Суперлюминесцентные источники ИК-излучения на основе висмутовых активных световодов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

005555855

На правах рукописи

Рюмкин Константин Евгеньевич

СУПЕРЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВИСМУТОВЫХ АКТИВНЫХ СВЕТОВОДОВ

01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

17 НОЯ 2014

Москва-2014

005555855

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Научном центре волоконной оптики Российской академии наук

Научный руководитель кандидат физико-математических наук

МЕЛЬКУМОВ Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, заведующий

лабораторией вычислительных систем и прикладных технологий программирования, Научно-исследовательский вычислительный центр МГУ имени М.В.Ломоносова СУЛИМОВ Владимир Борисович

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией нелинейной оптики примесных центров, Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН ИЛЬИЧЕВ Николай Николаевич

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится 22 декабря 2014 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Автореферат разослан /S/fi^c'/yr гг

Ученый секретарь л

диссертационного совета ____Т. Б. Воляк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Суперлюминесцентные волоконные источники (СВИ) находят широкое применение во многих областях науки и техники: в рефлектометрии, телекоммуникациях, медицине, метрологии, в волоконно-оптических гироскопах, датчиковых системах и других устройствах, нуждающихся в сигнале с низкой временной когерентностью при сохранении высокой пространственной. Требования к СВИ обусловлены областью их применения. Так, для работы точных волоконно-оптических гироскопов необходимо, чтобы ширина выходного спектра СВИ превышала 15нм, а выходная мощность составляла не менее 10 мВт при достаточно высоком оптическом КПД. Кроме того, при изменении температуры и других внешних факторов сигнал должен обладать стабильной средневзвешенной длиной волны. Большинству этих характеристик соответствуют суперлюминесцентные волоконные источники, легированные редкоземельными металлами; наиболее распространенными из них являются эрбиевые, иттербиевые, тулиевые и неодимовые.

Разработка волоконных широкополосных источников вблизи 1,3 и 1,4 мкм затруднена отсутствием редкоземельных элементов, имеющих переходы с высоким коэффициентом усиления в данной области. В указанных диапазонах могут использоваться полупроводниковые суперлюминесцентные лазерные диоды, имеющие практически любую длину волны между 0,4 и 2,0 мкм. Однако у них есть свои недостатки: ограниченная выходная мощность, низкая температурная стабильность средневзвешенной длины волны, заметная модуляция спектра излучения, низкий коэффициент преобразования энергии на больших длинах волн, а также остаточная поляризация выходного излучения.

Световоды, легированные висмутом, имеющие довольно широкие полосы лазерных переходов и достаточно высокий КПД, представляются перспективной активной средой для создания СВИ в новых оптических диапазонах. Дополнительным преимуществом является то, что различные матрицы стекла позволяют получать усиление в различных диапазонах длин волн: алюмосиликатная (1,1—1,22 мкм), фосфоросиликатная (1,26-1,37 мкм), германосиликатная (1,34—1,54 мкм), силикогерманатная (1,58-1,78 мкм).

В работе впервые разработаны, созданы и исследованы СВИ на активных световодах, легированных ионами висмута. В области вблизи 1,34 мкм для

создания СВИ использовались фосфоросиликатные световоды, а вблизи 1,44 мкм - германосиликатные световоды, легированные висмутом.

Разработка высокоэффективных СВИ на алюмосиликатных световодах (диапазон 1,1-1,22 мкм), легированных висмутом, в настоящий момент затруднена по причине низкого погонного усиления при довольно высоком уровне непросветляемых потерь. В то время как эффективность висмутовых лазеров на германосиликатных световодах в настоящее время достигает 60% и более, эффективность лазеров на фосфоросиликатных световодах достигает 35%, в алюмосиликатных световодах достигнутая эффективность составляет всего лишь 20%. Различные матрицы демонстрируют не только различные абсолютные значения эффективности при комнатной температуре, но и различный наклон температурной зависимости. Такая разница в эффективностях и влияние температуры может быть вызвано различными факторами, а именно наличием таких процессов, как кооперативное преобразование с повышением частоты, кросс-релаксации, поглощение из возбужденного состояния (ПВС) и другие.

Измерение поглощения из возбужденного состояния позволяет получать информацию о процессах, происходящих в волоконных усилителях или лазерах. Изменение населенности при накачке может привести к просветлению потерь (или даже усилению сигнала), либо к дополнительным потерям при доминировании процессов кооперативного преобразования с повышением частоты или поглощения из возбужденного состояния.

Для того чтобы лучше понять природу ненасыщаемых потерь в световодах, легированных висмутом, в данной работе были проведены исследования ПВС в световодах с различными матрицами стекла сердцевины, а в алюмосиликатных висмутовых волоконных световодах исследования проводились дополнительно для различных концентраций висмутовых активных центров и при различных температурах.

Степень разработанности проблемы

Ранее было опубликовано большое количество работ, в которых наблюдалась широкополосная люминесценция висмутовых ВС, однако до настоящей работы СВИ на таких световодах не были реализованы. На редкоземельных элементах эффективные СВИ вблизи 1,3 и 1,4 мкм не были реализованы. В диапазоне 1,3 мкм сообщалось только об одном низкоэффективном СВИ на основе фторциконатного (гВЬАЫ) волоконного световода, легированного празеодимом [01шЫ У., Капатоп Т., ТакаЬавЫ Б.,

"Pr3+-Doped Superfluorescent Fluoride Fiber Laser," Japanese Journal of Applied Physics, 30(7B), p. L1282 (1991)]. В однопроходной конфигурации выходная мощность СВИ достигла всего 0,166 мВт при мощности накачки 540 мВт. КПД составлял всего 0,031%.

Ввиду тог, что висмут стал рассматриваться в качестве возможного активного элемента волоконных световодов относительно недавно, активные ВС, демонстрирующие усиление, были изготовлены всего в нескольких научных центрах. До настоящего исследования в литературе было всего три работы посвященных исследованию ПВС в алюмосиликатных световодах.

ПВС в алюмосиликатных световодах, легированных ионами висмута, в диапазоне длин волн 900-1250 нм было измерено в работе [M. Kalita, S. Yoo, and J. Sahu, "Bismuth doped fiber laser and study of unsaturable loss and pump induced absorption in laser performance," Optics Express, 16, 21032-21038 (2008)]. Целью этой работы было изучение возможности прямой диодной накачки висмутовых лазеров на длинах волн 915 и 975 нм.

В работе [A.V. Kir'yanov, V.V. Dvoyrin, V.M. Mashinsky, Yu.O. Barmenkov, E.M. Dianov, "Nonsaturable absorption in alumino-silicate bismuth-doped fibers," Journal of Applied Physics, 109, 023113 (2011)] на основании измерений кинетики люминесценции и зависимости пропускания алюмосиликатных световодах, легированных ионами висмута, при изменении мощности сигнала было получено отношение ПВС к поглощению на 1.06 мкм.

Цели и задачи работы

Реализация суперлюминесцентных волоконных источников оптического излучения в областях вблизи 1.44 и 1.34 мкм на основе германо- и фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом.

Изучение факторов, снижающих эффективность устройств на алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, не позволяющих реализовать высокоэффективные СВИ.

Проведение исследования ПВС в висмутовых активных световодах на основе алюмосиликатных, фосфоросиликатных и германосиликатных стекол.

В алюмосиликатных световодах, в которых наблюдается наименьший КПД генерации из рассматриваемых, измерение спектров ПВС в диапазоне 0,9-1,7 мкм при различной концентрации висмутовых активных центров при комнатной температуре и при температуре 77 К.

Научная новизна

Показана возможность реализации СВИ оптического излучения в областях 1.44 и 1.34 мкм на основе германо- и фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом.

Исследовано поглощение из возбужденного состояния в активных световодах с различными матрицами стекла сердцевины, легированных ионами висмута.

Исследована зависимость ПВС в алюмосиликатных световодах от концентрации висмутовых активных центров при различных температурах.

Практическая значимость работы

Созданы суперлюминесцентные источники на активных световодах, легированных ионами висмута, с характеристиками, сопоставимыми с широко распространенными СВИ на редкоземельных элементах, в новых спектральных диапазонах (1.44 и 1.34 мкм).

Созданные СВИ обладают характеристиками, позволяющими использовать их в волоконных оптических гироскопах и других приборах.

Основные положения, выносимые на защиту

На одномодовом германосиликатном световоде, легированном висмутом, создан суперлюминесцентный волоконный источник (СВИ). Средневзвешенная длина волны выходного излучения составляет 1441 нм, ширина спектра на полувысоте 25 нм. Спектр излучения имеет форму, близкую к гауссовой функции. СВИ обладает КПД в 31%, максимальная выходная мощность составляет 83 мВт при накачке 264 мВт.

На одномодовом фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом, создан СВИ. Средневзвешенная длина волны выходного излучения составляет 1336 нм, ширина спектра на полувысоте 26 нм. Форма спектра близка к гауссовой. Выходная мощность составила 48 мВт при суммарной мощности накачки в первом и втором каскаде 600 мВт.

В исследованном диапазоне концентраций висмутовых активных центров (ВАЦ) в германо- и фосфоросиликатных световодах явление поглощения из возбужденного состояния (ПВС) практически не наблюдается в ИК-полосе усиления ВАЦ.

В алюмосиликатных световодах ПВС присутствует в диапазоне длин волн от 750 до 1700 нм, монотонно возрастая от 1700 до 900 нм и частично перекрывая область оптического усиления 1100-1220 нм.

ПВС нелинейно зависит от концентрации ВАЦ. Эту зависимость можно аппроксимировать степенной функцией с показателем 1,5-1,8 в зависимости от длины волны. Степенная зависимость роста ПВС с концентрацией ВАЦ целиком ответственна за снижение уровня on/off усиления и появление затемнения при росте концентрации.

Уровень ПВС снижается при понижении температуры во всех алюмосиликатных световодах с висмутом. Для световодов с низкой концентрацией ВАЦ ПВС на 900 нм при 77 К в два раза ниже, чем при комнатной температуре.

Степепь достоверности и апробация результатов

Результаты работы прошли апробацию на следующих российских имеждународных конференциях: The 17th OptoElectronics and Communications Conf. 2012 (Бусан, Корея), Intl. Conf. on Advanced Laser Technologies 2012 (Тун, Швейцария), The 22nd Annual Intl. Laser Physics Workshop LASPHYS 2013 (Прага, Чехия), ICONO/LAT 2013 (Москва, Россия), Optical Fiber Communication Conference 2014 (Washington, D.C., USA), The 23nd Annual Intl. Laser Physics Workshop LASPHYS 2014 (София, Болгария). Результаты исследований также регулярно докладывались на семинарах НЦВО. На конкурсах научных работ молодых ученых НЦВО РАН в 2013 и 2014 гг. работы получили призовые места.

Публикаиии

Основные результаты опубликованы в 4 статьях в журналах из перечня ВАК и в 6 сборниках трудов всероссийских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Личный вклад диссертанта

Представленные в диссертации результаты оригинальны и получены автором лично. Выбор направления исследования, постановка задач и интерпретация полученных результатов производились совместно с научным руководителем и соавторами статей.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 77 рисунков и 1 таблицу. Список литературы содержит 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе сделан обзор опубликованных данных по теме висмутовых активных световодов. Описаны основные свойства ВАЦ в световодах с различной матрицей сердцевины. Проведен обзор усилителей, непрерывных и импульсных лазеров, созданных на световодах, легированных висмутом.

Во второй главе приведено обоснование актуальности создания висмутовых СВИ, описание основных схем СВИ, проведено сравнение характеристик различных схем, на основе обзора литературы сделан выбор оптимальной конфигурации для создания СВИ на висмутовых активных световодах. Описана методика сборки и проведения измерений характеристик СВИ, описаны основные компоненты.

В данной части работы представлен СВИ на германосиликатном световоде, легированном ионами висмута (Si-ВАЦ). Для создания СВИ на германосиликатном висмутовом световоде использовалась двухпроходная схема со встречной накачкой (Рис. 1). Выбор схемы обусловлен более высоким КПД по сравнению с однопроходными СВИ. В качестве накачки использовался лазерный диод на 1,31 мкм (до 100 мВт) и ВКР-лазер на 1,32 мкм (до 300 мВт). Излучение накачки вводилось в активный световод через спектрально-селективный ответвитель (ССО) 1,31/1,48 мкм, длина активного световода составляла 200 м. На конце световода в качестве отражателя использовалось волоконное кольцевое зеркало (широкополосный разветвитель 50/50 со сваренными выходными каналами) с коэффициентом отражения, близким 100%, в широком спектральном диапазоне (1,3-1,5 мкм). На выходе устройства установлен оптический волоконный изолятор для уменьшения воздействия обратного сигнала.

да

1310 nm

—| Изолятор»- [

Выход

Рис. 1 Схема СВИ.

Спектры и значения мощности выходного сигнала измерялись при разном значении мощности накачки. На Рис. 2 изображены спектры выходного сигнала СВИ от мощности накачки при комнатной температуре. Средневзвешенная длина волны излучения при мощности накачки в 200 мВт составляет 1441 нм, ширина спектра (РШНМ) 25 нм.

2,0-|

1400

------ 83 мВт

---121 мВт

.....167 мВт

---- 190 мВт

------249 мВт

-264 мВт

------275 мВт

1480

1420 1440 1460 Длина волны, нм Рис. 2 Спектры выходного сигнала СВИ от мощности накачки.

На Рис. 3 изображен график зависимости выходной мощности СВИ от мощности накачки. Выходная мощность составляла 83 мВт при мощности накачки в 264 мВт, КПД 31 %. При увеличении мощности накачки до 264 мВт ширина спектра уменьшается до 25 нм, при дальнейшем увеличении источник переходит в режим лазерной генерации. Порог генерации можно увеличить, используя двухкаскадную схему СВИ.

Генерация

Ш S

3 о Я к

X tt

29

28

2

X

27 п а.

£

О

26 С

о

га

X

25 S

а

s

24 Е

50 100 150 200 250 Мощность накачки, мВт

Рис. 3 Графики зависимости мощности (я) и ширины спектра (о) выходного сигнала СВИ

от мощности накачки.

При изменении температуры от -55 до +65°С форма спектра выходного сигнала СВИ меняется слабо, наблюдается сдвиг пика и изменение

интенсивности. При увеличении температуры средневзвешенная длина волны выходного сигнала СВИ монотонно убывает от 1444 до 1440,5 нм, демонстрируя изменение на 3,5 нм в диапазоне температур 120 °С (Рис. 4). Ширина спектра на полувысоте меняется от 24,4 до 26 нм. Температурная стабильность средневзвешенной длины волны составляет 0,27 % во всем температурном диапазоне.

2 1444,0

X

3 1443,5-

X

§ 1443,0-

а

(0 X 1442,5.

S

1 1442,0-

л

X X 1441,5-

ф

3 ф 1441,0-

о

в а 1440,5-

X

а о. 1440,0-

о

Ч

Ч.

/

26,0

25,0

24,0

Температура, С

Рис. 4 Зависимости средневзвешенной длины волны (о) и ширины спектра (я) СВИ от

температуры.

Данные характеристики сравнимы с эффективностью широко распространенных эрбиевых СВИ, но в новом спектральном диапазоне. Спектр излучения имеет форму близкую к гауссовой. СВИ на висмутовом световоде не лишен недостатков, основным из которых является необходимость использования световода большой длины (200 м) из-за низкого коэффициента усиления на единицу длины.

В данной части работы также продемонстрирован СВИ на фосфоросиликатном световоде, легированном ионами висмута (Р-ВАЦ). СВИ состоял из двух каскадов: источника сигнала и усилителя. Первый каскад был построен по двухпроходной схеме со встречной накачкой (Рис. 5, левая верхняя часть). Выбор схемы обусловлен более высоким КПД по сравнению с однопроходными СВИ. В качестве накачки использовался лазерный диод на 1240 нм мощностью до 300 мВт.

Активный световод

Рис. 5 Схема СВИ: ЛД- лазерный диод; ССО - спектральный отвствитель; ИЗО - оптический изолятор; КВЗ - кольцевое волоконное зеркало.

Для достижения более высокой выходной мощности СВИ в схеме использовался дополнительный каскад усиления. Каскад усиления представлял собой 120 м активного висмутового световода, накачиваемого лазерным диодом на 1240 нм.

-4 мВт

---32 мВт

.....63 мВт

-..... 95 мВт

-----128 мВт

......162 мВт

.........-195 мВт

......- 227 мВт

-259 мВт

--- 289 мВт

.....321 мВт

V,------ на входе

й--функция Гаусса

1280

1300

1360

1380

1320 1340 Длина волны,нм

Рис. 6 Спектры выходного сигнала СВИ при различных мощностях накачки.

Спектры выходного сигнала СВИ при различных мощностях накачки второго каскада усиления, а также спектр сигнала на входе в усилитель изображены на Рис. 6. Мощность сигнала из первого каскада составляла 6 мВт при накачке 300 мВт и не менялась во время эксперимента.

50-1

н

т

= 40

Л

н

о

| 30

0

1 20 0}

X

с*

| ю

л т

0

0 50 100 150 200 250 300 350 Мощность накачки второго каскада, мВт Рис. 7 Зависимость мощности выходного сигнала СВИ от мощности накачки.

Мощность выходного сигнала СВИ растет линейно с мощностью накачки второго каскада и достигает 48 мВт при накачке 300 мВт (Рис. 7).

26,8-,

г 26,6-

X

«Г о» 26,4-

£

а> с о 26,2-

я

X 26,0-

а.

1 >ч 25,8-

§

с 25,6-

0

50 100 150 200 250 300 Мощность накачки второго каскада, мВт

3 X

1341 з

х §

ш

1340 ™

1339

о

1338 £

1337 д

350 §

Рис. 8 Графики зависимости ширины (я) и средневзвешенной длины волны (о) выходного спектра СВИ от мощности накачки.

Средневзвешенная длина волны составляет 1336 нм, ширина спектра ~ 26 нм (Рис. 8). При малых мощностях накачки второго каскада в большей части световода инверсная населенность не достигается, и излучение первого каскада частично поглощается активными центрами, в результате чего в спектре на выходе остается длинноволновая часть излучения, т.е. пик излучения смещен вправо относительно входного сигнала. Излучение висмутовых активных центров второго каскада при этом заметно меньше, чем проходящее излучение первого каскада. С увеличением мощности накачки

инверсная населенность достигается вдоль всего световода, и спектр выходного сигнала смещается влево в область максимума усиления висмута.

Таким образом, был продемонстрирован СВИ, работающий в области второго окна прозрачности (1.3 мкм) оптических волоконных световодов на основе кварцевого стекла, эффективность которого сопоставима с эффективностью широко используемых СВИ на редкоземельных элементах. Следует отметить, что это лишь одна из возможных реализаций СВИ на висмутовом фосфоросиликатном световоде; схему можно оптимизировать в соответствии с требованиями к характеристикам выходного сигнала.

В третьей главе приведено обоснование актуальности измерения ПВС в активных световодах, легированных висмутом, приведено описание экспериментальной установки для проведения исследования ПВС, описаны основные компоненты оптической схемы. Представлены результаты исследований ПВС в германосиликатных (ОЯВ), фосфоросиликатных (РБВ) и алюмосиликатных (АБВ) световодах, результаты измерения зависимости ПВС в алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, от концентрации ВАЦ. В качестве меры концентрации ВАЦ использовалось значение поглощения на длине волны максимума ИК полосы, характерной для каждого из рассматриваемых типов. Так, для АБВ световодов Хтах = 1.00 мкм, для вЗВ Хтах ~ 1.4 мкм, для РБВ ?Ч1МХ ~ 1.24 мкм. Световоды обозначаются следующим образом: {тип световода}- щ_тлх ~ (в дБ/м) (например, А8В-2.4).

Рис. 9 Схема экспериментальной установки: СК-источник белого света, АОПФ -акустооптическин перестраиваемый фильтр, Мод - модулятор, Об — объектив, ССО -спектральный ответвнтель, ТПУ — торец с полировкой под углом, ФД - фотодиод.

Для измерения ПВС была собрана специальная установка (Рис. 9). Схема с синхронным детектированием позволяет измерять пропускание световода при наличии в нем излучения накачки. Для каждого световода по отношению слабого сигнала на входе и на выходе определялся спектр оптических потерь (он же поглощение из основного состояния). Он изображен на Рис. 10 и на

последующих графиках линией 1. Затем в световод вводилось излучение накачки, и измерялся спектр оптических потерь световода в присутствии накачки ар(А). Спектр изображен на Рис. 10 и на последующих графиках линией 2.

Длина образца световода выбиралась таким образом, чтобы достигнуть насыщения усиления вдоль всего световода (непоглощенная мощность накачки была значительно выше мощности насыщения). Следует отметить, что достигалась не 100% инверсия, а максимальная при данной длине волны накачки. Длины световодов в разных экспериментах варьировались от 0,5 до 40 м.

Спектры ар(Х) показывают, в каком спектральном диапазоне наблюдается реальное усиление сигнала (net gain > 0 если ар(Я) < 0) , а в каком наблюдается поглощение ар(Л) > 0.

Линией 3 изображен график разности этих спектров ар(Я)-я(Я), который показывает оптические потери, наведенные накачкой. Спектры изменения пропускания под действием накачки характеризуют только переходы активного центра как с возбужденного уровня, так и с основного. Если ар(Я) — а(1) < 0, то в этом диапазоне on/off усиление присутствует.

Длина волны,нм

Рис. 10 Спектры поглощения без накачки (1), при включенной накачке (2) и спектр изменения пропускания (3) световода GSB-2.

На Рис. 10 показаны измеренные спектры поглощения, усиления и изменения пропускания световода GSB-2.0. Схема энергетических уровней ВАЦ в GSB-световодах (Si-ВАЦ) была предложена ранее на основании исследования люминесценции световодов. Переходу между основным и первым возбужденным состоянием ВАЦ в световоде GSB-2.0 со сравнительно низкой концентрацией ВАЦ соответствует максимум GSA (Рис. 10) на длине волны 1400 нм и максимум on/off усиления на той же длине волны.

Положительное усиление наблюдается от 1325 до 1550 нм, максимальное значение 0.8дБ/м. В спектральном диапазоне от 1100 нм до 1700 нм ар(Д)-а(Я) < 0. Из этого можно сделать вывод о том, что ПВС за пределами переходов активного центра отсутствует, а в диапазоне переходов либо отсутствует, либо незначительно.

1000 1200 1400 1600

Длина волны,нм

Рис. 11 Спектры поглощения без накачки (1), при включенной накачке (2) и спектр изменения пропускания (3) световода GSB-17.

При повышении концентрации ВАЦ примерно в 10 раз полосы поглощения и on/off усиления пропорционально увеличиваются (Рис. 11). В диапазоне 950-1200 нм наблюдается ПВС, а полоса положительного усиления (NGmax=5 дБ/м) сужается до 1375-1430 нм. Заметное сужение полосы реального усиления обусловлено более высокими фоновыми потерями в световоде с большей концентрацией, а также, возможно в меньшей степени, появлением ПВС, которое наблюдается в области 950—1200 нм, но может маскироваться основным переходом в области вблизи 1,4 мкм.

Длина волны,нм

Рис. 12 Спектры поглощения без накачки (1), при включенной накачке (2) и спектр изменения пропускания (3) световода РвВ-ОЛ.

На Рис. 12 показаны измеренные спектры оптических потерь фосфоросиликатного световода, легированного висмутом РБВ-ОЛ. Накачка световода осуществлялась на длине волны 1240 нм, также как и во всех экспериментах достигалась предельная инверсия населенностей. На графике видно, что при наличии накачки усиление наблюдается в диапазоне 1260— 1450 нм, максимальное значение Ы0|шх=0.15 дБ/м достигается при Я = 1330 нм.

Значения спектра изменения пропускания под действием накачки во всем диапазоне измерения отрицательны либо равны 0. Из этого можно сделать вывод о том, что ПВС за пределами переходов активного центра отсутствует, а в диапазоне переходов либо отсутствует, либо незначительно.

Поскольку явление ПВС наиболее ярко выражено в АБВ-световодах, легированных висмутом, в эксперименте использовалась целая серия алюмосиликатных волокон с различной концентрацией ВАЦ. В качестве меры концентрации ИК ВАЦ использовалось значение поглощения на длине волны 1,0 мкм. Оно изменялось от а] 0мкм=1.5 до а1,ом..ш=50 дБ/м.

АЗВ-1.5 300 К

аЛащ,—....................

800 1000 1200 1400 1600

Длина волны, нм

Рис. 13 Спектры поглощения световода .\SB-1.5 без накачки (/) и при включенной

накачке (2).

В АЗВ-световодах с низким содержанием ВАЦ усиление наблюдается в диапазоне от 1100нм до 1240 нм с максимальным значением коэффициента усиления 0,3 дБ/м на 1150 нм. При температуре 77 К усиление увеличивается до 0,5 дБ/м. Стоит отметить, что уже при низких концентрациях ВАЦ (которые дают всего 1.5 дБ/м в пике поглощения на 1,0 мкм) в диапазоне 800-1000 нм наблюдается существенное увеличение потерь в присутствии накачки.

АЭВ-1.5 77 К

\\ 2' ..... г |,''••-...........,...-—-••'"'

800 1000 1200 1400 1600

Длина волны,нм

Рис. 14 Спектры поглощения световода А5В-1.5 без накачки (71) и при включенной накачке

(20 (при Т=77 К).

На спектрах изменения потерь под действием накачки (Рис. 15) видно, что затемнение, обусловленное ЛВС, на 800 нм составляет около 2 дБ/м при том, что просветление на 1100нм меньше 1 дБ/м. Таким образом, можно сделать вывод о том, что ПВС может частично перекрывать область усиления и сказываться на эффективности лазеров.

Длина волны, нм

Рис. 15 Спектры изменения пропускания световода А5В-1.5 под действием накачки при комнатной температуре (3) и Т=77 К (Зг).

Увеличение концентрации приводит к росту влияния ПВС и снижению просветления. В спектрах поглощения световода А5В-8.6 при включенной накачке усиление не наблюдается, и потери положительны во всем измеренном диапазоне длин волн. Очевидно, что в таких световодах не может быть получено усиление или генерация. При комнатной температуре в световодах потери немного просветляются (максимально на ~0,5 дБ/м) лишь в диапазоне 1100-1170 нм при накачке на 1058 нм. При 77 К наблюдается не

только просветление, но и нетто усиление. Максимум усиления приходится на 1150 нм и составляет 2 дБ/м.

В световодах с высоким содержанием ВАЦ (поглощение 17дБ/м на 1,0 мкм) усиление не наблюдается во всем диапазоне измерений как при комнатной температуре, так и при 77 К. Кроме этого, при комнатной температуре ПВС доминирует над усилением во всем спектральном диапазоне. Стоит отметить, что в германосиликатном световоде с поглощением в пике 17дБ/м ПВС практически не наблюдалось, а усиление при комнатной температуре составляло 5дБ/м.

Из спектров изменения пропускания под действием накачки исключено влияние серых потерь, они характеризуют только переходы активного центра как из основного уровня, так и с возбужденного; т.е. в них входит изменение пропускания, обусловленное лазерным переходом ВАЦ, а также изменение, обусловленное ПВС. В работе были оценены изменения, обусловленные лазерным переходом ВАЦ. Для того чтобы получить спектры чистого ПВС, из спектров изменения пропускания были вычтены изменения, обусловленные лазерным переходом ВАЦ.

Спектры ПВС монотонно убывают по экспоненциальному закону от 900 нм. Какие-либо характерные пики отсутствуют. Наклон кривых у световодов с различной концентрацией примерно одинаков и незначительно падает с увеличением концентрации. Следует отметить, что спектры ПВС получены для предельной инверсии населенности при данной длине волны накачки (1,06 мкм). Наклон кривых у световодов с различной концентрацией примерно одинаков и незначительно падает с увеличением концентрации.

900 нм

Поглощние на 1,0 мкм, дБ/м

Рис. 16 Зависимости ПВС на различных длинах волн (я - 900 нм, о -1200 нм, А - 1500 нм) от

поглощения ВАЦ.

Взяв значения ПВС на 900, 1200 и 1500 нм для каждого световода из серии и построив их зависимости от концентрации, мы получили графики зависимости ПВС на различных длинах волн от поглощения ВАЦ (Рис. 16). Графики построены в логарифмическом масштабе. Зависимости могут быть хорошо аппроксимированы степенной функцией вида (ЛЬя)', где х зависит от длины волны и составляет 1.5, 1.6 и 1.8 для 900, 1200 и 1500 нм соответственно.

Как было показано выше, при температуре 77 К висмутовые алюмосиликатные световоды просветляются гораздо лучше, чем при комнатной. Данное поведение может быть объяснено ростом ПВС с температурой. Зависимость ПВС на 900 нм от концентрации (поглощения) ВАЦ при комнатной температуре и при 77 К представлена на Рис. 17 в логарифмическом масштабе.

Поглощение на1,0 мкм, дБ/м

Рис. 17 Зависимость ПВС на 900 нм от концентрации (поглощения) ВАЦ при комнатной температуре (я) и при 77 К (о).

Для световодов с низкой концентрацией ВАЦ ПВС на 900 нм при 77 К в два раза ниже, чем при комнатной температуре. Такое поведение ПВС может объяснить существенный наклон зависимости КПД от температуры в лазерах на висмутовых алюмосиликатных световодах.

В заключении работы сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработаны, созданы и исследованы суперлюминесцентные источники излучения (СВИ) на активных висмутовых световодах с различными матрицами стекла сердцевины.

1. На одномодовом геманосиликатном световоде, легированном висмутом, впервые создан СВИ. Средневзвешенная длина волны выходного излучения составила 1441 нм, ширина спектра на полувысоте 25 нм. СВИ обладает КПД в 31%, что сравнимо с КПД эффективных эрбиевых СВИ с накачкой на 980 нм. Выходная мощность составила 83 мВт при накачке 264 мВт. Температурная стабильность средневзвешенной длины волны оказалась на уровне 0,27 % во всем температурном диапазоне. Спектр излучения имел форму, близкую к гауссовой.

2. На одномодовом фосфоросиликатном световоде, легированном висмутом, впервые создан СВИ. Средневзвешенная длина волны выходного излучения составила 1336 нм, ширина спектра на полувысоте 26 нм. Выходная мощность составила 48 мВт при суммарной мощности накачки в первом и втором каскаде 600 мВт. Форма спектра близка к гауссовой, ширина спектра на полувысоте составила 26 нм на максимальной мощности. Впервые был продемонстрирован СВИ, работающий в области 1340 нм, с эффективностью, сопоставимой с широко используемыми СВИ на редкоземельных элементах.

3. Проведено исследование поглощения из возбужденного состояния (ПВС) в висмутовых волоконных световодах различных составов сердцевины в широком спектральном диапазоне. Показано, что в исследованном диапазоне концентраций висмута в германо- и фосфоросиликатных световодах практически не наблюдается явление ПВС в ИК-полосе усиления висмутовых активных центров. В алюмосиликатных световодах поглощение из возбужденного состояния присутствует в диапазоне длин волн от 750 до 1700 нм, монотонно возрастая от 1700 до 900 нм и частично перекрывая область оптического усиления 1100-1220 нм. Кроме того, обнаружено, что ПВС нелинейно зависит от концентрации висмутовых активных центров (ВАЦ). Зависимость ПВС от концентрации ВАЦ может быть аппроксимирована степенной функцией с показателем 1,5-1,8 в зависимости от длины волны. Степенная зависимость роста ПВС с концентрацией ВАЦ целиком ответственна за снижение уровня on/off усиления и появление затемнения при росте концентрации. Уровень ПВС снижается при понижении температуры во всех алюмосиликатных световодах с висмутом. Для световодов с низкой концентрацией ВАЦ ПВС на 900 нм при 77 К в два раза ниже, чем при комнатной температуре. Полученные результаты позволяют утверждать, что ПВС существенно влияет на КПД лазеров и усилителей и является одним из основных механизмов ответственных за снижение КПД при

росте концентрации ВАЦ в алюмосиликатных световодах наряду с ростом фоновых потерь.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи

1. К. Е. Riumkin, М. A. Melkumov, I. A. Bufetov, А. V Shubin, S. V Firstov, V. F. Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Superfluorescent 1.44 |im bismuth-doped fiber source.," Opt. Lett. 37, 4817-4819 (2012).

2. К. E. Riumkin, M. A. Melkumov, I. A. Varfolomeev, A. V. Shubin, I. A. Bufetov, S. V. Firstov, V. F. Khopin, A. A. Umnikov, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Excited-state absorption in various bismuth-doped fibers," Opt. Lett. 39, 2503 (2014).

3. I. Bufetov, M. Melkumov, S. Firstov, K. Riumkin, A. Shubin, V. Khopin, A. Guryanov, and E. Dianov, "Bi-Doped Optical Fibers and Fiber Lasers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 20, 1-15 (2014).

4. К. E. Рюмкин, M. А. Мелькумов, А. В. Шубин, С. В. Фирстов, И. А. Буфетов, В. Ф. Хопин, А. И. Гурьянов, Е. М. Дианов, "Висмутовый суперлюминесцентный волоконный источник на длину волны 1.34 мкм", Квантовая электроника, 44(7), 700-702 (2014).

Доклады на конференциях

5. К. Е. Riumkin, М. A. Melkumov, I. A. Bufetov, А. V. Shubin, S. V. Firstov, V. F. Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Superfluorescent 1.44-цт bismuth-doped fiber source," in Proc. of the 17th Opto-Electronics and Communications Conference (OECC IEEE, 2012), Busan, South Korea, July 2012, pp. 805-806.

6. M. A. Melkumov, К. E. Riumkin, I. A. Bufetov, A. V. Shubin, S. V. Firstov, V. F. Khopin, A. N. Guryanov, and E. M. Dianov, "Broadband Superfluorescent Source Based on Bismuth-Doped Ge02-Si02 Fiber," in Proceedings of the International Conference on Advanced Laser Technologies (ISSN: 2296-312X), Thun, Switzerland, September 2012, p. 75-238-1-PB.

7. K.E. Riumkin, M.A. Melkumov, I.A. Varfolomeev, A.V. Shubin, I.A. Bufetov, S.V. Firstov and E.M. Dianov, "Excited state absorption beyond 1.1 micron in bismuth-doped aluminosilicate fibers," in The International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/The Lasers, Applications, and Technologies conference (ICONO/LAT 2013), Moscow, Russia, June 2013, p. LThC2.

8. M.A. Melkumov, K.E. Riumkin, I.A. Varfolomeev, A.V. Shubin, I.A. Bufetov, S.V. Firstov, V.F. Khopin, A.N. Guryanov, and E.M. Dianov, "Excited state absorption in Bi-doped aluminosilicate fibers with different concentration of active centers," in the 22nd International Laser Physics Workshop (LPHYS'13), Prague, Czech Republic, July 2013, p. 8.5.2.

9. E. M. Dianov, K. E. Riumkin, M. A. Melkumov, and I. A. Bufetov, "Excited State Absorption in Bismuth-doped Fibers with Various Glass Compositions," in Optical Fiber Communication Conference (OSA, 2014), San Francisco, CA, March 2014, p. Tu2D.5.

10. K.E. Riumkin, M.A. Melkumov, A.V. Shubin, S.V. Firstov, I.A. Bufetov, V.F. Khopin, A.N. Guryanov, and E.M. Dianov, "Superfluorescent bismuth-doped fiber source at 1.34 |im," in the 23th International Laser Physics Workshop (LPHYS'14), Sofia, Bulgaria, July 2014, p. 8.3.4

Подписано в печать: 21.10.2014

Объем: 1,0 усл. п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 2032 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Мясницкие Ворота д.1, стр. 3 (485)071-32.771 wwwragUt.ru