Лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне 1300-1550 нм

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.......................................................4
ГЛАВА 1. ОГГШЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЛАЗЕРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ СТЕКОЛ И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..................................13
1.1 Оптические свойства стекол и волоконных световодов, легированных
висмутом..................................................13
1.2 Исследование структуры активных висмутовых центров........24
1.3 Лазеры на волоконных световодах, легированных висмутом....29
1.4 Выводы....................................................33
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАГОТОВОК И ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ....................................34
2.1 Описание технологии изготовления заготовок волоконных световодов
(МСУБиБРСУО)..............................................34
2.2 Измерение спектров поглощения волоконных световодов.......36
2.3 Методика измерения люминесценции заготовок и волоконных световодов в видимом и ИК спектральных диапазонах..............36
2.4 Схема измерения времени жизни ИК люминесценции активных висмутовых центров...........................................38
2.5 Методика измерения спектров оптического усиления волоконных световодов................................................39
2.6 Схема лазеров на основе волоконных световодов, легированных висмутом.....................................................41
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ И ГЕРМАНИЕМ/ТИ ТАНОМ.... 43
3.1 Выбор состава сердцевины активных световодов. Характеристики экспериментальных световодов..............................43
3.2 Спектры поглощения и люминесценции германоалюмо-, алюмо- и ти-таноалюмосиликатных световодов, легированных висмутом.....46
3
3.3 Спектры оптического (on/off) усиления световодов на основе апюмо-силикатного стекла, легированного висмутом.................50
3.4 Спектрально-временные зависимости релаксации ИК люминесценции висмутовых центров в алюмо-, титаноалюмо- и германоалюмосиликат-ных световодах.............................................54
3.5 Процессы передачи возбуждения между висмутовыми центрами в алюмо- и германоалюмосиликатных световодах. Антистоксовая (видимая) люминесценция...........................................59
3.6 Выводы......................................................65
ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФОСФОРОГЕРМАНОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ...........................67
4.1 Экспериментальные образцы и их характеристики...............67
4.2 Спектры поглощения и люминесценции фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом..........................69
4.3 Временные зависимости релаксации ИК люминесценции висмутовых центров в фосфорогерманосиликатных световодах..............78
4.4 Спектры оптического (on/off) усиления фосфорогерманосиликатных световодов, легированных висмутом..........................80
4.5 Выводы......................................................85
ГЛАВА 5. ЛАЗЕРЫ НА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ, ИЗЛУЧАЮЩИЕ В СПЕКТРАЛЬНОМ ДИАПАЗОНЕ 1300-1550 НМ....................................................87
5.1 Лазеры на основе фосфоро-, фосфорогермано- и германосиликатных
световодов, легированных висмутом, генерирующие в спектральном диапазоне длин волн 1280 - 1550 нм......................87
5.2 Волоконные висмутовые лазеры с выходной мощностью более 2 Вт 95
5.3 Выводы.....................................................100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................102
ЛИТЕРАТУРА....................................................104
4
ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы
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 волоконных лазеров на активных центрах (Yb3+, Er3^, Nd3+, Tm3+, Но3+) 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
5
Pr Nd Sm Ho Er Tm Yb
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
Wavelength (jim)
Рис. 1 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].
6
Интерес к таким активным средам, возник лишь в 2005 году, после изготовления методом MCVD 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 ашомосиликатного 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 [91 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, обладаю-
7
щей 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;
8
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 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
9
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- 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