Абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых центров в алюмо- и фосфоросиликатных волоконных световодах

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТна правах рукописиБУЛАТОВ ЛЕНАР ИЛЬДУСОВИЧАБСОРБЦИОННЫЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВАВИСМУТОВЫХ ЦЕНТРОВ В АЛЮМО- ИФОСФОРОСИЛИКАТНЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХСпециальность: 01.04.05 – Оптика,01.04.03 – РадиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволн физическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаимени М.

В. Ломоносова и в Научном центре волоконной оптики Российскойакадемии наук.Научные руководители:Доктор физико-математических наук,профессорСухоруков Анатолий ПетровичКандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникМашинский Валерий МихайловичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,профессорСалецкий Александр МихайловичКандидат физико-математических наукКлимин Сергей АнатольевичВедущая организация:Институт радиотехники и электроникиРоссийской академии наук.Защита диссертации состоится «23» апреля 2009 года в 15 часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.67 в МГУ имени М. В.

Ломоносова поадресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ имени М.В.Ломоносова, д.1, стр. 2, Физический факультет, ауд. ЦФА.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М. В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» марта 2009 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук,доцент2А. Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыБурное развитие волоконно-оптических линий связи стимулируетсозданиеволоконныхширокополосныхперестраиваемыхисточниковизлучения и оптических усилителей для ближнего ИК диапазона (0.8 – 1.7мкм), совместимых с силикатными коммуникационными световодами. Также как и в случае твердотельных лазерных источников, легированиесердцевины световода ионами редкоземельных элементов дало возможностьреализоватьлазернуюгенерациюиусилениевдостаточноузкихспектральных диапазонах, не покрывающих весь ближний ИК диапазон.

Втоже время, лавинообразный рост объемов передаваемой информации втелекоммуникационныхсистемахдиктуетактивноеосвоениеновыхспектральных диапазонов. Наибольший интерес представляет спектральныйдиапазон 1150-1500 нм (включающий телекоммуникационные диапазоны O,E и S), который находится между хорошо освоенными диапазонамиизлучения волоконных лазеров на основе Nd3+, Yb3+ и Er3+ и характеризуетсядостаточно низкими оптическими потерями.Значительный прогресс в освоении спектрального диапазона 1150 – 1500нм возможен при использовании в качестве активной среды стекол,легированных висмутом, в которых наблюдается долгоживущая (до 1700мкс) широкополосная (до 500 нм) люминесценция со спектральнымположениеммаксимумавобласти1050-1420нм,покрывающаяспектральный диапазон от 900 до 2000 нм. Кроме того, широкие полосыпоглощения в данных стеклах в видимом и ИК диапазонах позволяютиспользовать широкополосную накачку.

В силикатных и германатныхстеклах с висмутом была продемонстрирована возможность оптическогоусиления сигнала в спектральном диапазоне 1250-1350 нм и на длине волны1560 нм. Однако лазер на основе объемных висмутовых стекол так и не былсоздан.3Наиболее перспективным является использование свойств стекол,легированных висмутом, в виде волоконного световода, так как волоконныелазеры и усилители обладают рядом неоспоримых преимуществ посравнениюсобычными(газовымиитвердотельными)лазерами.Компактность, надежность, экономичность, стабильность и высокое качествовыходного пучка, эффективный теплоотвод – все это преимуществацельноволоконной конструкции лазера.Одними из наиболее широко используемых методов производстваактивныхволоконныхсветоводовявляютсяметодыMCVD(модифицированное химического осаждения из газовой фазы) и SPCVD(плазмохимическое осаждение из газовой фазы), которые обеспечиваютнизкое содержание нежелательных примесей и, как следствие, высокоеоптическое качество волоконных световодов.

Поэтому, на основе световодов,активированных висмутом и изготовленных методами MCVD и SPCVD,были реализованы различные типы волоконных лазеров. Так, непрерывнаялазерная генерация была получена в диапазоне 1150 – 1470 нм смаксимальной эффективностью генерации до 32% и выходной мощностью до15Вт.Такжебылаполученаимпульснаягенерацияврежимахсинхронизации мод и модуляции добротности резонатора лазера. Помимотелекоммуникационного применения, излучение висмутового лазера врежиме удвоения частоты может быть использовано для получения желтогоизлучения, которое необходимо в медицине и астрономии.Несмотря на столь активное применение новой активной среды,физическая природа висмутовых центров до сих пор не установлена.

Быловыдвинуто большое количество достаточно противоречивых моделейактивных висмутовых центров (АВЦ), но ни одна из них не подтвержденаполностью и не описывает все спектральные свойства стекол, легированныхвисмутом.Решениеданнойпроблемыосложняетсявысокойчувствительностью спектроскопических свойств висмутовых центров ксоставу стекла и технологическим условиям изготовления. Поэтому особый4интерес в данном контексте представляет исследование волоконныхсветоводов, так как специфические условия их изготовления, оказываютсущественное влияние на структуру стекла, что может приводить кизменению силы кристаллического поля и степени упорядоченностиокружения для висмутовых центров. Существенно новая информация оприроде АВЦ может быть получена при изучении влияния внешнихвоздействий, таких как изменение температуры и облучение мощнымлазерным излучением, на оптические свойства стекол и волоконныхсветоводов, активированных висмутом.Невысокая эффективность генерации висмутовых лазеров по сравнениюс эрбиевыми и иттербиевыми волоконными лазерами может быть связана сзначительными остаточными потерями, которые могут быть обусловлены какпассивными потерями (паразитное поглощение примесями, рассеяние), так ипроцессами в самих активных центрах (поглощение из возбужденногосостояния и ап-конверсия).

Данные о природе остаточных потерь могут бытьполученыприизученииспектроскопическихсвойствсветоводов,легированных висмутом, в зависимости от состава стекла сердцевины итехнологических параметров изготовления световодов.Цель работыЦелью настоящей работы является детальное спектроскопическоеисследование оптических свойств алюмо- и фосфоросиликатных волоконныхсветоводов, активированных висмутом и изготовленных методами MCVD иSPCVD; выяснение природы оптических потерь и последующее ихснижение; классификация абсорбционных и люминесцентных переходовактивных висмутовых центров в световодах, идентификация и изучениеприродывисмутовыхцентров;исследованиевозможностифотоиндуцированного изменения оптических свойств висмутовых центров.Для достижения поставленной цели были определены следующиеосновные направления исследований:51) Исследованиевлиянияметодов,технологическихусловийизготовления световодов, концентраций висмута и алюминия, а такжедругихлегирующихпримесей,параметровсветоводовнаабсорбционные и люминесцентные свойства АВЦ.2) Анализэкспериментальнонаблюдаемыхполосвспектрахпоглощения и люминесценции, определение возможных зарядовыхсостояний висмута в световодах.3) Определение структуры оптических потерь и оценка вклада каждогомеханизма в общий уровень потерь.4) Исследованиевлиянияизменениятемпературыидлительнойвысокотемпературной обработки на оптические свойства АВЦ.5) Изучение люминесцентных свойств АВЦ в зависимости от мощностии длины волны возбуждения люминесценции.6) Исследование влияния ультрафиолетового и видимого излучений наабсорбционные и люминесцентные свойства АВЦ.7) Исследование роли алюминия в формировании АВЦ и возможностиобразования АВЦ в фосфоросиликатных световодах без алюминия.Научная новизна работы и защищаемые положения1.

Экспериментальноисследованыспектрыпоглощенияилюминесценции в алюмо- и фосфоросиликатных световодах в зависимостиот методов изготовления, способов легирования висмутом, технологическихусловий изготовления и параметров световодов, концентраций висмута иалюминия, а также других легирующих добавок, изменения температуры итермообработки, мощности и длины волны возбуждения.2. Показано, что при концентрациях висмута менее 0.02 ат.% долярассеяния не превышает нескольких процентов от величины полных потерь.Поэтому потери в видимой и ИК областях спектра преимущественнообусловлены поглощением. При этом уровень остаточных потерь в световодепри высокой интенсивности излучения составляет порядка 30% от уровня6поглощения малого сигнала и не может быть описан только пассивнымипотерями.

В алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, уровеньпассивных потерь снижен до 10-13 дБ/км на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм.3. Проведенааппроксимациягауссовымифункциямиспектровпоглощения и люминесценции. Получены параметры абсорбционных илюминесцентных переходов. Определен набор переходов, принадлежащихкаждому активному висмутовому центру. Предложена модель четырехмодификаций активного висмутового центра, свойства которых обусловленывлиянием различных типов окружения в сетке стекла.4. Впервые обнаружена возможность селективного воздействия наактивные висмутовые центры с помощью ультрафиолетового и видимоголазерного излучения.