Структура и принцип работы СВИС

Лекция 5. Оптические источники усиленного спонтанного излучения

Источники усиленного спонтанного излучения. Структура и принцип работы СВИС. Теоретическая модель СВИС на основе трехуровневой среды. Теоретическая модель СВИС на основе четырехуровневой среды. Шумы в источниках УСИ (ASE). Стабильность среднего значения длины волны СВИС.

Источники усиленного спонтанного излучения

Источники усиленного спонтанного излучения – это фактически усилители, на вход которых не подается сигнальная волна. Излучение таких источников формируется из спонтанного излучения усиленного усилителем в результате вынужденного излучения возбужденных частиц. (Аналогичные источники широкополосного излучения могут быть созданы на основе усиленного спонтанного рассеяния света, однако в настоящее время они не нашли практического применения и далее мы их рассматривать не будем.)

Источники на основе усиленного спонтанного излучения называются также суперлюминесцентными источниками. Суперлюминесцентные волоконные источники света (СВИС) появились в 1987 году вскоре после создания кварцевых оптических волокон, легированных ионами редкоземельных элементов.

Поскольку выходное излучение СВИС – это усиленное спонтанное излучение (ASE), то спектр его может быть достаточно широким, он определяется спектром усиления активного элемента. Так ширина полосы излучения СВИС на основе эрбиевого волокна 10-30 нм при эффективности преобразования энергии накачки до 56% и выходной мощности до 70 мВт (центральная длина волны порядка 1,55 мкм). Большим достоинством таких источников является то, что вся энергия выходного излучения сосредоточена в единственной волоконной моде – основной моде волокна LP₀₁. Аналогичные источники созданы на основе иттербиевых и неодимовых волокон (длина волны порядка 1 мкм).

Типичный СВИС состоит из отрезка активного волокна с торцевой накачкой. Часть спонтанного излучения возбужденных ионов попадает в основную (волноводную) моду и распространяясь вдоль волокна в прямом или обратном направлении усиливается благодаря вынужденному излучению возбужденных ионов.

Предложено несколько вариантов оптических схем СВИС, показанных на рис. 12.х.а. Первый вариант – простейший источник излучения в прямом направлении (по отношению к направлению накачки). Излучение в таком устройстве направлено в обе стороны, но используется только то излучение, которое сонаправлено с излучением накачки.

Как и в усилителях, в СВИС принимаются специальные меры для ослабления паразитных отражений от торцов волокна и предотвращения резонансных эффектов. Для этого выходной торец делается наклоненным на угол порядка 7 градусов по отношению к нормали к оптической оси. При необходимости ослабления отражений от элементов лазера накачки между ним и СВИС устанавливается оптический изолятор.

Рис.12. 1. Оптические схемы нескольких вариантов СВИС: a) сонаправленный с накачкой вывод излучения; б) вывод излучения во встречном направлении; с) двухпроходная схема.

Другой вариант однопроходного СВИС, с выводом излучения во встречном направлении показан на рис.12.1 б. В этом случае для разделения накачки и выходного излучения используется спектральный мультиплексор WDM. Преимуществом такой схемы является меньшая чувствительность к паразитным отражениям, чем чувствительность сонаправленной схемы (особенно в случае длинных активных волокон). Тем не менее на выходе часто устанавливают оптический изолятор для уменьшения влияния уровня обратных отражений на среднее значение длины волны. В СВИС на основе четырехуровневых активных сред (например для лазеров, использующих переход ⁴F_3/2 →⁴I_11/2 ионов Nd³⁺) мощность излучения в прямом и обратном направлениях одинакова. Однако в СВИС на основе трехуровневых активных сред (например для лазеров, использующих переход ⁴F_13/2 →⁴I_15/2 ионов Er³⁺) мощность сонаправленного излучения меньше. В схеме со встречной накачкой в этом случае можно добиться большей эффективности работы, правда, при использовании относительно длинных активных волокон.

На рис. 12.1с. показана схема двухпроходного варианта СВИС. В этом варианте используется зеркало с высоким коэффициентом отражения, направляющее излучение встречного направления обратно в активное волокно. Выводится излучение только в прямом направлении. Очевидно, возможна двух-проходовая схема с выводом излучения во встречном направлении, когда отражатель расположен с противоположной стороны.

Главное преимущество двухпроходного варианта СВИС заключается в двойном прохождении фотонов через активную область. В результате коэффициент усиления спонтанного излучения значительно больше, чем в однопроходных устройствах, а значит необходимая мощность накачки меньше. Кроме того, длина активного волокна, обеспечивающая максимальную эффективность (кпд) СВИС, меньше, чем в однопроходных устройствах с сонаправленным выводом излучения. Главный недостаток двухпроходных СВИС заключается в очень высокой чувствительности к обратным отражениям от внешних устройств. Это делает обязательным использование оптического изолятора с большим коэффициентом изоляции.

Типичный коэффициент усиления активных волокон лежит в диапазоне 40-60 дБ, следовательно, даже слабое отражение с двух сторон может привести к возникновению паразитной лазерной генерации. Экспериментально установлено, что для получения выходной мощности более 20 мВт и предотвращения паразитной лазерной генерации произведение коэффициентов отражения с двух сторон R ₁ and R ₂ должно быть меньше 10^-6. Следовательно, если коэффициент отражения с одной стороны сделан большим (например при использовании двух-проходовых вариантов СВИС), то коэффициент отражения от другого конца должен быть исключительно мал. Обеспечить требуемый в этом случае коэффициент отражения можно как правило при использовании оптического изолятора с большим коэффициентом изоляции.