Vláknové lasery - jasné světlo

(1)

Vláknové lasery - jasné světlo

ze skleněných nitek

Úspěch erbiem dopovaných vláknových zesilo-vačů v telekomunikacích podnítil i nedávný rozvoj vláknových laserů, které v mnoha aplikacích začínají

nahrazovat konvenční pevnolátkové lasery.

Ing. Pavel Peterka, Ph.D.

Ústav radiotechniky a elektroniky, Akademie věd ČR peterka@ure.cas.cz

Vláknové lasery byly navrženy již v roce 1960, krátce poté, co Theodore Maiman rozzáĜil koherentním svČtlem krystal rubínu a sestavil tak první laser. Tehdy Elias Snitzer navrhl a záhy realizoval laser, ve kterém jako aktivní, zesilující prostĜedí použil sklenČné vlákno s jádrem dopovaným neodymem. Tento vláknový laser generoval záĜení na vlnové délce 1,06 mikrometru a byl þerpaný výbojkou, kolem které bylo vlákno obtoþené ve spirále.

Zatímco odvČtví pevnolátkových laserĤ zaznamenávalo rychlý pokrok od dnĤ jejich objevu, po prvních pracích E. Snitzera upadají vláknové lasery v zapomnČní a jsou považovány spíše za laboratorní kuriozitu. Optickým vláknĤm samotným však zaþal bouĜlivý rozvoj jako bezkonkurenþnímu pĜenosovému médiu pro telekomunikace.

Aktivní optická vlákna byla znovuobjevena až v polovinČ osmdesátých let, kdy tým kolem Davida N. Payna z univerzity v Southamptonu v Anglii ukázal, že ionty prvku vzácné

(2)

zeminy erbia mohou ve vláknech vyvolat zisk na vlnové délce kolem 1,5 mikrometru, využívané v ko-munikaþních systémech. Erbiem dopovaný vláknový zesilovaþ (EDFA - Erbium Doped Fibre Amplifier) zpĤsobil v oblasti optických komunikací pĜevratné zmČny.

EDFA je totiž jednou z klíþových komponent, která umožnila výstavbu dálkových vysokokapacitních datových spojĤ a tedy i rozvoj internetu. Tato komponenta také otevĜela nové možnosti pro transparentní optické sítČ s vlnovým multiplexem (WDM - Wavelength Division Multiplexing) a pro pĜenos dat prostĜednictvím optických solitonĤ. SouþasnČ s vý- zkumem EDFA se provádČl i výzkum vláknových laserĤ. Je vskutku obdivuhodné jak jsou vláknové lasery univerzální. NČkteré nabízejí eleganci - široce pĜeladitelný výstup s úzkou šíĜkou þáry nebo femtosekundové pulzy. Jiné zas nabízejí hrubou sílu - výstupní výkon Ĝádu stovek WatĤ z nČkolika desítek metrĤ vlákna, a to bez nutnosti drahého a rozmČrného vodního chlazení. Vláknový laser je vlastnČ koherentní optický vláknový zesilovaþ se zpČtnou vazbou.

Proto nejprve struþnČ vysvČtlíme þinnost vláknových zesilovaþĤ.

Princip optického zesilování

1

Výroba preformy erbiem dopovaného optického vlákna v Ústavu radiotechniky a elektroniky Akademie vČd ýR. Výsledná preforma je tyþka o prĤmČru zhruba 1 cm, která se vytahuje do vlákna o prĤmČru 0,125 mm, což je asi desetinásobek prĤmČru lidského vlasu.

Na jakém principu je založeno optické zesilování? ZodpovČzme si na tuto otázku právČ na pĜíkladu aktivního prostĜedí dopovaného ionty erbia Er^P³⁺^P, viz obrázek 1. PĜedpokládejme pro jednoduchost, že ionty Er^P³⁺^P, kterými je prostĜedí dopováno, mohou existovat nejménČ ve dvou diskrétních stavech - v základním stavu, a v excitovaném stavu. V tepelné rovnováze je poþet iontĤ nacházejících se na jednotlivých energetických hladinách dán Boltzmannovým rozdČlením a vČtšina iontĤ se tedy nachází v základním stavu s minimální energií. Interakci takovéhoto souboru iontĤ s kvanty svČtelné energie - fotony - teoreticky vysvČtlil Albert Einstein zaþátkem dvacátého století. Mohou nastat tĜi rĤzné jevy: spontánní emise, absorpce

(3)

a stimulovaná emise. Absorpcí fotonu o energii rovné rozdílu energetických hladin se iont v základním stavu pĜevede do excitovaného stavu. Z vybuzeného, metastabilního stavu mĤže iont pĜejít zpČt na základní hladinu bud spontánnČ, za souþasného vyzáĜení fotonu s náhodnou polarizací a fází, nebo je k emisi fotonu stimulován jiným fotonem. V pĜípadČ stimulované emise mají oba fotony stejné fázové a polarizaþní vlastnosti, Ĝíkáme že jsou vzájemnČ koherentní. Aktivní prostĜedí mĤže být vyvedeno z tepelné rovnováhy napĜ. pĜítomností þerpacího svČtelného zdroje. NepĤsobí-li na aktivní prostĜedí jiné vlivy, tak dostateþnČ silné þerpání zpĤsobí, že vČtšina iontĤ zĤstává trvale v excitovaném stavu. PĜivedeme-li pak do excitovaného aktivního prostĜedí optický signál, bude u fotonĤ optického signálu pĜevažovat stimulovaná emise nad absorpcí a signál bude zesilován. Fotony generované spontánní emisí pĜispívají k vzrĤstu šumu zesilovaþe. Z makroskopického hlediska klasické fyziky lze aktivní prostĜedí charakterizovat komplexním indexem lomu, jehož imaginární þást zpĤsobuje zeslabování. resp. zesilování intenzity procházející signálové vlny.

U iontĤ erbia, stejnČ jako u dalších prvkĤ vzácných zemin (lanthanidĤ), se záĜivé pĜechody uskuteþĖují mezi energetickými hladinami v elektronové slupce 4f. Elektronová konfigurace lanthanidĤ je [Xe] 4f^P^N-1^P 5s^P²^P 5p^P⁶^P 6s^P⁰^P, kde [Xe] pĜedstavuje uzavĜenou slupkovou konfiguraci xenonu. V této konfiguraci iontu je jeden elektron vzat ze slupky 4f a dva ze slupky 6s, podle energetické posloupnosti, ve které elektrony zaplĖují jednotlivé podslupky.

Na druhou stranu N-1 vnitĜních elektronĤ slupky 4f zĤstává stínČno od vnČjších polí vnČjšími slupkami 5s, 5p, takže 4fo 4f laserové pĜechody vykazují relativnČ ostré spektrální þáry, ve srovnání napĜ. s pĜechody kovĤ. Dalším dĤsledkem je menší citlivost spektrálních vlastností 4f o 4f pĜechodu na typ hostitelského materiálu. I tento relativnČ malý vliv zpĤsobený hostitelským materiálem však má pro laserové aplikace významný úþinek. Pro iont Er^P³⁺^P platí N=12 a má tedy ve 4f slupce N-1=11 elektronĤ, které mohou nabývat celkem 14 rĤzných energetických úrovní. Tyto úrovnČ jsou diskrétní a þárové v pĜípadČ iontu Er^P³⁺^P nacházejícího se ve vakuu. Pokud je však iont zabudován napĜ. ve sklenČné matrici optického vlákna, dochází k rozšíĜení þárových hladin na energetické pásy. Energetické hladiny, resp. pásy, významné pro zesilování optického signálu v pásmu 1,5 mikrometru jsou na obrázku 2a.

Jednotlivé hladiny jsou oznaþeny podle Russelovy-Soundersovy konvence, vycházející z kvantové atomární teorie. RozšíĜení hladin je na obrázku 2b ilustrováno na tvaru absorpþního a emisního spektra pĜechodu ^P⁴^PI^B15/2^B l ^P⁴^PI^B13/2^B u erbiem dopovaného, fosfo- silikátového optického vlákna vyrobeného v ÚRE AV ýR.

(4)

2 (a) Schéma energetických hladin erbia. Metastabilní hladina^P⁴^PI^B13/2^B mĤže být þerpána pĜímo þerpáním na vlnové délce 1480 nm, nebo pĜes hladinu^P⁴^PI^B11/2^B záĜením na vlnové délce 980 nm. Doba života iontu na hladinČ

P

4

PI^B11/2^B je velmi krátká (§7Ps) ve srovnání s dobou života hladiny^P⁴^PI^B13/2^B, (§10 ms), takže iont vybuzený na hladinu

P

4

PI^B11/2^B pĜejde rychle, nezáĜivČ na metastabilní hladinu ^P⁴^PI^B13/2^B. (b) Absorpþní a emisní spektrum pĜechodu

P

4

PI^B15/2^Bl^P⁴^PI^B13/2^B.

Jak ve skuteþnosti vypadá optický zesilovaþ s erbiem dopovaným vláknem? PĜíklad konfi-gurace EDFA je na obrázku 3. Erbiem dopované vlákno, ĜádovČ metr až desítky metrĤ dlouhé, je svaĜeno s pĜenosovým vláknem. VlnovČ selektivní vazební þlen (WDM - Wavelength Division Multiplexer) sdružuje svČtlo pro þerpání se svČtlem signálu, zatímco další WDM þlen za vláknem vyvazuje pĜípadné neabsorbované þerpání. ýerpací laserová dioda má vlnovou délku 980 nebo 1480 nm a v souþasnosti jsou dostupné diody s výkonem 450 mW, navázaným do jednomó-dového vlákna. Pásmový filtr potlaþuje šum spontánní emise a optický izolátor odstraĖuje nežádoucí odrazy svČtla. Optický izolátor je optovláknová souþástka, která propouští záĜení jen jedním smČrem Optoelektronická zpČtnovazební smyþka Ĝídí zisk zesilovaþe a þerpací výkon.

3 Schéma erbiem dopovaného vláknového zesilovaþe.

(5)

Zesilovaþe EDFA jsou v optických komunikacích používány k regeneraci signálu utlumeného absorpcí a rozptylem v pĜenosovém vláknu. Vkládají se do dálkových pĜeno- sových tras zhruba po 70-100 km optického kabelu, pĜípadnČ jsou používány jako nízkošumové pĜedzesilovaþe pro zvýšení citlivosti pĜijímaþe. V sítích kabelové televize jsou instalovány jako výkonové zesilovaþe zdroje signálu, který je následnČ rozvČtven do mnoha optických kabelĤ vedoucích k jednotlivým objektĤm.

Kontinuální vláknové lasery

Lasery obecnČ jsou optické oscilátory. Skládají se z koherentního optického zesilovaþe, jehož výstupní signál se vrací zpČtnou vazbou sfázovaný znovu do vstupu. Ve specifickém pĜípadČ vláknových laserĤ se tedy jedná o optický vláknový zesilovaþ, který jsem popsal v pĜed-chozím odstavci, se systémem zpČtné vazby. Systém zpČtné vazby se vytváĜí umístČním zesilovaþe do optického rezonátoru. Dva typické pĜíklady rezonátorĤ jsou na obrázku 4.

4 Typická uspoĜádání vláknového laseru:

(a) FabryĤv-PerotĤv rezonátor, (b) kruhový rezonátor.

Na obrázku 4a je zesilovaþ vložen do Fabryova-Perotova rezonátoru tvoĜeného zrcadly.

UspoĜádání takového vláknového laseru se nazývá Fabryovo-Perotovo nebo též lineární uspoĜádání. Jedno ze zrcadel je polopropustné pro vlnovou délku signálu a vychází jím výstupní laserové záĜení. Zrcadla mohou být realizována nČkolika zpĤsoby: napaĜením kovové nebo dielektrické odrazné vrstvy na pĜesnČ kolmo zalomené þelo vlákna nebo pĜiložením externího zrcátka k þelĤm vlákna. ýasto užívané Ĝešení zrcadel je také navaĜení vláknových braggovských mĜížek (FBG - Fibre Bragg Grating) na vláknový zesilovaþ.

MĜížka FBG se vyrábí osvČtlením optického vlákna externím ultrafialovým laserem skrze fázovou masku, napĜ. mikroskopickou mĜížku vyleptanou v kĜemenné podložce. Výsledný interferenþní obrazec vysokovýkonového ultrafialového záĜení vytvoĜí podél osvČtleného

(6)

vlákna periodickou modulaci indexu lomu tím, že pĜeruší nČkteré molekulární vazby v germaniem dopovaném kĜemenném skle jádra optického vlákna. Tato periodická mĜížka pak bude odrážet svČtlo s vlnovou délkou, která je v rezonanci s mĜížkovou periodou, a všechny ostatní vlnové délky bude propouštČt. MĜížky FBG jsou bČžnČ používány v op- tických sítích jako vlnovČ selektivní filtry. Použití FBG pro vytvoĜení Fabryova-Perotova rezonátoru je jedním z mnoha pĜíkladĤ, jak se v konstrukci vláknových laserĤ s výhodou využívá vyspČlá technologie vyvinutá pĤvodnČ pro optovláknové komunikace.

Na obrázku 4b je další typické uspoĜádání vláknového laseru, kdy výstup zesilovaþe je pĜiveden na vstup - vznikne kruhový rezonátor. Do kruhového rezonátoru je zaĜazen výstupní vazební þlen pro vyvedení laserového signálu. Dále je do rezonátoru vĜazen optický izolátor, který zajišĢuje generaci laserového signálu jen v jednom smČru a pĜispívá tak ke stabilitČ výstupního signálu.

Jak ale výstupní laserový signál vzniká? Pokud na vstupu vláknového zesilovaþe není žádný signál, není ani výstupní signál, takže i signál zpČtné vazby je nulový. Takový stav je však nestabilní. SebenepatrnČjší šum (s frekvenþními složkami spadajícími do frekvenþního pásma zesilovaþe), který díky spontánní emisi nevyhnutelnČ vždy existuje, mĤže na vstupu iniciovat vznik oscilací. Vstupní signál je zesílený a z výstupu je vedený zpČt na vstup a je pak znovu zesilován. Tento proces se neustále opakuje dokud signál není tak velký, že další zvČtšování signálu je omezeno snižováním zisku (saturací) zesilovaþe. Ustálený stav je dosažen, když zisk zesilovaþe pĜesnČ vyrovnává ztráty zpČtnovazební smyþky pĜi jednom obČhu smyþkou. Další podmínkou ustálených, stacionárních oscilací je fázový synchronismus: celková zmČna fáze pĜi jednom obČhu musí být celoþíselným násobkem 2S, takže signál zpČtné vazby je sfázován s pĤvodním vstupním signálem. Tato podmínka je splnČna pro celou Ĝadu optických vln, módĤ, šíĜících se rezonátorem. Tyto, tzv. podélné módy, jsou v pĜípadČ Fabryova-Perotova rezonátoru od sebe navzájem frekvenþnČ vzdáleny o'Q=c/2d, kde c je rychlost svČtla ve vláknČ (cca 2×10^P⁸^P m/s) a d je délka rezonátoru. Pro 10 m dlouhý FabryĤv-PerotĤv rezonátor tak vychází vzdálenost módĤ 10 MHz. Pro srovnání, typický polovodiþový laser InGaAsP emitující na vlnové délce O=1300 nm má délku rezonátoru cca 300 mikrometrĤ, þemuž odpovídá vzdálenost podélných módĤ'Q= 142 GHz, resp. v optickém spektru 'O=O^P^P'Qc= 0,8 nm. Zatímco ve FabryovČ-PerotovČ rezonátoru prochází optická vlna vláknem dvakrát, v kruhovém laseru jen jednou. Proto módy kruhového laseru jsou frekvenþnČ vzdáleny 'Q=c/d. NapĜ. módy vzdálené 10 MHz jsou podporovány v 20 m dlouhém kruhovém rezonátoru.

(7)

Pulzní vláknové lasery

st

5

Schéma pulzního vláknového laseru s aktivní módovou synchronizací.

Do spektrálního pásma zesí- lení erbia (šíĜka þáry pĜechodu Er^P³⁺^P je cca 30 nm, resp. 4 THz), se vejde ĜádovČ ovky tisíc podélných mó- dĤ. Tyto módy obvykle oscilují nezávisle na sobČ, v tzv. režimu volnČ oscilujících módĤ. Existují však metody, kterými lze dosáhnout vzájemného svázání a sfázování módĤ, tzv. módové synchronizaci. Na jednotlivé módy se potom mĤžeme dívat jako na složky Fourierova rozvoje periodické funkce s periodou T=1/'Q, která je rovna dobČ jednoho obČhu svČtelné vlny rezonátorem. Tato periodická funkce pĜedstavuje sled optických pulzĤ. ýasová šíĜka pulzĤ je nepĜímo úmČrná poþtu podélných módĤ, a tedy i šíĜce pásma pĜechodu. Ustavení režimu synchronizace módĤ lze dosáhnout vložením optické uzávČrky do laserové dutiny, která se periodicky otvírá s periodou T. Optickou uzávČrku lze ovládat externím frekvenþním generátorem, mluvíme pak o aktivní módové synchronizaci. Na obrázku 5. je optickou závČrkou MachĤv-ZehnderĤv amplitudový modulátor vytvoĜený v krystalu niobiþnanu lithného (LiNBO^B³^B). Jde o inte- grovanČ optický prvek, který je podrobnČji popsán v následující pĜednášce Doc. ýtyrokého.

Lze také použít pasivní závČrku tvoĜenou saturovatelným absorbujícím prostĜedím, pak mluvíme o pasivní módové synchronizaci. Takovou závČrkou mĤže být napĜ. polarizátor v kombinaci s nelineárním natáþením polarizace v optickém vláknČ tvoĜícím rezonátor, jak je ukázáno na obrázku 6 (funkci polarizátoru zde plní polarizaþní optický izolátor). Pro þinnost této závČrky je podstatné nelineární šíĜení svČtla ve vláknČ. SvČtlo se šíĜí jádrem vlákna, které má prĤmČr 8 mikrometrĤ. PĜi výkonech kolem 1 W pĜevyšuje prĤmČrná intenzita svČtla v jádĜe vlákna intenzitu svČtla na povrchu Slunce a špiþková intenzita v pulzech mĤže být ještČ ĜádovČ vyšší. PĜitom se projevuje optický Ker jev, neboli závislost indexu lomu skla, z nČhož je optické vlákno vyrobené, na intenzitČ. Tato zmČna indexu lomu, která je rĤzná v rĤzných þástech pulzu, významnČ ovlivĖuje zmČny tvaru a polarizace pulzu pĜi šíĜení.

Polarizaþním kontrolérem, viz Obrázek 6, nastavíme polarizaci svČtelné vlny tak, že pĜi slabém signálu je její polarizace kolmá k ose propustnosti polarizátoru, ale pĜi silné intenzitČ vlny je její polarizace Kerrovým jevem stoþena tak, že prochází polarizaþním izolátorem

(8)

s malými ztrátami. Nelineární šíĜení ve vláknČ se podílí i na formování tvaru pulzĤ, napĜ.

automodulace fáze mĤže vést ke kompresi pulzĤ.

6

Schéma pulzního vláknového laseru s pasivní módovou synchronizací.

Studium pulzních vláknových laserĤ je jednou z tématik Ĝešených ve skupinČ nelineární vláknové optiky Ústavu radiotechniky a elektroniky Akademie vČd ýR.

Pohled do laboratoĜe je na obrázku 7. Byly zde vyvinuty pasivnČ vidovČ synchroni- zované vláknové lasery s opakovacím kmitoþtem Ĝádu jednotek až desítek MHz, aktivnČ vidovČ synchronizované vláknové lasery s opakovacím kmitoþtem Ĝádu stovek MHz až jednotek GHz a vláknové lasery založené na modulaþní nestabilitČ s opakovacím kmitoþtem Ĝádu stovek GHz. Laserech založené na modulaþní nestabilitČ mohou být atraktivním zdrojem optických pulzĤ pro budoucí komunikaþní systémy s vysokou pĜenosovou rychlostí. V tČchto laserech se dosahuje fázové synchronizace pĜi þtyĜvlnném smČšování kĜížovou modulací a automodulací fáze. Jako aktivní prostĜedí bylo použito optické vlákno dopované erbiem a yterbiem. ýerpací záĜení neexcituje pĜímo ionty erbia, ale energie þerpání je absorbována yterbiovými ionty, které pĜedávají energii iontĤm erbia. Tyto lasery pracují na vlnové délce 1550 nm a pro þerpání se používá yterbiový vláknový nebo Nd:YAG-laser.

7 (a) LaboratoĜ nelineární vláknové optiky. Na stole je experimentální realizace aktivnČ vidovČ synchro- nizovaného vláknového laseru. (b) Detail erbiem a yterbiem dopovaného vlákna. V tomto vláknČ mĤže docházet k frekvenþní konverzi dvou þerpacích fotonĤ v infraþervené oblasti na jeden foton v zelené oblasti spektra.

(9)

Vysoký výkon z dvouplášĢových vláken

Klíþovým krokem ke zvýšení výstupního výkonu vláknových laserĤ byl objev metody þerpání aktivního prostĜedí pĜes plášĢ koncem osmdesátých let. Tímto zpĤsobem je možné transformovat vysoce rozbíhavý svazek z mnohamódových laserových diod s velkou vyzaĜovací plochou (typicky 100×1 mikrometr) do kvalitního, jednomódového laserového svazku s malou divergencí. Objevitelem metody byl opČt Elias Snitzer, autor myšlenky prvního vláknového laseru. Princip laseru s dvouplášĢovým aktivním vláknem je naznaþen na obrázku 8. Jádro vlákna (naznaþeno þervenČ) je dopováno erbiem nebo jinými prvky vzácných zemin schopnými laserového zesílení. SvČtle modrý je pak vnitĜní plášĢ s nižším indexem lomu než je jádro, takže jádro slouží jako vlnovod pro signál. Jádro je vČtšinou jednomódové. VnitĜní plášĢ je též obklopen materiálem s nižším indexem lomu, napĜ.

polysiloxanovým polymerem. VnitĜní plášĢ tedy slouží také jako vlnovod a to pro šíĜení þerpání, schematicky znázornČné zelenČ. Protože vnitĜní plášĢ má relativnČ velkou plochu prĤĜ ezu, je možné do nČj navázat z þerpacích diod velké množství optického výkonu. Jak se þerpací záĜení šíĜí podél vlákna, stále znovu kĜižuje oblast dopovaného jádra a je v nČm absorbováno na iontech vzácných zemin. Excitované ionty pak mohou formou stimulované emise pĜedat svou energii zesilovanému signálu. Oproti klasickým pevnolátkovým laserĤm mají tyto lasery inherentnČ vysokou stabilitu a provozní spolehlivost, kompaktnost a malé rozmČry, díky jednomódovému jádru i výbornou módovou kvalitu výstupního svazku.

Vzhledem k velké délce aktivního prostĜedí mají lepší odvod tepelných ztrát a odpadá komplikované chlazení. Tyto výhody mají i konvenþní vláknové zesilovaþe s jed- nomódovými diodami. Hlavní výhodou pláštČm þerpaných zesilovaþĤ a laserĤ je pĜedevším možnost použít vysoce výkonných mnohamódových þerpacích diod a z toho vyplývající nižší cena a vysoký výstupní výkon.

Problémem specifickým pro þerpání pláštČm je zajistit úþinnou absorpci þerpání podél DC-vlákna. NapĜ. v pĜípadČ kruhového prĤĜ ezu vlákna je selektivnČ absorbována þást þerpání šíĜící se stĜedem vlákna, tzv. meridiální paprsky, zatímco kosé (mimoosové) paprsky jádro míjejí a tlu-meny nejsou. Útlum, absorpce þerpání tak není homogenní podél celého vlákna, ale po absorpci meridiálních paprskĤ na poþátku vlákna se již þerpání šíĜí témČĜ beze ztrát.

Optimální pro aplikace dvouplášĢových aktivních vláken je zajistit maximální absorpci þerpání ve vláknu, tj. zajistit homogenní útlum podél celého vlákna. Toho lze dosáhnout vhodným návrhem tvaru prĤĜ ezu vnitĜního pláštČ, který zajistí tzv. chaotickou dynamiku šíĜení paprskĤ. V dvouplášĢovém vláknČ s "chaotickým" šíĜením paprskĤ se pĜi libovolném

(10)

zpĤsobu buzení dosáhne po jisté délce vlákna statisticky rovnomČrného rozložení intenzity záĜení po prĤĜ ezu. PĜíklad takového prĤĜ ezu vlákna je tzv. vlákno tvaru písmene D na obráz- ku 8.

Dalším problémem dvouplášĢových laserĤ a zesilovaþĤ je navazování signálu a þerpání do aktivního vlákna. V literatuĜe bylo popsáno nČkolik zpĤsobĤ jak navázat souþasnČ þerpání do vnitĜního mnohamódového pláštČ a signál do jednomódového jádra. V laboratorních podmínkách je ještČ pĜijatelné kombinování signálu a þerpání na vstupu aktivního vlákna pomocí objemových

8 Princip þerpání aktivního vlákna pĜes plášĢ.

optických prvkĤ a þoþek. Pro zachování výhod šíĜení signálu optickým vláknem byly vyvinuty v zásadČ dva rĤzné zpĤsoby navázání þerpání do vnitĜního pláštČ aktivního vlákna.

Prvním zpĤsobem je pĜíþné navázání þerpání z boku aktivního vlákna bućto nČjakým difrakþním prvkem, napĜ. hranolem nebo prostĜednictvím záĜezu ve tvaru V-drážky, viz obrázek 9a. V druhém pĜípadČ je þerpání navázáno na zaþátku DC vlákna ve smČru jeho osy.

V Bellových laboratoĜích vyvinuli elegantní metodu, využívající svaĜovaného vláknového vazebního þlenu vytvoĜeného z jednomódového a nČkolika mnohamódových vláken, sou- stĜedČných okolo jednomódového signálového vlákna, tzv. "star coupler", viz obrázek 9b.

V Ústavu radiotechniky a elektroniky vyvíjíme dvouplášĢové vlákno specifického prĤĜezu, ke kterému je možné navaĜit signálové a þerpací vlákna bez dalšího meziþlánku, jak je ukázáno na obrázku 9c.

Jaké jsou další prvky vzácných zemin používané pro vláknové lasery kromČ erbia a neo- dymu? Je to pĜedevším yterbium, které silnČ absorbuje v pásmu 980 nm a emituje záĜení kolem 1100 nm. V posledních letech jsme svČdky strmého rĤstu výstupního výkonu yterbiem

(11)

dopovaných dvouplášĢových vláken. Firmy Southampton Photonics z Anglie nebo IRE Polus Group z Ruska nedávno ohlásili pĜekroþení hranice výkonu 1 kW v kontinuálního režimu.

Výkonová konverzní úþinnost takových laserových systémĤ je velmi vysoká, vČtší než 80%, takže napĜ. pĜi þerpání 1 kW je ztrátové teplo jen 200 W a to je možné vzhledem k dlouhé a tenké geometrii aktivního prostĜedí - vláken - odvést ještČ bez nutnosti vodního chlazení.

Významným prvkem je i thulium, které má široký emisní pás v pásmu 1,9-2,2 mikrometru a silnou absorpci kolem 800 nm, kde jsou rovnČž k dispozici výkonné þerpací diody. Erbium a thulium mĤže být dopováno spolu s yterbiem, aby bylo možné použít dostupné, výkonné þerpací diody na vlnových délkách 915, 940 a 980 nm.

S nárĤstem výkonu nabývají na významu nelineární jevy, stimulovaný BrilluoinĤv a RamanĤv rozptyl, které mohou být omezujícím faktorem pro þinnost výkonových vláknových zesilo-vaþĤ a laserĤ. BrillouinĤv rozptyl je vyvolán podélnou akustickou vlnou vzniklou elektrostrikcí a rozptýlená vlna je spektrálnČ posunutá o cca 10 GHz. Jeho velikost závisí na úhlu rozptylu, maximum energie je rozptýleno ve zpČtném smČru. BrillouinĤv rozptyl je zvláštČ významný pro signály s úzkou šíĜkou þáry, a proto je tento jev možné úþinnČ potlaþit snížením koherenþní délky signálu, nebo-li, ekvivalentnČ Ĝeþeno, rozšíĜením spektra signálu. RamanĤv rozptyl oznaþuje jev, kdy svČtelná vlna excituje vyšší vibraþní módy molekul SiO^B2^B a je tak rozptylována do vlny, která se liší o energii vibraþního pĜechodu - pro kĜemenné sklo je to 13,2 THz. Tyto jevy lze do jisté míry potlaþit vhodným návrhem vlákna napĜ. zvČtšením prĤmČru jádra. Pro jisté aplikace však mĤže být RamanĤv rozptyl žádoucí a dobĜe využitelný.

9 RĤzné zpĤsoby souþasného navázání þerpání a signálu do dvouplášĢo vého aktivního vlákna.

(12)

Ramanovské lasery

Silného Ramanova rozptylu ve jednomódových optických vláken lze využít k úþinné konverzi záĜení laseru do optické vlny s nižší frekvencí, do tzv. Stokesovy vlny. Zapíšeme-li na konce vlákna pár braggovských mĜížek, které odrážejí svČtlo vlnové délce Stokesovy vlny, vytvoĜíme pro tuto vlnovou délku rezonátor. Stokesova vlna je dále zesilována stimulovaným Ramanovým rozptylem, takže energie z þerpací vlny je velmi úþinnČ pĜelévána do pĜíslušné Stokesovy vlny. Tento proces je možné posunout dále k delším vlnovým délkám vytváĜením dalších rezonátorĤ, takže se vytváĜí vlastnČ nČkolik do sebe zapouzdĜených rezonátorĤ, jejichž rezonanþní frekvence se liší pokaždé o 13,2 THz. Tak napĜíklad zápisem pČti párĤ braggovských mĜížek odrážejících záĜení na vlnových délkách 1144, 1208, 1280, 1362 a 1455 nm bude vytvoĜen kaskádní rezonátor ramanovského laseru který zkonvertuje vlnovou délku 1086 nm yterbiového vláknového laseru do záĜení na vlnové délce 1455 nm. Tento pĜíklad neuvádím náhodou, ramanovský laser na 1455 nm vyvolává Ramanovo zesílení v stan- dardních jednomódových vláknech v komunikaþním pásmu 1550 nm. Bude-li pĜenosové vlákno þerpáno proti smČru šíĜení signálu (þerpací ramanovský laser je na stranČ pĜijímaþe) bude pomocí Ramanova zesílení výraznČ prodloužena vzdálenost pĜenosu bez opakovaþĤ.

V rámci spoleþného projektu sdružení CESNET, které provozuje páteĜní akademickou poþítaþovou síĢ ýeské republiky, a ÚRE AV ýR byl demonstrován pĜenos dvou WDM kanálĤ 10 Gigabitového Ethernetu po 300 km standardního jednomódového vlákna bez linkových zesilovaþĤ. Je to slibný výsledek zvláštČ pro operátory sítí závislých na pronajímání tzv. "temných" vláken, tj. opto-vláknových kabelĤ a tras bez aktivních prvkĤ jako jsou vysílaþe a zesilovaþe, resp. opakovaþe signálu. Výsledky výzkumu byly využity pĜi zprovoznČní první optické trasy s pĜenosovou kapacitou 10 Gb/s mezi mČsty Praha a Brno na konci roku 2004.

---

Hlavní aplikací vláknových laserĤ byly a zatím stále jsou telekomunikace. Vláknové lasery jsou ale užiteþné pro kteroukoliv aplikaci, která vyžaduje mechanicky odolný zdroj koherentního záĜení s dobrou módovou kvalitou výstupního svazku. NapĜ. výstup 100 W laseru mĤže být fokusován na prĤmČr až 1 mikrometr pĜi odpovídající mČrné záĜivosti nČkolika GW/cm2/steradián. ZvláštČ zajímavou oblastí aplikací je zpracování materiálu jako je žíhání souþástek jemné mechaniky, Ĝezání až nČkolik milimetrĤ silných ocelových dílĤ, selektivní pájení a svaĜování komplikovaných mechanizmĤ, znaþkování plastových a kovo-

(13)

vých dílĤ, jakož i rozmanité tiskové aplikace. Vláknové lasery s pasivní módovou synchronizací generující pulsy Ĝádu stovek femtosekund mohou najít využití v ramanovské spektroskopii a Q-klíþované vláknové lasery s velkou energií v pulsu jsou souþástmi detekþních systémĤ LIDAR (LIght Detection And Ranging) používaných napĜ. v civilním letectví. Slibné aplikace jsou také v medi-cínČ, v oþní chirurgii a zubním lékaĜství. Možná nejdĤležitČjší perspektiva tČchto laserĤ tkví v inherentní jednoduchosti konceptu vláknového laseru, která pĜi pĜípadné hromadné výrobČ povede k významnému snížení cen oproti srovnatelným konvenþním laserĤm.

VýbČr literatury v þeském jazyce

Miroslav Karásek, "Optické vláknové zesilovaþe", Slaboproudý obzor - pĜíloha pro mladé inženýry, 1995

Emmanuel Desurvire,"Zlatý vČk optických vláknových zesilovaþĤ", ýeskoslovenský þasopis pro fyziku, str. 183-191, 1994

Bahaa E. A. Saleh a Malvin Carl Teich, "Základy fotoniky", kapitola 14: Lasery, Matfyzpress 1995

Vlastimil MatČjec a Ivan Kašík, "Optická vlákna a komunikace", VTM 4/1998, str. 28

Miloš Hayer, Pavel Honzátko, František Kostka, Gabriela Kuncová a Vlastimil MatČjec,

"ěízení procesu pĜípravy optických vláken", Telekomunikace, 5/2004, str. 6

Pavel Honzátko, Ivan Kašík, Jan ýermák, "Vývojové trendy v oblasti optoelektroniky", SdČlovací technika, 52(4):3-5, 2004