Исследование оптических свойств одномодовых активных и пассивных волокон с большим эффективным размером поля моды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

и

Устимчик Василий Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОДНОМОДОВЫХ АКТИВНЫХ И ПАССИВНЫХ ВОЛОКОН С БОЛЬШИМ ЭФФЕКТИВНЫМ РАЗМЕРОМ ПОЛЯ МОДЫ

01.04.21 - Лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

10 НАР 2015

Москва - 2014

005560504

005560504

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном учреждении высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (Государственный университет)»

Научный Никитов Сергей Аполлонович, руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН

Официальные Курков Андрей Семенович,

оппоненты: доктор физико-математических наук, с.н.с, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Пнев Алексей Борисович,

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана», научно-образовательный центр «Фотоника и ИК-техника», старший научный сотрудник

Ведущая Федеральное государственное автономное образовательное

организация: учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Защита диссертации состоится «06» апреля 2015 г. в15:00 на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 при Институте общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Автореферат разослан « (М » \Xi&j)TCi_2015 :

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.063.03 р

к.ф.-м.н. ¿¿rd-iP-^--------/Воляк Т. Б. /

| г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Волоконные лазеры большой мощности повсеместно используются в промышленности, также они применимы для широкого спектра научных и практических целей. Волоконные лазеры имеют компактную конструкцию при высокой эффективности и высоком качестве выходного излучения, что определяет удобство их использования. Излучение одно-модовых волоконных лазеров является оптимальным для большинства приложений из-за возможности фокусировки излучения до наименьших размеров. В то время как современные сферы применения волоконных лазеров требуют больших мощностей, традиционно используемые одномодовые оптические волокна накладывают значительные ограничения на максимальную величину передаваемой по ним мощности из-за температурных эффектов, оптического разрушения и нелинейного рассеяния (в основном рассеяние Рамана). Увеличение эффективной площади поля моды приводит к уменьшению плотности мощности оптического излучения, распространяющегося по волокну, вследствие чего на такие волокна оказывают меньшее влияние нелинейные эффекты и порог их разрушения намного выше. Именно поэтому дальнейшее увеличение мощности волоконных лазеров не представляется возможным без разработки специальных активных и пассивных оптических волокон, работающих в одномодовом режиме и имеющих относительно большой модовый размер выходного излучения.

Степень разработанности темы. В опубликованной литературе были представлены различные подходы к созданию одномодовых оптических волокон с большой эффективной площадью поля моды. Несмотря на разнообразие возможных решений, значительная часть существующих на данный момент волокон имеет те или иные недостатки, что ограничивает их практическое применение. Например, при уменьшении числовой апертуры (низко-апертурные волокна) волноведущие свойства волокна ухудшаются. Легирование сердцевины таких волокон редкоземельными ионами в большинстве своем приводит к повышению числовой апертуры волокна, а также ухудшению точности контроля создания разности коэффициентов преломления и, следовательно, к ухудшению качества выходного излучения. Особенно стоит

С7

отметить значительное увеличение потерь и связи мод внутри волокна при его изгибах. Применение особых методик по компенсации изгиба требует укладку волокна по строго определенному правилу, что значительно усложняет изготовление и практическое использование такого волокна. Применение микроструктурных волокон осложняется возникновением значительных потерь при их сварке, а фотонно-кристаллические волокна представляют собой несгибаемый толстый кварцевый стержень.

В данной работе рассматривается новый способ получения одномодового излучения с большим эффективным размером поля моды - использование конусных волокон с двойной оболочкой и цилиндрических многослойных волокон с "^профилем показателя преломления (далее '^-волокна). Будучи полностью кварцевыми, такие структуры не имеют сложности в обработке и сварке. Структура показателя преломления многослойных >У-волокон имеет большее количество параметров, возможность изменения которых обеспечивает большее количество степеней свободы при формировании требуемых свойств волокна, чем у классических Ш-волокон и низкоапертурных волокон. Это позволяет получить распространение только фундаментальной моды оптического излучения, сохраняя при этом относительную устойчивость к изгибам. Конусные волокна отличаются тем, что плавное увеличение диаметра сердцевины от строго одномодового до многомодового позволяет избежать возбуждения высших мод при условии, что на узком конце возбуждается только фундаментальная мода. Устойчивость к изгибам конусных волокон определяется тем, что числовая апертура таких волокон характеризуется стандартными для одномодовых волокон значениями. Таким образом, рассматриваемые новые типы волокон представляются более перспективными.

Цель работы. Целью данной работы является разработка и детальное исследование характеристик специальных одномодовых активных и пассивных оптических волокон нового типа с большим эффективным размером моды для их перспективного использования в качестве элементной базы в устройствах волоконных лазеров и усилителей.

Для достижения заявленной цели были решены следующие задачи:

1. Исследование связи оптических ЬР мод внутри сердцевины конусного волокна с двойной оболочкой на основе метода локальных нормальных мод.

2. Проведение анализа условий адиабатического расширения фундаментальной моды в сердцевине конусного оптического волокна.

3. Экспериментальное исследование возможности получения одномодового излучения на выходе конусного волокна с диаметром сердцевины около 100 длин волн.

4. Экспериментальное подтверждение выполнения условий адиабатического расширения фундаментальной моды в конусном волокне.

5. Обоснование преимуществ применения конусных волокон, легированных ионами УЬ3+, в качестве активной среды волоконных лазеров, используя модель скоростных уравнений. Сравнение параметров генерации в конусном волокне и в регулярном цилиндрическом волокне.

6. Исследование влияния параметров W-cтpyктypы профиля показателя преломления оптического волокна на характеристики распространяющегося излучения. Разработка двух различных оптимальных \У-структур профилей показателя преломления многослойных волокон, поддерживающих распространение низшей моды оптического излучения для случая вытекающих и для случая направляемых мод.

7. Экспериментальное исследование полученных образцов пассивных волокон с '^структурой профиля показателя преломления. Подтверждение одномодового характера выходного излучения при диаметрах сердцевины волокна до 50 мкм.

Научная новизна. В процессе исследования впервые экспериментально получено одномодовое оптическое излучение с эффективным диаметром пучка до 100 длин волн на выходе из оптического конусного волокна с двойной оболочкой. Результаты показали, что в конусном волокне происходит адиабатическое расширение фундаментальной моды при увеличении размеров сердцевины от около 7 мкм в диаметре до 100 мкм. При этом численно было продемонстрировано, что, начиная с определенной длины конусных волокон, выполняется условие адиабатического расширения, и фундаментальная мода распространяется без значительных потерь, связанных с возбужде-

нием высших мод. Такой эффект ранее не был описан в научных трудах. Экспериментально показано, что модовые биения в спектрах пропускания такого волокна имеют незначительную амплитуду в спектральном диапазоне от 1000 до 1300 нм, что соответствует одномодовому характеру распространения излучения. Измерение параметра качества выходного излучения показало, что М2 достигает значений 1,1. Впервые показаны преимущества использования активных УЬ3+ конусных волокон с двойной оболочкой для генерации и усиления оптического сигнала при выходном излучении, характеризуемом почти дифракционной расходимостью и одномодовым составом.

Впервые теоретически проанализировано распространение вытекающих мод оптических многослойных '\Л'-волокон. Экспериментально и теоретически установлено, что при определенных параметрах '^структуры профиля показателя преломления волокна низшие вытекающие моды могут распространяться без значительных потерь, при этом направляемые моды в таком волокне не поддерживаются, а высшие вытекающие моды эффективно фильтруются. В волокнах такого типа с диаметром сердцевины до 40 мкм возможно распространение только малого количества вытекающих мод, вплоть до одномодового выходного излучения с параметром М2 = 1,01. Впервые было установлено, что при определенных параметрах W-cтpyктypы волокна, поддерживающего распространение направляемых мод, возможно получение устойчивых к изгибу одномодовых оптических волокон с диаметром сердцевины до 50 мкм. Параметр качества выходного излучения М2 для таких волокон достигает величины 1,03.

Теоретическая и практическая значимость. Научная значимость работы заключается в установлении более глубокой степени обоснования физических закономерностей процесса адиабатического расширения фундаментальной моды оптического излучения. В процессе исследования разработаны образцы одномодовых оптических волокон с большим эффективным размером моды. Данные образцы включают активные конусные волокна с двойной оболочкой и пассивные многослойные '^волокна. Волокна таких типов могут быть использованы для изготовления установок волоконных лазеров и усилителей большой мощности с одномодовым выходным излучением. Ис-

следуемые волокна имеют ряд преимуществ: большая эффективная площадь моды и нерегулярная продольная геометрия (для конусных волокон) и, как следствие, высокий порог нелинейных эффектов; слабая чувствительность к изгибам; относительная простота изготовления и, следовательно, уменьшение общей стоимости приборов; большой диаметр волокна для ввода оптической накачки позволяет использовать диодные панели низкой яркости; относительная простота в стыковке и сварке волокон и т.д. Лазеры и усилители, изготовленные на основе разработанных волокон могут быть использованы в широком спектре научных и промышленных применений, требующих высокого качества оптического излучения большой мощности. Результаты могут служить базой для дальнейших исследований в научно-технической сфере.

Основные методы научного исследования.

1. Анализ взаимодействия направляемых мод сердцевины оптического конусного волокна методом локальных нормальных мод.

2. Исследование генерации оптического излучения, основываясь на скоростных уравнениях. Метод основывается на формализации законов изменения населенностей энергетических уровней редкоземельных ионов.

3. Метод матриц передачи, позволяющий связать константы в разложении решения волнового уравнения в сердцевине оптического волокна с константами в разложении решения во внешней оболочке при расчете параметров распространения излучения в многослойных W-вoлoкнax.

4. Численное моделирование аналитических моделей с применением метода Рунге-Кутты и др., в средах программирования МаА^аЬ, МаЛсаё, С.

5. Экспериментальное исследование параметров каустики выходного излучения и ее формальное описание параметром М2.

6. Измерение характеристик модового состава выходного излучения с применением пространственной фильтрации спектров пропускания по методу 82.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Адиабатическое расширение фундаментальной моды излучения возможно до эффективных размеров поля моды в 100 длин волн в конусных волокнах длиной более 1 м с двойной оболочкой.

2. Конусные волокна могут бьггь эффективно использованы в качестве активной среды, подавляющей нелинейные эффекты из-за нерегулярности продольного геометрического профиля и большой эффективной площади моды, в волоконных лазерах и усилителях с дифракционно ограниченным выходным излучения с диаметром сердцевины на выходе около 100 мкм.

3. Многослойные оптические волокна с W-структурой профиля показателя преломления и диаметром сердцевины около 50 мкм (27,5/125 мкм радиус первой и второй оболочки соответственно, Ди = 0,02 / 4,5-Ю-4 — разница коэффициентов преломления сердцевины и первой/второй оболочки соответственно), поддерживают распространение направляемых мод оптического излучения, в них происходит подавление возбуждения высших мод, и такие волокна могут поддерживать распространение только фундаментальной моды оптического излучения.

4. В многослойных оптических волокнах с W-структурой профиля показателя преломления (20/22/55,5/142,5 мкм радиусы сердцевины и первой/второй/третьей оболочки соответственно, Ди = 0,02 / 5-Ю"4/0— разница коэффициентов преломления сердцевины и первой/ второй/ третьей оболочки соответственно), происходит эффективная фильтрация высших мод оптического излучения, поддерживается распространение только вытекающих мод при диаметрах сердцевины около 40 мкм, при этом низшая вытекающая мода распространяется по волокну с очень низкими потерями порядка Ю-4 дБ/м.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались в форме 9 докладов на международных конференциях и симпозиумах 0SMOT-2O11, Prague, Czech Republic; CLEO Europe - 2011, Munich, Germany; Photonics West 2012, San Francisco, California, United States; Laser optics -2012,2014, St. Peterburg, Russia; Europhoton - 2012, Stocholm, Sweden; ICONO/LAT - 2013, Moscow, Russia; CAOL - 2013, Sudak, Crimea), 6 докладов на всероссийских конференциях (ВКВО - 2011, 2013, Пермь, Россия; 54-я, 55-я и 56-я конференции МФТИ, 2011, 2012, 2013 Москва, Россия), 3 докладов на конкурсах молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов им. Ивана Анисимкина (9-й, 10-й и 11-й конкурсы, 2012, 2013, 2014, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия), доклада и обсуждения на на-

учном семинаре «Лазерная электроника и волоконная оптика» НТО «ИРЭ-ПОЛЮС» (2014, Фрязино, Московская область, Россия).

Публикации. По результатам диссертационного исследования было опубликовано 23 научные работы, включая 4 статьи [1-4] в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 3 статьи [5-7] в зарубежных журналах с высоким импакт-факгором, 6 работ [8-13] в трудах международных конференций и 10 публикаций в сборниках конференций.

Основное содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы исследования, раскрывается степень изученности темы в опубликованной литературе, формулируется цель, ставятся задачи диссертационного исследования, приведены положения, выносимые на защиту, обосновывается научная новизна и практическая значимость работы, отмечается апробация результатов исследования, приводится характеристика структуры работы.

Первая глава посвящена анализу опубликованных источников по тематике проводимого исследования. Приведены краткое описание и классификация объектов исследования в контексте существующих типов оптических волокон. Возникновение основной проблематики темы исследования в научных трудах отражено в историографической справке. Отмечены основные этапы в изучении оптических волокон. Освещаются представленные в литературе оптические волокна с большим эффективным размером фундаментальной моды с указанием преимуществ и недостатков. Раскрывается степень проработки данной тематики, рассматриваются используемые экспериментальные методики по исследованию качества оптического излучения.

Во второй главе приводится общее описание конусных оптических волокон с двойной оболочкой, отдельно проводится анализ распространения многомодового излучения оптической накачки по оболочке, а также проводится теоретическое и экспериментальное исследование связи мод внутри сердцевины и адиабатического расширения фундаментальной моды в модельных пассивных конусных волокнах с двойной оболочкой. Для получения характерных параметров связи мод внутри конусного волокна в приближе-

нии локальных нормальных мод численно решается система дифференциальных уравнений, описывающая взаимодействие медленно меняющихся амплитуд су направляемых оптических мод, распространяющихся внутри сердцевины конусного волокна в направлении от узкого конца к широкому:

где К^ — коэффициент связи моды под номером у с модой под номером Д, — константы распространения мод с номерами ц // соответственно; г — координата вдоль оси конусного волокна в направлении увеличения диаметра.

Такая система дифференциальных уравнений описывает полную картину взаимодействия направляемых мод внутри сердцевины оптического конусного волокна с невозмущенным ступенчатым профилем показателя преломления без учета вытекания, отражения и взаимодействия с модами оболочки. Связь мод сердцевины в этом случае происходит из-за увеличения диаметра конусного волокна. В данном исследовании рассматривается ограниченный набор распространяющихся мод в конусном волокне, включающий в себя моды нулевого и первого порядка ЬР0т, ЬР1т, где т= \, 2,..., 9.

Результат численного решения позволяет определить мощность |Су|2, переносимую каждой модой в любой точке внутри волокна, а также потери Ю-1о£(1/|с0|2) фундаментальной моды на возбуждение высших мод. При этом считалось, что в узкой части конусного волокна возбуждается только фундаментальная мода с0|г«о= 1, а все остальные высшие моды имеют нулевую амплитуду с^<о|г=о = 0. В процессе моделирования определялись потери фундаментальной моды излучения в зависимости от длины конусного волокна с фиксированными радиусами сердцевины на входе а\ = 4 мкм и выходе аг = 48 мкм. Таким образом, изменение длины конусного волокна в первую очередь приводило к изменению характерного угла раствора.

Результаты моделирования показали, что для разных продольных геометрических профилей конусного волокна потери фундаментальной моды излучения различны. Но при достижении определенной длины, т.е. характерного угла раствора конусного волокна, возможно получить адиабатическое расширение фундаментальной моды, при котором фундаментальная мода дости-

О)

гает конца конусного волокна с потерями, меньшими 0,05 дБ. В таком случае можно считать, что эффективного возбуждения высших мод не происходит и излучение характеризуется одномодовым режимом распространения. Граница выполнения адиабатического приближения соответствует значениям характерных углов раствора конусного волокна порядка 10~^-10~3 радиан и длины волокна около 1 м. Характерные углы раствора реальных образцов конусных волокон принимают значения на порядок меньше, а длины значительно больше значений, полученных при численном моделировании. Соответственно, для таких реальных продольных геометрических профилей заведомо можно ожидать одномодовый режим распространения излучения при условии возбуждения только основной моды на входе узкой части волокна.

Рассмотрение параметров экспериментальных образцов пассивных конусных волокон с двойной оболочкой позволило судить о выполнении условий адиабатического расширения и перейти к процессу экспериментального измерения качества выходного излучения. Выходное излучение из образцов пассивного конусного волокна исследовалось двумя способами — методами Б2 и М2. Основными спектральными областями в исследованиях являлись области с центральными Я = 1060 и 1280 нм. Излучение суперлюминесцентного диода вводилось в торец узкого одномодового конца конусного волокна. Таким способом в конусном волокне возбуждалась фундаментальная мода излучения (или некоторый набор мод). По мере увеличения диаметра сердцевины конусного волокна, фундаментальная мода адиабатически расширяется, при этом часть мощности перетекает в высшие моды как из-за специфической продольной геометрии конусного волокна, так и из-за микродефектов, неминуемо возникающих в процессе вытяжки в волокне. Таким образом, выходное излучение из широкого торца конусного волокна формируется набором распространяющихся мод. Для реальных образцов, исходя из расчетов, правомерно ожидать, что высшие моды на выходе будут иметь долю мощности не более 1% при условии возбуждения в узкой части только фундаментальной моды. Спектры пропускания конусного волокна детектировались на широком торце при помощи одномодового волокна по принципу пространственной фильтрации. Измерения проводились для нескольких радиусов на-

мотки конусного волокна. Представленные результаты измерения являются характерными для образцов конусных волокон и соответствуют радиусу намотки Я = 15 см при диаметре сердцевины 107 мкм.

Результаты измерений показали, что в спектральном диапазоне около 1280 нм выходное излучение имеет ярко выраженный одномодовый характер (рис. 1). Спектры пропускания образца конусного волокна не содержат какой-либо значительной модуляции. В спектрах пропускания около Я = 1060 нм заметна небольшая модуляция, глубиной менее 0,1 дБ (рис. 1). Более того, в процессе эксперимента было продемонстрировано, что характер излучения источника и глубина модуляции спектра источника излучения не изменяются в значительной степени при прохождении излучения сквозь конусное волокно [2]. В условиях эксперимента не было обнаружено следствий эффективного возбуждения высших мод внутри конусного волокна.

—1— Спектр пропускания конусного волокна " Спектр источника

10Й5 Юёб Длина волны.нм

^ 1СГг

5

10"'

б :

1

1x10 2x10"

Межмоловоя задержка, пс/м

Рис. 1. Спектры пропускания конусного волокна (образец №3) и спектр источника излучения на длине волны 1060 нм (а). Спектры межмодовой задержки (численное преобразование Фурье для экспериментально измеренных спектров) (б).

Экспериментальное измерение расходимости светового пучка на выходе конусного оптического волокна с двойной оболочкой подтвердило маломо-довость излучения. Полный угол расходимости на Я = 1060 и 1280 нм соответствует дифракционному пределу и равен 21 и 27 мрад. Измеренные параметры М2 достигают значений 1,3 на Я = 1060 нм и 1,1 на Я = 1280 нм [2, 7, 10]. Также для данных спектральных диапазонов были произведены измерения распределения интенсивности в ближнем и дальнем поле. Для определения дальнего поля выходное излучение фиксировалось напрямую анали-

затором качества светового пучка (ВР109-111), а для определения ближнего поля — через фокусирующую оптическую систему [2].

Спектральный диапазон около 1060 нм характерен тем, что находится вблизи длины волны отсечки узкой части конусного волокна. Измерения дальнего поля (рис. 26) при А = 1060 нм соответствуют тому, что выходное излучение имеет почти одномодовый состав. При этом отличия от распределения Гаусса свидетельствуют о распространении высших мод излучения. Однако мощность, переносимая этими модами, составляет менее 5 % от общей мощности. Распределение интенсивности дальнего и ближнего поля при X = 1280 нм с большой точностью совпадает с распределением Гаусса (рис. 2 а, б). Значит, в этом случае выходное излучение имеет одномодовый состав. В то же время ближнее поле на длине волны 1060 нм имеет кольцевую структуру (рис. 2 а). Это может быть эффектом распространения нескольких мод, может быть следствием модуляции профиля показателя преломления за счет, например, термоупругих напряжений, профиль которых был измерен экспериментально в диссертационной работе. Даже небольшое искажение однородности показателя преломления может привести к появлению паразитных волноводов в случае диаметра сердцевины около 100 длин волн [7, 10].

Рис. 2. Распределение интенсивности ближнего (а) и дальнего поля (б) для излучения, прошедшего конусное волокно с двойной оболочкой

Эксперимент по определению адиабатического расширения фундаментальной моды был построен по следующему принципу (рис. 3). К двойному конусному волокну с двух сторон было приварено стандартное одномодовое волокно, согласующееся по размеру сердцевины и модовому размеру с узкой (одномодовой) частью конусного волокна. Далее от источника белого света

излучение заводилось в одно из одномодовых волокон, в то время как с другой стороны снимались оптические спектры прохождения системы.

К оптическому __ спектр

Двойное конусное волокно г'(' анализатору

БМР ф '—---------г----" й5мр

место саарки место сварки

Рис. 3 Экспериментальной установки.

Диаметр сердцевины в широкой части 56 мкм.

В ходе эксперимента было выявлено, что внутри конусного волокна не

происходит возбуждения высших мод, при этом конусное волокно слабо чувствительно к изгибам. Конусный переход и широкая часть волокна проявляют намного меньшую чувствительность к изгибу. Потери излучения на спектрах пропускания системы наблюдаются только в длинноволновой части при изгибе различных участков конусного волокна. Поэтому стоит отметить, что изгибы с диаметром более 5 см конусного волокна не приводят к эффективному возбуждению высших мод, так как в противном случае потери должны были бы присутствовать в более широком спектральном диапазоне из-за фильтрации высших мод на конусном сужении волокна. Таким образом, можно утверждать, что в исследуемом образце двойного конусного волокна экспериментально наблюдается адиабатическое расширение фундаментальной моды оптического излучения. Полные потери мощности, включающие в себя долю мощности, перешедшую в высшие моды при их возбуждении, могут быть оценены ниже 0,07 дБ/м в условиях проведенного эксперимента. Однако на практике фактическое значение доли мощности, затрачиваемой именно на возбуждение высших мод, значительно ниже.

Третья глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию распространения излучения в структурах цилиндрических волокон с тремя оболочками с большим эффективным размером поля моды и профилем показателя преломления (\У-волокна) [12, 13]. При этом в рассмотрение включались как направляемые моды, так и вытекающие моды таких структур [3, 4].

В зависимости от параметров профиля показателя преломления внутри \У-волокна возможно получить распространение только направляемых или только вытекающих мод оптического излучения. Численное исследование

проводилось на основе моделирования параметров распространения направляемых и вытекающих мод излучения в многослойных цилиндрических волокнах, при помощи метода матриц передачи. В процессе моделирования определялись свойства мод '^волокон с тремя оболочками в зависимости от значений показателей преломления и характерных размеров оболочек. Показано, что W-пpoфиль показателя преломления дает возможность получения волокна с различными свойствами, например возможна эффективная фильтрация высших мод за счет варьирования показателя преломления и размеров второй и третьей оболочки. Данный метод позволяет определять константы распространения направляемых и вытекающих мод в рассматриваемых структурах.

В процессе компьютерного моделирования были установлены следующие зависимости модового состава излучения от параметров волокна [3,4,12]:

1. Путем варьирования показателя преломления внешних оболочек возможно обеспечить эффективную фильтрацию высших направляемых мод. При увеличении показателя преломления оболочек количество направляемых мод уменьшается. В предельном случае, когда показатель преломления одной из оболочек сравнивается с показателем преломления сердцевины, направляемые моды перестают поддерживаться, а распространяются лишь вытекающие.

2. Потери вытекающих мод растут при увеличении показателей преломления оболочек и уменьшаются при увеличении диаметров оболочек и увеличении диаметра сердцевины, т.е. в оптическом волокне с большим диаметром сердцевины вытекающие моды могут распространяться на большие расстояния.

3. Существуют диапазоны параметров оптического волокна, при которых потери вытекающих мод сравниваются с серыми потерями направляемых мод. Следовательно, в таких волокнах вытекающие моды буду распространяться на большие расстояния без существенных потерь.

По результатам численного моделирования был изготовлен ряд экспериментальных образцов волокон с "^профилем показателя преломления и диаметром сердцевины от 40 до 50 мкм, поддерживающих распространение только направляемых или только вытекающих мод. Экспериментальное исследование методом Б2 подтвердило правомерность теоретической модели

[13]. Показано, что образец "^285 волоконного световода "^типа с тремя оболочками, имеющий параметры: радиусы сердцевины а = 20 мкм, первой оболочки Ъ = 22мкм, второй оболочки с = 55,5 мкм, третьей оболочки с! = 142,5 мкм; коэффициенты преломления сердцевины и третьей оболочки щ = «1 ~ Щ\ог, первой оболочки п2 ~ и8юг ~ 0.02, коэффициент преломления второй оболочки щ ~ п$Ю2 - 5-Ю"4, поддерживает только вытекающие моды, при этом только низшие моды имеют очень низкие потери на вытекание порядка 10"4 дБ/м, а высшие моды эффективно фильтруются. Экспериментально подтверждено, что в спектральных диапазонах с центральными А = 1280 и 1550 нм только одна вытекающая мода распространяется на значительное расстояние, и волокно проявляет строгую одномодовость. Измеренные параметры М2 достигают значений 1,1. Для образца ^^-355 (с аналогичной структурой, диаметр сердцевины 50 мкм), поддерживающего распространение только вытекающих мод, в диапазоне около 1550 нм выходное излучение характеризуется одной модой с параметром М2 равным 1,02 [13].

В волокне W-251, поддерживающем распространения как направляемых, так и вытекающих мод, возможно получение одномодового излучения при диаметрах сердцевины до 50 мкм (радиусы сердцевины а = 25 мкм, первой оболочки Ъ = 21,5 мкм, второй оболочки с = 125 мкм; коэффициенты преломления сердцевины щ ~ ^¡о2> первой оболочки и2 ~ Щюг - 0,02, второй оболочки и3 = 2 - 4,5-Ю-4). Теоретически и экспериментально показано, что в таком волокне в спектральном диапазоне около X — 1060 нм поддерживается распространение трех направляемых мод оптического излучения. Измеренное значение параметра качества выходного оптического излучения М2 равно 1,53. Теоретически продемонстрировано, что в спектральном диапазоне около А = 1280 нм в таком волокне распространяются две направляемые моды оптического излучения. В процессе эксперимента была показана возможность распространения большей части оптической мощности в фундаментальной моде с небольшой примесью одной высшей моды без применений специальных техник. Параметр качества М2 достигает значений 1,03.

В четвертой главе описывается теоретическое и экспериментальное исследование активных конусных волокон, легированных ионами иттербия УЬ3+

[1, 6, 8,9,11]. Здесь рассматривается компьютерная модель, основанная на методе скоростных уравнениях для расчета стационарного режима генерации. Данная модель позволяет рассчитывать параметры генерации и распространения излучения в зависимости от материальных параметров и параметров резонатора, основанного на конусном оптическом волокне с двойной оболочкой с произвольной продольной геометрией. Данная модель разработана в адиабатическом приближении, т.е. генерация и усиление оптического излучения происходит только для фундаментальной моды, высшие моды не распространяются и не возбуждаются. Без учета спонтанной люминесценции уравнения для мощности оптического излучения выглядят следующим образом [1, 6, 9]:

■ * (2) = -Г,кД" (г„ -арР\

где - мощности генерации и накачки, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлении оси г (ось направлена в сторону уменьшения диаметра конусного волокна), N = 8,9-1019 см-3 - концентрация ионов иттербия в волокне (такая концентрация соответствует поглощению накачки 240 дБ/м), N2 — концентрация ионов иттербия в возбужденном состоянии. Сар = 6,2-10"21 см2, Сер = 3,4-10"22 см2 - сечение поглощения и излучения для накачки, о^ = 9,5-1 (Г24 см2, ег„ = 1,9-10"21 см2- сечение поглощения и излучения для генерации, а5 = 8,1-Ю"5 см"1, ар = 8,1-Ю"5 см'1- показатели пассивных потерь для генерации и накачки, вызванные рассеянием излучения на неоднородностях и примесных центрах, Гр и Г, - факторы перекрытия накачки и генерации с сердцевиной. В первом приближении для многомодовой накачки фактор перекрытия можно принять равным отношению площадей сердцевины и первой оболочки, для генерации фактор перекрытия определяется перекрытием модового размера сигнала и сердцевины. Такая система в условиях нашего исследования дополняется скоростными уравнениями, задающими концентрацию активных ионов на энергетических уровнях.

В системе (3) со у - скорость индуцированных переходов с /-ого уровня на у'-ый, г,- - время жизни на /-ом уровне, — концентрация ионов иттербия в /-

ом состоянии. В цилиндрическом волокне с равномерным распределением ионов иттербия концентрация N постоянна по длине. В общем случае она может зависеть от координаты г вдоль оси волокна.

д 1 1

Э/ т1 т2

Э 11

VI Т| Т 2

N = N¡+N2

В рассматриваемой модели конусное волокно заменялось цилиндрическим одномодовым с идентичными параметрами (сечение поглощение и люминесценции, реальная концентрация активных ионов, серые потери и т.д.), но с изменяющейся по длине эффективной концентрацией активных ионов иттербия. Для расчетов параметров конусного волокна использовались те же уравнения, что и для цилиндрического волокна, но реальная концентрация активных ионов заменялась эффективной. Таким образом, в цилиндрическом волокне, которое описывало конусное волокно, реальное количество активных ионов на единицу объема зависело от г и изменялось пропорционально квадрату радиуса конусного волокна. Изменение эффективной концентрации Neff определялось пропорционально отношению малых объемов. Данная система (2, 3) решалась при выполнении граничных условий [1, 6, 8]:

Р+(0) = р; ,р-Щ = р; ,540) = Л,5-(0),5-(1) = (4)

где Я/, Я2 - коэффициенты отражения зеркал на концах резонатора при г = 0 и г = Ь. Р+р = 100 Вт, РГр = 0 Вт- вводимая мощность накачки.

Результаты компьютерного моделирования показывают преимущества использования активного оптического конусного волокна с двойной оболочкой по сравнению с обычным цилиндрическим волокном, такие как большая выходная мощность, меньшая оптимальная длина активного волокна и меньшая плотность мощности оптического излучения. При этом параболический продольный геометрический профиль конусного волокна показывает более эффективные генерационные параметры конусного волокна. Большая выходная мощность и меньшая плотность мощности в конусном волокне по-

зволяет использовать его в качестве более выгодной усиливающей среды для волоконных лазеров и усилителей. А возможность накачки таких волокон в торец широкой части неяркими диодными панелями большой мощности с относительно большими числовыми апертурами позволяют использовать не дорогостоящие источники накачки в отличие от стандартных одномодовых цилиндрических волокон. При этом выходное излучение из широкой части конусного волокна остается одномодовым.

В данной части работы был исследован волоконный усилитель на основе конусного волокна с двойной оболочкой, легированного активными ионами иттербия УЪК [5]. Экспериментальная установка состояла из двух частей: источник сигнала и усилительный каскад. Принципиальная схема экспериментальной установки изображена (рис.4).

Рис. 4. Принципиальная схема экспериментальной установки волоконного усилителя

Источником сигнала в данной схеме является узкополосный непрерывный волоконный лазер линейной конструкции. Резонатор задающего волоконного лазера состоял из восьми метров регулярного цилиндрического оптического волокна с двойной оболочкой, легированного ионами иттербия. Диаметр сердцевины/оболочки активного волокна составлял 6/125 мкм соответственно. В качестве зеркал были взяты узкополосные брэгговские решетки, записанные в сердцевине фоточувствительного волокна. Решетки были согласованы на А = 1080 нм с шириной спектра около 0,3 нм, коэффициенты отражения равнялись 95% (НЯ РВО) для входной решетки и 20% (ЬЯ РВО) для выходной решетки. Накачка лазера производилась лазерным диодом с волоконным выходом (125 мкм) на Я = 976 нм. Такая конструкция волоконного лазера позволяла обеспечить ввод оптического излучения на длине вол-

ны А = 1080 нм с мощностью до 490 мВт в усилительный каскад. Усилительный каскад был организован по однопроходному принципу. Активной усиливающей средой являлось конусное оптическое волокно с двойной оболочкой. Диаметр сердцевины/оболочки широкого и узкого концов конусного волокна составляет 44 /700 мкм и 7,5 /120 мкм соответственно. При этом длина конусного волокна равна 18 м и является достаточной для выполнения адиабатического условия. Числовая апертура сердцевины конусного волокна равна 0,11, а для полимерной внешней оболочки 0,4. Оптическая накачка усилительного каскада вводилось в торец широкой части конусного волокна от диода с центральной Я = 915 нм. Излучение от источника сигнала вводилось в усилительный каскад в сердцевину узкой части конусного волокна. Проходя внутри конусного волокна от узкой части в направлении к широкой, сигнал усиливался. Выходной торец широкой части конусного волокна во избежание паразитных обратных отражений излучения сигнала и накачки был сколот под углом 7°.

120 ч

■ Выходной ¡жшш

0 40 80 120 160

Введенная ,мошно ст ь накачки, Вт

Рис. 5. Выходная мощность прямого и обратно распространяющегося сигнала Таким образом, был продемонстрирован оптический волоконный усилитель на основе конусного волокна с двойной оболочкой. Максимальная выходная мощность данного усилителя составила 110 Вт (рис. 5) при усилении узкополосного сигнала (при входной мощности сигнала 490 мВт) и 15,4 Вт (при входной мощности сигнала 2 мВт) при усилении широкополосного сигнала. При этом максимальное значение усиления составило 25,4 дБ для узкополосного сигнала и 38,9 дБ для широкополосного. В данном эксперименте не было обнаружено никаких фундаментальных причин, ограничивающих

выходную мощность усилителя. Выходная мощность была ограничена только максимально возможной из имеющихся мощностей оптической накачки. Следовательно, конусное оптическое волокно может быть эффективно использовано в качестве однокаскадного усилителя для усиления как слабых, так и мощных сигналов. Однокаскадные усилители на основе конусного волокна не обладают проблемами мощных многокаскадных усилителей на основе регулярных волноводов (фильтрация спонтанного излучения между каскадами, нелинейные эффекты и т.д.)

В заключении приведены основные результаты работы, которые заключаются в следующем.

1. На основании теоретического рассмотрения связи мод оптического излучения внутри конусного волокна сформулировано условие адиабатического расширения фундаментальной моды при распространении по сердцевине волокна. Экспериментально было показано, что в конусных волокнах с двойной оболочкой и диаметром сердцевины широкой части около 100 длин волн возможно получение одномодового излучения на выходе. Параметр качества выходного излучения М2 = 1,1 на Я = 1280 нм. При этом экспериментально показано выполнение условия адиабатического расширения. В процессе эксперимента установлено, что микроизгибы не влияют на характер распространения оптического излучения по волокну, а макроизгибы влияют незначительно.

2. На основании теоретического рассмотрения свойств направляемых мод волоконных световодов с \У-профилем показателя преломления показана возможность получения одномодовых структур с большим эффективным размером поля моды с диаметром сердцевины до 50 мкм.

3. На основании теоретического рассмотрения параметров распространения вытекающих мод волоконных световодов с ^Л^-профилем показателя преломления определено, что при варьировании параметров структуры существует определенная область параметров, при которых низшая вытекающая мода не имеет значительных потерь при распространении, а высшие моды эффективно фильтруются. При этом диаметр сердцевины такого волокна достигает 40 мкм.

4. В процессе исследования были созданы одномодовые оптические волокна с W-cтpyктypoй профиля показателя преломления, поддерживающие распространение только вытекающих мод или только направляемых мод. Экспериментальные данные совпали с результатами математического моделирования с большой точностью. Экспериментальные образцы проявили устойчивость к изгибам.

5. На основании численной модели скоростных уравнений для активных УЬ3+ волокон показаны преимущества конусных волокон над регулярными цилиндрическими волокнами (меньшая длина активного волокна, меньшая плотность мощности).

6. Экспериментальное исследование волоконного усилителя оптического сигнала показало преимущество использования конусных волокон с двойной оболочкой в качестве активной усиливающей среды для волоконных устройств. Максимальная выходная мощность экспериментального усилителя составила 110 Вт при усилении узкополосного сигнала (при входной мощности сигнала 490 мВт) и 15,4 Вт при усилении широкополосного сигнала (при входной мощности сигнала 2 мВт). Максимальное значение усиления составило 25,4 дБ для узкополосного сигнала и 38,9 дБ для широкополосного. Параметр М2 составил 1,06. В данном эксперименте не было обнаружено никаких фундаментальных причин, ограничивающих мощность усилителя.

Публикации автора по теме диссертации

[1]. Устимчик В. Е., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К. Моделирование генерации излучения в активном оптическом волокне с двойной оболочкой// Радиотехника и электроника. - 2011. - Т. 56.- № 10. - С. 1261-1267

[2]. Устимчик В. Е., Керттула Ю., Никитов С. А., Уланов А. Е., Филиппов В. Н, Чаморовский Ю. К. Экспериментальное исследование модового состава выходного излучения в оптическом конусном волокне с двойной оболочкой // Нелинейный мир. - 2013. - Т. 11. - № 2. - С. 121 - 123

[3]. Устимчик В. Е., Никитов С. А., Уланов А. Е., Чаморовский Ю. К. Исследование оптических свойств многослойных цилиндрических АУ-световодов // Нелинейный мир. - 2014. - Т. 12. - № 2. - С. 53-54

[4]. Устимчик В. Е., Уланов А. Е., Чаморовский Ю. К., Никитов С. А. Численное моделирование модового состава многослойных оптических световодов типа // Радиотехника и электроника. - 2014. - Т. 59. - № 5. - С. 445-451

[5]. UstimchikV., KerttuIaJ., FilippovV., ChamorovskiiY., GolantK., OkhotnikovO.G. Tapered fiber amplifier with high gain and output power // Laser Physics. - 2012. -Vol. 22.-№ 11.-P. 1734-1738

[6]. Ustimchik V., Kerttula J., Filippov V., Chamorovskii Y., Golant K., Okhotnikov O. G. Principles and Performance of Tapered Fiber Lasers: from Uniform to Flared Geometry // Applied Optics. -2012. - Vol. 51. - Issue 29. - P.7025-7038

[7]. Ustimchik V., Kerttula J., Filippov V., Chamorovskii Y., Okhotnikov 0. G. Mode evolution in long tapered fibers with high tapering ratio // Optics Express. -2012. - Vol. 20. - Issue 23. - P. 25461-25470

[8]. Ustimchik V., Kerttula J., Filippov V., Chamorovskii Yu., Golant K., Okhotnikov O. G. Theoretical and Experimental Comparison of Different Configurations of Tapered Fiber Lasers // Proc. Lasers and Electro-Optics Europe (CLEO EU-ROPE/EQEC), 2011 Conference on and 12th European Quantum Electronics Conference, Munich, Germany, 22 - 26.05.2011- paper CJ1_6

[9]. Ustimchik V., Kerttula J., Filippov V., Chamorovskii Yu., Golant K., Okhotnikov O. G. A comparative study of tapered fiber laser configurations // Proc. SPIE, Fiber Lasers IX: Technology, Systems, and Applications. - 2012. - Vol. 8237. -P. 82370W-1-9

[10]. Ustimchik V., Kerttula J., Filippov V., Chamorovskii Y., Okhotnikov O. G. Fundamental mode evolution in long, large-core (>100|im) adiabatic tapers //Proc. SPIE, Fiber Lasers X: Technology, Systems, and Applications, 860121. - 2013. -Vol. 8601. -P.860121-1-9

[11]. Ustimchik V. E., Chamorovskii Yu. K., Filippov V. N., Kerttula J., Ulanov A. E., Nikitov S. A. Tapered double-clad optical fibers as gain medium for high power lasers and amplifiers // IEEE Conf.Proc. Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL).- 2013. - P.60-62

[12]. Ustimchik V. E., Ulanov A. E., Chamorovskii Yu. K., Nikitov S. A. Investigation of modal content of radiation in multilayer cylindrical W-fibers // IEEE Conf.Proc. Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL). - 2013. - P. 63-64

[13]. Ustimchik V. E., Ulanov A. E., Nikitov S. A., Chamorovskii Yu. K., Filippov V. N. Multilayer W-type optical fibers for high-power fiber lasers // IEEE Conf.Proc. Laser Optics, 2014 Intl. Conf. - 2014. - Article number 6886469

\ \ \

Подписано в печать 03.02.2015 г. Бумага офсетная. Печать цифровая. Формат А4/2. Усл. печ. л.1. Заказ № 243. Тираж 100 экз. Типография «КОПИЦЕНТР» 119234, г. Москва, Ломоносовский пр-т, д.20 Тел. 8 (495) 213-88-17 www.autoreferat 1 .ru