ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ 1500-1800 нм, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВОЛОКОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
FIBER LIGHTGUIDE FOR AMPLIFYING OPTICAL RADIATION IN SPECTRAL AREA OF 1500-1800 NM, METHOD OF ITS MANUFACTURE AND BROADBAND FIBER AMPLIFIER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к волоконным световодам, в частности, активным волоконным световодам, обеспечивающим оптическое усиление в спектральной области 1500 – 1800 нм, способам изготовления таких светoводов, а также оптическим усилителям на основе таких световодов с полосой усиления более 200 нм и коэффициентом оптического усиления, равным или превышающим 10 дБ.
Изобретение может быть использовано в широкополосных волоконно-оптических системах связи, при разработке перестраиваемых непрерывных и импульсных лазеров, а также для реализации источников с широким спектром излучения, которые могут использоваться в медицинских, научных и других целях.
Предшествующий уровень техники
Прогресс в области разработки волоконно-оптической связи обеспечил возможность передавать большие объемы информации на дальние расстояния с высокой скоростью (Тбит/с и выше). В результате такие системы стали широко использоваться и вытеснять другие способы передачи информации. Известно, что ключевым звеном таких систем связи являются усилители оптического излучения.
В настоящее время существуют эффективные эрбиевые волоконные усилители, способные обеспечить оптическое усиление в области 1530 нм (см., например, US 6353496 B1 или US 5005175 A), которые широко используются в волоконных линиях связи. Ширину полосы оптического усиления эрбиевых усилителей удалось увеличить благодаря использованию спектральных фильтров и особенностей конструкции усилителей (см., например, US 5260823 A или US 6362917 B1). Максимальная ширина полосы усиления эрбиевых усилителей достигает 90 нм в диапазоне от 1520 до 1610 нм.
Разработка оптического усилителя с более широкой полосой усиления позволила бы расширить спектральную область для передачи информации, что приведет к повышению производительности волоконно-оптических систем связи. Потенциально такие системы связи могут работать в области длин волн 1300 – 1700 нм. (T. Morioka, “New generation optical infrastructure technologies:“EXAT initiative” towards 2020 and beyond,” in Proc. Optoelectron. Commun. Conf., Hong Kong, 2009, Paper FT4).
2
3
2
5
2
3
Однако важным условием является то, что область работы такого широкополосного усилителя, по-прежнему, должна быть сосредоточена в диапазоне около 1550 нм, поскольку это окно прозрачности телекоммуникационных световодов, то есть в данной области световоды обладают минимальными оптическими потерями. Изначально, были попытки расширить полосу оптического усиления световодов, легированных эрбием, модифицируя сетку стекла, используемого для сердцевины световодов, оксидами различных элементов LaO, TaO, GaO (US 7341965 B2). Однако данный подход не обеспечил существенного расширения полосы усиления оптического излучения.
Создание легированных висмутом стекол и световодов, обладающих люминесценцией 1000-1700 нм, обеспечило прогресс в области разработки новых активных сред с широким спектром оптического усиления.
Известен волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000 – 1700 нм (RU 2302066 C1), содержащий оболочку из оксидного стекла и сердцевину из оксидного стекла, которое содержит в качестве активной примеси не более 2 мол.% оксида висмута и оксиды элементов из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия. Указанный световод обеспечивает люминесценцию в области 1000 – 1700 нм, однако из этого не следует, что световод обеспечивает оптическое усиление во всей указанной спектральной области. Область генерации оптического излучения  волоконным лазером, реализованным на основе такого световода, ограничена узким диапазоном длин волн от 1100 до 1220 нм, поэтому данный волоконный световод не обеспечивает оптическое усиление в области 1500 – 1700 нм.
Известно также, что смещение полосы люминесценции и оптического усиления в длинноволновую область может быть осуществлено путем изменения химического состава сердцевины световода, легированного висмутом. В настоящее время продемонстрировано, что легированные висмутом фосфоросиликатные световоды обеспечивают оптическое усиление в области 1280-1350 нм, германосиликатные с низким содержанием оксида германия и чисто кварцевые световоды – в области 1380 – 1480 нм (I. A. Bufetov, M. A. Melkumov, S. V. Firstov, K. E. Riumkin, A. V. Shubin, V. F. Khopin, A. N. Guryanov, E. M. Dianov, "Bi-Doped Optical Fibers and Fiber Lasers," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 20, 0903815 (2014)), а германосиликатные с высоким содержанием оксида германия световоды – в области 1600-1800 нм (S. Firstov, S. Alyshev, M. Melkumov, K. Riumkin, A. Shubin, E. Dianov, "Bismuth-doped optical fibers and fiber lasers for a spectral region of 1600–1800  nm," Opt. Lett. 39, 6927-6930 (2014)).
На основе висмутовых световодов созданы оптические усилители (см., например, E. M. Dianov, "Amplification in Extended Transmission Bands Using Bismuth-Doped Optical Fibers," J. Lightwave Technol. 31, 681-688 (2013) и S. V. Firstov, S. V. Alyshev, K. E. Riumkin, V. F. Khopin, A. N. Guryanov, M. A. Melkumov, E. M. Dianov, "A 23-dB bismuth-doped optical fiber amplifier for a 1700-nm band, Sci. Rep. 6, 28939 (2016)), работающие в спектральных областях, находящихся в коротковолновом и длинноволновом диапазоне относительно положения максимума полосы усиления эрбиевых усилителей.
Однако возможная комбинация висмутового и эрбиевого усилителей по схеме из EP 1069712 A2 является сложным и экономически невыгодным подходом и, более того, не позволяет получить широкую непрерывную полосу оптического усиления в спектральной области от 1500 до 1800 нм.
Известны световоды, содержащие оксиды висмута и эрбия, которые имеют широкополосную люминесценцию в области от 1000 до 1600 нм при накачке на длинах волн 532, 800 или 980 нм (Y. Luo, J. Wen, J. Zhang, J. Canning, G. D. Peng "Bismuth and erbium codoped optical fiber with ultrabroadband luminescence across O-, E-, S-, C-, and L-bands," Opt. Lett., 37(16), 3447-3449 (2012)). На таком типе световодов при накачке на длине волны 800 нм продемонстрировано on/off усиление (рассчитывается как отношение интенсивностей пробного сигнала, измеренного при включенной и выключенной накачке) в области длин волн 1300 – 1600 нм (Z. M. Sathi, J. Zhang, Y. Luo, J. Canning, and G. D. Peng "Spectral properties and role of aluminium-related bismuth active centre (BAC-Al) in bismuth and erbium co-doped fibres," Opt. Mater. Express, 5(5), 1195-1209 (2015)). Однако в указанном световоде наличие оптического on/off усиления обусловлено насыщением поглощения и не гарантирует наличия реального оптического усиления, уровень которого должен превышать уровень оптических потерь в образце.
o
Наиболее близким к заявленному способу является способ модифицированного химического парофазного осаждения (MCVD) оксидов из смеси исходных газообразных реагентов, образующих стеклообразные слои на кварцевой трубе, последующее спекание которых при температурах 1800-2000C приводит к формированию сердцевины световода. Помимо MCVD метода, существуют различные близкие методы изготовления, например, химическое парофазное осаждение FCVD, аксиальное парофазное осаждение VAD, внешнее парофазное осаждение OVD, плазмохимическое парофазное осаждение PCVD и SPCVD заготовок таких волоконных световодов, которые основаны на химическом осаждении (см., например, K. M. Golant, A. P. Bazakutsa, O. V. Butov, Y. K. Chamorovskij, A. V. Lanin and S. A. Nikitov, "Bismuth-activated silica-core fibres fabricated by SPCVD," 36th European Conference and Exhibition on Optical Communication, Torino, 2010, pp. 1-3.). Далее из полученных заготовок вытягивают волоконные световоды. В процессе вытяжки волоконный световод покрывают защитным полимером. Таким образом, структура волоконного световода состоит из сердцевины и оболочки из оксидного, как правило, кварцевого стекла и защитного покрытия. В указанных способах не используется технология одновременного введения оксидов эрбия и висмута в оксидное стекло сердцевины волоконного световода и не указана возможность получения оптического усиления в широкой спектральной области.
2
3
2
3
2
2
3
Наиболее близким к заявленному широкополосному волоконному усилителю является устройство, описанное в заявке US 2009/0009855 A1 (публикация). Устройство содержит волоконный световод с сердцевиной, изготовленной из стекла BiO (1,0 мол.%) - AlO (7 мол.%) - SiO (91,9 мол.%) - TmO (0,1 мол.%), приготовленного в тигле. Висмутовый световод встраивался в схему устройства при помощи сварных соединений. Устройство усиливает оптическое излучение в области длин волн 1270 – 1350 нм, при ширине полосы усиления не более 100 нм, максимальное оптическое усиление не превосходит более 4 дБ. Важно отметить, что в патенте не приводится данных об уровне оптических потерь таких световодов в области оптического усиления и превышении коэффициента усиления над этими потерями, а следовательно, нет оснований полагать, что в этом случае наблюдается реальное, а не on/off усиление. Кроме того, не показана возможность получения оптического усиления в длинноволновой спектральной области до 1530 нм.
Таким образом, в настоящее время не раскрыты волоконные световоды, обеспечивающие оптическое усиление 10 дБ и более в полосе с шириной 200 нм и более в области длин волн 1500 – 1800 нм.
Краткое изложение существа изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания волоконного световода для усиления оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм, на основе световода, легированного эрбием и висмутом, который обеспечивает полосу усиления с шириной 200 нм и более при использовании одной длины волны накачки.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания способа изготовления волоконного световода для усиления оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм, на основе световода, легированного эрбием и висмутом, с полосой усиления 200 нм и более при использовании одной длины волны накачки.
В основу настоящего изобретения поставлена также задача создания широкополосного волоконного усилителя на основе указанного волоконного световода.
-4
-2
-4
-1
Поставленная задача решена путем создания волоконного световода для усиления оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм, который содержит сердцевину из оксидного стекла, содержащую оксиды висмута в количестве 10-10 мол.% и эрбия в количестве 10-10 мол.%, оксиды германия и кремния с концентрациями, взятые вместе или по отдельности, в количестве 90-99,9 мол.%, оксиды фосфора, бора и алюминия, взятые вместе или по отдельности, в количестве 0,1-9,9 мол.%, при этом сердцевина волоконного световода обеспечивает усиление оптического излучения в полосе шириной более 200 нм в спектральной области 1500 – 1800 нм при накачке излучением с одной длиной волны в областях 850 – 1000 нм и/или 1400 – 1500 нм, по меньшей мере одну оболочку из кварцевого стекла и защитное покрытие.
Предпочтительно защитное покрытие имеет более высокий показатель преломления, чем оксидное стекло оболочки, при этом стекло оболочки имеет более низкий показатель преломления, чем показатель преломления сердцевины для обеспечения распространения излучения по сердцевине световода.
Предпочтительно относительная концентрация оксида германия и оксида кремния в составе волоконного световода изменяется в пределах 0 – 100%.
Предпочтительно относительная концентрация оксида фосфора, оксида бора и оксида алюминия в составе волоконного световода изменяется в пределах 0 – 100%.
Предпочтительно относительная концентрация оксида висмута и оксида эрбия в составе волоконного световода изменяется в пределах 10-90%.
Поставленная задача решена также путем создания способа изготовления волоконного световода, указанный способ содержит этапы, на которых
-4
-2
-4
-1
формируют заготовку в виде стеклянного стержня, состоящего из оболочки и сердцевины из оксидов элементов, включая оксид висмута в количестве 10-10 мол.% и оксид эрбия в количестве 10-10 мол.%, а также оксиды элементов, входящих в группу, содержащую германий, кремний, фосфор, бор, алюминий с использованием двухстадийного процесса химического осаждения на внутреннюю поверхность кварцевой трубки;
при этом на первой стадии осуществляют осаждение оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из германия, кремния, фосфора, бора, алюминия;
на второй стадии осуществляют осаждение активных примесей из смеси газообразных реагентов, содержащей соединение эрбия, бромид висмута и кислород, с последующим проплавлением осажденных слоев;
о
осуществляют сжатие трубки с осажденными и проплавленными слоями при температуре 2000-2100С для получения заготовки в виде сплошного стеклянного стержня;
вытягивают из полученной заготовки волоконный световод с одновременным нанесением защитного покрытия.
Поставленная задача решена также путем создания широкополосного волоконного усилителя для усиления оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм, который содержит
источник накачки,
спектрально-селективный ответвитель, обеспечивающий ввод излучения сигнала/накачки и вывод излучения усиленного сигнала,
оптические изоляторы, препятствующие возникновению паразитной генерации, и
волоконный световод, в качестве которого использован предложенный волоконный световод,
при этом оптическое усиление 10 дБ и более обеспечено в полосе с шириной более 200 нм в спектральном диапазоне 1500 – 1800 нм, и в качестве источника накачки использован источник излучения с одной длиной волны, находящейся в области 1400 – 1500 нм и/или 850 – 1000 нм.
Предпочтительно в широкополосном волоконном усилителе все соединения конструктивных элементов между собой являются сварными.
Предложенный световод позволит увеличить полосу оптического усиления по сравнению с существующими аналогами на основе световодов из кварцевого стекла и обеспечить уровень оптического усиления 10 дБ и более.
Технический результат заключается в создании волоконного световода, обеспечивающего полосу усиления с шириной 200 нм и более в спектральной области 1500 – 1800 нм, получаемой вследствие перекрытия полос оптического усиления, обусловленного ионами эрбия и висмутовыми активными центрами, при накачке излучением с одной длиной волны, расположенной в областях 1400-1500 нм и/или 850-1000 нм.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
2
2
2
3
2
3
Фиг. 1 изображает спектр оптического поглощения волоконного световода с сердцевиной из GeO - SiO стекла, содержащего BiO и ErO, согласно изобретению.
2
2
Фиг. 2 изображает спектр люминесценции волоконного GeO – SiO световода, содержащего оксид висмута и оксид эрбия, при возбуждении излучением на длине волны 975 нм.
2
2
2
3
2
3
Фиг. 3 изображает спектры оптического усиления волоконного световода с сердцевиной из GeO - SiO стекла, содержащего ~0,008 мол.% BiO и различные концентрации ErO: 1 – 0,12 мол.%; 2 – 0,06 мол.%; 3 – 0,015 мол.%; 4 – 0,0015 мол.%, где источником накачки служил одномодовый лазерный диод, излучающий на длине волны 1460 нм.
2
3
2
3
Фиг. 4 изображает схему широкополосного волоконного оптического усилителя на основе световода, содержащего BiO и ErO.
Фиг. 5 изображает экспериментально полученный спектр усиления волоконного усилителя на основе световода В.
Описание вариантов осуществления изобретения
-4
-2
-4
-1
Волоконный световод для усиления оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм согласно изобретению содержит сердцевину из оксидного стекла, содержащего оксиды висмута в количестве 10-10 мол.% и эрбия в количестве 10-10 мол.%, оксиды германия и кремния с концентрациями, взятые вместе или по отдельности, в количестве 90-99,9 мол.%, оксиды фосфора, бора и алюминия, взятые вместе или по отдельности, в количестве 0,1-9,9 мол.%. Сердцевина предложенного волоконного световода обеспечивает усиление оптического излучения в полосе шириной более 200 нм в спектральной области 1500 – 1800 нм при накачке излучением с одной длиной волны в областях 850 – 1000 нм и/или 1400 – 1500 нм. Волоконный световод содержит также по меньшей мере одну оболочку из кварцевого стекла и защитное покрытие.
Защитное покрытие имеет более высокий показатель преломления, чем оксидное стекло оболочки, при этом стекло оболочки имеет более низкий показатель преломления, чем показатель преломления сердцевины для обеспечения распространения излучения по сердцевине световода.
Относительная концентрация оксида германия и оксида кремния в составе волоконного световода изменяется в пределах 0 – 100%.
Относительная концентрация оксида фосфора, оксида бора и оксида алюминия в составе волоконного световода изменяется в пределах 0 – 100%.
Относительная концентрация оксида висмута и оксида эрбия в составе волоконного световода изменяется в пределах 10-90%.
На Фиг. 1 представлен характерный спектр оптического поглощения волоконного световода, состоящий из полос с максимумами на длинах волн ~1400 нм, ~1650 нм, обусловленных висмутовыми активными центрами, и ~1530 нм, обусловленных ионами эрбия.
На Фиг. 2 представлен спектр люминесценции такого типа световодов, измеренный при возбуждении излучением с длиной волны 975 нм. Указанный световод обладает широкополосной (имеет ширину (по половине высоты) более 200 нм в спектральной области 1500 – 1800 нм) ИК люминесценцией при возбуждении излучением на длине волны в областях 850 – 1000 нм и/или 1400 – 1500 нм. Преимущество выбора длины волны накачки из указанных спектральных областей заключается в том, что можно использовать излучение с одной длиной волны для возбуждения ионов эрбия и висмутовых активных центров, поскольку в этих областях длин волн у каждого из них имеется интенсивная полоса поглощения.
На Фиг. 3 продемонстрированы спектры оптического усиления, приходящегося на единицу длины волоконных световодов (А-Г), представленных в Таблице. В световодах А, Б (Таблица), в которых концентрация оксида эрбия, как минимум, на порядок превосходит концентрацию оксида висмута, при прочих равных условиях, оптическое усиление возникает в области длин волн 1510 – 1630 нм, что соответствует полосе усиления эрбия (Кривая 1, 2).
2
3
2
3
Снижение относительной концентрации оксида германия в сердцевине световода приводит к тому, что оптическое усиление сосредоточено в области длин волн 1510 – 1630 нм, что обусловлено недостатком висмутовых активных центров, участвующих в усилении в 1650 – 1800 нм (световод Е). При близких концентрациях оксида эрбия и оксида висмута спектр усиления (Кривая 3) становится существенно шире, ровнее и простирается от 1500 – 1800 нм (световод В). При концентрациях ErO примерно на порядок ниже концентрации BiO оптическое усиление, в основном, (Кривая 4) определяется висмутовыми активными центрами, усиливающими преимущественно в области длин волн 1650 – 1800 нм (световоды Г, Д).
2
3
2
3
Таким образом, ширина полосы оптического усиления световода определяется оптимальными соотношениями ErO и BiO, а также соотношением оксидов других элементов из выбранной группы, состоящей из германия, кремния, фосфора, бора и алюминия, в сердцевине световода.
Таблица
Химический состав стекла сердцевины  волоконных световодов, обладающих оптическим усилением в области длин волн 1500 – 1800 нм.
*
Для образцов А-Г спектры оптического усиления показаны на Фиг. 3.
Способ изготовления волоконного световода для усиления оптического излучения области длин волн 1500-1800 нм заключается в изготовлении заготовки волоконного световода методом парофазного химического осаждения оксидов элементов на внутреннюю поверхность кварцевой трубы.
-2
-1
о
Для создания заготовки такого световода используется двустадийный процесс. На первой стадии через вращающуюся кварцевую трубу при парциальном давлении 10-10 атм пропускают смесь газообразных хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, бора, алюминия, и кислород. При нагреве до 1600 – 1700С высокотемпературной кислородно-водородной горелкой, движение которой осуществляется против потока хлоридов, происходит химическая реакция с образованием оксидов указанных элементов в виде стекловидных частиц, которые осаждаются на внутреннюю поверхность кварцевой трубы вниз по потоку реагентов от зоны нагрева. На второй стадии в кварцевую трубу подается смесь газообразных реагентов, состоящая из бромида висмута, металлоорганического соединения эрбия (дипивалоилметанат эрбия) и кислорода. Скорости потоков прекурсоров находятся в пределах 10-500 мл/мин. На этой стадии кислородно-водородная горелка осуществляет движение во встречном потоку реагентов направлении. Продукты реакции прекурсора висмута с кислородом и высокотемпературного разложения соединения эрбия осаждаются на поверхность стекловидного слоя, сформированного на первой стадии осаждения, и сорбируются им.
Движущаяся по потоку реагентов горелка сплавляет осажденный материал в прозрачное стекло, содержащее висмут и эрбий одновременно. Оптимальное соотношение оксидов эрбия и висмута в стекле сердцевины заготовки получается изменением скоростей потоков соединений висмута и эрбия.
o
После осаждения слоев стекла требуемого состава осуществляется процесс сжатия кварцевой трубы с нанесенными прозрачными слоями стекла под действием сил поверхностного натяжения при высокотемпературном нагреве 2000-2100C, с целью получения сплошного стеклянного стержня (заготовки). Из полученного стеклянного стержня вытягивается волоконный световод с использованием известных методик. В процессе вытяжки световод покрывается защитным полимером.
Характеристики волоконных световодов, полученных таким методом, описывались выше (Таблица).
Заявляемый волоконный световод для усиления оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм может быть реализован с помощью и других известных технологических процессов химического осаждения кварцевого стекла из смеси исходных газообразных реагентов, таких как FCVD, VAD, OVD, PCVD, SPCVD.
На Фиг. 4 показана конструкция широкополосного волоконного усилителя оптического излучения в спектральной области 1500 – 1800 нм. Данная конструкция содержит источник накачки 1, спектрально-селективный ответвитель 2, обеспечивающий ввод излучения сигнала/накачки и вывод излучения усиленного сигнала, оптические изоляторы 3, препятствующие возникновению паразитной генерации  и волоконный световод 4. Согласно изобретению, в качестве активного световода для усилителя использовался волоконный световод, имеющий обозначение В (Таблица).
Следует отметить, что конструкция широкополосного волоконного усилителя была получена с помощью сварных соединений, т.е. активный волоконный световод можно сваривать с низкими оптическими потерями с другими волоконными элементами конструкции.
При этом:
а) излучение накачки и пробного сигнала распространялось во встречном направлении, что обеспечивало более высокую эффективность устройства, чем в попутном направлении;
б) необходимость выбора оптимальной длины световода обусловлена тем, что избыточная длина может приводить к возникновению паразитной генерации в области 1530 – 1600 нм, а недостаточная – к сужению области оптического усиления.
В качестве источника накачки использовался лазерный диод, излучающий на длине волны 1460 нм. Для тестирования работы изобретения на вход подавался пробный сигнал “гребенка”, состоящий из отдельных пиков, расположенных в спектральном диапазоне 1500 – 1800 нм. Входной и выходной сигналы регистрировались с помощью оптических спектроанализаторов. Значение оптического усиления на определенной длине волны вычислялось из сравнения экспериментально измеренных интенсивностей сигнала после усилителя и на входе усилителя на одной и той же длине волны.
На Фиг. 5 приведен спектр оптического усиления устройства. Данный спектр получен при накачке 1460 нм с мощностью 300 мВт. Таким образом, изобретение позволяет получить оптическое усиление ~10 дБ в полосе с шириной более 200 нм в спектральной области 1500 – 1800 нм.
Таким образом, предлагаемый в данном изобретении волоконный световод имеет существенное преимущество перед ближайшим аналогом, заключающееся в том, что он способен обеспечить оптическое усиление порядка 10 дБ и более излучения в полосе шириной более 200 нм в спектральной области 1500 – 1800 нм.