Введение к работе
Актуальность темы
Успехи в области квантовой электроники - создание когерентных источников оптического излучения (лазеров) - инициировали поиск возможностей использования оптического диапазона для передачи информации. На протяжении 1970-1980 гг. были разработаны волоконные световоды на основе кварцевого стекла с оптическими потерями, приближающимися к теоретическому пределу [1]. Однако увеличение протяженности линий оптической связи, увеличение числа каналов и скорости передачи информации потребовало создания широкополосных усилителей оптического излучения. Удачным решением этой проблемы стали усилители, выполненные на базе волоконных световодов, сердцевина которых легирована оксидом эрбия (далее, эрбиевых световодов) [2,3]. Основным достоинством таких усилителей является рабочий диапазон 1530-1570 нм, совпадающий с областью минимальных оптических потерь волоконных световодов на основе кварцевого стекла. Кроме того, эрбиевые волоконные усилители отличаются высоким коэффициентом усиления, не зависящим от поляризации излучения, низким уровнем собственных шумов, возможностью увеличения числа усиливаемых каналов и отсутствием перекачки энергии между каналами. Многочисленные работы, посвященные совершенствованию эрбиевых световодов (ЭС) и исследованию их свойств, привели к появлению новой области квантовой электроники, связанной с волоконными лазерами и усилителями.
Несмотря на то, что основным применением ЭС на данный момент остается усиление оптического сигнала в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), возникло большое количество специальных приложений, в которых используются ЭС: люминесцентные источники в волоконных гироскопах, непрерывные лазеры и лазеры ультракоротких импульсов в области 1.55 мкм и др. Расширяющийся список приложений, в которых применяются ЭС, предъявляет все новые требования к характеристикам ЭС,
зачастую гораздо более жесткие, чем те, которые необходимы для ВОЛС. В частности, существенное увеличение выходной мощности эрбиевых лазеров и усилителей, ставшее возможным благодаря появлению эффективных одномодовых и многомодовых полупроводниковых источников накачки, ограничивается нежелательными нелинейными эффектами в сердцевине ЭС, такими как фазовая самомодуляция (в случае лазеров ультракоротких импульсов), рамановское и бриллюэновское (в случае одночастотных лазеров) рассеяние. Для увеличения порога нелинейных эффектов необходимо без значительного снижения эффективности ЭС существенно увеличивать диаметр поля моды активного световода, с одной стороны, и уменьшать его рабочую длину за счет увеличения концентрации редкоземельных элементов, с другой стороны. Однако в случае разработанных для ВОЛС ЭС с алюмосиликатной сердцевиной, выполнение данной задачи сталкивается с рядом проблем. Для сохранения одномодового режима работы при увеличении диаметра поля основной моды необходимо уменьшать разность показателей преломления сердцевины и оболочки световода. Достигнуть этого можно путем уменьшения концентрации оксида алюминия в сердцевине, который, однако, необходим для повышения растворимости ионов эрбия. Таким образом, увеличение диаметра поля моды в ЭС, изготовленных по стандартной технологии, сопряжено с существенным падением эффективности их работы [4].
Также в настоящее время все более активно обсуждается возможность использования различных устройств на основе ЭС в открытом космосе либо на околоземной орбите. Многообещающим, в частности, представляется создание оптической связи спутник-спутник или спутник - Земля, что связано с высокой прозрачностью атмосферы в области 1.55 мкм. Все больший интерес представляет использование лидаров (англ. акроним Lidar -light detection and ranging - лазерные локаторы, используемые для зондирования толщи моря, морской. и земной поверхности, атмосферы). Перспективным является использование в составе суборбитальных аппаратов компактных волоконных гироскопов, в которых обычно применяются суперлюминесцентные источники на базе эрбиевых световодов. Все эти
применения сопряжены с работой в условиях повышенного радиационного фона, который может оказывать существенное влияние на работу волоконных устройств вследствие высокой радиационной чувствительности алюмосиликатной матрицы, используемой в обычных ЭС.
Таким образом, несмотря на большое количество выполненных работ по разработке и исследованию эрбиевых световодов, их совершенствование по-прежнему остается актуальной задачей, а решение перечисленных выше проблем позволит существенно расширить область применений ЭС.
Цели работы
Целью данной работы являлся поиск и исследование новой стеклянной матрицы для легирования ионами эрбия, позволяющей улучшить характеристики ЭС. В частности, в качестве одного из наиболее перспективных объектов исследования была выбрана фосфоро-алюмосиликатная (ФАС) стеклянная матрица, одним из уникальных свойств которой является возможность получения показателя преломления на уровне нелегированного кварцевого стекла даже при высокой концентрации оксидов алюминия и фосфора [5]. Кроме того, важной сопутствующей задачей, поставленной в рамках диссертационной работы, являлось сравнение радиационной чувствительности ЭС на основе различных стеклянных матриц и поиск дополнительных методов снижения радиационной чувствительности ЭС. В соответствии с этим были сформулированы следующие основные задачи диссертационной работы:
исследовать оптические свойства световодов с ФАС-сердцевиной;
изучить усилительные характеристики ФАС-световодов, легированных оксидом эрбия;
сравнить уровень радиационно-наведенных оптических потерь в эрбиевых световодах с различным составом сердцевины;
разработать эффективный метод повышения радиационной стойкости эрбиевых световодов для работы в космосе.
Научная новизна
Проведено детальное исследование спектрально-люминесцентных характеристик пассивных и активированных ионами эрбия ФАС-световодов при независимом варьировании концентраций легирующих оксидов фосфора и алюминия в диапазоне 0-20 мол.%. Обнаружено сходство спектров оптического поглощения (положение и интенсивность пиков поглощения в диапазоне длин волн 200-1700 нм) и спектров люминесценции (в области 1550 нм) ФАС-световодов с избытком А120з или P2Os в сердцевине с соответствующими спектрами световодов с двухкомпонентной АЬОз - Si02 либо Р2О5 - Si02 сердцевиной.
Продемонстрировано, что соединение AIPO4 повышает растворимость Ег20з в кварцевом стекле. Таким образом, соединение AIPO4 является единственной известной легирующей добавкой, одновременно снижающей показатель преломления и улучшающей усилительные свойства активных световодов на основе кварцевого стекла, легированного оксидами редкоземельных элементов (РЗЭ).
Проведены исследования радиационно-наведенных оптических потерь и эффективности генерации в эрбиевых световодах, насыщенных молекулярным водородом. Обнаружено, что присутствие молекулярного водорода в световоде не только многократно (в 4-5 раз) снижает радиационно-наведенные потери (РНП), но и существенно повышает скорость и эффективность (в ~5 раз) фотопросветления РНП при использовании источника накачки на длине волны 980 нм.
Проведен тщательный сравнительный анализ спектров РНП в эрбиевых световодах на основе кварцевого стекла с различным составом сердцевины. Установлено, что спектр РНП в эрбиевых световодах с ФАС-сердцевиной определяется избыточной концентрацией одного из оксидов (А120з или P2Os) и аналогичен (по положению и интенсивности пиков поглощения) спектрам РНП эрбиевых световодов с фосфоросиликатной или алюмосиликатной сердцевиной. Обнаружено снижение РНП, обусловленное солегированием сердцевины световода малой (~1 мол. %) добавкой оксида германия.
Практическая ценность
Экспериментально установлен диапазон концентраций оксидов фосфора и алюминия, которые обеспечивают приемлемый уровень оптических потерь (< 30 дБ/км) для использования ФАС-стекол в качестве матрицы активных световодов. Установлены и устранены причины высоких оптических потерь с ФАС-световодах с избытком оксида фосфора.
Продемонстрировано, что ФАС-световоды позволяют получить более высокую (по сравнению с фосфоросиликатными и алюмосиликатными световодами) эффективность преобразования накачки в сигнал в волоконном усилителе в случае активных световодов с увеличенным диаметром поля моды и высокой концентрацией РЗЭ в сердцевине.
Разработан метод долговременного повышения радиационной стойкости эрбиевых световодов, основанный на насыщении световода с герметичным углеродным покрытием молекулярным водородом. Продемонстрировано, что радиационно-упрочняющий эффект от насыщения водородом усиливается при использовании накачки в диапазоне 980 нм, при этом срок службы эрбиевого световода в условиях повышенного радиационного фона может быть увеличен более чем в ~30 раз.
В результате сравнительного исследования эрбиевых световодов, отличающихся составом стекла сердцевины, установлены составы стекол, позволяющие обеспечить максимальную радиационную стойкость эрбиевых световодов без снижения их генерационных характеристик.
Защищаемые положения
1. Оптические свойства (интенсивность, форма и положение полос
поглощения, включая радиационно-наведенные, спектр люминесценции в
области 1550 нм) пассивных и активных (легированных ионами Ег3*)
кварцевых волоконных световодов с сердцевиной из
фосфороалюмосиликатного (ФАС) стекла с избытком Р2О5 подобны
световодам с фосфоросиликатной сердцевиной, а ФАС световоды с избытком
AI2O3 - алюмосиликатным световодам.
2. В волоконных световодах на основе ФАС-стекла достижим уровень
оптических потерь < 15 дБ/км, если концентрация хотя бы одного из оксидов
(А1203 или Р2О5) не превышает 15 мол.%.
Присутствие соединения А1Р04 позволяет без снижения эффективности преобразования накачки в сигнал повысить концентрацию оксида эрбия почти на порядок по сравнению с фосфоросиликатным стеклом и почти в два раза по сравнению с кварцевым стеклом с малой концентрацией А1г03 (1.5 мол.%).
Срок службы эрбиевых световодов с герметичным углеродным покрытием в условиях повышенного радиационного фона может быть многократно продлен за счет их насыщения молекулярным водородом и при накачке в полосу поглощения 980 нм.
Апробация работы
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Европейской конференции по оптической связи ЕСОС'2006 (Канны, Франция) и ЕСОС'2007 (Берлин, Германия), на Международной конференции по влиянию радиации на материалы и приборы RADECS'2007 (Довиль, Франция), а также неоднократно на научных семинарах и конкурсах молодых ученых НЦВО РАН. По теме диссертации опубликованы 5 статей в рецензируемых журналах, определяемых ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 5 таблиц. Список литературы содержит 128 наименований. Личный вклад автора
Диссертационная работа является результатом пятилетней работы автора в Научном центре волоконной оптики РАН и представляет собой обобщение работ автора, выполненных совместно с сотрудниками НЦВО РАН и ИХВВ РАН. Коллективный характер экспериментальных работ обусловил публикацию полученных результатов в соавторстве с коллегами. Все основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии. Работы, посвященные повышению радиационной стойкости световодов, были выполнены под руководством А.Л. Томашука.
