Оптические свойства и радиационная стойкость эрбиевых волоконных световодов на основе фосфороалюмосиликатных стекол

• Автор: Зотов, Кирилл Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭРБИЕВЫХ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Схема уровней ионов эрбия в кварцевом стекле

1.2. Кооперативные эффекты, снижающие эффективность работы

эрбиевых световодов

1.3. Влияние состава стекла на свойства эрбиевых световодов

1.4. Влияние радиации на свойства эрбиевых световодов

1.5. Выводы к Главе

ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФАС-СВЕТОВОДОВ

2.1. Изготовление пробных заготовок ФАС-световодов

2.2. Зависимость профиля показателя преломления заготовок ФАС-
световодов от состава сердцевины
; 2.3. Оптические потери ФАС-световодов
2.4. Причины роста оптических потерь в ФАС-световодах с избытком
оксида фосфора в сердцевине
2.5. Выводы к Главе
ГЛАВА 3. СВОЙСТВА ФАС-СВЕТОВОДОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ
ОКСИДОМ ЭРБИЯ
3.1. Спектрально-люминесцентные свойства эрбиевых ФАС-световодов

3.2. Измерение усилительных свойств эрбиевых ФАС-световодов
3.3. Влияние соединения А1РО4 на усилительные свойства эрбиевых
Ф АС-с вето водов
3.4. Эрбиевые ФАС-световоды с добавкой оксида германия
3.5. Выводы к Главе

ГЛАВА 4. ПОВЫШЕНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ
ЭРБИЕВЫХ СВЕТОВОДОВ ЗА СЧЕТ НАСЫЩЕНИЯ
СЕТКИ СТЕКЛА МОЛЕКУЛЯРНЫМ ВОДОРОДОМ
4Л. Метод радиационного упрочнения за счет насыщения сетки стекла
молекулярным водородом
4.2; Радиационное упрочнение эрбиевых световодов в герметичном
покрытии за счет насыщения водородом
413. Теоретическая оценка снижения эффективности работы эрбиевого
волоконного лазера под действием радиации
4.4. Эффективность генерации в облученных эрбиевых световодах;
эффект фотопросветления
4.5. Выводы к Главе
ГЛАВА 5. ЗАВИСИМОСТЬ РАДИАЦИОННО-НАВЕДЕННЫХ
ПОТЕРЬ ОТ СОСТАВА СЕРДЦЕВИНЫ СВЕТОВОДА
5.1. Зависимость РНП'от концентрации Р205 и А1205 в сердцевине
5.2. Влияние соединения А1Р04 на уровень РНП световодов
5.3. Влияние Ge02 на радиационную чувствительность ФАС световодов

5.4. Влияние Ег203 на радиационную чувствительность световодов
5.5. Эрбиевые световоды, обладающие максимальной стойкостью к
радиации
5.6. Снижение РНП за счет насыщения водородом и фотопросветления
наименнее радиационно чувствительных стеклянных матриц
5.7. Выводы к Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Приложение 1. Вывод соотношения для оценки снижения
эффективности генерации эрбиевого волоконного лазера под действием радиации

ВВЕДЕНИЕ
Успехи в области квантовой1 электроники - создание когерентных источников оптического излучения (лазеров) - инициировали поиск возможностей использования оптического диапазона для передачи информации. На протяжении 1970-1980 гг. были разработаны волоконные световоды на основе кварцевого стекла с оптическими потерями, приближающимися к теоретическому пределу [1]. Однако увеличение протяженности линий оптической связи, увеличение числа каналов и скорости передачи информации потребовало создания широкополосных усилителей оптического излучения. Удачным решением этой проблемы стали усилители, выполненные на базе волоконных световодов, сердцевина которых легирована оксидом эрбия (далее эрбиевых световодов) [2,3]. Основным достоинством таких усилителей является рабочий диапазон 1530-1570 нм, совпадающий с областью минимальных оптических потерь волоконных световодов на основе кварцевого стекла. Кроме того, эрбиевые волоконные усилители отличаются высоким коэффициентом усиления, не зависящим от поляризации излучения, низким уровнем собственных шумов, возможностью увеличения числа усиливаемых каналов и отсутствием перекачки энергии между каналами. Многочисленные работы, посвященные совершенствованию эрбиевых световодов (ЭС) и исследованию их свойств, привели к появлению новой области квантовой электроники, связанной с волоконными лазерами и усилителями.
Несмотря на то, что основным применением ЭС на данный момент остается усиление оптического сигнала в волоконно-оптических линиях связи (BOJIC), возникло большое количество специальных приложений, в которых используются ЭС: люминесцентные источники в волоконных гироскопах, непрерывные лазеры и лазеры ультракоротких импульсов в области 1.55 мкм и др. Расширяющийся список приложений, в которых применяются ЭС, предъявляет все новые требования к характеристикам ЭС, зачастую гораздо более жесткие, чем те, которые необходимы для BOJIC. В

ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФАС-СВЕТОВОДОВ [75-76]
Несмотря на большое количество исследований, посвященных световодам на основе алюмосиликатной либо фосфоросиликатной матриц, имеющиеся в литературе данные о свойствах световодов, сердцевина которых одновременно содержит оксиды алюминия и фосфора, скудны и зачастую кажутся противоречивыми. Так, например, в работе [43] сообщалось, что введение оксида алюминия в фосфоросиликатную стеклянную матрицу приводит к резкому увеличению серых оптических потерь, а в работе [77,78] введение оксида фосфора в алюмосиликатную матрицу, напротив, использовалось для понижения уровня оптических потерь. Достаточно подробно были исследованы лишь основные физические свойства фосфороалюмосиликатных стекол, такие как показатель преломления, плотность и структура стекла [5, 38-39]. В частности именно в этих работах было указано на образование соединения А1РО4, имеющего показатель преломления ниже уровня кварца. В то же время данные исследования были выполнены одной исследовательской группой более 20 лет назад и к моменту начала работы над диссертацией, лишь в одной работе [43] упоминалось о снижении показателя преломления при одновременном введении оксидов алюминия и фосфора.
Для проверки имеющихся в литературе данных по показателю преломления и структуре ФАС стекол и, что более важно, для получения отсутствующих данных об оптических потерях в них, в рамках настоящей диссертационной работы были проведены исследования оптических характеристик заготовок и световодов с ФАС-сердцевиной при независимом варьировании концентрации каждого из легирующих оксидов в диапазоне 0 -20 мол.%. В данной главе приведены экспериментальные зависимости показателя преломления сердцевины и оптических потерь от концентрации легирующих примесей. По экспериментальным зависимостям установлен диапазон концентраций оксидов фосфора и алюминия, которые