7425

Оптические элементы на основе активных стекловолокон

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Оптические элементы на основе активных стекловолокон. Оптические волокна являются не только самой совершенной физической средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Они могут быть использованы в качестве основных элеме...

Русский

2013-01-23

467 KB

7 чел.

Оптические элементы на основе активных стекловолокон.

Оптические волокна являются не только самой совершенной физической средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Они могут быть использованы в качестве основных элементов при конструировании оптических систем обработки информации. Перспективность использования их в качестве электрооптических преобразователей, переключателей каналов, модуляторов, фильтров и других элементов волоконно-оптических систем передачи заключается в относительно простом способе подсоединения данных устройств  непосредственно к волоконно-оптическим линиям связи методом сварки.  Таким образом появляется возможность создавать оптические устройства систем, целиком состоящих из волоконных элементов. Однако, такие устройства могут быть реализованы только на основе активных стекловолокон.

Активные одномодовые волокна, легированные ионами редкоземельных элементов. В отличие от обычных волокон, в которых происходит только поглощение и рассеяние света, в активных волокнах свет может усиливаться. Достигается это введением в сердечник одномодового световода со ступенчатым профилем показателя преломления ионов редкоземельных элементов и создания условий для перевода их электронов в метастабильное состояние с помощью накачки светом.

Свет, проходящий через такое волокно, поглощается ионами легирующей присадки и флюоресцирует на характерной длине волны, что придает волокну оптическую активность.

В качестве присадок, как правило, используются ионы редкоземельных элементов: неодима Nd3+, эрбия Er3+, иттербия Yb3+, церия Ce3+ и празеодима Pr3+. Эти ионы отличаются уровнями поглощения и длиной волны флюоресценции, представляющей интерес для волоконно-оптических линий связи.

Существует также широкий спектр других легирующих материалов, позволяющих создавать активные среды, включая ионы переходных металлов, например Cr3+.

Уровень легирования, необходимый для работы в режиме усиления, мал и составляет всего несколько десятков единиц на миллион окружающих атомов (ppm parts per million, или млн-1). Большая часть разработанных волокон имеет концентрацию ионов 10 - 1000 ppm, ведутся работы по созданию сильно легированных волокон с концентрациями более 1000 ppm.

Следует отметить, что в некоторых случаях требования к технологии изготовления активных волокон ниже, чем к технологии изготовления обычных волокон для оптических кабелей, так оптические устройства могут быть изготовлены из достаточно коротких отрезков волокна (до 10 м). Вследствие этого при изготовлении оптических заготовок допускается легирование не из газовой фазы, а более простым методом пропитки метериала сердечника растворами солей редкоземельных элементов.

Волоконные лазеры и усилители. Впервые эффекты оптического усиления и лазерный эффект были получены на неодимовых стеклах, которые отличаются от кристаллических лазерных материалов тем, что ширина линий поглощения и флюоресценции значительно шире, чем у кристаллических материалов. Это приводит к повышению порога лазерной генерации. В то же время туннельный характер переходов  позволяет получать более короткие по длительности импульсы с большей максимальной мощностью. Однако, из-за низкой теплопроводности стекла  в подобных конструкциях возникают проблемы теплоотвода при работе в непрерывном режиме или при высокой скорости повторения импульсов.

Отрицательные свойства стекол (высокий порог генерации и низкая теплопроводность) мало влияют в волоконно-оптических лазерах. Благодаря большой длтне пути и высокому поглощению в сердечнике накачиваемой мощности при продольной накачке снижается порог генерации. Кроме того, большое отношение длины к диаметру, приводит к низкому тепловыделению на единицу длины волокна и допускает интенсивную накачку.

Для создания активной оптической среды необходим перевод электронов в возбужденное состояние с помощью какого-либо преобразования энергии (накачка светом, электронным пучком и др.), а также наличие подходящих метастабильных энергетических уровней электронов.

Сигналы с длиной волны, попадающей в полосу флюоресценции, не затухают, а усиливаются в такой среде, поэтому она называется активной.

В активных волокнах перевод электроной в возбужденное состояние происходит, как правило, путем оптической накачки на длине волны поглощения , а ионы редкоземельных элементов имеют метастабильные энергетические уровни, задерживающие электроны в неустойчивом состоянии.

Схема работы трех уровней активной среды с ионами Er3+ представлена на рис. 1.

                , нм

           514

           650

           826

           980                                          Е3

                                                                        Т1=10 мкс

                                                                          Е2

                                                                       =1536 нм

                                                                          Т2=14 нс

                                                          Е1

Рис. 1

Излучение накачки с длиной волны =500-800 нм приводит к переводу электронов в возбужденное состояние на энергетический уровень Е3. С этого уровня электроны переходят в метастабильное состояние на уровне Е2. Переход Е32 безизлучательный и приводит лишь к небольшому тепловыделению. Далее электроны с небольшой задержкой (Т2=14 нс) могут спонтанно перейти с уровня Е2 на уровень Е1 с выделением флюоресцентного излучения на длине волны . Если на вход волокна подается, кроме излучения накачки, слабое излучение с длиной волны  =1,5-1,6 мкм, то произойдет усиление сигнала за счет синхронного перехода возбужденных электронов с уровня Е2 на уровень Е1 с выделением квантов света на длине волны . Если выделение энергии превышает затухание сигнала при прохождении волокна, то происходит усиление.

Схема установки для исследования усиления света в волокне, легированном эрбием,  приведена на рис. 2.

                        2   3         4                                           6               7

         1

                                                          5

                                                       Er3+

                                                                8

Рис. 2

1- п/п лазер;  2 - микрообъектив;  3 - фильтр с изменяемой плотностью;  4 - согласующая ячейка;  5 - легированное волокно; 6 - полупрозрачное зеркало;  7 - газовый лазер накачки;  8 - фотодетектор  

С помощью такой установки показана возможность достижения  коэффициента усиления до 20 - 30 дБ при длине активного волокна 3-10 м.

Наличие активной оптической среды с электронами в метастабильном состоянии позволяет получить лазерный эффект при спонтанном самовозбуждении в оптическом резонаторе.

Если на торцы активных волокон нанести отражающее покрытие, то в волокне образуется резонатор и при наличии усиливающей среды, может спонтанно возникнуть лазерная генерация на длине волны, соответствующей резонансной линии флюоресценции.

На рис. 3,а представлена схема лазера содномодовым волокном, легированным ионами Er3+ и накачиваемый аргоновым газовым лазером на рабочей длине волны 514 нм при мощности в непрерывном режиме более 10 мВт.

=514 нм

                                               Er3+  

        1           2            3       4                3            2       5              6  

                а)

=830 нм

                                                   Nd3+        

    1                2               3     4                  3            2       5            6

                б)

Рис. 3

1 - лазер;  2 - микрообъектив;  3 - зеркала;  4 - легированное волокно;  5 - фильтр;  6 - приемник

Входное зеркало 3 в виде диэлектрического покрытия толщиной /4 выполнено так, что пропускает свет накачки и полностью отражает генерируемое излучение =1,55 мкм. На выходном конце волокна нанесено покрытие, обеспечивающее отражение половины мощности падающего излучения. Мощность лазерного излучения измеряют с помощью фотодиода.

На рис. 3,б показан лазер с одномодовым волокном, легированным ионами Nd3+ и накачиваемый полкпроводниковым арсенид-галиевым лазером с излучением на длине волны 830 нм. Такой лазер имеет малые массу и габариты, использует низковольтный источник питания малой мощности; порог генерации соответствует 1-2 мВт и эффективность преобразования излучательной энергии составляет около 20%.

Приведенные схемы позволяют получать излучение с расходимостью соответствующей апертуре одномодового волокна (0,08-0,25).

Излучение приведенных лазеров имеет довольно высокую монохроматичность. Ширина линии излучения составляет 30-60 нм. При необходимости получения более узкой линии на одном конце волокна вместо зеркала устанавливают дифракционную решетку. Дифракционная решетка может быть встроена или напылена на сошлифованную поверхность волокна в области оптической оболочки, близкой к сердечнику. Таким образом улучшается добротность резонатора и достигается ширина линии 5-10 нм.

Поворотом внешней дифракционной решетки можно также перестраивать частоту излучения в пределах длин волн флюоресценции, характерных для данного типа легирующей присадки. На рис. 4 приведена схема перестраиваемого волоконного лазера.

    Накачка

                                   1        2                                           3

Рис. 4

1 - зеркало;  2 - легированное волокно;

3 - дифракционная решетка

Использование волокна, легированного ионами Nd3+, позволяет перестраивать длины волн в пределах 0,9-1,1 мкм.

Управление добротностью резонатора позволяет перевести лазер в импульсный режим.  При непрерывной накачке создаются условия для скопления электронов в метастабильном энергетическом состоянии и получения больших мощностей излучения в импульсе. Известны схемы импульсных волоконных лазеров с модуляцией добротностью с помощью акустооптических дефлекторов и механических прерывателей.  Схема лазера с прерывателем представлена на рис. 5.

В этой схеме излучение периодически прерывается и создаются условия для накоплении энергии в момент прерывания луча.

Накачка

                                                                    3

                     1           2                                                          1

                                                                      4

Рис. 4

1 - зеркало;  1 - легированное волокно;  3 -  линза;  4 - прерыватель

                                                    3

         1               2                 4                                2         5            6

Рис. 5

1 - газовый накачивающий лазер;  2 - линза;  3 - волоконный ответвитель;  4 - легированное волокно;  5 - фильтр;  6 - фотодетектор

С помощью одномодовых волокон легко реализуется кольцевой лазер, в котором нет необходимости в отражающих зеркалах, так как часть мощности возвращается в контур через ответвитель (рис. 5).

Волоконные фильтры. С целью уплотнения каналов разработаны методы введения нескольких независимо управляемых оптических сигналов в волокно с помощью микрооптики или волоконных ответвителей, однако важной проблемой является спектральное разделение и фильтрация излучения. Для этих целей также перспективны одномодовые волокна, легированные редкоземельными элементами, так как они имеют четко выраженные полосы поглощения.

Наиболее подходящей присадкой для волоконных фильтров является гольмий (Ho3+), имеющий выраженные линии поглощения в области длин волн 0,63-1,1 мкм (рис. 6). Диапазон области флюоресценции Ho3+ в кварцевом стекле приходится на 2 мкм, что выходит за диапазон работы оптического волокна линий связи и не мешает фильтрации.

  дБ /км

        104

        103

        102 

        10           600                   800                1000     , нм   

Рис. 6

Полосы поглощения кварцевого волокна, легированного Ho3+, находятся в диапазонах 520-560, 630-680, 860-930 нм. Поглощение в этих диапазонах составляет соответственно, 6,3 104; 6,1 104, 103 дБ/км при среднем уровне потерь в окнах прозрачности 15 дБ/км. Таким образом, в отрезке волокна длиной 5 м можно подавить нежелательную спектарльную составляющую на 30 дБ.

С помощью волоконного фильтра, легированного гольмием, был изготовлен преобразователь излучения He-Ne лазера с длиной волны 6327 нм в излучение с длиной волны 616 нм, в котором использовалось комбинационное рассеяние света. Излучение He-Ne лазера мощностью 1 мВт вводили в кварцевое волокно длиной 20 м, где возбуждалось комбинационное (рамановское) рассеяние. На выходе этого волокна было приварено волокно, легированное гольмием, длиной 7 м. В связи с тем, что комбинационное рассение составляет малую долю исходного, необходимо подавить основную составляющую. Пропускание фильтра на длине волны 633 нм составило 3 10-3 от исходной мощности лазера, что позволило выделить основную комбинационную гармонику на длине волны 616 нм мощностью около 0,1 мВт.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29027. Сплошные фундаменты. Основные конструктивные решения. Сопряжение колонн со сплошными фундаментами 31 KB
  Сплошные фундаменты. Сплошные фундаменты иногда называемые плитными устраивают под всем зданием в виде железобетонных плит под стены или сетку колонн рис. Сплошные фундаменты способствуют уменьшению неравномерности осадки сооружения. Сплошные фундаменты выполняются как правило из монолитного железобетона.
29028. Определение глубины заложения фундамента исходя из инженерно-геологических и гидрогеологических условий строительной площадки 31.5 KB
  Этот выбор производится на основе предварительной оценки прочности и сжимаемости грунтов по геологическим разрезам. Покажем это на примере рассмотрев 3 наиболее характерные схемы напластований грунтов приведенные на рис. Площадка сложена одним или несколькими слоями прочных грунтов при этом строительные свойства каждого последующего слоя не хуже свойств предыдущего. В этом случае глубина заложения фундамента принимается минимальной допускаемой при учёте сезонного промерзания грунтов и конструктивных особенностей сооружения рис.
29029. Учёт глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий и сооружений 20.5 KB
  Учёт глубины сезонного промерзания грунтов при выборе глубины заложения фундаментов зданий и сооружений. Глубина заложения фундамента из условия промерзания грунтов назначается в зависимости от их вида состояния начальной влажности и уровня подземных вод в период промерзания. Как непучинистые рассматриваются также пески мелкие и пылеватые с любой влажностью а также супеси твёрдой консистенции если уровень подземных вод во время промерзания находится от спланированной отметки земли на глубине равной расчётной глубине промерзания плюс 2 м...
29030. Определение глубины заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей сооружения, включая глубину прокладки подземных коммуникаций, наличие и глубину заложения соседних фундаментов 31.5 KB
  Определение глубины заложения фундаментов с учётом конструктивных особенностей сооружения включая глубину прокладки подземных коммуникаций наличие и глубину заложения соседних фундаментов. Основными конструктивными особенностями возводимого сооружения влияющими на глубину заложения его фундамента являются: наличие и размеры подвальных помещений приямков или фундаментов под оборудование; глубина заложения фундаментов примыкающих сооружений; наличие и глубина прокладки подземных коммуникаций. В зданиях с подвалом или полуподвалом а также...
29031. Определение размеров подошвы центрально нагруженных фундаментов мелкого заложения 63.5 KB
  Реактивное давление грунта по подошве жёсткого центрально нагруженного фундамента принимается равномерно распределённым интенсивностью: 1 где NoII расчётная вертикальная нагрузка на уровне обреза фундамента; GfII и GgII расчётные значения веса фундамента и грунта на его уступах см.1; А площадь подошвы фундамента. Площадь подошвы фундамента при его расчёте по второму предельному состоянию по деформациям определяется из условия: pII ≤ R 2 где R расчётное сопротивление грунта основания. Поскольку обе части неравенства 2...
29032. Определение размеров подошвы внецентренно нагруженных фундаментов мелкого заложения. Эпюры давлений под подошвой фундамента. Порядок расчёта 33 KB
  Эпюры давлений под подошвой фундамента. При расчёте давление по подошве внецентренно нагруженного фундамента принимают изменяющимся по линейному закону а его краевые значения при действии момента сил относительно одной из главных осей определяют как для случая внецентренного сжатия по формуле: 1 Подстановкой значений А=l·b W=b2l 6 и M=NII·e формула 1 приводится к виду 2 2 где NII суммарная вертикальная нагрузка на основание включая вес фундамента и грунта на его уступах; A площадь подошвы фундамента; е эксцентриситет...
29033. Гидроизоляция фундаментов. Защита подвальных помещений от сырости и подтопления подземными водами 42 KB
  Гидроизоляция фундаментов. Гидроизоляция предназначается для обеспечения водонепроницаемости сооружений антифильтрационная гидроизоляция а также защиты от коррозии и разрушения материалов фундаментов и подземных конструкций от агрессивных подземных вод антикоррозионная гидроизоляция. Гидроизоляция от сырости и грунтовых вод подвальных и заглубленных помещений является значительно более сложной выбор такой гидроизоляции зависит от гидрогеологических условий строительной площадки уровня подземных вод их агрессивности особенностей...
29034. Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний. Определение конечной осадки фундаментов мелкого заложения методом послойного суммирования 34 KB
  Расчёт оснований фундаментов по второй группе предельных состояний по деформациям производится исходя из условия: s ≤ su 1 где s конечная стабилизированная осадка фундамента определённая расчётом; su предельное значение осадки устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта. После определения размеров подошвы фундамента и проверки условия pII ≤ R где рII среднее давление на основание по подошве фундамента a R расчётное сопротивление грунта ось фундамента совмещают с литологической колонкой...
29035. Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний. Определение конечной осадки фундаментов мелкого заложения методом эквивалентного слоя 31.5 KB
  Расчёт фундаментов по второй группе предельных состояний по деформациям заключается в выполнении условия s ≤ sw 1 где s конечная стабилизированная осадка фундамента определённая расчётом; sw предельное значение осадки устанавливаемое соответствующими нормативными документами или требованиями проекта. Конечная стабилизированная осадка фундамента может быть определена методом эквивалентного слоя. Осадка с учётом жёсткости и формы подошвы фундамента в случае однородного основания определяется по формуле: s=p0hэmv 2 где p0 ...