ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2008, том 72, № 1, с. 110-114
УДК 535.362 +535.343
ПОГЛОЩЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ,
АКТИВИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ
© 2008 г. Л. И. Булатов1, В. В. Двойрин2, В. М. Машинский2, Е. М. Дианов2, А. П. Сухоруков1, А. А. Умников3, А. Н. Гурьянов3
E-mail: apsmsu@gmail.com
Исследованы спектры оптических потерь в алюмосиликатных волоконных световодах, легированных висмутом в спектральном диапазоне 200-1700 нм. Проведено разделение потерь на поглощение (активное и неактивное) и рассеяние. Световоды изготовлены методом химического осаждения из газовой фазы и методом плазмохимического осаждения из газовой фазы.
ВВЕДЕНИЕ
Лавинообразный рост объемов передаваемой информации в телекоммуникационных системах стимулирует активное освоение О-полосы (1.26— 1.36 мкм), которая характеризуется достаточно низкими оптическими потерями и близкой к нулю хроматической дисперсией. До настоящего момента оптические усилители и лазеры для данного спектрального диапазона создавались на основе волоконных световодов из флюоридного стекла (2ВЬЛК), активированного ионами редкоземельных металлов (Рг3+), а также с использованием эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (рамановские волоконные лазеры и усилители). Однако световоды из флюоридного стекла, легированные Рг3+, практически не совместимы с телекоммуникационными световодами на основе кварцевого стекла. Значительный прогресс в освоении спектрального диапазона 1.26-1.36 мкм возможен при использовании в качестве активной среды стекол, легированных висмутом. В [1, 2] сообщалось о наблюдении широкополосной люминесценции в ближней ИК-области спектра (1.3 мкм) в алюмо-силикатном стекле, легированном висмутом, а также продемонстрирована возможность оптического усиления сигнала на длине волны 1.3 мкм. Дальнейшие исследования показали, что широкополосная люминесценция в ближней ИК-области спектра (1.1-1.7 мкм) наблюдается также в силикатных [3], германатных [4, 5], фосфатных [6], бариево-борат-ных [7] объемных стеклах. При этом природа активных висмутовых центров (АВЦ) до конца не ясна. Выдвигаются различные гипотезы, связывающие ИК-люминесценцию с электронными переходами ионов В15+ [1], В1+ [6, 7], кластерами В12, В14 [5], а также комплексами вида |[ЛЮ4/2]-, В1+} [8].
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
2 Научный центр волоконной оптики РАН, Москва.
3 Институт химии высокочистых веществ РАН, Нижний Новгород.
Недавно мы впервые (одновременно с [9]) сообщили об изготовлении методом химического осаждения из газовой фазы (МСУБ) волоконных световодов, легированных висмутом [8, 10]. Спектральное положение (1050-1200 нм), ширина полосы (150-200 нм) и большое время жизни (около 1 мс) люминесценции, характерной для АВЦ, делают такие световоды перспективными для создания непрерывных и импульсных лазеров, а также широкополосных усилителей [11-13]. Однако эффективность генерации лазеров была менее 30%, что значительно ниже эффективности эрби-евых и иттербиевых волоконных лазеров. Созданию высокоэффективных устройств на основе световодов, легированных висмутом, препятствуют дополнительные пассивные оптические потери, также обусловленные легированием висмутом. Приемлемое значение этих потерь составляет от 0.005 до 0.02 дБ/м в рабочем диапазоне, в этом случае их влияние на эффективность составляет не более нескольких процентов [14]. В настоящее время пассивные потери в световодах, активированных висмутом, в 10-100 раз больше.
В данной работе исследованы спектры поглощения в данных световодах, изготовленных двумя разными методами, а также проведена оценка уровня оптических потерь, связанных с поглощением и рассеянием.
МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ
Заготовки для волоконных световодов были синтезированы методом МСУБ с использованием опорной трубки из кварцевого стекла. Сердцевину заготовки с повышенным относительно оболочки показателем преломления формировали осаждением оксидов алюминия и кремния из газовой фазы. Германий и фосфор дополнительно вводили в стекло сердцевины для изучения их влияния на спектроскопические свойства АВЦ. Легирование
висмутом осуществляли либо пропиткой пористого слоя стекла сердцевины раствором солей висмута, либо осаждением висмута из газовой фазы. Одна заготовка была получена методом плазмохими-ческого осаждения из газовой фазы (SPCVD) [15]. Из заготовок были вытянуты световоды с внешним диаметром 125 мкм и диаметром сердцевины 5-20 мкм (таблица).
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Радиальное распределение химического состава стекла сердцевины измеряли в сердцевине световода методом рентгеновского микроанализа с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-5910LV (JEOL, Япония) и рентгеновского спектрометра INCA (Oxford Instruments, Великобритания). Профили концентраций Al, Ge, P и Bi, измеренные в световоде № 46, представлены на рис. 1. В большинстве других световодов определить концентрацию висмута в стекле сердцевины не удалось, так как она была ниже предела чувствительности метода по висмуту, который составляет 0.02 ат. %. Уменьшение концентраций Ge и Bi в центре сердцевины световода связано с высокой летучестью оксидов германия и висмута при температурах спекания пористого слоя и схлопывания трубчатой заготовки в стержень (~1900°C).
Спектры оптических потерь измеряли методом "облома", при этом в сердцевину световода вводили малую мощность излучения (~10-11 Вт) во избежание просветления среды в сердцевине световода. Для измерения спектров в световодах с высокими оптическими потерями (100-350 дБ/м) к исследуемому волокну длиной ~10 см приваривали отрезок германосиликатного световода с низкими потерями (менее 0.1 дБ/м) длиной около 1 м. В дальнейшем нормировали полученный спектр на опорный спектр германосиликатного световода и сварки.
Концентрация Концентрация
Al, Ge, P, мол. % Bi, ат. %
Рис. 1. Зависимости концентрации Al, Ge, P и Bi от радиуса сердцевины, измеренные в световоде < 46.
Оптические потери в диапазоне 350-10000 дБ/м измеряли в объемных образцах толщиной 1 мм, изготовленных из тех же заготовок, из которых были вытянуты соответствующие световоды.
Спектры люминесценции измеряли при возбуждении излучением Кг+-Аг+-лазера (476, 488, 530, 568, 647, 676 нм) и Nd3+:YAG-лазера (1064 нм). Измерения проводили на спектрофотометре Ando (Япония), модель 6310.
Насыщение поглощения и рассеяние измеряли в интегрирующей сфере. В качестве источника излучения использовали Кг+-Аг+-лазер (454, 476, 488, 514, 530, 568 нм). Для уверенной регистрации введенного, прошедшего и рассеянного излучения для каждого световода подбирали оптимальную рабочую длину (20-100 см). С помощью ряда мер устраняли влияние рассеяния на резких изгибах (поглощающие изоляторы), видимой и ИК, люминесцен-
Параметры волоконных световодов, легированных висмутом, изготовленных методами МСУБ и БРСУБ
Образец, № Состав стекла сердцевины, мол. % Концентрация висмута, ат. % Метод изготовления Техника легирования висмутом Люминесценция в видимой и ИК-областях спектра Оптические потери в области, 1 мкм, дБ/м
5 96SiO2-4Al2O3 0.15 MCVD Пропитка Есть 60
10 96.2SiO2-3.8Al2O3 <0.02 » » » 0.13
25 95.8SiO2-4.2Al2O3 <0.02 » Газовая фаза » 1.2
28 97.85SiO2-2.15Al2O3 <0.02 » » Нет 0.07
33 95SiO2-5Al2O3 <0.02 » Пропитка Есть 5.74
35 93.2SiO2-4.25Al2O3-1.5GeO2-1.05P2O5 <0.02 » » » 2.5
46 94.65SiO2-3.5Al2O3-1.5GeO2-0.35P2O5 0.1 » » » 37
48 94.8SiO2-3.7Al2O3-1.5GeO2 <0.02 » » » 5.3
G1 97.4SiO2-2.6Al2O3 <0.02 SPCVD Газовая фаза » 2.2
а, дБ/м
100
10
1
0.1
0.01 100
10
1
0.01 10000
1000
100
10
1
0.1
0.01
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
X, нм
Рис. 2. Спектры оптических потерь для волоконных световодов, легированных висмутом: а - варьирование методов изготовления световодов, способов легирования и диаметра сердцевины; световоды № 25 (ОМ), 25 (ММ), С1, 33 (ОМ) (кривые 1-4 соответственно); • -варьирование состава стекла сердцевины; световоды № 25, 35, 48 (кривые 1-3 соответственно); в - изменение концентраций висмута в стекле сердцевины; световоды № 28, 10, 25, 5 (кривые 1-4 соответственно).
ции (фильтры с полосой пропускания 300-600 нм), поглощения на сварке и вне сферы (нормировка). Рассеяние измеряли при максимальных интенсив-ностях введенного излучения (50-100 мВт); таким образом ослаблялось относительное влияние люминесценции на результат измерения коэффици-
ента рассеяния. Результаты измерений усредняли по двум-трем различным участкам исследуемого световода.
Все спектры измеряли при комнатной температуре.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ Спектры оптических потерь
На рис. 2а приведены спектры оптических потерь для алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, при изготовлении которых использованы две разные технологии изготовления, два метода легирования и были вытянуты одномо-довый (ОМ) и многомодовый (ММ) световоды.
Наблюдаются полосы поглощения в области 500, 700, 800 и 1000 нм. Пики поглощения на 1250 и 1390 нм обусловлены ОН-группами. Видно, что методы изготовления заготовок, способы легирования, диаметр сердцевины не оказывают заметного влияния на спектральное положение и форму полос поглощения. Более высокий уровень поглощения в световоде № 33 связан с повышенным содержанием висмута в стекле сердцевины.
Спектры потерь для световодов с различными составами стекла сердцевины, активированные висмутом, приведены на рис. 26. Дополнительное легирование стекла сердцевины германием не оказывает заметного влияния на структуру полос поглощения, в то же время легирование фосфором увеличивает поглощение в области 1000-1600 нм.
Для изучения концентрационных зависимостей была изготовлена серия световодов с разным содержанием висмута в сердцевине (см. рис. 2в).
В световоде № 28 не наблюдали люминесценцию при возбуждении в видимой и ИК-областях спектра, при этом в спектре оптических потерь присутствуют широкие полосы поглощения с максимумами на 290 и 450 нм. По-видимому, данные полосы обусловлены поглощением ионами В13+ [16]. В световодах № 10, 25, 5 увеличивается концентрация висмута в стекле сердцевины. При этом полосы погл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.