CC BY
12DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-58-59
ПОЛУЧЕНИЕ ПРЕФОРМ С СЕРДЦЕВИНОЙ ИЗ Bi:GeO2-SiO2 СТЕКЛА И «КВАЗИ-ПЬЕДЕСТАЛЬНЫМ» ПРОФИЛЕМ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДЛЯ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ В ОБЛАСТИ ДЛИН ВОЛН 1460 НМ
1 * 1 1 1 2 Умников А.А. , Хопин В.Ф. , Сторожева Т.И. , Гурьянов А.Н. , Фирстова Е.Г. ,
Вахрушев А.С.2, Фирстов С.В.2
'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: umnikov@ihps-nnov.ru
Современное бурное развитие волоконно-оптической индустрии и необходимость расширения рабочего диапазона длин волн используемых в настоящее время волоконно-оптических линий связи обеспечивают повышенный интерес к исследованиям и разработкам новых оптических материалов и активных добавок. Такие исследования нацелены на реализацию активных устройств для спектральных областей, где на данный момент не существует коммерчески доступных лазеров и усилителей оптического сигнала. В частности, в последние годы ведутся интенсивные разработки активных световодов на основе кварцевого стекла, легированного добавкой висмута. В отличие от «традиционных» добавок редкоземельных элементов (РЗЭ) полоса люминесценции ионов висмута в стекле сильно зависит от состава стекла сердцевины, что позволяет создавать активные волоконные устройства для работы в различных диапазонах длин волн [1].
В настоящее время перспективными для создания мощных волоконных лазеров являются активные световоды LMA (Large Mode Area) [2]. На практике для реализации подобных устройств достаточно часто используется такой подход, как световоды с пьедесталом [3]. В этом случае не требуется изменения выбранного оптимального состава и технологии изготовления стекла активной сердцевины, что обеспечивает нужные оптические и лазерные характеристики световедущей части, а параметры структуры LMA формируются путем осаждения пьедестала из стекла, согласованного по своему составу или физико-химическим свойствам с составом стекла сердцевины. При реализации на практике подобных световодов, легированных РЗЭ, пьедестал обычно осаждается как пассивное стекло и не несет функции, отличной от вспомогательной световедущей. Однако, согласно литературным данным, значительная доля излучения накачки в подобной световедущей структуре может распространяться по пьедесталу, а также захватывать значительную долю усиленного спонтанного излучения (ASE) из центральной части [3,4]. Поэтому очевидно, что в случае висмутовых световодов дополнительное легирование пьедестала активной добавкой может быть полезным, поскольку концентрация активной добавки висмута в стекле обычно весьма мала (менее 0.1 вес.%). При этом длительный процесс захлопывания заготовки в процессе MCVD способствует значительному испарению висмута из центральной части сердцевины, что не лучшим образом сказывается на распределении активной добавки по сечению сердцевины. Кроме того, сильная зависимость люминесценции висмута от состава матрицы стекла и соответственно формирование различных висмутовых активных центров (ВАЦ) позволяет в теории реализовать возможность перераспределения излучения висмута в зависимости от световедущей структуры и ее компонентного состава. Поэтому в данной работе была сделана попытка реализовать световедущую структуру на основе активного пьедестала из германосиликатного стекла, легированного добавкой висмута.
Изготовление преформы световода было реализовано с использованием полностью газофазной технологии MCVD. В качестве исходного соединения висмута использовался безводный бромид висмута (BiBr3). Ампула с бромидом висмута термостатировалась при температуре 185 °С. В качестве газа-носителя использовался гелий, а все газовые линии и ввод вращения нагревались до температуры порядка 200 °С для предотвращения преждевременного осаждения прекурсора. Для проведения процесса использовались опорные кварцевые трубы Heraeus F-300 с внешним диаметром 25 мм и внутренним диаметром 21 мм (толщина стенки 2 мм).
После травления и огневой полировки трубы осаждались слои депрессированной оболочки состава SiO2-F, для чего внутрь трубы подавалась смесь C2F3Cl3, SiCl4 и O2. Осаждение слоев оболочки про-изводилось при нагреве внешней поверхности трубы при помощи кислородно-водородной горелки до температуры порядка 1900 °С (контролировалась ИК-пирометром). После осаждения
нужного коли-чества слоев оболочки наносился пьедестал из германосиликатного стекла, легированного висмутом. Для этого использовался двухстадийный способ легирования, заключающийся в следующем. Сначала при движении горелки, противоположном движению потока парогазовой смеси (обратный проход), осаждался пористый слой стекла SiO2-GeO2 нужного состава. Температура в горячей зоне поддержи-валась оптимальной для окисления компонентов парогазовой смеси и осаждения германосиликатного стекла [5]. После чего осажденный пористый слой остекловывался до полной прозрачности в потоке BiBr3 при движении кислородно-водородной горелки в направлении потока парогазовой смеси (пря-мой проход). Температура стеклования осажденных пористых слоев поддерживалась в диапазоне 1770-1790 °С. Механизм легирования германосиликатного стекла висмутом в этом случае аналогичен опубликованному ранее способу легирования кварцевого стекла фтором [6]. Повторением вышеопи-санного двухстадийного процесса осаждалось необходимое количество слоев легированного висму-том германосиликатного стекла для создания нужного диаметра пьедестала, после чего поток GeQ 4 повышался, и двухстадийный процесс осаждения легированного висмутом германосиликатного стекла полностью повторялся. В результате формировалась сердцевина (центральная часть) из легированного висмутом германосиликатного стекла с показателем преломления большим, чем показатель преломления стекла пьедестала. При осаждении слоев пьедестала и центральной части поток SiCl4 при осаждении пористых слоев был неизменным, также как и поток BiBr3 при стекловании. После осаждения всех слоев световедущей структуры производилось схлопывание в потоке кислорода и CQ4 (для снижения концентрации гидроксильных групп). После сжатия трубчатой заготовки до диаметра внутреннего капилляра ~ 2-3 мм внутренний слой стекла стравливался в потоке кислорода и C2F3Q3 для уменьшения центрального провала. Окончательное схлопывание трубчатой преформы в стержень производилось обратным проходом горелки при температуре около 2000 °С. Профиль показателя преломления в исходной заготовке и в одномодовом световоде приведен на рис. 1(А,Б). Распределение легирующих добавок Ge и F по сечению сердцевины одномодового световода, измеренное методом рентгеновского энергодисперсионного микроанализа (EDX), показано на рис. 1(В).
Одномодовый световод (длина волны отсечки 1.35 мкм) был использован для получения лазерной генерации с использованием резонатора Фабри-Перо, состоящего из активного световода длиной 75 м с приваренной к одному из концов волоконной брэгговской решетки с коэффициентом отражения около 100% на длине волны 1460 нм. В качестве выходного зеркала использовался другой торец активного световода. При накачке на длине волны 1310 нм была достигнута лазерная генерация, при этом эффективность устройства составила 72% по отношению к введенной мощности (рис. 2). Максимально достигнутая мощность генерации на длине волны 1460 нм составила ~ 3 Вт.
Рис. 1. Профиль показателя преломления в исходной преформе (А), в вытянутом из данной преформы
одномодовом световоде (Б) и распределение легирующих добавок в сердцевине световода (В)
Рис. 2. Зависимость выходной мощности волоконного лазера (1=1460 нм) от мощности накачки (1=1310 нм)
Работа выполнена в рамках госзадания Министерства образования и науки РФ, проект № 00952019-0006.
Литература
1. E.M. Dianov et. al., Quantum Electronics, 35, 1083-1084 (2005)
2. F. Kong et. al., Optics Express, 24(10), 10295-10301 (2016)
3. N. Simakov et. al., Optics Express, 23(3), 3126-3133 (2015)
4. F. Möller et. al., Optics Express, 28(22), 33456-33474 (2020)
5. V.F. Khopin et. al., Inorganic Materials, 41, 303-307 (2005)
6. M.A. Eron'yan et. al., Glass Physics and Chemistry, 39, 279-284 (2013)
