Исследование некоторых оптических волноводных явлений и их применение в перспективных приборах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА Международный Учебно-Научный Лазерный Центр

Р Г б О Д На правах рукописи

УДК 621.373.826

- 3 ИЮЛ

КИМ МИОНГ ВУК ( К1М MYONG WOOK )

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ ПРИБОРАХ

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Корейском институте науки и технологии (ККТ) и в Международном учебно-научном лазерном центре Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель:

Официальные оппоненты :

Ведущая организация :

кандидат физ.-мат. наук доцент Ю.Д. Голяев

доктор физ.-мат. наук профессор ВЛТТТвейкин

кандидат физ.-мат. наук П.Г. Леонов

Московский Государственный

Институт Радиотехники, Электроники и Автоматики (Технический Университет)

Защита диссертации состоится " 7 и " июня 1997 г. в 7 О часов на заседании Диссертационного Совета Д.053.05.82 в Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу : 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан: 1997 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д.053.05.82, кандидат физ.-мат. наук, доцент

л..-с/»

Т.М. Ильинова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Вследствие роста скорости информационных потоков в мире потребность в соответствующих высокоскоростных и емких коммуникационных линиях является актуальной. Наилучшим образом этой задаче отвечают оптические линии передачи информации. Процесс их освоения и постепенной замены проводных медных линий на оптические уже начался.

На сегодняшний день уже имеется множество исследований в этой области. Однако история реальной практики применений оптических линий передачи информации еще совсем молоды и здесь имеется впереди еще множество нерешенных теоретических и практических задач.

Настоящая работа посвящена одному из важных направлений развития оптических линий передачи информации - исследованию и разработке перспективных волоконно-оптических элементов, материалов и метрологии. Конкретным предметом работы являются следующие темы:

- распространение и взаимодействие мод низких порядков и напряженных, двулучепреломляющих волоконно-оптических разветвителях и исследование и создание перспективных поляризационных расщепителей на их основе;

- поиск, исследование и экспериментальная реализация неразрушающего, точного метода измерения важнейших параметров оптических волноводов от торцевых поверхностей;

- поиск, исследование и экспериментальная реализация новых эффективных материалов и методов изготовления из них оптических волноводов и лазерных усилителей с низкими потерями и высокой скоростью передачи информации.

АКТУАЛЬНОСТЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. До начала нашей работы уже существовали волоконные поляризационные расщепители оптических лучей. Однако они были основаны на длинных и неудобных в эксплуатации биконических, спаянных расщепителях, не имели возможности регулировки амплитуды и фазы коэффициента расщепления и вследствие этого сама величина коэффициента расщепления имела случайных характер. Эти недостатки существенно ограничивали возможность применения необходимых для практики поляризационных расщепителей.

2. Благодаря постоянному прогрессу науки и техники стали появляться оптические волноводы с низкими потерями.

Поэтому разработка методов измерения с достаточной точностью этих малых по абсолютной величине оптических потерь является важной и актуальной задачей. Наряду с потерями необходимо всегда измерять и величину отражения от торцов волновода. Существовавший метод измерения на основе эффекта эталона Фабри-Перо требовал разрушения образца волновода, был длительным и неудобным.

3. Распространенным на сегодня материалом для оптических волокон является плавленный кварц. Однако его главные параметры, такие как оптические потери и дисперсия не являются лучшими и уже стали реально ограничивать прогресс в области оптической коммуникации. Таким образом поиск и реализация новых материалов, лучших чем плавленный кварц, реализация ожидаемых преимуществ в оптических волокнах есть важная цель. Однако для наиболее популярных - одномодовых оптических волокон предел оптических потерь связан также с точностью и стабильностью по длине размеров сердцевины и оболочки волокна. Современные методы изготовления оптических волокон далеки от этих необходимых требований и здесь есть большой резерв для улучшений.

До настоящей работы было показано, что наиболее перспективным на сегодня для минимизации оптических потерь и дисперсии является так называемый материал - ZBLAN-стекло (стекло на основе флуоридных солей). Именно этот материал был выбран нами для соответствующих исследований и проработок.

Сформулированные выше в п. 1-3 проблемы легли в основу данной работы, что и определяет ее актуальность.

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ РАБОТЫ

1. Поиск и идеи экспериментального метода создания короткого по длине и легко nef исследование предполагаемого расщепителя.

2. Поиск нового неразрушающего и быстрого метода измерения основных

оптических параметров волноводов, разработка необходимой теоретической базы, создание и исследование соответствующего экспериментального образца.

3. Комплексное теоретическое и экспериментальное исследование наиболее перспективного на сегодня материала для оптических волоконных систем ZBLAN-стекла, поиск и экспериментальная реализация нового метода

изготовления одномодовых оптических волокон на основе 2ВЬАК-стекла, обеспечивающего более высокие точность и стабильность размеров сердцевины и оболочки.

НОВЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Впервые были исследованы распространение и пространственные биения мощности собственных мод существенно ассиметричного, напряженного, двулучепреломляющего волоконно-оптического расщепителя с эллиптическим поперечным сечением.

2. На основе физических исследований был предложен и экспериментально исследован новый, более совершенный метод создания волоконно-оптического поляризационного расщепителя с короткой длиной и плавной регулировкой параметров расщепления.

3. Предложен, теоретически отработан и экспериментально реализован неразрушающий модифицированный метод измерения оптических потерь и отражение торцов волноводов на основе эффекта эталона Фабри-Перо.

4. Исследованы основные свойства нового перспективного материала для волоконной оптики - 2ВЬАЫ-стекла и получены все необходимые данные для последующего применения этого материала.

5. Предложен и экспериментально реализован перспективный метод (слепка волокна в трубке) создания одномодовых оптических волокон на основе гВЬАМ-стекол.

6. Предложен и экспериментально реализован и исследован перспективный лазерный усилитель на основе ЗВЬАЫ-стекла, активированного ионами эрбия (Ег3+).

7. Исследован перспективный для применений процесс анконверсии в ZBLAN-cтeклax, активированных ионами эрбия и тулия (Ег3+ - Тш3+). Показано, что процесс анконверсии осуществляется на основе многоступенчатого поглощения фотонов накачки.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Механически продольные натяжения в волноводных, сплавленных разветвителях меньше чем порог разрушения вызывают пространственные коротковолновые биения между двумя низкими поперечными модами.

2. Предложенный и экспериментально реализованный метод создания спаянных механически напряженных оптических разветвителей обеспечивает создание компактных, поляризационных расщепителей лучей с плавной регулировкой.

3. Предложенный, теоретически и экспериментально реализованный модифицированный метод эталона Фабри-Перо обеспечивает высокую точность и исключает необходимость разрушения при измерении потерь и отражение торцов оптических волноводов.

4. Результаты, полученные при детальном исследовании 2ВЬАЫ-стекол подтверждают их перспективность для создания высокоскоростных дальних оптических систем коммуникаций.

5. Предложенный и практически реализованный новый метод создания одномодовых волокон (метод слепка волокна в трубке) обеспечивает существенно более точные и стабильные размеры сердцевины и оболочки волокна.

6. Предложенный и экспериментально реализованный волоконный лазерный усилитель на основе Ег - активированного гВЬАЫ-волокна является перспективным для оптических коммуникационных систем вследствие его высокого коэффициента усиления, низких шумов, поляризационной независимости и совпадением лазерного перехода с окном прозрачности оптического гВЬАЫ-волокна.

7. Процесс красной и зеленой анковерсии в Ег-Тт активированном гВЬАЫ-стекле обусловлен многоступенчатым поглощением фотонов, включая передачу энергии между двумя ионами-активаторами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Основные результаты описаны и опубликованы в 14 статьях в научных журналах, в 8 научных отчетах по проведенным НИР, дополнены и обсуждены на 10 научных конференциях.

Список публикаций и конференций приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из Введения, трех глав, заключения и списка литературы. Число страниц - 130, число рисунков - 56, ссылочная литература приведена после каждой главы и общее число ссылок равно 76.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Исследован и экспериментально апробирован метод создания высокоэффективного, плавнорегулируемого волоконнооптического поляризационного расщепителя, необходимого для применения в оптических системах связи.

2. Созданный метод неразрушающего контроля потерь и отражения торцов оптических волноводов позволяет исключить серьезные потери при производстве волноводов.

3. Предложенный и апробированный метод создания волокон с точными и стабильными размерами сердцевины и оболочки обеспечивает дополнительное заметное снижение потерь и увеличение дальности действия оптических волоконных систем связи.

4. Созданный волоконно-оптический лазерный усилитель в диапазоне 1.5 мкм обеспечивает существенное увеличение дальности действия оптических линий связи.

5. Результаты исследований свойств и апконверсии инфракрасного излучения в ZBLAN стеклах показывает перспективность применения этого материала в волоконно-оптических системах коммуникации.

IL СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении (Глава 1) обосновывается актуальность выбранной темы исследования проблемы, формулируются основные цели и задачи работы, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, перечислены защищаемые положения и кратко изложено содержание диссертации.

Во второй главе рассматривается двухконический волоконно-оптический расщепитель поляризации. Поскольку Kawasaki и др. [1] сообщили о двухконическом методе, одномодовые волоконные расщепители с малыми потерями могут теперь быть получены. Были исследованы разветвители поляризации луча, полученные этим методом. Yataki и др. [2] и Brecheno и др. [3] сообщали об изготовлении волоконно-оптических расщепителях поляризации луча с обычными волокнами, a Yokohama и др. [4] сообщали об изготовлении волоконно-оптических расщепителях поляризации луча с волокнами, сохраняющими поляризацию. Последние две группы изготавливали

свои расщепители поляризации луча используя очень длинные плавленые двухконические ответвители.

Из [2] и [3] известно, что формальное двойное лучепреломление в области ответвления очень мало. Следовательно, если длина конической части ответвителя не велика, мы можем предположить, что коэффициент ответвления для двух собственных мод одинаков. Трудно точно описать процесс ответвления в плавленом коническом ответвителе. Таким образом, для простоты предполагается, что область ответвления однородна. После того, как были изготовлены ответвители, полученная пропорция ответвления вблизи окончательной конической длины может быть выражена с помощью коэффициента ответвления на окончательной конической длине.

Когда к конической области прикладывают продольное натяжение, коэффициент ответвления может меняться из-за изменения размеров волокна, формы конуса и показателей преломления волокон. Поскольку кривизна конической формы двух осей собственных мод имеет разные значения, показатели преломления двух собственных мод меняются различным образом и возникает двойное лучепреломление. Следовательно, коэффициент ответвления портов 1 и 2 выражается следующим образом:

ц cos2 6 • cos2(Cf +CX)(L+Al) + sin2 6- cos2(Cf + Cy)(L+ Al) ft ~ cos2e sin2(Cf+CxXL+Al)+sin2e-sin2(Cf+ Cy)(L+Al)

где 9 - угол входной поляризации, Cf - коэффициент ответвления в окончательной конической части, L - длина конической части, Сх и Су - изменение коэффициента ответвления за счет натяжения для двух собственных мод, Д1 -длина участка с натяжением. При выполнении соответствующих условий, ответвитель может выполнять функции расщепителя поляризации луча.

В этом эксперименте использовались одномодовые волокна с согласованными оболочками. Диаметр сердечника, диаметр оболочки и длина волны отсечки составляли 4,4 мкм, 85 мкм и 0,6 мкм соответственно. Одномодовые волоконные ответвители были изготовлены методом двухконусного плавления. Длина конической части составила 26 мм, дополнительные потери - 0,4 дБ. Отношение расщепления мощностей выходных точек 1 и 2 было измерено как функция угла входной поляризации с увеличением натяжения.

Из рис. 1 видно, что этот ответвитель функционирует как расщепитель поляризации луча с коэффициентом ослабления 17 дБ при длине натяжения

150 мкм. Даже при условии отсутствия натяжения было обнаружено, что ответвитель обладает некоторой поляризационной зависимостью.

stretch Оцт 40цЩ вО^т 120дт 150мт length --©-- "И*

-20

I1 Ш Л W- '-к-*- т

шш

■ %

90 180 270

Input polarization angle (deg.)

360

Рис. 1. Изменение отношения расщепления мощностей как функция угла входной поляризации при увеличении натяжения.

В третьей главе предлагается неразрушающая методика измерения потерь распространения в волноволах. Некоторые методики измерения, включая метод обратной отсечки (cut-back) [5], метод рассеяния света [6] и метод резонатора Фабри-Перо [7,8], были приняты для измерения потерь волноводов. Обычный метод обратной отсечки не подходит для измерения потерь распространения в полупроводниковых волноводах с низкими потерями. В случае полупроводниковых волноводов с низкими потерями прошедшая выходная мощность из волновода зависела бы как от потерь волновода, так и от эталонного эффекта Фабри-Перо, поскольку коэффициент отражения плоскостей скола велик и составляет 0,3. Для проведения точного измерения потерь необходимы хорошее антиотражающее покрытие, а также тщательная юстировка. Кроме того, выходная энергия должна быть измерена для нескольких различных длин волноводов.

В последнее время различные группы сообщали об измерении потерь на распространение в полупроводниковых волноводах с потерями менее 1 дБ/см при использовании метода резонатора Фабри-Перо [9-11]. Метод Фабри-Перо основан на интерференционных картинах резонатора Фабри-Перо, т.е. полупроводниковом волноводе с высоким отражением от торцевых граней. Однако, для того чтобы получить точные результаты измерения потерь на распространение при использовании метода резонатора Фабри-Перо, отражение от граней и пик резонанса Фабри-Перо должны быть получены через последовательные сколы. В настоящей работе мы предлагаем модифицированную методику Фабри-Перо для измерения потерь, которая не требует последовательных сколов. Когерентная отраженная и прошедшая интенсивности резонатора Фабри-Перо с потерями определяются следующими формулами:

1г я([1 - е"4*1-]2 + 4 Яе^ 5т2(6 / 2)) (1)

10 |[1 - Яе"^]2 + 4 Яе-"1' Бт2(5 / 2)|

I, а-ю^ (2>

10 ([1 - Яе-"1*]2+4 Яе"4*1- 5т2(б / 2))

где Ь - длина волновода, Б - коэффициент отражения от грани, а - потери на распространение. Пусть Тк=11(5=0)/10 - резонансное прохождение, Тд=1{. (5=я)/1о - антирезонансное прохождение, и Ид - резонансное и

антирезонансное отражение соответственно. Коэффициенты контрастности в спектрах прохождения и отражения, определяемые как

являются ключевыми параметрами. Потери на распространение и отражение могут быть определены из (1), (2) и (3) следующим образом:

ехр(-аЬ) = -——г

1+л/г ! '

ы =

т/КпШМ5-1

(5)

где у - отношение ККЕ?ь/КтаАК3. Другими словами, потери на распространение (а) и коэффициент отражения граней (И) могут быть просто получены с использованием уравнений (4) и (5).

Для проверки возможности применения предложенного подхода для определения (а) и (И) были изготовлены полосковые нагруженные ОаАб/АЮаАз-волноводы и были измерены их потери. Двойные гетерострук-туры СаАз/АЮаАэ были выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МВЕ) на подложке (100) СаАв.

Наблюдались типичные резонансы Фабри-Перо одномодового волновода, как показано на рис.2. Сплошная и точечная линии показывают соответственно пики интерференции Фабри-Перо для прошедшей и отраженной мощностей при нагреве. Средние значения измеренных Кден, и Ктплкб соответственно составляли 3,183 и 0,009. Таким образом, оцененные значения а и И составили 0,313±0,008 и 0,50±0,01 дБ/см соответственно.

8.0х10.в

6.0x10.

0.0 о

10 20 30

Т|тв(АгЬ.ипН)

40

Рис.2. Выходное пропускание (точечная линия) и отражение (сплошная линия) резонатора Фабри-Перо как функция времени.

Четвертая глава посвящена использованию фторидного стекла 2ВЬАК для оптической связи. В первой части описываетсмя изготовление одномодового

волокна. Фторидные стекла вызывают большой интерес среди разработчиков волоконных лазеров [12]. В частности, стекла с высокой прозрачностью в среднем ИК-диапазоне стимулируют разработку лазеров с фторидными стеклами, излучающими в диапазоне 1,3 мкм [12-14]. Некоторые исследователи подчеркивают, что значительный прогресс в характеристиках лазеров может быть достигнут, когда волокна с размерами одной поперечной моды станут доступны [12,15]. Одномодовые размеры означают, что сердцевина волокна достаточно тонкая, чтобы удовлетворить У-значению для одномодовых условий [16]. Волокно, достаточно тонкое для одной продольной моды, требует определенного соотношения между диаметром внешней оболочки и сердцевины, которое, однако, довольно трудно контролировать, используя такие распространенные методы, как встроенная заливка, вращающаяся заливка, заливка стержня в трубку, многотигельный [17]. В настоящей работе мы представляем метод изготовления заготовки волокно-в-трубку для одномодовых фтороцирконатных стекол, который позволяет легко контролировать соотношение диаметра внешней оболочки к диаметру сердцевины.

Мы вытягивали многомодовое волокно из фтороцирконатного стекла (диаметр 0,3 мм) из заготовки с двойным индексом, которая была изготовлена методом встроенного литья, который имеет некоторые преимущества с точки зрения получения высокого качества поверхности раздела между сердцевиной и внешней оболочкой, хотя этот метод не позволяет легко контролировать толщину внешней оболочки искусственным образом. Состав внешней оболочки и сердцевины в мол.%: 53ггГ4-20ВаР2-4ЬаГз-ЗА1Ез-20КаР и 532гР4-25ВаР2-4ЬаР3-ЗА1Г3-15КаР, соответственно. Индекс сердцевины (п<.0) и разница индексов Д для волокна должна быть 1,504 и 0,003 соответственно [18].

На втором этапе (мы называем его литье волокно-в-трубку) расплав оболочки наливали в латунную пресс-форму заготовки (внутренний диаметр 10 мм), в центре которого симметрично оси расположен стержень из кварцевого стекла диаметром 0,4 мм. Медленное удаление стрежня после охлаждения позволяет получить полую толстостенную трубку. Одномодовая заготовка была получена путем вставки заранее вытянутого отрезка волокна с двойным индексом в отверстие в толстостенной трубке. Отношение диаметра внешней оболочки к сердцевине изменяется при изменении диаметра сердцевины волокна и/или толщины стенок трубки внешней оболочки. Состав внешней оболочки одномодовой заготовки и сердцевины волокна был одинаковым.

На рис. 3 показана диаграммы ближнего поля поперечного сечения волокна из фторцирконатного стекла, которое было вытянуто из заготовки "волокно в трубке". Яркое пятно в центре кольцевой зоны - изображение сердцевины, которая ограничивает проходящее излучение. Соотношение между диаметрами внешней оболочки и сердцевины менялось путем изменения диаметра сердцевины волокна. Используя этот метод, мы получили хорошие размеры одной поперечной моды и полагаем, что из можно использовать в различных спектральных диапазонах.

Рис. 3. Поперечное сечение волокна из фтороцирконатного стекла, которое было вытянуто из заготовки для литья "волокно-в-трубку". Диаметр внешней оболочки и сердцевины приблизительно 300 и 10 мкм соответственно.

Вторая часть четвертой главы посвящена исследованию усиления в коротких волокнах, легированных эрбием, на длине волны 1,55 мкм. Волоконные усилители, легированные редкоземельными элементами, изучаются интенсивно как полезные приборы для волоконно-оптических систем связи из-за их высокого усиления, низкого уровня шума, поляризационной независимости и простоты соединения с волокнами [19]. Легированное эрбием волокно на длину волны 1, 55 мкм весьма важно для реализации оптического усилителя с высоким усилением. Недостатком кварцевых волокон, легированных эрбием,

является узкая полоса пропускания. Кроме того, для создания усилительной среды в кварцевых волоконных усилителях требуются десятки метров волокна.

В нашем эксперименте в спектральном диапазоне 1,55 мкм наблюдалось небольшое усиление сигнала 3 дБ в одномодовом фторидном волокне длиной 28 мм, легированном Ег3+.(Рис.4)

Состав внешней оболочки и сердцевины волокна из фторидного стекла были 532гЕ4-20ВаГ2-4ЬаГ3-ЗА1Г3-20КаЕ и 532гЕ4-25ВаЕ2-4ЬаЕз-ЗА1Г3-15ЫаР соответственно. Сердцевина волокна содержала 0,2 мол.% ионов Ег3+. Одномодовое волокно было изготовлено методом литья "волокно-в-трубку". Диаметр сердцевины, внешний диаметр и длина волны отсечки составляли 8,4 мкм, 323 мкм и 1,27 мкм соответственно. Длина используемого в эксперименте волокна составляла 28 мм.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Pumping power (W) Рис. 4. Зависимость усиления от мощности накачки.

В третьей части Главы 4 рассматривается комбинированный процесс конверсии "в верх" в ZBLAN:Er, Tm-стеклах при возбуждении на длине волны 793 нм. Процессы конверсии "в верх" и передачи энергии в материалах, легированных Ег, изучаются достаточно широко, поскольку его зеленое излучение и излучение с длиной волны 1,55 мкм использовалось в оптических запоминающих устройствах и системах оптической связи соответственно. Многие исследователи сообщали о передаче энергии между Ег3+ и другим редкоземельным ионом для максимальной эффективности. L.F.Johnson и др. наблюдали квадратную зависимость энергетического уровня 4S3/2 от иона Ег3+

в системе Ег3+-УЬ3+, которая подтверждает, что 433/2 уровень был заселен за счет двухфотонной абсорбции [20]. Б.АгаЫге и др. сообщают, что наблюдали сильную зеленую флуоресценцию за счет трехфотонного процесса в высоколегированном Ег3+-волокне при накачке лазерным диодом с длиной волны излучения 1,48 мкм [21]. В настоящей работе мы сообщаем о том, что для совместно легированных Ег3+-Тт3+-стекол, возбуждаемых лазерным диодом с длиной волны излучения 793 нм, наблюдалась зеленая флуоресценция с -уровня Ег3+-иона за счет комбинированного процесса двухфотонной и трехфотонной апконверсии.

Базовым составом был широко известный 532гР4-25ВаР2-4ЬаРз-ЗА1Рз-15ИаР (мол.%), в котором 4ЬаР3 был частично замещен хТтР3 и уЕгР3. Соотношение легирующих концентраций ТтР3 к ЕгЕ3 (х/у) было 0, 1, 4, 10 и 19. Спектр эмиссии был получен при возбуждении образцов сфокусированным пучком излучения лазерного диода с длиной волны 793 нм.

Видимый спектр эмиссии в результате апконверсии возбуждения длиной волны 793 нм в стекле, легированном только Ег3+ и в стеклах, легированных одновременно Ег3+-Тт3+, состоит из трех областей в тех же самых спектральных диапазонах, как и те, о которых прежде сообщалось. Но для стекол, легированных одновременно Ег3+-Тт3+, интенсивность зеленого излучения была в 2 или 3 раза больше по сравнению со стеклом, легированным только Ег3+.

На рис. 5. показана ИК-эмиссия в стеклах, легированных только Тш3+ и одновременно Ег3"|"-Тт3+, при накачке лазерным диодом с излучением 793 нм. ИК спектр эмиссии в стеклах, легированных только Тт3+, дает две основных зоны эмиссии, из которых эмиссия около 1,48 мкм и 1,75 мкм соответствовали переходам 3Р4-»3Н4 и 3Н4—>3Н6 соответственно. Эмиссия Тт3+-иона на 1,48 мкм уменьшалась при увеличении концентрации ионов Ег3+, которая увеличивала зеленую интенсивность за счет перехода энергии от иона Тт3+ к иону Ег3+\

Поскольку соотношение концентраций Тт3+/Ег3+ возрастает, зависимость интенсивности меняется от (Рех)2 Д° (Рех)3' Это означает, что трехступенчатая абсорбция эмиссии на 1,48 мкм с иона Тт3+ на ^Э3 /2 уровень иона Ег3+ становится доминирующей, поскольку легирующая концентрация Тш3+ относительно возрастает. Например, зависимость интенсивности зеленой эмиссии от мощности накачки была (Рех)2 для стекла, легированного только Ег3+ (0,2 мол.%, отношение легирования Тш3+/Ег3'1" равно 0), и (Рех)2,7 Для

стекла, легированного одновременно Ег3+-Тш3+ (0,2%, отношение легирования Тт3+/Ег3+ примерно 20).

Для гВЬАЫ стекол, одновременно легированных Ег3+-Тш3+, многоступенчатая абсорбция эмиссии на 1,48 мкм с Тш3+ на 483/2 уровень иона Ег3+ становится более доминирующей, поскольку концентрация Тт3+ относительно возрастает. Энергетический уровень 433/2 иона Ег3+ заселен, вероятно, трех-фотонной абсорбцией эмиссии на 1,48 мкм с перехода 3Г4—>3Н4 в ионе Тт3+, а также двухфотонной абсорбцией линии лазерной накачки 793 мкм.

3.5x10е

3.0x10е

3H4,W

ja

i_

го

с л

2.0x10s

2.5x10е

- TmJ+2%-Er>0.5%

— Тт3*2%-Ег3*1.5%

-5.0x10s,

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

wavelength (nm)

Рис. 5. ИК эмиссия для 2В1ЛШ стекла, легированного только Тш3+, и легированного одновременно Ег3+-Тт3+. Эмиссия на 1,48 мкм от перехода 3Г4->3114 в ионе Тт3+ уменьшается с ростом концентрации Ег3"*".

ЛИТЕРАТУРА

1. Kawasaki, B.S., Hill, K.O., and Lamont, R. G.: 'Biconical- taper single mode fiber coupler', Opt. Lett., 1981, 6, pp327-328

2. Yataki, M.S., Payne, D.N., and Varnham, M.P.: 'All-fibre polarising beam splitter', Electron. Lett., 1985, 21, pp249 - 251

3. Bricheno, T. and Baker, V. :'All-fibre polarisation splitter/combiner', Electron. Lett., 1985, 21, pp251-252

4. Yokohama, I., Okamoto, K., and Noda, J. : 'Fibre-optic polarising beam splitter employing birefringent-fibre coupler', Electron. Lett., 1985, 21, pp415-416

5. R.G. Hunsperger, Integrated Optics: Theory and Technology, 3rd ed. (Springer, New York, 1991).

6. Y. Okamura, S. Yoshinaka, and S. Yamamoto. Appl. Opt. 25. 3405 (1986).

7. R.G. Walker, Electron. Lett. 21, 5991 (1985).

8. R. Regener and W. Schler, Appl. Phys. В 36. 143 (1985).

9. H. Takeuchi and K. Oe, IEEE J. Lightwave Technol. LT-7. 1044 (1989).

10. R.J. Deri, E. Kapon, R. Bhat, M. Seto, and K. Kash, Appl. Phys. Lett. 54, 1737 (1989).

11. E. Kapon and R. Bhat, Appl. Phys. Lett. 50. 1628 (1987).

12. P. Urquhart, IEE Proc.. Pt J 135 (1988) 394.

13. L. Esterowiz, R. Allen and I. Aggarwal Electron. Lett. 24 (1988) 1104.

14.M.C. Brierley and P. W. France, ibid. 24 (1988) 935.

15. M.C. Brierley, C. A. Miller and P. W. France, in Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics, Vol. 11. Baltimore. April 1989 (Optical Society of America, Washington, D.C., 1989) p. 88.

16. T. Okoshi, in "Optical fibers" (Academic Press, London, 1982) p.66.

17. J. Lucas, J. Mater. Sci. 24 (1989) 8.

18. H. Tokiwa, Y. Mimura, O. Shinbory and T. Nakai, J. Lightwave Technol. LT-3 (1985) 572.

19. S. Simada, Optics & Photonics News, 16, No. 1, 6 (1990)

20. L.F. Johnson, H.J. Guggenheim, T.C. Rich and F.W. Ostermayer: J. Appl. Phys. 43 (1972) 1125.

21. S. Arahira, K. Watanabe, K. Shinozaki and Y. Ogawa: Opt. Lett. 17 (1932) 1679.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые были исследованы закономерности распространения и пространственные биения основных низших мод в существенно ассиметричном напряженном и двулучепреломляющем волоконно-оптическом разветвителе с эллиптическим сечением.

2. Предложен и экспериментально реализован новый метод создания компактного, высокоэффективного волоконно-оптического плавно регулируемого, поляризационного расщепителя.

3. Предложен, теоретически и экспериментально исследован и реализован модифицированный неразрушающий метод эталона Фабри-Перо для точного измерения оптических потерь и отражения торцов оптических волноводов.

4. Исследованы основные свойства нового перспективного материала гВЬАЫ-стекла и получены наиболее важные данные, необходимые для его применения в области волоконно-оптической коммуникации.

5. Предложен перспективный метод создания одномодовых оптических волокон (метод слепка волокна в трубке) и применительно к перспективному материалу 2ВЬАЫ-стеклу реализован.

6. . Предложен, экспериментально реализован и исследован волоконный лазерный усилитель на основе Ег-активированного 7ВЬАЫ-стекла и показана его перспективность для применения в оптических линиях коммуникации.

7. Исследована красная и зеленая анконверсия инфракрасного излучения в 2ВЬАН-стеклах, активированных ионами эрбия и тулия. Показано, что основным механизмом анконверсии является многоступенчатое поглощение фотонов и обмен энергией между ионами.

GENERAL DESCRIPTION OF THE WORK

The main purpose and priority of the work

The concept of information highway is spread over the world, therefore the higher speed and the more massive communication is required. Optical communication is of the the good technology for the demand at present time. Already optical commutation is used and copper wires are changing on optical fibers rapidly. There are a lot of researches related with optical commutation in progress. But current stage of optical commutation is far from saturation of theoretical knowledges, researches, developments. The history of applicable optical commutation practically is not so long. There are many still unraveled potential opportunities in this area.

This work is tended to the important direction of the optical commutation -research and development of the advanced fiber optic elements, materials and metrology. Concrete subjects of the work are followings:

- propagation and interaction low order fiber eigenmodes in the strain, birefringent optical fiber couplers and experimental realization and investigation of advanced polarization beam splitting coupler,

- search, investigation and experimental realization of nondestructive, precision measuring methods for important parameters of waveguides - optical losses and ends facets reflectivity,

- search, investigation and experimental realization of new, effective materials and fabrication methods for low loss, high speed and low coast optical fibers and fiber laser amplifiers.

The Dissertation work of present interest

1. Before this work polarization fiber beam splitters already existed. But they were using very long fused biconical tiper couplers and were deprived of amplitude and phase tuning possibility.

These lacks essentially limited their applications and efficiency of optical fiber commutation systems.

2. Due to continuous progress in fiber optic technology low loss waveguides already appears. To develop high precision measuring methods of these low losses is important goaL However, in any case it is necessary to measure simultaneously the waveguide ends facets reflectivity. The best existent approach was based on

Fabry-Perot cavity method, but it was using nonconvinient, destructive long time measuring procedure.

3. The conventional material for optical fiber nowadays is silica. But its main parameters, as optical loss and dispersion are not the best and they really limit the progress in optical fiber commutation. So, to search and to realize some new material, better then silica, and to utilize expected material advantage at optical fiber is important aim. But, for the most popular single mode fibers the optical loss limit is connected also with dimensions accuracy and stability of core and clad of fiber. The conventional fiber fabrication methods are enough far from this requirement and to achieve the minimum of optical losses (at least) it is necessary essentially to enhance the core, clad dimensions accuracy and stability. Before our work it was shown, the most perspective today for high level optical fiber is so named ZBLAN glass material and we selected it for our investigations.

The main aims of the work

The main aims of the work are followings:

1. To search idea and experimental method for small length and suitable tuning polarization fiber beam splitter, to develop corresponding theoretical base for the searched idea and method and to study experimentally and theoretically the new proposed polarization beam splitter.

2. To search new (may be based on previous Fabry-Perot cavity method) nondestructive, short time method of the main optical waveguides parameters examination, to develop necessary theoretical base, to create and to test the corresponding experimental sample.

3. To fulfil theoretical and experimental investigations of the most perspective nowadays ZBLAN glass material for optical fiber, to search and experimentally to realize new optical fiber fabrication method to achieve more higher level of core, clad dimensions stability and finally to create and to examine the samples of fibers, based on new material and fabrication method.

New scientific, results

l.For the first time a propagation and power beeting of eigen modes in essentially asymmetrical stain and birefringent elliptical cross-section optical fiber couplers was investigated.

2.Based on physical investigation it was proposed and experimentally realized new, more useful method of fabrication of fiber-optic polarization splitter with shot length and suitable tuning of splitting parameters.

3. Modified, nondestructive Fabry-Perot cavity method for the optical waveguides propagation losses and facets reflectivity measurements was proposed theoretically, developed and experimentally realized.

4. The main properties of new perspective ZBLAN glass material for fiber optics was investigated in detail and important necessary dates for its application were obtained.

5. The advanced fiber-in tube casting single mode fiber fabrication method using optical ZBLAN glass was proposed and experimentally realized.

6. The perspective fiber laser amplifier based on Er3+ doped ZBLAN glass was proposed, experimentally realized and investigated.

7. Application perspective, red and green upconversion process in ZBLAN: Er-Tm glass was investigated. Multiple photons combined process were shown to be responsible for the upconversion.

Defence affirmations

1. Mechanical longitudinal stretches in taper fused-fiber couples smaller than the break down threshold generate short distance beeting length between two main lowest order modes.

2. Proposed and experimentally realizes stretched, fused-taper fiber couplers fabrication method provides advanced polarization optical beams splitter with shot light and suitable turning possibility.

3. Proposed, theoretically and experimentally realized modified Fabry-Perot cavity method of the optical waveguides propagation losses and facets reflectivity measurements provides high precision and excludes destruction of waveguides.

4 The obtained results of ZBLAN glass investigations confirm high potential of this material for high speed, long distance optical commutation systems.

5. The proposed and practically realized new fiber-in tube casting method of single mode fiber fabrication method provides essentially more precise and stable clad, core dimensions.

6. Proposed, experimentally realized and investigated fiber laser ammplifier based on Er - doped ZBLAN glass is perspective for optical commutation systems due to

its high gain, low noise, polarization independence and coincidence o£ laser transition with the low loss window of optical fibers.

7. Red and green unconversion process in ZBLAN:Er-Tm glasses has been proven to be multiple photon excitation process, including energy transfer between two rare earth ions in a solid.

Practical value of the work results

1. Proposed and experimentally tested new method allowes to design and to create high efficient, small size, fine tuning,fiber polarization beam splitters.

2. Proposed and experimentally tested modified Fabry-Perot cavity method provides suitable, precise, nondestractive measurements of

optical waveguides main parameters - optical losses and end facetes reflectivity.

3. Developed and realized fiber-in tube casting method allowers to solve important problem of single mode optical fibers - to provide precise and stable core and clad dementions.

4. Created and tested ZBLAN glass fiber laser amplifier is perspective device for advanced optical communication systems.

5. Searched and investigated phenomenon of red, green upconvertion in Er-Tm doped ZBLAN glasses is perspective for optical memory and optical communication.

Presentation and publication of work

The main results of work were described and published at articles in scientific journals (14 articles), at scientific reports ( 8 reports), presented and dicussed at domestic and international conferences ( 10 conferences).

Structure and volume of Dissertation

Dissertation consist of Introduction, Three Chapters, Conclusion, including main work results and own author's publications, Lists of References after each chapters (total number 76 ref. ). Contents of work is stated on 130 printed pages and 56 Figures.

The main work results

1. The propagation and power beeting of the important lowest eigenmodes in essentially asymmetrical, strain and birefringent elliptical cross-selection optical

fiber couplers were investigated. The conditions of high efficient, short length polarization beam splitter were discovered.

2. New method of short length, high efficient, fine tuning polarization fiber beam splitter was proposed and experimentally realized.

3. Modified, nondestructive Fabry-Perot cavity method for the optical waveguides propagation losses and facets reflectivity measurements was proposed, theoretically developed and experimentally realized.

4. The main properties of new perspective ZBLAN glass material for fiber optic were investigated in detail and important necessary dates for its application were obtained.

5. The advanced fiber-in tube casting method for optical fiber fabrication was proposed and conformably to the new perspective ZBLAN glass material was realized.

6. The fiber laser amplifier based on Er-doped ZBLAN glass was experimentally realized, investigated and its essential advantages were confirmed.

7. Application perspective red and green unconversion process in ZBLAN: Er-Tm glass was investigated. Multiple photons combined processes were shown to be responsible for the unconversion.

ПУБЛИКАЦИИ

1. К.Н. Park, Y.T. Byun, M.W. Kim , et. aL," Negative Mask Fabrication Technique by Laser Writing for Integrated Optics " , 80th OSA annual Meeting, Postdeadline Abstracts PTuQQ68, Oct 20-24 1996, Rochester, NY, USA, and 'Optics & Photonics News', 2, 1997.

2. W J. Cho, M.W. Kim, J.C. Jo, and S.S. Choi," Combined Upconversion process in ZBLAN:Er-Tm Glasses Excited at 793nm " , 1st Optoelectronics and Communications Conference (OECC 96) Technical Digest , July 1996, Makuhari Messe, Chiba, Japan

3. " Development of 3-D Imaging Media Technology KIST Technical Report, BSV00100-009-4.1996

4. " Development of 3-D Imaging Media Technology ", KIST Technical Report, BSV0030-005-3.1995

5. K.H. Park, M.W. Kim, Y.T. Byun, et aL," Nondestructive propagation loss and facet reflectance measurements of GaAs/AlGaAa strip-loaded waveguides " , J. Appl. Phys. ШЮ),15, November 1995

6. WJ. Cho, M.W. Kim, J.C. Jo, SS. Choi and S.J. Park," Energy Transfer from Tm3+ to Er3+ in Zirconiumfluoride Glasses Pumped by 786nm Laser Diode " , Jpn J. Appl. Phys. vol. 33, No.llA,1994,pp.L1527-L1529

7. " Development of Next-Generation Flat Panel display Technology ", KIST Technical Report, UCN947-4973-4.1993

8. M.W. Kim, WJ. Cho, J.C. Jo, and S.S. Choi,"1.55mm gain in a short Er3+ doped zirconium fluoride glass fiber" Jpn J. Appl. Phys. vol. 30, No.9A, Parti, 1991, p2020.

9. W.J. Cho, M.W. Kim, J.C. Jo, and S.S. Choi,"Fiber-in tube casting for singlemode fluoride glass fibre", J. Mat. Sei. Lett., 10, 1991,p241-242.

10. M.W. Kim, J.C. Jo, S.S. Choi, and B.Y. Kim,"Polarization Beam Splitting Single Mode fiber couplers by Longitudinal stretch", 3rd Optoelectronics Conference (OEC '90) Technical digest, 13D2-4, July 1990, Chiba, Japan.

11.J.S. Yang, M.W. Kim, SJB. Lee, J.C. Jo, and S.S. Choi,"Time -Division Multiplexing(TDM) of Michelson type Fiber-optic Interferometric Sensor Arrays", J. Optical Society of Korea (Korean Edition), 1, 1990,pl25-129.

12. "Research on the Development of Fiber Optic Sensors System Technology", KIST Technical Report, N589(l)-3909-4,1990

13. "A Basic Study on the Fabrication of diamond Thin Film", KIST Technical Report BSE924-3667-1, 1989

14. "Research on the Development of Fiber Optic Sensors System Technology", KIST Technical Report, N508(l)-3611-4,1989

15. "Fabrication of Zirconiumfluoride Glasses used for 1.54mm Fiber Amplifier, 4th Conference on Waves and Lasers, Feb 1989.

16. "Research on the Development of Integrated-Optic Technology and Special Optical Fibers", KIST Technical Report, 2N394(3)-3224-4,1988

17. "Research on the Fabrication Technology of Optical Fiber Couplers", KIST Technical Report, 5111580-2926-4, Jul 1987

18. "Research on the Development of Integrated-Optic Technology and Special Optical Fibers", KIST Technical Report, N248(2)-2858-4,1987

19. "Development of Technologies of Electro-optics and the Measurement and the Control for Precision Industry", KIST Technical Report BSE613-2082-5, 1987

20. "Research on the Development of Special Optical Fibers and Integrated-Optic Technology", KIST Technical Report, N148(l)-2569-7,1986

21. "Research on the Development of Special Optical Fibers", KIST Technical Report, N80-2261-4,1985

22. YJi. Shin and M.W. Kim, et al.,"Automation of a Computer Aided Hall Effect Measurement System", New Physics, 25, 1985, p52-56.

23. C.H. Chung, S.K. Noh, and M.W. Kim,"Preparation of Semi-insulating Iron-Doped InP Grown by the SSD Technique", Jpn. J. Appl. Phys., 23, 1984, p784.

ДОКЛАДЫ

1. "Research for fiber optic temperature sensor", 7th Conference on Waves and Lasers, Feb. 1992.

2. "Output changes with Polarization state in Fiber Optic Gyroscope", 61st Korean Physical Society Regular Meeting, Oct 1990.

3. "Fabrication and Amplification of long wavelength Fiber Optic Amplifiers", '90 Workshop on the LASER and Optical Engineering, May 1990.

4. "Fabrication of TDM Interferometric Fiber Optic Sensor Array", 60th Korean Physical Society Regular Meeting, April 1990.

5. "Coupling ratio variation by lateral strain in Single Mode Fiber Coupler", 59th Korean Physical Society Regular Meeting, Oct 1989.

6. "Fabrication of Single Mode Fiber Optic Couplers", 57th Korean Physical Society Regular Meeting, Oct 1988.

7. "Fabrication of Multimode Fiber Optic Couplers", 5th Optics and Quantum Electronics Workshop, July 1988.

8. "Measurement of Optical Fiber Preform Index Profile by Dynamic Spatial Filtering Method", 52nd Korean Physical Society Regular Meeting, April 1986.

9. "Fabrication of Coherent Fiber Optic Bundle", 49th Korean Physical Society Regular Meeting, Oct. 1984.

10. "Computer Aided Hall Effect Measurement using Apple И", 48th Korean Physical Society Regular Meeting, April 1984

ПАТЕНТ

1. "Temperature measurement by optical method", Korea Patent #6307, 1992