CC BY
9ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛЯ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ НА ОСНОВЕ ГЕРМАНОСИЛИКАТНОГО СТЕКЛА, ЛЕГИРОВАННОГО ВИСМУТОМ
Алышев С.В. 1 *, Вахрушев А.С. 1, Хегай А.М. 1, Фирстова Е.Г. 1, Мелькумов М.А. 1, Исхакова Л.Д. , Умников А.А. , Фирстов С.В.
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва 2 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород * E-mail: alyshs@fo.gpi.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-239-240
Современный мир трудно представить без информационных технологий, которые постоянно увеличивают требования к объёму данных, передаваемых в единицу времени по современным линиям связи. Однако, поток данных по волоконным световодам, на основе которых строятся телекоммуникационные системы, невозможно увеличивать бесконечно. Согласно современным прогнозам в течение следующих 20-25 лет объём передаваемых данных может возрасти более чем в 100 раз, что приведёт к исчерпанию возможностей передачи информации по отдельному световоду с использованием доступных на данный момент технологий [1]. Одним из путей преодоления данных ограничений является использование всей области низких потерь телекоммуникационного волокна, занимающей диапазон примерно от 1260 до 1620 нм: телекоммуникационные полосы O, E, S, C, L, и U. Это направление сегодня активно исследуется, и волоконные усилители на основе световодов, легированных висмутом, играют здесь ключевую роль [2]. Выбор данной активной среды обусловлен её уникальными характеристиками, прежде всего, широкой полосой усиления и низкой мощностью накачки, что выгодно отличает её от сред, легированных Pr и Tm, и ВКР-усилителей.
Уникальные свойства световодов, легированных висмутом, обусловлены способностью висмута, при его введении в сетку кварцевого стекла, формировать излучающие структуры, имеющие оптические переходы в ближней ИК области. Наличие долгоживущего (сотни микросекунд) метастабильного уровня в подобных структурах сделало возможным использование их для оптического усиления и лазерной генерации, в связи с чем данные локальные структуры получили
название висмутовые активные центры (ВАЦ) (см. [3] и ссылки в ней). Формирование ВАЦ в процессе изготовления световодов представляет собой сложное явление, которое, по-прежнему, недостаточно изучено. Основной особенностью процесса формирования ВАЦ является то обстоятельство, что, в отличии от случая легирования ионами редкоземельных металлов, таких как, например, Er, Yb, Nd и т.д., самого по себе иона Bi недостаточно для образования активного центра. Ион висмута должен найти определённое «посадочное место» (site) в сетке стекла, наличие которых ограничено и, по всей видимости, связанно с присутствием в сетке стекла кислородно-дефицитных центров (КДЦ). Таким образом, не весь введённый висмут участвует в формировании ВАЦ, и, более того, некоторая часть висмута, восстановившись до металлического состояния, может
конвертироваться в кластеры или другие неактивные формы, ответственные за появление ненасыщаемых потерь. Известно, что состав сетки стекла, т.е. присутствие
стеклообразующих элементов, таких как Al, P, Ge, влияет на тип ВАЦ, которые в нём образуется. До настоящего момента известны
Рис. 1. Насыщение оптических потерь и люминесценции (символы - эксперимент; линии - расчет). На вставке разница между расчетными и экспериментальными данными (остатки модели)
четыре типа ВАЦ, каждый ассоциирован со своим стеклообразователем: ВАЦ-Al, ВАЦ-P, ВАЦ-Ge и ВАЦ-Si.
Предметом исследования данной работы являлись активные центры, ассоциированные с кремнием (ВАЦ-Si), которые могут образовываться в сетки чистого кварцевого стекла. Тот факт, что присутствие дополнительных (помимо SiO2) стеклообразующих компонентов не требуется для формирования ВАЦ-Si, не означает, однако, что легирование подобными компонентами никак не влияет на формирование ВАЦ. Для формирования световедущей структуры сердцевина световода должна иметь показатель преломления выше показателя преломления оболочки, что достигается, например, введением ионов германия. Наличие Ge в сердцевине в случае дефицита кислорода в процессе изготовления световода ведёт к повышению концентрации КДЦ, что, согласно современному пониманию, должно создавать большее количество мест для формирования ВАЦ.
Данная работа посвящена систематическому изучению влияния профиля легирования Ge на эффективность конвертации введённого Bi в ВАЦ и на профиль распределения полученных ВАЦ по сечению световода. В качестве объектов исследования использовались световоды со сложным профилем показателя преломления, сформированным благодаря введению оксида германия, концентрация которого варьируется по радиусу сердцевины световода. Кроме того, в исследованных образцах специально создавалось различное радиальное распределение Bi, которое экспериментально было измерено с помощью волнодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектрометра JEOL JXA 8200. Типичная максимальная концентрация Bi в изучаемых образцах была 1.61017 см-3. Для определения эффективности конвертации было необходимо определить абсолютную концентрацию ВАЦ в активном световоде. Для этого мы использовали подход, основанный на спектроскопии насыщения оптических потерь и интенсивности люминесценции. Чтобы извлечь интересующую нас информацию о концентрации мы применяли численное моделирование, необходимое для более точного описания распространения света и возбуждения люминесценции в световоде с учётом неоднородностей, вызванных затуханием накачки вдоль световода, поперечным распределением поля моды и активных центров.
На рисунке 1 представлены типичные зависимости интенсивности люминесценции и величины оптических потерь от мощности введённого лазерного излучения. Кроме того, на данном рисунке в наглядной форме представлены основные формулы и некоторые параметры, используемые в расчетах. Результатом работы стало полученное радиальное распределение эффективности преобразования ионов Bi в ВАЦ, которая, как оказалось, может варьироваться от 10 до 35% в зависимости от соотношения концентрации GeO2 и Bi.
Более подробно методика проведения экспериментов, полученные экспериментальные результаты и их сопоставление с предложенной моделью будут изложены во время доклада. Работа выполнена при поддержке Российского Научного Фонда (грант № 22-19-00708).
Литература
1. Ferrari A, Napoli A, Costa N, Fischer JK, Pedro J, Forysiak W, Richter A, Pincemin E, Curri V. Multi-band optical systems to enable ultra-high-speed transmissions. In The European Conference on Lasers and Electro-Optics 2019 Jun 23 (p. ci_2_3). Optica Publishing Group
2. Elson DJ, Wakayama Y, Mikhailov V, Luo J, Yoshikane N, Inniss D, Tsuritani T. 9.6-THz Single Fibre Amplifier O-band Coherent DWDM Transmission. In2023 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC) 2023 Mar 5 (pp. 1-3). IEEE
3. Firstov S., et al, IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 24, 0902415 (2018)
