CC BY
6РАЗРАБОТКА ЭРБИЕВЫХ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ЛАЗЕРОВ L-ДИАПАЗОНА
111 2 2 Липатов Д.С. *, Химич С.Г. , Абрамов А.Н. , Рыбалтовский А.А. , Исхакова Л.Д. ,
3 3 2
Попов С.М. , Чаморовский Ю.К. , Лихачев М.Е.
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, Москва
3 Фрязинский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-150-151
Разработка одночастотных волоконных лазеров (ОВЛ) в спектральном диапазоне 1570-1800 нм чрезвычайно актуальна для таких применений, как детектирование малых концентраций газов (СН4, H2S и др.), селективное воздействие на биологические ткани с высоким содержанием углеводородных групп, а также онлайн-мониторинг состояния существующих волоконно-оптических линий связи. Традиционные схемы ОВЛ (DFB, DBR) базируются на использовании коротких (несколько сантиметров) отрезков высоколегированных редкоземельными элементами (РЗЭ) световодов в качестве активной среды резонаторов. Однако спектральные области применения коротких резонаторов ограничены довольно узкими (~50 нм) диапазонами максимального усиления световодов, активированных ионами РЗЭ. Сравнительно недавно была предложена конструкция ОВЛ со случайным резонатором, в котором рабочим элементом является активный световод с записанным в нём непрерывным массивом из множества одинаковых, слабо отражающих, волоконных брэгговских решеток (ВБР). Длина резонатора случайного лазера может достигать нескольких десятков и даже сотен метров. Преимуществом данной схемы является возможность получения лазерной генерации в спектральном диапазоне, где коэффициент усиления световода имеет малые значения. Для изготовления случайного резонатора необходимо использовать световод с малыми оптическими потерями и низкой концентрацией оксидов РЗЭ в сердцевине - чтобы обеспечить при накачке равномерную инверсию активных ионов по всей длине. Кроме того, световод должен иметь фоточувствительность к УФ излучению, достаточную для записи ВБР. Таким образом, главными критериями световода, используемого в резонаторе случайного лазера, являются высокая фоточувствительность, низкий уровень минимальных оптических потерь и положительное значение коэффициента усиления на длине волны генерации.
В данной работе была поставлена нетривиальная задача по разработке эрбиевых световодов для случайных лазеров «L-диапазона» (1570-1610 нм). Для ее решения были проведены поисковые исследования по уширению полосы люминесценции ионов Бг3+ в области длин волн свыше 1570 нм. Согласно литературным данным, введение высокой концентрации фосфора в кварцевое стекло должно приводить к уширению полосы люминесценции эрбия в длинноволновом диапазоне. Соответственно, в качестве базового состава стекла сердцевины была выбрана фоточувствительная GeO2-P^5-SiO2 (GPS) матрица с высоким содержанием Р2О5. Преформы световодов были изготовлены MCVD технологией по методике раздельного осаждения компонентов стекла сердцевины: осаждение пористого слоя GPS матрицы; пропитка Er2O3 из газовой фазы; сплавление Er-GPS слоя в прозрачное стекло. Изготовлена серия преформ с Er-GPS сердцевиной, в интервале изменения концентраций легирующих добавок: 0.007-0.038 Er2O3, 1.6-2.7 GeO2 и 12.5-16 моль% P2O5. Достигнутый уровень легирования кварцевого стекла фосфором является рекордно высоким. Разработаны технологические решения, за счет которых удалось минимизировать потерю летучих оксидов из центра сердцевины и изготовить световоды с однородным распределением всех компонентов стекла по сечению сердцевины. Были вытянуты одномодовые световоды LD663(2)1°-°666(2)1 с внешним диаметром 125 мкм (таб. 1). В процессе вытяжки световодов производилась потоковая запись массивов ВБР при помощи эксимерного KrF лазера (248 нм) с использованием фазовых масок с периодом 1070 и 1098.4 нм, в результате чего были изготовлены резонаторы для генерации на длинах волн 1548 нм и 1590 нм, соответственно. Величина контраста записанных ВБР, определённая методом частотной рефлектометрии, составила ~45 дБ, что свидетельствует о достаточной фоточувствительности состава стекла Er-GPS к УФ-излучению.
Было проведено исследование спектрально-люминесцентных свойств Er-GPS световодов в диапазоне 1520-1640 нм. Низкие «серые» оптических потери (менее 10 дБ/км), являются признаком высокой чистоты и однородности синтезированных стекол. Однако высокая концентрация фосфора резко снижает вязкость стекла, что ведёт к эллиптичности сердцевины, флуктуациям структуры отдельных ВБР и в итоге - к искажению и уширению спектра отражения массива ВБР в целом. По
результатам исследований спектров поглощения, люминесценции и спектральной зависимости коэффициента усиления слабого сигнала была установлена оптимальная концентрация Er2O3 в GPS матрице ~ 0.01 моль%, что соответствует поглощению ~ 6-7 дБ/м на 1535 нм (LD663(2)1). Дальнейшее увеличение концентрации Er2O3 приводит к резкому спаду длинноволнового края люминесценции Er3+ (рис. 1). При этом увеличение концентрации P2O5 до 16 моль% и GeO2 до 2.7 моль% не делает спад люминесценции эрбия в L-диапазоне более пологим.
Таблица 1. Основные характеристики изготовленных одномодовых (0.93-0.94) Er-световодов
Образец ^flcore-clad P2O5, GeO2, Sb2O3, AI2O3, a1535, a1200, дБ/км
моль% моль% мол% мол% дБ/м
LD663(2)2 0.014 12.5 1.6 - - 4.7 6
LD663(2)1 0.014 12.5 1.6 - - 7 7,5
LD664(2)1 0.014 12.5 1.7 - - 9.2 8
LD666(2)1 0.019 16 2.7 - - 10.6 5
LD677(2)1 0.026 11.7 2.8 1.0 - 6.7 41
LD678(2)1 0.0165 9.3 - 0.6 - 7.5 31
LD681(2)1 0.016 - 5 - 5 39 8
LD682(1) 0.0057 6 4.5 - 4.5 45 5
Согласно литературе, введение сурьмы придает кварцевому стеклу фоточувствительность, а также увеличивает интенсивность люминесценции ионов Бг3+ в L-диапазоне. Были проведены исследования по дополнительному легированию Бг-световодов 8Ь203. Разработана газофазная МСУБ методика синтеза силикатных стекол, содержащих сурьму, с использованием мало-летучего 8ЬС13. Продемонстрирована возможность введения в кварцевую матрицу до 4 мол% 8Ь203 и обнаружена чрезвычайно высокая рефрактивность 8Ь203, 7.9* 10-3 (моль%)-1 . Изготовлены одномодовые световоды ЬБ677(2)1 и ЬБ678(2)1 (таб. 1) с оптимальной концентрацией эрбия и дополнительно легированные 8Ь203. Оказалось, что добавка оксида сурьмы в фосфоросиликатную матрицу приводит к существенному повышению уровня «серых» потерь и Дп, что усложняет использование световода в телекоммуникационных лазерных схемах. Кроме того, динамика спада усиления в Ь-диапазоне (1570— 1610 нм) у Бг-ОР8 световода ЬБ663(2)1 и световода ЬБ677(2)1, с аналогичной концентрацией Бг203 и добавкой 8Ь203, практически не различается. Таким образом, пришли к заключению, что солегирование 8Ь203 матрицы Бг-ОР8 нецелесообразно.
---LD663[2|2
/ V -1.0665(2)1
/ V LD664(2J1
J LD666(2)1
f ^v
1560 15S0 1600 Т&20
Wavelength, nm
Рис. 1. Спектры люминесценции нормированные по интенсивности пика 1535 нм Er-GPS световодов
Рис. 2. Спектральные зависимости коэффициента усиления слабого сигнала в световодах ЬБ663(2)1 и LD677(2)1
Эффективность усиления эрбиевого световода в Ь-диапазоне может вырасти с увеличением концентрации Ег203 — при условии сведения к минимуму кластеризации ионов Бг3+. Для проверки этой гипотезы были разработаны световоды ЬБ681(2)1 и ЬБ682(1) с добавкой в состав сердцевины А12О3 для подавления кластеризации и ОеО2 для повышения фоточувствительности (таб. 1). В этих образцах, по сравнению с ранее исследованной серией ЬБ663(2)1-666(2)1, коэффициент усиления в Ь-диапазоне увеличился в среднем в 3-5 раз. В настоящее время проводятся сравнительные исследования случайных лазерных резонаторов, предназначенных для получения генерации на длине волны ~1590 нм. Полученные результаты будут представлены на конференции. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00511.
