Содержание к диссертации
Глава I. Механизмы оптических потерь в волоконных световодах в ближней ИК области
0.7 - 1.8 мкм (обзор литературы).
§1.1. Рэлеевское рассеяние 10
§1.2. Электронное поглощение 15
§1.3. Фононное поглощение 20
§1,4. Механизмы избыточшлх потерь 23
Глава II. Исследование величины рэлссвского рассеяния в высоколегированных одномодовых световодах.
§2.1. Методы измерения рэлеевского рассеяния 26
§2.2. Измерение коэффициентов рэлеевского рассеяния при помощи метода
обратного рассеяния 29
§2.3. Зависимость коэффициентов рэлеевского рассеяния от концентрации
легирующей добавки и температуры вытяжки световода 33
§2.4. Приложение. Пересчет усредненных по ППП коэффициентов рэлеевского рассеяния в коэффициенты для равномерно легированного стекла
2.4.1 Линейная зависимость коэффициента рэлеевского рассеяния от
концентрации легирующей добавки , 39
2.4.2 Ступенчатый профиль показателя преломления 42
Глава III. Исследование пространственного распределения оптических потерь по одноходовых в ближней ИК области спектра световодов.
§3.1. Постановка проблемы. Существующие методы 45
§3.2. Модификация метода измерения дифференциальных модовых потерь, для случая маломодовых световодов
3.2.1. Используемые обозначения 47
3.2.2. Описание методики , 49
§3.3. Результаты измерения дифференциальных модовых потерь в высоколегированных световодах 53
§3.4. Величина оптических потерь в сердцевине световода и на границе сердцевина-оболочка 60
§3.5. Спектральная зависимость избыточных оптических потерь, возникающих в
области центрального провала D ППП и на границе сердцевина-оболочка 62
Глава IV. Исследование угловой зависимости интенсивности света рассеянного в одномодовых световодах.
§4.1. Краткий обзор существующих методов 68
§4.2. Исследование угловой зависимости интенсивности света рассеянного под
малыми углами к оси световода 71
§4.3. Установка для измерения углового распределения интенсивности рассеянного света в широком диапазоне углов
§4.4. Результаты измерения интенсивности рассеянного света в широком диапазоне
углов , 82
§4.4. Приложение к параграфу 4.3 88
Глава V. Избыточные потери в высоколегированных германо- и фосфоро-силикатпых световодах (обсуждение результатов).
§5.1. Причины возникновения избыточных оптических потерь
5.1Л. Природа избыточных потерь 93
5.1.2. Механизм появления иеоднородностеи, приводящих к появлению избыточных потерь 95
§5.2. Снижение избыточных оптических потерь путем оптимизации ППП (сравнение VAD и MCVD технологии) 99
§5.3. Избыточные оптические потери в многомодовых и одномодовых высоколегированных световодах 105
Заключение 115
Список литературы 117
Введение к работе
Развитие волоконной оптики в первую очередь связано с бурным развитием волоконно-оптической связи в течении последних 20 - 30 лет. В то же время, волоконные световоды оказались не только прекрасной передающей средой, характеризующейся очень низкими оптическими потерями и широкой полосой пропускания, но и перспективным нелинейным элементом для ряда приложений, часто напрямую не связанных с оптическими системами передачи информации. Вследствие этого, большое внимание уделяется высоколегированным одномодовым волоконным световодам. Малый размер поля моды, практически неограниченная длина взаимодействия и простота соединения со стандартными одномодовыми световодами делают такие световоды идеальным нелинейным элементом для самых разнообразных приложений.
Световоды с повышенной (по сравнению со стандартными световодами) концентрацией оксида германия широко используются в рамаиовских лазерах и усилителях [1, 2], параметрических усилителях [3], при нелинейном переключении импульсов [4], генерации суперконтинуума [3, 5] и во многих других устройствах [5-9]. Световоды, легированные до высоких концентраций оксида фосфора нашли применение в рамановских конвертерах. Стекло, легированное оксидом фосфора, обладает значительно большей величиной рамановского сдвига (1330 см") по сравнению с германосиликатным стеклом (440 см" ). Это позволяет значительно уменьшить количество каскадов в рамановских конверторах при получении больших величин рамановских сдвигов [10, 11].
Эффективность нелинейных эффектов, как известно, определяется плотностью световой мощности, сосредоточенной в сердцевине световода, которая увеличивается при уменьшении размера поля моды. Для достижения малого размера поля моды (и, следовательно, высокой плотности мощности) необходимо иметь большую разницу показателей преломления An сердцевины и оболочки световода, что обусловливает интерес к созданию технологии световодов с возможно большим содержанием легирующей добавки в сердцевине.
Величина Дп растет практически линейно с увеличением концентрации GeC 2 в сердцевине. При концентрации 30 мол.% Ge02 она составляет 0.043. Увеличение концентрации от 3 мол.% (соответствующей стандартным одномодовым световодам для линий связи) до 30 мол.% GeC 2 приводит к увеличению нелинейности световода более чем на порядок. В то же время, с увеличением концентрации оксида германия в сердцевине резко возрастают полные оптические потери, что существенно снижает эффективность устройств, в которых используются такие световоды. Так в световодах, изготовленных методом MCVD, оптические потери на длине волны 1.55 мкм до недавнего времени превышали 2-5 дБ/км при концентрации оксида германия 30 мол.% [12-14]. В световодах, легированных оксидом фосфора ситуация оказалась аналогичной, и отличается только тем, что резкий рост оптических потерь начинается уже при концентрациях 15 мол.% Р20з (Ап=0.013), где оптические потери превышают 3 дБ/км на длине волны 1.24 мкм [15, 16].
Уровень оптических потерь в высоколегированных световодах, изготовленных MCVD методом, значительно превышает теоретические оценки оптических потерь за счет фундаментальных механизмов: 0.5 дБ/км на длине волны 1.55 мкм для световодов, содержащих 30 мол.% оксида германия и 0.3-0.4 дБ/км на длине волны 1.24 мкм для световодов, содержащих 10-15 мол.%» оксида фосфора. Необходимо отметить, что современный уровень очистки исходных веществ и используемые в настоящее время технологии изготовления световодов MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) [17], OVD (Outer Vapor Deposition) [18], VAD (Vapor Axial Deposition) [19] и PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) [20] позволяют полностью избавиться от всех нежелательных примесей в световоде, имеющих полосы поглощения на данных длинах волн. Таким образом, наблюдающийся высокий уровень оптических потерь обусловлен, по всей видимости, либо собственными свойствами высоколегированного кварцевого стекла, либо особенностями процесса изготовления световодов. Актуальным представляется исследование природы механизмов, обуславливающих столь высокий уровень оптических потерь, а так же поиск методов, позволяющих понизить величину оптических потерь в высоколегированных световодах.
Цель работы
Целью настоящей работы является изучение механизмов оптических потерь в высоколегированных одномодовых световодах, изготовленных MCVD методом, и поиск методов снижения полных оптических потерь в таких световодах.
Для достижения заявленной цели были поставлены следующие ЗАДАЧИ.
1. Определение вклада фундаментальных механизмов в оптические потери в высоколегированных одномодовых световодах.
2. Исследование механизмов оптических потерь, отличных от фундаментальных и приводящих к заметному росту оптических потерь в ближней ИК области спектра (1 - 1.6 мкм). Определение вклада таких механизмов в полные оптические потери.
3. Исследование влияния различных технологических факторов на величину оптических потерь в высоколегированных световодах.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе представлен обзор литературы, посвященной исследованию различных механизмов оптических потерь в волоконных световодах с высоким содержанием оксида германия либо оксида фосфора. Рассмотрены фундаментальные механизмы оптических потерь: рэлеевское рассеяние, УФ и ИК поглощение,- а так же показан современный уровень понимания природы избыточных оптических потерь.
Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию величины рэлеевского рассеяния в высоколегированных германосиликатных и фосфоросиликатных одномодовых световодах.
В третьей главе представлены результаты исследований пространственного распределения оптических потерь по сечению световодов. Описана модифицированная методика измерения дифференциальных модовых потерь, позволяющая определять оптические потери отдельных мод в маломодовом режиме. На основе полученных данных определены области повышенных оптических потерь в поперечном сечении высоколегированных одномодовых световодов. .
Четвертая глава посвящена исследованию механизмов оптических потерь обусловленных рассеянием света, отличного от рэлеевского, в высоколегированных одномодовых световодах. На основе оригинальной установки проведены измерения индикатрисы рассеяния и определен вклад в полные оптические потерн потерь на рассеяние света.
Пятая глава посвящена анализу полученных результатов. Обсуждаются механизмы появления избыточных оптических потерь. Предложены пути снижения оптических потерь в высоколегированных световодах, изготовленных при помощи MCVD технологии. Обсуждаются причины различия величины оптических потерь в одномодовых и многомодовых световодах.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. Научная новизна
Впервые проведены прямые измерения величины коэффициента рэлеевского рассеяния в высоколегированных германосиликатных її фосфоросиликатных одномодовых световодах.
Показано, что в высоколегированных световодах, одномодовых в ближней ИК области, источники избыточных оптических потерь локализованы в области границы сердцевина-оболочка и в области центрального провала профиля показателя преломления (ППП).
Установлено, что избыточные оптические потери в высоколегированных световодах целиком обусловлены отличным от рэлеевского аномальным рассеянием, возникающим на границе сердцевина-оболочка и в области центрального провала ППП. Впервые экспериментально определена спектральная зависимость избыточных оптических потерь обусловленных аномальным рассеянием.
Практическая ценность
Модифицирован метод измерения дифференциальных модовых потерь и впервые предложена методика, позволяющая оценивать распределение оптических потерь по сечению маломодового световода.
Разработана оригинальная установка, позволяющая измерять индикатрису рассеяния в широком диапазоне углов при относительно небольшой введенной мощности зондирующего излучения.
Модификация технологии изготовления высоколегированных световодов позволила изготовить образцы световодов, обладающих рекордно низким для MCVD метода уровнем оптических потерь. Предложены дальнейшие пути уменьшения оптических потерь в высоколегированных световодах, изготовленных методом MCVD. Лпробацші работы
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Европейской конференции по оптической связи (European Conference on Optical Communications) в 2003 и 2004 годах, атак же на научных семинарах НЦВО при ИОФ РАН. В 2002 и 2003 годах работы, вошедшие в диссертацию, занимали соответственно 1-2 и 1 место на конкурсе работ молодых ученых, проводимом в НЦВО. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работы в рецензируемых журналах.
