CC BY
4РАЗРАБОТКА ВЫСОКОГЕРМАНАТНЫХ ВИСМУТОВЫХ СВЕТОВОДОВ ДЛЯ ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА СО СЛУЧАЙНОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
1 1 2 2 2 Афанасьев Ф.В. *, Абрамов А.Н. , Харахордин А.В. ,Алышев С.В. ,Хегай А.М. ,
2 2 2 3 3
Мелькумов М.А. , Фирстова Е.Г. , Рыбалтовский А.А. , Попов С.М. , Ряховский Д.В. ,
3 2 1
Чаморовский Ю.К. , Фирстов С.В. , Липатов Д.С.
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 3 Фрязинский филиал института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино *[email protected] DO110.24412/2308-6920-2023-6-158-159
Волоконные лазеры, стабильно и непрерывно генерирующие одночастотное излучение, стали альтернативой полупроводниковым лазерам с точки зрения простоты их интеграции в полностью волоконную схему. Реализация одночастотных волоконных лазеров (ОВЛ) осуществляется по классической схеме с использованием резонатора Фабри-Перо или РОС (распределённая обратная связь), где функцию активной среды выполняют короткие отрезки высоколегированных редкоземельными элементами (РЗЭ) световодов, обеспечивающих высокий коэффициент усиления в соответствующих областях длин волн. Тем не менее, устройства на основе световодов с РЗЭ не могут покрыть весь ближний ИК-диапазон, особенно область длин волн 1600-1800 нм, где не существует полос усиления РЗЭ в кварцевом стекле. Однако, создание источников в данной области длин волн является весьма актуальной задачей, поскольку существует потребность в таких устройствах для ряда практических применений, например, для детектирования малых концентраций газов (метан, сероводород), медицинских применений (лазерная хирургия, селективная обработка биологических тканей), для распределенных волоконных сенсоров (мониторинг оптоволоконных линий).
Совсем недавно была предложена иная конструкция ОВЛ, отличительной особенностью которой является наличие протяженного резонатора (до сотен метров), в котором обратная связь обеспечивается массивом (до нескольких десятков тысяч) одинаковых слабоотражающих волоконных брэгговских решеток (ВБР), записанных в сердцевине активного световода. Данная схема предлагает широкие возможности для получения лазерной генерации, потенциально на любой длине волны в области прозрачности кварцевого стекла. Необходимым условием для этого является подходящий источник накачки, достаточный коэффициент отражения массива ВБР и усиление на выбранной длине волны лазера. В данной работе представлены результаты разработки узкополосного волоконного лазера со случайной распределенной обратной связью на основе висмутового световода с высоким содержанием GeO2 (не менее 46 мол%). Выбор состава стекла сердцевины был обусловлен потенциально высокой фоточувствительностью такого стекла, необходимой для записи массива ВБР в процессе вытяжки световода, а также формированием в нем ВАЦ, ассоциированных с германием, имеющих полосу усиления в области 1.6-1.8 мкм.
Преформа волоконного световода была изготовлена полностью газофазным MCVD методом, с использованием в качестве летучего прекурсора висмута BiBrз. Сердцевина была изготовлена по оригинальной методике с раздельным осаждением пористого слоя матрицы GeO2/SiO2 с последующим сплавлением его в присутствии паров BiBr3. После осаждения 5-6 активных слоев труба длительно (в течение 5 проходов горелки) консолидировалась в сплошной стержень с целью сохранения круговой геометрии преформы. Величина разности показателей преломления сердцевины и оболочки в преформе (Дп) составила 0.065, а оценочная концентрация висмута в сердцевине не превышала 0.02 ат.%. Из преформы был вытянут одномодовый (^с=1,3 мкм) световод внешним диаметром 125 мкм (образец 1) и аналогичный по всем параметрам световод (образец 2), в процессе вытяжки которого осуществлялась потоковая запись массива ВБР на длине волны 1650 нм при помощи импульсного эксимерного К^ лазера с длиной волны 248 нм. Начальная длина световода (образец 2) составила 200 метров, равномерно заполненного 20 000 отдельных ВБР, с коэффициентом отражения каждой отдельной решетки ~ 0.005%.
На рисунке 1А приведены спектры оптических потерь обоих образцов световодов из которого видно, что УФ облучение образца 2 приводит к изменению формы спектра относительно образца 1. Наблюдается снижение интенсивности полосы в области 1,65 мкм и одновременный рост потерь в области 1,1 мкм, что свидетельствует о частичной деградации ВАЦ, ассоциированных с германием.
Тем не менее, низкая доза УФ облучения позволила сохранить значительную часть ВАЦ, достаточную
Длина волны, ни Длина волны, им
Рисунок 1. А - спектры оптических потерь световодов, легированных висмутом;
Б - спектры отражения массива ВБР в образце 2 (измеренные на концах световода А, В и С)
Исследование фоточувствительности разработанных световодов проводилось по результатам измерений спектров отражения массива ВБР в диапазоне длин волн 1600-1700 нм и было выполнено на обоих концах активного cветовода длиной 200 м (образец 2). Как видно из рис 1Б дозы облучения для записи единичной решетки оказалась достаточно для формирования необходимого коэффициента отражения всего массива, что свидетельствует о высокой фоточувствительности HiGeO2-SiO2 матрицы и дает принципиальную возможность изготовления случайного лазера на базе данного световода. Вместе с тем центральная длина волны массива ВБР сильно отличается от ожидаемой (1650 нм) с учетом периода используемой фазовой маски. Эффект длинноволнового смещения пика отражения обусловлен нестандартными волноводными параметрами исследуемого образца (высокая Дп~0.06 и малый диаметр сердцевины), которые сильно отличались от параметров обычных телекоммуникационных световодов (например, SMF-28). Исходя из полученных спектров, можно сделать вывод о неоднородности распределения ВБР по длине вытянутого волокна. В частности, длина волны максимального отражения массива ВБР изменялась в диапазоне 1672-1674 нм по длине световода. Наблюдаемый эффект может быть связан с неоднородностью записи решеток, источником которых является эллиптичная геометрия сердцевины, возникающая вследствие большой разницы в физико-химических свойствах стекол сердцевины и оболочки.
На основе полученных световодов были созданы различные конфигурации случайных висмутовых лазеров, выходные характеристики которых были детально исследованы. При комнатной температуре максимальная выходная мощность созданного лазера в простой линейной конфигурации с использованием случайного резонатора длиной 200 метров составила ~20 мВт при мощности введенной накачки 450 мВт (Ег^Ь волоконный лазер на 1568 нм) Достигнутая ширина линии лазерного излучения составила менее 0,02 нм. Низкая эффективность преобразования излучения накачки в сигнал (4%) была обусловлена неоптимальной рабочей длиной волны случайного лазера (на краю полосы усиления ВАЦ) и может быть существенно увеличена в области длины волны 1,73°мкм. Мы исследовали поведение лазера в различных конфигурациях и обнаружили, что длина волны лазера может изменяться в спектральном диапазоне 1,669-1,674 мкм в зависимости от длины резонатора и температуры окружающей среды. Данное явление вызвано неоднородностью распределения структуры записанных решеток по длине висмутового световода, источником которой является эллиптичная геометрия сердцевины.
Была также продемонстрирована возможность масштабирования выходной мощности случайного лазера с резонатором длиной 70 метров в схеме МOPA, где сигнальное излучение на 1673 °нм было усилено с 13 до 240 мВт с использованием оригинального висмутового усилителя при мощности накачки 2,2 Вт (1550 нм). Несмотря на относительно невысокие характеристики разработанного лазера, результаты данной работы впервые демонстрируют принципиальную возможность использования висмутовых световодов для создания узкополосных случайных лазеров для новых спектральных диапазонов.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00511.
