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