CC BY
7ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНО И - ФОСФОРОФТОРСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ, АКТИВИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ ДЛЯ НАКАЧКИ ПО ПЕРВОЙ ОБОЛОЧКЕ
1 1* 12 2 Абрамов А.Н. , Бурмистров Д.Ф. , Яшков М.В. , Вахрушев А.С. , Харахордин А.В. ,
2 2 2 Алышев С.В. , Фирстов С.В. , Мелькумов М.А.
1 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г.Девятых РАН, г. Нижний Новгород 2Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М.Дианова,
г. Москва
* E-mail: denburmistrov2001@gmail.com DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-401-402
Разработка эффективных висмутовых волоконных световодов (ВС) с двойной оболочкой позволит использовать для их накачки мощные лазерные диоды, что в свою очередь обеспечит существенное упрощение и удешевление конструкции лазеров и усилителей и, в перспективе, большую выходную мощность таких устройств. В настоящей работе представлены результаты наших исследований по синтезу заготовок волоконных световодов методом MCVD со стеклом сердцевины состава Bi:GeO2-F-SiO2 и Bi:P2O5-F-SiO2, обеспечивающих разницу показателей преломления оболочки и сердцевины на уровне An ~ 0.002-0.003. Такая разница показателей преломления позволяет создавать одномодовые световоды с большим диаметром сердцевины, что важно для повышения КПД и выходной мощности висмутовых лазеров и усилителей с накачкой по первой оболочке. Представлены первые результаты по лазерной генерации в таких световодах.
Заготовки световодов получали методом MCVD с использованием в качестве прекурсора висмута BiBr3,_ а в качестве прекурсора фтора- C2F3Cl3. Трудность контроля состава стекол со фтором, и как следствие An, обусловлено образованием в процессе синтеза, таких летучих компонентов, как GeF4, POF3 и SiF4. В результате проведенных исследований была получена серия заготовок со стеклом сердцевины состава Bi:GeO2-F-SiO2 и Bi:P2O5-F-SiO2 c An ~ 0.002-0.003, а для стекла Bi:GeO2-F-SiO2 с An ~ 0.000, которое используется в качестве части отражающей оболочки. Ниже в таблице приведены основные параметры полученных заготовок.
Таблица. Основные параметры заготовок и ВС
№ Стекло Стекло An*103 a1400, a1320, Соотношение
сердцевины оболочки дБ/м дБ/м a1400/a1320
Y-1346 Bi:GeO2-F-SiO2 Bi:GeO2-F-SiO2 2.5 0.57 -
Y-1287 Bi:GeO2-F-SiO2 P2O5-F-SiO2 2.5 1.08 -
Y-1310 Bi:GeO2-F-SiO2 P2O5-F-SiO2 3 1.26 -
Y-1341 Bi:GeO2-F-SiO2 Bi:GeO2-F-SiO2 2 2.36 -
Y-1348 Bi:GeO2-F-SiO2 Bi:GeO2-F-SiO2 1.6 1.3 -
Y-1356 Bi:P2O5-F-SiO2 P2O5-F-SiO2 2 0.53 0.8 0.66
Y-1354 Bi:P2O5-F-SiO2 P2O5-F-SiO2 2.8 1.64 2 0.82
Y-1355 Bi:P2O5-F-SiO2 P2O5-F-SiO2 3.7 1.78 2.6 0.68
Y-1353 Bi:P2O5-F-SiO2 P2O5-F-SiO2 2.5 2.23 2.7 0.83
ВКВ0-202 3 СТЕНДОВЫЕ
Поскольку для формирования ВАЦ^ не требуется наличие германия, то создание ВС с Дп ~ 0.0020.003 не является сложной задачей и легирование фтором не является необходимым. Трудность синтеза таких стекол, активированных висмутом, заключается только в получении высоких концентраций Bi, а именно высокого поглощения на 1400 нм >2 дБ/м. Мы полагаем, что это связано с высокой температурой плавления данного стекла, близкого к температуре плавления чистого SiO2[1]. Поэтому добавка фтора к такому стеклу позволяет снизить температуру плавления и, соответственно, увеличить концентрацию висмута в стекле. Для формирования нужного количества ВАЦ-Р в фосфоросиликатном стекле имеются определенные трудности, связанные с появлением наряду с ВАЦ-Р, большого количества ВАЦ^г Соотношение полос поглощения этих активных центров сильно зависит от количества оксида фосфора в матрице стекла. Поэтому для достижения нужной концентрации ВАЦ-Р требуется довольно высокая концентрация фосфора в стекле, что приводит к высокому значению разницы показателей преломления между сердцевиной и оболочкой, поэтому для понижения Дп до уровня ~ 0.002 требуется введение заметных концентраций фтора.
4-.
^ 3-
& 2« -
И 1 _ 1
и 200 4 150 g 100 50
г
п Рч
а
0 10 864 2 0
Y-1310 8гр-к D=90|im
■-!-■
Наклонная эффективность от поглощенной накачки
Выходная мощность при Рш 8.8 Вт
Т-'-1—■—Г
- "
—I—■—г-■-■
Т-■-1-'-1-■-1-■-г
поглощенная мощность накачки при Р'т 8.8 Вт
1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-1-,-г
Т
40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Длина ВС, м
Рис. 2. Фото торца световода и графики зависимостей дифференциального КПД и мощности от длины световода (Y-1310)
Для проверки активных свойств изготовленных заготовок одна из них была огранена до формы 8-гранника и вытянута в отражающем полимере с диаметром кварцевой оболочки от 76 до 120 мкм. При этом диаметр сердцевины варьировался в пределах 20-33 мкм, что существенно больше типичного для таких световодов диаметра 6-8 мкм. Изготовленный световод был протестирован в схеме с линейным резонатором, образованным высокотражающей волоконной брэгговской решеткой на длине волны 1461 нм с одной стороны и торцом световода, сколотым под прямым, с другой. Длина световода варьировалась от 150 до 50 м с целью оптимизации выходных параметров. В качестве накачки использовался многомодовый лазерный диод на 808 нм. Введенная в висмутовый световод мощность накачки достигала 8,8 Вт. На Рис. 2 представлена фотография торца световода и измеренные характеристики лазера на его основе для различных длин ВС. Максимальная выходная мощность составила 210 мВт, наклонная эффективность от поглощенной мощности накачки 3,5%. Порог генерации в зависимости от длины висмутового ВС составлял от 1,5 до 4,5 Вт поглощенной мощности на 808 нм. Поглощенная мощность накачки варьировалась от 6 до 8,5 Вт в зависимости от длины ВС. Оптимальная длина световода составила около 90м.
Полученные результаты помогут в дальнейшем развитии висмутовых лазеров и усилителей с накачкой по первой оболочке.
Работа была выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (Грант № 22-19-00708). Литература
1. Hammond C.R. (1978) Fusion temperatures of SiO2-P2O5 binary glasses. Physics and Chemistry of
Glasses, 19 (3), 41-42
