книги / Фотоника и оптоинформатика
..pdfПример заполнения данных
I, мА |
P1 (980 нм), мВт |
0 |
0,034 |
20 |
0,981 |
40 |
1,78 |
60 |
9,11 |
80 |
16,42 |
100 |
24,09 |
120 |
31,27 |
140 |
38,52 |
160 |
45,71 |
180 |
53,93 |
200 |
61,72 |
220 |
68,32 |
240 |
76,54 |
260 |
86,68 |
280 |
95,57 |
300 |
102,5 |
320 |
106,6 |
340 |
108,2 |
360 |
110,4 |
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
I, мА |
P2(1550 нм),мВт |
0 |
0 |
20 |
6,02 |
40 |
21,05 |
60 |
1,15 |
80 |
8,36 |
100 |
21,49 |
120 |
36,63 |
140 |
52,85 |
160 |
68,64 |
180 |
87,21 |
200 |
113,4 |
220 |
137,2 |
240 |
159,7 |
260 |
182,2 |
280 |
205,1 |
300 |
234,3 |
320 |
256,5 |
340 |
283,5 |
360 |
308,4 |
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
|
|
|
Таблица 1 |
|
Свойства ионов РЗЭ в кварцевых ОВ |
|
|
|
|
|
|
Активный |
Длина волны |
Область |
Время |
ион |
накачки, мкм |
люминесценции, мкм |
жизни, мс |
Nd+3 |
0,80 |
0,92…0,94 |
~ 0,5 |
Ho+3 |
0,9 |
1,05…1,1 |
~ 0,5 |
Er+3 |
0,98 и 1,48 |
1,53 |
10 |
Tm+3 |
0,79 |
1,9…2,1 |
0,2 |
Yb+3 |
0,915 и 0,976 |
1,7…1,9 |
0,8 |
|
|
0,98…1,16 |
|
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
собой. Вектор полного момента электрона (орбитального и спи- |
||
нового) для отдельных электронов: |
Lj = L + Ls . Суммарный пол- |
|
|
Z |
|
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
α = |
1 |
log |
|
P0 |
|
, |
(1) |
|
10 P (L) |
||||||
|
L |
|
|
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
где P0 − мощность потока излучения на входе в ОВ; |
1(L) – мощ- |
||||||
ность потока излучения после прохождения им ОВ длиной L. |
|||||||
ЗаконБугера– Ламберта– Беравтакомслучаепринимаетвид |
|||||||
P (L) = P 10− αL . |
|
(2) |
|||||
1 |
|
|
0 |
|
|
|
|
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