Методы модификации оптических волокон редкоземельными элементами и их спектральные характеристики

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мировой арене, зависимость информационно-коммуникационных технологий от пропускной способности волоконно-оптических линий связи, стремительное развитие рынка телекоммуникационных, радиотехнических и мобильных систем связи выявляет необходимость использования методов модификации оптических волокон редкоземельными элементами для увеличения пропускной способности базовой оптической сети, которая соединяет узлы конвергенции систем связи высокоскоростным трафиком. В основных сегментах сетей связи - городские, магистральные, междугородние и локальные вычислительные сети, по показателям на 2005 год использование оптического волокна составило более 68 млн.км и увеличился по отраслям в целом на 15%. По итогам 2012 года показатель изготовленных и применяемых оптических волокон составил 225 млн.км, из которого принадлежит Японии 35-36 млн.км, Китайской народной республике 100 млн.км, США 32 млн.км и странам Европейского союза 26 млн.км.
На практике в телекоммуникационных сетях начали применяться широкополосные LTE (Long Term Evolution) технологии мобильной связи четвертого поколения. В мобильных сетях четвертого поколения по требованиям 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и международной организации IMT-Advanced, скорость передачи информации для одного абонента не должна опускаться ниже 1Гбит/с. Использование модифицированных оптических волокон в системах оптической связи обеспечивает базовые станции мобильных операторов высокоскоростным трафиком и способствует увеличению числа абонентов.
В этой связи, решение таких вопросов как модификация оптических волокон редкоземельными элементами, модификация оптических волокон с применением методов кварцевого резонатора и контролируемого вакуумного термического осаждения, высокоточный контроль толщины и состава, осаждаемых многокомпонентных оптических плёнок на локально открытую сердцевину оптического волокна, одновременное контролируемое вакуумное осаждение оксидов эрбия, иттербия, кремния и алюминия, создание оптических волокон с подавленной кластеризацией ионов эрбия и получение высокой концентрации активных ионов редкоземельного элемента (102°-1021) см'3 в формированных оптических структурах, исследование спектральных характеристик модифицированных оптических волокон легированных многокомпонентным составом Ег2О3 - А12О3 - SiOx и Ег2О3 -Yb2O3 - А12О3 - SiOx, (1<х<2) полученных методом вакуумного термического осаждения, создание эффективных планарных и волоконно-оптических усилителей с высоким (1020-1021) см'3 содержанием активных ионов редкоземельного элемента, разработка методов обработки волоконно-оптических материалов и разработка на их основе оптоэлектронных систем передачи информации направленных на решение вопросов обеспечения низкого показателя шум-фактора и высокого параметра OSNR (Optical signal noise ratio) в оптических усилителях созданных на основе модифицированных оптических волокон с высокой концентрацией эрбия является актуальным для телекоммуникационных, радиотехнических и мобильных систем связи.
Для создания высокой концентрации активных ионов эрбия в модифицированных оптических волокнах, усовершенствование процессов эффективной модификации оптических волокон и создание эффективных коротко-дистанционных волоконно-оптических усилителей, представляет особый интерес разработка методов многокомпонентного вакуумного осаждения и модификации оптических волокон путем контролируемого термического осаждения оксидов эрбия, иттербия, кремния и алюминия на открытую поверхность оптического волокна.
Исследование данной диссертации служит для обеспечения реализации задач определенных в Постановлении Президента Республики Узбекистан № ПП-1730 «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационно-коммуникационных технологий» от 21 марта 2012 года, а также в постановлении Кабинета Министров № 353 «Об утверждении концепции развития электронной коммерции в Республике Узбекистан на период 2016-2018 годы» от 4 декабря 2015 года.
Цель исследования разработка методов модификации оптических волокон редкоземельными элементами посредством вакуумного термического осаждения многокомпонентных пленок сложной геометрии, изготовление локально модифицированных оптических волокон с высокой концентрацией редкоземельных элементов и разработка комплекса оптических и механических устройств по измерению спектральных характеристик модифицированных оптических волокон.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
разработана методика контролируемого вакуумного осаждения для модификации оптических волокон редкоземельными элементами путем применения методов кварцевого резонатора и термического вакуумного осаждения;
разработана методика одновременного контролируемого вакуумного осаждения оксидов эрбия, иттербия, кремния и алюминия с высоким контролем толщины и состава, осаждаемых (ЕьОз - АЬОз - SiOx и ЕпОз -Yb2O3 - АЬОз - SiOx) многокомпонентных оптических плёнок на локально открытую сердцевину оптического волокна;
создан и экспериментально апробирован метод вакуумной модификации оптических волокон, обеспечивающий высокое содержание концентрации активных ионов редкоземельного элемента (102О-1021) см'3 за счет формирования оптической структуры подавляющей кластеризацию эрбия;
доказано, что изготовленные модифицированные оптические волокна методом вакуумного термического осаждения, путем одновременного испарения металлического эрбия и алюминия в атмосфере реактивного газа (кислорода), при давлении вакуума 0,25-0,35 Па ((2-3)-10 3 мм рт.ст.) вызывает интенсивную фотолюминесценцию ионов эрбия (Ег3+) в диапазоне ~1540 нм, представляющий практический интерес в волоконно-оптических линиях связи;
создан способ изготовления активированных заготовок модифицированных оптических волокон, а также эффективных планарных и волоконно-оптических усилителей с высоким (10 -1021) см'3 содержанием активных ионов редкоземельного элемента применяемых в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи;
в целях активизации ионов редкоземельных элементов, предложена методика поперечной накачки планарных оптических усилителей на основе модифицированных оптических сред предназначенных для интегральных волоконно-оптических систем;
для изучения спектральных характеристик модифицированных оптических волокон и усилительных свойств коротко-дистанционных волоконно-оптических усилителей предложены методы, позволяющие наблюдать и регистрировать результаты спектрального исследования на экране компьютера;
разработаны практические рекомендации по выбору методики модификации и создания коротко-дистанционных оптических усилителей на базе модифицированных оптических волокон обеспечивающий низкий показатель шум - фактора и высокий коэффициент усиления;
установлено что, созданные оптические усилители на основе контролируемой вакуумной модификации ионов эрбия имеют низкий показатель шум - фактора и обеспечивают высокий параметр OSNR (Optical signal noise ratio).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные результаты, полученные в ходе исследований сводятся к следующим:
1. Установлено что, методом термического напыления в вакууме обеспечивается возможность получения оптически однородных диэлектрических плёночных структур с большой концентрацией оксида эрбия ЕвОз (102О-1021) см’3, с высокой степенью прозрачности (-80%) в ИК-диапазоне и высоким удельным сопротивлением -109 Ом см.
2. Экспериментально доказано что, дополнительное легирование оксида эрбия (ЕГ2О3) с оксидом алюминия (АЬОз), способствует подавлению кластеризации ионов эрбия, что ведет к уменьшению эффекта ап-конверсии, тем самым позволяя достигать экстремально высокой концентрации активных ионов эрбия (1О2о-1О21) см’3 в малых размерах модифицированного участка 2-5 см.
3. Изготовлены методом вакуумного контролируемого термического осаждения планарные оптические световоды составом (ЕвОз - ЗЮз-АЬОз и ЕвОз - УЬзОз - SiC>2 - АЬОз) на локальном фрагменте оптического волокна. Установлено, что накачка локально модифицированной среды с длиной волны 980 нм возбуждает ИК-излучение в области ~1540нм, представляющее практический интерес в сфере ВОЛС.
4. Исследованы усилительные свойства планарных оптических структур ЕвОз-ЗЮг-АЬОз и ЕвОз-УЬзОз-ЗЮз-АЬОз созданных методом вакуумного контролируемого термического осаждения на фрагменте оптического волокна и на подложках кремния (SIO2). Показано, что в оптических структурах, полученных вакуумными методами осаждения, отжиг и плавление вызывает кластеризацию ионов эрбия, в результате чего в спектральных характеристиках уширяется спектр люминесценции и появляются признаки ап-конверсионных процессов.
5. Посредством поперечной накачки ксеноновой лампой (980 нм) установлено, что дополнительное легирование эрбия (Ег) иттербием (Yb) способствуют сужению ширины излучаемого спектра люминесценции. Данное явление объясняется тем что, ионы иттербия передают свою энергию ионам эрбия, в процессе перехода на энергетический уровень ниже.
6. Доказано, что оптические структуры созданные методами вакуумного осаждения демонстрируют максимальную интенсивность фотолюминесценции (Ег+3) при комнатной температуре (Г=300К). Наблюдаемый результат объясняется тем, что оптическая структура на опорной поверхности, локально открытого оптического волокна или кремниевой подложки, формируется из осаждаемой фазы, минуя стадию плавления. В данных условиях подавленность процессов диффузии и конвективного массопереноса в объёме оптической среды позволяет статистически равномерно распределить активные ионы эрбия в стекле 
7. Созданы модифицированные оптические волокна и планарные оптические структуры для изготовления сенсоров, волоконных датчиков и волоконно-оптических усилителей использующихся в высокоскоростных ВОЛС. Выявлено, что осажденные модифицированные оптические структуры имеют эффективность согласования с сердцевиной оптического волокна 65% до 75%. В результате данного свойства возрастает эффективность переходов излучения лазера «сердцевина - оптическая среда -сердцевина» обеспечивая эффективное усиление сигнала на 5-10 дБ с локально модифицированного участка размером 2-5 см.
8. Созданы коротко-дистанционные оптические усилители для интегральных оптических систем в виде планарно модифицированных оптических структур наращенных на подложке кварца. Доказано что, данные усилители имеют возможность усиления группового оптического сигнала DWDM системы в диапазоне C-Band (1529 - 1565 нм). Групповой сигнал на выходе такого усилителя имеет сглаженный и линеаризованный характер без применения широкополосных сглаживающих фильтров.
9. Экспериментально доказано, что созданные оптические усилители на базе модифицированных оптических сред с экстремально высокой концентрацией активных ионов редкоземельного элемента имеют низкий параметр шум - фактора, что способствует увеличению показателя OSNR (Optical signal noise ratio) в системах DWDM.