Введение к работе
Вследствие роста скорости информационных потоков в мире потребность в соответствующих высокоскоростных и емких коммуникационных линиях является актуальной. Наилучшим образом этой задаче отвечают оптические линии передачи информации. Процесс их освоения и постепенной замены проводных медных линий на оптические уже начался.
На сегодняшний день уже имеется множество исследований в этой области. Однако история реальной практики применений оптических линий передачи информации еще совсем молоды и здесь имеется впереди еще множество нерешенных теоретических и практических задач.
Настоящая работа посвящена одному из важных направлений развития оптических линий передачи информации - исследованию и разработке перспективных волоконно-оптических элементов, материалов и метрологии.
Конкретным предметом работы являются следующие темы:
распространение и взаимодействие мод низких порядков и напряженных, двулучепреломляющих волоконно-оптических разветвителях и исследование и создание перспективных поляризационных расщепителей на их основе;
поиск, исследование и экспериментальная реализация неразрушающего, точного метода измерения важнейших параметров оптических волноводов от торцевых поверхностей;
поиск, исследование и экспериментальная реализация новых эффективных материалов и методов изготовления из них оптических волноводов и лазерных усилителей с низкими потерями и высокой скоростью передачи информации.
1. До начала нашей работы уже существовали волоконные поляризационные расщепители оптических лучей. Однако они были основаны на длинных и неудобных в эксплуатации биконических, спаянных расщепителях, не имели возможности регулировки амплитуды и фазы коэффициента расщепления и вследствие этого сама величина коэффициента расщепления имела случайных характер. Эти недостатки существенно ограничивали возможность применения необходимых для практики поляризационных расщепителей.
2. Благодаря постоянному прогрессу науки и техники стали появляться
оптические волноводы с низкими потерями.
Поэтому разработка методов измерения с достаточной точностью этих малых по абсолютной величине оптических потерь является важной и актуальной задачей. Наряду с потерями необходимо всегда измерять и величину отражения от торцов волновода. Существовавший метод измерения на основе эффекта эталона Фабри-Перо требовал разрушения образца волновода, был длительным и неудобным.
3. Распространенным на сегодня материалом для оптических волокон
является плавленный кварц. Однако его главные параметры, такие как
оптические потери и дисперсия не являются лучшими и уже стали реально
ограничивать прогресс в области оптической коммуникации. Таким образом
поиск и реализация новых материалов, лучших чем плавленный кварц,
реализация ожидаемых преимуществ в оптических волокнах есть важная цель.
Однако для наиболее популярных - одномодовых оптических волокон предел
оптических потерь связан также с точностью и стабильностью по длине
размеров сердцевины и оболочки волокна. Современные методы изготовления
оптических волокон далеки от этих необходимых требований и здесь есть
большой резерв для улучшений.
До настоящей работы было показано, что наиболее перспективным на сегодня для минимизации оптических потерь и дисперсии является так называемый материал - ZBLAN-стекло (стекло на основе флуоридных солей). Именно этот материал был выбран нами для соответствующих исследований и проработок.
Сформулированные выше в п. 1-3 проблемы легли в основу данной работы, что и определяет ее актуальность.
1. Поиск и идеи экспериментального метода создания короткого по длине и легко nef исследование предполагаемого расщепителя.
2. Поиск нового неразрушающего и быстрого метода измерения основных
оптических параметров волноводов, разработка необходимой теоретической базы, создание и исследование соответствующего экспериментального образца.
3. Комплексное теоретическое и экспериментальное исследование
наиболее перспективного на сегодня материала для оптических волоконных
систем ZBLAN-стекла, поиск и экспериментальная реализация нового метода
изготовления одномодовых оптических волокон на основе ZBLAN-стекла, обеспечивающего более высокие точность и стабильность размеров сердцевины и оболочки.
1. Впервые были исследованы распространение и пространственные
биения мощности собственных мод существенно ассиметричного, напряженного,
двулучеггреломляющего волоконно-оптического расщепителя с эллиптическим
поперечным сечением.
2. На основе физических исследований был предложен и
экспериментально исследован новый, более совершенный метод создания
волоконно-оптического поляризационного расщепителя с короткой длиной и
плавной регулировкой параметров расщепления.
-
Предложен, теоретически отработан и экспериментально реализован неразрушающий модифицированный метод измерения оптических потерь и отражение торцов волноводов на основе эффекта эталона Фабри-Перо.
-
Исследованы основные свойства нового перспективного материала для волоконной оптики - ZBLAN-стекла и получены все необходимые данные для последующего применения этого материала.
5. Предложен и экспериментально реализован перспективный метод
(слепка волокна в трубке) создания одномодовых оптических волокон на основе
ZBLAN-стекол.
6. Предложен и экспериментально реализован и исследован
перспективный лазерный усилитель на основе ZBLAN-стекла, активированного
ионами эрбия (Ег3"1').
7. Исследован перспективный для применений процесс анконверсии в
ZBLAN-стеклах, активированных ионами эрбия и тулия (Er3+ - Тт3+).
Показано, что процесс анконверсии осуществляется на основе
многоступенчатого поглощения фотонов накачки.
1. Механически продольные натяжения в волноводных, сплавленных разветвителях меньше чем порог разрушения вызывают пространственные коротковолновые биения между двумя низкими поперечными модами.
2. Предложенный и экспериментально реализованный метод создания
спаянных механически напряженных оптических разветвителей обеспечивает
создание компактных, поляризационных расщепителей лучей с плавной
регулировкой.
3. Предложенный, теоретически и экспериментально реализованный
модифицированный метод эталона Фабри-Перо обеспечивает высокую точность
и исключает необходимость разрушения при измерении потерь и отражение
торцов оптических волноводов.
-
Результаты, полученные при детальном исследовании ZBLAN-стекол подтверждают их перспективность для создания высокоскоростных дальних оптических систем коммуникаций.
-
Предложенный и практически реализованный новый метод создания одномодовых волокон (метод слепка волокна в трубке) обеспечивает существенно более точные и стабильные размеры сердцевины и оболочки волокна.
6. Предложенный и экспериментально реализованный волоконный
лазерный усилитель на основе Ег - активированного ZBLAN-волокна является
перспективным для оптических коммуникационных систем вследствие его
высокого коэффициента усиления, низких шумов, поляризационной
независимости и совпадением лазерного перехода с окном прозрачности
оптического ZBLAN-волокна.
7. Процесс красной и зеленой анковерсии в Er-Tm активированном
ZBLAN-стекле обусловлен многоступенчатым поглощением фотонов, включая
передачу энергии между двумя ионами-активаторами.
Основные результаты описаны и опубликованы в 14 статьях в научных журналах, в 8 научных отчетах по проведенным НИР, дополнены и обсуждены на 10 научных конференциях.
Список публикаций и конференций приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
