Активные и пассивные микроструктурированные (дырчатые) кварцевые волоконные световоды, полученные методом капиллярной сборки

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

АКТИВНЫЕ И ПАССИВНЫЕ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ (ДЫРЧАТЫЕ) КВАРЦЕВЫЕ ВОЛОКОННЫЕ СВЕТОВОДЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДОМ КАПИЛЛЯРНОЙ СБОРКИ

В.А. АКСЕНОВ, вед. технолог Фрязинского отд. Института радиотехники и электроники РАН, В.Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборовМГУЛ, д-р техн. наук,

A. А. ЗАМЯТИН, науч. сотр. Фрязинского отд. Института радиотехники и электроники РАН,

Г.А. ИВАНОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ, д-р хим. наук,

B. А. ИСАЕВ, ст. науч. сотр. Фрязинского отд. Института радиотехники и электроники РАН, А.А. МАКОВЕЦКИЙ, ст. науч. сотр. Фрязинского отд. Института радиотехники и электроники РАН, канд. физ.-мат. наук

В последнее время 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 постоянной. Основным свойством фотонных кристаллов является то, что, будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, они оказываются непрозрачными для некоторых частотных диапазонов, когда длина волны излучения сравнима с периодом решетки фотонного кристалла. Эти спектральные диапазоны стали называть фотонными запрещенными зонами, аналогично запрещенным зонам в полупроводниках и диэлектриках.

Применительно к волоконным световодам подобные периодические структуры формируют воздушными капиллярами, располагающимися в определенном порядке вдоль оси волокна, и такие световоды называют микроструктурированными. Есть 2 основных типа микроструктурированных волоконных световодов (МСВС) [1]:

- световоды, в центре которых располагается капилляр, выполняющий роль дефекта решетки и формирующий моду, которая локализована в пределах этого дефекта и будет распространяться по волокну;

- световоды, в центре которых располагается материал кварцевого стекла (пассивные световоды) или материал, в состав которого входят ионы элементов, обладающих оптическими переходами (активные световоды). В этих световодах «дырчатая» структура выполняет роль светоотражающей оболочки, поскольку капилляры, заполненные воздухом, имеют эффективный показатель преломления (ПП) меньший ПП материала сердцевины. Несмотря на то, что волноводные характеристики таких МСВС могут быть рас-

смотрены в рамках модели полного внутреннего отражения, применимого к обычным световодам, имеются существенные отличия свойств традиционных световодов и МСВС, а именно:

- разность ПП между сердцевиной и светоотражающей оболочкой может быть значительно (почти на 2 порядка) больше, чем в стандартных ВС;

- эффективный ПП оболочки существенно сильнее зависит от длины волны излучения.

Указанные отличия приводят к появлению уникальных свойств МСВС [6-7]. Например, длина волны нулевой дисперсии может значительно смещаться в сторону коротких длин волн (вплоть до 0,55 мкм вместо 1,3 мкм для чистого кварцевого стекла).

Рис. 1. Фотография и аппроксимация отверстий, полученные на электронном микроскопе для образца пассивного МСВС: наружный диаметр волокна - 125 мкм; диаметр отверстия d 1-го слоя - 1,16 мкм, 2-го слоя - 1,02 мкм; период Л - 1,82 мкм; отношение d / Л 1-го слоя - 0,637, 2-го слоя - 0,56

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

5

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Показатель преломления

(SiO2*P2O5*F), 3 - технологическая кварцевая оболочка

Рис. 3. Спектральная зависимость потерь в световоде, сердцевина которого легирована иттербием и алюминием

При относительно малом размере отверстий (d/л < 0,2, где d - диаметр отверстий, а л -расстояние между отверстиями) данные волокна являются одномодовыми во всем спектральном диапазоне прозрачности кварцевого стекла. Изменяя конфигурацию отверстий, можно менять не только дисперсионные, но и поляризационные характеристики МСВС. Варьируя размеры и кар-

тину профиля ПП, можно изменять диаметр (площадь) модового пятна на 3 порядка, что приводит к усилению нелинейных эффектов, в частности к генерации широкого континуума излучения - «когерентного белого света» в интервале длин волн 0,55-1,9 мкм [2].

В предыдущем докладе [3] были описаны технология и свойства пассивного кварцевого МСВС, изготовленного методом сверления отверстий в кварцевом штабике. На рис. 1 приведены фотография и аппроксимация отверстий, полученные на электронном микроскопе. Видно, что при диаметре МСВС 125 мкм диаметр отверстий составлял 1,16 мкм для 1-го слоя и 1,02 мкм для 2-го слоя, а расстояние между отверстиями = 1,82 мкм. Потери в данном МСВС составляли ~ 0,06 дБ/м на X = 0,8 мкм и в значительной степени определялись качеством используемого кварцевого штабика. Рассчитанная длина волны нулевой дисперсии ~ 0,8 мкм, интервал длин волн светового континуума 0,8-1,2 мкм, а прочность данных световодов близка к прочности обычных «связных» световодов [4].

В настоящей работе основное внимание уделено получению методом капиллярной сборки активных МСВС, сердцевина которых легирована главным образом ионами иттербия. Изготовление исходных заготовок активных ВС осуществляли на установке MCVD фирмы «SGC»

6

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

из раствора нитратов РЗЭ. Первоначально на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубки осаждали слои фтор-фосфоросиликатного стекла с ПП, близким к ПП кварцевого стекла, при подаче внутрь нагреваемой трубки паров SiCl4, POCl3 и SF6 вместе с О2. Данные слои формировали защитную оболочку, которая препятствовала загрязнению сердцевины примесями, содержащимися в опорной трубке. Затем осаждали пористый слой чистого кварцевого стекла при окислении паров SiCl4, подаваемых в опорную трубку. Степень пористости слоя определялась температурой осаждения и концентрацией SiCl4 в исходной парогазовой смеси. Трубку снимали с установки MCVD и помещали в кварцевую ампулу с раствором нитратов РЗЭ и алюминия. После пропитки пористого слоя нитратами РЗЭ и алюминия трубку опять помещали на установку MCVD и сушили в потоке чистого и сухого кислорода при постепенном увеличении температуры нагрева трубки. При температурах 600-8000С нитраты разлагались с выделением оксидов РЗЭ и алюминия, которые входили в состав кварцевого стекла. Оксид алюминия как модификатор добавляли для увеличения растворимости РЗЭ в кварцевом стекле и для предотвращения ликвации стекла. Концентрация РЭЗ и алюминия в слое, формирующем сердцевину активного световода, зависела от концентрации нитратов в растворе и степени пористости слоя. Обычно концентрация РЗЭ составляла 0,2 ч 1 % масс. Для примера на рис. 2 приведен профиль ПП в одной из исходных заготовок активного световода, сердцевина которого легиро-

вана ионами иттербия и алюминия. Измерения профиля ПП осуществляли на преформ-анали-заторе Р-101 фирмы «York Technology» (Англия). На рис. 3 приведена спектральная зависимость потерь в «оттяжке», вытянутой из данной заготовки. Видны характерные полосы поглощения ионов иттербия на длинах волн 0,915 и 0,98 мкм. Концентрацию иттербия в сердцевине рассчитывали исходя из спектральной зависимости потерь при использовании коэффициента экстинции 240 дБ/м на X = 0,915 мкм для Суъ = 1 % масс.

Заготовку активного МСВС получали следующим образом. Сначала на вытяжной установке с использованием высокотемпературной печи с графитовым нагревателем исходную заготовку перетянули в штабик диаметром ~ 1,7 мм. Из кварцевой трубки вытянули капилляры с наружным диаметром ~ 420 мкм и внутренним диаметром ~ 360 мкм, плотно расположили их в два слоя вокруг штабика активного волоконного световода. Полученную структуру вставили в опорную кварцевую трубку с наружным диаметром ~ 6 м и внутренним диаметром ~ 3,5 мм, сплавили их на вытяжной установке, после чего из неё вытянули активный МСВС. При вытяжке на волокно нанесли защитное уретан-акрилатное покрытие. При внешнем диаметре волокна ~ 125 мкм внутренний диаметр, сформированный микроструктурированной («дырчатой») оболочкой, составлял обычно 35ч40 мкм, а диаметр сердцевины - 3 ч 5 мкм. На рис. 4а и 4б приведены фотографии торца одного из образцов активного иттербиевого МСВС при различной засветке.

Рис. 4а и 4б. Фотографии торца активного иттербиевого МСВС при различной засветке: 1 - сердцевина; 2 - светоотражательная оболочка; 3 - «дырчатая» оболочка; 4 - технологическая квантовая оболочка

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007

7