РАМАНОВСКИЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР (ВАРИАНТЫ) И БРЭГГОВСКАЯ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1997 года по МПК H01S3/30 

Изобретения относятся к области лазерной техники и волоконной оптики и промышленно применимы для накачки волоконных усилителей сигналов, используемых в широкополосных волоконно-оптических системах связи (ВОСС) Вместо электронных ретрансляторов.

В ВОСС используют несущее излучение с длиной волны λ 1,31 мкм, для которой дисперсия волоконных световодов на основе кварцевого стекла близка к нулю, или l 1,55 мкм, для которой имеется абсолютный минимум оптических потерь в волоконных световодах на основе кварцевого стекла. В таких ВОСС вместо электронных ретрансляторов ставят волоконные усилители, накачка которых должна осуществляться в первом случае на длине волны l 1,24 мкм (при применении рамановских волоконных усилителей), а во втором случае на длине волны l 1,48 мкм (для эрбиевых усилителей в случае удаленного источника накачки), причем требуется мощность непрерывной накачки от нескольких сотен мВт до 1 Вт и более.

Известен рамановский волоконный лазер, генерирующий на длине волны l 1,48 мкм, содержащий волоконный световод на основе SiO₂ + GeO₂ в качестве активной среды, иттербиевый лазер с длиной волны генерации 1,117 мкм в качестве источника накачки и 5 брэгговских волоконно-оптических решеток в качестве распределенных зеркал на длины волн 1,175 мкм, 1,24 мкм, 1,31 мкм, 1,40 мкм и 1,48 мкм, образующие соответственно 5 резонаторов для 1-ой, 2-ой, 3-ой, 4-ой и 5-ой стоксовых компонент рамановского (вынужденного комбинированного) рассеяния [S.G. Grubb, T. Strasser, W.Y. Cheung, W.A.Reed, V.Mizrahi, T. Erdogan, P.J.Lemaire, A.M.Vengsarkar, D.J.GiGiovanni, D.W.Peckham, B.H.Rockney. High-Power 1,48 mm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers. Optical Ampl. and their Appl. Davos, USA, 15- 17 June 1995, p. 197-199]
Недостатком этого технического решения является сложность, обусловленная необходимостью использования пяти пар брэгговских решеток, и относительно низкая эффективность преобразования излучения в 5-ую стоксову компоненту. Кроме того, брэгговские решетки обладают недостаточно высокой глубиной модуляции показателя преломления.

Известен рамановский волоконный лазер, генерирующий на длине волны l 1,48 мкм, содержащий волоконный световод на основе SiO₂ + GeO₂, содержащий волоконный световод на основе SiO₂ + GeO₂ в качестве активной среды, твердотельный лазер с длиной волны генерации около 1 мкм в качестве источника накачки и 6 брэгговских волоконно-оптических решеток в качестве распределенных зеркал на длине волн 1,117 мкм, 1,175 мкм, 1,24 мкм, 1,31 мкм, 1,40 мкм и 1,48 мкм, образующие соответственно 6 резонаторов для 1-ой, 2-ой, 3-ей, 4-ой, 5-ой и 6-ой стоксовых компонент рамановского рассеяния [S.G.Grubb, T.Strasser, W.Y.Cheung, W.A.Reed, V.Mizrahi, T.Erdogan, P.J.Lemaire, A.M.Vengsarkar, D.J.DiGiovanni, D.W.Peckham, B.H.Rockney. Hegh-Power 1,48 mm Cascaded Raman Laser in Germanosilicate Fibers. Optical Ampl. and their Appl. Davos, USA, 15-17 June 1995, p. 197-199]
Недостатком этого технического решения является сложность, обусловленная необходимость использования шести пар брегговских решеток, и относительно низкая эффективность преобразования излучения в 6-ую стоксову компоненту. Кроме того, брегговские решетки обладают недостаточно высокой глубиной модуляции показателя преломления.

Известно оптическое волокно, содержащее фосфор для уменьшения времени релаксации ионов орбия и ослабления за счет этого обратного переноса энергии от ионов эрбия к ионам иттербия [Патент США N 5225925, 06.07.93 г. кл. H 01 S 3/16]
Недостатком этого технического решения является невозможность получения излучения на длинах волн 1,24 мкм и 1,48 мкм из-за наличия в составе оптического волокна ионов эрбия.

Известна брэгговская волоконно-оптическая решетка, используемая в качестве распределенного зеркала и выполненная в виде участка световода, показатель преломления сердцевины которого модулирован [Патент США 5237576.07.08.93 МПК H 01 S 3/30]
Недостатком этого технического решения является недостаточно высокая эффективность брэгговской решетки, поскольку не оптимизирован химический состав сердцевины оптического волокна.

Наиболее близким к заявляемому техническим решением является известный рамановский волоконный лазер, содержащий волоконный световод на основе SiO₂ + GeO₂ в качестве активной среды, неодимовый лазер с длиной волны генерации 1,06 мкм в качестве источника накачки и 3 брегговских волоконно-оптических решетки в качестве распределенных зеркал на длины волн 1,117 мкм, 1,175 мкм и 1,24 мкм, образующие соответственно три резонатора для 1-ой, 2-ой и 3-ей стоксовых компонент рамановского рассеяния [S.G.Grubb, T.Erdogan, V.Mizrahi, T. Strasser, W.Y.Cheung, Y.A.Reed, P.F.Lemaire, A.E.Miller, S.G.Kosinski, G. Nykolak, P. C.Becker, D.W.Peckham. 1,3 m Cascaded Raman Amplifier in Germanosilicate Fibers. Optical Ampl. and their Appl. Colorado, USA, 3-5 Aug. 1994, p. 187-190]
Недостатком этого техническая решения является сложность, обусловленная необходимостью использования трех пар брэгговских решеток и невысокой их интенсивностью, а также относительно низкая эффективность преобразования излучения в 3-ю стоксову компоненту.

С помощью заявляемых изобретений решается техническая задача упрощения рамановских волоконных лазеров на длины волн 1,24 мкм и 1,48 мкм и повышения эффективности преобразования излучения при рамановском рассеяния.

Поставленная задача решается тем, что в известном рамановском волоконном лазере, содержащем в качестве активной среды волоконный световод на основе SiO₂ с по крайней мере одной легирующей примесью, лазер с длиной волны генерации в диапазоне от 1,0 до 1,1 мкм в качестве источника накачки и две брэгговских волоконно-оптических решетки в качестве распределенных зеркал на длину волны в диапазоне от 1,20 до 1,28 мкм, образующие резонатор, оптическое волокно в качестве легирующей примеси содержит P₂O₅, а распределенные зеркала образуют резонатор для первой стоксовой компоненты, причем оптическое волокно содержит P₂O₅ в количестве от 1 до 30 мол.

Поставленная задача решается также тем, что в известном рамановском волоконном лазере, содержащем в качестве активной среде волоконный световод на основе SiO₂ с по крайней мере одной легирующей примесью, лазер с длиной волны генерации в диапазоне от 1,0 до 1,1 мкм в качестве источника накачки и две брэгговских волоконно-оптических решетки в качестве распределенных зеркал на длину волн в диапазоне от 1,20 до 1,28 мкм, и две брэгговских волоконно-оптических решетки в качестве распределенных зеркал на длину волн в диапазоне от 1,46 до 1,50 мкм, образующие два резонатора, оптическое волокно в качестве легирующей примеси содержит P₂O₅, а распределенные зеркала образуют резонаторы для первой и второй стоксовых компонент, причем оптическое волокно содержит P₂O₅ в количестве от 1 до 30 мол.

В частности, для улучшения своих механических, оптических и других свойств, а также для варьирования длины волны стоксовых компонент в небольших пределах волоконный световод в качестве легирующей примеси может дополнительно содержать F, N, Ge, Al, Ti и/или Bi, причем дополнительная легирующая примесь может содержаться в количестве от 10³ до 10 мол.

В частности, источник накачки может быть выполнен в виде неодимового лазера. При этом содержание Nd в активном элементе неодимового лазера может составлять от 0,1 до 2 мас.

В частности, источник накачки, содержащий неодимовый лазер, может дополнительно содержать элемент перестройки на основе LiF:F₂.

В частности, активный элемент неодимового лазера может быть выполнен на основе алюмината иттрия, фторида лития, иттрий-алюминиевого граната, гадолиний-галлиевого граната, гадолиний-кальций-магний-цирконий-галлиевого граната, или кальций-ниобий-галлиевого граната.

В частности, источник накачки может быть выполнен в виде иттербиевого лазера или полупроводникового лазера.

В частности, источник накачки может быть выполнен в виде волоконного лазера, при этом длина волоконного световода в нем может составлять от 1 до 100 м.

В частности, длина волоконного световода в рамановском лазере может составлять от 1 м до 10 км. При этом волоконный световод может быть выполнен со ступенчатым профилем показателя преломления. В альтернативном варианте сердцевина волоконного световода может быть выполнена с показателем преломления, изменяющимся по ее сечению.

В частности, разность показателей преломления сердцевины и оболочки волоконного световода в рамановском лазере может составлять не менее 10^-5.

Поставленная задача решается также тем, что в брэгговской волоконно-оптической решетке, выполненной в виде отрезка волоконно-оптического световода на основе SiO₂ с по крайней мере одной легирующей примесью, включая GeO₂, причем показатель преломления сердцевины световода промодулирован по его длине, содержание GeO₂ составляют от 11 до 39 мол.

В частности, волоконный световод брэгговской решетки для улучшения оптических и механических свойств в качестве легирующей примеси дополнительно содержит F, N, P, Al, Ti и/или Bi, причем дополнительная легирующая примесь может содержать в количестве от 10³ до 10 мол.

В частности, длина отрезка волоконного световода в брэгговской решетке может составлять от 0,1 до 100 мм.

В частности, в брэгговской решетке периодическое изменение по длине световода промодулированного показателя преломления может составлять от 10^-6 до 10^-2.

В частности, коэффициент отражения в брэгговской решетке в диапазоне длин волн от 1,20 до 1,28 мкм может составлять от 95 до 100% или от 10 до 80%
В частности, коэффициент отражения в брэгговской решетке в диапазоне длин от 1,46 до 1,50 мкм может составлять от 95 до 100% или от 10 до 80%
Два заявляемых рамановских волоконных лазера и заявляемая брэгговская волоконно-оптическая решетка, которая используется в этих лазерах, связана единым изобретательским замыслом и обеспечивают решение вышеуказанной технической задачи.

Сущность изобретения заключается в том, что за счет использования нового состава волоконного световода обеспечивается повышенная глубина модуляции показателя преломления брэгговской волоконно-оптической решетки, упрощается ее изготовление и повышается ее эффективность при использовании в качестве распределенного зеркала в рамановском волоконном лазере. Это вместе с использованием нового состава волоконного световода рамановского лазера, позволившего получить необходимую длину волны излучения 1,24 мкм уже для первой стоксовой компоненты вместо третьей стоксовой компоненты, а длину волны 1,48 мкм для второй стоксовой компоненты вместо шестой стоксовой компоненты, и за счет этого сократить число необходимых брэгговских волоконно-оптических решеток и число резонаторов для соответствующих стоксовых компонент, обеспечивает упрощение рамановских волоконых лазеров на длины волн 1,24 мкм и 1,48 мкм и повышение эффективности преобразования излучения при рамановском рассеянии.

На фиг.1 и 2 приведены варианты рамановского волоконного лазера с длиной волны излучения 1,24 мкм и 1,48 мкм соответственно; на фиг.3 брэгговская волоконно-оптическая решетка.

Рамановский волоконный лазер на длину волны 1,24 мкм (фиг.1) содержит источник накачки 1, волоконный световод 2, отрезки волоконного световода, представляющие собой брэгговские волоконно-оптические решетки 3 и 4, причем решетка 3 образует глухое распределенное зеркало оптического резонатора для первой стоксовой компоненты, а зеркало 4 выходное распределенное зеркало для того же резонатора. Тип источника накачки 1, а при возможности его перестройки, и длина волны его излучения подбираются, исходя из необходимости тонкой подстройки длины волны излучения рамановского волоконного лазера.

Лазер (фиг.1) работает следующим образом. Излучение накачки от источника 1 преобразуется в волоконном световоде 2 за счет вынужденного комбинационного рассеяния. В прототипе на выходе выделялась третья стоксова компонента, в заявляемом лазере (фиг.1) первая. Очевидно, что эффективность преобразования в первую стоксову компоненту выше и проще, чем в третью. Для повышения эффективности в заявляемом изобретении, как и в прототипе, использовалось резонансное преобразование при многократном прохождении излучения первой стоксовой компоненты по резонатору, образованному зеркалами (брэгговскими решетками) 3 и 4. Однако в прототипе требуется создание оптических резонаторов не только для первой, но и для второй и третьей стоксовых компонент.

Рамановский волоконный лазер на длину волны 1,48 мкм (фиг.2) по сравнению с первым вариантом (фиг.1) дополнительно содержит отрезки волоконного световода, представляющие собой брэгговские волоконно-оптические решетки 5 и 6, причем решетка 5 образует глухое распределенное зеркало оптического резонатора для второй стоксовой компоненты, а зеркало 6 выходное распределенное зеркало для того же резонатора. Кроме того, вместо решетки 4 стоит вторая решетка 3. В этом лазере на выходе выделялась вторая стоксова компонента, тогда как в прототипе шестая. Очевидно, что эффективность преобразования во вторую стоксову компоненту немного выше и проще, чем в шестую. В прототипе требуется создание оптических резонаторов для первой, второй третьей, четвертой, пятой и шестой стоксовых компонент, тогда как в заявляемом изобретении только для первой и второй.

Заявляемая брэгговская волоконно-оптическая решетка (фиг.3), как и в прототипе, представляет собой отрезок волоконного световода, содержащего сердцевину 7 и оболочку 8, причем в сердцевине периодически чередуются участки с повышенным 9 и нормальным (т.е. пониженным по сравнению со средним значением) 10 показателем преломления. Решетка работает точно также, как и в прототипе. Отличие состоит в том, что в заявляемом изобретении за счет выбора состава волоконного световода обеспечивается более высокая разность максимального и минимального значений показателя преломления (глубина модуляции).

В качестве источника накачки 1 использовали известный волоконный неодимовый лазер мощностью 1,5 Вт с длиной волоконного световода 30 м, сердцевина которого содержала 0,5 мас. Nd³⁺. Брегговские решетки 3, 4, 5 и 6 выполняли в виде отрезков оптического волокна длиной 1 мм, сердцевина которого 7 содержала 21 мол. GeO₂, причем ее показатель преломления был промодулирован соответствующим образом, а глубина модуляции составляла 8 • 10⁴. Коэффициент отражения решеток 3 и 5 на длинах волн 1,24 мкм и 1,48 мкм соответственно составлял 99% а коэффициент отражения решеток 4 и 6 на длинах волн 1,24 мкм и 1,48 мкм соответственно составлял 20% Волоконный световод 2 имел длину 10 м, а его сердцевина содержала 19 мол. P₂O₅. Волоконный световод неодимового лазера 1, волоконный световод 2 и волоконные световоды брэгговских зеркал 3, 4, 5 и 6 имели стандартные поперечные размеры. Эти световоды изготавливали по стандартной технологии с использованием метода химического осаждения из газовой фазы [Девятых Г.Г. Дианов Е.М. Волоконные световоды с малыми оптическими потерями. Вестник АН СССР, 1981, вып.10, с. 54-66] Их сваривали в единое целое. Модуляцию показателя преломления сердцевины 7 волоконных световодов брэгговских зеркал 3, 4, 5 и 6 обеспечивали стандартным методом путем облучения мощным лазерным излучением через соответствующую фазовую решетку и оболочку 8.

Испытание рамановских волоконных лазеров (фиг. 1 и 2) с брэгговскими решетками (фиг.3), выполненных согласно заявляемым изобретениям, показало, что с их использованием достигается поставленная цель, то есть обеспечивается упрощение рамановских волоконных лазеров на длины волн 1,24 мкм и 1,48 мкм и повышается эффективность преобразования излучения при рамановском рассеянии.

Использование: изобретения относятся к области лазерной техники и волоконной оптики и промышленно применимы для накачки волоконных усилителей сигналов, используемых в широкополосных волоконно-оптических системах связи вместо электронных ретрансляторов. Сущность: лазер на длину волны 1,24 мкм содержит источник накачки, волоконный световод, содержащий от 1 до 30 мол.% P₂O₅, отрезки волоконного световода, содержащие от 11 до 39 мол.% GeO₂, представляющие собой брэгговские волоконно-оптические решетки, причем решетка образует глухое распределенное зеркало оптического резонатора для первой стоксовой компоненты, а зеркало - выходное распределенное зеркало для того же резонатора. 3 с. и 25 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Рамановский волоконный лазер, содержащий в качестве активной среды волоконный световод на основе SiO₂ с по крайней мере одной легирующей примесью, лазер с длиной волны генерациии 1,0 1,1 мкм в качестве источника накачки и две брегговских решетки в качестве распределенных зеркал на длину волны 1,20 1,28 мкм, образующие резонатор, отличающийся тем, что оптическое волокно в качестве легирующей примеси содержит P₂O₅, а распределенные зеркала образуют резонатор для первой стоксовой компоненты, причем оптическое волокно содержит P₂O₅ 1 30 мол. 2. Рамановский волоконный лазер, содержащиий в качестве активной среды волоконный световод на основе SiO₂ с по крайней мере одной легирующей примесью, лазер с длиной волны генерации 1,0 1,1 мкм в качестве источника накачки и две брегговских решетки в качестве распределенных зеркал на длину волн 1,20 1,28 мкм и две брегговских решетки в качестве распределенных зеркал на длину волн 1,46 1,50 мкм, образующие два резонатора, отличающийся тем, что оптическое волокно в качестве легирующей примеси содержит P₂O₅, а распределенные зеркала образуют резонаторы для первой и второй стоксовых компонент, причем оптическое волокно содержит P₂O₅ 1 30 мол. 3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что волоконный световод в качестве легирующей примеси дополнительно содержит F, N, Ge, Al, Ti и/или Bi, причем дополнительная легирующая примесь содержится в количестве 10^- 3 10 мол. 4. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде неодимового лазера. 5. Лазер по п.4, отличающийся тем, что содержание Nd в активном элементе неодимового лазера составляет 0,1 2,0 мас. 6. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник накачки, содержащий неодимовый лазер, дополнительно содержит элемент перестройки на основе LiF: F₂. 7. Лазер по п.6, отличающийся тем, что активный элемент неодимового лазера выполнен на основе алюмината иттрия. 8. Лазер по п.6, отличающийся тем, что активный элемент неодимового лазера выполнен на основе фторида лития. 9. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активный элемент неодимового лазера выполнен на основе иттрий-алюминиевого граната. 10. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активный элемент неодимового лазера выполнен на основе гадолиний-галлиевого граната. 11. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активный элемент неодимового лазера выполнен на основе гадолиний-кальций-магний-цирконий-галлиевого граната. 12. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активный элемент неодимового лазера выполнен на основе кальций-ниобий-галлиевого граната. 13. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде иттербиевого лазера. 14. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде полупроводникового лазера. 15. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник накачки выполнен в виде волоконного лазера. 16. Лазер по п.15, отличающийся тем, что в волоконном лазере длина волоконного световода составляет 1 100 м. 17. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что длина волоконного световода составляет 1 10 км. 18. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что волоконный световод выполннен со ступенчатым профилем показателя преломления. 19. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сердцевина волоконного световода выполнена с показателем преломления, изменяющимся по ее сечению. 20. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что разность показателей преломления сердцевины и оболочки составляет не менее 10^- 5. 21. Брэгговская волоконнооптическая решетка, выполненная в виде отрезка волоконного световода на основе SiO₂ с по крайней мере одной легирующей примесью, включая GeO₂, причем показатель преломления сердцевины световода промодулирован по его длине, отличающаяся тем, что содержание GeO₂ составляет 11 39 мол. 22. Решетка по п.21, отличающаяся тем, что волоконный световод в качестве легирующей примеси дополнительно содержит F, N, P, Al, Ti и/или Bi, причем дополнительная легирующая примесь содержится в количестве 10^- 3 - 10 мол. 23. Решетка по п. 21, отличающаяся тем, что длина отрезка волоконного световода составляет 0,1 100,0 мм. 24. Решетка по п.21, отличающаяся тем, что периодическое изменение по длине световода промодулированного показателя преломления составляет 10^- 6 10^- 2. 25. Решетка по п.21, отличающаяся тем, что ее коэффициент отражения в диапазоне длин волн 1,20 1,28 мкм составляет 95 100%
26. Решетка по п.21, отличающаяся тем, что ее коэффициент отражения в диапазоне длин волн 1,20 1,28 мкм составляет 10 80%
27. Решетка по п.21, отличающаяся тем, что ее коэффициент отражения в диапазоне длин волн 1,16 1,50 мкм составляет 95 100%
28. Решетка по п.21, отличающаяся тем, что ее коэффициент отражения в диапазоне длин волн 1,16 1,50 мкм составляет 10 80%