CC BY
7ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВИСМУТОВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ O+E+S-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА С МНОГОМОДОВОЙ НАКАЧКОЙ
1* 11 11 Вахрушев А.С. , Рюмкин К.Е. , Хегай А.М. , Мелькумов М.А. , Алышев С.В. ,
2 1 Лобанов А.С. , Фирстов С.В.
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова,
Москва, Россия
2 Институт химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых Российской академии наук, г. Нижний Новгород * E-mail: as.vahrush@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-241-242
Легированные висмутом волоконные световоды являются перспективной активной средой, которая может способствовать преодолению проблем в области волоконно-оптической связи, связанных с достижением предельных физических возможностей передачи данных по одному волоконному световоду [1]. Возможным подходом к решению указанной проблемы может стать задействование новых спектральных областей длин волн для передачи данных, где висмутовые световоды (ВС) могут применяться для создания ключевых устройств - оптических усилителей. Данное направление активно развивается, что подтверждается рядом недавних публикаций по результатам разработки висмутовых усилителей (ВУ) для O-, E- и S-диапазонов и их успешного использования в лабораторных стендах для высокоскоростной передачи данных [2, 3]. Дальнейшее усовершенствование такого типа усилителей связано, с одной стороны, с возможностью получения широкополосного контура усиления, а, с другой стороны, повышения их производительности при сниженном энергопотреблении. Широкий спектр усиления может быть получен за счет комбинирования нескольких полос усиления, относящихся к различным типам висмутовых активных центров (ВАЦ) [4] или Бг + ВАЦ [5]. Что касается улучшенной производительности ВУ, то, недавно, было показано, что она может быть достигнута в конфигурации с использованием в качестве источника накачки готового коммерческого неохлаждаемого многомодового лазерного диода с каскадным преобразованием длины волны на основе волокна, легированного иттербием [6]. В такой конфигурации ВУ может работать в диапазоне температур от 20 до 70 °C с общей потребляемой мощностью, аналогичной или лучше, чем аналога с одномодовой накачкой.
В данной работе мы представляем первый висмутовый усилитель, способный одновременно работать в O+E+S-диапазонах, с многомодовой диодной накачкой без дополнительных каскадов преобразования длины волны. Источниками накачки ВУ в данном случае были многомодовые полупроводниковые лазерные диоды на длине волны 793 и 808 нм, которые попадают в область длин волн ИК полос поглощения ВАЦ.
Активной средой ВУ был одномодовый световод с сердцевиной из P2O5-SiO2 стекла, легированного Bi (менее 0,02 ат.%), преформа которого была изготовлена методом MCVD. Профиль показателя преломления преформы и световода был W-образным, т.е. вокруг активной сердцевины была сформирована область из кварцевого стекла, легированного фтором, с пониженным показателем преломления (-0.011 относительно SiO2 стекла). Такая структура позволяла, с одной стороны, обеспечить одномодовый режим распространения излучения по сердцевине даже при низких значениях ncore<1.457 (сопоставимо с nclad для Heraeus F-300), а, с другой, создать условия для формирования ВАЦ, ассоциированных с P (ВАЦ-P) и Si (ВАЦ-Si), в требуемом соотношении концентраций, которое достигается исключительно при низких (не приемлемых для световодов со ступенчатым профилем показателя преломления) добавках оксида фосфора. Следует отметить, что указанные типы ВАЦ имеют полосы усиления в областях длин волн 1.33 и 1.43 мкм, в результате взаимного перекрытия которых можно достичь широкий контур усиления [4]. Для обеспечения ввода излучения накачки во внутреннюю кварцевую оболочку и его распространения с низкими оптическими потерями в процессе вытяжки на внешнюю поверхность висмутового световода наносилось УФ отверждаемое полимерное покрытие с показателем преломления 1,394. Параметры световода были следующими: диаметр сердцевины - 5 мкм; внешний диаметр - 125 мкм; длина волны отсечки высших мод - 1.1 мкм.
Спектры поглощения слабого сигнала ВС измерялись методом облома с использованием галогенной лампы (Micropack DH-2000) и оптических спектроанализаторов (Ocean Optics USB2000 и Agilent 86140B для видимого и ближнего ИК-диапазона, соответственно). Для измерения поглощения по оболочке для ввода и вывода зондирующего сигнала использовались многомодовые оптические волокна с сердцевиной из кварцевого стекла, имеющей диаметр 105 мкм, а для измерения поглощения
по сердцевине использовались стандартные одномодовые волокна (аналог SMF-28). Как и ожидалось, спектры поглощения сердцевины состояли из ряда характерных полос, принадлежащих ВАЦ-Si и ВАЦ-P. Пиковые значения поглощения (по оболочке) в спектральной области 0.7 - 0.9 мкм были 0.03-0.05 дБ/м, что примерно на два порядка величины меньше, чем для поглощения по сердцевине.
На основе такого световода были реализованы ВУ с использованием двух различных конфигураций (со встречной и попутной накачкой) (Рис. 1(а)). Излучение накачки вводилось во внутреннюю оболочку активного световода с помощью объединителя сигнала и накачки (2 + 1) в 1, который стыковался сварным соединением с ВС. С другого конца ВС был соединен с оптическим изолятором «изолятор 1», который также, как и «изолятор 2», был предназначен для предотвращения обратного отражения, которое могло привести к появлению нежелательной лазерной генерации. Для устранения непоглощенного излучения накачки использовалось устройство по выведению оболочечных мод. Входной сигнал представлял собой узкую линию (5 нм), вырезанную из спектра излучения широкополосного источника света (Fianium SC450) с помощью акустооптического фильтра (Crystal Technology, Inc. AODS 20160-8). Мощность входного сигнала составляла -25 дБм. Длина ВС 200 м.
объединитель накачки
висмутовый световод
вывод
оболочечных мод
Рис. 1. а) Висмутовый усилитель с накачкой по
оболочке в конфигурациях: со встречной (I) и попутной накачкой (II); б) Спектры усиления ВУ на основе ВС при различных длинах волн накачки для конфигурации II. Спектр шум-фактора ВУ приведен для комбинированной накачки (793+808 нм)
1250 1300
1350 1400 1450 Длина волны, нм (б)
1500 1550
На Рис. 1(б) представлены спектры усиления ВУ, измеренные в области длин волн 1250-1550 нм. Видно, что при использовании коротковолнового излучения накачки максимум спектра усиления расположен в области длины волны 1.33 мкм, хотя также можно наблюдать длинноволновое плечо вблизи 1.43 мкм. При накачке на 808 нм максимум усиления сдвигается в длинноволновую область (на 1.43 мкм), а усиление в коротковолновой области заметно снижается. Наблюдаемые изменения связаны с возбуждением тех или иных висмутовых активных центров за счет лучшего перекрытия их полос поглощения с длиной волны излучения используемого источника накачки. При задействовании одновременно обоих модулей накачки (793+808 нм) удалось достичь плоского контура оптического усиления в широкой области спектра А^1/2 ~ 120 нм при вариации коэффициента усиления < 2дБ. Шум-фактор такого устройства варьировался в пределах 5-6 дБ (штриховая линия на Рис. 1(б)).
Таким образом, полученные результаты доказывают, что, используя соответствующий тип ВС в сочетании с методом накачки в оболочку, можно реализовать оптический усилитель, способный работать одновременно в О-, Е- и S-телекоммуникационных диапазонах, с высокими выходными характеристиками: пиковое усиление > 25 дБ, ширина полосы усиления > 120 нм (по уровню -3дБ) и шум-фактор ~ 5-6 дБ.
Работа была выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (грант 22-19-00708).
Литература
1. Dianov E, J. Lightwave Technol. 31, 681 (2013)
2. Hong Y. et al, Opt. Express 30, 32189 (2022)
3. Mikhailov V., et al, J. Lightwave Technol. 40, 3255 (2022)
4. Ososkov Y., et al, Opt. Express 29, 44138 (2021)
5. Firstov S., Laser Phys. Lett. 14, 110001 (2017)
6. Mikhailov V., et al, Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2023, Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2023), paper Th3C. 1
