Лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300-1550 нм тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

ФИРСТОВ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЛАЗЕРЫ НА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ, ГЕНЕРИРУЮЩИЕ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 1300-1550 НМ

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ии^4 76441

Москва - 2009

003476441

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики Российской академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Буфетов Игорь Алексеевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Ильичев Николай Николаевич

Плотниченко Виктор Геннадьевич Ведущая организация:

- член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук, НЦВО РАН, г. Москва

- доктор физико-математических наук, профессор, ИОФ РАН, г. Москва

- доктор физико-математических наук, профессор, НЦВО РАН, г. Москва

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), г. Москва

Защита состоится "СД' октября 2009 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 002.063.03 в Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН по адресу: 1 19333, Москва, ул. Вавилова, д. 38

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН Автореферат разослан сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Т. Б. Воляк

тел. +7(499)503-8147

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Создание лазеров и оптических усилителей, работающих в различных спектральных диапазонах, неразрывно связано с поиском и исследованием новых активных сред. Первый волоконный лазер на основе световода, легированного ионами неодима, был создан Снитцером в 1961 году. Бурное развитие волоконных лазеров и усилителей началось после появления световодов с низкими потерями (менее 0.5 дБ/км на длине волны 1550 нм), пригодных для создания оптических систем передачи информации на дальние расстояния. Возникшая потребность в оптических усилителях и источниках лазерного излучения, работающих в области длин волн 1550 нм (окно прозрачности световодов на основе кварцевого стекла), для таких систем связи способствовала интенсивному поиску и исследованию новых активных сред. Результатом поиска стала реализация в 1985 г. первого оптического усилителя, работающего в области длин волн 1550 нм, активной средой которого был эрбиевый световод.

В настоящее время рабочий диапазон существующих волоконных лазеров на световодах из кварцевого стекла, легированного редкоземельными ионами (УЬ3+, Ег3+, Ш3+, Тш3+, Но3+), охватывает область длин волн от -900 до 2300 нм. Благодаря ряду преимуществ перед другими видами лазеров (компактность, малый вес, постоянный модовый состав, стабильность выходного излучения) волоконные лазеры находят широкое применение в различных областях. Однако важной и в то же время неосвоенной оставалась область длин волн ~ 1200 - 1500 нм, интерес к которой, прежде всего, связан с возможностью ее использования для расширения спектрального диапазона передачи информации волоконно-оптических систем связи, ограниченного в настоящее время полосой усиления эрбия (1520 - 1600 нм). Разработка волоконных лазеров и широкополосных оптических усилителей для спектрального диапазона 1300 — 1500 нм позволит повысить пропускную способность волоконных линий связи. Существенным шагом к решению задачи реализации таких источников лазерного излучения является нахождение соответствующей активной среды.

В 2005 году было показано, что потенциально возможной активной средой для волоконных перестраиваемых лазеров и оптических усилителей являются световоды из кварцевого стекла, легированного висмутом. Обусловлено это, в первую очередь, тем, что такие световоды обладают полосами ИК люминесценции в довольно широкой области длин волн 1000- 1600 нм, а также тем, что на их основе уже реализованы волоконные лазеры. Первые волоконные висмутовые лазеры работали в спектральном диапазоне 1140- 1215 нм с эффективностью ~ 14 %. Накачка висмутовых лазеров осуществлялась в сердцевину активного световода иттербиевым лазером, излучающим на длине волны 1064 нм. В качестве активных сред использовались алюмосиликатные световоды, легированные висмутом. Для продвижения в длинноволновую область (1300- 1550 нм) необходимо осуществить поиск состава стекла сердцевины световода с висмутом, обладающего оптическим усилением в указанном диапазоне длин волн. До настоящей работы, в литературе данные о получении лазерной генерации на световодах, легированных висмутом, в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм отсутствовали.

Из вышесказанного следует, что актуальность данной диссертационной работы определяется необходимостью поиска состава световодов, легированных висмутом, и реализации на основе таких световодов оптических усилителей и источников лазерного излучения, работающих в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм, для систем волоконной связи и других применений.

Цель работы

Цель настоящей работы заключается в нахождении состава стекла сердцевины световода, легированного висмутом, как активной среды, обладающей оптическим усилением в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм, и реализации на световодах такого состава волоконных лазеров, генерирующих в области длин волн 1300- 1550 нм. Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:

• исследование оптических свойств алюмосиликатных, германоалюмоси-ликатных, титаноалюмосиликатных и фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом;

• исследование влияния соотношения концентраций легирующих добавок (германия и фосфора) на оптические свойства фосфорогерманосиликатных световодов с висмутом;

• создание и исследование свойств волоконных висмутовых лазеров, генерирующих в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм;

• исследование возможности повышения кпд висмутовых лазеров путем оптимизации состава стекла сердцевины активного световода, длины волны излучения накачки и параметров резонатора висмутовых лазеров.

Научная новизна работы

1. Впервые созданы лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм.

2. Исследованы оптические свойства титаноалюмосиликатных световодов, легированных висмутом.

3. Измерены спектры оптического усиления в диапазоне длин волн 1100-

1300 нм алюмосиликатных, германоалюмосиликатных и титаноалюмосиликатных световодов, легированных висмутом, при возбуждении излучением в полосу поглощения с максимумом около 1000 нм.

4. Показана возможность использования фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, для получения оптического усиления и лазерной генерации в диапазоне длин волн 1300 - 1550 нм.

5. Впервые продемонстрировано получение лазерной генерации на фосфорогерманосиликатных световодах, легированных висмутом, при возбуждении излучением в полосы поглощения с максимумами на ~ 800 нм и ~ 950 нм.

6. Реализованы волоконные лазеры на основе фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, с максимальной выходной мощностью

2.5 Вт и кпд до 25% (лазер на 1330 нм - кпд 25%; лазер на 1480 нм - кпд 18-23%).

Практическая значимость работы

- Продемонстрирована принципиальная возможность усиления оптических сигналов и генерации лазерного излучения в спектральной области 1300 —

1550 нм с помощью волоконных световодов, легированных висмутом, что является существенным продвижением к решению задачи о создании эффективных волоконных усилителей для волоконных систем связи следующего поколения.

- Показано, что в стекле сердцевины световода возможно формирование активных висмутовых центров с короткоживущими энергетическими уровнями, устранение которых позволит повысить эффективность волоконных висмутовых лазеров.

- На основании экспериментальных данных показано, что световоды из кварцевого стекла, легированного висмутом, фосфором и/или германием, с широкой полосой усиления 1250- 1550 нм являются перспективными усиливающими активными средами для волоконных лазеров и оптических усилителей указанного диапазона.

- Проведенное исследование оптических и усилительных свойств активных висмутовых центров при вариации соотношения концентраций германия и фосфора в сердцевине световода позволяет оптимизировать состав стекла сердцевины волоконного световода и длину волны излучения источника накачки для получения эффективной лазерной генерации в диапазоне длин волн 1300- 1550 нм.

- Создание лазеров на световодах, легированных висмутом, с выходной мощностью 2 Вт и более указывают на возможность повышения выходной мощности волоконных висмутовых лазеров в спектральном диапазоне 13001500 нм.

Положения, выносимые на защиту:

1. Лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерируют в спектральном диапазоне 1300- 1550 нм. (Лазерная генерация продемонстрирована на 11 длинах волн из указанного спектрального диапазона при возбуждении излучением на длине волны около 1230 нм).

2. На основании экспериментально полученных зависимостей форм спектров поглощения, люминесценции и оптического усиления волоконных фосфоро-германосиликатных световодов, легированных висмутом, от концентраций легирующих добавок в сердцевине световода (при увеличении количества фосфора от 0 до ~ 3.8 ат. % и одновременном снижении количества германия от 4.5 до 0 ат. %) осуществляется выбор состава активного световода и длины волны источника излучения накачки при создании волоконных висмутовых лазеров, излучающих в области длин волн 1300-1550 нм.

3. Лазерная генерация на длинах волн 1320 нм и 1550 нм получена при накачке в различные полосы поглощения активных висмутовых центров с максимумами на длинах волн около 800 нм и 950 нм соответственно. В качестве активных сред использовались фосфорогерманосиликатные световоды, легированные висмутом.

4. Оптимизация состава стекла сердцевины световода, длины волны накачки и параметров резонатора лазера позволяет повысить кпд висмутовых лазеров. Реализованные волоконные висмутовые лазеры генерируют в спектральном диапазоне 1300 - 1500 нм, с кпд до 25 % и выходной мощностью более 2 Вт.

Апробация работы

Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на конференциях и научных школах: "17th International Laser Physics Workshop" (г. Тронхейм, Норвегия, 2008); "3rd EPS-QEOD Europhoton conference" (г. Париж, Франция, 2008); "34th European Conference on Optical Communication" (г. Брюссель, Бельгия, 2008); "Материалы нано-, микро-и оптоэлектроники: физические свойства и применение" (г. Саранск, Россия,

2008); "Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) and the National Fiber Optic Engineers Conference (NFOEC)" (г. Сан Диего, США, 2009); "18th International Laser Physics Workshop" (г. Барселона, Испания, 2009), а также на семинарах НЦВО РАН и ИОФ РАН. Работа "Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в диапазоне длин волн 1300 - 1520 нм", являющаяся частью настоящей диссертации, получила первое место на конкурсе научных работ молодых ученых НЦВО РАН 2008 года.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы представлены в 15 публикациях, указанных в списке литературы.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 116 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок, 6 таблиц и список литературы из 106 наименований. В конце каждой главы представлены основные полученные в ней результаты.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора, изложена структура диссертации, благодарности.

В Главе 1 приводится обзор опубликованных другими авторами данных, посвященных исследованию оптических свойств стекол и волоконных световодов, легированных висмутом. Рассмотрено влияние состава матрицы стекла на оптические свойства активных центров, связанных с висмутом. Проведен сравнительный анализ оптических свойств световодов и стекол, легированных висмутом (Параграф 1.1). В параграфе 1.2 приведены результаты исследования

структуры активного висмутового центра (АВЦ) различными методиками: XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure); EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure); ядерный магнитный резонанс; электронный парамагнитный резонанс и другие. Несмотря на многообразие методик исследования, адекватной модели АВЦ, описывающей экспериментально полученные результаты, до настоящего времени не существует. Более подробно рассмотрено получение лазерной генерации на волоконных световодах, легированных висмутом (Параграф 1.3). Приведены данные о влиянии процессов поглощения энергии накачки активными висмутовыми центрами, находящимися в возбужденном состоянии, на эффективность лазерной генерации.

В Главе 2 приведено описание методик изготовления (MCVD и SPCVD) заготовок волоконных световодов, легированных висмутом (Параграф 2.1); приведены схемы экспериментальных установок, с помощью которых были исследованы оптические и усилительные свойства активных висмутовых центров, а также схемы лазеров на основе волоконных световодов, легированных висмутом (Параграфы 2.2-2.6).

Глава 3 посвящена исследованию оптических и усилительных свойств алюмосиликатных (АСВ), германоалюмосиликатных (ГАСВ) и титаноалюмо-силикатных (ТАСВ) световодов, легированных висмутом.

В параграфе 3.1 обсуждается выбор составов световодов, легированных висмутом; приводятся основные характеристики исследуемых световодов: профиль показателя преломления, составы световодов, а также распределение концентрации легирующих добавок (алюминия и германия/титана) по поперечному сечению сердцевины световода с висмутом.

В параграфе 3.2 рассмотрено влияние добавки германия или титана в алюмосиликатный световод, легированный висмутом, на спектры поглощения и люминесценции. В спектре поглощения алюмосиликатного световода с висмутом можно выделить полосы с максимумами на длинах волн ~ 500 нм, 700 нм, 800 нм и 1000 нм. Показано, что введение германия и титана оказывало слабое влияние на форму спектра поглощения. В свою очередь, при возбужде-

нии на 808 нм спектр люминесценции ГАСВ и ТАСВ световодов существенно уширялся в длинноволновую область. Приведены результаты низкотемпературных измерений (Т=77 К) люминесцентных свойств АСВ, ТАСВ и ГАСВ световодов.

В параграфе 3.3 исследовалась возможность получения в световодах данного типа оптического усиления в области - 1300 нм. Оказалось, что при возбуждении в полосу поглощения с максимумом около 1000 нм германо- и тита-ноалюмосиликатные световоды, легированные висмутом, обладают оптическим (on/off) усилением в довольно узкой полосе, а именно ~ 1140- 1250 нм, тогда как спектр люминесценции охватывает существенно больший спектральный диапазон вплоть до 1700 нм. Максимум спектра оптического (on/off) усиления в таком случае располагался на длине волны около 1125 нм. Причина снижения оптического усиления в области - 1300- 1500 нм исследовалась в параграфе 3.4. Используя методику спектроскопии с временным разрешением, были измерены временные зависимости релаксации люминес- 25 —i—i—r-^—i—i—.—i—i—i—.—i—.— 0,6 ценции АСВ, ТАСВ и ГАСВ «

световодов при возбуждении на 808 нм и 975 нм (Т=77 К и 300 К). Во всех экспериментах спад люминесценции ТАСВ и ГАСВ световодов состоял из двух компонент: быстрой со временем менее 4 мкс, которая отсутствовала в спаде люминесценции АСВ световода, и

Рис. 1 Спектры короткоживущей люминес-медленнои со временем , „

у ценции (со временем менее 4 мкс) (1) и дол-

- 800 мкс. Амплитуды данных гоживущей люминесценции (со временем

- 800 мкс) (2) для ТАСВ световода при воз-компонент зависели от регист- е

' буждении излучением на длине волны

рируемой длины волны люми- 975 нм

0' .i.i.i.i ■ t-TT»_jo,0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Длина волны, нм

несценции, температуры и длины волны накачки. По экспериментально измеренным осциллограммам были построены спектры коротко- и долгоживущей люминесценции. Пример таких спектров приведен на Рис. 1. Максимумы спектров долгоживущей и короткоживущей люминесценции расположены на длинах волн ~ 1100 нм и ~ 1250 нм соответственно. В результате проведенного исследования была показана возможность формирования активных висмутовых центров с коротким временем жизни (менее 4 мкс) в алюмосиликатных световодах с висмутом, легированных германием или титаном, присутствие которых в сердцевине световода приводило к снижению оптического усиления в области длин волн 1300- 1500 нм. Помимо активных короткоживущих висмутовых центров, существенное влияние на оптическое усиление могут оказывать процессы апконверсии и поглощения излучения накачки активными центрами, находящимися в возбужденном состоянии. Экспериментальные результаты, свидетельствующие о наличии таких процессах в ГАСВ световодах, приведены в параграфе 3.5.

В Главе 4 исследованы оптические свойства фосфорогерманосиликатных (ФГСВ) световодов, легированных висмутом, с различным содержанием германия и фосфора в сердцевине световода (Таблица 1).

Основные характеристики (состав, распределение концентрации легирующих добавок (германия и фосфора) по поперечному сечению световода, диаметр поля моды на длине волны 1300 нм, разность показателей преломления сердцевины и оболочки) представлены в параграфе 4.1 (Таблица 1). В параграфе 4.2 проведен сравнительный анализ спектров поглощения ФГСВ и ГАСВ световодов. Показано существенное различие форм спектров оптического поглощения ФГСВ и ГАСВ световодов. В спектре поглощения ФГСВ световода (световод Р2) наблюдались полосы с максимумами на ~ 450 нм, ~ 800 нм, плечо на ~ 950 нм и сложная полоса в области длин волн 1100 - 1500 нм, которая, очевидно, включала в себя также поглощение присутствующих в стекле сердцевины световода групп ОН с максимумами на ~ 1240 нм и ~ 1380 нм (Рис. 2 а), од-

нако отсутствовали полосы на 500, 700 и 1000 нм, характерные для АСВ световодов.

Таблица 1 .Характеристики фосфорогерманосиликатных световодов с висмутом

Название световода Концентрации легирующих добавок Дп-10"3 Диаметр поля моды на 1.3 мкм, мкм

Ge (ат. %) Р (ат. %)

F1 4,3 - 19 4,8

F2 4,4 0,5 22 4,1

F3 4,3 0,6 18.5 4,06

F4 2,9 1,9 14.5 4,8

F5 0,5 2,7 8,5 6,4

F6 0,3 3,9 9 5,9

F7 - 3,7 7 6,6

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 »i»000 шо |200 ,300 иоо 15Ш ,600

Длина волны, мкм длина волны, нм

Рис. 2 Спектры поглощения (а) и люминесценции фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом при возбуждении на 1230 нм (б) и 808 нм (в). (Для наглядности рисунка (а), спектры поглощения световодов были умножены на соответствующие коэффициенты: F1 - 1; F2 - 0.85; F3 - 0.6; F4 - 15; F5 - 30; F6 - 250; F7 - 200).

Показано, что от соотношения концентраций германия и фосфора в сердцевине световодов, легированных висмутом, существенно зависит форма спектра поглощения (Рис. 2 а). Так, при возрастании концентрации фосфора и снижении концентрации германия наблюдался рост поглощения в области длин волн 1000- 1300 нм, сдвиг максимума полосы поглощения на ~ 800 нм в коротковолновую область, уширение полосы поглощения с максимумом на ~ 450 нм. При возбуждении излучением на длинах волн 1230 нм и 808 нм наблюдались довольно широкие спектры люминесценции, состоящие из двух полос с макси-

мумами на ~ 1300 нм и ~ 1400 нм и характерными временами спада 800 мкс и 600 мкс соответственно (Параграф 4.3). Показано, что за возникновение полос люминесценции на длинах волн ~ 1300 нм и ~ 1400 нм, интенсивность которых зависит от содержания фосфора и германия в сердцевине световода, ответственны активные висмутовые центры, связанные с фосфором (АВЦ(Р)) и германием (ABLJ(Ge)) соответственно (Рис. 2 б, в). Кроме того, в параграфе 4.2, исследовалось изменение формы спектра люминесценции световода F2 от интенсивности излучения накачки на длине волны 925 нм. При использовании излучения на длине волны 925 нм спектр люминесценции световода F2 состоял из двух полос с максимумами на длинах волн -1150 нм и ~ 1600 нм, интенсивность которых зависела от интенсивности излучения накачки. Показано, что при значениях интенсивности введенного излучения накачки ~50- 100 Вт/см2 интенсивность полосы люминесценции с максимумом на ~ 1600 нм была существенно выше, чем интенсивность полосы на ~ 1150 нм. Повышение интенсивности накачки до ~ 400 кВт/см2 приводило к обратному эффекту, а именно, полоса на ~ 1150 нм оказывалась интенсивнее полосы на ~ 1600 нм.

В параграфе 4.4 приведены результаты исследования усилительных

свойств ФГСВ световодов, легированных висмутом. Спектры оптического (on/off) усиления были измерены в спектральном диапазоне 1250- 1550 нм при накачке излучением на 1230 нм (Рис. 3). В области ~ 1400 нм 1550 определение коэффициента оптического усиления было затруднено из-за сильного по-

1500

1250 1300 1350 1400 1450

Длина волны,нм Рис. 3 Спектры оптического усиления ФГСВ световодов: Fl, F2, F5, F7 длиной 30 м и F3 -10 м при возбуждении на длине волны глощения он ^ Показано, 1230 нм (70 мВт) (Т=300 К). Для наглядности

графика спектр усиления световода F1 что для световодов с высоким умножен на коэффициент указанный в скобках.

содержанием фосфора макси-

мум спектра оптического усиления располагается на длине волны около 1300 нм, а для световодов с высоким содержанием германия - на ~ 1400 нм. Введение германия в сердцевину световода приводило к возрастанию усиления в области 1400- 1550 нм, а фосфора в области 1250- 1350 нм, что довольно хорошо согласовывалось с данными по люминесценции. Максимальный коэффициент оптического (on/off) усиления ~ 22 дБ достигнут в 10-м отрезке световода F3 на длине волны ~ 1360 нм.

Глава 5 посвящена созданию волоконных лазеров на основе фосфоро-германосиликатных световодов, легированных висмутом, генерирующих в спектральном диапазоне 1300- 1550 нм.

В параграфе 5.1 приведено описание основных элементов висмутовых лазеров: источники накачки, параметры брэгговских решеток, длины активных световодов. Создан ряд волоконных висмутовых лазеров, генерирующих в

30

о я со я о я

<У

н к S

. 1 . ■ ■ ■а

А 1

з А 1

/А 1

5 1 1

6 1 1 1 ,1

?__________, \ 1

Л , , 1..,

н ffl 2

25

1100 1200 1300 1400 Длина волны, нм

1500

8 20 я

I 15 S

5 10

S

I 5

3

и о

б

□ 1 '

О 2 X

д 3 3.4% /п/

V 5 : / ✓ 3.2% (5.4%) , / /

у/' 1.4% (5%) ____д - у/о^ег. - • • -_-д6.8% (0.6%}

О 200 400 600 800 1000 Поглощенная мощность накачки, мВт

Рис. 4 а) Спектры оптического излучения на выходе волоконных висмутовых лазеров 1-8: накачка ХВОЗб=1205 нм, генерация лге„=1310 нм (1); Авозб=1230 нм, Агсн= 1310 нм (2); Хвозб=1230 нм, ?Чен=1345 нм (3); ХВОЗб=1230 нм, А,ген=1427 нм (4); ?1ВОЗб=1230 нм, лге„=1470 нм (5); Хвотб=1230 нм, ^ген1=1300 нм, ^ген2=1330 нм, Хге„з=1470 нм (6); >.вюб=1230 нм, Лген=1500 нм (7); ^возб= 1230 нм, Х,ген=1520 нм (8); б) Зависимости выходной мощности висмутовых лазеров (1, 2, 3 и 5) от поглощенной мощности накачки при Т=300 К (в скобках указан кпд лазера при Т=77 К)

области 1300- 1520 нм, спектры выходного излучения для указанных лазеров приведены на Рис. 4 а. В качестве активной среды использовался 30-м отрезок световода Р2. КПД висмутовых лазеров и пороговые мощности накачки при

14

Т=300 К составили 1 - 4 % и 50 - 250 мВт соответственно (Рис. 4 б). Кроме того, продемонстрировано получение лазерной генерации одновременно на трех длинах волн 1300, 1330 и 1470 нм, что свидетельствует о значительном неоднородном уширении спектра оптического усиления (Рис. 4 а, кривая 6). Показана возможность использования излучения на длинах волн 808 и 925 нм для получения лазерной генерации на длинах волн 1320 и 1550 нм соответственно. В обоих случаях длина лазеров составляла ~ 13 м. В качестве активной среды также использовался световод F2.

В параграфе 5.2 исследована возможность повышения эффективности висмутовых лазеров, генерирующих в области длин волн 1300- 1500 нм, путем оптимизации состава активного световода, длины волны возбуждения и параметров резонатора висмутовых лазеров. Первые висмутовые лазеры, излучающие в области 1.3 - 1.5 мкм, обладали достаточно низкой эффективностью ~ 1 -4 %. Причиной этого являлось то, что большая часть излучения накачки на 1230 нм в активном световоде F2 поглощалась АВЦ(Р), и лишь малая часть - ABLJ(Ge). Низкий кпд в полосе люминесценции АВЦ(Р) (в области ~ 1300 нм) был обусловлен сравнительно низкой концентрацией фосфора (~ 0.5 ат. %), а в полосе ABL((Ge) - малой долей возбужденных активных висмутовых центров, связанных с германием. Показано, что оптимальной длиной волны излучения накачки для легированных висмутом световодов с высоким содержанием германия является излучение в

3,0

£ 2'5 ра

►а

н 20

о

в

S

5 1,0

я ч

х 0,5 2 PQ

0,0

. * '(Хв0,5=1340 НМ;Х, ен=1480 HM(R~50%))

0 2(Хвозб=1340 нм;Х £h=1480 HM(R4%)) У

4 3(Хвтб=1230 нм;Я ен=1330 hm(R~50

- 25% ¿у

-

18%

0123456789 10 11 12 Поглощенная мощность накачки, Вт

Рис. 5 Выходная мощность висмутовых лазеров (1, 2-90-м отрезок световода Б2; 3- 100-м отрезок световода Р5) от поглощенной мощности накачки

области 1300- 1340 нм, тогда как для активных световодов с высоким содержанием фосфора - излучение в области ~ 1230 нм. В результате оптимизации вышеуказанных параметров, эффективность висмутовых лазеров возрастала в несколько раз и составила ~ 18 - 25 % (Рис. 5). Также была получена лазерная генерация на длине волны 1480 нм с дифференциальной эффективностью 18 % без выходной брэгговской решетки (Рис. 5). В этом случае выходным зеркалом был скол активного световода с коэффициентом отражения ~ 4 % за счет фре-нелевского отражения. Тем самым показана принципиальная возможность создания оптического усилителя с усилением не менее 14 дБ на основе волоконного световода, легированного висмутом.

В Заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты:

1. Впервые экспериментально исследованы оптические свойства фосфоро-германосиликатных волоконных световодов, легированных висмутом, при увеличении количества фосфора от 0 до ~ 3.8 ат. % и одновременном снижении количества германия от ~ 4.5 до 0 ат. % в сердцевине световода. Показано, что:

а. спектры люминесценции световодов в области мкм состоят из 2-х полос с максимумами на длинах волн 1300 нм и 1400 нм, интенсивность которых зависит от содержания в сердцевине световода фосфора и германия соответственно.

б. при возбуждении излучением на ~ 1230 нм фосфоро-, германо- и фосфорогерманосиликатные световоды, легированные висмутом, обладают оптическим усилением в диапазоне длин волн 12501550 нм. Исследована зависимость формы спектров оптического

усиления от состава стекла сердцевины световодов. Экспериментально показана возможность создания оптического усилителя на длине волны 1480 нм с усилением не менее 14 дБ на волоконном световоде, легированном висмутом.

2. Впервые созданы лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм. Для получения лазерной генерации в диапазоне 1300 - 1550 нм использовались германо-, фосфоро- и фосфорогерманосиликатные (с различным соотношением количества германия и фосфора) световоды, легированные висмутом. Лазерная генерация продемонстрирована на 11 длинах волн из указанного спектрального диапазона при накачке на длине волны 1230 нм с к.п.д. 1% и более. Пороговые значения мощности накачки составляли от 50 до 250 мВт.

3. Впервые продемонстрирована возможность получения лазерной генерации на фосфорогерманосиликатном световоде, легированном висмутом, при возбуждении в полосы поглощения с максимумами на 800 нм и 950 нм.

4. На основании проведенного исследования оптических свойств фосфоро-германосиликатных световодов, легированных висмутом, показано, что оптимизация состава стекла сердцевины световода, длины волны накачки и параметров резонатора висмутового лазера позволяют достичь выходной мощности лазерной генерации на длинах волн 1330 нм и 1480 нм более 2 Вт с дифференциальным кпд до 25%.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Bufetov I.A., Golant K.M., Firstov S.V., Kholodkov A.V., Shubin A.V., and Dianov E.M., Bismuth activated alumosilicate optical fibers fabricated by surface-plasma chemical vapor deposition technology // Applied Optics, 2008, 47 (27), 4940

2. Firstov S.V., Bufetov I.A., Smirnov A.M., Khopin V.F., Guryanov A.N., Dianov E.M., Time-resolved spectroscopy of Bi-doped silica-based fibers // Book of abstracts, 17th International Laser Physics Workshop (LPHYS'08), June 30 - July 4,2008, Trondheim, Norway, 522

3. Firstov S.V., Bufetov I.A., Khopin V.F., Umnikov A.A., Guryanov A.N., Dianov E.M., Optical gain of Bi-doped aluminosilicate fibers codoped with Ge and Ti // Book of abstracts, 17th International Laser Physics Workshop (LPHYS'08), June 30 - July 4,2008, Trondheim, Norway, 526

4. Bufetov I.A., Golant K.M., Firstov S.V., Kholodkov A.V, Shubin A.V., Dianov E.M., Bismuth activated alumosilicate optical fibers fabricated by SPCVD technolody // Book of abstracts, 17th International Laser Physics Workshop (LPHYS'08), June 30 - July 4,2008, Trondheim, Norway, 525

5. Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Guryanov A.N., Dianov E.M., Optical amplification, time-resolved spectroscopy and visible luminescence in Bi - and Ge/Ti -codoped alumosilicate fibers // Proceeding of 3rd EPS-QEOD Europhoton conference, 2008, 31th August - 5th September, Paris, France, THoE.6

6. Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Guryanov A.N., Dianov E.M., Visible luminescence and upconversion processes in Bi-doped silica-based fibers pumped by IR radiation // Proceeding of 34th European Conference on Optical Communication, 2008, Brussels, Belgium, Tu.3.B.4

7. Firstov S.V., Bufetov I.A., Khopin V.F., Umnikov A.A., Guryanov A.N., Dianov E.M., Time-resolved spectroscopy and optical gain of silica-based

fibers co-doped with Bi, Al, and/or Ge, P, and Ti // Laser Physics 2009, 19 (4), 894

8. Фирстов С.В., Буфетов И.А., Хопин В.Ф., Медведков О.И., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М., Оптическое усиление в алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, титаном и германием // Сборник трудов всероссийской молодежной научной школы "Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение", Саранск, 2008, 161

9. Dianov Е.М., Firstov S.V., Medvedkov O.I., Bufetov I.A., Khopin V.F., Guryanov A.N., Luminescence and laser generation in Bi-doped fibers in a spectral region of 1300-1520 nm // Proceeding of Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC) and the National Fiber Optic Engineers Conference (NFOEC), 2009, 22па-24л March, San Diego, USA, OWT3

10. Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., Bi-doped fiber lasers and amplifiers for a spectral region of 1300-1470 nm//Optics Letters, 2008, 33, 2227

И. Дианов E.M., Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Буфетов И.А., Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1.3 мкм// Квантовая электроника, 2008, 38 (7), 615

12. Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., 1.3-1.47 цт bismuth fiber lasers and amplifiers // Proceeding of 3rd EPS-QEOD Europhoton conference, 2008, 31th August - 5th September, post deadline session, Paris, France, TUoE. 1

13. Firstov S.V., Bufetov I.A., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., The 2 W bismuth doped fiber lasers in wavelength range 1300- 1550 nm and variation laser properties with fiber core composition // Proceeding of 18th International Laser Physics Workshop (LPHYS'09), July 13 - July 17,2009, Barcelona, Spain

14. Дианов Е.М., Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Медведков О.И., Гурьянов А.Н., Буфетов И.А., Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470- 1550 нм // Квантовая электроника, 2009, 39 (4), 299

15. Firstov S.V., Bufetov I.A., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., 2W bismuth doped fiber lasers in wavelength range 1300 -1550 nm and variation laser properties with fiber core composition // Laser Physics Letters, Published online 16 June 2009 http://www3.mter-science.wilev.com/cgi-bin/fulltext/122457726/PDFSTART

Заказ № 49-а/08/09 Подписано в печать 26.08.2009 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30; (495) 778-22-20 www.cfr.ru; е-таИ:т/о@с/г.ги

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЛАЗЕРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ СТЕКОЛ И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1 Оптические свойства стекол и волоконных световодов, легированных висмутом.

1.2 Исследование структуры активных висмутовых центров.

1.3 Лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАГОТОВОК И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ.

2.1 Описание технологии изготовления заготовок волоконных световодов

МСУБ и БРСУЭ).

2.2 Измерение спектров поглощения волоконных световодов.

2.3 Методика измерения люминесценции заготовок и волоконных световодов в видимом и ИК спектральных диапазонах.

2.4 Схема измерения времени жизни ИК люминесценции активных висмутовых центров.

2.5 Методика измерения спектров оптического усиления волоконных световодов.

2.6 Схема лазеров на основе волоконных световодов, легированных висмутом.

ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ И ГЕРМАНИЕМ/ТИТАНОМ.

3.1 Выбор состава сердцевины активных световодов. Характеристики экспериментальных световодов.

3.2 Спектры поглощения и люминесценции германоалюмо-, алюмо- и ти-таноалюмосиликатных световодов, легированных висмутом.

3.3 Спектры оптического (on/off) усиления световодов на основе алюмо-силикатного стекла, легированного висмутом.

3.4 Спектрально-временные зависимости релаксации ИК люминесценции висмутовых центров в алюмо-, титаноалюмо- и германоалюмосиликат-ных световодах.

3.5 Процессы передачи возбуждения между висмутовыми центрами в алюмо- и германоалюмосиликатных световодах. Антистоксовая (видимая) люминесценция.

3.6 Выводы.

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФОРОГЕРМАНОСИЛИКАТ

НЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ.

4.1 Экспериментальные образцы и их характеристики.

4.2 Спектры поглощения и люминесценции фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом.

4.3 Временные зависимости релаксации ИК люминесценции висмутовых центров в фосфорогерманосиликатных световодах.

4.4 Спектры оптического (on/off) усиления фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом.

4.5 Выводы.

ГЛАВА 5. ЛАЗЕРЫ НА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ, ИЗЛУЧАЮЩИЕ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ

1300-1550 НМ.

5.1 Лазеры на основе фосфоро-, фосфорогермано- и германосиликатных световодов, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне длин волн 1280 — 1550 нм.

5.2 Волоконные висмутовые лазеры с выходной мощностью более 2 Вт.

5.3 Выводы.

Создание волоконных лазеров и усилителей, работающих в различных спектральных диапазонах, неразрывно связано с поиском и исследованием новых активных сред. В 1961 году Снитцером был создан первый волоконный лазер на основе световода, легированного ионами неодима [1]. Бурное развитие волоконных лазеров и усилителей началось после создания световодов с низкими потерями (менее 0.5 дБ/км на длине волны 1550 нм), пригодных для оптических систем передачи информации на дальние расстояния. Возникшая потребность в оптических усилителях и источниках лазерного излучения, работающих в области длин волн 1550 нм (окно прозрачности световодов на основе кварцевого стекла), для таких систем связи способствовала интенсивному поиску и исследованию новых активных сред. Результатом поиска стала реализация в 1985 г. первого оптического усилителя, работающего в области длин волн 1550 нм, активной средой которого был эрбиевый световод [2]. В настоящее время волоконные лазеры находят довольно широкое применение благодаря ряду преимуществ (хорошее качество лазерного излучения, компактность, надежность, малый размер и вес) перед другими видами лазеров. Рабочий спектральный диапазон ныне существующих воло | ^ | о | о | 7| конных лазеров на активных центрах (УЬ , Ег , N(1 , Тш , Но ) простирается от ~ 900 до 2300 нм. Неосвоенной оставалась область длин волн —1200— 1500 нм из-за отсутствия активных сред в этой области (Рис. 1) [3], интерес к которой, прежде всего, связан с возможностью ее использования для передачи информации. Постоянный рост объемов передаваемой информации по волоконным линиям связи приведет в дальнейшем к их перегрузке из-за использования довольно узкой спектральной области (1520 — 1600 нм) для передачи информации. Тем самым возникает проблема о повышении

Рг Nd Sm Но Er Tm Yb

0.6 O.a 1,0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

Wavelength (jim)

Рис. I Спектральные диапазоны существующих волоконных лазеров на световодах из кварцевого стекла, активированного редкоземельными ионами [3]. Для сравнения приведен возможный рабочий диапазон волоконных висмутовых лазеров. пропускной способности волоконных линий связи. Решение данной проблемы заключается в освоении спектрального диапазона 1300-1520 нм для передачи информации, которое возможно благодаря тому, что телекоммуникационные световоды обладают низкими оптическими потерями в данной области. Существенным шагом в освоении вышеуказанного диапазона является реализация оптических усилителей и источников лазерного излучения, работающих в данной области. Для этой цели наиболее перспективным является использование волоконных световодов, легированных висмутом.

Сообщение об обнаружении широкополосной люминесценции и оптического усиления в области длин волн 1300 нм в алюмосиликатных стеклах, легированных висмутом, не вызвало огромного интереса [4, 5, 6].

Интерес к таким активным средам, возник лишь в 2005 году, после изготовления методом МСУТ) первых волоконных световодов на основе алюмосили-катного стекла, легированного висмутом [7, 8]. Волоконные световоды, также как и стекла, обладали довольно широкими (-100 — 200 нм) полосами поглощения на длинах волн 500, 700, 800 и 1000 нм и полосами люминесценции в области 1100 нм. Более того на основе алюмосиликатного световода с висмутом был впервые реализован волоконный лазер, излучающий в диапазоне длин волн от 1140 (-10%) до 1215 (-14%) нм при накачке на 1064 нм [9]. Также сообщалось о получении лазерной генерации на длинах волн 1250 нм и 1300 нм на алюмосиликатном световоде с висмутом при накачке на 1064 нм. Однако экспериментальные данные (спектр генерации, кпд лазера, пороговая мощность, параметры лазера), подтверждающие получение лазерной генерации на длинах волн 1250 нм и 1300 нм отсутствовали [9] и не были подтверждены результатами, полученными в других лабораториях [10 - 14]. Вариация состава стекла позволяет получить ИК люминесценцию шириной до -500 нм, показывая потенциальную возможность применения стекол с висмутом в качестве активных сред для перестраиваемых лазеров и оптических усилителей. Хотелось бы отметить, что к началу данной диссертационной работы лазерная генерация в области 1300-1500 нм не была получена, что явилось дополнительным аргументом необходимости проведения данного исследования.

Из вышесказанного следует, что настоящая работа, в которой был проведен поиск состава световодов, легированных висмутом, для создания на основе таких световодов волоконных лазеров, генерирующих в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм, и их реализация является весьма актуальной.

Цель работы

Цель настоящей работы заключается в нахождении состава стекла сердцевины световода, легированного висмутом, как активной среды, обладающей оптическим усилением в спектральном диапазоне 1300 — 1550 нм, и реализации на световодах такого состава волоконных лазеров, генерирующих в области длин волн 1300 — 1550 нм. Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:

• исследование оптических свойств алюмосиликатных, германоалюмо-силикатных, титаноалюмосиликатных и фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом;

• исследование влияния соотношения концентраций легирующих добавок (германия и фосфора) на оптические свойства фосфорогерманосиликатных световодов с висмутом;

• создание и исследование свойств волоконных висмутовых лазеров, генерирующих в спектральном диапазоне 1300 — 1550 нм;

• исследование возможности повышения кпд висмутовых лазеров путем оптимизации состава стекла сердцевины активного световода, длины волны излучения накачки и параметров резонатора висмутовых лазеров.

Научная новизна работы

1. Впервые созданы лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300 — 1550 нм;

2. Исследованы оптические свойства титаноалюмосиликатных световодов, легированных висмутом;

3. Измерены спектры оптического усиления в диапазоне длин волн 1100 —

1300 нм алюмосиликатных, германоалюмосиликатных и титаноалюмосиликатных световодов, легированных висмутом, при возбуждении излучением в полосу поглощения с максимумом около 1000 нм;

4. Показана возможность использования фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, для получения оптического усиления и лазерной генерации в диапазоне длин волн 1300 - 1550 нм;

5. Впервые продемонстрировано получение лазерной генерации на фосфорогерманосиликатных световодах, легированных висмутом, при возбуждении излучением в полосы поглощения с максимумами на ~ 800 нм и ~ 950 нм;

6. Реализованы волоконные лазеры на основе фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, с максимальной выходной мощностью 2.5 Вт и кпд до 25% (лазер на 1330 нм - кпд 25%; лазер на 1480 нм -кпд 18-23%).

Положения, выносимые на защиту:

1. Лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерируют в спектральном диапазоне 1300-1550 нм. (Лазерная генерация продемонстрирована на 11 длинах волн из указанного спектрального диапазона при возбуждении излучением на длине волны около 1230 нм).

2. На основании экспериментально полученных зависимостей форм спектров поглощения, люминесценции и оптического усиления волоконных фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, от концентраций легирующих добавок в сердцевине световода (при увеличении количества фосфора от 0 до ~ 3.8 ат. % и одновременном снижении количества германия от 4.5 до 0 ат. %) осуществляется выбор состава активного световода и длины волны источника излучения накачки при создании волоконных висмутовых лазеров, излучающих в области длин волн 13001550 нм.

3. Лазерная генерация на длинах волн 1320 нм и 1550 нм получена при накачке в различные полосы поглощения активных висмутовых центров с максимумами на длинах волн около 800 нм и 950 нм соответственно. В качестве активных сред использовались фосфорогерманосиликатные световоды, легированные висмутом.

4. Оптимизация состава стекла сердцевины световода, длины волны накачки и параметров резонатора лазера позволяет повысить кпд висмутовых лазеров. Реализованные волоконные висмутовые лазеры генерируют в спектральном диапазоне 1300 - 1500 нм, с кпд до 25 % и выходной мощностью более 2 Вт.

Практическая значимость работы

- Продемонстрирована принципиальная возможность усиления оптических сигналов и генерации лазерного излучения в спектральной области 1300 —

1550 нм с помощью волоконных световодов, легированных висмутом, что является существенным продвижением к решению задачи о создании эффективных волоконных усилителей для волоконных систем связи следующего поколения.

- Показано, что в стекле сердцевины световода возможно формирование активных висмутовых центров с короткоживущими энергетическими уровнями, устранение которых позволит повысить эффективность волоконных висмутовых лазеров.

- На основании экспериментальных данных показано, что световоды из кварцевого стекла, легированного висмутом, фосфором и/или германием, с широкой полосой усиления 1250-1550нм являются перспективными усиливающими активными средами для волоконных лазеров и оптических усилителей указанного диапазона.

- Проведенное исследование оптических и усилительных свойств активных висмутовых центров при вариации соотношения концентраций германия и фосфора в сердцевине световода позволяет оптимизировать состав стекла сердцевины волоконного световода и длину волны излучения источника накачки для получения эффективной лазерной генерации в диапазоне длин волн 1300 - 1550 нм. - Создание лазеров на световодах, легированных висмутом, с выходной мощностью 2 Вт и более указывают на возможность повышения выходной мощности волоконных висмутовых лазеров в спектральном диапазоне 1300-1500 нм.

Апробация работы

Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на конференциях и научных школах:

17 International Laser Physics Workshop" (г. Тронхейм, Норвегия, 2008); "3rd EPS-QEOD Europhoton conférence" (г. Париж, Франция, 2008); "34 European Conférence on Optical Communication" (г. Брюссель, Бельгия, 2008); "Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение" (г. Саранск, Россия, 2008); "Optical Fiber Communication Conférence and Exposition (OFC) and the National Fiber Optic Engineers Conférence (NFOEC)" (г. Сан Диего, США, 2009); "18th International Laser Physics Workshop" (г. Барселона, Испания, 2009), a также на семинарах НЦВО РАН и ИОФ РАН. Работа "Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в диапазоне длин волн 1300 - 1520 нм", являющаяся частью настоящей диссертации, получила первое место на конкурсе научных работ молодых ученых НЦВО РАН 2008 года.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю члену-корреспонденту РАН, доктору физико-математических наук И.А. Буфетову за всестороннюю поддержку, обсуждение экспериментальных результатов и помощь при написании данной работы, а также директору Научного центра волоконной оптики РАН академику Е.М. Дианову за предложенную тематику, поддержку, постоянный интерес и внимание к работе. Автор выражает искреннюю признательность своим коллегам М.А. Мелькумову и A.B. Шубину за помощь в проведении экспериментов, ценные обсуждения и замечания. Выполнение данной работы было бы невозможно без поддержки со стороны сотрудников НЦВО РАН, а именно О.И. Медведкова - изготовление брэгговских волоконных решеток и Л.Д. Исхаковой - проведение рентгеновского микроанализа состава заготовок и световодов, а также сотрудника ИРЭ РАН K.M. Голанта — предоставление для исследования алюмосиликат-ного световода с висмутом, изготовленного SPCVD методом.

Автор признателен руководителю лаборатории ИХВВ РАН члену-корреспонденту РАН А.Н. Гурьянову, ведущему научному сотруднику ИХВВ РАН В.Ф. Хопину — за повседневное плодотворное сотрудничество и определяющий вклад в области создания волоконных световодов, H.H. Вечканову (ИХВВ РАН) за подготовку заготовок и вытяжку волоконных световодов.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы представлены в 15 публикациях, указанных в списке литературы.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации - 116 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 6 таблиц. Список литературы содержит 106 наименований.

5.3 Выводы

Созданы волоконные лазеры на основе фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300-1550 нм. Эффективность таких лазеров достигала ~ 3-12%. Путем получения лазерной генерации на 3-х длинах волн одновременно (1300, 1330 и 1470 нм) при возбуждении в край полосы поглощения 1150-1500 нм показано наличие сильного неоднородного уширения спектра оптического усиления фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом. Впервые продемонстрирована лазерная генерация на световодах, легированных висмутом, в области 1300 — 1550 нм при возбуждении в полосы поглощения с максимумами на длинах волн около 800 нм и 950 нм. Показана возможность оптимизации состава активного световода, длины волны накачки и параметров резонатора лазера для повышения эффективности висмутовых лазеров. В результате были созданы волоконные висмутовые лазеры с выходной мощностью более 2 Вт и эффективностью достигающей 25%.

Таким образом, впервые была показана принципиальная возможность применения волоконных световодов, легированных висмутом, в качестве активных сред в лазерах и широкополосных усилителях для спектрального диапазона 1300-1550 нм, то есть перекрывающих одновременно О-, Е- и 8-диапазоны телекоммуникационных световодов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Впервые экспериментально исследованы оптические свойства фосфо-рогерманосиликатных волоконных световодов, легированных висмутом, при увеличении количества фосфора от 0 до ~ 3.8 ат. % и одновременном снижении количества германия от 4.5 до 0 ат. % в сердцевине световода. Показано, что: а. спектры люминесценции световодов в области А>1 мкм состоят из 2-х полос с максимумами на длинах волн 1300 нм и 1400 нм, интенсивность которых зависит от содержания в сердцевине световода фосфора и германия соответственно. б. при возбуждении излучением на ~ 1230 нм фосфоро-, германо- и фосфорогерманосиликатные световоды, легированные висмутом, обладают оптическим усилением в диапазоне длин волн 12501550 нм. Исследована зависимость формы спектров оптического усиления от состава стекла сердцевины световодов. Экспериментально показана возможность создания оптического усилителя на длине волны 1480 нм с усилением не менее 14 дБ на волоконном световоде, легированном висмутом.

2. Впервые созданы лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300 - 1550 нм. Для получения лазерной генерации в диапазоне 1300- 1550 нм использовались германо-, фосфоро- и фосфорогерманосиликатные (с различным соотношением количества германия и фосфора) световоды, легированные висмутом. Лазерная генерация продемонстрирована на 11 длинах волн из указанного спектрального диапазона при накачке на длине волны 1230 нм с к.п.д. 1% и более. Пороговые значения мощности накачки составляли от 50 до 250 мВт.

3. Впервые продемонстрирована возможность получения лазерной генерации на фосфорогерманосиликатном световоде, легированном висмутом, при возбуждении в полосы поглощения с максимумами на 800 нм и 950 нм.

4. На основании проведенного исследования оптических свойств фосфо-рогерманосиликатных световодов, легированных висмутом, показано, что оптимизация состава стекла сердцевины световода, длины волны накачки и параметров резонатора висмутового лазера позволяют достичь выходной мощности лазерной генерации на длинах волн 1330 нм и 1480 нм более 2 Вт с дифференциальным кпд до 25%.

1. Optical maser action of Nd3+ in a barium crown glass // Phys. Rev. Lett., 1961,7, 444

2. Mears R.J., Reekie L., Jancie I.M., and Payne D.N., High gain rare-earth doped fiber amplifier at 1.54 jam // Proc. Of Optical Fiber Communication Conference, 1987, 3, OSA Technical Digest Series, (Optical Society of America, Washington), 167

3. Diggonet M.J.F., Rare earth doped fibre lasers and amplifiers // Dekker (Marcel), New York (Basel), 1993

4. Murata K., Fujimoto Y., Kanabe Т., Fujita H., Nakatsuka M., Bi-doped Si02 as a new laser material for an intense laser // Fusion Eng. And Design, 1999, 44, 437

5. Fujimoto Y. and Nakatsuka M., Infrared luminescence from bismuth doped silica glass // Japanese Journal of Applied Physics, 2001, 40, L279

6. Fujimoto Y., and Nakatsuka M., Optical amplification in bismuth-doped silicaglass // Applied Physics Letters, 2003, 82(19), 3325

7. Dianov E.M., Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Umnikov A.A., Yashkov M.V.,

8. Guryanov A.N., CW bismuth fiber laser// Quantum Electronics, 2005, 35, 1083

9. Razdobreev I., Bigot L., Pureur V., Bouwmans G., Douay M., Jurdyc A.M., High efficiency Bi-doped fiber laser // in Proc. LPHYS'06, 2006, July 24-28, Lausanne

10. Yoo S., Kalita M. P., Sahu J., Nilsson J., Payne D., Bismuth-doped Fiber Laser at 1.16 nm //in Proc. Of CLEO'2008, CFL4

11. Dianov E.M., Shubin A.V., Melkumov M.A., Medvedkov O.I., Bufetov I.A., High-power cw bismuth fiber lasers // J. Opt. Soc. Am. B, 2007, 24, 1749

12. Razdobreev I., Bigot L., Pureur V., Bouwmans G., Douay M., Efficient all-fiber bismuth-doped laser // Appl. Phys. Lett., 2007, 90, 031103

13. Kalita M. P., Yoo S., and Sahu J., Bismuth doped fiber laser and study of unsaturable loss and pump induced absorption in laser performance // Optics Express, 2008, 16(25), 21032

14. Nakatsuka M., Fujimoto Y., Seo Y-S., Sato T., and Kuwada Y., New bismuth-doped silica glass for LD-pumped ultra-short-pulse laser at 1.2-micron wavelength // HEC-DPSSL meeting at LLNL, 2006, May 17-19, Livermore, California, U.S. A

15. Suzuki T. and Ohishi Y., Ultra-broadband near-infrared emission from Bi-doped Li20-Al203-Si02 glass // Appl. Phys. Lett., 2006, 88, 191912

16. Ren J., Yang L., Qiu J., Chen D., Jiang X., Zhu C., Effect of various alkalineearth metal oxides on the broadband infrared luminescence from bismuth-doped silicate glasses // Solid State Communications, 2006, 140, 38

17. Peng M., Qiu J., Chen D., Meng X., Yang I., Jiang X., Zhu C., Bismuth- and aluminum-codoped germanium oxide glasses for super-broadband optical amplification // Opt. Lett., 2004, 29, 1998

18. Peng M., Meng X., Qiu J., Zhao Q., Zhu C., Ge02: Bi, M (M=Ga, B) glasses with super-wide infrared luminescence // Chem. Phys. Lett., 2005, 403, 410

19. Ren J., Qiu J., Wu B., Chen D., Ultrabroadband infrared luminescence from Bi-doped alkaline earth metal germanate glasses // J. Mater, Res., 2007, 22, 1574

20. Meng X., Qiu J., Peng M., Chen D., Zhao Q., Jiang X., Zhu C., Near infrared broadband emission of bismuth-doped aluminophosphate glass // Opt. Express, 2005,13, 1628

21. Denker B., Galagan B., Osiko V., Sverchkov S., Dianov E., Luminescence properties of Bi-doped boro-alumino-phosphate glasses // Appl. Phys. B, 2007, 87, 135

22. Sumimiya S., Nanba T., and Miura Y., Optical properties of Bi203-La203-AI2O3-B2O3 glasses // 9th Biennial Worldwide Congress on Refractories, 2005, November 8-10, Orlando, Florida, USA

23. Murata T., Mouri T., Matrix effect on absorption and infrared fluorescence properties of Bi ions in oxide glasses // Journal of Non-Crystalline Solids, 2007, 353, 2403

24. Boulon G., Moine B., Bourcet J.C., Reisefeld R., and Kalinsky Y., Time resolved spectroscopy about Pi and P0 levels in Bi doped germanate glasses // J. of Luminescence, 1979, 18/19, 924

25. Peng M., Wang Ch., Chen D., Qiu J., Jiang X., Zhu C., Investigations on bismuth and aluminum co-doped germanium oxide glasses for ultra-broadband optical amplification // Journal of Non-Crystalline Solids, 2005, 351, 2388

26. Peng M., Qiu J., Chen D., Meng X., and Zhu C., Superbroadband 1310 nm emission from bismuth and tantalum codoped germanium oxide glasses // Optics Letters, 2005, 30(18), 2433

27. Meng X., Qiu J., Peng M., Chen D., Zhao Q., Jiang X., Zhu C., Infrared broadband emission of bismuth-doped barium-aluminum-borate glasses // Opt. Express, 2005, 13(5), 1635

28. Chi G., Zhou D., Song Z., and Qiu J., Effect of optical basicity on broadband infrared fluorescence in bismuth-doped alkali metal germanate glasses // Optical materials, 2009, 31(6), 945

29. Fujimoto Y., Hirata Y., Kuwada Y., Sato T., and Nakatsuka M., Effect of Ge02 additive on fluorescence intensity enhancement in bismuth-doped silica glass // J. Mater. Res., 2007, 22(3), 565

30. Fujimoto Y., Hirata Y., Kuwada Y., and Nakatsuka M., Effect of Ge02 additive on fluorescence intensity enhancement in bismuth-doped silica glass // in Proc. Of CLEO Europe/EQEC, 2007, Munich, Germany, CE-2 Tue

31. Dvoyrin V.V., Medvedkov O.I., Mashinsky V.M., Umnikov A.A., Guryanov A. N., and Dianov E.M., Optical amplification in 1430-1495 nm range and laser action in Bi-doped fibers // Optics Express, 2008, 16, 16971

32. Булатов JI.И. Абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых центров в алюмо- и фосфоросиликатных волоконных световодах// Диссертация, кандидат физ.-мат. наук: Москва, 2009, 158

33. A1 Choueiry A., Jurdyc A.M., Jacquier В., Bigot L., Truong V.G., Douay M., Razdobreev I., Spectroscopic study of bismuth-doped silica glass // in Proceeding of Cleo Europe 2007, June 17 22, Munich, Germany, poster session

34. Razdobreev I., Bigot L., Pureur V., Bouwmans G., Douay M., Jurdyc A., High efficiency Bi-doped fiber laser // in Proc. LPHYS'06, 2006, July 24-28, Lausanne, Switzerland

35. Truong V. G., Bigot L., Lerouge A., and Douay M., Study of thermal stability and luminescence quenching properties of bismuth-doped silicate glasses for fiber laser applications // Appl. Phys. Lett., 2008, 92, 041908

36. Fujimoto Y., and Nakatsuka M., A1 NMR structural study on aluminum coordination state in bismuth doped silica glass // J. of Non-Crystalline Solids, 2006, 352(21-22), 2254

37. Hai-Ping Xia, and Xue-Jun Wang, Near infrared broadband emission from Bi5+-doped Al203-Ge02-X (X=Na20, BaO, Y203) glasses // App. Phys. Lett., 2006, 89, 051917

38. Khonthon S., Morimoto S., Arai Y., and Ohishi Y., Near infrared luminescence from Bi-doped soda-lime-silicate glasses // J. Ceram. Soc. Jpn., 2007, 115, 259

39. Sokolov V.O., Plotnichenko V.G., Dianov E.M., Origin of broadband near-infrared luminescence in bismuth-doped glasses // Optics Letters, 2008, 33(13), 1488

40. Sharonov M.Yu, Bykov A.B., Petricevic V., Alfano R.R., Spectroscopic study of optical centers formed in Bi-, Pb-, Sb-, Sn-, Te-, and In-doped germanate glasses // Opt. Lett., 2008, 33, 2131

41. Ohkura T., Fujimoto Y. and Nakatsuka M., Local structures of bismuth ion in bismuth doped silica glasses analyzed by using Bi Lm X-ray absorptions fine structure // J. Am. Ceram. Soc., 2007, 90, 3596

42. Fujimoto Y., Bi-doped silica glass analysis of luminescent center // in Proc. of 3rd Europhoton Conference, 2008, August 31-September 5, Paris, France (invited talk)

43. Haruna T., Iihara J., and Onishi M., Bismuth-doped silicate glass fiber for ultra-broadband amplification media//Proc. of SPIE, 2006, 6389, 638903

44. Blasse G., Bril A., Investigations on Bi3+-Activated Phosphors // Journal Chemical Physics, 1968, 48, 217

45. Gaft M., Reisfeld R., Panczer G., Boulon G., Saraidarov Т., Erlish S., The luminescence of Bi, Ag and Cu in natural and synthetic barite BaSC>4 // Optical materials, 2001, 16, 279

46. Volf M.B., Chemical Approach to Glass // Elsevier, New York, 1984, v.7 of Glass Science and Technology Series, 406

47. Blase G., Meijerink A., Noms M., and Zuidema J., Unusual bismuth luminescence in strontium tetraborate (SrB4Oy:Bi) // J. Phys. Chem. Solids, 1994, 55(2), 171

48. Arai Y., Suzuki Т., and Ohishi Y., A novel bismuth-doped soda-lime-silicate glass as ultra-broadband near-infrared gain media // in Proc. Of CLEO Europe/EQEC, 2007, Munich, Germany, paper CE92

49. Булатов Jl. И., Машинский В. М., Двойрин В. В., Сухоруков А. П., Спектроскопическое исследование висмутовых центров в алюмосиликатных световодах // Журнал радиоэлектроники, 2009, 3, 1

50. Peng М., Zhao Q., Qiu J., and Wondraczek L., Generation of Emission Centers for Broadband NIR Luminescence in Bismuthate Glass by Femtosecond Laser Irradiation // J. Am. Ceram. Soc., 2009, 92, 542

51. Zhou S., Dong H., Zeng H., Feng G., Yang H., Zhu В., and Qiu J., Broadband optical amplification in Bi-doped germanium silicate glass // Applied Physics letters, 2007,91,061919

52. Seo Y-S., Lim Ch., Fujimoto Y., and Nakatsuka M., 9.6 dB Gain at a 1310 nm Wavelength for a Bismuth-doped Fiber Amplifier // Journal of the Optical Society of Korea, June 2007, 11(2), 63

53. Kishimoto S., Tsuda M., Sakaguchi K., Fujimoto Y., Nakatsuka M., Novel bismuth-doped optical amplifiers for 1.3-micron telecommunication band // in Proceedings of the XX ICG in Kyoto, 2004, September 27-October 1, O-14-029

54. Ren J., Qiao Y, Zhu C., Jiang X., Qiu J., Optical amplification near 1300 nm in bismuth-doped strontium germanate glass // JOSA B, 2007, 24(10), 2597

55. Seo Y-S., Fujimoto Y., and Nakatsuka M., Amplification in a bismuth-doped silica glass at second telecommunication windows //in Proc. Conference on Lasers & Electro-Optics (CLEO), 2005, CThR6

56. Seo Y-S., Fujimoto Y., and Nakatsuka M., Optical amplification in a bismuth-doped silica glass at 1300 nm telecommunications window // Optics Communication, 2006, 266, 169

57. Ren J., Dong H, Zeng H., Hu X., Zhu C., Qiu J., Ultrabroadband Infrared Luminescence and Optical Amplification in Bismuth-Doped Germanosilicate Glass // Photonics Technology Letters, 2007, 19(18), 1395

58. Ren J., Dong G, Zeng H., Xu Sh., Bao R., Qiu J., Inhomogeneous Broadening, Luminescence Origin and Optical Amplification in Bismuth-Doped Glass // J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 3036

59. Chun J., Modeling a broadband bismuth-doped fiber amplifier // IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, 2009, 15(1), 79

60. Psaila N., Thomson R.R., Bookey H.T., Kar A.K, Fujimoto Y., Nakatsuka M., Chiodo N., Osellame R., Cerullo G., Ultra Broadband Gain from a Bismuth-doped Glass Waveguide Fabricated Using Ultrafast Laser Inscription // in Proc. of CLEO/QELS 2008, JThA47

61. Dianov E.M., Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Umnikov A.A., Yashkov M.V., and Guryanov A.N., Bi-doped silica fiber laser // in Proc. Of OFC/NFOEC 2006, Anaheim, USA, OThJ3

62. Mashinsky V.M., Dianov E.M., Dvoyrin V.V., New results on the efficiency of bismuth fiber lasers // in Proc. Of OFC/NFOEC 2008, San Diego, USA, OThNl

63. Dianov E.M., Shubin A.V., Melkumov M.A., Medvedkov O.I., Bufetov I.A., High-power cw bismuth fiber laser: first results and prospects // in Proc. Of OFC/NFOEC 2007, Anaheim, USA, OMF3

64. Dianov E.M., Shubin A.V., Melkumov M.A., Medvedkov O.I., Bufetov I.A., Bi-doped fiber lasers: New type of high-power radiation sources // in Proc. Of CLEO/QELS 2007, Baltimore, USA, CFI1

65. Yoo S., Kalita M.P., Nilsson J., Sahu J., Excited state absorption measurement in the 900-1250 nm wavelength range for bismuth-doped silicate fibers // Optics letters, 2009, 34(4), 530

66. Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Dianov E.M., Effective Bismuth doped fiber lasers // IEEE J. of Quantum Electronics, 2008, 44, 834

67. Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Dianov E.M., Yb-Bi pulsed fiber laser // Opt. Lett., 2007, 32, 451

68. Dianov E.M., Krylov A.A., Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Kryukov P.G., Okhotnikov O.G., Guina M., Mode-locked Bi-doped fiber laser // J. Opt. Soc. Am. B, 2004, 27, 1807

69. Kivistô S., Puustinen J., Guina M., Okhotnikov O.G., Dianov E.M., Tunable mode-locked bismuth-doped soliton fiber laser // Electron. Lett., 2008, 25(44), 1456

70. Dianov E.M., Bufetov I.A., Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Medvedkov O.I., Yellow frequency-doubled bismuth fiber laser // in Proc. European Conference on Optical Communications, September 24-28, 2006, Cannes, Th2.3.1

71. Rulkov A.B., Ferin A.A., Popov S.V., Taylor J.R., Razdobreev I., Bigot L. and Bouwmans G.s Narrow-line, 1178nm CW bismuth-doped fiber laser with 6.4W output for direct frequency doubling // Optics Express, 2007, 15, 5473

72. Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Dianov E.M., "Yellow" CW Frequency-Doubled Fiber Lasers // 17th International Laser Physics Workshop (LPHYS'08) June 30 July 4, 2008, Trondheim, Norway, Book of abstracts, 523

73. Blodi C.F., Russell S.R., Padilo J.S., and Folk J.C., Direct and feeder vessel photocoagulation of retinal angiograms with die yellow laser // Ophtalmology, 1990, 6, 791

74. Sadick N.S. and Weiss R., The utilization of a new yellow light laser (578 nm) for the treatment of class I red telangiestasia of the lower extremities // J. Dermatol. Surg., 2002, 28, 21

75. Jablonowski D., Fiber manufacture at AT&T with the MCVD process// J. Of Lightwave Technology, 1986, 8(4), 1016

76. ГолантК.М., Николин И.В., Эффект разделения окислов германия и кремния при плазмохимическом осаждении германосиликтаного стекла в сканирующем плазменном столбе // Письма в ЖТФ, 1999, 25(13), 55

77. Pavy D., Moisan M., Saada S., Chollet P., Leprince P., and Marrec J., Fabrication of optical fiber preforms by a new surface-plasma CVD process // in Proceedings of 12th European Conference on Optical Communications, 1986, Barcelona, 19

78. Bufetov I.A., Bubnov M.M., Larionov Y.V., // Laser Physics, 2003,13, 234

79. Буфетов И.А., Дудин В.В., Шубин А.В., Дианов Е.М. и др., Квантовая электроника, 2003, 33(12), 1035

80. Bufetov I.A., Golant К.М., Firstov S.V., Kholodkov A.V., Shubin A.V., and Dianov E.M., Bismuth activated alumosilicate optical fibers fabricated by surface-plasma chemical vapor deposition technology // Applied Optics, 2008, 47(27), 4940

81. Firstov S.V., Bufetov I.A., Khopin V.F., Umnikov A.A., Guryanov A.N., Dianov E.M., Time-Resolved spectroscopy and Optical gain of Silica-Based Fibers Co-Doped with Bi, Al, and/or Ge, P, and Ti // Laser Physics, 2009, 19(4), 894

82. Osanai Н., Shioda Т., Могуаша Т., Araki S., Horiguchi М., Izawa Т., Takata Н., Spectral losses of low OH-content optical fibres // Electronics Letters., 1976, 12, 549

83. Blixt P., Nilsson J.; Carinas Т.; Jaskorzynska В., Concentration-dependent up-conversion in Er3+-doped fiber amplifiers: Experiments and modeling // IEEE Transactions Photonics Technology Letters, 1991, 3, 996

84. Nikonorov N., Przhevuskii A., Prassas M., Jacob D., Experimental determination of the upconversion rate in erbium-doped silicate glasses // Applied Optics, 1999, 38(30), 6284

85. Qiu Y, Shen Y., Investigation on the spectral characteristics of bismuth doped silica fibers // Optical Materials, 2008, 31, 223

86. Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., Bi-doped fiber lasers and amplifiers for a spectral region of 1300-1470 nm // Optics Letters, 2008,33,2227

87. Дианов E.M., Фирстов C.B., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Буфетов И.А., Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1.3 мкм // Квантовая электроника, 2008,38 (7), 615

88. Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., 1.3-1.47 |im Bismuth Fiber Lasers and Amplifiers // in Proceeding of 3rd EPS-QEOD Europhoton conference, 2008, 31th August 5th September, Paris, France, TUoE.l

89. Дианов E.M., Фирстов C.B., Хопин В.Ф., Медведков О.И., Гурьянов А.Н., Буфетов И.А., Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470-1550 нм// Квантовая электроника, 2009,39(4), 299

90. Qiu Y.-Q., Shen Y.-H., Fluorescence Emission Centers and the Corresponding Infrared Fluorescence Saturation in a Bismuth-Doped Silica Fibre // Chin.Phys.Lett., 2008, 25(7), 2527