Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Фоточувствительность легированных кварцевых стекол 12
1.1. Фосфоросиликатное стекло и световоды на его основе 12
1.2. Внутриволоконные решетки показателя преломления 18
1.3. Фоточувствительность световодов 22
ГЛАВА 2. Техника эксперимента и экспериментальные установки 31
2.1. Характеристики фосфоросиликатных световодов, использованных при исследовании эффекта фотоиндуцированного наведения показателя преломления 31
2.2. Методики облучения световодов и измерения в них наведенного показателя преломления 36
2.3. Методы исследования дефектов, наводимых в сетке стекла при воздействии УФ излучения 44
ГЛАВА 3. Микроскопические дефекты в фосфоросиликатном стекле, наводимые излучением ArF-лазера (193 нм) 50
3.1. Спектры поглощения микроскопических дефектов 50
3.2. Наведенное поглощение в ИК спектральном диапазоне (2500-5000 нм) 55
3.3. Наведенное поглощение в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1000-1600 нм) 58
3.4. Наведенное поглощение в УФ и видимом спектральных диапазонах (200-800 нм) 61
3.5. Наведенное поглощение в ВУФ спектральном диапазоне (150-200 нм) 63
3.6. Исследование корреляции дозных зависимостей наведенного поглощения и наведенного показателя преломления 71
3.7. Выводы 77
ГЛАВА 4. Динамика фотохимических процессов и наведения показателя преломления в фосфоросиликатных световодах при облучении ArF эксимерным лазером на длине волны 193 нм 78
4.1. Теоретическая модель двухэтапного процесса фотоиндуцированных преобразований дефектов в стекле 79
4.2. Обсуждение результатов 82
4.3. Выводы 98
ГЛАВА 5. Наведение показателя преломления в фосфоросиликатных световодах с использованием эксимерных лазеров, генерирующих на различных длинах волн 101
5.1. Фоточувствительность на длине волны генерации KrF-лазера (248 нм) 101
5.2. Фоточувствительность на длине волны генерации ArF-лазера (193 нм) 105
5.3. Фоточувствительность на длине волны генерации Р2-лазера (157 нм) ПО
5.4. Высокоэффективные ВКР-лазеры на базе фосфоросиликатных световодов 113
5.5. Выводы 117
Заключение 119
Литература 123
- Внутриволоконные решетки показателя преломления
- Методики облучения световодов и измерения в них наведенного показателя преломления
- Наведенное поглощение в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1000-1600 нм)
- Фоточувствительность на длине волны генерации ArF-лазера (193 нм)
Введение к работе
По мере совершенствования волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) появляются потребности в разработке новых оптических устройств, которые могут быть полностью интегрированы в ВОЛС. Например, переход от одной несущей длины волны оптического излучения к нескольким потребовал разработки специальных волоконных WDMa устройств, осуществляющих мультиплексирование и демультиплексирование оптических сигналов с различной длиной волны. Значительный шаг в совершенствовании систем ВОЛС был сделан при разработке технологии создания периодически изменяющегося по длине световода показателя преломления (записи внутриволоконных решеток показателя преломления). Простота изготовления и использования решеток показателя преломления позволила найти им широкое применение в качестве отражающих, фильтрующих и диспергирующих элементов в системах ВОЛС и, кроме того, в датчиках различных физических величин (температуры, плотности, давления).
Волоконные лазеры появились через 10-15 лет после прокладки первых ВОЛС. Принцип действия этих лазеров основан на эффекте вынужденного излучения возбуждаемых оптически редкоземельных элементов (РЗЭ), которыми легирована сердцевина активного световода. В настоящее время РЗЭ лазеры и усилители являются неотъемлемым элементом современных ВОЛС.
Ключевым элементом любого лазера являются отражающие зеркала. Разработка технологии записи волоконных решеток позволила отказаться от использования объемных элементов (зеркал, микрообъективов) при создании РЗЭ лазеров, что привело к повышению их надежности, снижению себестоимости, а также их интеграции в системы ВОЛС. Наиболее полно исследована и отработана технология записи волоконных решеток в световодах, легированных оксидом германия. Однако спектральные характеристики и эффективность работы большинства РЗЭ лазеров в значительной степени определяются
' WDM ("Wavelength Division Multiplexor") - спектральный мультиплексор.
матрицей стекла сердцевины световода. Для большинства РЗЭ матрица фосфоросиликатного стекла имеет значительное преимущество перед матрицей германосиликатного стекла. Например, в случае Yb-Er лазера эффективная передача энергии накачки от ионов Yb3+ к ионам Ег3+ возможна только в матрице фосфатных стекол (в частности, фосфоросиликатного стекла). Поэтому к началу данной работы возникла острая потребность в разработке технологии записи волоконных решеток показателя преломления в фосфоросиликатных световодах.
Одновременно с РЗЭ лазерами интенсивно разрабатывались волоконные лазеры и усилители, основанные на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света в сердцевине световода. В отличие от РЗЭ лазеров (усилителей), генерирующих (усиливающих) оптическое излучение в ограниченном диапазоне длин волн, ВКР-лазеры и усилители11 позволяют получить генерацию (усиление) практически на любой длине волны. Однако для эффективной работы ВКР-лазеров и усилителей необходимы мощные одномодовые лазеры накачки со строго определенной рабочей длиной волны. В настоящее время этому требованию удовлетворяют следующие источники накачки: лазеры на базе одномодовых световодов, легированных ионами Nd3+, либо Yb3+, способные генерировать излучение в довольно узком спектральном диапазоне 1.05-1.1 мкм. В то же время, например, для накачки ВКР-усилителя на длине волны ~ 1.3 мкм требуется излучение с длиной волны 1.24 мкм, а для накачки эрбиевого усилителя - излучение с длиной волны ~ 1.48 мкм. Поскольку в германосиликатном стекле величина сдвига для основной полосы комбинационного рассеяния (КР) составляет ~ 440 см"1, излучение нужной длины волны может быть получено путем преобразования излучения 1.06 мкм при помощи трехкаскадного ВКР-конвертера в первом случае и при помощи шестикаскадного ВКР-конвертера во втором.
" В иностранной литературе ВКР и ВКР лазеры (усилители) называют соответственно рамановское рассеяние и рамановские лазеры (усилители).
В спектре КР фосфоросиликатного стекла присутствует интенсивная полоса, обусловленная колебаниями двойной Р=0 связи и имеющая величину стоксова сдвига 1320 см"1. Поэтому при использовании в ВКР-лазерах фосфоросиликатных световодов излучение с длиной волны 1.24 мкм может быть получено в однокаскадном конвертере, а излучение с длиной волны 1.48 мкм - в двухкаскадном. Таким образом, использование световодов с фосфоросиликатной сердцевиной позволяет существенно упростить конструкцию ВКР лазеров и усилителей.
К моменту начала данной работы в НЦВО при ИОФРАН совместно с ИХВВ РАН
были разработаны и изготовлены высоколегированные ( концентрация
Р2О5 ~ 12-15 мол. %) световоды с сердцевиной из фосфоросиликатного стекла и с рекордно низкими оптическими потерями (менее 2 дБ/км в диапазоне длин волн 1000-1600 нм). Однако в лабораторных образцах ВКР-лазеров, созданных на базе таких световодов, в качестве зеркал-отражателей резонаторов использовались брэгговские решетки показателя преломления, записанные в германосиликатных световодах при помощи излучения с длиной волны 244 нм, полученного путем преобразования во вторую гармонику излучения Аг+ лазера на длине волны 488 нм. Необходимость использования решеток, записанных в германосиликатных световодах объяснялась тем, что фосфоросиликатные световоды оказались нечувствительными к излучению с длиной волны 244 нм, и поэтому решетки в таких световодах записать не удавалось. Использование решеток, записанных в германосиликатных световодах, усложняло конструкцию лазеров. Кроме того, при сварке отрезков германосиликатных световодов с фосфоросиликатным световодом в резонаторе ВКР-лазера возникали дополнительные оптические потери, которые приводили к снижению эффективности лазеров. Разработка методики записи решеток в фосфоросиликатных световодах являлась поэтому чрезвычайно актуальной задачей, что, в свою очередь, требовало исследования
фотоиндуцированных изменений в сетке стекла фосфоросиликатных световодов под воздействием лазерного излучения УФ диапазона на различных длинах волн.
Следует отметить, что к началу данного исследования было известно всего несколько работ, выполненных за рубежом, по изучению фоточувствительности фосфоросиликатных световодов. Однако в этих работах использовались световоды либо с высокой (17 мол.%) концентрацией оксида фосфора и очень высокими оптическими потерями (~ 1000 дБ/км), либо световоды с низкими потерями и очень низкой (~ 2 мол.%) концентрацией Р2О5. Таким образом, указанные работы не давали понимания природы фотоиндуцированных явлений в фосфоросиликатном стекле и «рецептов» по выработке оптимальной методики записи решеток в фосфоросиликатных световодах с высоким (12-15 мол.%) содержанием Р2О5 и низкими оптическими потерями.
Цель работы
Целью настоящей работы являлось исследование воздействия лазерного излучения УФ диапазона на показатель преломления (ПП) и оптические потери в фосфоросиликатных световодах, сравнение эффективности воздействия излучения на различных длинах волн (248, 193 и 157 нм), исследование микроскопического механизма эффекта фотоиндуцированного наведения ПП в таких световодах, создание методики записи брэгговских решеток ПП в фосфоросиликатных световодах с низкими потерями, которые могли бы использоваться в волоконных ВКР и РЗЭ лазерах в качестве зеркал-отражателей.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе сделан обзор литературных данных по технологии получения и свойствам фосфоросиликатных световодов, явлению фоточувствительности световодов и
применению этого эффекта для создания периодических структур в световодах (решеток ПП), влиянию молекулярного водорода на эффективность протекания фотохимических процессов. Приводятся и обсуждаются основные результаты исследований явления фоточувствительности в германосиликатных световодах.
Вторая глава посвящена описанию методик измерения наведенного ПП и оптических потерь в световодах, а также принципов работы экспериментальных установок, использованных в настоящей работе. Описаны различные процедуры подготовки световодов к УФ-облучению (насыщение водородом, предэкспонирование) и режимы облучения световодов.
В третьей главе приведены результаты спектрального анализа фотоиндуцированных дефектов в сетке фосфоросиликатного стекла. Показана связь между изменением интенсивности полос поглощения и возникновением точечных дефектов (центров окраски). Проведено сопоставление дозных зависимостей наведенных полос поглощения с дозной зависимостью наведенного ПП.
В четвертой главе представлен подробный анализ формы кривой дозной зависимости наведенного ПП. Рассмотрен достаточно простой и в тоже время информативный метод анализа дозной зависимости, основанный на исследовании поведения производной от дозной зависимости ПП. На основе полученных результатов сделано предположение, что в фосфоросиликатных световодах имеет место двухэтапный процесс наведения ПП.
Пятая глава посвящена сопоставлению кривых дозных зависимостей наведенного ПП, полученных при облучении образцов фосфоросиликатного световода на различных длинах волн УФ диапазона.
В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Научная новизна
Впервые экспериментально продемонстрирована фоточувствительность фосфоросиликатных световодов на длине волны генерации Р2-лазера- 157 нм.
Впервые в фосфоросиликатных световодах получено стабильное при комнатной температуре фотоиндуцированное увеличение ПП (без предварительного насыщения световодов водородом) при облучении на длине волны генерации ArF-лазера- 193 нм.
В спектре наведенного поглощения образцов фосфоросиликатной заготовки, предварительно насыщенных водородом и облученных затем на длине волны 193 нм (ArF-лазер), обнаружена интенсивная полоса с максимумом 6.9 эВ (180 нм). Установлена связь данной полосы с поглощением фосфорного кислородо-дефицитного центра (ФКДЦ). Предложена модель ФКДЦ в виде трехкоординированного атома фосфора, связанного с двухкоординированным атомом кремния в кварцевом стекле. Показано, что наведенное поглощение ФКДЦ вносит значительный вклад в наведение ПП при облучении на длине волны 193 нм.
Впервые проведено сопоставление скорости наведения ПП в фосфоросиликатных световодах при использовании различных режимов и различных длин волн УФ-облучения. Показано, что режим облучения световодов р2-лазером (длина волны 157 нм) является самым эффективным с точки зрения наведения ПП. Предложено объяснение более высокой фоточувствительности на длине волны 157 нм по сравнению с режимами облучения ArF (193 нм) и KrF (248 нм) лазерами.
Практическая ценность
В работе получены результаты по исследованию наведения ПП в ФСС при использовании различных режимов УФ-облучения. Впервые предложен достаточно простой в реализации и информативный метод исследования фоточувствительности ФСС, заключающийся в анализе формы кривой дозной зависимости наведенного ПП и производной от нее. В частности, с помощью этого метода установлен двухэтапный механизм преобразования точечных.дефектов, ведущий к изменению ПП.
Определены наиболее оптимальные режимы записи брэгговских решеток в ФСС при помощи эксимерного ArF-лазера. Разработанная методика записи брэгговских решеток в
ФСС была использована в НЦВО РАН при создании волоконных ВКР-лазеров с рекордно высокой эффективностью. Результаты работы также могут быть использованы при разработке и создании промышленных установок на базе эксимерных лазеров для серийного изготовления брэгговских решеток в фосфоросиликатных волоконных световодах, в частности, результаты работы планируется использовать для оптимизации параметров технологической установки, предназначенной для записи брэгговских решеток, создаваемой в Центре физического приборостроения при Институте Общей Физике им. A.M. Прохорова РАН.
Апробация работы
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Международных конференциях по брэгговским решеткам, фоточувствительности и полингу BGPP (Флорида, США, 1999 г. и Стреза, Италия, 2001 г.), Международной конференции по лазерам Lasers-2001 (Туксон, США, 2001 г.), Европейской конференции по оптической связи ЕСОС (Мюнхен, Германия, 2000 г.), Международной конференции по волоконно-оптической связи OFC (Атланта, США, 2003 г.), 14-й Международной конференции по физике лазеров LPHYS (Братислава, Словакия, 2002 г.), а также на научных семинарах и на конкурсе работ молодых ученых НЦВО при ИОФ РАН.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих 9 работах3:
S.L. Semjonov, A.A. Rybaltovsky, Y.V. Larionov, М.М. Bubnov, Е.М. Dianov, "Influence of hydrogen loading and UV irradiation on optical properties of phosphorus-doped fibers", Proc. Bragg Gratings, Photosensitivity, and Poling in Glass Waveguides (BGPP'99), Florida, USA, TOPS Vol. 33, p.267-271 (1999).
E.M. Dianov, M.M. Bubnov, A.N. Gurianov, V.F. Hopin, E.B. Kryukova, V.G. Plotnichenko, A.A. Rybaltovskii, V.O. Sokolov, "Phosphosilicate glass optical
fibers: a promissing material for Raman lasers", Proc. Europian Conference of Optical Communications (ECOC'2000), Munich, Germany, Vol. 3 (2000).
A.A. Rybaltovsky, Y.V. Larionov, S.L. Semjonov, V.G. Plotnichenko, E.B. Krukova, Y.N. Pyrkov, M.M. Bubnov, E.M. Dianov, "Relation between UV-induced refractive index and absorption in phosphosilicate optical fibers", Proc. Bragg Gratings, Photosensitivity, and Poling in Glass Waveguides (BGPP'2001), Stresa, Italy, Technical Digest, BthA3-l (2001).
Ю.В. Ларионов, A.A. Рыбалтовский, C.J1. Семенов, M.M. Бубнов, E.M. Дианов, «Особенности проявления фоточувствительности в фосфоросиликатных световодах с малыми потерями». Квантовая электроника, Т. 32, № 2, с. 124-128 (2002).
Y. Larionov, A. Rybaltovsky, S. Semjonov, М. Bubnov, Е. Dianov, S. Vartapetov, M. Kurzanov, A. Obidin, V. Yamschikov, "Photosensitivity and Photosensitization of Highly Phosphorus-Doped fibers under 157-nm F2 Excimer Laser Irradiation", Proc. Optical Fiber Communication (OFC 2003), Atlanta, Georgia, USA, Technical Digest, v. 1, p. 38-39 (2003).
LA. Bufetov, M.M. Bubnov, Y.V. Larionov, O.I. Medvedkov, S.A. Vasiliev, M.A. Melkoumov, A.A. Rybaltovsky, S.L. Semjonov, E.M. Dianov, A.N. Gur'yanov, V.F. Khopin, F. Durr, H.G. Limberger, R.-P. Salathe, and M. Zeller, «Highly Efficient One- and Two-Cascade Raman Lasers Based on Phosphosilicate Fibers», Laser Physics, Vol. 13, № 2, p. 234-239 (2003).
Ю.В. Ларионов, A.A. Рыбалтовский, С.Л. Семенов. M.A. Курзанов, А.З. Обидин, С.К. Вартапетов, «Исследование динамики преобразования точечных дефектов по наведенному показателю преломления», Квантовая электроника, Т. 33, № 10, с. 919-925 (2003).
а В тексте диссертации ссылки на работы, выполненные с участием автора, отмечены дополнительным символом *
Ю.В. Ларионов, А.А. Рыбалтовский, С.Л. Семенов, С.К. Вартапетов, М.А. Курзанов, А.З. Обидин, «Фоточувствительность световодов, легированных различными примесями», Квантовая электроника, Т. 34, № 2, с. 175-179 (2004).
А.А. Рыбалтовский, В.О. Соколов, В.Г. Плотниченко, А.В. Ланин, С.Л. Семенов, А.Н. Гурьянов, В.Ф. Хопин, Е.М. Дианов, «Фотоиндуцированное поглощение и наведение показателя преломления в фосфоросиликатных световодах под действием излучения 193 нм», Квантовая электроника, Т. 37, № 4, с. 388-393 (2007).
Внутриволоконные решетки показателя преломления
В 1978 году К.Хиллом и др. была продемонстрирована возможность периодической модуляции ПП в сердцевине волоконного световода при прохождении мощного излучения Аг+ лазера (длина волны 488 нм) в течение длительного времени [12,13]. Было обнаружено, что спустя несколько часов с момента начала экспозиции световода, часть света, распространяющаяся по сердцевине, отражалась в обратном направлении. В дальнейшем было показано, что наблюдаемый в эксперименте К.Хилла эффект отражения света подчиняется условию Вульфа-Брэгга, описывающему дифракцию рентгеновских лучей на атомной решетке. В данном случае решетка была образована периодической модуляцией ПП в сердцевине световода, инициированной взаимодействием излучения 488 нм с материалом сердцевины (германосиликатным стеклом). Из-за френелевского отражения на торце световода, часть лазерного излучения отражалась на границе раздела стекло/воздух и распространялась в обратном направление. При этом внутри сердцевины световода возникала интерференция между световыми волнами, распространяющимися в прямом и обратном направлении. Именно в максимумах интерференционной картины происходило увеличение ПП сердцевины и, как следствие, формирование решетки ПП. Длина волны, на которой происходит отражение света, получила название «брэгговская длина волны» и может быть выражена через период решетки Л и величину эффективного ПП п3фф, характеризующего распространение в световоде основной моды НЕ,,:
При прохождении через решетку свет с длиной волны ХБ будет испытывать отражение. Поэтому в спектре пропускания световода с записанной решеткой ПП на длине волны Х& будет наблюдаться провал, интенсивность которого соответствует доле отраженного излучения. Следующее выражение демонстрирует связь между коэффициентом отражения решетки R и ее параметрами:) где Аптд -амплитудное значение модуляции ПП в сердцевине, 77-доля энергии основной моды НЕп в сердцевине световода, /,-длина решетки. Формула (2) оказалась чрезвычайно удобной для решения обратной задачи - вычисления амплитуды модуляции ПП на основе данных измерения спектральных характеристик решетки (интенсивности пика отражения и брэгговской длины волны). В экспериментах К.Хилла величина Лптд не превышала 10"6, но поскольку решетка была сформирована на всей длине экспонируемого световода ( 1 м), то эффективность отражения на длине волны возбуждающего излучения (488 нм) оказалась близкой к 100%. Отметим, что период Л модуляции ПП оказывает влияние не только на положение длины волны брэгговского пика, но также и на спектральные свойства самой решетки. Типичное значение периода для волоконных брэгговских решеток составляет порядка нескольких сотен нанометров. В случае, когда период решетки достигает десятков или сотен микрон, в световоде происходит возбуждение мод оболочки. Решетки такого типа называются «длиннопериодные» [14]. Условием распространение мод оболочки, возбужденных длиннопериодной решеткой, является отражение на боковой поверхности световода. В области, где на световод нанесено полимерное покрытие, происходит быстрое затухание оболочечных мод, что приводит к появлению полос поглощения в спектре пропускания длиннопериодной решетки. Таким образом, в спектре световода с длиннопериодной решеткой наблюдается уже не один минимум пропускания, как в случае брэгговской решетки, а система пиков, соответствующих резонансному взаимодействию основной моды сердцевины НЕп с одной из мод оболочки.
Положение пиков длиннопериоднои решетки определяется условием резонансной связи, которое можно выразить математически в следующем виде: где обозначения псэфф и по6эфф соответствуют эффективным ПП мод сердцевины и оболочки. В 1989 году в [15] был предложен другой способ формирования решеток в сердцевине световода, основанный на облучении боковой поверхности световода двумя интерферирующими пучками лазерного излучения. Такой метод записи решеток в световоде получил название «голографический» и в настоящее время является наиболее распространенным. Поскольку период интерференционной картины можно варьировать в достаточно широких пределах, то при помощи данного метода можно записать брэгговскую решетку, отражающую на длине волны в соответствии с конкретными технологическими требованиями. Кроме того, в отличие от экспериментов, описанных в [12] и [13], при использовании «голографического» метода для записи решетки в сердцевине нет необходимости подвергать облучению весь световод в целом - достаточно облучить небольшой (обычно длиной порядка нескольких миллиметров) участок световода, в котором предполагается сформировать решетку.
С целью повышения воспроизводимости при записи решеток К. Хилл с сотрудниками в 1993 году предложили использовать для формирования интерференционной картины специальную кварцевую пластинку, называемой фазовой маской (Рис. 2)[16]. Как видно из рисунка, на поверхности маски нанесены штрихи - так, что при нормальном падении на маску УФ-излучения на штрихах происходит дифракция. Сразу же за маской пучки света, образованные -1 и +1 порядками дифракции, интерферируют между собой и в эту область интерференции помещается световод. Обычно маску изготавливают таким образом, чтобы основная доля энергии проходящего через нее излучения приходилась на -1 и +1 порядки дифракции. Доля энергии в нулевом порядке, как правило, не превышает 4-5 %. Период интерференционной картины и, следовательно, период брэгговской решетки в световоде, соотносится с периодом маски ЛФМ как Схема записи при помощи фазовой маски особенно удобна для серийного изготовления брэгговских решеток, поскольку достаточно проста в настройке и при этом обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров решеток. Более того, требование высокой когерентности лазерного излучения, необходимое для интерференционной методики записи, при использовании методики записи решеток через фазовую маску значительно снижается. Поэтому схема записи при помощи фазовой маски особенно удобна в установках, где в качестве источников УФ-излучения используются эксимерные лазеры, имеющие, как правило, низкие параметры пространственной и временной когерентности излучения. Основным недостатком этой схемы считается невозможность гибкой перестройки периода записываемых решеток. Т.е. для записи решетки с отражением на другой длине волны потребуется, скорее всего, изготовление новой фазовой маски с соответствующим периодом.
Методики облучения световодов и измерения в них наведенного показателя преломления
Образцы фосфоросиликатного световода подготавливались для УФ-облучения тремя различными способами. Первый тип образцов представлял из себя световоды в исходном состоянии, т.е. без какой-либо дополнительной обработки. Другая часть образцов непосредственно перед их УФ-облучением была предварительно насыщена молекулярным водородом. Насыщение образцов заготовки и световодов молекулярным водородом производилось в газостате при давлении 10 МПа. и температуре 100С. В ряде работ было показано, что использование режима предэкспонирования применительно к фосфоросиликатным световодам, изготовленными методом «мгновенной конденсации», может существенно повысить их фоточувствительность [36,44,45]. Поэтому третья часть образцов была подвергнута процедуре предэкспонирования. Суть этой процедуры заключается в двухэтапном облучении световода. На первом этапе насыщенный водородом световод облучается сравнительно небольшой дозой («предэкспонируется»). После этого световод продолжает находиться при комнатной температуре в течение времени, необходимого для выхода из него молекулярного водорода, а затем, по прошествии примерно 3-х недель, производится повторное облучение предэкспонированного участка световода. УФ облучение световодов в данной работе производилось при помощи следующих эксимерных лазеров: лазеры CL-7000 и LPX-150 с длительностью лазерного импульса 20 не; лазер серии CL-5000 с длительностью лазерного импульса 8 не. Лазеры серии CL-7000 и CL-5000 были разработаны в Центре физического приборостроения (ЦФП) при ИОФРАН [52 ], а лазер LPX-150 является продукцией фирмы Lambda Physik. Один лазер серии CL-7000 работал на смеси KrF и ArF и был использован для генерации излучения соответственно на длинах волн 248 и 193 нм. Другой лазер CL-7000 работал на смеси F2 и служил источником излучения на длине волны 157 нм [53]. Лазеры серии CL-5000 и LPX-150 работали только на смеси ArF и генерировали излучение на длине волны 193 нм.
В экспериментах, проводимых с целью исследования фоточувствительности световодов, УФ-экспонирование световодов осуществлялось лучом эксимерного лазера с фиксированной плотностью энергии в импульсе. Плотность энергии S изменяется при помощи фокусирующей линзы и чаще всего составляет от 10 до 500 мДж/см2 . Экспонирование происходило с частотой повторения лазерных импульсов F равной, как правило, нескольким десяткам Гц. В наших экспериментах УФ-экспонирование образцов световода производилось через боковую поверхность, причем плотность энергии в импульсе и частота повторения лазерных импульсов имели в каждом эксперименте фиксированное значение и в зависимости от цели задачи варьировались в диапазонах 10-400 мДж/см и 5-20 Гц соответственно (Таблица 2). Так, типичными значениями плотности энергии в импульсе при облучении на длинах волн 248 и 193 нм были -100-300 мДж/см2. При облучении на длине волны 157 нм нами использовалось только одно значение плотности энергии-17 мДж/см2; частота повторения лазерных импульсов при этом была равной 10 Гц. Для измерения величины наведенного при облучении световода ПП применялись две описанные в литературе методики: первая - по интенсивности и положению пика отражения записываемой в световоде брэгговской решетки [54]; вторая интерференционная с использованием внутриволоконного интерферометра Маха-Цандера [17] . Типичные значения точности измерения величины наведенного ПП для первого методе составляют 10 5, а для второго 10"6. Запись брэгговских решеток в световоде осуществлялась через фазовую маску при помощи экспериментальной установки, схематично представленной на Рис. 7. В качестве источника УФ-излучения в данной установке использовался эксимерный ArF или KiF-лазер 1 [55]. Пучок лазерного излучения фокусировался при помощи цилиндрической линзы 2 на поверхность фазовой маски. Участок световода длиной 10 мм, предназначенный для облучения, предварительно очищался от полимерного покрытия и закреплялся в держателе 3 на расстоянии от поверхности фазовой маски 50 мкм. Изменения в спектре пропускания световода контролировались при помощи суперлюминесцентного модуля 4 и оптического спектроанализатора 5. В экспериментах по записи брэгговских решеток нами использовались фазовые маски фирмы "Ibsen Photonics" с периодами 1018 и 1070 нм. На Рис. 8 приведен типичный спектр пропускания фосфоросиликатного световода с записанной в нем при помощи данной установки брэгговской решеткой (решетка была записана с использованием фазовой маски с периодом 1070 нм). Волоконный интерферометр Маха-Цандера создавался в каждом исследуемом образце световода путем записи в нем на расстоянии 5 см друг от друга двух длиннопериодных решеток (Рис. 9). Длиннопериодные решетки записывались через амплитудную маску с длиной 15 мм и периодом 300 мкм, что приводило к появлению интерференционной картины вблизи длины волны 1.5 мкм (Рис. 10). В эксперименте фиксировался сдвиг интерференционных полос АХ в процессе облучения световода и затем по величине этого сдвига рассчитывалось значение наведенного ПП Апть . Здесь Ьмц - длина облучаемого участка между решетками, Лмц - период интерференции, rj - доля мощности основной моды НЕи в сердцевине световода.
Теоретически рассчитанная зависимость т\(Х) для фосфоросиликатного световода, имеющего длину волны отсечки 1070 нм и разность ПП между сердцевиной и оболочкой 0.01, приведена на Рис. 11. Расчет был выполнен в приближении ступенчатого профиля ПП. Из Рис. 10 было найдено типичное для наших экспериментов значение Лмц, составляющее 2 нм, а из графика на Рис. 11 получили значение rj, равное 0.65 для длины волны 1500 нм. Точность измерения сдвига интерференционных полос в наших экспериментах составляла 0.1 нм, что соответствовало величине погрешности 5x10"6 при расчете наведенного ПП. Регистрация спектров волоконных интерферометров, также как и брэгговских решеток, осуществлялась при помощи спектроанализатора Ando AQ6317B.
Наведенное поглощение в телекоммуникационном диапазоне длин волн (1000-1600 нм)
Исследование поглощения в световодах в телекоммуникационном диапазоне длин волн часто преследует практическую цель - найти способы возможной минимизации потерь на поглощение для световодов, являющихся элементами волоконно-оптических схем и линий связи. Образцы фосфоросиликатных световодов, исследованные нами, имели низкие оптические потери в диапазоне 1000-1600 нм. Поскольку типичный уровень потерь у световодов не превышал величины 2 дБ/км, а обычная длина экспериментального образца световода составляет всего несколько метров, то спектр пропускания исходного образца не представляет для нас большого интереса. Поэтому перейдем сразу к анализу спектров наведенного поглощения образцов фосфоросиликатного световода, облученных одинаковой дозой 2.2 кДж/см2, которые представлены на Рис. 15. Для образца, облученного без предварительного насыщения водородом, наведенное поглощение проявляется в виде достаточно широкой полосы, имеющей максимум на длине волны -1550 нм. Согласно работе [42], полосу поглощения с подобными спектральными характеристиками имеет фосфорный центр окраски Р. В этой работе максимум полосы поглощения центра Pi определен как 1570 нм. Однако, авторы работы [60], опубликованной сравнительно недавно, считают, что полоса поглощения центра Pi расположена в более длинноволновой области спектра и имеет максимум на длине волны 1650 нм. Согласно [60], широкая полоса поглощения с максимумом на длине волны 1560 нм связана с четвертым обертоном фундаментальной частоты колебания связи Р=0. Спектр наведенного поглощения образца, облученного после предварительного насыщения водородом, имеет более сложную форму. В спектре отчетливо видна полоса поглощения с максимумом на длине волны 1390 нм, которая соответствует первому обертону колебательной частоты водорода в силанольном центре Оз$і-ОН [61 ]. Кроме этой полосы мы наблюдаем постепенное увеличение поглощения в сторону более длинных волн. Это явление может быть вызвано, по нашему мнению, двумя основными причинами.
Во-первых, существованием обертона полосы поглощения центра CbSi-OH- 0=РОз с максимумом на длине волны 3050 нм - сам обертон в таком случае должен иметь достаточно широкую полосу поглощения вблизи 1550 нм. Во-вторых, увеличением интенсивности полос поглощения 1920 и 1560 нм, соответствующих третьему и четвертому обертонам фундаментальной частоты колебания связи Р=0 В исходных образцах фосфоросиликатных заготовок в области УФ и видимого диапазонов длин волн (200-800 нм) ярко выраженных полос поглощения не обнаружено (Рис. 16). В работах [56] и [57] приведены данные теоретических расчетов, показывающих, что в сетке фосфоросиликатного стекла могут существовать дефекты, имеющие полосы поглощения с максимумом в спектральном диапазоне 200-300 нм [62]. Однако, рассчитанные силы осцилляторов для этих полос поглощения оказываются достаточно малы ( Ю"2) для того, чтобы эти полосы можно было бы регистрировать при помощи спектрально-измерительных приборов. Тем не менее, после УФ-облучения форма спектров пропускания изменяется. Как видно из Рис. 16, после облучения на длине волны 193 нм с дозой 4.3 кДж/см2 в спектрах пропускания как насыщенного, так и ненасыщенного водородом образцов появляются полосы поглощения. Эти полосы поглощения были ранее достаточно подробно исследованы и описаны в статьях [43,42,63]. Согласно этим работам, полоса поглощения с максимумом 4.6 эВ (270 нм) принадлежит фосфорному электронному центру РОг, а полоса с максимумом 5 эВ (250 нм) - фосфорному электронному центру Р04 (РЕС-центр). Две полосы с максимумами 3.1 эВ (400 нм) и 2.2 эВ (550 нм) соответствуют поглощению фосфорных кислородно-дырочных центров РОНС. Также в спектре пропускания обоих образцов виден рост наведенного поглощения в области длин волн короче 250 нм. Это поглощение может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, сдвигом края электронного поглощения сетки фосфоросиликатного стекла в целом, который может являться одним из результатов действия УФ-излучения [64]. Во-вторых, краем полос поглощения центров РОНС [42], РОз [63] и РНОг [43], или же других центров окраски, имеющих полосы поглощения в диапазоне длин волн короче 200 нм (область вакуумного УФ). Самое значительное по величине наведенное поглощение было зарегистрировано на длинах волн короче 200 нм (Рис. 17). Как видно из Рис. 17, поглощение, наводимое излучением 193 нм в образце, предварительно насыщенном водородом, составляет сотни см" . Наибольшей интенсивности это поглощение (см. Рис. 18) достигает в полосе с максимумом 6.9 эВ (180 нм), которая, как видно из Рис. 17, наблюдается и в спектре пропускания необлученного образца. Отметим, что на сегодняшний день в литературе отсутствуют сведения о физической природе полосы 6.9 эВ в фосфоросиликатном стекле.
В достаточно хорошо изученных, по сравнению с фосфоросиликатным стеклом, германосиликатном и нелегированном кварцевом стеклах появление в спектре полос вблизи 7 эВ чаще всего связывают с поглощением кислородо-дефицитных центров. Так, считается, что в «чистом» кварцевом стекле поглощение с максимумом 6.9 эВ обусловлено переходом кислородо-дефицитного центра =Si: («двухкоординированный атом кремния») во второе возбужденное синглетное состояние [65]. При этом в спектре обязательно должна присутствовать интенсивная полоса поглощения с максимумом 5.1 эВ, соответствующая переходу в первое возбужденное синглетное состояние, которой мы на Рис. 17 и Рис. 18, однако, не видим. В литературе описана также модель кислородо-дефицитного центра =Si-Si= («кислородная вакансия»), имеющего полосу поглощения с максимумом на 7.6 эВ [65,66]. Было бы естественным предположить, что наблюдаемая нами в спектре фосфоросиликатного стекла полоса с максимумом на 6.9 эВ принадлежит дефекту, в структуре которого имеется дефицит атома кислорода. В пользу этой гипотезы косвенно свидетельствуют результаты эксперимента по термическому отжигу образца, предварительно насыщенного водородом. Известно, что повышение температуры отжига инициирует термохимические реакции между водородом и межатомными связями в сетке стекла [67], а одним из конечных продуктов таких реакций могут являться кислородо-дефицитные центры [68]. На Рис. 19 мы видим значительно возросшую интенсивность полосы 6.9 эВ в спектре пропускания насыщенного водородом образца после отжига при температуре 400 С в течение 30 минут. Как видно из Рис. 19, интенсивность полосы
Фоточувствительность на длине волны генерации ArF-лазера (193 нм)
Совсем иную динамику наведения ПП в фосфоросиликатных световодах мы наблюдаем, экспонируя эти световоды на длине волны 193 нм. Как видно из Рис. 31, при облучении на 193 нм в световоде даже без предварительного насыщения водородом происходит наведение ПП. Ранее Дж. Каннингом и др. уже была продемонстрирована запись брэгговских решеток в фосфоросиликатных световодах, изготовленных методом «мгновенной конденсации», без насыщения водородом, однако записанные им решетки были термически нестабильны и распадались в течение нескольких минут при комнатной температуре [39]. В экспериментах, проведенных автором настоящей работы, был зарегистрирован устойчивый при комнатной температуре эффект наведения ПП величиной 1.5-10"4 (Глава 4, стр. 95, Рис. 28). Отличие полученных нами результатов по наведению ПП в фосфоросиликатных световодах от результатов, представленных в [39], может быть объяснено различной структурой фосфоросиликатного стекла, получаемого при помощи MCVD-технологии и метода «мгновенной конденсации». Следует отметить, что оптические потери в фосфоросиликатных световодах, изготовленных методом «мгновенной конденсации» были довольно значительны и достигали величины 1000 дБ/км [10].
Причиной столь высоких оптических потерь авторы работы [10] указывают рассеяние, которое вызвано фазовым разделением фосфоросиликатного стекла, составлявшего сердцевину световода [11]. Кроме того, высокий уровень оптических потерь в таких световодах может быть обусловлен недостаточной очисткой исходных реагентов и, как следствие, повышенным содержанием примесей в материале сердцевины. Таким образом, либо нарушение однородности состава материала сердцевины, либо неконтролируемые примеси оказывают существенное влияние на динамику наведения ПП в световодах, полученных методом «мгновенной конденсации». Предварительное насыщение световода молекулярным водородом приводит к значительному, как показано из Рис. 31, увеличению эффективности наведения в нем ПП под действием излучения 193 нм. Кроме того, кривая дозной зависимости наведенного ПП для насыщенного водородом световода отличается по форме от кривой для световода, облучаемого без предварительного насыщения водородом. Эта кривая дважды меняет свой наклон: один раз при дозе -300 Дж/см и другой раз при дозе 1 кДж/см . В работе [87 ] этот феномен был подробно описан и было показано, что подобная "S-образная" форма кривой дозной зависимости, наблюдаемая в насыщенных водородом фосфоросиликатных световодах при экспонировании на длине волны 193 нм, связана с прохождением двухэтапной фотохимической реакции в сетке фосфоросиликатного стекла. Более эффективное по сравнению с исходными световодами наведение ПП в световодах, подвергнутых процедуре предэкспонирования, также указывает на наличие промежуточного типа дефектов, которые участвуют в процессе наведения ПП (Рис. 31) и при этом наличия молекулярного водорода в сетке стекла уже не требуется. Однако с точки зрения структурных преобразований до сих пор остается до конца невыясненной природа дефектов, участвующих на первом и втором этапах наведения ПП. Тем не менее, косвенно гипотезу о двухэтапном механизме наведения ПП в фосфоросиликатных световодах при облучении их ArF-лазером подтверждает анализ спектров наведенного поглощения, измеренных в диапазоне длин волн 180-5000 нм [88 ]. Сразу после начала облучения в спектре наблюдается рост полос поглощения в УФ и видимой части спектра, соответствующих фосфорным центрам окраски РЕС. Однако при дозах облучения порядка нескольких сотен Дж/см2 наведенное поглощение центров окраски стремится к насыщению, в то же время начинается интенсивный рост наведенного поглощения гидроксильных групп в ИК части спектра.
Тем не менее, само по себе наведенное поглощение гидроксильных групп в ИК-спектре, составляющее по порядку величины 0.1 см"1 в телекоммуникационном диапазоне длин волн (Рис. 15) и нескольких см 1 в диапазоне 2500-3500 нм (Рис. 14) также не может объяснить столь значительное наведение ПП (превышающее значение 1-Ю"3), но служит, по нашему мнению, своеобразным индикатором фотохимических процессов. Образование под действием УФ излучения в сетке стекла гидроксильных центров типа ОзвіО-Н и Оз8Ю-Н"-0=Р03 сопровождается, по-видимому, изменениями поляризуемости сетки стекла вблизи этих центров. Данный эффект, в свою очередь, влечет за собой изменения в характере распределения электронных подуровней вблизи зоны проводимости [89] и, соответственно, изменения в спектре фундаментального поглощения фосфоросиликатного стекла. Эти спектральные изменения могут быть гораздо более значительными по порядку величины, чем наблюдаемые нами ИК-полосы поглощения гидроксильных групп. Кроме того, при достаточно высоких ( 102-103 частиц на миллион) концентрациях гидроксильных центров изменяется релаксационная способность сетки стекла в целом [90,91], что может привести к изменению плотности стекла в макроскопических объемах и, следовательно, к изменению ПП.
В германосиликатных световодах фотоиндуцированное наведение ПП часто связывают с образованием в сетке германосиликатного стекла различных центров окраски, имеющих полосы поглощения в УФ спектральном диапазоне [75,92]. Авторы [92] на основе имеющихся у них данных по наведенному поглощению центров окраски провели численное моделирование соотношений Крамерса-Кронига и показали, что при небольших дозах облучения значительная часть наведенного ПП в германосиликатных световодах может быть объяснена поглощением GeE-центров. Кроме того, ими было также показано, что существует корреляция между ростом концентрации GeE -центров и ростом наведенного ПП. Так же, как и в германосиликатных световодах, УФ-облучение на длине волны 193 нм фосфоросиликатных световодов приводит к появлению в спектре пропускания полос
