Абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых центров в алюмо- и фосфоросиликатных волоконных световодах, страница 3

Методами рентгеновскогомикроанализа,рентгеноэлектроннойспектроскопии,спектральнымиметодами проведена оценка концентрации АВЦ, которая составляет ~0.001ат.% или ~6×1017 см-3 в световодах с лучшими оптическими параметрами.Спектры поглощения характеризуется набором широких полос соспектральным положением в области 500, 700, 800, 1000 и 1400 нм, которыеобусловлены абсорбционными переходами АВЦ (рис. 1). Исследовановлияние указанных выше параметров на спектральное положение, форму иинтенсивность полос поглощения. Проведен анализ спектров оптическихпотерь для алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, с цельюполучения световода, обладающего максимальной концентрацией АВЦ иминимальными пассивными потерями.

Максимальная интенсивность полоспоглощения активных висмутовых центров по отношению к уровнюпассивныхпотерьдостигаетсявалюмосиликатныхсветоводахссердцевиной, не содержащей германий и фосфор, легированной оксидомалюминия в концентрации 2.5-4.5 мол.% и концентрацией активныхвисмутовых центров, которая соответствует уровню около 5 дБ/м вмаксимуме полосы поглощения на 1000 нм. Использование метода пропиткисолями висмута пористого слоя стекла, плотность которого характеризуетсятемпературами спекания 1510-1530оС, позволяет повысить стабильность ивоспроизводимость оптических свойств световодов. Вариация параметроввытяжки и диаметра сердцевины световодов существенно не меняетоптические свойства данных световодов.14Коэффициент поглощения, дБ/м10000U16OO-18OO-10(1)U21U12U2OO-5Зависимость от концентрации висмута1000100[нет][<0.02 ат.%][<0.02 ат.%][<0.02 ат.%][<0.02 ат.%][0.025 ат.%][0.3 ат.%]1010,10,014006008001000Длина волны, нм120014001600Рис.

1 Спектры оптических потерь для алюмосиликатных световодов,легированных висмутом, в зависимости от концентрации висмута.Исследование спектров поглощения в УФ области и сравнениепрофилей концентрации висмута, поглощения на длине волны 240 нм иинтенсивности люминесценции на длинах волны 740 и 1080 нм показало,что в сердцевине световода присутствуют как АВЦ, так и ионы Bi3+, которыехарактеризуются тремя полосами поглощения в УФ области (~240, 280 и 315нм).

Их распределение по сечению сердцевины заготовки и световодаодинаково и пропорционально профилю полной концентрации висмута.Измерен уровень остаточных потерь в световоде при высокойинтенсивности излучения на различных длинах волн в полосах поглощения500 и 1000 нм, который составляет ~30% от уровня поглощения малогосигнала. Проведено сравнение данных результатов с работами другихавторов.

Оценка уровня пассивных потерь показала, что остаточные потеринемогутОстаточноебытьполностьюпоглощение,описаныкотороенатолькопассивнымипорядокбольшепотерями.пассивногопоглощения, увеличивается с ростом концентрации АВЦ и может бытьобусловлено поглощением из возбужденного состояния и ап-конверсией,15однако данный вопрос требует более детального и обстоятельногоисследования.Методоминтегрирующейсферыизмеренуровеньрассеяниявсветоводах с малой концентрацией висмута в стекле сердцевины.

Показано,что доля рассеяния не превышает нескольких процентов от величины полныхпотерь в видимой части спектра. Поэтому пассивные потери в видимой и ИКобластях спектра обусловлены поглощением OH-группами и, по-видимому,примесями и центрами окраски. В настоящей работе в алюмосиликатныхсветоводах, легированных висмутом, уровень пассивных потерь снижен до10-13 дБ/км на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм. Данный уровень пассивныхпотерь существенно ниже, чем в аналогичных световодах, изготовленныхметодом MCVD и представленных в работах других авторов.Проведено исследование спектров люминесценции в зависимости отсоставастекласердцевины,технологииизготовлениясветовода,концентрации алюминия и висмута.

Во всех алюмосиликатных световодах,легированных висмутом, наблюдались две широкие полосы с максимумамина ~750 и ~1080-1150 нм c шириной полос на уровне половины от максимумаоколо 100 и 200 нм, соответственно (рис. 2). При возбуждении в полосыпоглощения 500, 700 и 800 нм в спектре люминесценции наблюдаются двеполосы: «красная» и ИК люминесценция, а возбуждение в широкую полосупоглощения 1000 нм приводит к появлению только ИК люминесценции.Источником данной люминесценции являются активные висмутовые центры(АВЦ).В четвертой главе представлены результаты исследования влияниятемпературы и высокотемпературной обработки, а так же мощности и длиныволны возбуждения на абсорбционные и люминесцентные свойства АВЦ валюмосиликатныхсветоводах.многокомпонентнаяАппроксимацияструктурагауссовымиЭкспериментальнополоспоглощенияфункциямииспектровпоказаналюминесценции.поглощенияилюминесценции и согласованный анализ полученных данных позволили16определить параметры 11 абсорбционных и 8 люминесцентных переходов,Интенсивность люминесценции, отн.ед.наблюдаемых в алюмосиликатных световодах с висмутом.Зависимость от состава стекла сердцевины1,4в мол.%:OO-10(1) [3.0Al2O3]1,2OO-50(1) [2.7Al2O3+1.0GeO2]OO-35(1) [2.0Al2O3+1.0GeO2+1.0P2O5]1,0λвозб=514нм0,80,60,40,20,06007008009001000110012001300140015001600Длина волны, нмРис.

2 Спектры люминесценции при возбуждении на 514 нм дляалюмосиликатных световодов, легированных висмутом, в зависимости отсостава стекла сердцевины.На основе анализа температурного поведения полос в спектрахпоглощения и люминесценции, а также проведенного сравнения спектроввозбуждения каждой компоненты полосы люминесценции с эффективнымиспектрами поглощения выделено четыре вида активных висмутовых центров(рис.

3). Определен набор абсорбционных и люминесцентных переходов,принадлежащих каждому АВЦ, который характеризуется тремя полосамипоглощения и двумя полосами люминесценции.Совпадение структуры уровней и близость количественных параметровпереходов позволяют рассматривать эти четыре вида как модификацииодного висмутового центра в алюмосиликатном стекле. Различие междуними связаны с влиянием разных типов окружений в сетке стекла.Оптические свойства первых двух центров обусловлены влиянием ионовалюминия с различной координацией, а свойства двух других центров могутопределяться структурой сетки кварцевого стекла, образованной кольцамикремнекислородных тетраэдров с разным количеством звеньев.Рассмотрена возможная структура активного центра, который можетбытьобразованчетырехкоординированным17атомомвисмутавтетраэдрическомпроисходятокружении атомов кислорода.

При этом переходымеждууровнямиэнергии,образованнымиперекрытиемэлектронных облаков атома висмута и лигандов в тетраэдре BiO4.Абсорбционные переходы в АВЦ обусловлены разрешенными по спинусинглет-синглетными переходами на три возбужденных уровня, в то времякак люминесцентные переходы являются триплет-синглетными и происходятс двух возбужденных уровней на основной.3,0S34602,5S3S35222,0Энергия, эВS3563S26701,5S2T2742T2695S2780T2825900T110101078S2810S1T11,0T2685S1890?S11148T1 S11335T11413143013500,50,0S0АВЦ1S0АВЦ2S0АВЦ3S0АВЦ4Рис.

3 Схема энергетических переходов для четырех АВЦ валюмосиликатном стекле. Высота прямоугольников соответствует ширинеполос поглощения и люминесценции, сплошные линии обозначают переходыпри поглощении и испускании, пунктирные линии – безызлучательныепереходы, цифрами указаны длины волн переходов в нм.18В пятой главе изучается влияние мощного лазерного излучения наоптические свойства активных висмутовых центров в алюмосиликатныхсветоводах. Впервые показана возможность селективного воздействия наактивные центры.В первом эксперименте исследовались алюмосиликатные световоды,легированные висмутом, до и после насыщения водородом и облучения надлинах волн 514 и 532 нм с дозой до 800 МДж/см2, что соответствуетоблучению световода в течение 3 часов со средней мощностью 100 мВт.Облучение световодов мощным лазерным излучением приводит к изменениюкак спектров поглощения, так и спектров люминесценции.

Так, облучение надлинах волн 514 и 532 нм приводит к увеличению люминесценции в полосах742 и 1078 нм в центре АВЦ1 (рис. 4) и росту соответствующих данномуцентру полос поглощения с максимумами на 522 и 670 нм.Обнаружено, что предварительное насыщение водородом приводит кдальнейшему увеличению ИК люминесценции и ослаблению «красной»люминесценции (рис. 4) в облученных световодах, что можно объяснитьперераспределением излученной энергии между верхним и нижнимвозбужденными триплетными уровнями одного центра.Вовторомэкспериментеисследовалсявисмутоалюмосиликатныйсветовод, насыщенный водородом и облученный УФ излучением на длиневолны 244 нм.

Максимальная доза экспонирования через боковуюповерхность световода составила 200кДж/см2. Показано, что облучениелазерным излучением на длине волны 244 нм усиливает полосы 810 и 1350нм центра АВЦ3.Наблюдаемые изменения в спектрах поглощения и люминесценциимогут происходить вследствие изменения количества активных центровпутем изменения зарядового состояния неактивных в данной спектральнойобласти ионов Bi3+, либо изменения окружения вокруг висмутового центра,что может приводить к изменению внешнего поля и, соответственно, степенизапрета для переходов.19Продемонстрированофотоиндуцированноеизменениепоказателяпреломления на уровне 5.0×10-4 при экспонировании алюмосиликатногосветовода с висмутом импульсным излучением на длине волны 193 нм.Фоточувствительность световодов, по-видимому, обусловлена присутствиемвисмута в алюмосиликатном стекле и может быть использована для записиИнтенсивность люминесценции, отн.ед.брэгговских решеток в таких световодах.Исходный световодCветовод после облучения 532нмНасыщенный водородомсветовод после облучения 532нм54321060070080090010001100Длина волны, нм120013001400Рис.