«случайный»
волоконный лазер
Член-корреспондент РАН Сергей БАБИН, заведующий лабораторией волоконной оптики, заместитель директора по научной работе Института автоматики и электрометрии СО РАН (Новосибирск)
В сегодняшнем динамичном мире все большую роль играют высокоскоростные средства связи. В настоящее время до 75% передаваемой информации — от интернета до мобильных телефонов и телевидения — проходит по магистральным волоконно-оптическим линиям, и из года в год этот объем растет. Вот почему перед разработчиками стоит задача развития нового поколения коммуникационных систем, в частности способных доставлять сигнал без потери качества на всё большие расстояния с минимальными затратами. Решать эти проблемы помогают лазерные технологии.
Напомним некоторые принципы, на которых действует лазер. Известно, что для лазерной генерации нужна активная среда, усиливающая свет (например, кристалл рубина), и положительная обратная связь, превращающая оптический усилитель в генератор когерентного излучения. Для формирования такой связи активную среду помещают в резонатор — он обычно состоит из двух зеркал, настроенных параллельно друг другу. Зеркала отражают свет обратно в усиливающую среду, и если коэффициент усиления превышает потери при двойном проходе между зеркалами, то достигается порог генерации и мощность излучения резко возрастает, но не до бесконечности, а стабилизируется на уровне, определяемом эффектом насыщения, — усиление в активной среде с ростом мощности падает и в стаци-
онарном режиме становится равным потерям в резонаторе.
Поперечное сечение лазерного пучка ограничено размерами активной среды или зеркал резонатора, который не может быть очень длинным, так как пучок в свободном пространстве расширяется из-за дифракции. И чем меньше размер пучка, тем сильнее его расходимость и, соответственно, потери на зеркалах. От этих недостатков свободен полностью закрытый вариант резонатора, когда в промежутке между зеркалами пучок распространяется по волноводу, каковым является, например, волоконный световод*. Последний важен для дальнейшего изложения, поэтому коротко остановимся на его устройстве.
*См.: А. Прохоров, Е. Дианов. Волоконная оптика: проблемы и перспективы. — Наука в СССР, 1987, № 3 (прим. ред.).
В лаборатории волоконной оптики Института автоматики и электрометрии СО РАН российские участники проекта.
Слева направо: кандидат физико-математических наук Сергей Каблуков, доктор физико-математических наук Евгений Подивилов, член-корреспондент РАН Сергей Бабин.
Сердцевина световода диаметром около 10 мкм изготавливается из легированного кварцевого стекла и имеет повышенный показатель преломления. Внешняя оболочка (ее диаметр ~ 100 мкм) также стеклянная, а сверху покрыта пластиком. Свет распространяется по сердцевине за счет эффекта полного внутреннего отражения, причем практически без потерь — совсем незначительные потери определяются рэлеевским рассеянием* на неоднородностях показателя преломления субмикронного масштаба, присущих структуре стекла. В пассивных волоконных световодах, используемых в телекоммуникациях, коэффициент потерь уменьшается с ростом длины волны и достигает минимума (~0,2 дБ/км) вблизи ~1,55 мкм, т.е. сигнал слабеет в 100 раз, пройдя 100 км пути, что и определяет предельную длину участка волоконной линии связи между усилителями сигнала.
Другое ценное свойство таких световодов — фоточувствительность: если воздействовать на какой-то участок сердцевины волокна ультрафиолетовым излучением, то можно на протяжении этого отрезка изменить показатель преломления. Упрощенно говоря, таким образом реально создать подобие фильтров или, если хотите, шторок на пути света, вдобавок обладающих способностью к его отражению, т.е. берущими на себя роль зеркал. Для отражения конкретной длины волны света в сердцевине световода формируется периодическая структура показателя преломления — так называемая волоконная брэггов-ская решетка**, коэффициент отражения которой
*Рэлеевское рассеяние—рассеяние светана объектах, размерыкото-рых меньше длины его волны. Названо в 1871 г. в честь открывшего это явление британского физика лорда Рэлея (прим. ред.).
**Брэгговская решетка — названа по фамилии английских физиков отца и сына Уильяма Генри и Уильяма Лоренса Брэггов, основоположников рентгеноструктурного анализа; нобелевские лауреаты 1915 г. (прим. ред.).
может превышать 99%. Эти внутриволоконные лазерные зеркала выдерживают большую мощность и «живут» много лет. И именно с их помощью можно из световода сделать волоконный лазер (его идею предложил сотрудник компании «American Optical» Элиас Снитцер еще в 1961 г., т.е. всего через год после запуска американским физиком Теодором Мейманом первого лазера на кристалле рубина).
Уже тогда были очевидны преимущества волоконного активного элемента в сравнении с кристаллом: за счет большой удельной площади поверхности волоконного световода достигается эффективный теплоотвод, а его волноводные свойства обеспечивают высокое качество выходного пучка, нечувствительного к нагреву активного элемента. Однако уровень технологий того времени (низкое качество оптоволокна, сложность схем накачки и необходимость сопряжения активных световодов с объемной оптикой — зеркалами и другими элементами) отодвинул на десятки лет внедрение этого типа лазеров в практику.
Прогресс в их развитии стал реален во многом благодаря появлению волоконно-оптической связи и телекоммуникационных технологий, в первую очередь, созданию в конце 1960-х годов световодов с низкими потерями на основе кварцевого стекла, чего удалось достичь за счет уменьшения концентрации примесей. За работы в этой области китайскому (одновременно британскому и американскому) инженеру-физику Чарльзу Као присудили Нобелевскую премию по физике 2009 г. Практическое внедрение волоконно-оптических линий связи, особенно бурное в 1990-х годах после появления интернета, привело к созданию принципиально новой элементной базы волоконной оптики: эффективных источников оптической накачки — полупроводни-
Генерация ~1560 нм
1_~1 00 км
Генерация ~1560 нм
Накачка 1455 нм
Э
Случайная распределенная обратная связь
Я~0,1% + ВКР-усиление
Принцип работы лазера со случайной распределенной обратной связью. При введении в световод в двух направлениях излучения накачки (1455 нм) из-за эффекта вынужденного комбинационного рассеяния создается распределенное усиление как для прямых, так и рассеянных фотонов, и если интегральный показатель их усиления превышает потери за полный проход, возникает генерация на ~ 1560 нм.
ковых лазеров* с выводом излучения в оптическое волокно, волоконных брэгговских решеток и других элементов, на основе которых были разработаны эффективные лазеры в полностью волоконном исполнении.
Простейший вариант устройства такого типа представляет собой отрезок активного волоконного световода с сердцевиной, легированной ионами редкоземельных элементов (иттербия, эрбия и др.), на концах которого сформированы волоконные брэгговские решетки, выступающие в роли отражателей светового пучка. Некогерентное излучение многомодового лазерного диода накачки вводится в световод через ответвитель и переводит активные ионы в возбужденное состояние, создавая тем самым усиливающую среду. При этом брэгговские решетки, отражающие свет на резонансной частоте, формируют резонатор лазера непосредственно в волоконном световоде.
Реализация полностью волоконной схемы привела к революции в лазерной технике — она не требует юстировки зеркал, обладает высокой эффективностью и стабильностью генерации при высоком качестве пучка. Как оказалось, для усиления не обязательно использовать оптическую накачку лазерных уровней ионов редкоземельных элементов. Его можно создать и в пассивном телекоммуникационном волокне за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света на оптических фо-нонах (колебаниях) в стекле. Проявление этого эффекта связано с концентрацией интенсивного излучения в сердцевине световода большой протяженности.
В 2006 г., проводя эксперименты с ВКР-лазерами совместно с группой британских коллег из Университета Астон (Бирмингем), руководимой нашим соотечественником профессором Сергеем Турицыным, мы сформулировали два вопроса: до каких пределов
*За создание лазеров на гетероструктурах, работающих при комнатной температуре, российскому ученому академику Жоресу Алферову была присуждена Нобелевская премия по физике 2000 г. (прим. ред.).
можно увеличивать длину волоконного лазера? может ли она превысить протяженность пассивного участка волоконно-оптической линии связи (~ 100 км)? Работа начиналась с реализации ВКР-лазеров с длиной резонатора (расстояние между волоконными брэгговскими решетками, выступающими в роли зеркал) в 10—20 км, а затем этот показатель достиг ~100 км. В 2009 г. удалось обнаружить искомый предел — он оказался равным 270 км. Выяснилось, что вплоть до этой границы наблюдается структура продольных мод* линейного резонатора (с межмодовым расстоянием ~400 Гц). Это означает: между «зеркалами», разнесенными на 270 км, формируется стоячая электромагнитная волна** (она получается в результате наложения движущихся навстречу падающей и отраженной волн одинаковой интенсивности), что само по себе поразительно. Еще удивительнее оказалось то, что при дальнейшем увеличении длины (до 300 км и более) лазер тоже работает, но уже в «безмо-довом» режиме.
Было высказано предположение: к генерации в этом случае приводит рэлеевское рассеяние на субмикронных неоднородностях показателя преломления — то самое, которое определяет синий цвет неба над головой и минимальный уровень потерь в телекоммуникационных волоконных световодах. Хотя рассеяние в световоде идет во все стороны, часть излучения, ушедшего назад, попадает обратно в световод и распространяется во встречном направлении. Интегрально эффект очень мал (на уровне 0,1%), но если в волокне создать распределенное усиление
* Мода — тип колебаний; отличаются друг от друга скоростью распространения, распределением интенсивности по сечению световода, направлением вектора электр
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.