Активные волоконные световоды

Под активными понимают волоконные световоды, в состав материала которых входят ионы элементов, обладающих оптическими переходами. При этом активный ион может вводиться как в сердцевину световода, так и в его отражающую оболочку, если по ней распространяется заметная часть оптической мощности. Для производства активных волоконных световодов используется ряд технологических процессов: MCDV (модифицированное химическое осаждение из газовой фазы), OVD (внешнее осаждение из газовой фазы), VAD (аксиальное осаждение из газовой фазы) и другие. Для введения активной примеси в этих процессах наибольшее распространение нашли метод пропитки, когда непроплавленный пористый материал сердцевины пропитывается раствором соли активной добавки, и легирование из летучих соединений.

Следует отметить, что максимальная концентрация активных ионов в сетке кварцевого стекла невелика и ограничивается их растворимостью, а также возникновением кооперативных эффектов. [1]. Кооперативные явления — это явления в многочастичной системе, связанные с когерентным (согласованным) взаимодействием большого числа частиц. [6]. Это приводит к тому, что длина активной среды волоконного лазера может достигать нескольких десятков метров. Поэтому естественным требованием к активным волоконным световодам является наличие достаточно низких нерезонансных оптических потерь. Приемлемое значение потерь составляет от 5 до 20 дБ/км, в этом случае их влияние на эффективность лазера составляет не более нескольких процентов. На рис. 2.4 представлен спектр оптических потерь волоконного световода, легированного ионами Yb3+ с концентрацией 8 1019 см-3. Сердцевина данного образца была также легирована Al2O3, что позволяет, как увеличить предел растворимости редкоземельных ионов в кварцевом стекле, так и уменьшить вероятности их кластеризации, приводящей к кооперативной ап-конверсии.

Рисунок 2.4 — Спектр оптических потерь в сердцевине оптического световода при концентрации ионов Yb3+ n = 8×1019 см-3.

Как уже отмечалось, мощные полупроводниковые источники для накачки волоконных лазеров требуют применения волоконных световодов с двойной оболочкой. В качестве активной среды мощных волоконных лазеров используются световоды, состоящие из одномодовой сердцевины, легированной как активной примесью редкоземельного элемента, так и примесями, формирующими профиль показателя преломления, а также из внутренней оболочки из кварцевого стекла и внешней оболочки с показателем преломления, пониженным по сравнению с таковым для кварцевого стекла. Модельный профиль показателя преломления данных световодов показан на рис. 2.5, а.

Внутренняя оболочка (вместе с внешней оболочкой) образует многомодовый световод, по которому распространяется излучение накачки. Она имеет типичный размер 0.1 — 1 мм, что обеспечивает возможность ввода излучения накачки от полупроводниковых источников с мощностью от нескольких единиц до нескольких десятков ватт. При распространении по многомодовому световоду излучение накачки поглощается активными ионами редкоземельного элемента, вызывая люминесценцию, которая при наличии обратной связи может развиться в лазерную генерацию. При этом область генерации оказывается локализованной в одномодовой сердцевине, т. е. ее характерный поперечный размер составляет 5 — 10мкм. Принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера иллюстрируется на рис. 2.5,б.

Таким образом, волоконный лазер с накачкой в оболочку может рассматриваться как устройство, позволяющее повысить яркость полупроводникового источника в сотни раз (естественно, на другой длине волны).

Рисунок 2.5 — Модельный профиль показателя преломления (а) и принцип преобразования многомодового излучения накачки в одномодовое излучение волоконного лазера (б).

Для наиболее распространенного типа волоконных световодов с двойной оболочкой в качестве материала внешней оболочки используются полимеры с низким показателем преломления. В частности, это силиконовая резина, обеспечивающая числовую апертуру многомодового световода NА — 0.38, и тефлон АF, позволяющий увеличить NА до 0.6. Как правило, световоды с полимерным покрытием имеют внешний диаметр 100 — 300 мкм.

К недостаткам использования силиконового покрытия следует отнести высокий уровень оптических потерь для излучения накачки, который составляет 50 дБ/км и более. Использование тефлона позволяет получать световоды с оптическими потерями в оболочке 10 дБ/км. Кроме того, данный материал обладает высоким пропусканием в УФ части спектра, что позволяет записывать решетки без удаления полимера. Однако тефлоновое покрытие имеет малую толщину (10 — 20 мкм), что увеличивает риск повреждения световода. [1].

Оптические волокна с внутренней оболочкой круглой формы (см. рис. 2.6) являются неэффективными в смысле обеспечения связи мод внутренней оболочки с активированной сердцевиной, хотя и отличаются относительной простотой изготовления и соединения волокон. Причина заключается в том, что излучение в силу круговой симметрии не пересекает сердцевину волокна, расположенную в его центре, и следовательно, не обеспечивает должным образом накачку. Изгиб волокна в большинстве случаев не приводит к положительному результату. Смещение сердцевины к краю внутренней оболочки зачастую дает положительный эффект, однако это усложняет процесс производства волновода и его соединение.

Рисунок 2.6 — Геометрия накачки в оболочку круглой формы с центрированной и смещенной к краю сердцевиной Внутренние оболочки волокон некруглой формы (см. рис. 2.7), в частности, многоугольники, оболочки в форме буквы D, прямоугольные оболочки являются эффективным путем повышения накачки активной сердцевины.

Рисунок 2.7 — Геометрия накачки во внутренние оболочки некруглых форм Многоугольные оболочки трудны в изготовлении, зато их легко соединять, так как они обладают осевой симметрией по отношению к активной сердцевине. Оболочки в форме английской буквы D можно изготовить путем простого «шлифования» части круглой оболочки, но такие волноводы непросты в соединении. 7].

Для определения эффективности поглощения в оптических волокнах с различной геометрией внутренней оболочки рассматривалось несколько образцов, изготовленных из одной заготовки с сердцевиной, легированной иттербием. Данные световоды имели следующие форму и параметры внутренней оболочки: круглая (диаметром 125 мкм), D-образная с одной сошлифованной гранью (125×100 мкм), прямоугольная (150×75 мкм), квадратная (125×125 мкм). Для этих образцов было измерено поглощение в полосе иттербия для двух конфигураций: для прямых световодов и для световодов, изогнутых в форме восьмерки с радиусом изгиба 1 см. Использование последней конфигурации должно было способствовать перемешиванию мод оболочки и увеличению поглощения в полосе Yb3+, если связь части мод оболочки с сердцевиной отсутствует для прямого оптического волокна. Из результатов измерений, представленных в табл.2.2, следует, что введение нерегулярного изгиба световода приводит к изменению поглощения только для образца с круглой формой внутренней оболочки, поэтому можно сделать вывод, что каждая использованная некруглая геометрия внутренней оболочки позволяет получить эффективность поглощения накачки, близкую к 100%.

Таблица2.2 — Влияние геометрии внутренней оболочки на эффективность поглощения излучения накачки в световоде, легированном ионами Yb3+.

D — образная форма выглядит наиболее простой для изготовления, поскольку требуется сошлифовка лишь одной грани заготовки. Однако сварка такого световода со световодом, имеющим круглую форму оболочки и используемым для изготовления брэгговских решеток, приводит к достаточно большим потерям в точке соединения из-за его асимметричной формы. Таким образом, оптимальной геометрией оболочки является квадратная форма, позволяющая добиться как высокой эффективности поглощения излучения накачки, так и малых оптических потерь при сварке с круглыми волокнами. Следует отметить, что можно использовать и другие геометрии оболочки, в частности шестигранную форму.

Для ряда задач необходимо использовать активные световоды с малым диаметром внутренней оболочки (30−60 мкм), накачиваемые более яркими полупроводниковыми источниками. Применение световодов с полимерным покрытием вызывает трудности из-за слишком малого внешнего диаметра, который не допускает использования сварочных аппаратов для соединения с другими волоконными световодами. В этом случае можно применять волоконный световод с двойной оболочкой на основе кварцевых стекол разного состава. В таком световоде в качестве внешней оболочки используется опорная труба из кварцевого стекла, а в качестве внутренней кварцевое стекло с достаточно большим содержанием GeO2. Недостатком этой конструкции является ограничение сверхучисловой апертуры световода на основе внутренней оболочки из-за разрушения заготовки, обусловленного разностью коэффициентов термического расширения для материалов внутренней и внешней оболочек. Вероятность разрушениязаготовки повышается при больших геометрических размерах осажденной оболочки. Поэтому на практике числовая апертура для излучения накачки составляет 0.2 — 0.25, что существенно ограничивает вводимую мощность накачки.

Другим вариантом является использование активного световода с микроструктурированной оболочкой, поперечное сечение которого представлено на рис. 2.8. На нем черными кружками обозначены воздушные промежутки. Характерное значение числовой апертуры таких световодов составляет 0.5 и ограничивается вытеканием мод высших порядков через перемычки, поддерживающие внутреннюю оболочку. Большое значение NА позволяет увеличить плотность накачки в несколько раз по сравнению с предыдущей конструкцией световода при использовании идентичных источников накачки и сохранении диаметра внутренней оболочки. 1].

Рисунок 2.8 — Схема волоконного световода с микроструктурированной оболочкой.