ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ГРЕБЕНЧАТЫМ СПЕКТРОМ Российский патент 2009 года по МПК H01S3/06 

Изобретение относится к твердотельным люминесцентным источникам оптического излучения и предназначено для использования в фотонике в качестве компактного источника оптического излучения с гребенчатым спектром в диапазоне длин волн 1500-1600 нм в качестве устройства для спектрального уплотнения в волоконно-оптических коммуникационных системах.

Известно, что для осуществления спектрального уплотнения необходимо использование источника оптического излучения с гребенчатым спектром, описываемым следующей формулой:

где S(f) - амплитуда сигнала на частоте f, A_k - амплитуда k-той компоненты спектра, δ - дельта функция, Ω - частота модуляции, K, k - целые числа.

Из уровня техники известно несколько конструкций источников оптического излучения с гребенчатым спектром.

В статье T.Kawanishi, T.Sakamoto, S.Shinada, M.Izutsu "Optical Frequency Comb Generator Using Opical Fiber Loops With Single-Sideband Modulation" (IEICE Electronic Express 2004, v.1, n.8, p.217-221) описан источник оптического излучения с гребенчатым спектром, в котором изменение длины волны достигалось с использованием модулятора боковой полосы сигнала, состоящего из четырех оптических фазовых модуляторов, сдвиг частоты которых в точности равнялся сдвигу частоты радиочастотного сигнала, подаваемого на модулятор. Устройство состоит из оптического модулятора боковой полосы сигнала, включающего электрооптические модуляторы на ниобате лития с высокоскоростными электродами бегущей волны, и волоконно-оптического контура, включающего оптический усилитель для компенсации потерь при преобразовании сигнала в модуляторе. Контур имеет вход и выход, выполненные в виде оптического соединителя или брэгговской решетки. В диапазоне 1550-1560 нм был получен гребенчатый спектр с расстоянием между соседними максимумами 0.08 нм. Недостатком устройства является его сложность, необходимость подавать на модулятор боковой полосы электрический сигнал с частотой порядка 10 ГГц и невозможность достигнуть компактности вследствие использования волоконно-оптического контура.

В патенте США № 9967981, опубликованном 27.06.2006 по кл. США 398/183 и 398/186, описан мультиволновой коммуникационный прибор, предназначенный для использования с источником света, дающим пучок света на длине волны λ. Прибор включает, по меньшей мере, один оптический модулятор, предназначенный для превращения светового пучка в модулированный световой сигнал, который состоит, по меньшей мере, из двух дополнительных спектральных компонентов, один - на длине волны λ+Δλ, а другой - на длине волны λ-Δλ. Прибор включает устройство для оптического расщепления, предназначенного для соединения, по меньшей мере, с одним оптическим модулятором, для расщепления модулированного оптического сигнала, по меньшей мере, на два подобных модулированных световых сигнала и для обеспечения выхода наружу одного из, по меньшей мере, двух дополнительных спектральных компонент.

В патенте США № 5663822, опубликованном 02.09.1997 по кл. МПК Н04В 10/00, описан оптический генератор гребенчатого спектра, использующий источник оптического белого шума. Оптический генератор гребенчатого спектра генерирует излучение в широком диапазоне длин волн с использованием генератора белого шума. Резонатор Фабри-Перо фильтрует излучение по длинам волн с образованием спектра, характеризующегося эквидистантными линиями на резонансных длинах волн λ₁, λ₂...λ_n. Генератор гребенчатого спектра запирается на определенной длине волны при сравнении каждой несущей или средней по несущим с оптическим эталоном. Генерируемый сигнал ошибки поступает обратно на генератор гребенчатого спектра. Резонансы расщепляются на М каналов посредством расщепителя. Каждый канал модулируется в цифровом модуляторе. Каналы суммируются как оптический сигнал и усиливаются для обеспечения надлежащего уровня мощностей до подачи в оптическое волокно.

В патенте США № 4953166, опубликованном 28.08.1990 по кл. МПК H01S 3/0941, H01S 3/109 и др., описан микрочип-лазер, в котором усиливающая среда располагается между двумя зеркалами, образующими резонатор. Длина резонатора выбирается таким образом, чтобы ширина полосы усиления усиливающей среды была меньше или равной расстоянию между частотами мод резонатора, так что частота моды резонатора падает в пределах полосы усиления. Нелинейный оптический материал располагается внутри либо вне резонатора для генерации новых лазерных длин волн. В другом случае микрочип-лазер может быть настроен, например, термически или путем приложения продольного или попереченого напряжения на частоте резонатора. Лазер оптически накачивается соответсвующим источником, таким как полупроводниковый инжекционный лазер или лазерной линейкой. Подходящие усиливающие среды включают Nd:YAG, Nd:GSGG и пентафосфат неодима, а соответствующие нелинейные оптические материалы включают MgO:LiNbOs и КТР.

Общей чертой всех аналогов является сложность и высокая стоимость устройств, требующих прецизионной сборки компонентов, и невозможность достижения компактности устройства.

Наиболее близким по конструкции является микрочип лазер по патенту США № 4953166, выбранный за прототип. Недостатком микрочип-лазера является невозможность получения гребенчатого спектра ввиду выбранного соотношения ширины полосы усиления усиливающей среды и расстояния между частотами мод резонатора, а также использование дорогостоящих оптических элементов, изготовленных из лазерных и нелинейных кристаллов.

Задача изобретения заключается в создании простого по конструкции, компактного, недорогого в производстве источника оптического излучения с гребенчатым спектром. В отличие от прототипа, устройство позволяет получать излучение с гребенчатым спектром за счет использования обнаруженного эффекта - вынужденной люминесценции редкоземельных ионов в матрице стекла, модулированной резонатором Фабри-Перо. Такое решение позволяет использовать более дешевый, чем лазерные кристаллы, материал - стекло, активированное редкоземельными ионами.

Новое конструктивное решение поставленной задачи представляет собой люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром, который включает расположенные по одной оптической оси источник накачки, оптический усилитель в виде твердотельного активного элемента, расположенного внутри резонатора Фабри-Перо, в котором активный элемент представляет собой плоскопараллельную люминесцирующую пластину, выполненную из лазерного стекла, причем оптическая ось излучения источника накачки перпендикулярна плоскости резонатора Фабри-Перо.

В отличие от прототипа ширина полосы усиления усиливающей среды существенно превышает расстояние между частотами мод резонатора Фабри-Перо, поэтому число мод вынужденного излучения, выходящих из резонатора, может быть велико - 100÷200 в случае активной среды на основе стекол, активированных ионами редкоземельных элементов, т.к. число мод определяется отношением ширины полосы усиления к расстоянию между частотами интерферометра Фабри-Перо.

Отражающие элементы резонатора Фабри-Перо, представляющие собой зеркала, могут быть нанесены непосредственно на плоскости люминесцирующей пластины, что обеспечивает компактность устройства и упрощает его юстировку. Накачка осуществляется источником с мощностью, обеспечивающей режим усиления, но не превышающей порог генерации. При высоких уровнях возбуждения люминесценции первичный квант люминесценции инициирует испускание кванта на той же частоте. Этот эффект носит название суперлюминесценции.

Очевидно, что спектр излучения суперлюминесценции совпадает со спектром усиления среды. Излучение суперлюминесценции, в отличие от обычной люминесценции, является вынужденным, длина когерентности которого превышает длину резонатора. Поэтому на частотах, соответствующих частотам собственных мод резонатора Фабри-Перо, наблюдается интерференция излучения суперлюминесценции. В результате этого спектр суперлюминесценции усиливающей среды, помещенный в резонатор Фабри-Перо, оказывается промодулированным

В качестве люминесцирующей среды целесообразно использовать лазерные стекла, активированные Er, Yb, Nd, Tm, Cr, Yb/Er, Nd/Yb. Толщина плоскопараллельной люминесцирующей пластины выбирается в пределах 0,2-5,0 мм, что обеспечивает расстояние между соседними максимумами гребенчатого спектра от 400 до 16 ГГц. При указанных толщинах резонатора представляется целесообразным в качестве усиливающей среды использовать фосфатные стекла с высокой концентрацией редкоземельных элементов (10-30 мас.%), что обеспечит эффективное использование излучения накачки.

На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства для наблюдения гребенчатого спектра, где 1 - люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром, в котором 2 - источник накачки в виде полупроводникового лазера, 3 - фокусирующая линза и 4 - оптический усилитель, включающий активный элемент в виде плоскопараллельной стеклянной пластины 5, помещенной внутри резонатора Фабри-Перо, зеркала 6 и 7 которого нанесены на плоскости пластины 5; 8 и 9 - апертурные диафрагмы, 10 - светофильтр, отсекающий излучение накачки, 11 - волоконно-оптический кабель, 12 - монохроматор, 13 - фотоприемник, 14 - регистрирующее устройство.

На Фиг.2 изображен оптический усилитель 4, представляющий собой плоскопараллельную пластину 5 в форме диска, изготовленного из лазерного стекла, с нанесенными на его плоскопараллельные поверхности диэлектрическими покрытиями - зеркалами 6 и 7, отражающими излучение накачки и прозрачными на длине волны генерации.

На Фиг.3 представлен спектр люминесценции фосфатного стекла, активированного иттербием и эрбием, которое является наиболее подходящим материалом для изготовления люминесцирующей пластины.

Использование этой пластины толщиной 1,0 мм показало возможность получения гребенчатого спектра благодаря модуляции спектра люминесценции эрбия частотой Ω=80 ГГц.

Промодулированный спектр представлен на Фиг.4. Частота 80 ГГц соответствует разности длин волн Δλ=0,75 нм между соседними максимумами с длинами волн λ_m+1 и λ_m в гребенчатом спектре люминесценции, представленном на Фиг.5. При регистрации люминесценции в направлении, перпендикулярном оси интерферометра Фабри-Перо, этот эффект не наблюдается.

Частоты собственных мод резонатора Фабри-Перо, ν_m, при которых пропускание резонатора достигает максимума:

где ν_m=1/λ_m, m=1, 2, 3... L - толщина резонатора, n - показатель преломления.

Подстановка в (2) экспериментальных значений L=1,0 мм, n=1,54, λ=1,535 нм, дает Δλ_calc=0,75 нм, что совпадает с экспериментальным значением, полученным из спектров люминесценции. Следовательно, экспериментально получена модуляция спектра люминесценции эрбия спектром пропускания резонатора Фабри-Перо.

Полученный эффект - это вынужденное излучение, длина когерентности которого превышает длину резонатора Фабри-Перо, а спектр совпадает или близок к спектру люминесценции эрбия, т.е. суперлюминесценция, достижимая при высоких уровнях возбуждения люминесценции, когда первичный квант люминесценции инициирует испускание другого кванта на той же частоте.

Независимым подтверждением того, что промодулированная часть излучения, выходящего из люминесцирующей пластины, есть суперлюминесценция эрбия, является обнаруженная экспоненциальная зависимость интенсивности этого излучения от интенсивности излучения накачки.

Основными преимуществами предложенного люминесцентного источника света с гребенчатым спектром перед известными техническими решениями являются: сверхмалые размеры активной среды (менее 1 мм³), простота конструкции (плоскопараллельная пластина с нанесенными на ее поверхности зеркалами), возможность организации одновременного производства большого количества микрочипов (из пластины диаметром 30 мм можно изготовить до 200 микрочипов одинакового качества).

Конкретный пример реализации.

В качестве активного элемента 5 - усиливающей среды использовалось лазерное фосфатное стекло, содержащее 6,5 мол.% Yb₂О₃ и 0,5 мол % Er₂O₃. Из стекла была изготовлена плоскопараллельная пластина диаметром 30 мм и толщиной 1 мм. Плоскопареллельность пластины была не хуже 15''. На полированные плоскости диска были нанесены многослойные диэлектрические зеркала 7 с коэффициентами отражения 99,9 и 97% на длине волны 1535 нм, прозрачные на длине волны возбуждающего света 965 нм. Для возбуждения люминесценции использовался источник накачки 2 - полупроводниковый лазер с размерами светящегося тела 1×100 мкм, выходной мощностью до 1 Вт на длине волны генерации 965 нм. Излучение полупроводникового лазера с помощью системы линз фокусировалось на входную поверхность плоскопараллельной пластины в пятно диаметром 100 мкм. Регистрация излучения, выводящегося с выходной поверхности пластины 5, осуществлялась по направлению, совпадающему с направлением возбуждающего излучения. Регистрируемое излучение проходило через две апертурные диафрагмы 8 и 9, обеспечивающего регистрацию сигнала с угловой апертурой 1'. Для предотвращения попадания на фотоприемник 13 рассеянного света источника накачки 2 перед апертурной диафрагмой 9 помещался обрезающий светофильтр 10 из стекла ИКС-5 толщиной 1 см. Регистрируемое излучение, прошедшее через диафрагмы 8 и 9, попадало на входную апертуру волоконно-оптического кабеля 11 диаметром 1 мм и длиной 1 м, изготовленного из кварцевого стекла. С помощью оптического кабеля 11 излучение передавалось на входную щель монохроматора 12. В качестве фотоприемника 13 излучения использовался фотодиод, помещенный на выходную щель монохроматора 12. На экране монитора - регистрирующего устройства 14 отражались полученные гребенчатые спектры излучения люминесцентного источника света (см. Фиг.5). Максимальное спектральное разрешение установки составляло 0,1 нм. Контрольные эксперименты показали, что такое разрешение достаточно для регистрации тонкой структуры спектров и измерения глубины модуляции, однако недостаточно для измерения полуширины линий тонкой структуры, которая составляет менее 0,2 нм. Глубина модуляции спектров на заданной длине волны М(λ_k) определялась с помощью уравнения (3):

где J(λ) - интенсивность люминесценции, λ_k, λ_k+1 - соседние длины волн, на которых наблюдается максимум и минимум интерференции. Максимальное достигнутое значение глубины модуляции составляет для излучения с длиной волны 1533,8 нм 90%. Установлено, что для излучения с длинами волн в диапазоне 1540-1560 нм вариации глубины модуляции незначительны. Отсюда следует, что возможно создание 30 канального источника оптического излучения в указанном спектральном диапазоне с одинаковой интенсивностью излучения в каждом спектральном канале.

Люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром предназначен для использования в фотонике в качестве компактного источника оптического излучения с гребенчатым спектром в диапазоне длин волн 1500-1600 нм для создания эффекта спектрального уплотнения в волоконно-оптических коммуникационных системах. Люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром включает расположенные по одной оптической оси источник накачки, оптический усилитель в виде твердотельного активного элемента, размещенного внутри резонатора Фабри-Перо. Активный элемент представляет собой плоскопараллельную люминесцирующую пластину, выполненную из лазерного стекла, причем оптическая ось излучения источника накачки перпендикулярна плоскости резонатора Фабри-Перо. Зеркала резонатора Фабри-Перо могут быть нанесены непосредственно на плоскости плоскопараллельной люминесцирующей пластины. В качестве активной среды использовано высококонцентрированное фосфатное лазерное стекло, активированное, иттербием и эрбием. Технический результат - получение излучения с гребенчатым спектром, суперлюминесценция. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Люминесцентный источник оптического излучения с гребенчатым спектром, включающий расположенные по одной оптической оси источник накачки, фокусирующую линзу и оптический усилитель в виде твердотельного активного элемента, размещенного внутри резонатора Фабри-Перо, отличающийся тем, что активный элемент представляет собой плоскопараллельную люминесцирующую пластину, выполненную из лазерного стекла, причем оптическая ось излучения источника накачки перпендикулярна плоскости резонатора Фабри-Перо.2. Люминесцентный источник оптического излучения по п.1, отличающийся тем, что зеркала резонатора Фабри-Перо нанесены непосредственно на плоскости люминесцирующей пластины.3. Люминесцентный источник оптического излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что использован источник накачки с интенсивностью, способной обеспечить положительный коэффициент усиления люминесцирующей среды, но меньше порога генерации.4. Люминесцентный источник оптического излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве люминесцирующей среды используются лазерные стекла, активированные Er, Yb, Nd, Tm, Yb/Er, Nd/Yb.5. Люминесцентный источник оптического излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что плоскопараллельная люминесцирующая пластина имеет толщину в пределах 0,2-5,0 мм.6. Люминесцентный источник оптического излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве плоскопараллельной люминесцирующей пластины используется пластина из фосфатного стекла, активированного иттербием и эрбием, толщиной 1,0 мм.