВО РАН Исхаковой Л.Д. за проведенные измерения химического состава нового световода.
Литература
1. Kotov L.V., et al, Laser Phys. Lett. 11,095102(2014)
2. Kotov L.V., et al, CLEO, CJ_P_48 (2015)
3. Цветков С.В., Лихачев М.Е., Квант. эл.52, 984-993(2022)
4. Jen C.-K., et al, J. Am. Ceram. Soc. 76, 712-716 (1993)
5. Лобанов А.С. и др. Фотон-экспресс 6, 130-131 (2019)
