Лекции по Физико-технологическим основам волоконно-оптической техники   

6. Специальные ОВ

6.2. Активные ОВ и волоконно-оптические устройства на их основе.

6.2.1. Активные оптические волокна.

Рассмотренные ранее ОВ (телекоммуникационные, сохраняющие поляризацию излучения и т.д.), являются пассивными элементами ВОСПИ, а именно они служат для передачи излучения света, введенного в волокно. Однако, как и в любой развивающейся области науки, в процессе решения первоначальной задачи, появились другие возможности волоконной оптики – разработка активных ОВ (АкОВ) и создание волоконно-оптических лазеров и усилителей на их основе. АкОВ получили свое название по аналогии с активной средой лазеров, которая вбирает в себя энергию накачки и переизлучает ее в виде когерентной генерации. АкОВ представляют собой ОВ (преимущественно на основе кварцевого стекла) сердцевина которых дополнительно легирована ионами лантаноидов (редкоземельных элементов – РЗЭ). Специфические оптические свойства РЗЭ определяются тем, что для них характерна достройка внутренней f-оболочки при заполненной внешней оболочки. Это приводит к появлению ярко выраженной дискретной структуры электронных переходов. Приме нимость активного иона для легирования кварцевых ОВ определяется следующими факторами:

активный ион должен иметъ излучательный переход в ближней ИК-области, где малые потери кварцевых ОВ;

энергия фононов в кварцевом стекле составляет 400-1100 см-1, поэтому наличие энергетических уровней с малым энергетическим зазором приводит к безизлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции.

Рис. 6.12. Схема энергетических уровней ионов ряда редкоземельных элементов

Для примера на рис. 6.12 приведены энергетические уровни, а в. таблице 6.2 - длины волны накачки, области люминесценции и время жизни на метастабильном уровне ряда ионов РЗЭ в кварцевых ОВ.

Таблица 6.2 Свойства ионов РЗЭ в кварцевых ОВ

Активный ион

Длина волны

накачки, мкм

Область люминесценции, мкм

Время жизни,

мс

Nd+3

Ho+3

Er+3

Tm+3

Yb+3

0,8

0,9

0,98   1,48

0,79

0,915   0,976

0,92…0,94

1,05…1,1

1,34

1,9…2,1

1,53…1,6

1,7…1,9

0,98…1,16

~ 0,5

~ 0,5

10¸12

0,2

0,8

         Поскольку растворимость РЗЭ в кварцевом стекле мала (обычно < 0.1 масс.%), то для повышения их концентрации без фазового разделения применяют одновременное введение с РЗЭ и модификаторов (Al2O3 или P2O3), концентрация которых составляет несколько %. По способу введения РЗЭ методы получения заготовок АкОВ можно разделить на две группы:

         введение РЗЭ через паровую фазу (парофазная технология),

         введение РЗЭ из раствора солей (жидкофазная технология).

В отличие от исходных материалов для получения заготовок кварцевых ОВ хлориды (и другие галогениды) РЗЭ имеют высокую температуру кипения (> 15000C), поэтому при использовании метода MCVD хлориды РЗЭ помещают в специальную нагретую камеру и до начала процесса прогревают в атмосфере хлорагента для дегидратирования хлорида РЗЭ и его приплавления к стенкам кварцевой камеры (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Схема процесса получения заготовки, легированной РЗЭ, с использованием нагретой камеры: 1 - камера для хлорида РЗЭ, 2 – хлорид РЗЭ, 3 – опорная кварцевая трубка, 4 – светоотражающая оболочка, 5 - пористый слой сердцевины, , 6 - горелка для осаждения слоев, 7 – горелка для нагрева РЗЭ

Нагрев камеры осуществляют специальной горелкой, которую включают после осаждения слоев светоотражающей оболочки. Иногда для повышения воспроизводимости скорости испарения хлорида РЗЭ вместо приплавления хлорида РЗЭ к стенкам камеры используют пористый патрон, предварительно пропитанный хлоридом РЗЭ и который помещают в камеру. Недостатками данного метода являются:

·        трудность точного регулирования скорости поступления хлорида РЗЭ в зону реакции из-за трудности точного поддержания температуры и площади испарения хлорида в камере;

·        возможность легирования сердцевины ОВ только одним РЗЭ, т.к. практически невозможно в этом методе контролировать температуру и скорости поступления двух РЗЭ;

·        невозможность получения длинных заготовок из-за конденсации хлорида РЗЭ на стенке опорной трубки, когда горелка далеко уходит от камеры.

Использование летучих комплексов РЗЭ с органическими лигандами значительно облегчает проведение парофазного процесса, поскольку эти соединения обладают значительно большим давлением насыщенных паров. Так, например, дипивалоилметанаты диспрозия, эрбия  и иттербия имеют давление пара 12…14 мм рт.ст. при 500 К, температуру разложения ~ 2500C, не окисляются и слабо гидролизуются на воздухе. Эти материалы могут использоваться также при получении кварцевых заготовок АкОВ методами OVD и VAD. Недостатком данных материалов является то, что:

·        все трубопроводы, по которым подают данные материалы, должны быть нагреты до температуры не ниже температуры их испарения (т.е. 2300C), чтобы избежать конденсации;

·        используемые материалы являются редкими и серийно не выпускаются промышленностью;

·        поскольку при разложении и окислении органических лигандов РЗЭ образуются пары воды, то осаждают сначала пористый слой сердцевины, который затем остекловывают в потоке хлорагента.

Жидкофазная технология основана на легировании пористого слоя, формирующего сердцевину ОВ, растворами солей РЗЭ и модификаторов. Для этих целей широко используется метод MCVD. На рис. 6.14 приведена схема получения заготовки АкОВ методом MCVD с использованием растворов солей РЗЭ.

Рис. 6.14. Схема процесса получения заготовки MCVD-методом с использованием растворов солей РЗЭ: а) нанесение материала сердцевины, б) пропитка заготовки раствором РЗЭ, в) сушка заготовки, г) «схлопывание». 1 – горелка, 2 – опорная трубка, 3 – светоотражающая оболочка, 4 – пористая сердцевина, 5 – раствор РЗЭ, 6 – остеклованная сердцевина, легированная РЗЭ

Видно, что процесс включает в себя 4 этапа:

·        осаждение пористого слоя чистого или легированного (GeO2 или P2O5) кварцевого стекла, формирующего сердцевину;

·        пропитка пористого слоя раствором солей РЗЭ и модификатора;

·        сушка пористого слоя и его остекловывание;

·        "сжатия" заготовки.

Рассмотрим эти этапы более подробно. Степень пористости слоя зависит от температуры нагрева трубки, толщины стенки трубки, состава ПГС и т.д. Поскольку легирование кварцевого стекла GeO2 и, особенно, P2O5 уменьшает вязкость кварцевого стекла, то для получения пористого слоя осаждение слоев надо проводить при пониженной температуре. Однако с понижением температуры уменьшаются скорости окисления галогенидов кремния и других легирующих компонентов (см. рис. 3.3). Поэтому процесс

формирования легированного пористого слоя проводят в 2 стадии:

- образование оксидов при высокой температуре, но при движении горелки в направлении, противоположном движению ПГС в трубке (при т.н. "обратном" ходе). В этом случае оксиды осаждаются за горелкой (ближе у выходу из трубки);

- "припекание" слоя в потоке О2 при движении горелки при "прямом" ходе и при заданной температуре, которая и определяет пористость слоя.

Осаждение пористого слоя чистого кварцевого стекла осуществляется за 1 стадию при движении горелки в "прямом" направлении, т.к. температура размягчения кварцевого стекла выше, чем легированного стекла, и температура формирования пористого слоя достаточна для протекания реакции окисления паров SiCl4.

Трубка с пористым слоем помещается в раствор солей РЗЭ. Для пропитки пористого слоя используется раствор нитратов РЗЭ и алюминия при формировании алюмосиликатной матрицы сердцевины, и раствор фосфатов РЗЭ при формировании фосфоросиликатной матрицы стекла. Количества РЗЭ, вошедших в пористый слой, определяется степенью пористости слоя и концентрацией РЗЭ в растворе согласно уравнению 6.11:

mрзэ ≈ 2πR×H×К×Cрзэ×Mрзэ                                                                     (6.11)

где R – внутренний радиус опорной трубки, H – толщина пористого слоя, Cрзэ – концентрация РЗЭ в растворе, Mрзэ – атомный вес РЗЭ. Видно, что концентрация РЗЭ в стекле должна линейно зависить от концентрации РЗЭ в растворе. Время пропитки зависит от пористости слоя и обычно составляет несколько часов.

Затем трубка вынимается из раствора, помещается на тепло-механический станок установки MCVD и сушится в потоке кислорода и хлорагента, подаваемых внутрь трубки, при последовательном увеличении температуры нагрева трубки. Хлорагент используется для дегидротирования пористого слоя. После сушки пористый слой остекловывается (иногда при подаче GeCl4), а затем заготовка "сжимается", как обычно в методе MCVD. Для иллюстрации на рис. 6.15 приведена зависимость пористости слоя германосиликатного стекла от температуры его припекания. Видно, что с уменьшением температуры пористость слоя увеличивается. Соответственно возрастает и количество раствора, вошедшего в пористый слой, и концентрация РЗЭ в осушенном и остеклованном слое. Экспериментальные исследования показали также, что зависимость концентрации РЗЭ в осажденном слое от концентрации РЗЭ в растворе имеет линейный характер. Концентрация Yb+3 для иттербиевых волоконно-оптических лазеров обычно составляет 0,2…0,6 масс. %.

Рис. 6.15. Зависимость пористости от температуры припекания пористого слоя

Иногда для волоконно-оптических эрбиевых усилителей используют АкОВ, сердцевина которых одновременно легирована ионами эрбия и иттербия, т.к. ионы иттербия обладают более широкой полосой поглощения (рис. 6.16) в области накачки (следовательно, большей эффективностью накачки), чем ионы эрбия. В дальнейшем происходит перекачка энергии от ионов иттербия к ионам эрбия, при этом уменьшается порог генерации. Отношение концентраций ионов иттербия и эрбия составляет обычно 30:1. Однако пере дача энергии предъявляет жесткие требования к конструкции АкОВ, а та в свою очередь к технологии получения данных волокон . Это приводит к мА  лому выходу хороших АкОВ.

Рис. 6.16. Спектральные зависимости потерь в АкОВ, сердцевина которого легирована ионами эрбия (1) и иттербия (2)

Важным является вопрос о составе стекла матрицы, т.к. он влияет на растворимость РЗЭ, время жизни люминесценции и форму ее полосы. Например, было показано, что в кварцевое стекло, легированное германием, можно ввести до 1 масс. % эрбия (10000 ppm), а в кварцевое стекло, легированное алюминием, - до 7 масс. % (70000 ppm). Спектры люминесценции стекол с различным составом матрицы приведены на рис. 6.17. Наиболее широкий спектр люминесценции имеет кварцевое стекло, легированное оксидом галлия, но спектр люминесценции кварцевого стекла, легированного алюминием, слабо отличается от него. Наиболее узкий спектр люминесценции имеет кварцевое стекло, легированное оксидом германия.

Рис. 6.17. Спектры люминесценции ионов эрбия в стеклах различного состава: 1 – SiO2*Ga2O3, 2 – SiO2*GeO2, 3 – SiO2*Al2O3*GeO2, 4 – SiO2*Al2O3



*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.