CC BY
26вкво-2019 -- вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
СИНТЕЗ ФОСФОРОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ И СВЕТОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ, МЕТОДОМ MCVD
1* 1 11 Афанасьев Ф.В. , Гурьянов А.Н. , Лобанов А.С. , Хопин В.Ф. ,
Рюмкин К. Е.2, Хегай А. М.2, Мелькумов М. А.2, Фирстов С. В.2
Институт химии высокочистых веществ РАН, г. Нижний Новгород 2Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16087
В 2001 году группой исследователей [1] была показана ИК люминесценции в диапазоне длин волн 1000-1600 нм в алюминосиликатном стекле, легированном висмутом. С этого момента данные материалы стали привлекать к себе огромное внимание как перспективный материал для создания широкополосных оптических усилителей в системах волоконной связи. Стоит отметить, что не смотря на огромный массив работ по висмутсодержащим материалам лазерной генерации на объёмных образцах стёкол, полученных наплавом шихты в тигле получить не удалось.
Впервые лазерная генерация была продемонстрирована в 2005 году на алюминосиликатном волоконным световоде, легированным висмутом, полученным с помощью растворной технологии ("MCVD in-situ solution doping technique"), в спектральном диапазоне 1140 - 1215 нм при накачке на длине волны 1064 нм [2]. В дальнейшем, подобные результаты были получены другими исследователями с помощью золь-гель технологии [3]. Создание фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, позволило получить на световодах такого типа лазерную генерацию в широком диапазоне от 1300 нм до 1470 нм [4] при оптической накачке на длине волны 1230 нм. Также в литературе имеются сообщения о порошковой технологии ("powder in tube") получения световодов данного типа [5].К настоящему времени публикаций, посвящённых технологии изготовления волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированного висмутом крайне мало.
Основной целью работы является исследование полностью газофазного процесса легирования кварцевого стекла оксидами фосфора и висмута в MCVD методе изготовления заготовок волоконных световодов. В рамках данной задачи был произведён подбор необходимых исходных реагентов и материалов для изготовления преформ, установлено влияние параметров и технологических режимов MCVD процесса на состав осаждаемого стекла, а также равномерность распределения концентрации отдельных компонентов по длине преформы.
Получение заготовок волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированного висмутом, проводилось на стандартной MCVD установке. Для изготовления заготовок использовались кварцевые трубы марки F-300 Heraeus размером 21x2 мм. Для синтеза стёкол сердцевины использовались следующие высокочистых компоненты: SiCl4, GeCl4, POCl3, CCl4, C2F3Cl3. Концентрация вводимого в сердцевину висмута контролировалась потоком инертного газа (аргона, ОСЧ) через специальные ампулы, содержащие летучие соединения висмута. После перетяжки и жакетирования, проводимых для корректировки отсечки, из всех изготовленных преформ были вытянуты световоды с диаметром кварцевой оболочки 125 мкм. Расчётная отсечка второй моды подгонялась в область 0,95-1 мкм. Во всех изготовленных световодах проводились измерения оптических потерь, просветления и усиления. Концентрация висмута в образцах стёкол (заготовок) определялась методом АЭС-ИСП (атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой).
Получена серия одномодовых световодов с различной концентрацией висмута (0,0025-0,085 мол.%) в фосфоросиликатной сердцевине. Спектры поглощения световодов, вытянутых из соответствующих заготовок, были измерены в диапазоне длин волн 800-1700 нм (Рис.1 А). Спектры имеют явное подобие и следующие отличительные особенности: пик на 1380 нм, соответствующий поглощению ОН-групп в кварцевом стекле, слабовыраженная полоса с пиком в области 1200 нм, соответствующая висмутовым активным центрам, ассоциированных с фосфором (Р-ВАЦ) в силикатной матрице, слабовыраженный пик в районе 1400 нм, соответствующий поглощению ВАЦ, ассоциированных с кремнием (Si-ВАЦ). Пики в области 950-1000 нм (в некоторых световодах) соответствуют отсечке второй моды. Видно, что при росте концентрации висмута в стекле происходит рост оптических потерь и пики становятся менее выраженными.
174 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
вкво-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
А
о з
оо «
í «
О ^
w I
и О
S ^
s с^
¡3
и —
1200 wavelenght, nm
<D
s и
<D
ч s
£
£ Л
и
250 200 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250
•• •
#
0 0, 05 0 1 0, 15 0,
•
Концентрация висмута в сердевине световода, моль.%
Рис. 1. Спектры оптических потерь световодов с сердцевиной из фосфоросиликатного стекла, легированного висмутом (А), Зависимость усиления на длине волны 1320 нм при накачке на 1240 нм от
концентрации висмута в сердцевине световода (Б)
Максимальное усиление на уровне 0,2 дБ/м достигается в диапазоне концентраций висмута от 0,06 до 0,1 мол.%. Дальнейший рост концентрации висмута приводит к снижению усиления и в конце концов усиление переходит в поглощение (Рис.1 Б).
Разработана полностью газофазная методика получения стёкол системы SЮ2-P2O5 и световодов на их основе, легированых висмутом, по MCVD технологии. В спектрах оптических потерь идентифицированы полосы поглощения, принадлежащие ВАЦ, ассоциированных с фосфором (1200 нм) и кремнием (1400 нм). Результаты указывают на то, что увеличение концентрации висмута в сердцевине световодов приводит к опережающему росту оптических потерь по сравнению с ростом концентрацей ВАЦ во всём исследованном диапазоне длин волн 800-1700 нм, что в свою очередь приводит к существованию оптимальной концентрации висмута в световоде ~0.07 моль%, при которой достигается максимальный уровень усиления ~ 0,2 дБ/м.
Работа выполнена по госзаданию ИХВВ РАН и программе Президиума РАН №13.
Литература
1. Y. Fujimoto and М. Nakatsuka, Jpn. J. Appl. Phys, 40, L279 (2001)
2. E. M. Díanov, V. V. Dvoyrin, et al, Quantum Electronics, Vol.35, No.12, 1083-1084 (2005)
3. Razdobreev, L. Bigot, et al, Appl. Phys. Lett, 90, 031103 (2007)
4. E.M. Dianov, S.V. Firstov, et al, Quantum Electronics, 38, 615 (2008)
5. И. А. Буфетов, С. Л. Семёнов и др., Квантовая электроника, 40, №7 (2010)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
