Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

6. Специальные оптические волокна. Физико-технологические основы волоконно-оптической техники

Физико-технологические основы волоконно-оптической техники

6. Специальные оптические волокна

6.1. ОВ, сохраняющие поляризацию излучения

6.1.1. ОВ с малым двулучепреломлением

6.1.2. АОВ с большим двулучепреломлением

6.1.2.1. АОВ с эллиптической сердцевиной

6.1.2.2. АОВ с эллиптической 'напрягающей' оболочкой

6.1.2.3. АОВ типа 'галстук-бабочка'

6.1.2.4. АОВ типа 'PANDA'

6.1.3. Поляризующие волокна

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

6.2.1. Активные ОВ и технология их получения

6.2.2. Волоконные брэгговские решетки

6.2.3. Волоконно-оптические лазеры

6.2.4. Волоконно-оптические усилители

6.2.5. ВКР-лазеры

6.3. Радиационно-стойкие оптические волокна

6.4. Микроструктурированные ОВ

         Как уже отмечалось во введении, ОВ находят в настоящее время широкое применение не только в ВОСПИ, но и в различных волоконо-оптических датчиках (ВОД) физических величин и в волоконно-оптических устройствах (ВОУ). Специфика этого применения требует создания ОВ с особыми свойствами. К числу таких специальных ОВ, формируемых, в основном, (как и телекоммуникационные ОВ) на основе высоко чистого кварцевого стекла, относятся в первую очередь: ОВ, сохраняющие поляризацию излучения; активные ОВ; радиационно-стойкие ОВ и микроструктурированные ОВ. Ниже рассмотрим основные характеристики данных ОВ и технологию получения заготовок этих ОВ, т.к. сами волокна вытягиваются из заготовок на обычной вытяжной установке.



6.1. ОВ, сохраняющие поляризацию излучения

Свет, распространяющийся в одномодовых волокнах, можно представить в виде суммы двух поляризационных мод. Каждая поляризационная мода распространяется параллельно оси волокна со своим значением фазовой и групповой скорости. Фазовый фронт у мод плоский, а нормаль к плоскости фазового фронта параллельна оси волокна. Пространственное распределение полей у поляризационных мод волокна одинаковое (гауссово), а отличаются они тем, что поляризованы они ортогонально, как это видно из рис. 6.1. В идеальном ОВ эти моды должны распространяться с одинаковыми скоростями, т.е. должны быть вырождены.

Рис. 6.1. Распределение интенсивности (I(r)~exp[-2r2/(w/2)2]) и направление электрического поля Е в поляризационных модах волокна: 1 – сердцевина, 2 – оболочка, w – диаметр модового пятна, 2а – диаметр сердцевины

Однако в реальном световоде возможны некоторые дефекты: эллиптичность сердцевины, несоосность ее с осью волокна, микроизгибы, различные неизотропные напряжения, лежащие в плоскости перпендикулярной оси ВС, неоднородности по длине волокна и т.д. Все эти дефекты приводят к разным скоростям распространения ортогональных по поляризации мод, причем фазовые скорости этих мод обратно пропорциональны их ПП. Вследствие этого между поляризационными модами возникает фазовая задержка R (разность фазовых набегов мод). Длина ОВ, на которой фазовая задержка равна 2 , называется длиной биения. У современных ОВ высокого качества длина биения колеблется от 10 см до нескольких метров. Поэтому можно говорить о присущем ОВ двулучепреломлении (ДЛП), которое записывается как:

В = l / Lб = 1,55´10-4 / (10¸500) = 1,5´10-5 …3´10-7    (6.1),

где В –ДЛП, представляющее собой разность ПП двух поляризационных мод (Dn=nмедл. – nбыст.), Lб - длина биения на длине волны l. Таким образом, в телекоммуникационных ОВ Dn мало по сравнению с разностью ПП материалов сердцевины и оболочки, поэтому о поляризационной дисперсии в ОВ говорят только при больших скоростях передачи (> 10 Гбит/с). Однако передавать на значительные расстояния поляризованное, в частности, линейно-поляризованное излучение по телекоммуникационным ОВ нельзя.

Существует два различных подхода к созданию ОВ, сохраняющих поляризацию излучения: это волокна с малым ДЛП (соответственно большой длиной биения) и волокна с большим ДЛП, которое значительно больше ДЛП, свойственного обычному ВС.



6.1.1. ОВ с малым ДЛП

Для получения ВС с малым ДЛП (так называемые LB - “low-bie” -low birefrence) возможны два пути:

усовершенствование технологии и повышение качества ОВ, однако, это очень сложный путь. Рекорд англичан, установленные около 20 лет назад и не побитый на сегодняшний день, составляет - Lб ~ 120 м;

вращение заготовки при вытяжке волокна. При этом, во-первых, происходит значительное усреднение по углу поворота ПП сердцевины и оболочки, напряжений из-за разных КЛТР материалов сердцевины и оболочки и т.д. Кроме того, возникает циркулярная составляющая, которая приводит к компенсации влияния неоднородности. Так, если на первой четверти периода одна из поляризационных мод опережает другую, то на второй четверти периода вторая поляризационная мода опережает первую и т.д. В результате фазовая задержка нарастает с длиной ВС не линейно, а примерно как корень квадратный из длины ОВ.

Установки и методы вытяжки волокна из вращающейся заготовки были разработаны как за рубежом, так и в ФИРЭ РАН. Скорость вращения составляла ~1500 об/мин, и при скорости вытяжки 7,5…15 м/мин. один оборот приходился на длину волокна 0,5...1 см.

Фазовая задержка вызывает на исследуемом отрезке ОВ преобразование линейно-поляризованного света в эллиптический (когда конец вектора напряженности электрического или магнитного поля в фиксированной точке пространства описывает эллипс). Измеряя интенсивности компонент излучения, поляризованных вдоль главных осей эллипса, можно определить величину фазовой задержки и оценить качество ОВ с малым ДЛП. Для измерения требуется узкополосный источник света, два линейных поляроида и приемник с высокой чувствительностью и большим динамическим диапазоном принимаемого сигнала. Свет от источника проходит через поляризатор на входе ОВ, через исследуемое волокно и линейный анализатор на выходе. Для каждого значения угла j поворота поляризатора можно, вращая анализатор, измерить максимальную (Imax) и минимальную (Imin) интенсивности света и построить функцию видности – V(j), которая определяется формулой (6.2)

                                                           (6.2)

Функция видности связана с фазовой задержкой R простым соотношением

                                        (6.3)

Экспериментальные значения функции видности, перенесенные на полярную диаграмму, имеют вид, показанный на рис. 6.2. Ввиду того, что для хороших ОВ с малым ДЛП функция видности мало отличается от единицы, масштаб полярной диаграммы от ее середины значительно изменен. Видно, что для приведенных образцов R = 3…8, т. е.Lб =120…45 м. Типичные параметры ОВ с малым ДЛП и длиной ~ 4 м составляли Rmax » 4о, амплитуда колебаний фазовой задержки по периоду скрутки ~3о, потери на длине волны 1,3 мкм не более 2 дБ/км. Это очень хорошие результаты.

Внешние воздействия – механические, электрические, магнитные – создают в ОВ с малым ДЛП наведенное ДЛП, что используется для создания чувствительных датчиков различных физических воздействий.

Рис. 6.2. Зависимость функции видности от угла φ при различных фазовых задержках R: 1 - 80, 2 - 60, 3 - 30



6.1.2. АОВ с большим ДЛП

Существуют два типа подобных ОВ (анизотропных оптических волокон – АОВ), которые в литературе часто обозначаются как НВ-волокна (high-bie) и в которых:

-ДЛП обусловлено эллиптической формой сердцевины;

-ДЛП обусловлено анизотропией напряжений в круглой сердцевине.

Рис. 6.3. Структура АОВ с круглой сердцевиной: а) – с «напрягающей» эллиптичной оболочкой, б) – типа «галстук-бабочка»,в)– типа «PANDA» 1-германосиликатная сердцевина, 2-буферная оболочка, 3-напрягающие элементы, 4-технологическая кварцевая оболочка

К последним волокнам относятся АОВ с эллиптической "напрягающей" оболочкой, АОВ типа "галстук-бабочка" и АОВ типа "PANDA", схематическое изображение которых приведено на рис. 6.3



6.1.2.1. АОВ с эллиптической сердцевиной

В этих ОВ имеет место разность геометрического пути распространения двух ортогонально поляризационных мод, а именно - путь, проходимый поляризационной модой вдоль малой оси эллипса (соответственно время распространения этой моды) меньше чем вдоль большой оси. Поэтому малая ось часто называется «быстрой», а большая ось – «медленной». Разность постоянных распространения поляризационных мод (∆β) приближенно выражается следующими уравнениями:

∆β ≈ 0,2×k0×(a/b -1)×(∆n2)   при (a/b -1) «1                                    (6.4)

∆β ≈ 0,25×k0×(∆n2)                  при (a/b -1) <6                                (6.5)

где k0=2π/λ, ∆n- разность ПП материалов сердцевины и оболочки,  a и b - величины полуосей эллиптической сердцевины.

На рис. 6.4а показано поперечное сечение такого ОВ, в на рис. 6.4б приведена зависимость величины ДЛП от отношения главных осей эллипса. Видно, что при a/b> 3¸4 ДЛП меняется мало. Установлено, что в реальном АОВ данного типа помимо ДЛП, связанного с геометрической анизотропией сердцевины (Вс), существует ДЛП (ВS), обусловленное термоупругими напряжениями, которые возникают из-за разности составов материалов оболочки и сердцевины, в частности от концентрации GeO2 в сердцевине.. При увеличении относительной разности ПП (∆) до 4,3 % длину поляризационных биений удалось уменьшить до 0,75 мм.

Рис. 6.4. Форма ОВ с эллиптичной сердцевиной (а) и зависимость ДЛП от отношения осей в эллиптичной сердцевине (б).

1 – сердцевина, 2 – светоотражающая оболочка, 3 – технологическая оболочка

Наиболее распространенными методами получения заготовок АОВ с эллиптической сердцевиной являются метод сжатия трубки в штабик-заготовку при пониженном давлении (рис. 6.5) и метод шлифовки исходной круглой заготовки с двух противоположных сторон. При последующем зонном нагреве шлифованная заготовка, имеющая снятые «лыски» или прорезанные канавки, приобретает снаружи опять круглую форму, но при этом происходит внутренняя деформация сердцевины в виде эллипса.

Рис. 6.5. Схема установки для «схлопывания» трубки при пониженном давлении («под  разряжением»): 1 - опорная трубка, 2- слой осажденного стекла, 3 – вентиль, регулирующий вакуум, 4 – вакуумная камера, 5 – U-образный манометр, 6 – горелка

В первом случае внутри трубки с осажденным слоем SiO2-GeO2, формирующим сердцевину, создается пониженное давление за счет присоединения выходного конца трубки к вакуумному насосу. Величина давления регулируется с помощью вакуумного вентиля. На рис. 6.6 приведена зависимость эллиптичности сердцевины, которая определяется как

                                            (6.6),

где a и b – большая и малая полуоси эллипса, от величины разряжения при "сжатии" труб с различной геометрией. Видно, что эллиптичность растет с увеличением разряжения (т.е. с уменьшением давления) и с уменьшением толщины стенки трубки. Концентрация GeO2  составляла ~15% масс () и вызвана сильной зависимостью ДЛП от n (разности ПП сердцевины и оболочки), которая, в свою очередь, определяется концентрацией легирующего компонента.

Метод шлифовки более прост, легче управляем и эллиптичность сердцевины растет с увеличением глубины шлифовки, тем не менее довольно сложно обеспечить стабильную форму сердцевины. Параметры АОВ диаметром 125 и/или 80 мкм, вытянутых из заготовок, полученных данным методом, и покрытых pfobnyjq эпоксиакрилатной оболочкой толщиной ~ 40 мкм, составляли: потери 4,5…5,0 дБ/км на λ = 0,85 и 2,5…4 дБ/км на λ = 1,55 мкм, степень поляризации 95-96%, длина биения 3-7 мм, n » (10…20)´10-3.

Рис. 6.6. Зависимость эллиптичности германосиликатной сердцевины

GeO2 ~ 15 мол. %) от величины разряжения для труб с различной геометрией: d нар.=13,5 мм и  hстенки = 2,6 мм, 2 - d нар.=12,8 мм и  hстенки =2,8 мм, 3- d нар.=11,0 мм и hстенки =3,9 мм

Несмотря на перечисленные свойства и простоту технологии, данные световоды имеют существенные недостатки: потери в этих волокнах существенно выше, чем в АОВ с круглой сердцевиной; некруглая сердцевина усложняет стыковку данных АОВ с обычными телекоммуникационными ОВ и АОВ с эллиптической сердцевиной имеют неоднородные напряжения с большими тангенциальными компонентами, поэтому собственное состояние поляризации в них эллиптическое и, следовательно, они бесперспективны для передачи линейно-поляризованного света.



6.1.2.2. АОВ с эллиптичной "напрягающей" оболочкой

В этих ОВ ДЛП создается за счет анизотропии напряжений, вызываемой формой так называемой «напрягающей» оболочки (рис. 6.3 а). ДЛП в АОВ этого типа описывается следующим уравнением:

                                    (6.7),

где С- фотоупругая постоянная, Е – модуль Юнга и  - коэффициент Пуассона для кварцевого стекла,  - разность КЛТР материалов "напрягающей" оболочки и кварцевого стекла, Т= Тf н.о..ком. - разность температуры размягчения материала оболочки и комнатной температуры,  - эллиптичность оболочки (6.4). Таким образом, величина ДЛП зависит как от свойств материала оболочки, так и от ее геометрии. Поскольку с ростом концентрации легирующего компонента  увеличивается, а Т уменьшается, то имеет значение их произведение, которое входит в уравнение (6.7). На рис. 6.7 приведены зависимости произведения ×Т от относительного изменения ПП кварцевого стекла при его легировании оксидом бора (1) и диоксидом германия (2). Видно, что легирование бором дает значительно большее увеличение указанного произведения, поэтому для формирования "напрягающей" оболочки или "напрягающих" элементов используется боросиликатное стекло, причем увеличение концентрации легирующего компонента ведет к росту ДЛП. Если необходимо создать "компенсированную", "напрягающую" оболочку, ПП которой близок к ПП чистого кварцевого стекла, то проводят одновременно легирование стекла оксидом бора и диоксидом германия.

Рис. 6.7. Зависимость произведения (Δα×ΔТ)×104 от относительного изменения разности ПП легированного и чистого кварцевого стекла: 1 - боросиликатное стекло, 2 – германосиликатное стекло.

Эллиптичность оболочки зависит от характера шлифовки, глубины шлифовки и соотношения Rзаг/Rоб. Возможны и реализованы следующие методы шлифовки: плоская шлифовка, выборка полукруглого паза, прорезание канавок с двух противоположных сторон и их последующее растравливание в плавиковой кислоте. Глубина шлифовки увеличивает эллиптичность, эллиптичность увеличивается также с увеличением отношения Rзаг/Rоб. Прорезание канавок снижает потери стекломассы и повышает производительность изготовления АОВ.

Описанный способ изготовления АОВ с эллиптической оболочкой характеризуется относительной простотой, высокой воспроизводимостью поляризационных свойств за счет возможности прецизионной шлифовки и хорошими свойствами АОВ: потери 2,5…3,5 дБ/км на λ=0,85 и <1 дБ/км на λ=1,3 мкм, длина биения <3 мм на λ=0,85 мкм и <5мм на λ=1,3 мкм.



6.1.2.3. АОВ типа ”галстук-бабочка”

Структура АОВ данного типа приведена на рис. 6.3 б. Проведенный анализ распределения напряжений в сердцевине показал, что структура АОВ, оптимальная с точки зрения создания наибольшего ДЛП, должна:

- иметь два сектора из легированного кварцевого стекла, симметрично расположенных с обеих сторон сердцевины, при этом угол сектора должен составлять 90оС, а наружный радиус «напрягающего» сектора (θ) – 0,75 от наружного радиуса АОВ (рис. 6.8.в);

- внутренний радиус сектора должен быть как можно меньше, но это ограничивается требованием окружить сердцевину буферной оболочкой, которая должна исключить поглощение света оксидом бора в «напрягающей» оболочке и обеспечить малые потери.

Технология изготовления заготовок АОВ типа «галстук-бабочка» методом MCVD включает в себя следующие операции:

осаждение на внутреннюю поверхность опорной трубки слоев защитной оболочки (SiO2-P2O5-F)

осаждение слоев боросиликатного или германоборосиликатного стекла на (SiO2-B2O3-GeO2), формирующих «напрягающую» оболочку;

травление «напрягающей» оболочки при подаче в трубку фторагента (например, SF6) и азимутально-неоднородном нагреве трубки;

осаждение слоя буферной оболочки (SiO2 или SiO2- P2O5-F),

осаждение слоя германосиликатного стекла, формирующего сердцеви ну;

сжатие трубки в штабик-заготовку, при этом остатки «напрягающей» оболочки формируют «напрягающие» сектора (рис. 6.8).

Возможны два способа азимутально-неоднородного нагрева, показанных на рис. 6.8:

нагрев с помощью двух горелок, перемещающихся вдоль не вращающейся трубки;

нагрев вращающейся трубки горелкой при использовании тепловых экранов, в частности из кварцевого стекла, которые устанавливаются на этапе травления напрягающей оболочки. Первый способ предложен англичанами, а второй  в ФИРЭ РАН. По нашему мнению, второй способ более оптимальный, так как позволяет легче регулировать зону нагрева за счет угла экранов и их толщины и обеспечивает равномерность зоны нагрева по длине трубки. При азимутально-неоднородном нагреве травление оболочки происходит более энергично в области более высокой температуры и на внутренней поверхности трубки остаются лишь участки "напрягающей" оболочки, которые после "схлопывания" трубки и формируют "напрягающие" сектора в заготовке.

Рис.6.8. Схема процессов азимутально-неоднородного газового травления с использованием двухсопельной горелки (а) и тепловых экранов (б), структура АОВ типа «галстук-бабочка»: 1- горелка, 2- кварцевая трубка, 3- защитная оболочка, 4- «напрягающая» оболочка, 5- тепловые экраны, 6- сердцевина.

На рис.6.9. приведены профили ПП вдоль направлений «X» и «Y» одной из подобных заготовок. Видно, что вдоль одной оси (Х) имеется "депрессированная" "напрягающая" оболочка, а вдоль другой оси (Y) она отсутствует.

Параметры таких АОВ составляли: потери - менее 1дБ/км на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, величина <3мм, а величина h – параметра (параметра сохранения поляризации) – 5×10-5…5×10-6 м—1 (для сравнения величина h-параметра для АОВ с эллиптической «напрягающей» оболочкой составляет 10-4…10-5 м-1). Заметим, что параметр сохранения поляризации (h) является одним из важнейших параметров АОВ, т.к. он показывает какая часть мощности света может перекачиваться из одной поляризационной моды в другую при распространении света по ОВ, т.е.

Py / Px ≈ h×L                                                          (6.8),

где L – длина волокна. Хотя h-параметр непосредственно не связан с величиной модового ДЛП, тем не менее с ростом ДЛП величина h-уменьшается.

Рис.6.9. Профили ПП в направлениях «х» (сплошная линия) и «y» (пунктирная линия) в заготовке АОВ типа «галстук-бабочка»: 1- сердцевина, 2- буферная оболочка, 3- «напрягающая» оболочка, 4- кварцевая оболочка, 5- технологическая кварцевая оболочка



6.1.2.4. АОВ типа "PANDA"

АОВ типа "PANDA", схематически изображенное на рис. 6.6 в, отличается от АОВ типа "галстук-бабочка" только формой "напрягающих" элементов и способом изготовления, а идеология является одинаковой. Получение заготовок АОВ типа "PANDA" включает в себя следующие этапы:

получение материнской заготовки, содержащей сердцевину будущего АОВ,

«жакетирование» материнской заготовки с целью увеличения кварцевой технологической оболочки,

изготовление заготовок, центральная часть которых сформирована боросиликатным стеклом. Эти заготовки и являются исходным материалом для "напрягающих" элементов,

формирование отверстий в материнской заготовке для боросиликатных штабиков (например, сверлением).

Материнская заготовка с вставленными в нее боросиликатными штабиками, у которых сошлифована или стравлена основная масса кварцевой технологической оболочки, перетягивается в волокно на вытяжной установке.

Иногда для формирования исходной заготовки используют метод сборки, когда в центр опорной кварцевой трубки вставляют перетянутую материнскую заготовку, а вокруг нее с диаметрально- противоположных сторон располагают два боросиликатных штабика, а свободное пространство в трубке заполняют кварцевыми штабиками.

В таблице 6.1. приведены геометрические параметры и оптические характеристики АОВ типа "PANDA", полученные японскими учеными.

Таблица 6.1 Геометрические параметры и оптические характеристики АОВ "PANDA"

Характеристика

PANDA-1

PANDA-2

Относительное изменение ПП сердцевины

и оболочки, D %

Диаметр сердцевины - 2а, мкм

Диаметр волокна – 2b, мкм

Отношение размеров – r/a, где r - расстояние от центра волокна до «напрягающих элементов»

Отношение размеров - t/b, где t- диаметр «напрягающих» элементов и b –диаметр волокна

Нормализованная частота - V

Модовае двулучепреломление – В

Коэффициент экстинции, дБ

Параметр сохранения поляризации – h, м-1

Минимальные потери на l=1,56 мкм, дБ/км

0,34

 

9,5

200

2,1

 

0,61

2,25

3,2´10-4

-27

4´10-7

0,22

0,30

 

10,5

200

2,0

 

0,62

2,33

3,3´10-4

- 22

6,2´10-7

0,30

Приведенные параметры свидетельствуют об очень высоком качестве данных АОВ. Отметим также, что величина уменьшается с уменьшением диаметра волокна, так для АОВ диаметром 125 мкм h-параметр будет составлять ~ 10-6 м-1, а для dвол. = 80 мкм h-параметр ~ 10-5 м-1 и т.д.



6.1.3. Поляризующие волокна

Волокна с большим ДЛП (в первую очередь, «PANDA» и "галстук-бабочка") обладают возможностью распространения только одной поляризационной моды. Условием распространения в световоде моды с эффективным ПП-nэф. является

nоб<nэфф<nсер                                    (6.9),

где nоб  и nсер – ПП материалов оболочки и сердцевины соответственно. Величина nэфф определяется величиной нормализованной частоты V, и при больших значениях V поле моды практически заключено в сердцевине волокна, а при малых значения V мода, в основном распространяется в оболочке. В промежуточных случаях, в зависимости от величины V, поле моды в большей или в меньшей степени «вытекает» в оболочку. Как уже отмечалось ранее, АОВ характеризуется анизотропией ПП в направлении главных осей ДЛП. Поэтому условия распространения ортогонально поляризационных мод в направлениях «Х» и «У» будут различными и возможны случаи, когда одна мода будет вытекать в оболочку, а вторая мода будет распространяться в волокне. Это видно из рис.6.10, где приведены зависимости эффективного ПП от нормализованной частоты для поляризационных мод в направлениях "Х" и "Y" АОВ, имеющего ДЛП за счет анизотропии напряжений. При V<1,2 <  и «У-мода» вытекает, а для «Х-моды» >  и она распространяется в волокне.

Были предложены различные пути реализации однополяризационного режима работы АОВ, например:

·       за счет создания в оболочке в направлении «Х» областей (ям) с меньшим ПП, чем в направлении «У»,т.е.

< < nсер    и     nсер - > nсер -    (6.10),

·       за счет выбора материала "напрягающих" элементов в АОВ типа «PANDA», ПП которых (nнэ) лежит между эффективным ПП двух поляризационных мод, т.е. < nнэ <

·          за счет работы при значениях V меньших Vкр, которое обуславливает соотношение <    и т.д.

·           

Рис. 6.10. Зависимости эффективных ПП от нормализованной частоты для поляризационных мод в направлениях «Х» и «Y» АОВ, имеющих ДЛП за счет анизотропии напряжений: а – теоретически предсказанное вытекание, b – экспериментально наблюдаемое вытекание

Для иллюстрации работы «поляризующих» световодов, на рис.6.11 приведены спектральные зависимости потерь для двух поляризационных мод с вектором поляризации в направлении «Х» и «У». Видно, что при коротких длинах волн потери в этих модах совпадают, но при > 0.75 мкм потери различаются и при =0,83 мкм составляют ~55 дБ/км для моды «Y» и ~ 3 дБ/км для моды «Х». Отрезки поляризующих световодов могут использоваться как волоконно-оптические поляризаторы.

Рис. 6.11. Спектральные зависимости полных потерь для «Х» и «Y» поляризационных мод в АОВ типа «галстук-бабочка»



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



6.2.2. Волоконные брэгговские решетки ПП

Волоконная брэгговская решетка (ВБР) ПП представляет собой участок ОВ (как правило, одномодового), в сердцевине которого наведена периодическая структура ПП с периодом L, имеющая определенное пространственное распределение. На рис. 6.18. приведена схема такой решетки. Возможность создания такой решетки обусловлена фоточувствительностью легированного кварцевого стекла, т.е. его способностью изменять ПП (на 10-4 – 10-2) под действием УФ-излучения. Важнейшим свойством ВБР является узкополосное отражение оптического излучения. Поэтому данные решетки используются в волоконно-оптических лазерах в качестве селективных зеркал.

Рис. 6. 18. Схематическое изображение волоконной решетки ПП в сердцевине волокна: 1 – сердцевина, 2 - оболочка

ВБР связывают основную моду ОВ с той же модой, распространяющейся в противоположном направлении. Эта связь возникает на определенной (резонансной) длине волны lбр., задаваемой соотношением:

         2 nэфф.´L = lбр.                                          (6.12),

где nэфф. –эффективный ПП моды, L - период решетки (обычно менее 1 микм) . В результате на длине волны lбр возникает полное или частичное отражение излучения. Свойства этого отражения зависят от параметров решетки. Коэффициент отражения R выражается как

R = th2 (k´L)                                             (6.13),

где L – длина решетки, k- коэффициент связи решетки, равный

k = Dnмод.´h/lбр.                                                 (6.14)

Dnмод – амплитуда синусоидальной модуляции ПП, h = часть мощности основной моды, которая распространяется по сердцевине световода. Спектральная ширина резонанса однородной решетки на полувысоте может быть выражена следующим приближенным уравнением:

Dlбр. = 2lбр.´a´[(nбр.´Dnмод. /2 nэфф.)2 + (L/L)2]1/2            (6.15),

где a - параметр порядка единицы для глубоких решеток (с коэффициентом отражения R~1) и порядка 0,5 для решеток небольшой глубины. На рис. 6.19 представлен типичный спектр пропускания ВБР, из которого видно. что имеется резонансная длина волны (~ 1135,7 нм) на которой решетка не пропускает свет. Резонансная длина волны ВБР зависит также от температуры световода и от приложенных к нему механических напряжений.

Рис. 6.19. Спектр пропускания брэгговской решетки с параметрами: L = 5 мм, Δn = 8×10-4

                   Фотоиндуцированные длиннопериодные волоконные решетки (ДПВР) имеют относительно больший период (L=100…500 мкм) и связывают основную моду с модами оболочки, которые распространяются в том же направлении. Энергия, перешедшая в оболочную моду, затем поглощается в защитном покрытии на неочищенном участке ОВ, что приводит к появлению полосы поглощения в спектре пропускания волокна с записанной в нем решеткой. Интенсивность оболочной моды на однородной решетке выражается как

S = Sin2 (k´L)                                                     (6.16),

где обозначения аналогичные (6.12) и (6.13). Для иллюстрации на рис. 6.20 представлен спектр пропускания ДПВР длиной 25 мм с периодом 230 мкм, рассчитанный для ОВ со ступенчатым профилем ПП в сердцевине (разность ПП между сердцевиной и оболочкой Dn = 0,01) и длиной волны отсечки первой высшей моды lс = 1,0 мкм. Характерной особенностью является монотонное возрастание интенсивности межмодового взаимодействия с ростом радиального модового числа m оболочных НЕ1m мод.

Рис. 6.20. Спектр пропускания однородной длиннопериодной решетки длиной 25 мм и с периодом 230 мкм (Δn = 0,01; λc = 1,0 мкм).

В силу малого периода ВБР (менее 1 мкм) их, как правило, формируют при УФ-облучении (l = 242 нм) ОВ с использованием интерференционных методов. Для иллюстрации на рис. 6.21 приведены схемы записи ВБР в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения. Указанные методы обладают гибкостью в выборе параметров (период, длина) записываемых решеток, однако требуют высокую пространственную и временную когерентность записывающего излучения.

Запись через фазовую маску (рис. 6.22) значительно снижает требования к когерентности УФ-излучения, поэтому часто применяется с использованием недорогих эксимерных лазеров. В этом методе реализуется интерференция между первым и минус первым дифракционными порядками излучения, прошедшего через фазовую маску. Маска, как правило, изготовляется из прозрачного в УФ-части спектра кварцевого стекла и имеет определенный рельеф поверхности, обращенной к световоду. Рельеф выполнен таким образом, чтобы подавить нулевой и другие порядки дифракции, кроме первого и минус первого. Недостатком записи через фазовую маску является высокая стоимость маски и возможность записи ВБР с конкретными параметрами.

Рис. 6.21. Схемы записи брэгговских решеток в интерферометрах с амплитудным (а) и пространственным (б) разделением пучка УФ-излучения: 1 – делительная пластина, 2 – цилиндрическая линза, 3 – зеркала, 4 - волокно

Поскольку значения периода ДПВР на 2…3 порядка больше в сравнении с ВБР, то методы их записи отличаются от методов записи ВБР. Среди наиболее распространенных способов записи фотоиндуцированных ДПВР следует отметить метод с использованием амплитудной маски и пошаговый метод, приведенные на рис. 6.23. В первом случае вся структура решетки формируется одновременно, а во втором случае последовательно при помощи механической трансляции ОВ относительно сфокусированного на сердцевину лазерного излучения.

Рис. 6.22. Схема записи брэгговских решеток с помощью фазовой маски: а) прямая запись, б) запись в интерферометре Тальбота; 1- фазовая маска, 2- оптическое волокно.

Механизм фотоиндуцированного изменения ПП в кварцевом стекле до сих пор недостаточно прояснен, хотя известно, что для германосиликатного стекла фотовозбуждение германиевых кислородо-дефицитных центров (ГКДЦ) играет инициирующую роль для последующей трансформации сетки стекла, которая сопровождается изменением его ПП. К сожалению, фоточувствительность стандартных телекоммуникационных ОВ с концентрацией GeO2 3…5мол. % недостаточна для эффективной записи решеток. Было показано, что фоточувствительность германосиликатных ОВ увеличивается с ростом концентрации оксида германия в сердцевине (соответственно с ростом ГКДЦ), а также при насыщении сетки стекла молекулярным водородом при относительно низкой температуре (~ 1000С) и высоком давлении водорода (до ~ 100 атм) в течение ~ 12 часов. Концентрация молекулярного водорода при такой обработке достигает 2…3 мол. %. Однако температурная стойкость решеток, записанных в ОВ с водородом невысокая, в связи с чем требуется отжиг решеток перед их использованием. Кроме того, насыщение водородом увеличивает потери, обусловленные ОН-группами. 

Рис. 6.23. Схема записи длиннопериодной решетки УФ-излучением: а) с помощью амплитудной маски, б) пошаговым методом: 1 – цилиндрическая линза, амплитудная маска, 3 – сферическая линза, 4 - волокно



6.2.3. Волоконно-оптические лазеры

         Схема волоконно-оптического лазера приведена на рис. 6.24. Как обычно, лазер включает в себя источник накачки и резонатор, который состоит из активной среды (АкОВ) и зеркал (брэгговских решеток). В качестве источника накачки используется полупроводниковый диодный лазер, излучающий на соответствующей длине волны. Наиболее простым является случай с торцевой накачкой, когда излучение вводится в торец волокна, как на рис. 6.24. Достоинством данного способа является возможность его применения для всех типов АкОВ, а недостатком – использовать лишь один источник накачки. Применение накачки с использованием V-образной канавки позволяет распределять вводимое излучение по длине АкОВ и добавлять новые источники по длине волокна, формируя V-образные канавки по мере истощения мощности от предыдущего источника.

Рис. 6.24. Простейшая конфигурация волоконно-оптического лазера: 1 – полупроводниковый излучатель, 2 – точка сварки, 3, - активное волокно, 4 – – брэгговские решетки, 5 – выход излучения

Мощные полупроводниковые источники для накачки требуют применения АкОВ с двойной оболочкой. В этих ОВ помимо одномодовой сердцевины, легированной ионами РЗЭ, и внутренней светоотражающей кварцевой оболочки имеется внешняя оболочка с ПП меньшим, чем ПП кварцевого стекла. На рис. 6.25 приведен модельный профиль и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера, выходящего из сердцевины диаметром 5…10 мкм. При распространении излучения накачки по многомодовому световоду, в котором внутренняя оболочка выполняет также роль сердцевины по отношению к внешней оболочке, энергия накачки захватывается ионами РЗЭ, вызывая люминесценцию. При наличии обратной связи эта люминесценция развивается в лазерную генерацию.

Рис. 6.25. Модельный профиль ПП (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера в АкОВ с двойной оболочкой: 1- внутренняя оболочка, 2 – активная сердцевина, 3 – внешняя оболочка, 4 – многомодовая накачка, 5 – одномодовая генерация.

В качестве материалов внешней оболочки используются СИЭЛ, о котором говорилось в гл. 4, и тефлон AF, причем первый обеспечивает числовую апертуру до ~ 0,4 а второй - до ~0,6. К недостаткам силиконового покрытия следует отнести относительно высокие потери для излучения накачки (~ 50 дБ/км), а к недостаткам тефлона, обеспечивающего потери ~10 дБ/км, - малую толщину покрытия (10…20 мкм), которая увеличивает риск повреждения АкОВ.

Для эффективной связи мод внутренней оболочки с активной сердцевиной форму внутренней оболочки делают некруглой за счет шлифовки исходной заготовки перед ее вытяжкой. В таблице 6.3 приведены данные, показывающие влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в АкОВ, сердцевина которого легирована ионами иттербия.

Таблица 6.3 Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в АкОВ, легированном ионами Yb

Геометрия оболочки

Поглощение на l=978 нм, дБ/км

Круглая

D-образная

Прямоугольная

Квадратная

0,3±0,05

2,2±0,05

3,5±0,05

3,3±0,05

Из таблицы видно, что некруглая форма внутренней оболочки приводит почти к 100% эффективности накачки, однако с учетом потерь на сварке АкОВ с круглым волокном, используемым для записи ВБР, оптимальной является квадратная форма.

Другим вариантом повышения эффективности накачки является использование АкОВ с микроструктурированной оболочкой, содержащей воздушные капилляры. Схема такого АкОВ приведена на рис. 6.26. Характерное значение числовой апертуры таких ОВ составляет ~ 0,5 и ограничивается вытеканием мод высшего порядка через перемычки, поддерживающие внутреннюю оболочку. Большое значение NA и меньшая площадь внутренней оболочки в микроструктурированных ОВ позволяют увеличить в несколько раз плотность и эффективность накачки по сравнению с вышеуказанными ОВ.

Рис. 6.26. Схема АкОВ с микроструктурированной оболочкой; черные кружки –  капилляры, заполненные воздухом: 1 - активированная сердцевина, 2 – внутренняя оболочка, 3 – микроструктурированная оболочка, 4 – технологическая кварцевая оболочка

Для иллюстрации на рис. 6.27 приведены типичные характеристики иттербиевого волоконного лазера: спектр люминесценции ОВ, с также спектр генерации лазера, возникающий при стыковке АкОВ с парой согласованных ВБР, имеющих резонансную длину волны 1103 нм. В данном  случае ВБР с высоким коэффициентом отражения (R>99%) имела спектральную ширину 0,7 нм, а выходная ВБР (R~10%) –0,3 нм. Благодаря широкой полосе люминесценции иттербиевые ОВ позволяют получать лезерную генерацию в широком диапазоне длин волн 1050…1150 нм с дифференциальной эффективностью 50…80%. Зависимости выходной мощности лазера от мощности накачки на l = 0,978 мкм для разных длин волн генерации представлены на рис. 6.27 (б) . Видно, в частности, что при удалении от максимума спектра люминесценции (1,08…1,09 мкм) эффективность генерации уменьшается, однако остается на уровне 50 % даже на длине волны 1,148 мкм.

Рис. 6.27 Характеристики иттербиевого волоконного лазера с накачкой в оболочку: а) спектр люминесценции (…) и генерации (-), б) зависимости выходной мощности от мощности накачки (λнакачки=980 нм) для различных длин волн генерации.

Путем объединения отдельных модулей в НПО «ИРЭ-Полюс» удалось создать иттербиевый волоконно-оптический лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе маломодового волокна около 10 кВт.



6.2.4. Волоконно-оптические усилители

Одним из основных узлов современных ВОСПИ со спектральным уплотнением каналов (WDM или DWDM системы) является оптический усилитель. В настоящее время созданы три типа оптических усилителей: полупроводниковые, волоконные эрбиевые и рамановские (ВКР) усилители. Полупроводниковые усилители не нашли применения в ВОСПИ, поскольку физические особенности их функционирования приводят к неприемлемой величине перекрестных помех между каналами. Наиболее широкое применение получили эрбиевые волоконные усилители (EDFA – Erbium-Doped Fiber Amplifier), созданные на основе АкОВ, сердцевина которых легирована ионами эрбия. Главное их достоинство заключается в спектре люминесценции ионов эрбия, лежащем в области l ~ 1,54 мкм – области минимальных потерь кварцевых ОВ. Эрбиевые усилители обеспечивают усиление оптических сигналов без их преобразования в электрические сигналы и обратно, при этом они обладают низким уровнем шумов. В таблице 6.4 указаны основные характеристики эрбиевых усилителей и обычные значения этих характеристик.

Таблица 6.4 Характеристики эрбиевых усилителей

Наименование характеристики

Типичное значение

Коэффициент линейного усиления, дБ

Мощность насыщения, Вт

Спектральная полоса усиления, нм

Рабочая длина волны, мкм

Эффективность оптического преобразования, %

30…40

0,5

30…40

1,53…1,57

50…60

Указанные характеристики определяются параметрами АкОВ и оптической схемой (топологией) усилителя. Оптическая накачка осуществляется, как правило, полупроводниковыми лазерами в эффективные полосы поглощения ионов эрбия – 0,98 и 1,48 мкм. Современные эрбиевые усилители обеспечивают усиление модулированных оптических сигналов в полосе до 40 ГГц.

На рис. 6.28 приведена схема простейшего эрбиевого усилителя. Усилитель состоит из отрезка АкОВ, легированного эрбием. В таком волокне сигналы определенных длин волн усиливаются за счет энергии внешнего излучения накачки. Отличительной особенностью волоконно-оптического усилителя от лазера является отсутствие обратной связи (резонатора). Излучение вводится в ОВ с помощью направленного соединителя, конструкция которого будут рассматриваться в гл. 9. Усилитель содержит также оптические изоляторы, предотвращающие распространение света в обратном направлении.

Рис. 6.28. Схема оптического усилителя: 1 – ввод излучения, 2 - оптический изолятор, 3 - АкОВ, легированное эрбием, 4 – сварное соединение, 5 – соединитель, 6 – лазер накачки, 7 – выход излучения

Для многоканальных волоконно-оптических систем со спектральным мультиплексированием очень важным является спектральная полоса усиления и ее равномерность (плоскостность), что позволяет одинаково усиливать все каналы, лежащие в спектральной полосе. На рис. 6.29 приведена зависимость коэффициента усиления эрбиевого усилителя от длины волны. Видно, что в диапазоне 1530…1560 нм спектральная плотность почти постоянна. В полосу 30…40 нм умещается несколько десятков каналов DWDM.

Рис. 6.29. Зависимость коэффициента усиления EDFA от длины волны

Эбиевые усилители полностью "прозрачны" – не зависят от используемых протоколов, форматов, скорости передачи и длины волны оптического сигнала. Поэтому их можно подключать непосредственно к различному оборудованию – коммутаторам АТМ или компонентам протокола IP – не опасаясь, что они помешают друг другу. Сети с эрбиевыми усилителями имеют многочисленные преимущества. Пропускную способность таких сетей можно наращивать экономично и постепенно, добавляя новые каналы по мере роста потребности. Применение данных усилителей позволяет создавать полностью оптические сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной (где информация достигает конечного получателя) точках сети. Оптические усилители успешно используются в сетях кабельного телевидения CATV, когда один общий сигнал передается большому числу абонентов ("широковещание").



6.2.5. ВКР волоконно-оптические лазеры

Волоконно-оптические лазеры, созданные на основе АкОВ, сердцевина которых легирована ионами РЗЭ, излучают лишь в определенных спектральных областях, не заполняющих весь ближний ИК-диапазон. Использование явления вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в ОВ позволяет создавать эффективные преобразователи длины волны (конвертеры) излучения лазерных источников и получать лазерную генерацию практически на любой длине волны ближнего ИК-диапазона. Явление ВКР (иногда называемого рамановским рассеянием) обусловлено неупругим взаимодействием фотонов с молекулами (или ионами), в ходе которых они обмениваются энергиями и возможны переходы на новые энергетические уровни. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР, приведены на рис. 6.30.

Молекула или ион, находящиеся в невозбужденном состоянии с энергией Е0 под действием кванта с энергией hν00 – частота падающего света) возбуждается в промежуточное (виртуальное) состояние с энергией Евир., откуда они могут вернуться в исходное состояние , испустив квант hν0 (рэлеевское рассеяние), либо перейти в состояние Ei, испустив квант h(ν0i), что приводит к появлению в спектре рассеянного излучения с частотами ν0i (стоксовы частоты). Если до поглощения фотона молекула   или ион находились в возбужденном состоянии с энергией Ei , то после рассеяния света они могут перейти как в исходное состояние, так и в основное состояние Е0. В последнем случае энергия рассеянного света возрастет, составляя h(ν0i), что приводит к появлению в спектре частот ν0i (антистоксовые линии).

Рис. 6.30. Схема энергетических уровней, иллюстрирующая основные принципы ВКР. Энергия возбуждающего света hν0, линии КР имеют частоты ν0±νi .

Следует отметить, то наибольшее значение имеет не абсолютная частота излучения, а величина частотного смещения света (ni). В случае непрерывной накачки объемного материала начальный рост интенсивности стоксовой волны (излучения) описывается соотношением

dIc / dz = gR´I0´Ic                                      (6.17),

где Ic и I0 – интенсивности стоксовой волны и волны накачки соответ-ственно, gR – коэффициент ВКР –усиления. Специфика ОВ, как ВКР-среды, заключается в относительно малом коэффициенте усиления (для плавленого кварца - 10-13 Вт/м) и большой длине взаимодействия. Последнее обстоятельство позволяет снизить пороги получения ВКР.На величину рамановского усиления ОВ влияет распределение интенсивности света по сечению ОВ. Поэтому коэффициент рамановского усиления в ОВ (g0) записывается как

                   g0 =  (∫ gR×I0×IC×ds) / [(∫I0×ds) (∫Ic×ds)]                                 (6.18),

где интегралы берутся по поперечному сечению ОВ.

На рис. 6.31 приведены относительные ВКР-спектры (рамановские) для объемных стекол SiO2, GeO2, B2O3, P2O5, а в таблице 6.5 некоторые их характеристики, в том числе частотное смещение (волновое число).

Рис. 6.31. Относительные рамановские спектры для стекол SiO2, GeO2, B2O3, P2O5

Если активную среду конвертора поместить в резонатор, образованный узкополосными отражателями ВБР, то получим ВКР-лазер. Комбинируя длину волны накачки и материал активного световода можно получить генерацию практически во всем спектре ближнего ИК-диапазона. Для иллюстрации рассмотрим следующий пример (рис. 6.32). Излучение из полупроводникового лазера на длине волны 0.806 мкм вводится в активное оптическое волокно, сердцевина которого легирована неодимом и к которому приварены брэгговские решетки, формируя волоконно-оптический лазер с генерацией на λNd=1,06 мкм = 1,06×10-4  см (таблица 6.2), при этом частота излучения составит:

ν0 = 1/λNd = 1/1,06×10-4= 9434 см-1                     (6.19).

Таблица 6.5 Характеристики ВКР-спектров для стекол SiO2, GeO2, B2O3, P2O5

Тип стекла

Показатель

преломления

Относительная

интенсивность

Величина волнового числа

см-1

Относительное

сечение

SiO2

GeO2

B2O3

P2O5

P2O5

1,46

1,60

1,48

1,55

1,55

1

7,4

4,6

4,9

3,0

440

420

808

640

1390

1

9,2

4,7

5,7

3,5

Если излучение неодимого лазера ввести в волокно с фосфорсиликатной сердцевиной, для которого Δν = 1330 см-1 при концентрации P2O5 10…15 мол. %, то новая частота излучения будет ν0-Δν = 9434-1330 = 8104  см-1, а длина волны соответственно- λнов.= 1/( ν0-Δν) = 1/8104 ≈ 1,24 мкм. Таким образом, введя в фосфорсиликатное волокно излучение на λ =1,06 мкм, на выходе получаем излучение с длиной волны λ = 1,24 мкм.

Рис. 6.32. Схема ВКР-лазера с брэгговскими решетками (ВБР), записанными непосредственно в ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной (точками отмечены места сварки): 1 – лазерная матрица с излучением на λ=0,806 мкм, 2 – АкОВ, сердцевина которого легирована неодимом, 3 – ОВ с фосфоросиликатной сердцевиной, 4 – выход излучения на λ=1,234 мкм, 5 – резонатор ВКР-лазера, ВБР – волоконная брэгговская решетка с коэффициентом отражения R (например, 99 %) на λ=1,06 мкм

Для получения излучения в спектральной области l> 1,35 мкм необходимо использовать многокаскадные ВКР-лазеры, когда излучение с выхода одного каскада ВКР-лазера подается на вход следующего каскада ВКР-лазера и т.д. Например, если использовать излучение l = 1,24 мкм с выхода фосфоросиликатного волокна  для накачки следующего каскада с фосфоросиликатным ОВ, можно получить излучение на 1,48 мкм, как это видно из рис. 6.33.

В заключении отметим, что интенсивность стоксовых частот возрастает с ростом концентрации легирующих компонентов (германия, фосфора и др.). Поэтому для создания ВКР - лазеров обычно используют высоколегированные ОВ, однако увеличение концентрации часто приводит к росту потерь и, в конечном счете, к уменьшению интенсивности излучения. В связи с этим приходится принимать  некоторую оптимальную концентрацию легирующих примесей. Установлено, что величина потерь в высоколегированных ОВ уменьшается с уменьшением температуры вытяжки волокна и при добавке в сердцевину небольшой концентрации фтора.

Рис. 6.33. Спектр излучения двухкаскадного ВКР-лазера на основе фосфоросиликатного оптического волокна



6.3. Радиационно-стойкие оптические волокна

Для ряда космических, военных и других применений требуются ОВ, устойчивые к воздействию высоких уровней радиации. Под её воздействием разрушаются химические связи, образующие матрицу стекла, и возникают так называемые центры окраски (ЦО), которые имеют новые уровни энергии электронов (донорные или акцепторные) и между ними возможны новые электронные переходы. Эти ЦО приводят к дополнительным потерям, которые называют наведенным поглощением (НП). Природа и количество ЦО в значительной степени зависит от состава стекол сердцевины и оболочки, а также способа изготовления ОВ.

Наибольшее поглощение должно наблюдаться в УФ-области, меньшее – в видимой области спектра (0,45…0,63 мкм) и с ростом длины волны НП должно уменьшаться вплоть до l =1,3 и 1,55 мкм, которые являются "окнами прозрачности" кварцевых ОВ. Подтверждением этому являются данные, приведенные на рис. 6.34, о зависимости НП от дозы облучения на различных длинах волн для ОВ, сердцевина которых легирована GeO2 (концентрация GeO2 ~ 11 мол. %).

Рис. 6.34. Дозные зависимости наведенного поглощения в образцах оптических волокон с концентрацией GeO2~ 11 мол.% на различных длинах волн при γ-облучении (мощность дозы – 2,7 Гр/с)

Поведение кварцевых стекол при g-облучении в значительной степени зависит от содержания в стекле гидроксильных групп, хлора, фтора и т.д. Присутствие ОН-групп уменьшает чувствительность стекла к радиации при малых дозах, а при мегагрейных дозах – увеличивает. Это обусловлено тем, что наличие ОН-групп приводит к росту полосы поглощения немостикового кислорода, в частности, на λ = 0,61 мкм. Присутствие хлора увеличивает потери в ОВ при их облучении.

Рис. 6.35. Зависимости наведенного поглощения на λ = 1,55 мкм от дозы γ-облучения (максимальная доза 5,5×104 Р) для образцов ОВ, при изготовлении которых использовались трубки из стекол: “Suprasil F-300” (1), КС-4В (2) и Гусь-Хрустальное газопламенное (3). Мощность света на выходе ОВ: 3 мкВт (сплошные линии), 440-550 мкВт (пунктирные)

На рис. 6. 35 приведены зависимости НП от дозы g-облучения (максимальная доза ~ 5,5´104 Р) для образцов ОВ, изготовленных при использовании труб разных производителей и имеющих чисто кварцевую сердцевину и светоотражающую оболочку из кварцевого стекла, легированного фтором (Dn ~ 0,01).

Видно, что в начале облучения наблюдается резкое увеличение НП, характерное для кварцевого стекла, а в дальнейшем приведенные зависимости отличаются не только величиной, но и характером поведения. Так, для образцов, полученных при использовании "сухих" труб ("Suprasil F-300") и КС-4В происходит рост НП от дозы облучения, а для образца с использованием трубки Гусь-Хрустального завода, имеющей высокую концентрацию гидроксильных групп, характерно уменьшение НП. Из рис. 6.35 также видно, что увеличение мощности света, пропускаемого по ОВ, ведет к значительному снижению НП. Максимальное НП в ОВ, при изготовлении которых использовались опорные трубки "Suprasil F-300", составило " 2,35 дБ/км  на l = 1,55 мкм при поглощающей дозе 438 Гр и мощности ~ 0,4 Г/с, а через 1 мин после окончания НП уменьшилось до 1,2 дБ/км и через 2 мин. до ~ 0,5 дБ/км.

Зависимости спада НП после окончания облучения свидетельствуют о существовании короткоживущих и долгоживущих ЦО. Короткоживущие ЦО обычно связывают с возникновением экситонов (электронов и дырок) на границах доменов в стекле при его облучении, а долгоживущие ЦО – с разрывом связи Si-O. При этом число короткоживущих ЦО пропорционально мощности дозы облучения и обратно пропорционально вводимой оптической мощности в ОВ, а концентрация долгоживущих ЦО пропорциональна поглощенной дозе.

На рис. 6.36 приведены спектральные зависимости НП для различных типов ОВ. Видно, что наименьшее НП имеет ОВ с чисто кварцевой сердцевиной, к нему приближается ОВ, сердцевина которого легирована азотом, а ОВ с германосиликатной сердцевиной имеет значительно большее НП, хотя характер спада НП для всех образцов ОВ близок.

Рис. 6.36. Спектры НП в образцах одномодовых ОВ после γ-облучения (доза – 10 кГр, мощность – 10 Гр/с): 1 - с германосиликатной сердцевиной и фторсиликатной оболочкой, 2 – с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной оболочкой, 3 – с сердцевиной, легированной азотом

Принято считать, что ЦО в ОВ с германосиликатной сердцевиной обусловлены дефицитом кислорода в первой координационной сфере атома германия (т.н. "германиевый кислородно-дефицитный центр" – ГКДЦ). В НП последних ОВ более 80 % интеграла поглощения, вызванного ГКДЦ, находится в УФ-области спектра, а именно полоса максимального поглощения - на λ= 0,242 мкм (5,12 эВ) и сопутствующая слабая полоса на λ = 0,33 мкм (3,75 эВ). Предложено несколько гипотетических моделей ГКДЦ (например,

-О-Ge-O-, ≡ Ge- Ge ≡, ≡ Si – Ge – Si ≡  и т.д.), однако однозначного выбора нет.

Исследование поведения многомодовых и одномодовых ОВ при их g - облучении показало, что добавка фосфора как в сердцевину, так и в оболочку увеличивает НП, причем величина НП почти линейно изменяется с дозой облучения. За время более суток после окончания облучения для подавляющего большинства образцов не наблюдается снижение НП (рис. 6.37), а, наоборот, его возрастание. Это объясняют тем, что быстро разрушающиеся кислородно-дефицитные центры переходят в другие более стабильные дефекты, аналогичные Е' – центру. Оптически этот дефект приводит к росту полосы поглощения вблизи 1,5 мкм. Однако введение фосфора в очень маленьких количествах (0,2…0,5 ат. %) в германосиликатную сердцевину способствует более быстрому спаду НП в начальный период по сравнению с кварцевой сердцевиной.

Рис. 6.37. Спад НП на λ =0,8 мкм после γ-облучения в образцах ОВ с германосиликатной сердцевиной, дополнительно легированной фосфором от 0 ат. % (1) до 0,9 ат. % (7)

Снижение температуры ОВ значительно увеличивает величину НП, в то время, как более быстрому восстановлению потерь после окончания облучения способствует нагрев ОВ или их интенсивное освещение.

Приведенные данные показывают, что радиационные характеристики улучшаются на более длинных волнах и. универсального радиационно-стойкого ОВ не существует. В зависимости от требований, предъявляемых к ОВ, следует выбирать тот или иной тип ОВ. Так, при высоких дозах облучения и для протяженных линий связи, в которых важна абсолютная величина НП, но не требуется очень быстрого их восстановления, наиболее приемлемым является ОВ с чисто кварцевой сердцевиной. Для коротких, внутри объектовых линий (десятки метров) допустимы гораздо большие коэффициенты затухания, но необходимы значительно меньшие времена восстановления. В качестве таких ОВ наиболее оптимальными являются ОВ с небольшой концентрацией оксидов германия и фосфора. В промежуточных случаях допустимо использование ОВ с фторсиликатной оболочкой и германосиликатной сердцевиной, в которой концентрация оксида германия составляет ~ 1…3 мол. %.



6.4. Микроструктурированные ОВ

         Последние примерно десять лет в оптике бурно развивается новое научное направление – фотонные кристаллы. Фотонные кристаллы в подавляющем большинстве представляют собой искусственно создаваемые структуры с периодически изменяющейся в пространстве диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость среды () показывает во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между зарядами уменьшается по сравнению с вакуумом и связана с ПП следующим уравнением:

                                               (6.20)

где c и v –скорость света в вакууме и среде соответственно.

Основным свойством фотонных кристаллов является то, что будучи прозрачными, вообще говоря, для широкого спектра электромагнитного излучения, они оказываются непрозрачными для некоторых частотных диапазонов этого спектра. Иными словами, излучение с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла, не может распространяться поперек такой структуры. Эти спектральные диапазоны стали называть фотонными запрещенными зонами, аналогично запрещенным зонам в полупроводниках и диэлектриках, где эти зоны возникают при соединении отдельных атомов в кристалл. При этом дискретный набор разрешенных энергетических состояний электронов переходит к распределению по энергетическим зонам под действием периодического потенциала решетки кристалла.          В ОВ также можно создать периодическую структуру, состоящую из капилляров, заполненных воздухом. Такие ОВ называются микроструктурированными (МкОВ). Возможны 2 варианта: центр такого ОВ заполнен стержнем (чистым кварцевым стеклом, либо сердцевиной АкОВ) или в нем размещается отверстие (капилляр). Первые ОВ называют иногда "дырчатыми" волокнами (HF –holey fibers), а вторые – волокнами с запрещенной зоной (PBGF – photonic band gap fibers). На рис. 6.38 приведены схема и фотогра фия торца "дырчатого" ОВ. В этих волокнах дырчатая структура выполняет роль светоотражающей оболочки, поскольку капилляры, заполненные воздухом, имеют эффективный ПП меньше ПП сердцевины, расположенной в центре структуры. Такие ОВ могут быть изготовлены из однородного материала, обычно из чистого, не легированного кварцевого стекла.

Волноводные характеристики данных структур могут быть рассмотрены в рамках модели полного внутреннего отражения, применимого к обычным ОВ. Однако волноводные характеристики этих микроструктурированных ОВ существенно отличаются от характеристик традиционных волокон.

Рис. 6.38. Схема (а) и фотография (б) микроструктурированного оптического волокна.

Во-первых, разность ПП между сердцевиной и оболочкой в HF может почти на два порядка быть больше, чем в стандартных ОВ. Во-вторых, эффективный ПП оболочки HF существенно сильнее зависит от длины волны излучения, чем в стандартных ОВ, что приводит к появлению ряда уникальных характеристик. Так, при отношении диаметра отверстий (d) к их периоду (L)меньшем 0,2 ОВ являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварцевого стекла. Длина волны нулевой дисперсии (ДВНД) может быть значительно смещена в сторону коротких длин волн, в то время как для кварцевого стекла она расположена в области ~ 1,3 мкм. Для примера, на рис. 6.39 приведены рассчитанные зависимости дисперсии подобных ОВ от длины волны. Видно, что эти зависимости определяются во многом отношением d/L, а в экспериментальных образцах подобных МкОВ ДВНД удалось сместить вплоть до l = 0,55 мкм. Такие микроструктурированные ("дырчатые") ОВ обладают значительным отрицательным коэффициентом дисперсии (до -2000 пс / (нм×км)) и могут использоваться в качестве компенсаторов дисперсии в ВОСПИ, причем их использование позволяет компенсировать полную дисперсию в линии SM волокнами в 100 раз большей длины. В ИРЭ РАН построена математическая модель распространения света в «дырчатом« МкОВ, разработаны программы численных расчетов структуры волокна для обеспечения требуемых параметров и проведена экспериментальная проверка модели. Заложенное в расчетах значение ДВНД хорошо совпало с экспериментальной величиной (1,1 мкм и 1,08 мкм соответственно), измеренной в образце со структурой, предлагаемой этой моделью (4 слоя воздушных капилляров диаметром d » 1,7 мкм, расстояние между центрами отверстий L » 4 мкм при диаметре ОВ ~125 мкм). Величина потерь в подобных МкОВ зависит от качества используемого кварцевого стекла, степени очистки от механических примесей внешней поверхности капилляров и от степени осушки газа, используемого при перетяжке заготовок (сборок). В лучших зарубежных образцах величина потерь составляла ~ 0,5 дБ/км на l =1,55 мкм при длине образцов несколько км, а в отечественных образцах 4…10 дБ/км. Уже предприняты успешные попытки по сварке данных ОВ с телекоммуникационными ОВ при получении малых потерь в местах сварки.

Рис. 6.39. Теоретические зависимости дисперсии «дырчатого» МкОВ от длины волны, рассчитанные для d/Λ: 1 - 0.1, 2 – 0.2, 3 – 0.3, 4 – 0.45 и Λ=2.3 мкм

Хотя в ОВ данного типа вовсе не обязательна строгая периодичность расположения отверстий в оболочке (поскольку определяющей является величина ее среднего, эффективного ПП), тем не менее на практике отверстия обычно располагаются в виде гексагональной решетки. Варьируя конфигу-рацию расположения отверстий и их размеры (тем самым картину профиля ПП), можно изменять диаметр (площадь) модового пятна в пределах трех порядков. При этом надо иметь в виду, что уменьшение площади моды приводит к значительному увеличению нелинейных эффектов (по расчету до 60 вт-1км). В свою очередь, это ведет к расширению возможности использования таких ОВ для различных устройств, в частности, для генерации очень широкого континуума излучения («когерентного белого света») в диапазоне λ = 0,55…1.95 мкм. На рис. 6.40 приведены спектрограммы входного импульса и излучения, выходящего из микроструктурированного, "дырчатого" ОВ длиной 75 см.

Рис. 6.40. Спетрограммы входного импульса (1) и излучения (2), выходящего из "дырчатого" МкОВ длиной 75 см.

         Проведенные исследования процесса генерации спектрального суперконтинуума показали, что многомодовое МкОВ осуществляет спектрально-пространственную селекцию излучения суперконтинуума. Например, при возбуждении МкОВ титан-сапфировым лазером (λ = 800 нм) высшие моды представляют синюю часть спектра, а основная мода – красную часть. В условиях оптимизации дисперсионных характеристик, достигаемой при диаметре сердцевины многомодового МкОВ, равном 4,5 мкм и соотношении d/Λ в пределах 0,8…0,9, выполняются фазовые соотношения для процесса четырехволнового смешения с генерацией антистоксовой компоненты в высшей пространственной моде в спектральной области λ= 570…600 нм, стоксовой компоненты в области ~ 1250 нм., а самомодуляции фазы излучения накачки в основной моде происходит на длинах волокна, значительно меньших дисперсионной длины, что и обуславливает перекрытие спектрального диапазона суперконтинуума в пределах от 400 до 1300 нм. При увеличении мощности накачки ширина континуума увеличивается, как это видно из рис. 6.41. Подобный континуум можно использовать в качестве источника света в системах WDM и DWDM для значительного увеличения числа передаваемых каналов.

С целью демонстрации использования "дырчатых" ОВ в телекоммуникации был сконструирован также рамановский ВКР-лазер, работающий при длине волокна всего 3,3 м, с эффективной нелинейностью γ = 31 Вт-1×км на длине волны 1,55 мкм. Напротив, одинаково увеличивая все геометрические размеры "дырчатой" структуры, можно значительно увеличить эффективную площадь поперечного сечения моды и передавать по волокну значительно большую мощность без появления нелинейных эффектов.

Рис. 6.41. Спектры вторичного излучения, генерируемые в микроструктурированном ОВ с одним циклом отверстий при накачке титан-сапфировым лазером при мощности: 1 – 2 нДж, 2 – 3 нДж

         Следующее применение «дырчатой» структуры, которое привело к созданию ОВ, устойчивых к изгибам, было предложено корейскими учеными на конференции OFC/NFOEC,06. В этом случае 6 капиллярных отверстий, расположенных на периферии светоотражающей оболочки, позволили уменьшить высветку в оболочку и получить малые потери при радиусе изгиба до 2,5 мм.

Микроструктурирование АкОВ позволяет решить две проблемы: сформировать внешнюю оболочку, состоящую из воздушных капилляров, и увеличить площадь сердцевины, легированной РЗЭ. Наличие "дырчатой" внешней оболочки (рис. 6.30) позволило значительно повысить эффективность накачки как за счет высокой числовой апертурой этой оболочки, так и за счет ограничения площади накачки (до ~20…35 мкм). Так был создан иттербиевый лазер с выходной мощностью 3,5 Вт в одномодовом режиме при накачке на = 0,98 мкм (расширение диапазона перестройки с 1,06 до 2,68 мкм) при пороге 400 мВт и эффективности 42%.

Второй подход связан с созданием внутренней оболочки, которая обеспечивает одномодовый режим работы волокна при большой площади модового пятна сердцевины. Эта внутренняя оболочка имела форму гексагональной решетки с отверстиями ~ 2 мкм и расстоянием между ними ~ 11,5 мкм, т.е. d/L = 0.18. Сердцевина диаметром ~ 9 мкм была сформирована кварцевым стержнем, легированном иттербием (СYb » 0,6 %), алюминием и фтором для получения Dn ~ 2´10-4. При такой малой разности ПП сердцевины и внутренней оболочки удалось создать лазер, работающий в одномодовом режиме при dмод ~ 21 мкм (площадь модового пятна ~ 350 мкм2) с NA = 0,05 и выходной мощностью ~ 80 Вт при эффективности 78 %.

Отличие МкОВ типа PBGF от МкОВ типа HF состоит в том, что сердцевина периодической структуры представляет собой не стеклянный стержень, а воздушную полость (капилляр). Такая структура может направлять излучение видимого и ближнего ИК-диапазонов, когда отношение d/L превышает некоторое, для каждой симметрии конкретное, значение (как правило, d/L ³ 0,3). Волноводный режим обеспечивается при этом исключительно за счет возникновения фотонных запрещенных зон. На рис. 6.42 приведены спектры пропускания микроструктурированных волокон с полой сердцевиной и различным шагом структуры, а также фолтография торца подобного световода. С точки зрения будущего интерес к этим волокнам обусловлен следующими факторами:

свет в таких волокнах распространяется в воздухе или, что еще лучше, в вакууме и существует перспектива достижения невероятно низких потерь;

возможность использования чистого кварцевого стекла, что исключает проведение химических реакций, направленных, в частности, на его легирование для изменения ПП кварца;

используя различные формы и размеры отверстий, а также расстояние между ними, можно управлять дисперсией и нелинейными эффектами в волокне.

Рис. 6.42. Спектры пропускания МкОВ с полой сердцевиной в зависимости от шага структуры: 1 – 16 мкм, 2 – 12 мкм, 3- 8 мкм

Длительное время потери в этих световодах были значительно выше, чем в «дырчатых» МкОВ (~ 15 дБ/км вместо 0,5 дБ/км). Однако в последние годы наметился существенный прогресс. На конференции ЕСОС-2005 представитель фирмы «Fujikura» сообщил о создании МкОВ с пространственной треугольной решеткой и капиллярной сердцевиной, которая имела спектр пропускания от 1520 до 2100 нм. В обзорном докладе представителя фирмы NTT (Япония) на конференции OFC/NFOEC-06 указывалось, что удалось создать волокна, которые имели потери ~ 0,28 дБ/км, причем последние обусловлены, главным образом, негладкостью поверхности отверстий. Для устранения этого группа ученых из Саусхемптона (Англия) предложила конструкцию отверстий в виде шестиугольника вместо круга, при этом поверхностные моды подавляются и границы оказывают меньшее влияние на распространяющуюся моду.

Для получения МкОВ наибольшее распространение получили два метода получения заготовок, из которых затем вытягивали волокно. Это – метод сборки из капилляров и метод сверления. В первом случае заготовка представляет собой плотно упакованные пакеты, состоящие из центрального кварцевого штабика (HF-волокна) или центрального капилляра (PBGF-волокна), вокруг которых располагаются тонкостенные капилляры. Эти пакеты вставляются в трубку, предварительно перетянутую до требуемого диаметра. Структура будущего МкОВ определяется наружным диаметром и толщиной стенки капилляров, предварительно вытянутых из кварцевых трубок (в том числе из высоко качественных трубок "Suprasil F-300"), числом слоев этих капилляров вокруг штабика и размерами внешней трубки.. Полученная заготовка перетягивается в волокно (за один или несколько раз) при избыточном давлении внутри капилляров для предотвращения их "сжатия" во время вытяжки. Во втором случае в штабике из чистого кварцевого стекла с помощью трубочки или сверла, на торец которых нанесена алмазная крошка, просверливают отверстия, располагающиеся в определенном порядке. Далее полученная заготовка, как и в предыдущем случае, перетягивается в волокно. Каждый из указанных методов имеет свои преимущества и недостатки: в частности, метод сверления более приемлем для получения сложной структуры МОВ, а метод капиллярной сборки – для получения гексагональной решетки.

В заключение остановимся на прочности МкОВ, т.к. наличие «дырок», в принципе, могло привести к снижению прочности волокна. Однако, вытянутое и покрытое уретанакрилатным покрытием МкОВ имело распределение Вейбулла, близкое к распределению для обычных волокон, как это видно из рис. 6.42. Разрывное усилие находится вблизи ~ 5,5 кгс, а наличие низкомодового участка с пониженной прочностью у МкОВ объясняется тем, что заготовка перед вытяжкой , предварительно не обрабатывалась (не травилась, не проводилась огневая полировка и т.п.).

Рис. 6.42. Распределение Вейбулла для оптических волокон: 1 - микроструктурированное волокно, 2- стандартное одномодовое волокно

Физико-технологические основы волоконно-оптической техники





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru