Реферат: Волоконная оптика и оптоэлектроника

Волоконная оптика

И Оптоэлектроника

Волоконный ВКР-лазер для прямой фотодинамической терапии

А.С. Курков

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва

В последнее время наблюдается расширение областей применения волоконных лазеров с различными параметрами выходного излучения [1]. Среди таких применений обработка материалов, маркировка, дальномеры, датчики и пр. Благодаря таким характеристикам, как компактность и простота обслуживания, особый интерес вызывают медицинские применения волоконных источников. Этот интерес стимулируется и таким уникальным свойством волоконных лазеров, как возможность получения излучения на любой длине волны ближнего ИК-диапазона за счет использования эффекта ВКР в оптических волокнах. Одним из возможных биологических эффектов при использовании ВКР-лазеров является возбуждение синглетного кислорода, обладающим более высокой энергией, чем в основном, триплетном состоянии. Синглетный кислород является сильным окислителем, способным вызвать гибель опухолевых клеток при повышенных концентрациях. Это свойство широко используется в фотодинамической терапии. При этом возбуждение синглетного кислорода происходит через фотосенсибилизатор – краситель, которые предварительно вводится в организм и накапливается в тканях опухоли. Разница энергий между основным состоянием и наименьшей энергией триплетного состояния 0,98 эВ и соответствует переходу в полосе около 1.27 мкм. Прямое возбуждение кислорода в основном состоянии светом для образования синглетного кислорода маловероятно вследствие правил отбора, тем не менее, оно возможно при возбуждении достаточно интенсивным излучением вблизи 1.27 мкм. Это позволяет рассмотреть возможность проведения прямой фотодинамической терапии без использования традиционных красителей. Следует отметить, что, несмотря на достаточно широкое обсуждение такой возможности в литературе, прямые результаты терапевтического действия излучения в данной области опубликованы не были. Одной из причин этого является сложность получения достаточно мощного излучения на длине волны вблизи 1.27 мкм с использованием традиционных лазерных методов.

Для создания мощных источников возбуждения синглетного кислорода наиболее простым представляется ВКР-преобразование излучения иттербиевого волоконного лазера. Благодаря широкому диапазону генерации иттербиевых волоконных лазеров [2], возможными представляются две схемы построения источника. В первом варианте используется иттербиевый лазер с длиной волны генерации на 1.085 мкм и одноступенчатое преобразование в оптическом волокне с фосфорсиликатной сердцевиной [3]. В этом случае используется рамановский сдвиг, составляющий 1330 см-1. Другая возможность состоит в двухступенчатом преобразовании с использованием волокна с германосиликатной сердцевиной. Спектр ВКР-усиления в таких волокнах достаточно широкий, поэтому, излучение иттербиевого лазера в диапазоне 1.12-1.13 мкм может быть преобразовано с использованием двух сдвигов по  500 см-1 в область 1.26-1.27 мкм. В данной работе использовалась именно эта схема, так как волокна с германосиликатной сердцевиной являются более доступными.

Схема источника представлена на рис. 1. Она состоит из полупроводникового источника накачки с максимальной выходной мощностью около 18 Вт на длине волны 0.97 мкм, иттербиевого волоконного лазера и ВКР-преобразователя.




Рис.1. Схема ВКР-лазера

Резонатор лазера был образован парой брэгговских решеток на 1.126 мкм, резонатор ВКР-преобразователя – двумя парами решеток на 1.185 и 1.262 мкм, для отражения оставшейся части излучения лазера на выход помещалась еще одна решетка на 1.126 мкм.

На рис. 2 представлен спектр излучения ВКР-лазера. Помимо излучения на заданной длине волны в нем присутствуют компоненты на длине волны генерации и первой стадии преобразования. Их суммарная интенсивность составляет около 10% от общей выходной мощности.



Рис.2. Спектр излучения ВКР-лазера.

На рис.3 показана зависимость выходной мощности реализованного ВКР-лазера от мощности полупроводникового источника накачки. Максимальная выходная мощность составила 5.5 Вт с дифференциальной эффективностью около 35%.



Рис.3. Энергетическая характеристика ВКР-лазера.

Далее было реализовано приборное исполнение источника и проведены его испытания в ООО «Лазер и здоровье» (г.Уфа) с целью возможности применения для лечения онкологических заболеваний кожи.

Всего было проведено лечение 12 пациентов с различными формами базальноклеточного рака с преимущественной локализацией в области лица. Наличие косметического дефекта на этом участке тела имеет большое психотравмирующее действие на пациентов и проведение эффективного и безопасного лечения с хорошим косметологическим эффектом, в отличие от традиционной рентгенотерапии, является определяющим фактором при выборе метода лечения. В исследуемой группе с экзофитным типом опухоли было 5 пациентов, с язвенным типом - 1 человек и с поверхностным типом опухоли 6 человек, из них один пациент имел мультицентричный рост (6 опухолей на коже лица). Все пациенты предварительно проходили морфологическое и клиническое лабораторное обследование. Сеанс фотодинамической терапии проводили однократно, дистанционно, с захватом здоровых тканей на ширину до 2 см от границ поражения. При локализации опухоли на коже век использовалась мощность от 1,5 до 3 Вт, на коже лба, носа, щёк и т.д. мощность достигала 3-5 Вт, в дозе 150-250 Дж/см2. Во всех случаях лечения имелось выраженное фотохимическое разрушение опухолевой ткани. Заживление проходило первичным натяжением в сроки не более 30-40 дней. Динамическое наблюдение в течение 6 месяцев у этой группы больных не выявило рецидива заболевания.

На рис.4 представлены фотографии опухоли до лечения (а) и через 17 дней после облучения. Следует отметить, что при использованных мощностях облучения возможным является также влияние гипертермического эффекта, усиливающим терапевтическое воздействие.



Рис. 4. Результаты воздействия излучения на опухоль.

Таким образом был реализован в приборном исполнении волоконный ВКР-лазер для прямой фотодинамической терапии. Предварительные результаты показали высокую эффективность его использования при органосохраняющем лечении базальноклеточного рака, даже «неудобных» локализаций, с хорошими косметологическими результатами. Необходимо дальнейшее изучение данного вида фотодинамической терапии, которое выгодно отличается от традиционных методов лечения – лучевого и хирургического – своей избирательностью поражения неопластических клеток, отсутствием местных, органных и системных осложнений, возможностью неоднократного повторения лечебных процедур, относительной дешевизной и практическим отсутствием противопоказаний.


А.С.Курков, Е.М.Дианов. Квантовая Электроника, 34, 881 (2004)

A.S. Kurkov, Laser Phys. Lett. 4, 93 (2007).

А.С.Курков, Е.М.Дианов, В.М.Парамонов и др., Квантовая электроника, 30, 791 (2000)



Применение ферромагнитных полупроводников типа A3MnB5 в приборах оптоэлектроники


О.В. Вихрова, Ю.А. Данилов, ^ М.В. Дорохин, А.В. Кудрин, М.М. Прокофьева, Б.Н. Звонков

ННГУ им. Н.И.Лобачевского, Н. Новгород


Однородное и дельта-легирование полупроводников А3В5 атомами Mn широко используется для модифицирования их магнитных свойств [1]. В полупроводниках указанного типа носители заряда (дырки) ориентируются по спину за счёт обменного взаимодействия с ионами Mn [1]. Встраивание слоёв A3MnB5 в полупроводниковые приборные структуры применяется для управления параметрами приборов с помощью ориентации спинов. В частности, в светоизлучающие диоды, содержащие ферромагнитные слои излучают циркулярно-поляризованный свет, знак поляризации которого зависит от спиновой ориентации [2]. В настоящей работе исследуются технологические возможности применения ферромагнитных полупроводниковых слоёв в светоизлучающих диодах на основе гетероструктур с квантовой ямой InGaAs/GaAs.

Структуры выращивались на подложках n+-GaAs (100) комбинированным методом МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) при атмосферном давлении и лазерного распыления. Квантовая яма InхGa1-хAs (х = 0.1-0.2) и тонкий (5-50 нм) спейсерный слой GaAs выращивались при температуре 650ºС методом МОСГЭ. Слой магнитного полупроводника Ga1-yMnyAs (y = 0.15-0.35) выращивался в том же реакторе путём поочерёдного распыления GaAs и Mn мишеней импульсным AYG:Nd лазером. Температура выращивания магнитных слоёв составляла 400ºС [3]. На поверхность структур с GaMnAs/GaAs слоем методом термического испарения в вакууме наносились Au контакты.

Известно, что введение примеси Mn в активную область светоизлучающих структур приводит к гашению люминесценции и снижению эффективности работы диодов. Для повышения интенсивности электролюминесценции необходимо пространственное разделение слоёв GaMnAs и активной области. В то же время, для обеспечения эффективной инжекции ориентированных по спину дырок в квантовую яму необходимо, чтобы расстояние между ней и магнитным полупроводником не превышало длины диффузии спина дырки, которое в GaAs составляет несколько. Выбор оптимальной конфигурации структуры позволяет получить циркулярно-поляризованное излучение с сохранением сравнительно высокой интенсивности электролюминесценции.

[1] A.M. Nazmul, S. Sugahara, M. Tanaka, Phys. Rev. B. - 2003. - V.67. - P.241308.

[2] Оптическая ориентация // под. ред. Б.П. Захарчени, Ф. Майера. Ленинград: Наука (ленингр. отделение). - 1989. - 408 С.

[3] M.V. Dorokhin, B.N. Zvonkov, Yu.A. Danilov, et.al. // Int. J. Nanosc. 6, 3, (2007).

^ ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ С КОМПРЕССИЕЙ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

В.И.Беглов, Д.Н. Чикаров

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Саранск

Увеличение скорости передачи информации в ВОЛС возможно за счет уменьшения длительности импульсов, т.к. основным фактором, ограничивающим пропускную способность линии, является взаимодействие соседних битов. Уменьшение длительности импульса возможно за счет эффекта многосолитонного сжатия, используя каскадные схемы компрессии оптического излучения [1]. Компрессия импульсов связана с спектральным уширением, что не всегда оптимально для систем передачи информации с спектральным уплотнением каналов.

Оценкой качества передачи информации служит коэффициент ошибки BER(Bit-Error Rate), определяемый отношением ошибочных битов к переданным. Пропускная способность ВОЛС анализируется в терминах Q-фактора. BER =erfc(). В работе рассмотрены ВОЛС, состоящие из последовательности активных и пассивных участков. Проведено численное моделирование зависимости Q-фактора от средней дисперсии линии и входной мощности сигнала. Оптимальное значение = -0,6 пс/нм/км.

Механизм временного сжатия волнового пакета связан с фазовой самомодуляцией, обусловленной комплексными дисперсионными параметрами [2].. Для комплексной огибающей оптического импульса в линейном приближении, учитывая дисперсионные эффекты первого и второго порядков уравнение имеет вид:

(1)

где и - дисперсионные параметры, производные берутся на несущей частоте . Нами рассмотрен импульс гауссовой формы распространяющийся в каскадном световоде. В двухсекционной каскадной схеме происходит смещение несущей частоты. Удержание несущей частоты в необходимом частотном диапазоне возможно при использовании многосекционных световодов. При этом средняя ДГС на всей длине линии должна быть отрицательной:

(2)


1. Слепов Н.Н. Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. М.: Радио и связь, 2000. С. 468.

2. Золотовский И.О., Петров А.Н., Семенцов Д.И. //Радиотехника и Электроника. 2007. Т. 52. № 12 С. 1472-1478


^ НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ ФАЗОВОГО МОДУЛЯТОРА

НА ОСНОВЕ РЕЗИСТОРНОГО ОПТРОНА


Б.Н. Денисов, Н.А. Кучаев

Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева, Саранск

В качестве управляемого сопротивления в фазовых модуляторах на основе RC-цепи используется полевой транзистор. Основным недостатком таких устройств, являются нелинейные искажения, связанные с нелинейной характеристикой транзистора. Нелинейная зависимость проводимости между стоком и истоком полевого транзистора от величины управляющего напряжения приводит к увеличению коэффициента нелинейных искажений (КНИ) и появлению гармоник в спектре модулирующего сигнала, которые невозможно устранить при детектировании. Недостаткам таких устройств является отсутствие гальванической развязки между выходом высокочастотного сигнала и входом модулирующего сигнала, что значительно усложняет устройство.

Для уменьшения КНИ фазового модулятора на основе RC-мостовой схемы и обеспечения гальванической развязки в качестве управляемого сопротивления нами использовался фоторезистор. Оптический сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения, по световоду поступает на фоторезистор. Проводимость фоторезистора изменяется в соответствии с оптическим сигналом, а, следовательно, в соответствии с сигналом сообщения. При небольших изменениях сопротивления фоторезистора , а, следовательно, уровне освещенности, фоторезистор является линейным элементом и его проводимость, в отличие от полевого транзистора, линейно зависит от интенсивности света, т.е. от управляющего сигнала. Из рис. 1 видно, что КНИ предлагаемого модулятора, при индексе угловой модуляции 0,5 составляет 1,2% и значительно меньше аналога, равного 7,5% [1].



Рис.1. Зависимость КНИ (k) от индекса угловой модуляции (m)

1. Шахмаев М.М. Однополосная угловая модуляция в радиосвязи. Изд-во: Казанский университет, 1991. С. 134.

^ ИCCЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕКОМБИНАЦИОННЫХ ЦЕНТРОВ НА КИНЕТИКУ ФОТОПРОВОДИМОСТИ ФОТОРЕЗИСТОРА, ИЗГОТОВЛЕННОГО

НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ ТИПА AIIBVI

^ Д.Е. Майский, Е.В. Никишин

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Саранск

В оптоэлектронике фоторезистор используется как составная часть различных устройств. Его высокая фоточувствительность дает возможность непосредственно управлять электрическими цепями. К недостаткам фоторезистивных структур следует отнести в первую очередь нелинейную передаточную характеристику и уменьшение эффективности работы в процессе старения. Последнее связано с увеличением концентрации примесных центров возникающих вблизи поверхности полупроводника в процессе старения. Влияние поверхностной рекомбинации необходимо учитывать при миниатюризации полупроводниковых приборов. Обычно учет поверхностной рекомбинации при расчетах проводится за счет введения скорости поверхностной рекомбинации, что по нашему мнению является не совсем корректным.

В работе проведено исследование влияния распределения центров рекомбинации по глубине полупроводника на кинетику фотопроводимости при однородной генерации светом (зона-зона) носителей заряда. При проведении численных расчетов использовались параметры, характерные для полупроводников типа AIIBVI. Полагалось, что распределение центров рекомбинации подчиняется нормальному закону. Кинетика распределения неравновесных носителей заряда исследовалось путем решения уравнений непрерывности:





Кинетическое уравнение для вероятности нахождения электрона на рекомбинационном центре имеет вид:



Рассчитывалось усредненное время жизни свободных носителей заряда. В образцах, толщины которых менее 1 мм, времена жизни электронов и дырок уменьшаются в несколько раз по сравнению с образцами, толщины которых составляют величину несколько мм. Это связано с диффузией свободных носителей заряда к поверхности с последующей их рекомбинацией.

1. Холоднов В.А., Серебренников П.С. Письма в ЖТФ. 67(9), 655 (1998).

Усиление импульсов в периодических световодах

^ М.С. Явтушенко

Ульяновский государственный университет, Ульяновск

В работе представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования динамики гауссова частотно-модулированного импульса в периодическом по длине нелинейном активном световоде. Для анализа используется система уравнений, полученная в [1] и описывающая динамику параметров импульса: длительности , чирпа , амплитуды :

, , , (1)
где – эффективный параметр нелинейности, связанный с керровской нелинейностью и инкрементом усиления , а для гауссова импульса , . За счет параметров дисперсии , а также и можно управлять не только чирпом импульса, но и длительностью. На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки, а на рис. 2 – полученные экспериментальные результаты для световода с гармоническим профилем дисперсии (период неоднородности 25 м).



Рис.1. Экспериментальная установка. EDFA – легированное Er усиливающее волокно; DOF – световод с периодической по длине дисперсией; OSA – оптический анализатор спектров; AC - автокоррелятор.



Рис.2. Экспериментальные результаты (слева) и продольные профили дисперсии и диаметра волокна (справа).


1. Адамова М.С., Золотовский И.О., Семенцов Д.И. // Радиотехника и электроника. 2008. Т.53, №6. С. 733–737.


ДВОЙНОЙ Стохастический резонанс при дополнительном гармоническом сигнале

А. М. Шутый

Ульяновский государственный университет. Ульяновск

В докладе представлены результаты исследования нового типа стохастичес­кого резонанса (СР), возбуждаемого в условиях динамической бистабиль­ности между двумя предельными циклами прецессии намагниченности тонкой магнитной пленки в случае поперечной (перпендикулярной относи­тельно статического поля, нормального поверхности пленки, и параллельной основному переменному полю) ориентации гармонического сигнала и шума. Полное переменное магнитное поле рассматривается в виде:

,

где – Гауссов белый шум с нулевым средним значением и функцией корреляции с интенсивностью 2D; и – амплиту­да и частота «основного» переменного поля, и – параметры низко-

частотного «дополнительного» сигнала. Динамическое поведение вектора намагниченности ^ M во внешних статическом H и переменном h магнитных полях описывается уравнением Ландау-Лифшица. На рисунке приведен спектр мощности колебаний, , где , отнесенный к соот­ветствующей мощности колебаний на частоте в отсутствие шума, при , , и . Поле отвечает динамической бистабильности: намагниченность прецессирует по одному из сильно отличающихся по амплитуде предельных циклов, реализующихся в пленке типа (100) с кубической кристаллографи­ческой анизотропией. Видно, что выделенными по мощности, помимо частот и ее первых гармоник, оказываются частоты , где

n – целые числа, с максимумом (в этом диапазоне) на частоте . В докладе показано, что СР наблюдается при двух уров­нях шума: более слабые шумы вызывают резонанс на частоте , а более сильные – на часто­тах, связанных с основной час­тотой; наибольший эффект име­ет место на частоте , при­чем амплитуда колебаний в СР на данной частоте существенно превосходит колебания на часто­те в условиях «первого» СР.


Разработка технологии синтеза оптических стекол

для получения наноструктурированных волоконных световодов

В.И. Беглов, ^ М.А. Голубьев, Т.М. Зорина, Г.И. Килейников, К.Н. Нищев,

А.П. Сивко, С.А. Смирнов

Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Саранск

В докладе сообщается о результатах работы авторов по освоению технологии синтеза высокочистых оптических стекол с перспективой получения на их основе активных наноструктурированных волоконных световодов. Для синтеза высокочистых оптических материалов в ИФХ МГУ им.Н.П.Огарева введена в эксплуатацию новая установка, позволяющая осуществлять индукционный нагрев и плавку твердофазной шихты в тигле в контролируемой атмосфере. На этапе освоения технологии были синтезированы стекла составов: 50SiO2-20CaO-10Na2O-10Li2O-10K2O и 55GeO2-20PbO-10BaO-10ZnO-5K2O. Данные стеклянные матрицы активировались ионами Nd3+, путем добавления в шихту Nd203 в концентрации 1 вес %.

Синтез стекол на силикатной основе проводился в температурном интервале 1400 ºС -1450 ºС в течение 2,5 часов. С целью гомогенизации расплав выдерживался при максимальной температуре в течение 2 часов, затем он выливался в предварительно нагретую до 400 ºС массивную изложницу. Остывшие формованные слитки отжигались в течение 3-х часов при температуре 430 ºС.

Германатные стекла синтезировались в температурном интервале 1200 ºС -1250 ºС. Процесс нагрева и плавления шихты осуществлялся в течение 2-х часов, выдержка при максимальной температуре составляла 1 час. Время отжига полученных слитков – 3 часа при температуре 500 ºС.

В диапазоне длин волн от 400 нм до 800 нм исследованы спектральные свойства синтезированных стекол, а в диапазоне от 800 нм до 1400 нм – их люминесцентные свойства. Проведен анализ спектров поглощения и люминесценции синтезированных стекол.

Методом термогравиметрии с использованием термоанализатора Mettler Toledo в диапазоне температур от 20 ºС до 900 ºС определены значения температуры стеклования и кристаллизации синтезированных стекол.

Исследование неоднородностей профиля показателя преломления преформ волоконных световодов

К.Н. Нищев, ^ А.А. Панов, К.В. Саврасов

Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева, Саранск

Определяющим условием качества оптического волокна является является качество исходной заготовки – преформы. Контроль параметров преформы, и прежде всего ее профиля показателя преломления, является необходимым элементом технологии получения волоконных световодов [1,2]. Целью работы являлось освоение методики измерения профиля показателя преломления преформ волоконных световодов, изготовленных методом MCVD, а также оценка степени однородности профиля показателя преломления в объеме заготоки. В качестве исследуемых образцов использовались преформы, изготовленные в условиях производства на филиале ОАО «Росинтероптика» в г. Гусь-Хрустальном. Для измерения профиля показателя преломления использовался преформ-анализатор Р-101. В докладе представлены результаты измерений неоднородности профиля показателя преломления по длине преформы, а также в зависимости от углового положения преформы. Приводятся результаты исследования влияния термической обработки на профиль показателя преломления преформ в процессе их изохронного отжига.


Чео П.К. Волоконная оптика: Приборы и системы. Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1988 – 280 с.

Гурьянов А.Н., Раевский А.С. Волоконные световоды для систем передачи информации / Учеб. пособие НГТУ. Нижний Новгород, 2003 – 123 с.


^ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

НА СТОЙКОСТЬ К ДЕФОРМАЦИИ


Е.В. Резак

Дальневосточный государственный университет путей сообщения,

Хабаровск


Оптическое волокно в настоящее время считается совершенной физической средой для передачи потоков информации. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам. Волокно относительно недорого, компактно и легко. Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Важным свойством волокна является так же долговечность.

Но в реальных условиях, в процессе эксплуатации оптического волокна будет происходить неизбежное затухание сигнала, вызванное воздействиями на оптический кабель различных внешних условий как: перепады температур, влияние полей, радиации, деформация различного вида. В результате последнего, в волокне могут появляться удлинение, изгибы и разрывы.

Проведены исследования изгиба оптического волокна при различных углах и радиусах изгиба, и расстояниях торцов волокна при разрыве. Схема для испытания состояла из источника лазерного излучения (λ=1311 нм), приемника регистрации затухания, волокна с искусственно созданным изгибом, диаметр которого менялся, так же создавался искусственный разрыв волокна.

В результате получены следующие результаты: при малых угла изгиба затухание практически не увеличивается, начиная с 60 затухание резко возрастает, при чем с уменьшением радиуса изгиба затухание заметно увеличивается от 2 до 15 дБ (радиус изгиба от 2 мм до 5 мм), при угле изгиба в 180 с уменьшением радиуса изгиба от 15 мм до 3 мм затухание увеличивалось на 15 дБ; с увеличение разрыва волокна угол, при котором становились заметны изменения в затухании уменьшался.

По результатам проведенных исследований, можно предположить: при больших радиусах кривизны увеличения затухания сигнала с увеличением расстояния при разрыве происходят практически параллельно, то есть оптическая разность хода примерно равна нулю (не более предельного угла полного внутреннего отражения); при меньших радиусах кривизны изменения затухания происходят параллельно лишь при начальных углах искривления, то есть в диаграмме направленности происходит осевое смещение и, возможно, наклон максимума; по мере уменьшения диаметра происходит закручивание излучения вдоль волокна, то есть угол падения не меньше предельного угла полного внутреннего отражения и после примерно 60 наблюдается заметная, высвечивание сигнала.