Универсальные критические индексы. Ученые изучили особенности генерации эрбиевых волоконных лазеров

Российские ученые при участии исследователей из НИУ ВШЭ изучили особенности генерации эрбиевых волоконных лазеров и вывели универсальные критические индексы для расчета их характеристик и режима работы. Результаты исследования помогут предсказывать и оптимизировать параметры лазеров для высокоскоростных систем связи, спектроскопии и других областей оптических технологий. Исследование опубликовано в журнале Optics & Laser Technology.

Эрбиевые волоконные лазеры — это устройства, в которых свет генерируется в волокне, содержащем ионы редкоземельного элемента эрбия. Такие лазеры работают на длине волны около 1,5 микрометра и идеально подходят для передачи данных на большие расстояния с минимальными потерями. Излучение на других длинах волн при прохождении через оптоволокно нуждается в усилении каждые 20–30 километров, а излучению эрбиевых лазеров требуется в 2–3 раза меньше усилителей, что снижает затраты на оборудование и эксплуатацию. Кроме того, эрбиевые лазеры способны создавать излучение с узкой спектральной линией (менее 1 кГц), применяемое в высокоточных оптических сенсорах и датчиках.

По мере того как требования к скорости и объему передачи данных растут, возникает необходимость в миниатюризации лазеров и уменьшении длины резонаторов при сохранении их эффективности. Резонатор — часть лазера, состоящая из двух зеркал и отвечающая за усиление света при его многократном прохождении через активную среду.

В зависимости от длины резонатора и концентрации ионов эрбия лазер может работать в разных режимах — импульсном или непрерывном. Основная сложность в том, что при уменьшении размера резонатора необходимо повышать концентрацию ионов эрбия. Это приводит к переходу лазера в импульсный режим, который может вызвать нестабильность передачи данных, ограничение мощности и повышение уровня шумов.

Группа российских ученых при участии физиков из НИУ ВШЭ подготовила два вида активных волокон для семи лазеров и сравнила, как концентрация ионов эрбия (от 0,03 до 0,3%) влияет на параметры лазера. В результате им удалось определить параметры активной среды и накачки, при которых можно одновременно сохранить короткую длину резонатора и обеспечить непрерывное излучение, а также параметры, при которых происходит переход из непрерывного режима в импульсный.

Смена непрерывного режима на импульсный в некотором роде схожа с классическим фазовым переходом, который подчиняется математическим законам и характеризует процессы в других системах, например в жидкостях или твердых телах. Для лазеров с высокой концентрацией ионов эрбия характерны два порога: первый связан с началом генерации в импульсном режиме, а второй — с переходом в непрерывный режим. Эти законы близки к степенным зависимостям и описывают, как параметры лазера меняются вблизи порога генерации.

• Олег Бутов, заместитель директора, руководитель лаборатории волоконно-оптических технологий Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Исследователи впервые экспериментально определили критические индексы для эрбиевых лазеров — значения углов наклона логарифмических зависимостей частоты, длительности и амплитуды лазерных импульсов от мощности лазерного излучения.

Мы определили, что вычисленные зависимости универсальны для эрбиевых лазеров с существенно различающимся составом сердцевины активного световода, длиной и добротностью резонатора (мерой, определяющей отношение запасенной энергии к расходуемой за один период). Результаты позволят предсказывать параметры генерации эрбиевых волоконных лазеров и оптимизировать их работу для различных задач.

• Александр Смирнов, профессор базовой кафедры «Наноэлектроника и фотоника» при Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН факультета физики НИУ ВШЭ

Работа поддержана грантом Российского научного фонда

Фото: freepik