Получена 1 февраля 2000 г.

В заготовках и волоконных световодах с фосфоросиликатной сердцевиной при высокой концентрации в ней оксида фосфора (12-19 мол.%) проведены исследования ряда оптических свойств: зависимости показателя преломления фосфоросиликатного стекла от концентрации оксида фосфора, спектральные зависимости полных потерь в диапазонах 0,6-2,1 и 2,5-4,5 мкм, комбинационного рассеяния. Дана интерпретация полученных результатов, на основе которых разработана технология получения одномодовых волоконных световодов с концентрацией фосфора до 19 мол.%. Лучшие образцы имели потери 3 и 1,9 дБ/км на длинах волн 1,06 и 1,24 мкм соответственно при концентрации оксида фосфора около 12 мол.% и были использованы для создания рамановских волоконно-оптических лазеров с излучением на 1,24 и 1,48 мкм.

Одномодовые волоконные световоды (ОВС) с фосфоросиликатной сердцевиной являются перспективными для создания рамановских волоконно-оптических лазеров с излучением на длинах волн 1,24 и 1,48 мкм при накачке световодов на = 1,06 мкм и волоконно-оптических усилителей на основе этих лазеров для рабочей длины волны около 1,3 мкм [1]. Выдвигаются два основных требования к данным световодам: высокая концентрация оксида фосфора в сердцевине ( 10 мол.%) и малые потери в области 1,06-1,5 мкм.

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВКИ

Совместно ИРЭ РАН и НЦВО при ИОФ РАН разработана технология получения волоконных световодов с концентрацией Р₂О₅ в сердцевине до 19 мол.% методом MCVD и исследованы оптические свойства полученных световодов. Достижение указанной концентрации оксида фосфора в кварцевом стекле оказалось возможным за счет следующих факторов [2]:

• увеличение концентрации POCl₃ в исходной парогазовой смеси до мольного отношения
  m _POCL3 / m _SiCl4 1,3;
• уменьшение температуры нагрева трубки при осаждении слоев фосфоросиликатного стекла
  до 1250⁰С;
• увеличение толщины суммарного осажденного слоя, формирующего сердцевину в заготовке,
  до 100 мкм

Для создания заготовки ОВС (т.е. для обеспечения требуемого соотношения между диаметрами заготовки и сердцевины) исходную заготовку растягивали на установке MCVD до диаметра 3,5-3,8 мм, а затем “жакетировали” кварцевыми трубками (т.е. нахлопывали трубки на растянутую заготовку).

Сопоставление максимального изменения показателя преломления (ПП) фосфоросиликатного стекла в заготовке, измеренного на преформ-анализаторе Р-101, с максимальной концентрацией оксида фосфора, которая определялась по сечению заготовки с помощью рентгеновского микроанализатора “Camebax”, позволило установить следующую зависимость изменения ПП от состава стекла:

 где – мольная концентрация P₂O₅ в стекле. Полученный коэффициент пропорциональности хорошо согласуется с [3,4].

Исследование спектральных зависимостей потерь в волоконных световодах, вытянутых из исходных и “жакетированных” заготовок, показало, что:

• основным источником гидроксильных ионов, ведущих к росту дополнительных потерь, являлась опорная кварцевая трубка;
• при высокой концентрации оксида фосфора (12-19 мол.%) в сердцевине появляются широкие полосы поглощения в областях 1 и 2 мкм, которые ранее в литературе не отмечались.

Рис.1. Зависимости интенсивности полос поглощения от расстояния до центра заготовки:

---- мкм ( Si-OH); ___ мкм (P=O); _._._. мкм (SiO-H…O=P)

На рис. 1 приведены зависимости интенсивности полос поглощения от расстояния до центра заготовки, измененные для одной из заготовок со светоотражающей оболочкой SiO₂*P₂O₅*F и сердцевиной SiO₂*P₂O₅. Эти полосы обусловлены на = 2,72 мкм гидроксильными ионами, связанными с атомами кремния (Si-OH), на = 7,6 мкм двойной связью Р=О и на = 3,05 мкм водородной связью SiO-H…O=P. Оценки, выполненные при использовании данных [5], показывают, что концентрация гидроксильных ионов в используемых трубках составляет ~ 350 ppm и спадает к середине заготовки. Термообработка заготовки (растяжка, “жакетирование”) ведет к увеличению потерь за счет диффузии гидроксильных ионов из опорной трубки в светоотражающую оболочку и сердцевину, если d_об / d_сер 4,5, где d_об и d_сер – наружные диаметры оболочки и сердцевины соответственно. Оценить концентрацию гидроксильных ионов, связанных с атомами фосфора, не удалось из-за отсутствия данных о силе соответствующих осцилляторов.

На рис. 2 приведены спектральные зависимости дополнительных потерь, которые определялись как

 где , и – полные потери, потери на рэлеевское рассеяние и потери в ИК-диапазоне, соответственно. 

Рис. 2. Спектральные зависимости дополнительных потерь в многомодовом (1) и одномодовых (2,3) волоконных световодах с фосфоросиликатной сердцевиной (17 мол.%), вытянутых из исходной и “жакетированной” заготовок. Натяжение волокна при вытяжке: (2) – 100Г, (3) –30Г; полоса поглощения на =1.9 мкм обусловлена связью P=O; и - длины волн отсечки в ОВС-2 и ОВС-3 соответственно.

Кривая 1 относится к волоконному световоду, вытянутому из исходной заготовки, кривые 2 и 3 – ОВС, вытянутых из той же заготовки после ее растяжки и “жакетирования”, но ОВС-2 вытянут при более низкой температуре, чем ОВС-3. Таким образом, видно, что интенсивность полос поглощения возрастает при переходе от многомодового световода к одномодовым, с увеличением температуры вытяжки волокна, а также, как показали многочисленные эксперименты, с ростом концентрации оксида фосфора в стекле. При этом обычно с увеличением концентрации Р₂О₅ наблюдается и увеличение так называемых “серых” потерь на неоднородностях, размер которых превышает длину волны света.

На рис. 3. приведены спектры поглощения в области от 2,5 до 4,5 мкм в пластинках, вырезанных из исходных заготовок с различной концентрацией

Рис.3. Спектры поглощения в образцах: 1 - SiO₂;
                                                                     2 - SiO₂*P₂O₅ (C_P2O5 ~ 7,2 мол.%);
                                                                     3 - SiO₂*P₂O₅ (C_P2O5 ~12,3 мол.%);
                                                                     4 - SiO₂*P₂O₅ (C_P2O5 ~16,4 мол.%);
                                                                     5 - фосфатное стекло ЛГС-ХМ (C_P2O5 ~50 мол.%).

оксида фосфора в сердцевине. Для сравнения на этом рисунке представлены также спектры поглощения в чистом кварцевом стекле и лазерном фосфатном стекле ЛГС-ХМ с концентрацией Р₂О₅ ~ 50 мол.% (увеличение в последнем в 4 раза). Видно, что с ростом концентрации оксида фосфора в стекле возрастает интенсивность полос в области от 3,0 до 3,6 мкм, обусловленных связью гидроксильных ионов с атомами фосфора [6]; в области 3,8 мкм, обусловленной двойной связью Р=О; в области 4,3 мкм, обусловленной колебаниями атомов в связи Р-О-Р [7]. Природа полосы поглощения в области 4,05 мкм не ясна. В фосфатном стекле отсутствует полоса в области 3,8 мкм, но имеется широкая полоса в области 4,3 мкм, вызванная, по-видимому, колебаниями связи Р-О-Р. Сопоставление результатов, представленных на рис. 2 и рис. 3, и литературных данных (например, [6,7]) показало, что полосы поглощения в области 3,8 и 1,9 мкм являются обертонами основной полосы поглощения ( = 7,6 мкм), обусловленной колебаниями атомов в двойной связи Р=О, а широкие полосы поглощения в областях 2 и 1 мкм вызваны, возможно, тем, что фосфатные группы в кварцевом стекле находятся в неэквивалентных положениях в областях, где происходит ликвация (или сегрегация) кварцевого стекла и имеет место различный характер связей атомов фосфора и кислорода. Это является типичным для соединений фосфора и кислорода [8]. Рентгеновский микроанализ распределения фосфора по сечению “жакетированных” заготовок действительно обнаружил области с повышенной концентрацией оксида фосфора (как видно на рис. 4), которые могут приводить к росту потерь на рассеяние и поглощение.

Рис. 4. Распределение концентрации оксида фосфора
                              по сечению сердцевины фосфосиликатной заготовки.

Рис. 5. Спектральная зависимость полных потерь в ОВС
                       с фосфоросиликатной сердцевиной (С_P2O5 ~ 12 мол.%).

 Оптимизация технологических условий позволила получить образцы ОВС с концентрацией Р₂О₅ ~ 12 мол.% и полными потерями ~ 3 и 1,9 дБ/км на длинах волн 1,06 и 1,24 мкм соответственно, как это видно из рис. 5.

В изготовленных образцах световодов с различной концентрацией оксида фосфора были определены зависимости интенсивности стоксовой компоненты с частотным сдвигом около 1330 см^-1 в спектре КР от концентрации Р₂О₅. Спектры КР снимали с помощью тройного рамановского спектрографа Т-64000 фирмы Joben Ivon. В качестве источника накачки использовали аргоновый лазер с длиной волны 514,5 нм и КР-излучение регистрировали в противоположном направлении к накачке. На рис.6 приведена зависимость отношения интенсивностей полос КР на частотах 1330 и 430 см^-1 (последняя относится к колебаниям атомов в связи Si-O-Si) от концентрации Р₂О₅. Эта зависимость хорошо описывается следующей функцией:

где– максимальная концентрация Р₂О₅ в сердцевине, вычисленная по уравнению (1), исходя из измеренного профиля ПП в заготовке. Полученная зависимость показывает, что с увеличением относительное число атомов фосфора, имеющих двойную связь с кислородом, уменьшается. Это согласуется с результатами [9].

 Рис. 6. Зависимость относительной интенсивности полос КР на частотах
                          1330 и 430 см^-1 от концентрации оксида фосфора в сердцевине световода.

На основе данных световодов в НЦВО при ИОФ РАН были созданы макеты волоконно-оптических лазеров на = 1,24 мкм с КПД 50 % и на = 1,48 мкм при накачке их на длине волны 1,06 мкм (мощность ~ 8 вт) [10] и волоконно-оптического усилителя на = 1,31 мкм. Коэффициент рамановского усиления, измеренный в одном из наших лучших образцов световода с фосфоросиликатной сердцевиной, составлял 5 дБ/(км.вт). Впервые на первой стоксовой компоненте ( = 1,24 мкм) была получена выходная мощность в непрерывном режиме до 8 вт при мощности накачки до 12 вт (на = 1,06 мкм) и более 1 вт на второй стоксовой компоненте ( = 1,48 мкм).

В результате исследования оптических свойств заготовок и волоконных световодов с фосфоросиликатной сердцевиной установлено, что при увеличении концентрации оксида фосфора более 12 мол.% значительно возрастают потери в областях 1, 2 и 4 мкм и уменьшается доля атомов фосфора, имеющих двойную связь с кислородом. Это, вероятно, связано с изменением структуры стекла при высоком содержании Р₂О₅. По нашему мнению, эти факторы свидетельствует о наличии некой оптимальной концентрации (~10-12 мол.%) для создания рамановских волоконно-оптических лазеров и усилителей. На основе полученных одномодовых волоконных световодов с фосфоросиликатной сердцевиной созданы макеты волоконно-оптических лазеров с излучением на длинах волн 1,24 и 1,48 мкм и волоконно-оптический усилитель на = 1,31 мкм.

Авторы выражают благодарность Бубнову М.М. – за вытяжку волоконных световодов, Буфетову И.А. – за создание и исследование макетов волоконно-оптических лазеров и усилителей на основе вышеуказанных световодов, Лаврищеву С.В. – за определение концентрации оксида фосфора в заготовках.

Работа выполнена в рамках ГНТП “Перспективные средства телекоммуникации и интегрированные системы связи”, проект № 023.03.302/1-96.

1. Е. М. Дианов, Д. Т. Фурса, А. А. Абрамов, и др Волоконно-оптический ВКР усилитель на длине волны 13 мкм // Квантовая электроника, 1994, Т 21, № 9, с 807.

2. В. А. Аксенов, Е. Н. Базаров, А. В. Белов, Е. М. Дианов, и др Одномодовые волоконные световоды из кварцевого стекла с высокой концентрацией оксида фосфора // Неорганические материалы, 1998, Т 34, № 10, с 1218.

3. Т. Kotsuyama, Т. Syganuma, К. Ishida, G. Toda Refractive index behavior of SiOa-PzO; glass in optical fiber fabrication // Optics Commun , 1977, V 21, No 1, p 182.

4. S. J. Louisnathan, W. P. Witney Refractive index dispersion date for glasses in the ЗЮгВгОз, SiO^-GeOz, SiO,-P,05 and SiO;;-Ge02-P205 systems // XIII Intern Glaskongress, Hamburg, 1983, p 847.

5. P. Kaiser Spectial losses of unclad fibres made from high-grade vitreous silica // Appi Phys Lett, 1973, V 23, No 1, p 45.

6. H. Iton, Y. Ohmon, M. Hanguchi Phosphorus-dopant effect on hydroxyl absorption increases in silica glasses and fibers//; Non-Cryst Solids, 1986, V 88, p 83.

7. Т. Izawa, N. Shibata, A. Takeda Optical attenuation in pure and doped silica in the long wavelength region // Appi Phys Lett, 1977, V 31, No 1, p 33.

8. Ван Везер. Фосфор и его соединения –М. ИЛ, 1962, 333 с.

9. В. А. Колесова, А. Е. Мальшиков Исследование двухкомпонентных силикофосфатных и германофосфатных стекол и кристаллов состава P₂О₅-SiO₂ и Р₂О₅-GeO₂ методом спектроскопии // Физика и химия стекла, 1984, Т 10, № 6, с 641.

10. Е. М. Dianov, М. V. Grekov, I. A. Bufetov, et al CW high power 1 24 mkm and 1 48 mkm Raman laser based on low loss phosphosilicate fibre// Electron Lett, 1997, V 33, No 18, p 1542.

оглавление

дискуссия