CC BY
13DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-40-41
СВЕТОВОД СО СМЕЩЁННОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ И ОПТИМИЗИРОВАННЫМ АКУСТИЧЕСКИМ ПРОФИЛЕМ
ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ВРМБ
Худяков М.М.1*, Цветков С.В.1, Косолапов А.Ф.1, Бубнов М.М.1Лобанов А.С.2,
Гурьянов А.Н.2, Лихачёв М.Е.1
'Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,
г. Москва
2Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород
E-mail: [email protected]
Усилители и лазеры, основанные на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР), широко применяются в областях, требующих излучения в спектральных областях, не покрываемых усилителями, легированными редкоземельными элементами. При этом, в ряде применений требуется малая спектральная ширина излучения. Необходимость применения больших длин волоконных световодов с высоколегированной сердцевиной малого диаметра означает, что вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) - главный нелинейный эффект, ограничивающий выходную мощность таких лазеров и усилителей.
Стандартным способом повышения порога ВРМБ является создание градиента сдвига ВРМБ по длине световода. При этом излучение, на каждой длине волны может усиливаться за счёт ВРМБ только в той части световода, в которой оно имеет перекрытие с локальным спектром ВРМБ. Частота сдвига наиболее просто изменяется деформацией световода и, поэтому, максимальное подавление ВРМБ 15,3 дБ [1], полученное данным способом, было достигнуто путём создания градиент натяжения по длине световода. Однако такое большое подавление достигалось за счёт большого натяжения световода - 3 % (как отношение удлинения к оригинальной длине), что крайне негативно сказывается на долговременной прочности световода. Развитием данного метода является одновременное создание не только растягивающих напряжений сердцевины, но и сжимающих. Так ранее нами была предложена и реализована идея использования смещенной относительно оси волокна сердцевины и намотки световода на катушку малого диаметра [2]. В зависимости от ориентации сердцевины она оказывается то сжатой, то растянутой. Это позволяет удвоить максимальную деформацию сердцевины при той же деформации световода по сравнению со случаем, где стандартный световод только растягивается (см. рис. 1а). Без сколько-нибудь значимой потери надежности волоконного световода нам удалось подавить ВРМБ на 4,1 дБ.
Принципиально иным способом уширения спектра ВРМБ является модификация акустического профиля световода для уменьшения перекрытия акустических и оптической мод. Максимальное подавление ВРМБ продемонстрированное с использованием этого метода составляет 11,2 дБ [3]. Однако из-за создания дополнительной оптической волноводной структуры он применим только для активных световодов. При создании строго одномодовых световодов используя схожий подход нами удалось подавить ВРМБ на 8 дБ [4]. В то же время стоит отметить, что перечисленные выше методы не являются взаимодополняемыми - то есть сколько-нибудь заметно улучшить подавление ВРМБ применяя два из них одновременно не удастся, так как в каждом случае линии усиления ВРМБ уширяют равномерно.
Ситуация кардинально меняется при использовании метода модификации акустического профиля сердцевины ВС путём одновременного легирования оксидами германия и алюминия, предложенного нами в [5]. В случае световодов с большой апертурой сердцевины в спектре ВРМБ появлялось три отдельно стоящих пика (было получено подавление ВРМБ на 6,4 дБ). Подобная особенность спектра ВРМБ позволяет эффективно применить дополнительный метод подавления ВРМБ -растяжение/сжатие световода для уширения каждого из отдельно стоящих пиков. В настоящей работе впервые реализован метод взаимодополняющего подавления ВРМБ двумя различными методами.
Нами был создан световод с сердцевиной, неоднородно легированной GeO2 и Al2O3 по радиусу (см. рис. 1в). Спектр усиления ВРМБ этого световода имел три основных пика с примерно равными амплитудами и один пик с в два раза уменьшенной амплитудой (при диаметре намотки 180 мм). Пиковый коэффициент усиления ВРМБ - gB, равнялся 3,6*10-12 м/Вт, что в сравнении со стандартным телекоммуникационным световодом SMF-28, для которого пиковое значение gB равно 16*10-12 м/Вт, демонстрирует подавление ВРМБ на 6,5 дБ.
Световод был изготовлен с внешним диаметром 125 мкм и был дополнительно покрыт герметичным углеродным слоем для увеличения долговременной прочности. Сердцевина световода имела диметр 7,5 мкм и была смещена на 37,5 мкм относительно оси световода (см. рис. 1б). Числовая апертуры сердцевины была равна 0.17. Рассчитанная площадь поля моды составила 7,96 мкм на длине волны 1,55 мкм, длина волны отсечки второй моды - 1,56 мкм. Подбор режимов сварки позволил получить потери 0,2-0,3 дБ при сварке со стандартным световодом с таким же диаметром сердцевины.
При намотке реализованного световода на катушку диаметром 28 мм каждый пик в спектре усиления уширялся на 200 МГц. Эта величина меньше расстояния между двумя наиболее удалёнными низкочастотными пиками, что позволяет увидеть структуру уширения одного пика с тремя максимумами, соответствующими сердцевине с максимальным сжатием и растяжением и несмещённой сердцевине. Намотка на катушку диаметром 15 мм увеличивает величину деформации с 0,53 % до 0,99 %, что приводит к росту максимального сдвига от 100 МГц до 185 МГц. При этом такой сдвиг превышает максимальное межпиковое расстояние, поэтому дальнейшее уменьшение диаметра намотки не приводит к уменьшению gв менее 1,2*10-12 м/Вт. Это соответствует подавлению ВРМБ еще на 4,7 дБ по сравнению с 8МБ-28. Таким образом суммарное подавление ВРМБ составляет 11,2 дБ. Так же были измерены пороги ВРМБ для 40 м световода со смещённой сердцевиной, намотанного на катушку диаметром 15 мм и 40 м 8МБ-28. Для этих целей в световод запускались одночастотные импульсы длительностью 500 нс на длине волны 1.55 мкм, и порогом ВРМБ считалось достижение отражённой мощности уровня 0,1% от входной мощности. Порог в исследуемом световоде составил 18,9 Вт, а в 8МБ-28 - 3 Вт (пересчитанные значения для линейной поляризации). Что при учёте разницы в площадях полей мод даёт подавление ВРМБ на 10,5 дБ.
Рис. 3. а) Схема намотки световода со смещённой сердцевиной. б) Фотография торца световода со смещённой сердцевиной. в) Измеренный профиль легирования сердцевины световода со смещённой сердцевиной. г) Измеренный спектр ВРМБ для световода со смещённой сердцевиной для разных диаметров намотки
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-3890281.
Литература
1. R.Engelbrecht, J. Light. Technol. 32, 1689-1700 (2014)
2. М.М. Худяков, В.В. Алексеев et al., Квантовая электроника 51, 228-231 (2021)
3. M.D. Mermelstein, M.J. Andrejco et al., in Proc. SPIE (2008), 68730N
4. S. V. Tsvetkov, M.M. Khudyakov et al., J. Light. Technol. 39, 592-599 (2021)
5. M.M. Khudyakov, M.E. Likhachev et al., in Proc.SPIE (SPIE, 2017), 10083, 1008313
