CC BY
23ВКВО-2019 -- ВКВО-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
СТРУКТУРА И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ МЕЗОПОРИСТЫХ СТЕКОЛ И ПРЕФОРМ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ИХ ОСНОВЕ
~я\ 1 12* 1 1 1
Дианов Е.М|- , Пластинин Е.А. ' , Исхакова Л.Д. , Вельмискин В.В. , Машинский В.М. ,
Фирстов С.В.1, Милович Ф.О.1'3
1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 2 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), г. Долгопрудный 3Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва
* E-mail: phstmn.evgeny@gmail. com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16069
Висмутовые волоконные световоды представляю большой интерес с точки зрения работы в широкой области ближнего ИК-диапазона, включая 1250-1500 нм и 1625-1775 нм, где отсутствуют эффективные усилители на основе редкоземельных волоконных лазеров. Впервые висмутовые волоконные световоды были разработаны в 2005 году.[1] После этого были созданы различные световоды с сердцевиной, легированной висмутом, позволяющие получить генерацию в диапазоне от 1140 нм до 1775 нм, а также были продемонстрированы висмутовые усилители для длин волн 1320, 1430 и 1700 нм.[2-7]
Несмотря на достигнутые успехи, существует ряд проблем, связанных с изготовлением висмутовых волоконных световодов. Основной технологией изготовления таких световодов является модифицированное осаждение из газовой фазы (MCVD). У неё есть ряд недостатков, одним из которых является невозможность введение более 0.02 ат.%. висмута, в противном случае наблюдается кластеризация атомов Bi, которая приводит к гашению люминесценции и росту оптических потерь. По этой причине, для создания высокоэффективных висмутовых лазеров и усилителей необходимы световоды c длиной порядка 100 метров, что недопустимо для многих практических применений.
Для решения этой проблемы мы решили использовать пористые стёкла (ПС), изготовленные методом фазового разделения двухфазных щелочных боросиликатных стёкол. Типичный состав таких стёкол имеет вид: 96.4 SЮ2-2.9 B20з-0.2 Al20з-0.02 Na2O.[8] Первые работы по легированию активными элементами ПС были опубликованы в 1980-ые, но лишь недавно были продемонстрированы эффективные лазеры на их основе. [9]
- 0.30
0.25
о
А
Он
о к
£
:<У ¡4 Ю
О
0.20
0.15
В нашей работе для легирования ПС висмутом мы использовали метод пропитки водным раствором Bi(NO3)3. Использованные образцы ПС были изготовлены в National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan (China). Структура пористого стекла была изучена методами электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Средний размер пор в ПС составил 4 нм, что на 2 порядка меньше, чем размер пор MCVD-слоёв. На рисунке 1 представлено распределение пор по размерам, а также фото пористого стекла с
просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). В Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» - ИРЕА был проведён анализ химического состава стёкол с помощью метода индуктивно-связанной плазмы атомно-эмиссионной спектрометрии.
Мы разработали многостадийную методику легирования ПС висмутом из водного раствора нитрата висмута. С помощью неё мы получили образцы стекла с концентрацией висмута от 0.01 ат.%
0.10
0.05
д Ь а1 —
о
10
20
30
40 50 Размер пор, нм
Рис.1 Распределение размера пор в ПС и фотография ПС с ПЭМ
140
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
до 1.0 ат.%. В отличие от образцов, полученных по технологии MCVD, при больших концентрациях висмута не наблюдалось окрашивание стекла. На рисунке 2 представлен образец со концентрацией висмута ~1.0 ат.%.
Было произведено исследование люминесцентных свойств полученных стёкол. Для этого использовали источники лазерного излучения с длиной волны 488, 676 и 988 нм, соответствующие типичным длинам волн возбуждения в стёклах, легированных висмутом: 500, 700 и 1000 нм.[10] Спектры люминесценции оказались типичными для MCVD-стёкол с висмутом. Дополнительно, с помощью флуориметра Edinburgh Instruments FLSP920 было изучено время жизни люминесценции в образцах для различных длин волн. Времена жизни люминесценции совпали с аналогичными данными по легированным висмутом MCVD-стёклам. Анализ спектров люминесценции показал, что ионы Bi2+, а также активные висмутовые центры (АВЦ) на алюминии и на кремнии вносят основной вклад. По результатам спектрометрических исследований определена оптимальная концентрация висмута, которая составляет ~0.1 ат.%.
Из полученных стёкол изготовлен ряд преформ висмутовых волоконных световодов. Измерения показали, что сердцевина преформы, изготовленная из ПС, имеет показатель преломления на 0.001-0.003 ниже, чем у кварцевого стекла, что связано с высоким остаточным содержанием бора (~2.5-3.0 ат.%). Такой показатель преломления затрудняет создание световедущей структуры, поэтому необходимо уменьшить остаточное содержание бора.
Полученные результаты говорят о перспективности использования технологии ПС для создания активных волоконных световодов с повышенным содержанием висмута.
Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН №32 «Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий».
Литература
1. DianovE.M.. et al, Quantum Electron. 35, 1083 (2005)
2. Razdobreev I, et al, Appl. Phys. Lett., 90, 031103 (2007)
3. Kalita M.P., Yoo S, Sahu J, Opt. Express, 16, 21032 (2008)
4. MelkumovM.A. et al, Opt. Lett., 36, 2408 (2011)
5. DianovE.M., J. Lightwave Technology, 31, 681 (2013)
6. Bufetov I.A., et al, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 20, 0903815 (2014)
7. Firstov S.V., et al, Opt. Lett., 39, 6927 (2014)
8. Zhou S., et al, J. of Mat. Chem., 19, 4603-4608 (2009)
9. Chu Y, et al, Opt. Lett, 41, 1225 (2016)
10. Fujimoto Y., Nakatsuka M., Japanese J. of Appl. Phys, 40, L279-L281 (2001)
Рис.2 Микрофотография среза объёмного образца, легированного висмутом. Концентрация висмута ~1.0 ат.%
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
