CC BY
6ВКВО-2023- ВОЛОКНО
высоколегированный эрбии-иттербиевыи
германофосфоросиликатный световод для одночастотных волоконных лазеров
11 2 1 Лобанов А.С. *, Абрамов А.Н. , Рыбалтовский А.А. , Липатов Д.С.
1 Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, г. Нижний Новгород 2 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова,
Москва
* E-mail: lobanov@ihps-nnov.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-152-153
Для передачи информации по волоконно-оптичеcким линиям связи требуются стабильные источники узкополосного сигнала, излучающие в телекоммуникационном диапазоне длин волн 1500 - 1600 нм. Этим критериям удовлетворяют одночастотные лазеры с узкой линией генерации менее 1 МГц. Помимо широко используемых полупроводниковых лазеров, большой интерес представляют одночастотные волоконные лазеры (ОВЛ), базирующиеся на световодах, активированных оксидами эрбия и иттербия. Длина резонатора ОВЛ составляет всего несколько сантиметров и для эффективного поглощения излучения накачки требуется высокий уровень легирования оксидами РЗЭ. Наиболее подходящей матрицей для Er-Yb световодов является фосфоросиликатное стекло, в котором наблюдается наиболее эффективная передача возбуждения от ионов Yb3+ ионам Er3+. Ключевым элементом резонаторов ОВЛ являются волоконные брэгговские решётки (ВБР) показателя преломления. Низкая начальная фоточувствительность фосфоросиликатных световодов существенно ограничивает возможность записи в них ВБР с высоким коэффициентом отражения, препятствуя созданию высокодобротных лазерных резонаторов. В работе [1] нами были разработаны и подробно исследованы свойства Er-Yb фосфоросиликатных световодов применительно к задаче разработки ОВЛ излучающих в области 1,5 мкм. В настоящем исследовании представлены результаты разработки Er-Yb световода, сердцевина которого помимо Р205 была дополнительно легирована 1,5 мол% Ge02 (Er-Yb-GPS) с целью придания стеклу большей фоточувствительности.
Преформа Er-Yb-GPS световода была изготовлена полностью газофазной MCVD методикой, с использованием мало-летучих хелатов Er(thd)3 и Yb(thd)3. Использовалась тонкостенная (1,3 мм) кварцевая труба Heraeus марки Suprasil F300 с внешним диаметром 15 мм, которая перед осаждением сердцевины сжимались до внутреннего диаметра 5-6 мм. Контейнеры с Er(thd)3 и Yb(thd)3 были нагреты до максимальной температуры 160 °С (спекание порошков), но при этом давление пара хелатов было на 2 порядка ниже относительно остальных прекурсоров, что исключает синтез высоколегированных РЗЭ стекол стандартным MCVD методом. Высокая концентрация Er203 и Yb203 была достигнута за счет оригинальной методики, с раздельным осаждением пористых слоев Ge02/P205/Si02 матрицы, каждый из которых длительно пропитывался Er203/Yb203, с последующим сплавлением пропитанного слоя в прозрачное Er203-Yb203-Ge02-P205-Si02 стекло в присутствие хлор-агента. Из преформы был вытянут одномодовый световод (0.92 мкм) внешним диаметром 125 мкм. Содержание легирующих добавок в сердцевине составило 12 мол% P205, 1.5 мол% Ge02, 1.34 мол% Yb203 и 0.28 мол% Er203 (рис. 1а) при величине dn ~ 0.021 (рис. 1б).
- а)
-Yb,0, 0
- -РА — GeOz
J
-20 -10 0 10 20 Радиус, мкм
Рис. 1. Состав стекла сердцевины в многомодовом световоде (а) и профиль показателя преломления
в исходной материнской преформе (Ь)
ВКВ0-2023- ВОЛОКНО
На рисунке 2 приведен спектр оптических потерь изготовленного одномодового световода. Интенсивность поглощения ионов Ег3+ в максимуме на длине волны 1535 нм составила 87 дБ/м, а ионов Yb3+ на длине волны накачки 975 нм ~ 1400 дБ/м. Уровень минимальных оптических потерь на длине волны 1150 нм (вдали от пиков поглощения Ег3+ и Yb3+) не превысил 70 дБ/км, что свидетельствует о высокой чистоте и гомогенности синтезированного Er-Yb-GPS стекла, в котором отсутствуют красящие примеси и рассеивающие центры (вторая фаза).
Для оценки фоточувствительности световода были проведены измерения наведенного показателя преломления в зависимости от дозы УФ-облучения. УФ-облучение производилось на длине волны 193 нм с помощью импульсного эксимерного ArF лазера Optosystems CLS-5000. Наведенный показатель преломления (Ли^) рассчитывался на основе анализа спектров пропускания решётки. Запись ВБР длиной 5 мм осуществлялась с использованием фазовой маски с периодом 1064 нм. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3. Максимальное зарегистрированное значение Лпм составило 3*10"4 при дозе облучения 1200 Дж/см2. Принципиальным отличием динамики наведения Лпм от наблюдавшейся ранее в германофосфоросиликатных световодах [2] явился её сравнительно монотонный рост, соответствующий механизму фоточувствительности типа I. В работе [2] определяющий вклад в динамику имел механизм типа Па, который более характерен для световодов с высокой концентрацией СсСЬ (~ 20 мол. % и выше).
г ш
et
о с
» 10
1400 dB/m
87 dB/m \
ш .07 dB/m /
....
3.0x10Н
2, Dim""
Е 1.5*10"
1.0X10''
S 5.0x10в
800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 Длина волны,нм
Рис. 2. Спектр оптических потерь Er-Yb-GPS световода
О 200 400 600 800 1000 1200 1400
Доза облучения, Дж/смг
Рис. 3. Зависимость наведенного показателя преломления в световоде от дозы УФ-облучения
Фоточувствительность Er-Yb-GPS световода оказалась примерно в 8 раз выше относительно Er-Yb-PS световода в работе [1] различающихся только наличием 1.5 мол% GeO2. Это позволило нам записать две согласованные по длине волны высокоотражающие ВБР (96,1 и более 99,9%) непосредственно в сердцевине Er-Yb-GPS световода без предварительной водородной обработки. При подключении изготовленного ультракороткого резонатора длиной 28 мм к источнику накачки на 975 нм наблюдалась строго непрерывная одночастотная генерация на длине волны 1539.9 нм (рис. 4) при комнатной температуре. Порог генерации лазера был обнаружен при 65 мВт мощности накачки, а его дифференциальная квантовая эффективность составила 17 %. Максимальная выходная мощность лазера составила 45 мВ. Значительное улучшение характеристик ОВЛ по сравнению с предыдущими результатами работы [1] стало возможно благодаря исключению насыщения световода молекулярным водородом и как следствие минимизации внутрирезонаторных потерь.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00511.
Литература
Рис. 4. Спектр излучения ОВЛ лазера
1.
Rybaltovsky A.A., Lipatov D.S., Lobanov A.S., Abramov A.N., Umnikov A.A., Bazakutsa A.P., Bobkov K.K., Butov°O.V., Gur'yanov A.N., "Photosensitive highly Er/Yb co-doped phosphosilicate optical fibers for continuous-wave single-frequency fiber laser applications" // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics, v. 37(10), pp. 3077-3083, (2020)
Dong L., Reekie L., Cruz J.L., Payne D.N. Grating formation in a phosphorus-doped germanosilicate fiber, In Proceedings of the Optical Fiber Communication (OFC), USA, Technical digest, paper TuO2. (1996)
