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

64247. Предметная и предтрудовая деятельность ископаемых обезьян, как фактор зарождения трудовой деятельности человека 36 KB
  В ходе манипулирования предметами кроме конструктивной деятельности Ладыгина-Котс выделяла: ориентировочно-обследующую ознакомительную обрабатывающую двигательно-игровую сохранение отвергание предмета и орудийную деятельности.
64248. Качественные отличия орудий животных от орудий труда человека 31.5 KB
  В отличие от этого орудие труда непременно должно специально изготавливаться для определенных трудовых операций и предполагает знание о будущем его применении. Кроме того орудия труда изготовляются впрок то есть еще до того как возникнет возможность или необходимость их применения.
64249. Групповое поведение обезьян и проблема зарождения человеческого общества 30.5 KB
  Можно предположить что труд с самого начала был общественным так как люди с момента своего появления на земле всегда жили коллективами а обезьяны предки человека более или менее крупными стадами или семьями. Так как человеческое общество не является просто продолжением или усложнением сообщества...
64250. Язык современных обезьян и его качественные отличия от членораздельной речи 38 KB
  Истоки человеческого языка скорее всего навсегда останутся загадкой так как различие лингвистических возможностей человека и современных животных чрезвычайно велики и сравнительные исследования этих возможностей у ныне живущих видов животных дают чрезвычайно мало данных.
64251. Зачатки высших форм поведения у низших беспозвоночных 24.5 KB
  У полихет наблюдаются некоторые существенные усложнения видотипичного инстинктивного поведения отчасти уже выходящие за рамки типичной элементарной сенсорной психики. Это проявляется в конструктивных действиях наблюдаемых при сооружении домиков...
64252. Объект и предмет изучения зоопсихологии 26.5 KB
  Под психической деятельностью животных понимается процесс психического отражения который реализуется во внешней активности животного как комплекс проявлений его поведения и психики.
64253. Низший уровень развития перцептивной психики 26.5 KB
  Все эти животные имеют сложные высоко дифференцированные сенсомоторные системы эффективность работы которых обеспечивается высоким уровнем развития центральной нервной системы. У членистоногих как и у кольчатых червей основу всей нервной системы составляют метамерно...
64254. Пластичность поведения низших беспозвоночных 31 KB
  У всех кольчатых червей встречается наиболее простая форма научения привыкание. Более сложное научение путём проб и ошибок и формирования новой индивидуальной двигательной реакции можно в элементарной форме обнаружить начиная уже с плоских червей.
64255. Положение зоопсихологии среди других наук 30.5 KB
  Общая зоопсихология изучает общие характеристики психической деятельности животных связь инстинкта и научения в формировании поведения. Эволюционная зоопсихология – изучает развитие психической деятельности у животных на разных уровнях эволюции...