Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ВКР-лазеры (Обзор литературы) 11
1.1. Явление вынужденного комбинационного рассеяния 11
1.2. 1970-1980-е годы 12
1.3. 1980-1990-е годы 15
1.4. 1990-2000-е годы 17
1.5. Численное моделирование волоконных ВКР-лазеров 28
Глава 2. Численное и экспериментальное исследование двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде 35
2.1. Модель двухкаскадного ВКР-лазера 35
2.2. Исследование и оптимизация ВКР-лазера на 1.478 мкм 40
2.3. Спектральный диапазон работы двухкаскадного волоконного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде с накачкой от иттербиевого лазера 48
Глава 3. Влияние сосредоточенных оптических потерь на эффективность ВКР-лазера 53
3.1. Влияние оптических потерь на брэгговских решетках показателя преломления на эффективность ВКР-лазера... 53
3.2. Влияние оптических потерь на соединениях внутри резонатора на эффективность работы ВКР-лазера 60
3.3. Влияние на эффективность преобразования вытекания из резонатора мощности излучения первой стоксовои компоненты 63
Глава 4. Моделирование и изготовление устройств, использующих в качестве источника накачки двухкаскадный ВКР-лазер на фосфоросиликатном световоде 79
4.1. ВКР-усилитель для излучения на длине волны 1.65 мкм 81
4.2. ВКР-лазер на длине волны L65 мкм 91
4.3. Применение двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде для накачки эрбиевого усилителя 99
Заключение 106
Литература 108
- Численное моделирование волоконных ВКР-лазеров
- Спектральный диапазон работы двухкаскадного волоконного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде с накачкой от иттербиевого лазера
- Влияние оптических потерь на соединениях внутри резонатора на эффективность работы ВКР-лазера
- Применение двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде для накачки эрбиевого усилителя
Введение к работе
Развитие современного общества требует повышения скорости и качества передачи информации, в том числе и по волоконно-оптическим линиям связи. В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется повышению пропускной способности линий связи. До недавнего времени увеличение пропускной способности волоконно-оптических линий связи происходило за счет увеличения пропускной способности одного канала, то есть передачи информации на одной длине волны. Однако в настоящее время более эффективным способом повышения скорости передачи информации является спектральное уплотнение каналов, то есть передача сигналов на нескольких длинах волн по одному световоду [1, 2]. Современное качество оптических световодов позволяет передавать оптические сигналы на довольно большие расстояния (десятки и даже сотни километров без усиления) в диапазоне длин волн от 0.8-1.0 мкм вплоть до 1.7 мкм, благодаря достаточно низким оптическим потерям в этой области. Однако, несмотря на низкие оптические потери, оптический сигнал подвержен ослаблению и нуждается в периодическом усилении при прохождении по длинным (междугородним, трансокеанским и.т.п.) линиям связи. Поэтому для практического освоения всего диапазона оптической передачи информации необходимы соответствующие усилители оптического сигнала. В настоящее время в линиях связи широко применяются волоконные эрбиевые усилители, а также усилители, использующие эффект вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). В связи с использованием технологии спектрального уплотнения каналов возникает необходимость одновременно усиливать большое количество сигналов на разных длинах волн. Это обстоятельство накладывает требования на усилители сигналов: во-первых, они должны быть достаточно мощными, во-вторых, работать в достаточно широком спектральном диапазоне. В связи с этим для таких усилителей необходимы мощные источники накачки, работающие в широком диапазоне длин волн. На сегодняшний день наиболее
универсальными источниками накачки для мощных широкополосных усилителей являются ВКР-лазеры. Преимуществами волоконных ВКР-лазеров в качестве источников накачки волоконных усилителей являются сочетание широкого диапазона рабочих длин волн и высокой мощности излучения, простота эксплуатации и стыковки с другими световодами.
Помимо расширения рабочего диапазона волоконных усилителей стоит задача расширения спектрального диапазона генерации волоконных лазеров с целью использования в различных областях. Волоконные лазеры, работающие на различных длинах волн, могут применяться, например, в медицине [3, 4, 5] или для накачки лазерных структур [6]. Длины волн излучения волоконных лазеров на световодах, легированных редкоземельными элементами, не охватывают всего спектрального диапазона прозрачности световодов на основе кварцевого стекла. Так, область эрбиевых лазеров ограничена диапазоном 1.53-1.6 мкм, а тулиевые лазеры, наоборот, работают в диапазоне длин волн больших 1.7 мкм [7]. Поэтому для создания волоконных источников в области 1.6-1.7 мкм перспективным является использование эффекта ВКР.
Большое количество работ было посвящено созданию и исследованию ВКР-лазеров на световодах, на основе кварцевого стекла, легированного оксидом германия [8, 9, 10]. Однако сдвиг частоты комбинационного рассеяния за счет колебания связей атомов кислорода с атомами кремния или германия составляет всего 440 см"1. Поэтому, для получения излучения на длине волны 1.24 мкм или 1.48 мкм при накачке от иттербиевого или неодимового лазера в районе 1 мкм, необходимо большое количество каскадов ВКР-преобразования. Е.М. Диановым и А. М. Прохоровым было предложено применять в качестве активной среды ВКР-лазеров световоды на основе кварцевого стекла с сердцевиной, легированной оксидом фосфора Р2О5 [11]. Колебания двойной связи атома фосфора с кислородом позволяют получить сдвиг частоты КР в три раза больший, чем в кварцевом стекле -
1330 см" . Это позволило уменьшить число каскадов ВКР-преобразования, а, следовательно, упростить конструкцию ВКР-лазеров и снизить их стоимость.
Благодаря исследованиям в области технологии, в НЦВО при ИОФ РАН были разработаны световоды с содержанием оксида фосфора в сердцевине около 10 мол % и оптическими потерями в диапазоне 1.2-1.6 мкм - менее 1 дБ/км [12]. Высокое качество световодов, легированных оксидом фосфора, позволило изготавливать эффективные ВКР-лазеры на их основе.
Как уже отмечалось, одним из важных применений ВКР-лазеров является накачка волоконных усилителей. В качестве источника накачки как эрбиевых волоконных усилителей, необходимых для усиления сигнала на длинах волн 1.53-1.6 мкм, так и ВКР-лазеров и усилителей (на германосиликатных световодах) в области 1.6-1.7 мкм, может быть использован двухкаскадный ВКР-лазер на фосфоросиликатном световоде с накачкой в области 1 мкм от иттербиевого или неодимового лазера. При этом интерес представляет исследование возможности накачки различных усилителей и лазеров двухкаскадным ВКР-лазером на фосфоросиликатном световоде, с целью получения высокой выходной мощности и расширения спектрального рабочего диапазона этих устройств.
В связи с практическим использованием двухкаскадных ВКР-лазеров на фосфоросиликатных световодах, стоит задача повышения их эффективности. С этой целью, исходя из свойств активного световода, необходимо проводить оптимизацию таких параметров резонатора, как длина и коэффициент отражения выходной брэгговской решетки. Интерес представляет также изучение влияния сосредоточенных оптических потерь внутри резонатора на выходную мощность ВКР-лазера и оптимальные значения параметров резонатора. Кроме того, для оценки перспективности применения двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде в какой-либо схеме, необходима оценка его спектрального рабочего диапазона. В случае волоконных ВКР-лазеров эти задачи возможно решить при помощи математического моделирования ВКР-лазера. В связи с этим, актуальной
задачей являлось всестороннее, как экспериментальное, так и численное исследование двухкаскадных ВКР-лазеров на световодах из кварцевого стекла с сердцевиной, легированной оксидом фосфора.
Приведенные выше соображения послужили основанием для проведения настоящей работы, цели которой можно сформулировать следующим образом:
теоретическое моделирование ВКР-лазеров с целью нахождения оптимальных значений параметров резонатора,
создание ВКР-лазеров с оптимальными параметрами на основе световодов из кварцевого стекла, легированного оксидом фосфора,
- создание усилителей с накачкой от ВКР-лазеров, создание составных
ВКР-лазеров.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
В первой главе сделан обзор литературных данных, посвященных явлению ВКР в световодах, а также ВКР-усилителям и ВКР-лазерам. Отдельный параграф посвящен моделированию волоконных ВКР-лазеров.
Вторая глава посвящена теоретическому моделированию и изготовлению двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде на длину волны 1.478 мкм. Численно исследована зависимость эффективности ВКР-лазера от таких параметров как длина резонатора и коэффициент отражения выходной решетки, найдены их оптимальные значения. Проведены численные оценки спектральной зависимости эффективности двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде с накачкой иттербиевым волоконным лазером.
В третьей главе численно исследовано влияние величины нерезонансных оптических потерь на брэгговских решетках и соединениях внутри резонатора на выходную мощность излучения ВКР-лазера. Проведено численное моделирование и изготовление двухкаскадного волоконного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде (1.089\1.273\1.533 мкм). На основе
эксперимента и расчета изучено явление вытекания промежуточной стоксовой компоненты из резонатора. В квазимонохроматической модели ВКР-лазера произведен учет дополнительных потерь на вытекание первой стоксовой компоненты и проведено сравнение результатов расчета и эксперимента.
Четвертая глава посвящена созданию ВКР-усилителя на длину волны 1.65 мкм, ВКР-лазера также на длину волны 1.65 мкм и эрбиевого усилителя. Накачкой для всех трех устройств служил двухкаскадный ВКР-лазер на фосфоросиликатном световоде.
В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Научная новизна работы заключаются в следующем:
-проведено систематическое исследование влияния различных факторов на эффективность работы ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде,
-реализован и исследован эрбиевый волоконный усилитель с накачкой от ВКР-лазера,
-изготовлен и исследован эффективный составной ВКР-лазер для диапазона 1.6-1.7 мкм.
Практическими результатами работы являются:
-на основе современной вычислительной техники и пакетов программ создана программа расчета ВКР-лазеров,
-проведено численное моделирование, оптимизация и изготовление двухкаскадных ВКР-лазеров на фосфоросиликатных световодах,
-созданы ВКР-усилитель, эрбиевый усилитель и ВКР-конвертер на длину волны 1.65 мкм с накачкой от двухкаскадного ВКР-лазера.
Работа выполнялась в Научном центре волоконной оптики при Институте общей физики им. A.M. Прохорова РАН. Волоконные световоды, использованные в работе, были изготовлены в лаборатории технологии волоконных световодов НЦВО при ИОФРАН совместно с лабораторией
технологии волоконных световодов Института химии высокочистых веществ РАН. В работе использовались брэгговские решётки, изготовленные сотрудником НЦВО О.И. Медведковым.
Основные результаты работы представлено в следующих публикациях:
N. Kurukitkoson, Н. Sugahara, S.K. Turitsyn, O.N. Egorova, A.S. Kurkov, V.M. Paramonov, E.M. Dianov, "Optimization of two-stage Raman converter based on phosphosilicate core fiber: modeling and experiment", Electronics Letters, Vol. 37, No. 21, pp. 1281-1283 (2001).
A.C. Курков, B.M. Парамонов, O.H. Егорова, О.И. Медведков, E.M. Дианов, И.Д. Залевский, СЕ. Гончаров, "Волоконный ВКР-усилитель на длину волны 1.65 мкм", Квантовая электроника, т. 32, №. 8, с. 747-750 (2002).
О.Н. Егорова, А.С. Курков, О.И. Медведков, В.М. Парамонов, Е.М. Дианов, "Влияние спектрального уширения промежуточной стоксовой компоненты на эффективность работы двухкаскадного ВКР-конвертера", Квантовая электроника, т. 35, № 4, с. 335-338 (2005).
А.С. Курков, В.М. Парамонов, О.Н. Егорова, О.И. Медведков, Е.М. Дианов, М.В. Яшков, А.Н. Гурьянов, И.Д. Залевский, СЕ. Гончаров, "Мощный эрбиевый волоконный усилитель с накачкой от рамановского волоконного конвертера на основе фосфоросиликатного световода", Квантовая электроника, т. 31, № 9, с. 801-803 (2001).
A.S.Kurkov, V.M.Paramonov, O.N.Egorova, E.M.Dianov, M.V.Yashkov, A.N.Guryanov, I.D.Zalevsky, S.E.Goncharov, "+28 dBm output power from EDFA pumped by Raman converter based on P-doped fiber" Proceeding of ECOC'2001, Tu.B.2.4, Amsterdam (2001).
A.S. Kurkov, V.M. Paramonov, O.N. Egorova, E.M. Dianov, M.V. Yashkov, A.N. Guryanov, LD. Zalevsky, S.E. Goncharov, "High-power EDFA pumped by P-doped fiber-based Raman converter", Photonics West'2002, San-Jose, Proceedings SPIE, Vol. 4638, pp. 58-63 (2002).
Е.М. Dianov, A.S. Kurkov, O.I. Medvedkov, V.M. Paramonov, O.N. Egorova, N. Kurukitkoson, S.K. Turitsyn, "Raman fiber source for 1.6-1.75 цт spectral region", Technical Digest, OFC'2003, MF26, pp. 29-30, Atlanta, Georgia, (2003).
A.G. Berezin, O.N. Egorova, O.V. Ershov, A.S. Kurkov, A.I. Nadezhdinskii, V.M. Paramonov, "Raman fiber amplifier at 1.65 цт for remote sensing applications", 4,h International Conference on Tunable Diode Laser Spectroscopy, Zermatt, Switzerland, Abstracts of papers, p. 130 (2003). Материалы, изложенные в диссертации, докладывались также на
семинарах НЦВО при ИОФ РАН и кафедры оптики и спектроскопии физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
Численное моделирование волоконных ВКР-лазеров
Эффективность работы волоконного ВКР-лазера определяется такими параметрами как коэффициент усиления и оптические потери в световоде, сосредоточенные потери в резонаторе, коэффициент отражения выходной решетки и длина резонатора. Коэффициент усиления световода и его оптические потери определяются уровнем технологии изготовления световодов. Уровень сосредоточенных потерь на сварках внутри резонатора и брэгговских решетках также определяются технологией их изготовления. Такие параметры как длина световода и коэффициент отражения выходной решетки могут с высокой точностью быть подобраны для каждой конкретной задачи. Поскольку последние два параметра сильно влияют на эффективность ВКР-лазера, для получения максимальной эффективности необходимо найти их оптимальные значения. Эта задача может быть осуществлена при помощи математического моделирования ВКР-лазера.
Впервые численное моделирование волоконного ВКР-лазера было осуществлено в работе [58] в 1979 году. Разработанный метод расчета позволял найти выходную мощность ВКР-лазера исходя из известных характеристик световода, резонатора и мощности накачки. В данной работе было проведено моделирование однокаскадного волоконного ВКР-лазера, описанного в работе [25].
В связи с возникшим интересом к усилителям на длине волны 1.3 мкм, в работе [59] проводилось моделирование и оптимизация трехкаскадного (1.064/1.117/1.175/1.24 мкм) волоконного ВКР-лазера на германосиликатном световоде и ВКР-усилителя на длине волны 1.310 мкм. Моделированию и оптимизации аналогичной схемы ВКР-лазера на 1.24 мкм с использованием параметров световода с высоким содержанием оксида германия в сердцевине (18-26 мол %) посвящена работа [60].
В работе [61] проводилось моделирование пяти каскадного (1.117/1.240/1.315/1.395/1.480 мкм) ВКР-лазера на германосиликатном световоде. В работе также измерялись оптические потери и коэффициенты усиления световодов фирмы "Pirelli" с концентрацией оксида германия в сердцевине 9 и 18 мол %. Эти параметры были использованы для моделирования. Также проводилась оптимизация конструкции ВКР-лазера по длине резонатора и коэффициенту отражения выходной решетки. Во всех перечисленных выше работах для расчетов использовалась квазимонохроматическая модель ВКР-лазера. В случае произвольного числа каскадов N ВКР-пребразований ВКР-лазер описывается системой из 2(1+N) нелинейных дифференциальных уравнений с граничными условиями: где z - координата вдоль световода, ХР, Х\у XN- длины волн накачки и стоксовых компонент, Р р, Р% Р м - мощности излучения накачки и стоксовых компонент распространяющиеся в прямом и обратном направлении вдоль оси z. Члены в правой части системы (1.3), линейные по мощности, описывают оптические потери в световоде, нелинейные — ВКР соответствующих стоксовых компонент или накачки. Характеристиками световода являются коэффициенты оптических потерь на соответствующей длине волны - а и коэффициенты усиления - g. Параметры резонатора учитываются в граничных условиях на входе (1.4а) и на выходе (1.46) резонатора: L - длина резонатора, R; - коэффициенты отражения соответствующих брэгговских решеток, Р - величина, характеризующая сосредоточенные потери в резонаторе (потери на сварках и нерезонансные потери на брэгговских решетках). Р=(100%-р)/100%, где р - доля мощности излучения, выраженная в процентах, теряемая при прохождении брэгговских решеток и мест соединений световодов. Излучение на всех длинах волн в модели (1.3)-(1.4) считается квазимонохроматическим, спектры отражения брэгтовских решеток - прямоугольными.
Для моделирования и оптимизации параметров ВКР-лазера необходимо определение параметров резонатора и активного элемента, а также всех возможных источников оптических потерь. Основным элементом ВКР-лазера является активный световод. Активный световод характеризуется коэффициентом усиления и оптическими потерями. Коэффициент усиления на определенной длине волны при соответствующей длине волны накачки, определяется интегралом перекрытия интенсивностей излучения накачки и стоксовой волны и количеством молекул, на которых происходит КР. Усилительным свойствам световодов на основе кварцевого стекла с сердцевиной, легированной оксидом германия посвящена работа [62]. В световодах, легированных оксидом фосфора, коэффициент усиления определяется концентрацией оксида фосфора в сердцевине. Однако, при возрастании концентрации оксида фосфора в сердцевине повышается не только коэффициент усиления, но и оптические потери. В [63] оптимальное соотношение между потерями и коэффициентом усиления световода соответствовало максимальной концентрации оксида фосфора Р2О5 -12-14 мол %. При этом коэффициент усиления составил 5.6 дБ/(км Вт), а оптические на длине волны 1.24 мкм - 1 дБ/км. При дальнейшем совершенствовании технологии изготовления световодов [64] был достигнут коэффициенте усиления — 7 дБ/(км Вт) при оптических потерях на длине волны 1.24 мкм - 0.96 дБ.
Резонатор ВКР-лазера составляют пары брэгговских решеток на длину волны каждой стоксовой компоненты и накачки. Каскады брэгговских решеток, записанные на отдельном участке световода, привариваются к активному световоду. Сварки и брэгговские решетки являются дополнительным источником оптических потерь в резонаторе. Природа и величина оптических потерь на сварках и брэгговских решетках рассмотрены в параграфах 3.1 и 3.2. Используемые для расчетов значения оптических потерь на брэгговских решетках и сварках внутри резонатора (коэффициенты р) невозможно точно измерить на практике вследствие их малости. Это может приводить к различиям результатов расчета и эксперимента. Также погрешность в расчеты вносит наличие квазимонохроматического приближения, так как имеет место уширение стоксовых компонент. В работе [65] сделана попытка числено оценить влияние на эффективность пятикаскадного ВКР-лазера на германосиликатном световоде таких факторов, как оптические потери на решетках и сварках внутри резонатора. Для этого было проведено математическое моделирование ВКР-лазера при различных значениях оптических потерь на брэгговских решетках (0.02 - 0.1 дБ) и на внутрирезонаторных сварках (0-0.2 дБ). Результаты расчетов показывают, что при мощности накачки 4 Вт при изменении нерезонансных потерь на брэгговских решетках от 0.02 до 0.1 дБ, эффективность ВКР-лазера уменьшается на 12 %. При возрастании потерь на сварку от 0 до 0.2 дБ эффективность ВКР-лазера уменьшается от 49 до 38 %. Также было численно исследовано влияние уширения последней стоксовой компоненты с учетом реального спектра отражения выходной брэгговской решетки на эффективность ВКР-лазера. В результате показано, что с ростом мощности накачки может происходить значительное (от 30 % до 10 %) уменьшение эффективного коэффициента отражения выходной решетки.
Спектральный диапазон работы двухкаскадного волоконного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде с накачкой от иттербиевого лазера
В настоящее время наиболее простым и эффективным источником накачки для волоконного ВКР-лазера, работающего в области прозрачности световодов на основе кварцевого стекла, является волоконный лазер на основе активного световода с двойной оболочкой, легированного ионами иттербия. Это обусловлено легкостью стыковки иттербиевого лазера и ВКР-лазера и возможностью изготовления единой волоконно-оптической схемы, а также высокой эффективностью [73] и широким спектральным диапазоном [75] иттербиевых волоконных лазеров. Данный параграф посвящен теоретическим оценкам эффективности двухкаскадного ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного световода с накачкой от иттербиевого волоконного лазера во всем спектральном диапазоне, который возможно реализовать в данной схеме. Данный расчет позволяет определить границы применимости схемы иттербиевый лазер -двухкаскадный ВКР-лазер на основе фосфоросиликатного волокна. Оценка эффективности и спектрального диапазона рабочих длин волн системы иттербиевый лазер - двухкаскадный ВКР-лазер на фосфоросиликатном световоде Выходная мощность и эффективность двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде оценивалась исходя из спектральной зависимости эффективности иттербиевого волоконного лазера [76] (рис. 2.7).
Исходя из данной зависимости, для каждой точки рассчитывалась выходная мощность иттербиевого лазера для мощности диодной накачки на 0.98 мкм равной 8 Вт. При моделировании ВКР-лазеров использовались параметры, приведенные в параграфе 2.2. Кроме того, была учтена спектральная зависимость оптических потерь в фосфоросиликатном световоде. Для каждой мощности накачки, рассчитанной исходя из данных, представленных на рисунке 2.7, была проведена оптимизация ВКР-лазера по длине световода и коэффициенту отражения выходной решетки. Значения оптимальной выходной мощности приведены на рисунке 2.8. На рисунке 2.9 приведена спектральная зависимость эффективности системы иттербиевый лазер - двухкаскадный ВКР-лазер на фосфоросиликатном световоде относительно мощности накачки на 0.98 мкм. Как видно, эффективность такой системы составляет величину, большую 18 % в диапазоне около 20 нм (от 1450 нм до 1650 нм). В области 1.47-1.62 мкм может быть достигнута эффективность, относительно мощности полупроводниковой накачки, свыше 30 %. Максимум эффективности приходится на длины волн 1.50-1.55 мкм и составляет около 35 %. При мощности накачки на 0.98 мкм равной 8 Вт это соответствует выходной мощности ВКР-лазера - 2.8 Вт. Данные результаты практически совпадают с результатами полученными в [67]. 1. Проведено математическое моделирование двухкаскадного волоконного ВКР-лазера (1.061U.235U.478 мкм) на фосфоросиликатном световоде путем численного решения системы дифференциальных уравнений с граничными условиями, описывающими работу ВКР-лазера в квазимонохроматическом приближении.
Результаты расчетов экспериментально проверены при создании волоконного ВКР-лазера (1.061\1.235\1.478 мкм). Проведена численная оптимизация длины резонатора и коэффициента отражения выходной решетки ВКР-лазера при различных мощностях накачки. При увеличении мощности накачки от 2 до 5 Вт происходит увеличение эффективности работы лазера от 29% до 41 %. Оптимальное значение коэффициента отражения выходной решетки при этом снижается от 15-25 % при мощности накачки 2 Вт до 5-10 % при 5 Вт. 2. Численно исследовано влияние изменения длины резонатора и коэффициента отражения выходной брэгговской решетки на эффективность работы ВКР-лазера. Для рассмотренных мощностей накачки длина резонатора может быть уменьшена до 200-300 м без существенного уменьшения выходной мощности. При изменении коэффициента отражения выходной брэгговской решетки (для диапазона значений 10-25 %) на величину 5 % изменение эффективности составляет 1-2 %. 3. На основе экспериментально полученной спектральной зависимости эффективности волоконного иттербиевого лазера с накачкой на 0.98 мкм, построена зависимость максимальной расчетной эффективности (при оптимальных параметрах) системы иттербиевый лазер - волоконный двухкаскадный ВКР-лазер на фосфоросиликатном световоде. Расчет показывает, что в области 1.47-1.62 мкм может быть достигнута эффективность относительно мощности накачки на 0.98 мкм - 30-35%. Несмотря на то, что нерезонансные оптические потери на брэгговских решетках показателя преломления существенно влияют на эффективность работы ВКР-лазера, в настоящее время очень мало работ посвящено этому вопросу. В связи с этим природа оптических потерь на брэгговских решетках изучена очень мало. В работе [77] проводился эксперимент, целью которого являлась исследование механизмов нерезонансных оптических потерь в брэгговских решетках. Суть эксперимента состояла в том, что участок предварительно насыщенного водородом световода сбоку засвечивался излучением на длине волны 244 нм. Засвечивающее пятно равномерно перемещалось вдоль световода. При этом по световоду проходило излучение на длине волны 1.55 мкм. На выходе световода измерялась мощность прошедшего излучения (рис. 3.1). В начале засветки происходило падение сигнала на величину 0.07 дБ. Эти потери, очевидно, связаны с вытеканием части излучения основной моды в оболочку световода в связи с неоднородным по диаметру изменением показателя преломления сердцевины световода. При дальнейшей засветке продолжалось падение мощности сигнала со скоростью 0.2 дБ/см. Природа этих потерь, скорее всего, связана с поглощением. Следует отметить, что величина 0.2 дБ/см имеет ориентировочное значение, поскольку уровень потерь на поглощение, вызванных ультрафиолетовой засветкой, зависит от длины волны поглощаемого излучения и дозы УФ засветки.
Влияние оптических потерь на соединениях внутри резонатора на эффективность работы ВКР-лазера
В связи с необходимостью насыщения водородом и последующего отжига световода, запись брэгговских решеток обычно производится на коротких участках световода, которые затем привариваются к световоду, выполняющему роль активного элемента ВКР-лазера. Сварка активного элемента ВКР-лазера с двумя световодами с брэгговскими решетками является дополнительным источником внутрирезонаторных потерь.
В работе [78] была показана возможность записи брэгговских решеток показателя преломления в фосфоросиликатных световодах под воздействием излучения с длиной волны 193 нм. Запись брэгговских решеток показателя преломления позволяет избежать дополнительных оптических потерь в резонаторе, связанных со сваркой активного световода и световода с каскадом брэгговских решеток. В работе [44] впервые осуществлено создание ВКР-лазера с решетками, экспонированными непосредственно на фосфоросиликатном световоде. Однако отмечалось, что процесс записи брэгговских решеток требует насыщения водородом всего световода, вследствие чего увеличиваются оптические потери в световоде. В работе [64] также отмечалось, что качество источников излучения на длине волны 193 нм позволяют проводить запись брэгговских решеток только с помощью фазовых масок. Это на практике существенно ограничивает выбор рабочей длины волны брэгговской решетки.
В связи с вышеперечисленными трудностями в ряде работ по ВКР-лазерам на фосфоросиликатных световодах [51, 50 49, 53] цепочки брэгговских решеток записывались на отрезке германосиликатного световода, который затем приваривался к активному фосфоросиликатному световоду. В работе [49] для записи брэгговских решеток использовался световод с германосиликатной сердцевиной типа "Flexcore". Такой световод имел повышенное по сравнению со стандартным содержание GeC 2 в сердцевине ( 6 мол. %) и, соответственно, повышенную фоточувствительность, позволяющую эффективно записывать брэгговские решетки в условиях пропитки водородом. При этом диаметр поля моды в таком световоде был близок к диаметру поля моды в фосфоросиликатном световоде, что позволяло минимизировать потери на стыковке (сварке). Экспериментально измеренные оптические потери на сварках в этой работе составили 0.05 дБ.
Нами также были проведены экспериментальные оценки оптических потерь на сварку. Для повышения точности подобных оценок проводилось попеременное соединение нескольких участков фосфоросиликатного световода и световода типа "Flexcore". Режимы сварки при этом не изменялись. Когда количество соединений достигало десяти, проводилось измерение оптических потерь методом обламывания. Измеренная таким образом средняя величина потерь на одну сварку типичного световода на фосфоросиликатном стекле и световода типа "Flexcore" составила величину около 0.1 дБ.
Затем было проведено численное исследование влияния оптических потерь на сварках на эффективность работы двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде. Параметры моделируемого лазера те же, что и в предыдущем параграфе. Оптические потери на брэгговских решетках с высоким коэффициентом отражения составляют 0.1 дБ. Мощность накачки — 4 Вт. На рисунке 3.4 представлена зависимость выходной мощности ВКР-лазера от величины оптических потерь на сварку. SP1- потери на сварку с входным каскадом брэгговских решеток, SP2- с выходным каскадом. Потери на сварку изменялись в диапазоне от 0 до 0.2 дБ. Увеличение потерь на сварках со световодом с брэгговскими решетками от 0 до 0.2 дБ вызывает снижение выходной мощности лазера от 1.8 Вт до 1.4 Вт (эффективности - от 45 % до 35 %). Увеличение потерь на сварках со световодом с брэгговскими решетками от 0 до их среднего значения - 0.1 дБ вызывает снижение выходной мощности лазера от 1.8 Вт до 1.6 Вт (эффективности - от 45 % до 40 %).
Одним из источников оптических потерь в резонаторе ВКР-лазера является вытекание излучения стоксовых компонент из резонатора из-за того, что ширина их спектра оказывается больше ширины спектра соответствующей брэгговской решетки. В работе [49] отмечалось вытекание первой стоксовой компоненты из резонатора двухкаскадного ВКР-лазера на длину волны 1.48 мкм на фосфоросиликатном световоде. Мощность излучения первого стокса на выходе из резонатора составила 10 мВт при выходной мощности ВКР-лазера до 1 Вт.
В последующей работе [50] также наблюдалось вытекание промежуточной стоксовой компоненты из резонатора двухкаскадного ВКР-лазера, и было замечено, что ее мощность на выходе резонатора возрастает при возрастании мощности накачки (рис.3.5.). Максимальная мощность первой стоксовой компоненты достигала величины около 100 мВт. Измерения показали, что спектр излучения первой стоксовой компоненты значительно шире спектра соответствующей брэгговской решетки, что приводит к вытеканию излучения из резонатора (рис.3.6.). Также имеет место увеличение ширины спектра излучения, как первой, так и второй стоксовой компоненты с ростом мощности накачки. По мнению авторов наиболее вероятной причиной уширения спектра могло явиться одновременное действие эффектов ВКР и четырехволнового смешения. Вытекание промежуточной стоксовой компоненты из резонатора двухкаскадного ВКР-лазера наблюдалось также в работах [51, 52, 64]. В перечисленных выше работах мощность излучения, вытекающего из резонатора лазера, составляла несколько процентов от внутрирезонаторной мощности. Такие потери могут оказывать существенное влияние на выходную мощность ВКР-лазера.
Данный параграф посвящен исследованию влияния дополнительных оптических потерь, связанных с вытеканием промежуточной стоксовой компоненты из резонатора двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде, на эффективность работы лазера. В реальном ВКР-лазере измерены потери на вытекание при различных мощностях накачки. Измеренные потери учтены в модели ВКР-лазера, численно исследовано влияние этих потерь на выходную мощность и оптимальные параметры ВКР-лазера. Результаты, представленные в параграфе, опубликованы в работе [79]. Схема эксперимента На рисунке 3.7 представлена исследуемая схема ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде с рабочей длиной волны 1.533 мкм. Для накачки волоконного ВКР-лазера использовался иттербиевыи волоконный лазер с двойной оболочкой, работающий на длине волны 1.089 мкм (рис.3.7.). В качестве активного элемента лазера использовался световод, легированный оксидом фосфора, с максимальной разностью показателей преломления сердцевины и оболочки - 0.01 и длиной волны отсечки первой высшей моды - 1.05 мкм. Оптические потери в световоде и коэффициенты усиления на различных длинах волн представлены в таблице 3.1.
Применение двухкаскадного ВКР-лазера на фосфоросиликатном световоде для накачки эрбиевого усилителя
Эрбиевые волоконные усилители находят самое широкое применение в современных волоконно-оптических линиях связи, использующих для передачи сигнала спектральный диапазон в области 1.55 мкм. Максимальная мощность усилителей, используемых в настоящее время для усиления сигнала в линиях связи, составляет величину 100 - 200 мВт, и определяется мощностью одномодовых полупроводниковых источников накачки, излучающих на длине волны 0.98 мкм, либо в области 1.45-1.48 мкм. В то же время в системах со спектральным уплотнением каналов требуется использование усилителей с выходной мощностью близкой к 1 Вт. В настоящее время предложено несколько способов достижения высокой выходной мощности эрбиевого волоконного усилителя. Один из них состоит в использовании световода с сердцевиной, легированной ионами эрбия, и двойной оболочкой, позволяющей использовать для накачки мощные многомодовые источники [86]. Однако, использование накачки в оболочку световода приводит к уменьшению эффективности ее поглощения активной сердцевиной. Поэтому возникает проблема достижения высокой степени инверсии, необходимой для эффективного усиления трехуровневой системой. В результате высокую выходную мощность усилителя (400 мВт) удается получить только в области 1.56-1.60 мкм (L — полоса), где эрбиевые усилители работают по квазичетырехуровневой схеме. Для увеличения поглощения излучения накачки предложено дополнительное легирование ионами иттербия, который, имея большое сечение поглощения на длине волны накачки (0.98 мкм), передает возбуждение ионам эрбия [87, 88]. Однако, для осуществления эффективной передачи энергии необходимо использование кварцевого стекла, легированного оксидом фосфора. Легирование оксидом фосфора приводит к сужению спектра люминесценции ионов эрбия по сравнению с алюмосиликатной матрицей. Поэтому усилители, использующие активные Er-Yb волоконные световоды, не могут усиливать оптический сигнал в широком спектральном диапазоне. Другой способ достичь высокой выходной мощности эрбиевого усилителя состоит в использовании мощной одномодовои накачки, в частности волоконного ВКР-лазера, излучающего в области 1.45-1.48 мкм. При этом наиболее просто такое устройство может быть реализовано с использованием световода на основе кварцевого стекла, легированного оксидом фосфора, в качестве активной среды лазера.
В данном параграфе представлены результаты исследования характеристик эрбиевого волоконного усилителя на одномодовом волоконном световоде с алюмосиликатной матрицей стекла сердцевины с накачкой на длине волны 1.478 мкм от волоконного ВКР-лазера. Схема эксперимента Схема эрбиевого усилителя представлена на рисунке 4.14. Для накачки эрбиевого усилителя применялся ВКР-лазер с рабочей длиной волны 1.478 мкм, описанный в пункте 2.1. В качестве источников сигнала использовались волоконные эрбиевые лазеры с накачкой от одномодового полупроводникового лазера на 0.982 мкм. Длины волн излучения волоконных лазеров определялись параметрами брэгговских волоконных решеток и составили 1.554 мкм и 1.582 мкм, соответствуя С-полосе (1.530-1.560 мкм) и L-полосе (1.560-1.600 мкм) спектральной области, используемой для передачи сигнала. В качестве активной среды усилителя был использован одномодовый волоконный световод, легированный ионами эрбия, изготовленный по MCVD-технологии с осаждением всех легирующих добавок из газовой фазы [89]. Концентрация ионов эрбия в сердцевине световода составила 1.2 10 см"3, кроме того, сердцевина световода была легирована А120з с концентрацией 5 мол %. Длина используемого отрезка световода составила 8 м. Для предотвращения возникновения генерации при френелевском отражении на торцах эрбиевого световода при большой мощности накачки в схему были включены два изолятора: между источником сигнала и мультиплексором, и на выходе усилителя. Мощность и коэффициент усиления эрбиевого волоконного усилителя были измерены для различных мощностей накачки и входного сигнала. На рис. 4.16а представлена зависимость выходной мощности сигнала на длине волны 1.554 мкм от мощности накачки при различных уровнях входной мощности сигнала. Выходная мощность свыше 600 мВт была достигнута при мощности накачки 900 мВт и мощности сигнала 4 мВт. Подавление спонтанной люминесценции составило около 40 дБ. Из рисунка видно, что выходная мощность усилителя практически не зависит от мощности входного сигнала в диапазоне 1-4 мВт. Для мощности входного сигнала, составляющей 1 мВт, коэффициент усиления составил 28 дБ (рис. 4.166). Аналогичные зависимости были получены для сигнала на длине волны 1.582 мкм (рис. 4.17). Максимальная выходная мощность на длине волны 1.582 мкм была близка к выходной мощности на длине волны 1.554 мкм. Для одной и той же величины входного сигнала (2.5 мВт) коэффициент усиления на обеих исследованных длинах волн практически одинаков (23 дБ).
