Волоконные лазеры.

Под волоконными лазерами понимают твердотельные лазеры с оптической накачкой, активным элементом в которых является волоконный световод с добавками лазерных активаторов. Наиболее перспективными для световодных систем являются лазеры на волокнах, активированных ионами неодима Ионы неодима имеют две основные лазерные линии с центральными длинами волн мкм и мкм, лежащими в спектральном диапазоне, где потери и дисперсия света в кварцевых волокнах минимальны.

Рис. 4.11. Зависимость длины ретрансляционного участка от скорости передачи информации для ступенчатого световода с затуханием для мкм:

1 — для лазерного диода (спад характеристики на участке ВС обусловлен межмодовой дисперсией) 2 — для сбетоизлучающего диода (спад характеристики обусловлен на участке широким спектром диода, на участке — дополнительно спадом частотной характеристики)

Спектральные характеристики усиления неодима практически не зависят от внешних условий, темпер атурный дрейф длины волны, соответствующей максимуму усилений ионов неодима, равен тогда как для полупроводниковых сред этот параметр составляет Волоконная конструкция излучателя позволяет с помощью стандартных разъемов эффективно вводить излучение в волоконные световоды, в том числе и одномодовые.

Несмотря на эти достоинства и, как будет показано ниже, широкие функциональные возможности, волоконные лазеры до сих пор не вышли из стадии исследований. Объясняется это тем, что при создании волоконно-оптических систем многие задачи решались с использованием хорошо разработанных полупроводниковых излучателей, особенно во внедряемых в первую очередь достаточно простых системах, где определяющую роль играет одно из основных преимуществ полупроводниковых источников — возможность прямой модуляции интенсивности излучения током накачки. В твердотельных лазерах, в частности в лазерах на средах, активированных неодимом, скоростная модуляция интенсивности излучения изменением мощности накачки принципиально невозможна в силу сравнительно большого времени продольной релаксации. Невозможность быстрого «включения» инверсной населенности ограничивает частоты прямой модуляции значениями Гц. Развитие световодных систем, особенно перспективных систем ближайшего будущего с когерентным приемом и многоканальным спектральным

уплотнением стимулирует разработки волоконных лазеров, которые могут использоваться не только как генераторы, но и как усилители света.

Существующие конструкции волоконных лазеров можно разделить на три группы. В волоконных лазерах первой группы используются жгуты из нескольких волокон большой длины и мощная накачка импульсными газоразрядными лампами [41, 44]. Положительная обратная связь в таких конструкциях образуется за счет отражения света от торцов волокон и обратного рассеяния на микроизгибах и неоднородностях.

Рис. 4.12. Конструкции волоконных лазеров а — с торцовой накачкой; б — с поперечной накачкой дляволокон малого диаметра, в-с непосредственной укладкой волокон на линейку — излучающая площадка — зеркало резонатора лазера, прозрачное для излучения , 13 — активное волокно, 5 — зеркало резонатора; 6 — оптический клей, 8 — отражатель, 9 — стеклянный цилиидр, 10, 12 — радиаторы; 11, 14 — линейки СИД

Ламповая накачка позволяет реализовать высокие коэффициенты усиления за один проход, однако требует применения систем жидкостного принудительного охлаждения и громоздких блоков питания, что, по-видимому, делает малореальным создание малогабаритных устройств. Определенные перспективы в этом смысле могут заключаться в применении газоразрядных микроламп [17]. К достоинствам конструкций с ламповой накачкой следует отнести возможность использования их в качестве оптических усилителей бегущей волны и регенеративных усилителей с достаточно высоким (~30-40 дБ) усилением.

В конструкциях волоконных лазеров второй группы используются короткие отрезки монокристаллических и стеклянных волокон, активированных ионами неодима. Накачка производится через торец волокна полупроводниковым лазером или СИД. Достаточно высокая эффективность накачки достигается в результате согласования спектра излучения полупроводникового излучателя на ДГС GaAlAs с одной из интенсивных линий поглощения неодима с центральной длиной волны около

0,81 мкм. Схематически конструкция волоконных лазеров второй группы изображена на рис. 4.12, а. Вследствие малого коэффициента усиления активной среды резонатор лазера образуется

диэлектрическими зеркалами с высоким коэффициентом отражения. Такую конструкцию имеют лазеры на монокристаллическом волокне из алюмоиттриевого граната с неодимом стеклянных кварцевых волокнах с неодимом [264]. Имеются сообщения о генерации с торцовой накачкой криптоновым лазером в кристаллическом волокне и с накачкой аргоновым лазером в волокне из рубина Лучшие результаты были получены при использовании кристалла имеющего волоконную геометрию, длиной 0,5 см и диаметром 80 мкм. Внешний резонатор (рис. 4.12, а) был образован зеркалами с диэлектрическим покрытием, одно из которых имело коэффициент отражения для лазерного излучения с мкм и всего лишь для излучения накачки, второе зеркало с таким же высоким коэффициентом отражения для лазерного излучения достаточно хорошо отражало свет накачки Зеркала были расположены практически вплотную к торцам волокна. Накачка осуществлялась поверхностным СИД на с диаметром излучающей площадки 85 мкм. Пороговая мощность накачки составляла

Основные достоинства волоконных лазеров такой конструкции — малые потребляемая мощность и габаритные размеры. Основные недостатки: торцовая схема накачки не позволяет использовать отрезки волокна с длиной более 1 см, что ограничивает выходную мощность. Кроме того, технология изготовления и юстировки этих лазеров сложна, а наличие СИД накачки у одного из торцов усложняет использование лазера в качестве усилителя оптических сигналов.

Многовитковые волоконные лазеры с поперечной накачкой линейками СИД (рис. представляют конструкции третьей группы [10, 11]. На линейку СИД укладывается несколько витков стеклянного волокна, сердцевина которого активирована ионами неодима. Конструкция в определенной мере сочетает достоинства волоконных лазеров первой и второй групп и лишена большей части их недостатков. Применение в качестве источников накачки полупроводниковых излучателей делает такие системы достаточно малогабаритными, использование поперечной схемы накачки и длинных отрезков волокна позволяет получить достаточно большое усиление за один проход. Ввиду малого диаметра волоконных световодов в схеме с поперечной накачкой эффективным является использование волокон из стекол с высокой концентрацией ионов неодима и соответственно с большим коэффициентом поглощения света накачки. Такими свойствами обладают волокна, выполненные из ультрафосфатов неодима [44]. Многовитковая укладка волокна на линейки светодиодов может быть выполнена разными способами [10]. Так, отрезок волокна многократно протягивается сквозь стеклянный цилиндр диаметром около 1 мм (рис. 4.12, б), на наружную поверхность которого нанесено отражающее покрытие для

увеличения эффективности использования излучения накачки. Этот способ предпочтителен для волокон с малым внешним диаметром ( мкм). Волокна большего диаметра могут быть уложены на линейку СИД виток к витку (рис. 4.12, в). Обе конструкции могут использоваться как оптические усилители бегущей волны, при этом один из концов световода является входом усилителя, второй — выходом. Нанесение зеркальных покрытий на торцы волокон позволяет осуществлять лазерную генерацию с волоконным резонатором Фабри — Перо.

Особенности лазерных процессов в активных волоконных световодах определяются наличием специфической лазерной генерации в отсутствие положительной обратной связи.

Рис. 4.13. Волоконный световод: а — с активной сердцевиной и пассивной обо» лочкой; б — с пассивной сердцевиной и активной оболочкой (2)

В этом состоит основное отличие волоконных лазеров от лазеров на объемных активных элементах. Чтобы пояснить сущность этого процесса, близкого к режиму суперлюминесценции в полупроводниковых СИД, рассмотрим некоторый элементарный участок световода, в котором создана инверсная населенность (рис. 4.13, а). Спонтанное излучение происходит равновероятно во всех направлениях, однако излучение, сосредоточенное в двух конусах углов, имеющих общую с волокном ось и определяемых углом раскрыва 20, не выходит из сердцевины. Здесь

где — соответственно показатели преломления сердцевины и оболочки Это излучение возбуждает собственные колебания (моды) световода, которые усиливаются посредством стимулированного излучения в процессе распространения по волокну вправо и влево (рис. 4.13, а). Та же картина наблюдается для любого другого элементарного участка активной сердцевины световода. На выходе такого волоконного источника света расходимость излучения приближенно определяется числовой апертурой волокна

До тех пор пока интенсивность световых волн, распространяющихся навстречу друг другу в активном световоде, значительно меньше величины, насыщающей усиление, встречные волны независимы, равно как независимы и энергии, переносимые различными модами световода. В этих условиях процесс усиления спонтанного излучения за счет вынужденного описывается хорошо известными уравнениями лазерного усилителя без насыщения и с учетом спонтанного излучения. Спектральная плотность мощности излучения в одной моде на выходе активного участка световода длиной (рис. 4.13, а) равна [49]

Здесь — постоянная Планка; — частота световых колебаний; — населенности верхнего и нижнего лазерных уровней; — коэффициента усиления на единицу длины, где — коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода; — нормированная форма спектральной линии усиления; с — скорость света. Максимальная генерируемая мощность может ограничиваться либо длиной световода либо, как и в лазерах с резонаторами, насыщением. Естественно, что в процессе усиления происходит сужение спектра генерации по сравнению со спектром люминесценции за счет того, что спектральные компоненты в центре линии усиливаются больше. Ширина спектра определяется усилением и формой причем спектр излучения из-за отсутствия резонатора является сплошным.

Рассматриваемый специфический световодный лазерный процесс имеет три существенных аспекта [10, 11].

1. Активный волоконный световод может использоваться как источник света без оптического резонатора.

2. При создании волоконных лазеров по традиционной схеме с резонатором необходимо учитывать, что рассмотренный процесс может привести к насыщению усиления за один проход, в результате чего обратная связь потеряет смысл. В этом случае значения и необходимо выбирать так, чтобы была далека от значения, насыщающего усиление.

3. В волоконных оптических усилителях генерация света в результате рассмотренного процесса является основным источником шума. Спектральная плотность мощности шума в одной моде, пересчитанная на вход усилителя, как следует из формулы (4.12), равна

В четырехуровневой системе, каковой является схема лазерных уровней неодима, обычно и при больших усилениях

В объемных усилителях шум усиленного спонтанного излучения издавна считается принципиально неустранимым (см., например, работу [49]), однако в волоконных усилителях возможно значительное снижение его уровня при использовании световода, изображенного на рис. 4.13, 6. Одномодовое волокно, сердцевина которого изготовлена из кварцевого стекла с добавкой, повышающей показатель преломления, например имеет оболочку из стекла, активированного ионами неодима. Создание инверсной населенисстн в оболочке приводит к усилению моды сердцевины с эффективным коэффициентом усиления

где — коэффициент усиления в оболочке; — часть мощности моды сердцевины, которая распространяется в оболочке; Р — общая мощность, переносимая этой модой. Соотношение меняется от 0,99 до 0,1 при изменении параметра волокна от 0,6 до 2,4048 [24]. При сердцевина начинает эффективно направлять основную моду путем локализации ее поля вблизи себя, возбуждается вторая мода. Формула получена тем же способом, что и выражение для коэффициента затухания волокна с оболочкой, в которой происходят потери излучения [831. Чтобы исключить распространение спонтанного излучения в виде мод оболочки к выходному концу усилителя, можно матировать ее поверхность или нанести прозрачный для света накачки слой (чехол) с показателем преломления, большим, чем . В этом случае, если световод не изогнут, до его выходного торца (т. е. выхода усилителя) доходит только небольшая доля спонтанного излучения, которая распространяется в оболочке под очень малыми углами к оси световода. Можно приближенно считать, что эта часть лучей лежит в телесном угле, под которым виден входной торец световода при наблюдении от выходного торца. В этом случае спектральная мощность шума, пересчитанная на вход усилителя, будет, как в объемном усилителе [49], равна

где — площаль торца; — внешний радиус оболочки. При

Из выражений (4.14) и (4.17) следует, что

При мкм, т. е. уровень шума спонтанного излучения в волоконном усилителе с пассивной сердцевиной значительно снижается. Очевидно, что

изгибы волокна, особенно у выходного торца усилителя, делают значение еще более незначительным.

Необходимо отметить, что возможно и возбуждение моды сердцевины спонтанным излучением при рассеянии на неоднородностях и микроизгибах, однако эффективность этого возбуждения незначительна, так как общая длина волокна, используемого в усилителе, невелика.

Области применения волоконных лазеров в световодных системах определяются их функциональными возможностями. Было бы ошибкой думать, что волоконные излучатели могут вытеснить полупроводниковые или наоборот. Эти два класса источников излучения могут дополнять друг друга, значительно повышая возможности системы в целом.

В системах связи, особенно в системах с когерентным приемом, сочетание полупроводниковых лазеров на ДГС и волоконных лазеров-усилителей на одномодовых волокнах открывает новые перспективы в построении систем. Существующие лазеры на ДГС могут быть выполнены так, чтобы длина волны их излучения совпадала с одной из линий усиления ионов неодима (1,06 мкм или 1,32 мкм). В этом случае стабилизация длины волны излучения полупроводникового лазера в передатчике (например, -лазера) по стабильному максимуму линии усиления ионов неодима в волоконном лазере-усилителе задает рабочую длину волны для системы в целом.

Поскольку в системах с когерентным приемом оптическое усиление в линии является одним из немногих способов регенерации сигнала, одномодовый волоконный оптический усилитель с малым уровнем спонтанного шума (описанный выше усилитель на волокне с пассивной сердцевиной и активной оболочкой) здесь практически незаменим. Во-первых, длина волны излучения передатчика автоматически настроена на максимум усиления ионов неодима; во-вторых, одномодовый волоконный световод усилителя легко стыкуется с одномодовым волокном в линии передачи; в-третьих, оптическое усиление происходит с сохранением спектральных свойств сигнала.

Первые эксперименты по использованию волоконных лазеров-усилителей с поперечной полупроводниковой накачкой показывают, что в таких устройствах достаточно просто реализуется усиление на длине волны 1,06 мкм [10]. При определенных условиях может производиться одновременное усиление сигналов на длинах волн 1,06 мкм и 1,32 мкм в полосе около 20 нм, что открывает новые возможности спектрального уплотнения.

Наконец, в оптическом приемнике малошумящий волоконный усилитель может быть использован в качестве оптического предусилителя. Если производится когерентное гетеродинирование, максимум линии усиления ионов неодима в волокне является хорошим репером для предварительной настройки лазера-гетеродина.

Необходимо отметить, что полупроводниковые оптические усилители [33, 116] уступают по своим качествам волоконным. Существенными недостатками первых являются температурная нестабильность линии усиления ( для мкм), значительные потери при стыковке одномодовых волоконных световодов с планарным световодом усилителя и высокий уровень мощности шума — излучения суперлюминесценцни.

Волоконные лазеры открывают возможности для создания новых типов ВОД. Чувствительный элемент, которым является волоконный световод, представляет собой здесь часть волоконного кольцевого или линейного резонатора лазера.

Рис. 4.14. Одночастотные волоконные лазеры с распределенной обратной связью (а) и брэгговскими зеркалами (б): 1 — активная сердцевина; 2 — оболочка с периодической структурой

Изменение фазы световых колебаний под действием внешних факторов приводит в лазерах к изменению частот генерации различных мод. Информация о внешних воздействиях содержится в изменении частоты межмодовых биений. На основе волоконного лазера с кольцевым резонатором, который реализуется сваркой концов световода или разъемным их соединением, достаточно просто создать малогабаритный лазерный волоконный гироскоп.

Стабильные одночастотные волоконные лазеры могут быть выполнены в виде конструкции с распределенной обратной связью или с распределенным брэгговским отражением. Для этого на определенных участках волокна одним из способов, которые будут описаны ниже (см. п. 4.8), создается волоконный отражающий спектральный фильтр (рис. 4.14). Такие источники могут использоваться в фазовых ВОД.

Использование суперлюминесцентных волоконных лазеров позволяет упростить конструкцию пассивных волоконных гироскопов и повысить их чувствительность за счет снижения уровня шумов, вызванных наличием объемных элементов. В кольцевых интерферометрах гироскопах уровень шумов снижается при уменьшении длины когерентности излучения источника и числа объемных элементов (см. п. 3.6). В волоконном источнике легко добиться, чтобы длина когерентности излучения была больше, чем разность хода встречных волн интерферометра, обусловленная вращением и невзаимными эффектами. Суперлюминесцентные волоконные лазеры имеют ширину спектра нм и достаточно высокую импульсную мощность Такой источник

соединяется с волоконным кольцевым интерферометром с помощью стандартных, ответвителей.