книги / Фотоника и оптоинформатика

Пример заполнения данных

Рис. 7. Схема экспериментального оптического волоконного усилителя на основе эрбиевого волокна – схема для определения выходной мощности на длине волны 1550 нм

31

2.2.Приварить к волокну СВИ катушку активного волокна легированного ионами эрбия. Провести сварку свободного конца катушки активного ВОС и конца ВОС «точка 1» при помощи сварочного аппарата «Fujikura FSM-100Р».

2.3.Разъем выходаизсхемы, именуемой вдальнейшем точка2, вставитьвоптическийразъемоптическогоизмерителямощности.

2.4.Включить оптический измеритель мощности.

2.5.Измеритель мощности подключить к изолятору.

2.6.Провести измерения выходной мощности P2 в точке 2 аналогично измерению мощности накачки, изменяя ток от 0 до 360 мА

сшагом20 мА, провестиизмерениявыходноймощностиСВИР2.

2.7.После завершения измерений выключить источник питания СВИ и оптический измеритель мощности.

2.8.Показания по выходной мощности занести в таблицу (см. пример заполнения).

Пример заполнения данных

32

Обработка результатов измерений

1.Построить зависимость P2 от P1, используя данные таблиц

(рис. 8).

2.Из линейной части этой зависимости определяется отношение приращения выходной мощности (∆Р2, мВт) оптической схемы

кприращениюмощностиисточниканакачки(СВИ– ∆Р1, мВт).

Рис. 8. Зависимость выходной мощности от мощности накачки

3.По формуле (1) найти тангенс угла наклона tg(α) линейного участка. Это и есть значение дифференциальной эффективности генерации исследуемого активного ВОС η в %.

4.Тангенс угла наклона прямой, аппроксимирующей прямоли-

нейный участок зависимости P2 от P1, в данном примере равен 0,1641. Согласно (1) дифференциальная эффективность генерации исследованногоактивногоВОСвданномпримереравна16,41 %.

Выводы

Определена дифференциальная эффективность генерации исследуемого активного волоконно-оптического волокна.

Контрольные вопросы

1. Запишите и объясните формулу дифференциальной эффективность η эрбиевого усилителя.

33

2. Перечислите преимущества волоконных усилителей с ионами эрбия.

Список литературы

1.Салех Б., Тейх М. Оптика и фотоника. Принципы и применения: учеб. пособие: в 2 т. – Долгопрудный: Интеллект, 2012. –

Т. 1. – С. 739–742.

2.Кирчанов В.С. Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 351 с.

3.Инструкция к спектроанализатору.

4.Инструкция к источнику белого света.

5.Инструкция к сварочному аппарату для сварки ВОС

«FSM-100Р».

6.Инструкция к адаптеру оголенного волокна SC.

7.Инструкциия по технике безопасности при работе с источниками когерентного излучения и электроизмерительными приборами.

34

Лабораторная работа № 3 Спектры поглощения активных волокон

Цель работы: получить спектры поглощения активного волокна разной длины и исследовать зависимость коэффициента оптическогопоглощенияактивныхволоконотдлиныволныизлучения.

Оборудование: спектроанализатор YOKOGAWA AQ6370D 600–1700 нм; источник белого света THORLABS SLS201L/M; уст-

ройства для ввода и вывода излучения: оптический адаптер (например, BARE FIBER ST OM/MM) (1 шт.), волоконно-оптический пигтейл (SMF 28) (1 шт.); устройства для подготовки и сварки оптических волокон: сварочный аппарат для сварки ВОС, стриппер для удаления покрытий оптических волокон, скалыватель для оптических волокон, держатели для оптических волокон, салфетки, изопропиловый спирт; активное оптическое волокно, легированное эрбием(L = 1 м); ПКдляобработкирезультатов, флеш-карта.

Краткие теоретические сведения

Активное волокно – это оптическое волокно (ОВ) преимущественно на основе кварцевого стекла, сердцевина которого дополнительно легирована ионами редкоземельных элементов (РЗЭ). Специфические оптические свойства РЗЭ определяются тем, что для них характерна достройка внутренней f-оболочки при заполненной внешней оболочки. Это приводит к появлению ярко выраженной дискретной структуры электронных переходов.

Применимость активного иона для легирования кварцевых ОВ определяется следующими факторами:

–активный ион должен иметь излучательный переход в ближней ИК-области, где потери кварцевых ОВ малы;

–энергия фононов в кварцевом стекле составляет 400–1100 см–1 (внесистемная единица измерения энергии, часто используемая в спектроскопии как величина, обратная длине волны), поэтому наличие энергетических уровней с малым энергетическим зазо-

35

ром приводит к безызлучательной релаксации, препятствуя появлению люминесценции.

Для примера на рис. 1 приведены энергетические уровни ионов; в табл. 1 − длины волн накачки, области люминесценции и время жизни на метастабильном уровне ряда ионов РЗЭ в кварцевых ОВ; на рис. 2 – оптические потери кварцевого волокна и диапазон работы усилителей на основе редкоземельных ионов [3].

Рис. 1. Схема энергетических уровней ионов ряда

редкоземельных элементов: неодима Nd3+, гольмия Ho3+, эрбия Er3+, тулия Tm3+ , иттербия Yb3+

Энергетическая трехуровневая схема усилителя основана на переходах трехвалентного иона эрбия Er3+ в кварцевом стекле

(SiO2) между уровнями 4I13/2 → 4I15/2. Уровни иона эрбия расщепляются на подуровни внутрикристаллическим полем стекла за

счет эффекта Штарка. Основной уровень 4I15/2 имеет 8 подуровней, метастабильный уровень 4I13/2 имеет 7 подуровней, возбужденный уровень – 4 подуровня. Ширина между штарковыми подуровнями порядка тепловой энергии kT (рис. 3).

36

Рис. 2. Оптические потери кварцевого волокна (коричневый пик – максимальные потери). Диапазон работы усилителей на основе редкоземельных ионов (лантаноидов): Nd – неодим, Yb – иттербий,

Pr – празеодим, Tm – тулий, Er – эрбий

Имеется сильная jj-связь, при которой взаимодействие орбитального и спинового моментов импульса каждого электрона в электронной оболочке сильнее, чем взаимодействие порознь орбитального и спинового моментов различных электронов между

ный момент импульса атома LJ = Lji .

i=1

37

Рис. 3. Упрощенная энергетическая схема уровней энергии иона эрбия Er в кварцевом стекле

Квантовое число полного момента импульса атома J = 15/2. Полный спин характеризуется обусловленной им мультиплетностью термов, которая равна 2S+1 (это число ставится слева вверху у символа орбитального состояния): 2S+1 = 4 – мультиплетность атома. Таким образом, квантовое число спина атома S = 3/2.

Коротковолновая накачка с длиной волны 980 нм осуществляется с основного уровня на возбужденный уровень, где ион имеет время жизни 1 мкс, затем происходит безызлучательный переход на метастабильный уровень. Здесь ионы накапливаются за время жизни 10 мс. Длинноволновая накачка с длиной волны 1480 нм переводит ионы эрбия с основного уровня сразу на метастабильный уровень.

Мощность накачки, при которой населенности основного и метастабильного уровня равны, называется пороговой мощностью. При этом возникает «просветление» активного волновода (потери становятся нулевыми).

Усиление ослабленного сигнала в сердцевине волокна с ионами эрбия происходит, когда половина ионов находится на метастабильном уровне и возникает инверсия населенности (превышение числа ионов на метастабильном уровне над основным). Вынужденное излучение происходит в диапазоне 1520–1570 нм

(см. рис. 3) [3].

38

Сечение вынужденного излучения эрбия имеет достаточные значения до 1600 нм, а сечение поглощения быстро падает, что позволяет использовать этот диапазон (1570–1610 нм) для усиления сигналов. Стандартный диапазон усиления составляет

1530–1560 нм (рис. 4).

Рис. 4. Спектры сечений излучений и поглощений эрбиевого волокна: сплошная линия – кривая поглощения, пунктирная линия – кривая вынужденного излучения

Показатель поглощения − величина, обратная рассеянию, на котором поток монохроматического излучения, образующего параллельный пучок, уменьшается в результате поглощения в среде в некоторое заранее оговоренное число раз. В научно-технической, справочной и нормативной литературе и в целом на практике используются два значения степени ослабления: одно, равное 10, и другое – числу е = 2,718…

Если в определении показателя поглощения степень ослабления выбрана равной 10, то получающийся в результате показатель поглощения α называют десятичным.

В этом случае расчет производится по формуле

39

Десятичный показатель поглощения удобно использовать при выполнении оптотехнических расчетов, в частности для определения коэффициентов пропускания оптических систем.

Экспериментальная часть

Методикаизмеренияспектрапоглощенияактивныхволокон

Активные оптические волокна обладают рядом параметров, которые значительно отличают их от обычных оптических волокон. Такие параметры называют генерационными, к ним относят

спектр поглощения и спектр люминесценции.

По спектру поглощения можно определить концентрацию ионов активной присадки и эффективность поглощения излучения накачки. Для получения таких спектров и последующего вычисления коэффициента поглощения хорошо подходит метод обрыва. Излучение от источника белого света вводится в измеряемый образец. Для этого необходимо приварить SMF-28 пигтейл к исследуемому образцу и соединить с источником белого света. Второй конец исследуемого образца вставляется в анализатор оптического спектра с помощью оптического адаптера. Схема установки представлена на рис. 5 и 6.

Рис. 5. Схема установки измерений спектров пропускания

40