Вынужденное комбинационное рассеяние света в оптических волокнах, допированных германием и фосфором тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Гастон Мело Мельчор

• Гастон Мело Мельчор
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гастон Мело Мельчор

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

Оптическое волокно.

Кварцевое стекло.

Колебательные спектры кварцевого стекла.

Комбинационное рассеяние света.

Вынужденное комбинационное рассеяние света.

Применение ВКР. ВКР усилители.

ВКР лазеры.

Оптические логические элементы.

Применение ВКР для исследования свойств оптического волокна.

Глава 2.Экспериментальные результаты

Описание установки.

Тестовые измерения.

ВКР в волокне, содержащем германий.

ВКР в волокне, содержащем фосфор.

Источники экспериментальных погрешностей.

Глава 3 . Теория ВКР и обсуждение результатов

Поляризация.

Нормальные колебания.

Фазовый синхронизм.

Вынужденное комбинационное рассеяние.

А. Механизм обратной связи.

Б.Феноменологическое описание ВКР.

В.Квантовое описание ВКР.

Интерпретация экспериментальных данных.

А. Происхождение наблюдаемых линий.

Б. Роль ангармонизма колебаний.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вынужденное комбинационное рассеяние света в оптических волокнах, допированных германием и фосфором»

Появление лазерной техники привело к бурному развитию исследований в области нелинейной оптики, в частности, к открытию таких явлений, как генерация второй гармоники, комбинационному рассеянию света и др. Дополнительным толчком для нелинейно-оптических исследований послужило развитие световолоконных линий связи. Хотя силикатное стекло ( плавленый кварц) является изотропной средой и нелинейно-оптические явления второго порядка в нем в отличие от многих кристаллов запрещены ( в силу требований симметрии), тем не менее, оптическое волокно оказалось исключительно важным объектом для нелинейной оптики. Это связано с тем, что, во-первых, в волокне оптическое излучение сосредоточено на малой площади (приблизительно площади сечения сердцевины волокна), и, поэтому, даже сравнительно небольшие мощности света, вводимого в волокно, обеспечивают гигантские интенсивности света в сердцевине волокна, и, во-вторых, благодаря малому поглощению света в волокне обеспечивается большая длина (масштаб километра) взаимодействия света с веществом. Подобная ситуация исключительна благоприятна для изучения (и использования ) нелинейно-оптических эффектов. Так существование довольно слабого эффекта Керра позволило, тем не менее, успешно изучать оптические солитоны в оптическом волокне, а возможность возбуждать с помощью умеренных мощностей такие нелинейные эффекты, как вынужденное рассеяние Мандельштама Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние света привело к созданию оптических усилителей, перестраиваемых лазеров, разнообразных нелинейных устройств и датчиков.

Настоящая работа посвящена исследованию явления вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) в оптических волокнах, допированных ( легированных) примесями германия и фосфора. Необходимость в таких исследованиях вызвана тем, что различные примеси в кварцевом волокне позволяют оптимизировать свойства этих волокон, что обеспечивает их более широкое практическое применение. Кроме того, эти исследования представляют самостоятельный фундаментальный интерес с точки зрения изучения физических механизмов ВКР, природы дефектов и особенностей структуры оптического волокна, теории нелинейных явлений. Исследования ВКР можно проводить в двух режимах. Один - это так называемый режим усиления, когда на вход волокна подается оптический сигнал на частоте стоксова излучения и исследуются свойства усиленного сигнала на выходе волокна. Второй - это режим генерации, когда на входе нет специального сигнала, но, тем не менее, на выходе возникает стоксово излучение за счет усиления спонтанного стоксова излучения. В настоящей работе изучался только режим генерации, причем в условиях мощной накачки, когда генерация стоксова излучения была настолько эффективна, что имелась возможность наблюдать несколько порядков стоксова излучения. Измерения проводились в импульсном режиме. Была разработана экспериментальная установка и проведены исследования ВКР в оптических волокнах как номинально чистых, так и с примесями германия и фосфора. Полученные результаты позволили сделать достаточно однозначные выводы о природе микродефектов, ответственных за дополнительные линии в спектрах ВКР, и обнаружить ангармонизм колебаний молекулярных групп образующих силикатное волокно.

Объем диссертации составляет 100 стр., куда включены 25 рисунков и 75 ссылок. Результаты работы неоднократно докладывались на международных конференциях и опубликованы в двух статьях в реферируемых журналах.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Гастон Мело Мельчор

Результаты работы опубликованы в двух статьях в престижных журналах [47]и [48], доложены в двух докладах на международной конференции CLEO 2003 (Мюнхен (2003)) [73]и [74] и частично вошли в материалы докладов, доложенных на других конференциях [75].

Автор благодарит научного руководителя д.ф.м.н. проф. Петрова М.П. за руководство работой и подготовку к защите диссертации и первого руководителя ныне покойного д.ф.м.н. Александрова И.В. за разработку научного направления в области ВКР спектроскопии оптических волокон, формулировку темы диссертации и за руководство работой на начальном этапе, а также к.т.н. Нестерову 3.В. за полезные обсуждения результатов и помощь в организационных вопросах при подготовке диссертации к защите.

Заключение

В заключение сформулируем основные результаты работы.

1. Разработана экспериментальная установка для исследований ВКР с помощью лазерных импульсов пикосекундного диапазона.

2. Проведены предварительные тестовые измерения ВКР в многомодовых волокнах с целью отработки оптимальных условий основных измерений (условий ввода света в волокно, обработка торцов волокна и др.)

3. Получены спектры ВКР в номинально чистом (т.е. слабо легированном) волокне, в оптических волокнах, допированных германием с концентрацией германия 10% и 45%, и в волокнах, допированных фосфором с концентрацией порядка 1-2% , что позволило сделать выводы о влиянии этих примесей на количество дефектов связанных с немостиковым кислородом.

4. Впервые обнаружена линия ВКР с частотой 570см"1 в чистом волокне.

5. Обнаружен ангармонимзм колебаний тетраэдрических групп в оптических волокнах, допированных германием.

6. Установлена корреляция между концентрацией германия и степенью ангармонимзма колебаний (энгармонизм уменьшается с увеличением концентрации германия).

7. Проведено сопоставление полученных экспериментальных результатов с имеющимися литературными данными и проведена идентификация молекулярных групп ответственных за наблюдаемые ВКР сигналы. Показано, что полученные результаты в целом соответствуют имеющимся в литературе моделям, но в то же время дополняют их. Так показано, что за линию 440см"1 ответственны объемные колебания кремниевых ( и германиевых) тетраэдров, за линию 490см"1 ответственны дефекты с немостиковыми атомами кислорода, высказано предположение что за линию 570см"1 ответственны парамагнитные центры окраски Е, и за линию 1320см"1 ответственны группы, содержащие окислы фосфора, и третья гармоника ВКР сигнала от объемных колебаний тетраэдров.

Полученные в работе экспериментальные данные тщательно сопоставлены с известными литературными данными, что позволило убедиться в достоверности полученных экспериментальных результатов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Импульсная ВКР спектроскопия является мощным средством изучения свойств оптических волокон и молекулярных колебаний в этих волокнах.

2. Допирование волокон германием приводит к уменьшению числа дефектов, связанных с немостиковым кислородом.

3. Допирование волокон фосфором приводит к увеличению числа дефектов, связанных с немостиковым кислородом.

4. Имеется энгармонизм колебаний тетраэдрических групп S1O2, причем ангармонизм уменьшается с увеличением концентрации примеси германия.

Апробация работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гастон Мело Мельчор, 2006 год

1. Wim Van Etten and Jan van der Plaats, Fundamentals of optical fiber Communications, (1990), Prentice Hall.

2. Акустические кристаллы .Справочник. А.А.Блистанов, B.C. Бондаренко, Н.В. Переломова, Ф.Н. Стрижевская, В.В. Чкалова, М.П. Шаскольская ( 1982) Изд. "Наука".

3. Rino J.P., Ebbsjo I., Kalia R.K.,Nakano A., and Vashishta P., Phys. Rev.B 47, 3053 (1992) 4.0rdejon P., Yndurain F., Phys. Rev.B 43,4552 (1991)

4. Galeener F.L., Barrio R.A., Martinez E., and Elliott R.J., Phys. Rev. Lett.53, 2429 (1984).

5. Ельяшевич M.A. , Атомная и молекулярная спектроскопия , Физ.Мат.Гиз. (1962)

6. Furukawa Т., Fox К.Е., and White B.W., Journ. Chem.Phys., 75,3226, (1981)

7. Brawer S., Phys. Rev.B 11,3173 (1975)

8. Woodbury E.J., Ng W.K., Proc. IRE., 50, 2347 (1962)

9. Eckhard G., Hellworth R.W., Mc.Clung F.J., Schwarz S.E., Weiner D., Woodbury E.J., Phys.Rev.Lett.,9,455 (1962)

10. ЬАгравал Г., Нелинейная волоконная оптика, (1996), Изд. Мир.

11. Stolen R.H., Ippen Е.Р., Tynes A.R. Appl. Phys. Letter. 20,62, (1972)

12. Stolen R.H., Ippen E.P. Appl. Phys. Letter. 22,276, (1973)

13. Stolen R.H., Proc. IEEE, 68,1232 (1980)

14. Smith R.G., Appl.Opt.,11, 2489 90 (1972)

15. ЛуговойВ.Н., ЖЭТФ, 71,1307 (1976)

16. Дианов и др., Письма в ЖЭТФ, 39,564 (1984)

17. Дианов и др., Письма в ЖЭТФ, 45, 469 (1987)

18. Nakazava et al., JOSA, B4,1412 (1987)

19. Kuckartz M., Schultz R., Harde A., JOSA, B5, 1353 (1988)

20. Ikeda M., Opt.Comm.,39, 148, (1981)

21. Nakazava M., Nakashima Т., Seikai S., JOSA B2,. 215 (1985)

22. Desrvire E, Digonnet M.J.F., Shaw H.J., J. Light Wave Technol. LT-4,426 (1986)

23. Davison A.S., White I.H. Electron .Lett., 23,1344, (1987)

24. Aoki Y. Kishida S., et al. Electron .Lett., 21,191,(1985)

25. Hill R.O., Kawasaki B.S., Jonson D.C., Appl.Phys.Lett., 28,608, (1976)

26. Hill R.O., Kawasaki B.S., Jonson D.C., Appl.Phys.Lett., 29,181, (1977)

27. Stolen R.H., Lin C., Jain R.K., Appl.Phys.Lett. 30,340, (1977)

28. Karpov V.I., Dianov E.M., Paramonov V.M., Medvedkov 0.1., Bubnov M.M., Semenov S.L., Vasiliev S.A., Protopopov V.N., Egorova O.N.,, Hopin V.F., Gurryanov A.N., Bachinski M.P., Clements W.R.L., Opt.Lett., 24, 887, (1999).

29. Курков A.C., Дианов E.M., Квантовая электроника, 34, 881, (2004)

30. Kitayama К., Kimura Y., Seikai S., Appl.Phys.Lett., 46, 623 (1985)

31. Кузин E.A., Петров М.П., Спирин В.В., Письма в ЖТФ, 12,406 (1986)

32. Спирин В.В., Максютенко М.А., Кузин Е.А., Петров М.П., Письма в ЖТФ, 14,1144 (1988)

33. Белотицкий В.И., Кузин Е.А., Петров М.П., Спирин В.В., ЖТФ, 58,1325 (1988)

34. Петров М.П., Белотицкий В.И., Кузин Е.А.,, Спирин В.В. Письма в ЖТФ, 18, 29 (1992)

35. Петров М.П., Белотицкий В.П., Кузин Е.А.,, Спирин В.В., Квантовая электроника, 22, 1245,(1995)

36. Belotitskii V.I., Kusin Е.А., M.P.Petrov, Spirin V.V., Electron .Lett., 29,49,(1993)

37. Crosignani В., P.Di Porto, Phys. Rev.A21,594 (1980)

38. Lucovsky G., Wong C.K., and W.B.Pollard, in The structure of Non Crystalline Materials, Taylor and Francis ,London (1983).

39. Walfaren G.E., Stone J., Appl. Spectrosc. ,29,337 (1975)

40. Phillips J.C., Phys. Rev. B35, 6409, ( 1987)

41. Galeener F.L., Solid State Comm., 44, 1037, (1982)

42. De Leeuw S.W., He H., Thorpe M.F., Solid State Comm., 56,343, (1985)

43. Bates J.B., Hendriks R.W., Shaffer L. B., Journ. Chem.Phys., 61,4163, (1974).

44. Aleksandrov I.V., Nesterova Z.V. and G.T.Petrovskii, J.Non-Cryst.Solids 123 ,223,(1990).

45. Aleksandrov I.V., Nesterova Z.V. and G.T.Petrovskii, J.Non-Cryst.Solids 167,117, (1994). 47., Nesterova Z.V., G.Melo Melchor, and Aleksandrov I.V., J.Non-Cryst.Solids 351,3789, (2005)

46. Александров И.В., Г. Мело Мелчор, Д.Н.Виноградов, М.П.Петров. Письма в ЖТФ, 32, вып. 10,56(2006).

47. Плачек Г. Рэлеевское рассяние и Раман эффект. ОНТИУ, Харьков, 1935.

48. Ахманов С.А., Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света, Наука, Москва., 1981.

49. Blombergen N., Nonlinear optics, (1965).

50. Shen Y.R., The principles of nonlinear optics, (1984).

51. Mills D.L., Nonlinear optics (Basic concept), (1991).

52. Osterberg U., Margulis W, Opt. Lett., 11,516 (1986).

53. Hill K.O., Fujii Y„ Johnson D.C., and B.S. Kawasake B.S., Appl. Phys. Lett., 32, 647 (1978).

54. Tsai Т.Е., Askins C.G., and Friebele E.J., Appl. Phys. Lett., 61,390 (1992).

55. Galagher M.D., Osterberg U.L., Appl. Phys. Lett., 60,1791 (1992).

56. Galagher M.D., Osterberg U.L., Electron. Lett., 28,1251 (1992).

57. Bell R.J., Dean P., Discuss, of the Faraday Soc., 50,55, (1970).

58. Bates J.B., Hendriks R.W., Shaffer L.B., Journ. Chem. Phys., 61,4163, (1974).

59. Galeener F.L., Bull. Amer. Phys. Soc., 28,398, (1983).

60. Нестерова 3.B., Александров И.В., Ж.Прикл.Спектр, XLV, 670, (1986)

61. Stolen R.H., Walrafen G. E., Journ. Chem.Phys., 64,2623, (1976).

62. Stolen R.H., Lee C., Jain R.K., JOSA Bl, 652 (1984).

63. Kamal A., Weinberg D.A., Weber W.H. Jpt.Lett.,15,613 , (1990).

64. Skuja L., J.Non-Cryst.Solids, 239,16 (1998).

65. Mikhailova B.D., Konstantinov L., Phys. and Chem. of Glasses, 38, 27 (1997).

66. Mikhailova B.D., Marinov M.S., Konstantinov L., J.Non-Cryst.Solids, 176,127, (1994).

67. Свердлов Jl.M., Ковнер M.A. и Крайнов Е.П., "Колебательные спектры многоатомных молекул ", Москва, (1970).

68. Griskom D.L., Siegel G.H., Ginter R.J., J. Appl. Phys., 47,960 (1976).

69. Griskom D.L., E.J/ Frieble. Phys.Rev. B24, 4896, (1981).

70. Братусь В.Я., Окулов C.M., Каганович Э.Б., Кизяк И.М., Манойлов Э.Г., ФТП, 38,621 (2004).

71. Nesterova Z.V., G.Melo Melchor, and Alcksandrov I.V , "Mean ordering in glass structure as a background of photosensitivity in silica fibers", CLEO/Europe-EQEC Conference (23-27 June, 2003, Munich, Germany).

72. Aleksandrov I.V., G.Melo Melchor, and Vinogradov D.N.," Correlation between dopant concentration and vibrational anharmonicity in silica- based fibers", CLEO/Europe-EQEC Conference (23-27 June, 2003, Munich, Germany).

73. Z.V.Nesterova, Gaston Melo Melchor, I.V.Aleksandrovf. Spectroscopic Characterization of

74. Silica-Based Fibers using picosecond SRS Technique // SPIE Proceedings, 4638-21, San Jose, CA. 2003.