Opticky aktivní planární vlnovod s rozšířenou spektrální charakteristikou

Abstract

Disertační práce je zaměřená na výzkum struktur a studium vlastností opticky aktivních křemičitých skel dopovaných vzácnými zeminami a bizmutem pro fotoniku, speciálně pro planární aktivní vlnovody s gradientním profilem indexu lomu, použitelné pro konstrukci planárních vlnovodných optických zesilovačů, opticky aktivních rozbočovačů a dalších opticky aktivních struktur. Cílem práce je spektrálními a časovými metodami měření optimalizovat složení skel pro opticky aktivní planární vlnovody s rozšířenou spektrální charakteristikou a jejich využití v telekomunikačních vícepásmových systémech nové generace. V současné době používají vysokokapacitní optické komunikační systémy poměrně úzkou spektrální oblast 1530 až 1610 nm, která je dána mimo jiné taky šířkou pásma vlnovodových optických zesilovačů dopovaných erbiem (EDFA). Moderní optické kabely jsou však schopné přenášet mnohem širší oblast vlnových délek v rozsahu 1300 až 1700 nm, kde optické ztráty telekomunikačních vláken jsou menší než 0,4 dB/km. Je tedy třeba řešit šířku použitelného pásma optických zesilovačů. První část práce se zabývá novým tématem výzkumu optimálního chemického složení skel pro opticky aktivní dvoupásmové vlnovody, odměřením jejich spektrální odezvy luminiscence a absorpce aktivátorů erbia a bizmutu v křemičitém skle, dotovaném germaniem a určení průřezových koeficientů pro bizmut a erbium. Práce se dále zabývá vytvořením matematického modelu vícepásmového vlnovodu využitím rychlostních rovnic a rovnice šíření pro odvození optického diferenciálního zisku skel, dotovaných aktivátory erbia a bizmutu. U zkoumaného složení modifikovaných aktivních skel GZ 4 byla navržena vhodná měřící reflexní metoda pro stanovení luminiscenčních a absorpčních spektrálních charakteristik využitím měřící aparatury HORIBA. Vzhledem k nízké spektrální odezvě zkoumaných křemičitých a křemičito-germaničitých skel, dotovaných Er a Bi, byla diskutována i otázka šumu a možnosti jeho minimalizace. Z naměřených emisních a absorpčních charakteristik pak byly stanoveny výpočtem emisní a absorpční průřezové koeficienty optických aktivátorů. Druhá část práce pak zahrnuje návrh nové měřící metody pro určení diferenciálního zisku připravených křemičito-germaničitých skel nového složení s aktivátory Er a Bi, měřením optického impulsního přenosu vzorků trámečkových vlnovodů, realizovaných řezáním zkoumaných skelných substrátů. Touto metodou bylo určeno složení skla s nejvyšším diferenciálním ziskem 0,16 a 0,2 dB/cm ve dvou optických telekomunikačních pásmech C a U. Výsledky byly ověřeny měřením diferenciálního zisku difuzních planárních vlnovodů a navržené optické rozbočnice s Er a Yb aktivátory, realizované ze skla GZ 4 podobného složení. Experimentální výsledky byly porovnány s výpočty.

The thesis is focused on the research of structures and study of properties of optically active silica glasses doped with rare earth and bismuth for the photonics, especially for planar active waveguides with a gradient refractive index profile, applicable for the construction of planar optical amplifiers, optically active splitters, and other optically active structures. The study and work aim to optimize the composition of glasses for optically active planar waveguides with extended spectral characteristics and their use in next-generation multiband telecommunication systems by spectral and temporal measurement methods. Currently, high-capacity optical communication systems use a relatively narrow spectral region of 1530 to 1610 nm which is determined, among other things, by the bandwidth of erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs). However, modern fiber optic cables are capable of transmitting a much wider wavelength region in the 1300 to 1700 nm range, where the optical loss of telecommunication fibers is less than 0.4 dB/km. Therefore, the usable bandwidth of optical amplifiers needs to be addressed. The first part of the thesis deals with the new topic of research on the optimal chemical composition of glasses for optically active dual-band waveguides, measurement of their spectral response of luminescence and absorption activators erbium and bismuth in germanium-doped silica glass, and determination of the cross-section coefficients for bismuth and erbium. The thesis also deals with the development of a mathematical model of a multiband waveguide by using the rate equations and the propagation equation to derive the optical differential gain of glasses doped with erbium and bismuth activators. For the investigated composition of modified GZ 4 active glasses, a suitable reflection measurement method was proposed to determine the luminescence and absorption spectral characteristics using the HORIBA measuring instrument. Due to the low spectral response of the investigated silica and silica-germanite glasses doped with Er and Bi, the issue of ambient noise and the possibility of its minimization were also discussed. From the measured emission and absorption characteristics, the emission and absorption cross-section coefficients of the optical activators were then determined by calculation. The second part of the thesis then involves the design of a new measurement method for the determination of the differential gain of prepared silica-germanite glasses of the new composition with Er and Bi activators by measuring the optical pulse transmission of beam waveguide samples realized by cutting the investigated glass substrates. This method was used to determine the glass composition with the highest differential gain of 0.16 and 0.2 dB/cm in two optical telecommunication bands C and U. The results were verified by measuring the differential gain of diffuse planar waveguides and the proposed optical splitter with Er and Yb activators, realized from GZ 4 glass of similar composition. The experimental results were compared with the calculations.