Непрерывные рамановские волоконные лазеры и усилители тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Роль ОПТИЧЕСКИХ УСИЛИТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ.

12. КРАТКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ волоконных УСТРОЙСТВ НА ЭФФЕКТЕ ВЫНУЖДЕННОГО

РАМАНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

2.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

2.2. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

2.3. НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

2.4. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.,.

3. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ НАКАЧКИ ДЛЯ РАМАНОВСКИХ ВОЛОКОННЫХ

ЛАЗЕРОВ И УСИЛИТЕЛЕЙ.

3.1. НЕОДИМОВЫЙ И ИТТЕРБИЕВЫЙ ЛАЗЕРЫ НА СВЕТОВОДАХ С ДВОЙНОЙ ОБОЛОЧКОЙ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

3.2. МОЩНЫЙ НЕОДИМОВЫЙ ОДНОМОДОВЫИ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР.

3.3. ЛАЗЕР НА ФОРСШРИТЕ КАК ИСТОЧНИК НАКАЧКИ ДЛЯ РАМАНОВСКОГО УСИЛИТЕЛЯ.

3.3.1. Экспериментальная установка.

3.3.2. Результаты.

4. РАМАНОВСКИЕ В0ЛОКОШП.1Е ЛАЗЕРЫ.

4.1. ПРОСТАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕПРЕРЫВНОГО МНОГОКАСКАДНОГО РАМАНОВСКОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА.

4.1. ]. Предварительные замечания.

4.1.2. Выбор модели.

4.1.3. Обсуждение результатов.

4.2. ПЕРВАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ОДНО- и ДВУХКАСКАДНЫХ РАМАНОВСКИИ ВОЛОКОННЫХ ЛАЗЕРОВ НА ФОСФОРОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДАХ (НАКАЧКА ИЗЛУЧЕНИЕМ N 0 : УАО-ЛАЗЕРА).

4.2.1. Постановка задачи.

4.2.2. Экспериментальные результаты.

4.3. непрерьшный высокоэффективный 1.24-мкм РАМАНОВСКИИ ЛАЗЕР НА фосфоросиликатнпм партпнотт.,„.,..,.

4.5.1. Обзор литературы.

4.5.2. Экспериментальные результаты.

4.5.3. Выводы.

5. РАМАНОВСКИЕ ВОЛОКОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ.

5.1. РАМАНОВСКИЙ волоконный УСИЛИТЕЛЬ НА ДЛИНУ волны 13 мкм.

5.1.1. Романовский волоконный усилитель с накачкой романовским лазером на фосфоросшикатном световоде (+Ш: УА0-лазер),.

5.1.2. Рамановский волоконный усилитель с накачкой романовским лазером на фосфоросиликатном световоде (+еолоконныйЯй-лазер).

5.2. РАМАНОВСКИЕ УСЮШТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ГЕРМАНИЯ И СТАНДАРТНЫХ СВЕТОВОДОВ.

5.2.1. Экспериментальная установка и методы измерений.

5.2.2. Результаты измерений.

1.1. Роль оптических усилителей в системах связи.

Развитае техники оптической связи привело в настоящее время к созданию волоконных линий, использующих технологии спектрального уплотнения каналов. Учитывая, что по каждому каналу уже реализована передача информации со скоростью около 10 Гбит/с и возможно ее увеличение до 100 Гбит/с, то при использовании в одном световоде, например, 100 каналов уже вполне реально говорить о передаче те-рабитных объемов информации.

И здесь возникает вопрос о создании усилителей сигналов, способных работать в таких условиях, поскольку электронные системы не обеспечивают нужной производительности.

До создания оптических усилителей линии связи обычно состояли из передатчика, приемника и ряда отрезков волоконных световодов между ними, каждый длиной несколько десятков километров. Между отрезками световодов размещались опто-элекгронные регенераторы. Эти регенераторы компенсировали затухание сигнала и его искажение путем приема (т.е. преобразования в электронную форму) сигнала, электронной коррекции и усиления, и затем преобразования его опять в оптический сигнал и передачи в следующий отрезок световода.

Оптические усилители, используя явление вынужденного излучения, усиливают передаваемый сигнал без его преобразования в электронную форму, и сигнал все время остается оптическим. Будучи использованы для усиления сигналов в волоконных линиях связи, они в сочетании с оптическими компенсаторами дисперсии увеличивают максимальное расстояние между электронными терминалами и достижимую скорость передачи информации. Причем оптические усилители поддерживают сигналы независимо от их модуляционного формата. Кроме того, оптические усилители поддерживают формат спектрального уплотнения каналов (Wavelengh Division Multiplexing - WDM), в котором сигналы различных длин волн передаются по одному световоду одновременно.

Широко используемые в настоящее время эрбиевые волоконные усилители обладают всеми необходимыми свойствами, кроме одного: их полоса усиления ограничена диапазоном приблизительно 1520+1620 нм. И это ограничение связано со свойствами ионов эрбия: ширина полосы усиления ионов ЕгЛ* принципиально ограничивает дальнейший рост скорости передачи информации.

6— в то же время полоса пропускания используемых в настоящее время кварцевых световодов значительно шире, и если ограничиться уровнем потерь 0.4 дБ/км, то в современных световодах можно использовать полосу частот от 12 до 1.7 мкм. Это позволит в несколько раз превысить предельно достижимые скорости передачи информации для линий на эрбиевых усилителях. Необходимо только иметь оптический усилитель (или усилители), способный работать на любой длине волны из указанного диапазона.

Существует ряд волоконньк усилителей на ионах редкоземельных металлов — возможныж кандидатов на роль усилителей в том или ином участке данного диапазона. Но они, основываясь на усилении за счет вынужденного излучения определенных ионов, могут обеспечивать усиление только в определенных узких участках спектра. Кроме того, все такие усилители кроме эрбиевых содержат редкоземельные ионы в матрице, отличной от плавленого кварца, что резко ограничивает возможности их использования. Полупроводниковые оптические усилители также имеют ряд существенных недостатков (см. стр.9).

Наиболее подходящим усилителем для всей области прозрачности световодов на силикатной основе является волоконный усилитель на эффекте вынужденного рама-новского рассеяния (вынужденного комбинационного рассеяния). Его несомненными преимуществами являются:

• возможность усиления сигнала на любой заданной длине волны при наличии необходимого излучения накачки;

• усилители базируются на световодах с силикатной основой;

• спектр усиления отдельного романовского усилителя может быть сформирован выбором спектра накачки;

• в качестве усилительньк могут использоваться как специальные световоды, так и стандартные связные, даже уже находящиеся в кабелях.

К недостаткам же следует отнести только необходимость иметь достаточно мощный источник одномодового излучения определенной длины волны в качестве накачки.

По-видимому, отсутствие таких источников накачки в значительной степени тормозило развитае рамановских усилителей и результатом этого явился тот факт, что первые волоконные рамановские усилители, пригодные для использования в волоконных системах связи, появились одновременно с каскадными волоконными ра-мановскими лазерами, которые играли роль источников накачки. 7 —

В значительной степени возможности рамановских усилителей определяются а) используемыми источниками накачки и б) характеристиками световодов, используемых в качестве активной рамановской среды.

6, зАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование и совершенствование непрерывных волоконных рамановских лазеров и усилителей представляет собой научное направление, которое в последние годы активно развивается в связи с возрастающими потребностями телекоммуникационных сетей.

Результаты настоящей работы являются новым крупным достижением в развитии данного научного направления.

QgHffpHbie резудьтлтлл И РЛврды диссертации:

1. Впервые созданы непрерывные эффективные волоконные рамановские лазеры на фосфоросиликатных световодах со сдвигом частоты 1330 см"' в каждом каскаде, что примерно в 3 раза превышает величину сдвига частоты в лазерах на германосиликатных световодах, созданных ранее. Достигнута рекордная эффективность преобразования 1.06 мкм 124 мкм в однокаскадном рамановском волоконном лазере на фосфоросиликатном световоде — квантовый кпд 80% при выходной мощности 2.4 Вт.

2. Предложена простая аналитическая модель многокаскадного рамановского лазера, позволяющая оценивать влияние различных параметров, включая число каскадов, на кпд лазера. Сформулированы 1фитерии качества для волоконных световодов, используемых как активные среды в резонаторах многокаскадного рамановского лазера.

3. Предложена и впервые реализована оптическая схема многокаскадного ра-мановского лазера на фосфоросиликатном световоде с существенно различной величиной сдвига частоты в различных каскадах. В лазере используется усиление как в полосе частот рамановского рассеяния, связанного с присутствием пятиоки-си фосфора в световоде (сдвиг частоты «1330 см''), так и усиление в полосе частот, связанной, главным образом, с составляющей основу световода двуокисью кремния (широкая полоса с максимумом «490 см''). Рамановский лазер данного типа с накачкой от иттербиевого волоконного лазера позволяет получить излучение с любой заданной длиной волны в диапазоне 1.1 л 1.6 мкм, используя не более трех каскадов.

На основе данной схемы создан эффективный трехкаскадный рамановский волоконный лазер, генерирующий на длине волны 1407 мкм, использующий один каскад со сдвигом частоты 1330 см'' и два — со сдвигом 490 см''. Дифференциальный кпд преобразования 1.06 мкм => 1.407 мкм составил 35%. Лазер перспективен для накачки рамановских волоконных усилителей, работающих в интенсивно разрабатываемой в настоящее время новой спектральной области для передачи информации —1.48-1-1.52 мкм (так называемая 8-область).

4. Создан ряд современных конструкций рамановских усилителей на световодах с высокой концентрацией двуокиси германия в сердцевине (л 14 моль %) с накачкой по схеме: многомодовые лазерные диоды волоконный лазер на редкоземельных ионах рамановский лазер на фосфоросиликатных световодах рамановский усилитель. В таких условиях получена рекордная (для своего време

66— ни) эффективность использования накачки в рамановских усилителях (до 46 дБ/Вт).

5. Предложен и реализован новый способ для оперативното измерения коэффициента рамановского усиления световода, основанный на сравнении уровней усиленного спонтанного рамановского рассеяния в световоде при различных мощностях накачки.

Впервые в одинаковых экспериментальных условиях на различных длинах волн (1.3 и 1.5 мкм) измерены параметры рамановского усиления волоконных световодов различного типа, используемых в рамановских волоконных усилителях.

В заключение хочу поблагодарить почетного директора Института общей физики РАН академика А.М. Прохорова за постоянный интерес и внимание к работе.

Автор выражает свою глубокую благодарность директору Научного центра волоконной оптики при ИОФ РАН академику Е.М. Дианову за предложенную тематику исследований, помощь в определении научных приоритетов и поддержку, без которой рещение многих возникавщих проблем было бы невозможно.

Автор выражает искреннюю признательность своим коллегам М.М. Бубнову, М.В.Грекову, A.B. Шубину, CA. Васильеву, О.И. Медведкову, СЛ. Семенову,

A. A. Фролову за плодотворное сотрудничество.

Выполнение данной работы было бы невозможно без всесторонней поддержки со стороны ИХВВ РАН. Автор глубоко признателен академику Г.Г. Девятых за постоянное внимание, руководителю лаборатории ИХВВ РАН члену-корреспонденту РАН А.Н. Гурьянову, сотрудникам ИХВВ РАН В.Ф Хопину, М.В. Яшкову, H.H. Вечканову, А.Ю. Лаптеву, Д.Д. Гусовскому, СВ. Кобисю за консультации и неоценимую помощь в изготовлении световодов.

Автор благодарен сотрудникам НЦВО В.Б. Неуструеву, K.M. Голанту,

B. М. Машинскому, A.C. Куркову, В.Г. Плотниченко, М.И. Беловолову, A.B. Белову, А.К. Сенаторову, В.М. Парамонову, а также многим другим за полезные дискуссии и помощь в работе. 7

1.V.Raman, K.S. Kjishnan, "A new type of "Secondary radiation"". Nature, vol. 121, p.501 (1928).

2. G.S.Landsberg, L.LMandelstam, "Eine neue Erscheinungen bei der Lichtzerstreuung in Kristallen," Naturwisscnschaflcn, vol. 16, p.557 (1928).

3. N. Bloembergen. "The stimulated Raman effect." American Journal of Physics, vol.35, p. 989 (1967).

4. E. M Dianov. "Raman fiber amplifiers", b: "Advances in Fiber Optics", Proc. SPIE, vol.4083, p.90 (2000).5E.P.Ippen. 'Xow-powerquasi-cw Raman oscillator". AppLPhys. Lett., vol. 16,p.303 (1970).

5. R.H.Stolen, E.P.Ippen, A.R.iynes. "Raman oscillation in glass optical waveguide". Appl. Phys. Lett., vol.20, p.62 (1972).

6. T. Miya, Y. Terunuma, T. Hosaka, T. Miyoshita. "An ultimate low loss single mode fiber at 1.55 pm" Electron. Lett., vol. 15, p. 106 (1979).

7. R.H.Stolen and E.P.Ippen. "Raman gain in glass optical waveguides." Appl. Phys. Lett., vol. 22, p. 276 (1973).

8. RH.Stolen. "Nonlinear properties of optical fibers". In: "Optical fiber communications", S.E.Miller and A.G.Chynoweth, eds, (Academic Press, N.Y.), p.l25 (1979).

9. J, AuYeung, A. Yariv. "Spontaneous and stimulated Raman scattering in long low loss fibers", IEEE J. of Quantum Electron., vol. QE-14, p.347 (1988).

10. J. AuYeung, A. Yariv. "Theory of cw Ranran oscillation in optical fibers". J. Opt. Soc. Am., vol. 69, p.803(1979).

11. F.L.Galeener, J.CMikkelsen, Geils, and W.J.Mosby. "Tlie relative Raman cross sections of vitreous Si02, Ge02, B2O3, and P2O5". Appl. Phys. Lett., vol. 32, p.34 (1978).

12. V.V.Grigoryants, B.L.Davydov, M.E.Zhabotinski, V.F.Zolin, GAIvanov, V.LSmimov, Yu.K.Chamorovski. "Spectra of simulated Raman scattering in silica-fibre waveguides". Optical and Quantum Electron., vol. 9, p.351 (1977).

13. RLMears, LReekie, LMJauncey, D.N.Payne. "Low-noise erbium-doped fibre amplifier operating at 1.54 рш". Electron. Lett., vol. 23, p.1026 (1987).

14. Y.R.Shen, N.Blombergen. "Theory °f Stimulated Brillourn and Raman Scattering". Physical Review, vol.137, Р.А1787 (1965).

15. D.R.Dykaar, SG.Gmbb, J.Simpson, T.Strasser, A. Vengsarkar, J. M. Borick, W.Y.Cheung, S.B.Darack. "2.5 Gbit/s Raman Amplifier at 13 mm in Gemianosilicate Fibers". OFC'95, San Diego, CA, Feb26-March3,PDI(1995).

16. Cbmis D.J.DiGiovanni, T.A.Stasser, A.Hale, CHeadley, A.J.Stentz, R.Pedrazzani, D.Tipton, S.G.Kosinski, D.L.Brownlow, K.W.Quoi, K.S.Kranz, R.G.Huff, R.Espindola, J.D.LeGrange and

17. G. Jacobovitz-Veselka "Ulftahigh-power single-mode fiber lasers from 1.065 to 1.472 jjm using Yb-doped dadding-pumped and cascaded Raman lasers". CLEO'97, CPD-31 (1997).

18. S.V.Chemikov, J.R.Taylor,N.S.Platonov, V.P.Gapontsev, F.Kuppers, A.Mattheus, LGabitov. "High-power, compact, high-efficiency, fiber laser source around 1.24j4« for pumping Raman amplifiers". OFC"97, Technical Digest, p.345 (1997).

19. Е.М.Дианов, А.М.Прохоров. "Рамановский волоконный лазер (варианты) и волоконные брэггов-ские решетки". Патент РФ № 2095902, приоритет от 10 ноября 1997.

20. S.V.Chemikov, D.V.Gapontsev, S.A.E.Lewis, J.R.Taylor. "Broadband silica fibre Raman amplifiers at 13 Jim and 15 pm". ECOC'98,20-24 September 1998, Madrid, Spain, Volume 1, Regular and invited Papers, p.49 (1998).

21. Е.М.Дианое, А.В.Белов, ИЛ.Буфетов, В.Н. 11ротопопов, А.Н.Гурьянов, Д.Д.Гусовстй, С.В.Кобись. "Мощный неодимовый одномодовый волоконный лазер". Квантовая электроника, том 24, С.З (1997).

22. Е.М.Дштов, ИЛ.Буфетов, М.В.Греков, А-М-Прохоровю. "Непрерывный лазер на C/*:MgA04 с накачкой излучением неодимового волоконного лазера". Квантовая электроника, том 24,с. 771 (1997).

23. E.M.Dianov, Ы. Bufetov, V.lKarpov,М. V. Grekov^^. Prokhorov, V.F. Kamalov,

24. E. V. Slobodch ikov. "Ndfiber laser-pumped C/ *: Forster Ue las erfor 1.3-fim Ram an fiber amplifier pumping". OFC97Tech. Digest, v. 6,p 163 (1997).

25. E.Snitzer, H.Po, F.Hakimi, R.Tuinminelli, B.C.McCoiium. "Double-c!ad, offset core Nd fiber laser", Proc. Conf Optical Fiber Sensors, Postdeadline paper PD5 (1998).

26. V.P.Gapontsev, LE. Samartsev, A.A. Zayats, R.R. Lotyan. "Laser-diode pumped Yb-doped single mode tunable fibre lasers", Conf Adv. Solid State Lasers, Hilton Head, NC, Paper WCl-1, p.214 (1991).

27. V.Dominic, S. MacComiack, R. Waarts, S.Sanders, S. Bicknese, R. Dohle, E. Wolak, P.S. Yeh, E. Zucker. "11OW fibre laseiA'. Electron. Lett., vol.35, p. 1158 (1999).

28. A.S.Kurkov, OXMedvedkov, V.I.Karpov, S.A.Vasiliev, O.A.Lexin, E.M.Dianov, A.N.Gur'yanov, A.A.Laptev, A.Umnikov, N.LVechkanov. "Photosensitive Yb-doped double-clad fiber for fiber lasers", OFC'99, San Diego, Paper WM4, February 24, p.205 (1999).

29. J.Kirchhof S.Unger, Reichel V., A.Schvrachov. "Background loss and devitrification in Nd-doped fiber laser glass". OFC'96 Technical Digest, p. 60 (1996).

30. E.M.Dianov, V.I Karpov, M.V.Grekov, S.A.Vasiliev, O.LMedvedkov. "13 лп Raman Fiber Amplifier pumped by Chromium-Doped Forsterite Laser", Electron. Lett., vol.32, p.l481 (1996).

31. W.A.Reed, W.C.Coughran, S.G.Grubb. "Numerical modelling of cascaded cw Raman fiber amplifiers and lasers". Proc. Top. Meet. OFC'95, p.l07 (1995).

32. G.Vareille, O.Audouin, EDesurvire. "Numerical optimisation of power conversion efficiency in 1480 nm multi-Stokes Raman fibre lasers". Electronics Letts., vol. 34, p.675 (1998).

33. E.M.Dianov,M.V.Grekov,lA.Bufetov,SjLVasUiev, OJMedvedkov, V.G.Plotnichmko,

34. V. V. Koltashev, A. V. Belov, M.M. Bubnov, S. L.Semjonov, A. M.Prokhorov. " CW High-Power 1.24fjut and 1.48 fan Raman Lasers Based On Low-Loss Ph osph os Uicate Fiber. " Electronics Lett, vol 33, p. 1542 (1997).

35. Звелто. "Принципы лазеров." Москва, Мир, 1990.

36. V.G.Plotnicheuko, V. V.Koltashev, AM.Prokchorov. "PhosphosUicatefiber: simplelUgh-power cw 1.24 and 1.48pm Raman lasers", CLEO'98,paper CWE2, San Francisco, CaL,p. 225 (1998).

37. Г.Агравал. Нелинейная волоконная оптика. М., Мир, 1996, с. 323.53E.M.Dittnov,M.V.Grekov,IA.Bufet0v, V.M.Mashtnsky, O.D.Sazhin,A.M.Prokhorov "Highly efficient 1.3 mkm Raman fiber amp Ufkr ", Electronics Letters, V0L34, p. 669 (1998).

38. E.M.D ian ov, lA. Bufetov, M. M. Biibn ov, SA. Vasiliev, O. IMedvedkov, " Th ree-cascaded 1407-nm Raman laser based on phosphorus-doped silicafiber ". Optics Letters, vol 25, p. 402 (2000).

39. E.M.Dianov, I.A.Bufetov, M.M.Bubnov, M. V.Grekov, SA. Vasiliev, O.LMedvedkov. "New generation of Ramanfiber lasers based on phosphosilieatefibers ". Tech. Digest on CLEO-Europe-2000 (Nice, France) p. 157(2000).

40. Raman Kashyap. "Self-propelled self-focusing damage in optical fibers." Proc. Internal Conf Lasers'87, Lake Tahoe, Nevada, Deo. 7-11, 1987, p. 859 (1987).

41. D.P. Hand, P.St.J. Russell. "Solitary thermal shock waves and optical damage in optical fibers; the fiber fuse." Optics Letters, vol.13, p. 767 (1988).

42. E.M.Dianov, V.M.Mashinslq', V.A.Myzina, Y.S.Sidorin, A.M. Strehsov, A.V.Chickolini. "Change of refi^rtive index profile in the process of laser-induced fibre damage." Sov. Lightwave Commun., vol. 2, p.293(1992).

43. D.D. Davis, S.C. Mettler, D.J. DiGiovanni. "A comparative evaluation of fiber fiise models." SPIE vol. 2966, p.592 (1997).

44. Ю.П. Райзер. "Лазерная искра и распространение разрядов." Москва, "Наука", 308 с, 1974

45. Н.Е. Каск. "Физические процессы при импульсном лазерном нагреве стекла." МГУ, НИИ ЯФ, Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Москва, 1985.

46. И.А.Буфегов. "Газодинамика распространения оптического разряда по лазерному лучу в режиме медленного горения." Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. ФИАН им. П.Н Лебедева, Москва, 1983.

47. A.S. Biriukov, Е.М. Dianov. "Thermal effect of stimulated Raman scattering in silica optical fibers." Proceedings of SPIE, vol. 4083, p. 81 (2000).

48. R.HStolen. "Fiber Raman Lasers". Fiber and Integrated Optics, vol.3, p21 (1980).

49. E.Desurvire. "Erbium-doped fiber amplifiers: principles and applications", John Wiley&Sons, Inc., 1994.

50. E.M.Dianov, IA.Bufetov, M.M.Bubnav, V.B.Neustruev, SA. Vasiliev, V.MMashinsky, O.I.Medvedkov, S. L. SemJonov, A. KSh ubin, V. M. Paramonov, M. V. Grekov. "ISOO nm distributed and discrete Ramanfiber amplifier", Proc. 2л ECOC-2000,vol 2,p. 81 (2000).

51. V. L.da Silva, and J. R.Simpson."Con)parision of Raman efficiencies in optical fibers". In: OFC'94 Technical Digest, (Optical Society of America, Washington, D.C.), p. 136 (1994).