CC BY
20волоконный усилитель слабого сигнала
на длине волны 0.98 мкм
Алешкина С.С.1 , Липатов Д.С.2, Котов Л.В.3, Темянко В.Л.3, Кочергина Т.А.1,
Вельмискин В.В.1, Бардина Т.Л.4, Бубнов М.М.1, Гурьянов А.Н.2, Лихачев М.Е.1
1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва, Россия 2Институт химии высокочистых веществ РАН, г. Нижний Новгород, Россия 3 College of Optical Sciences, University of Arizona, г. Тусон, США 4Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Россия * E-mail: sv alesh@fo.gpi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16112
Интерес к Yb-лазерным источникам, излучающим на длине волны около 0.98 мкм, обусловлен, в первую очередь, перспективой удвоения и учетверения частоты излучения и создания волоконной альтернативы имеющимся газовым лазерам на аргоне и криптоне. Основная сложность реализации Yb-волоконных источников с длиной волны генерации 0,98 мкм, состоит в том, что энергетическая схема ионов Yb помимо излучательных переходов на 0,98 мкм, осуществляемых по трехуровневой лазерной схеме, позволяет излучательные переходы в спектральном диапазоне 1020-1100 нм, происходящих по четырех- и квазитрехуровневой лазерным схемам. В результате этого, для эффективной генерации на длине волны 0,98 мкм необходимым условием является сокращение рабочей длины активного световода до длины недостаточной для усиления спонтанной люминесценции в области более 1 мкм. Выбор схемы генерации излучения на 0,98 мкм так же имеет ограничения. Так как мощность коммерчески доступных одномодовых диодов, излучающих на длине волны 915 нм, не превышает 300 мВт, схема с накачкой по сердцевине ограничена по выходной мощности. Схема с накачкой по оболочке ограничена малым соотношением диаметров сердцевины и оболочки, в результате чего лишь малая доля мощности накачки оказывается поглощенной на рабочей длине световода. К настоящему моменту создание специальных волоконных световодов с увеличенным размером сердцевины позволяет снять это ограничение и реализовать схемы с высокой выходной мощностью и высокой эффективностью преобразования [1]. Однако реализованные конструкции световодов оказываются малоэффективными для создания усилителей слабого сигнала, вследствие высоких порогов генерации. Более того, в большинстве случаев предложенные конструкции световодов не позволяют создание полностью волоконных схем.
В настоящей работе предложен и реализован дизайн специального волоконного световода для усиления излучения слабого сигнала на длине волны 0,98 мкм. Увеличение поглощения накачки из оболочки достигнуто путем дополнительного кольцевого легирования области оболочки, прилегающей к сердцевине. Вследствие того, что выполнение профиля легированной редкой землей области с показателем преломления, равным показателю преломления кварцевого стекла, представляет собой непростую технологическую задачу, показатель преломления легированной Yb3+ области оболочки в модели был выбран выше уровня кварцевого стекла. При этом показатель преломления сердцевины был выбран таким образом, чтобы сохранить одномодовость структуры и сохранить размер модового пятна согласующимся с размером модового пятна коммерчески доступных световодов (10 мкм).
Заготовка световода была реализована методом MCVD. В качестве матрицы легированной Yb3+ области нами была использована фосфороалюмосиликатная матрица, позволяющая сохранить низкое значение апертуры световода, а так же обеспечить стойкость световода к эффекту фотопотемнения [2]. Световод с диаметром кварцевой оболочки 80 мкм был вытянут в отражающем полимере, обеспечивающем апертуру 0,45. Измеренный профиль показателя преломления световода и изображение его торца приведены на рисунке 1а. Диаметр поля фундаментальной моды, измеренный по осям x и y, был 12 и 15 мкм, соответственно. Поглощение по оболочке, измеренное на длине волны 915 нм, составило 3.4 дБ/м. Вследствие наличия интенсивной полосы поглощения ионов Yb3+ на длине волны 0,98 мкм, исследование модового состава было проведено на длине волны около 1,06 мкм. Было показано, что световод в области 1,06 мкм является одномодовым.
Реализованный световод был протестирован в схеме усилителя слабого сигнала. В качестве задающего источника лазерного излучения был использован полупроводниковый диод, пигтелированный волоконным световодом, к выходному концу которого была подварена стабилизирующая длину волны брэгговская решетка. Схема усилителя содержала ответвитель для регистрации мощности входного сигнала, изолятор, специально разработанный объединитель
224 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
мощности сигнала и накачки 2+1 в 1, сигнальная жила которого представляла собой световод с диаметром сердцевины и оболочки 10 мкм и 80 мкм соответственно, активный световод и вывод накачки. Выходной конец световода вывода накачки был сколот под углом, чтобы предотвратить обратное отражение. В качестве источника многомодовой накачки был использован полупроводниковый диод, излучающий на длине волны около 0,915 мкм. Оптимальная длина активного световода для усиления сигнала на длине волны 0,98 мкм составила 37 см. При этом эффективность усиления была максимальной на длине волны 0,977 мкм и в режиме насыщения составила 9,7%. Порог генерации был около 3Вт, что позволяло достичь мощности выходного сигнала более 0.5 Вт при использовании относительно маломощного источника многомодовой накачки (10 Вт).
Чтобы оценить возможность применения реализованного световода в качестве усилителя слабого сигнала, нами было проведено исследование влияния мощности входного сигнала на соотношение сигнал/шум на выходе усилителя (отношение мощности усиленного сигнала к интегральной мощности люминесценции вблизи 0,977 мкм). На рисунке 1б показана зависимость добавленной мощности сигнала на длине волны 976.9 нм, генерируемой мощности люминесценции в области 0,98 мкм и люминесценции в области 1,03 мкм от мощности входного сигнала. В ходе исследования установлено, что при мощности входного сигнала около 1 мВт возможно достижение соотношения сигнал/шум более 20 дБ, что для большинства применений является достаточным. Исследование спектров усиления при меньшем уровне входного сигнала (на уровне 10 мкВт) показало, что усиление более 25 дБ может быть реализовано в спектральном диапазоне от 974 нм до 980 нм (рисунок 1в).
Интересно также отметить, что форма спектров усиленной спонтанной люминесценции изменялась в зависимости от длины волны усиливаемого сигнала. Мы предполагаем, что подобное поведение связано с неоднородным уширением спектров люминесценции ионов Yb3+, в результате чего снятие инверсной населенности и проседание люминесценции происходило неравномерно и наблюдалось преимущественно на длинах волн сигнала и прилегающих длин волн.
радиус, мкм мощность входного сигнала, мВт длина волны, нм
Рисунок 1 а - измеренный по двум ортогональным осям профиль показателя преломления световода, изображение торца световода (на вставке); б - добавленная мощность сигнала на 0.98мкм, мощность люминесценции в области 0.98мкм и области 1.03мкм от мощности сигнала (мощность накачки равна 9Вт); в - спектральная зависимость коэффициента усиления, измеренного при мощности входного
сигнала 10 мкВт
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 18-79-00187
Литература
1. T. Matniyaz, W. et.al, in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest, paper JTh5A.7 (2019)
2. Likhachev M, et al, in CLEO/Europe and EQEC 2011 Conference Digest, OSA Technical Digest (CD), paper CJ_P24 (2011)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 225
