Исследование активных висмутовых центров и обзор области применения волоконных висмутовых усилителей. Изучение конструкции современных усилителей на основе висмута, пути их развития в волоконной оптике. Устройство лазера на основе висмутового волокна.
Аннотация к работе
В связи с необходимостью расширения спектрального диапазона волоконнооптических линий связи возрастает потребность в активном освоении второго телекоммуникационного окна прозрачности (1.20-1.35 мкм), которое характеризуется достаточно низкими оптическими потерями и малой хроматической дисперсией кварцевого стекла. В то же время для этой области до сих пор не созданы эффективные лазеры и усилители на основе активных световодов из кварцевого стекла, совместимые со стандартными телекоммуникационными волокнами. В последнее время появились сообщения о наблюдении широкополосной люминесценции в ближней ИК области спектра (1.1-1.7 мкм) в ряде стекол (силикатных, германатных, фосфатных, боратных), легированных висмутом и полученных наплавом шихты в тигле. В настоящее время рабочий диапазон существующих волоконных лазеров на световодах из кварцевого стекла, легированного редкоземельными ионами (УЬ3 , Ег3 ,Но3 ), охватывает область длин волн от 900 до 2300 нм. Благодаря ряду преимуществ перед другими видами лазеров (компактность, малый вес, постоянный модовый состав, стабильность выходного излучения) волоконные лазеры находят широкое применение в различных областях.Ранее в качестве кандидатов на роль оптического усилителя для работы в области около 1300нм предполагались волоконные усилители на ионах редкоземельных металлов: в 1988 году - неодимовые, а в 1991 празеодимовые. По усилительным характеристикам такие усилители существенно уступают эрбиевым, а кроме того, для их создания используется флюоридные или халькогенидные стекла, существенно более сложные в изготовлении и эксплуатации. Такие усилители могут усиливать оптическое излучение на любой длине волны из спектрального диапазона прозрачности волоконных световодов, но для получения усиления 20-30 ДБ им нужна сравнительно высокая мощность накачки (~1 Вт). Обусловлено это, в первую очередь, тем, что такие световоды обладают полосами ИК люминесценции в довольно широкой области длин волн 1000-1600 нм, в которых наблюдается долгоживущая (до 1700мкс) широкополосная (до 500 нм) люминесценция со спектральным положением максимума в области 1050-1420 нм, покрывающая спектральный диапазон от 900 до 2000 нм. Наиболее перспективным является использование свойств стекол, легированных висмутом, в виде волоконногосветовода, так как волоконные лазеры и усилители обладают рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с обычными (газовыми и твердотельными) лазерами.Спектроскопия иона Bi2 в разных кристаллах характеризуется тремя широкими полосами в спектре возбуждения с максимумами в области 250-365 нм, 413-470 нм и 500-622 нм и единственной полосой люминесценции с максимумом на 586-639 нм и временем жизни ~10 мкс. Спектр возбуждения состоит из двух полос со спектральным положением 216-265 нм и 240-332 нм, а люминесценция имеет время жизни ~1 мкс и максимум полосы от 290 до 480 нм. В стеклах, активированных висмутом с обязательным легированием оксидом Al( алюминия) и дополнительным легированием оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, наблюдается широкополосная ИК люминесценция с максимумом в области 1050-1420 нм, шириной полосы до 510 нм и временем жизни от 100 до ~1700 мкс. Свойства данной люминесценции зависят от состава стекла и длины волны возбуждения, что говорит о многокомпонентной структуре данной люминесценции. Максимальная интенсивность полос поглощения активных висмутовых центров по отношению к уровню пассивных потерь достигается в алюмосиликатных световодах с сердцевиной, не содержащей германий и фосфор, легированной оксидом алюминия в концентрации 2.5-4.5 мол.% и концентрацией активных висмутовых центров, которая соответствует уровню около 5 ДБ/м в максимуме полосы поглощения на 1000 нм.На экспериментальных образцах световодов получено усиление 24.5 ДБ на длине волны 1320 нм при мощности накачки 460 МВТ на длине волны 1230 нм [1]. В качестве источников сигнала использовались широкополосный волоконный суперлюминесцентный источник с максимумом вблизи1.31 мкм и ВКР-лазер с длиной волны генерации около 1318 нм. На рис.6 представлены спектр усиления висмутового волоконного усилителя при мощности накачки 460 МВТ на длине волны ?н = 1230 нм и шум-фактор (NF) данного усилителя, рассчитанный по измеренным значениям усиленной спонтанной люминесценции и сигнала на выходе усилителя. Таким образом, в настоящей работе впервые продемонстрирован висмутовый волоконный усилитель, работающий в области 1300-1340 нм, с максимальным коэффициентом усиления 24.5 ДБ на длине волны 1320 нм при мощности накачки 460 МВТ на ?н - 1230 нм и NF = 5 ДБ.Таким образом, в настоящей работе впервые продемонстрирован висмутовый волоконный усилитель, работающий в области 1300-1340 нм, с максимальным коэффициентом усиления 24.5 ДБ на длине волны 1320 нм при мощности накачки 460 МВТ на ?н - 1230 нм и NF = 5 ДБ. При поглощении на длинах волн около 1425, 820, 620 и не более 450 нм (энергия перехода около 7020,12 150, 16130 и свыше 22200 см-1 соответственно) наблюдается ИК люминесценция на длине волны около 1
План
СОДЕРЖАНИЕ
Обозначения и сокращения
Введение
1. Область применения волоконных висмутовых усилителей
1.1 Исследование активных висмутовых центров
2. Достижения в технологии получения и использование