Волоконная оптика – достаточно молодая, но быстро достигшая своего расцвета область знания, техники и технологии, а наш Научный центр волоконной оптики РАН (НЦВО РАН) – один из мировых лидеров по исследованию физики волоконных световодов (ВС), по решению актуальных фундаментальных и прикладных задач в области волоконной оптики и созданию новых типов ВС для волоконно-оптической связи и для специальных применений. В данной статье, посвященной 30-летию НЦВО РАН, кратко описаны основные научные достижения и вехи развития Центра.

Начало волоконной оптики было положено в статье будущего Нобелевского лауреата Ч. Као 1966 года, в которой было показано, что затухание света в стеклянном световоде может быть снижено до уровня, многократно ниже 20 дБ/км, при надлежащем выборе состава стекла и создании необходимой световедущей структуры с сердцевиной и оболочкой с меньшим показателем преломления, чем у сердцевины. Т.е., в статье было дано обоснование самой возможности волоконно-оптической связи!

Уже в 1970 году фирма «Corning Glass» (США) сообщила об изготовлении стеклянных волоконных световодов с затуханием ниже 17 дБ/км, при этом, ни состав стекла, ни способ изготовления световодов не раскрывались.

Истоки Научного центра волоконной оптики Российской академии наук (НЦВО РАН) относятся к 1972 году, когда заведующий Лабораторией колебаний ФИАН Нобелевский лауреат А.М. Прохоров предложил младшему научному сотруднику к.ф.-м.н. Е.М. Дианову заняться волоконной оптикой – новым, только зарождающимся в мире научным направлением. Александр Михайлович отлично понимал, что это не просто «фундаментальная» задача по распространению света по протяженному диэлектрику на стыке оптики и физики твердого тела. Как потом оказалось, всего через несколько десятилетий волоконная оптика и идущая за ней «цифровизация» революционно изменили сами основы жизни людей!

А.М. Прохоров познакомил Е.М. Дианова с Ж.И. Алферовым, занимавшимся разработкой полупроводниковых гетеролазеров в ФТИ им. А.Ф. Иоффе – источников излучения для гипотетических волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) – и ставшему впоследствии Нобелевским лауреатом за создание полупроводниковых гетероструктур для оптоэлектроники.

А.М. Прохоров понял, что не стоит отвлекаться и развивать в ФИАНе технологию изготовления полупроводниковых лазеров для ВОЛС (в ФТИ это направление и так отлично развивалось), а целесообразно сконцентрироваться на волоконных световодах (ВС) как таковых.

Технологии получения высокочистых веществ, необходимых для создания ВС, имелись в СССР в Институте химии АН СССР (город Горький, теперь Нижний Новгород), и А.М. Прохоров обратился к члену-корреспонденту (впоследствии академику) Г.Г. Девятых (в те годы зам. директора ИХАН по научной работе) с предложением заняться созданием технологии ВС. Так начались совместные, уникальные по продолжительности (50 лет) и плодотворности (более тысячи совместных публикаций, более сотни «волоконных» диссертаций) исследования двух академических институтов, «химиков» и «физиков», группы «Материалы волоконной оптики» под руководством к.х.н. А.С. Юшина ИХАН и группы волоконной оптики под руководством к.ф.-м.н. Е.М. Дианова Лаборатории колебаний ФИАН (позже переросшей в лабораторию волоконной оптики). Соответственно в ИХАН группа «Материалы волоконной оптики» переросла в Лабораторию технологии волоконных световодов.

Группа волоконной оптики Отдела колебаний ФИАН 1973 г.

Е.М. Дианов, А.М. Прохоров, А.Н. Гурьянов, Г.Г. Девятых и С.П. Еллиева обсуждают MCVD-технологию преформ для волоконных световодов в ИХАН

В те годы в ИХАН с использованием высокочистых реагентов изготавливались преформы ВС на основе кварцевого стекла (с нелегированной и легированной германием сердцевиной) по технологии MCVD (осаждение стекла из газовой фазы на внутреннюю поверхность опорной кварцевой трубки) и VAD (внешнее осаждение на затравку). Преформы вытягивались на установках в ФИАНе, одна из которых была размещена в бывшей пожарной башне юго-запада Москвы по соседству с территорией ФИАНа. Там же, в ФИАНе, проводились исследования физических свойств ВС и вырабатывались рекомендации по оптимизации параметров технологического процесса изготовления преформ. Из двух технологий, реализованных в ИХАНе для изготовления преформ, технология MCVD была выбрана как наиболее перспективная.

В режиме обратной связи «технология–эксперимент» в 1975 году были получены первые отечественные ВС с малыми оптическими потерями (7 дБ/км на длине волны λ=0,85 мкм) – это были многомодовые ступенчатые ВС с сердцевиной из нелегированного кварцевого стекла и боросиликатной оболочкой. К 1977 году потери были снижены еще на порядок – до 0.7 дБ/км на λ=1.6 мкм.

Уже в 1977 году из наших ВС был создан оптический кабель связи и первая ВОЛС в Зеленограде (по заданию Министерства электронной промышленности СССР).

Результатом совместной работы с Ж.И. Алферовым явилась также демонстрация в ФИАН в 1978 году впервые в мире ВОЛС для дальней связи со спектральным уплотнением на перспективной рабочей длине волны λ=1,3 мкм. [1], [2]

В 1981 г. Лабораторию технологии волоконных световодов ИХАН возглавил к.х.н. А.Н. Гурьянов, ставший впоследствии д.х.н., член-корреспондентом РАН и остававшийся на посту заведующего лабораторией вплоть до кончины в 2022 г. Отечественная волоконная оптика очень многим обязана А.Н. Гурьянову и его лаборатории!  

В 1980 году ИОФАН и ИХАН получили одномодовые ВС с потерями менее 5 дБ/км.

В 1983 году на основе лаборатории колебаний ФИАН был образован Институт общей физики АН СССР, который возглавил А.М. Прохоров, а сектор волоконной оптики Лаборатории колебаний ФИАН стал Отделом волоконной оптики ИОФАН.

ИОФАН совместно с ИХАН изготовил многомодовые градиентные ВС с шириной полосы пропускания не менее 500 МГц·км для ВОЛС длиной ~10 км, которая была проложена в 1984 году непосредственно вблизи Останкинской телебашни, к домам, к которым от самой башни не попадал телевизионный сигнал. Позже еще несколько подобных ВОЛС были запущены в Москве, Ленинграде и Горьком.

Командами ИОФАН и ИХАН к 1986 году были получены широкополосные многомодовые градиентные ВС (ширина полосы пропускания В уже не менее 1 ГГц·км на λ=0,85 и 1,3 мкм), в 1987 году – одномодовые ВС с минимальными оптическими потерями 0,35 дБ/км на λ=1,6 мкм, а к 1990 году – одномодовые ВС с модифицированными дисперсионными свойствами (со смещенной на λ=1,55 мкм длиной волны нулевой дисперсии и с «плоской дисперсией» в широком спектральном диапазоне), а также многомодовые градиентные ВС, оптимизированные на λ=1,55 мкм (В≥2,5 ГГц·км).

Исследования Отдела волоконной оптики ИОФАН собственных и радиационно-индуцированных центров окраски в ВС на основе нелегированного и легированного германием кварцевого стекла, проведенные в период 1979-1993 гг., впоследствии получили широкое международное признание (ряд работ выполнен совместно с НИИЯФ МГУ) [3-8].

В Отделе были созданы технологии вытяжки ВС в металлическом защитном покрытии (алюминий, медь, олово, золото) [9-11] и в герметичном углеродном покрытии [12]. Исследования механической прочности и долговременной надежности волоконных световодов в различных защитных покрытиях позволили получить пионерские результаты. Было установлено, что герметичные покрытия (металлические и углеродные) предотвращают попадание молекул воды на поверхность ВС и значительно подавляют эффект «усталости», проявляющейся в утрате механической прочности ВС со временем.

В разработке ВС повышенной прочности было весьма заинтересовано Конструкторское бюро машиностроения, разрабатывавшее противотанковый управляемый по ВС реактивный снаряд (ПТУРС). Нами были изготовлены ВС в алюминиевом покрытии с рекордно высокой механической прочностью (в некоторых образцах до 14 ГПа).

В 1988 году для Отдела волоконной оптики ИОФАН был построен лабораторный корпус площадью 5000 м², в котором и сейчас располагается НЦВО РАН.

Тогда же в 1988 году на базе ряда лабораторий ИХАНа, включая Лабораторию технологии волоконных световодов, был образован Институт химии высокочистых веществ АН СССР (с 1991 г. - ИХВВ РАН). На протяжении всей последующей истории ИХВВ РАН продолжал вносить существенный вклад в научные достижения Отдела волоконной оптики ИОФ РАН, а потом НЦВО РАН, многие из которых были бы попросту невозможны без вклада ИХВВ РАН.

Во второй половине 1980-ых в Отделе волоконной оптики ИОФАН совместно с ИХВВ АН были созданы технологии получения и исследованы свойства двулучепреломляющих ВС эллиптического сечения, а также, активных ВС, легированных ионами эрбия и других редкоземельных элементов. Изобретена и продемонстрирована динамическая оперативная память рециркуляционного типа на ВС [13].

В трудные для страны 1990-ые годы научный уровень исследований и разработок Отдела волоконной оптики ИОФ РАН, вопреки всему, только возрастал, о чем свидетельствовало широкое международное признание наших работ.

В 1992 году академик А.М. Прохоров инициировал создание Научного центра волоконной оптики при ИОФ РАН как отдельного юридического лица под руководством члена-корреспондента РАН Е.М. Дианова, а в 1993 году Центру был присвоен такой статус.

К этому времени стало ясно, что в создании ВС для линий связи нам не стоит конкурировать с фирмами США и Японии – наша ниша именно фундаментальные исследования и разработки в традициях научной школы ФИАН-ИОФАН. Именно в этот период открытости нашей страны, невзирая на значительные затруднения в финансировании академической науки, активно развивались наши научные контакты и взаимовыгодные совместные исследования с ведущими фирмами и университетами мира, что, безусловно, способствовало росту уровня научных исследований в НЦВО РАН и укрепляло его авторитет в России и мире.

В НЦВО РАН было всестороннее исследовано нелинейное распространение лазерного излучения по ВС и проведено теоретическое и экспериментальное исследование генерации и распространения солитонов в ВС [14-30], открыт эффект ВКР-саморассеяния солитонов [28], впервые дано теоретическое описание их взаимодействия на расстоянии [24], установлено, что это взаимодействие обусловлено электрострикцией [19], [29]. Впервые в мире осуществлена генерация последовательности солитонов с высокой частотой повторения (десятки и сотни ГГц) в ВС с плавно изменяющейся дисперсией по длине [26], [25], [30].

Наши исследования нелинейного распространения лазерного излучения в ВС получили высокую оценку у специалистов в мире, заложили физические основы для использования солитонов в протяженных линиях оптической связи и привели к созданию волоконных лазеров ультракоротких импульсов.

Исследования вынужденного комбинационного рассеяния (вынужденного рамановского рассеяния) в волоконных световодах привели к тому, что в 1994 году нами впервые в мире была продемонстрирована возможность создания непрерывных источников накачки для оптических усилителей на λ=1,3 мкм (во втором окне прозрачности) и создан первый эффективный оптический усилитель, работающий в указанном диапазоне [31, 32].

Были созданы высоколегированные германосиликатные ВС, позволяющие существенно понизить порог нелинейных эффектов, что было необходимо для ВКР-лазеров и усилителей и для генерации т.н. «суперконтинуума» – когерентного излучения в широком спектральном диапазоне. Такие ВС позволили эффективно управлять дисперсией и сдвинуть область прозрачности в область бòльших длин волн. Оптимизация технологии изготовления высоколегированных германосиликатных ВС обеспечила сверхнизкие оптические потери в них (менее 1,5 дВ/км при концентрации 30 мол.% GeO₂ – это было рекордно низкое значение для технологии MCVD!) [33], [34]. Дальнейшее совершенствование технологии позволило впервые в мире получить ВС с германатной сердцевиной (концентрация GeO₂ до 98 мол.%), в которых, в том числе, достигнута ВКР-генерация солитонов в спектральной области до λ=2,7 мкм [35-36].

Разработаны ВС с большой концентрацией фосфора в сердцевине [37] и на их основе созданы высокоэффективные волоконные ВКР-усилители для линий оптической связи и волоконные ВКР-лазеры, способные генерировать излучение в широкой спектральной области [38, 39].

Исключительные возможности волоконных ВКР-лазеров по смещению длины волны излучения в широком спектральном диапазоне продемонстрированы нами на примере эффективного многокаскадного ВКР-лазера на ВС с повышенными концентрациями оксидов фосфора и германия: при накачке на λ=1,06 мкм выходное излучение за счет шестикаскадного ВКР-преобразования смещалось на λ=2,06 мкм. В результате, созданные в НЦВО РАН рамановские волоконные лазеры на основе специальных ВС из кварцевого стекла с германосиликатной и фосфоросиликатной сердцевиной перекрывали весь диапазон длин волн 1.1-2.2 мкм. Наши рамановские волоконные лазеры используются во многих лабораториях в различных странах!

Схема шестикаскадного рамановского волоконного лазера на световодах на основе кварцевого стекла, осуществляющего преобразование 1057 нм - 2062 нм. Лазер состоит из последовательно включенных двухкаскадного и четырехкаскадного рамановских лазеров на различных типах световодов. Около брэгговских решеток указаны их резонансные длины волн. Выходная мощность ~ 1 Вт на 2062 нм [34].

В НЦВО РАН теоретически и экспериментально исследован эффект генерации второй гармоники в ВС [40]. Предложен фотогальванический механизм для объяснения этого эффекта в ВС на основе кварцевого стекла. Построенная нами теоретическая модель была полностью подтверждена экспериментально и признана международным научным сообществом. Понимание физики процесса генерации второй гармоники открыло возможности эффективного наведения нелинейности второго порядка в ВС («полинга»). Применение «полингованных» волоконных световодов как нелинейных сред позволило создавать компактные, полностью волоконные (“all-fiber”) генераторы второй гармоники лазерного излучения [41, 42], и источники фотонов в квантово-запутанных состояниях [43, 44].

Развиты плазмохимические технологии изготовления преформ ВС: технология осаждения стекла в плазме СВЧ-разряда при пониженном давлении внутри опорной трубки (SPCVD, surface plasma chemical vapor deposition) и технология осаждения фторсиликатного стекла на опорный стержень из кварцевого стекла (POD, plasma outside deposition).

С помощью технологии SPCVD разработаны уникальные ВС из кварцевого стекла, легированного азотом [45], которые впоследствии нашли применение как радиационно-стойкие двулучепреломляющие ВС для гироскопов на спутниках. «Азотные» ВС также позволили записывать волоконные брэгговские решетки показателя преломления (ВБР) с повышенной термостойкостью.   

Разработаны ВС с рекордной стойкостью к воздействию ионизирующего излучения в видимом спектральном диапазоне, превосходящие по стойкости мировые аналоги [46] – ВС фирм «Фуджикура», «Мицубиши» (Япония), «Файбергайд» (США), «Гераус» (Германия). ВС имеют герметичное покрытие (металлическое или углеродное) и молекулы Н₂ (D₂), растворенные в стекле. Разработанные ВС оказались незаменимыми в системах диагностики плазмы термоядерного реактора ИТЭР, создаваемых в настоящее время в Российском агентстве ИТЭР.

За работы по созданию плазмохимических технологий преформ ВС и получению новых типов световодов с их помощью авторский коллектив сотрудников НЦВО РАН, ИРЭ РАН и ИХС РАН в 2002 г. удостоен Государственной премии РФ в области науки и техники.

Разработаны пилотные образцы инновационных волоконно-оптических датчиков физических величин (температуры, давления, звука и др.), использующих в качестве чувствительного элемента интерферометры Фабри-Перо, Майкельсона, Маха-Зандера и Саньяка или их комбинации. Исследована зависимость чувствительности датчика на интерферометре Саньяка, показано, что при оптимальной длине ВС она может превышать чувствительность волоконных датчиков на классических интерферометрах (Фабри-Перо, Майкельсона и Маха-Зандера). [47] Продемонстрированы прототипы датчиков охраны периметра объекта и гидрофона.

Вместе с волоконными световодами на основе кварцевого стекла с 1977 г. в НЦВО РАН разрабатывались и исследовались световоды из материалов, область прозрачности которых простиралась в более длинноволновый – средний ИК диапазон: в первую очередь из халькогенидных, теллуридных и фторидных стекол, а также из кристаллов галогенидов щелочных металлов и серебра.

Такие световоды предназначались для многочисленных пассивных и активных применений: передачи излучения мощных CO и CO₂ лазеров, волоконных лазеров и преобразователей излучения ближнего и среднего ИК диапазонов, для дистанционной низкотемпературной пирометрии, для аналитической спектроскопии в медицине, технологии и различных специальных применений.

Научные и практические результаты в области создания и исследования ВС для среднего ИК-диапазона, полученные совместно с сотрудниками ИХВВ РАН и ГОИ, были отмечены в 1998 году Государственной премией РФ.

В XXI веке НЦВО РАН продолжил свое развитие.

Ю.С. Осипов, А.М. Прохоров и Е.М. Дианов (2001 г.)

Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Е.М. Дианов (2001 г.)

Разработаны различные технологии и конструкции микроструктурированных ВС, включая фотоннокристаллические и ВС с полой сердцевиной. На основе наших микроструктурированных ВС со специальными дисперсионными свойствами созданы и широко тиражируются по лабораториям мира волоконные генераторы суперконтинуума.  

Впервые в мире в НЦВО РАН обосновано теоретически и продемонстрировано экспериментально эффективное удержание света в т.н. «револьверных» ВС с полой сердцевиной (ВС, имеющих «отрицательную кривизну» границы сердцевина-оболочка) При такой структуре поперечного сечения на порядки величины меньше доля света, распространяющегося по стеклянной оболочке, по сравнению с обычными ВС с полой сердцевиной (0,007 % по сравнению с 2-3%) и, следовательно, меньше оптические потери на поглощение. В Центре было продемонстрировано распространение света в револьверных ВС на основе кварцевого стекла с малыми оптическими потерями в диапазоне до ~5 мкм, т.е., потери были снижены на порядки величины по сравнению с самим кварцевым стеклом. В настоящее время именно револьверные ВС изготавливаются, исследуются и применяются всеми лабораториями мира, работающими с полыми волоконными световодами.

Поперечные сечения револьверных световодов с полой сердцевиной: (a) – ВС, впервые предложенный и реализованный технологически в НЦВО РАН в 2011 г. [48]; (b) - ВС с разделенными капиллярами, также впервые предложенный и созданный в НЦВО РАН в 2013 г. [49]; ВС с двойными вложенными капиллярами, впервые реализованный в НЦВО РАН в 2016 г. [50].

Исследован фоторефрактивный эффект в ВС на основе кварцевого стекла, разработаны различные технологии записи решеток показателя преломления в ВС (волоконных брэгговских решеток (ВБР), длиннопериодных, чирпированных и др.) и исследованы их свойства. Продемонстрировано эффективное применение решеток в качестве зеркал волоконных лазеров, чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков физических величин и элементов по управлению длительностью импульса в различных волоконно-оптических устройствах [51-56].

Наша дочерняя компания «НЦВО-Фотоника» по заказу Международного агентства ИТЭР и под нашим научным руководством сейчас изготавливает тысячи датчиков температуры, деформации и смещения для установки внутри вакуумной камеры Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, строящегося во Франции.

Впервые в мире продемонстрирован интерферометр Маха-Зандера на отрезке световода между двумя длиннопериодными решетками показателя преломления и возможность его использования как чувствительного элемента датчиков. 

Разработана технология изменения и микроструктурирования показателя преломления прямой лазерной записью, применимая к любым диэлектрикам, включая нефоточувствительные. Совместно с РХТУ им. Д.И.Менделеева создано и исследовано оптическое устройство нового типа – спиральная волноведущая брэгговская решётка (СВБР) [57]. Вихревые пучки, полученные из обычного лазерного пучка с помощью СВБР, позволяют провести пространственное уплотнение каналов в ВОЛС и тем самым многократно увеличить скорость передачи данных.

Спиральная брэгговская волноведущая решётка (СБВР), созданная в объеме кристалла ИАГ с помощью профилированной перетяжки пучка фемтосекундного лазера, и структура отражённого от нее вихревого света.

Сейчас в НЦВО РАН проводятся исследования по созданию долговечной оптической памяти – методов лазерной записи информации в стекле.

В Центре впервые в мире создан неодимовый волоконный лазер, генерирующий на λ=925 нм с накачкой по оболочке и работающий при комнатной температуре [58]. Создана линейка активных ВС, легированных Nd, Yb, Er, Er-Yb [59], Ho [60], Tm и Tm-Yb [61], для лазеров и усилителей в спектральном диапазоне 0.9-2.0 мкм. Разработаны активные волоконные световоды, легированные Er и Nd, с повышенной стойкостью к ионизирующему излучению. При этом использованы два альтернативных подхода к подавлению радиационных центров окраски в сетке стекла световода [62], [63]. На основе разработанных световодов могут быть созданы радиационно-стойкие лазеры, усилители и люминесцентные источники для использования в космическом пространстве. Технология изготовления эрбиевых радиационно-стойких световодов внедрена в компании ПАО ПНППК.

Также были созданы и исследованы волоконные источники ультракоротких импульсов. Среди основных достижений в этой области следует выделить создание эрбиевых [64] и тулиевых [65], [66] волоконных фемтосекундных лазеров, освоение совместно с ИОФ РАН нового метода пассивной синхронизации мод на основе углеродных наноструктур [67], а также получение впервые в мире генерации пикосекундных импульсов в висмутовом волоконном лазере с пассивной синхронизацией мод [68]. В последнее время, благодаря успешному развитию технологии полых револьверных световодов, была реализована генерация пико- и фемтосекундных импульсов в среднем ИК-диапазоне вблизи 3 мкм за счет ВКР в газонаполненных световодах с полой сердцевиной при накачке мощными ультракороткими импульсами.

Схема гироскопической установки на основе двунаправленного кольцевого эрбиевого волоконного лазера с пассивной синхронизацией мод

Активно ведутся исследования активных световодов с увеличенным диаметром поля моды для импульсных лазеров и усилителей с высокой пиковой мощностью. В частности, проведены пионерские исследования новой фосфороалюмосиликатной стеклянной матрицы для легирования редкоземельными элементами [69-71]. Благодаря нашим исследованиям такой состав стекла стал в мире «золотым стандартом» для активных световодов с увеличенным диаметром поля моды.

На основе фосфороалюмосиликатной  стеклянной матрицы были созданы активные эрбиевые световоды с увеличенным диаметром сердцевины и накачкой по оболочке, которые позволили получить целый ряд мировых рекордов по пиковой мощности и энергии генерируемых импульсов в спектральной области ~1.55 мкм [72-74].

Активные эрбиевые световоды с увеличенным диаметром сердцевины: (а) Профиль показателя преломления и распределение электрического поля в созданном эрбиевом световоде с накачкой по оболочке; (б) изображение моды в ближнем поле, сделанное при максимальной выходной мощности; (в) изображение торца эрбиевого световода с накачкой по оболочке; (г) зависимость выходной энергии от введенной мощности накачки  для разных частот повторения (продемонстрирована рекордно высокая энергия на уровне 1 мДж [72]); (д) зависимость эффективности преобразования накачки в сигнал для предельных пиковых мощностей одночастотных импульсов, достигнутых с помощью разных технологий: черные квадраты (заполненные и пустые) – результаты, полученные с помощью разработанных в НЦВО РАН эрбиевых световодов с накачкой по оболочке (получена рекордно высокая пиковая мощность 4 кВт [73]), красная звезда – разработанный в НЦВО РАН комбинированный усилитель, содержащий эрбиевый световод с накачкой по оболочке и эрбий-иттербиевый световод (продемонстрирована рекордно высокая эффективность преобразования накачки в сигнал для предельно высокой пиковой мощности [74]).

Использование фосфороалюмосиликатной матрицы позволило также существенно усовершенствовать конструкцию активных конусных ВС, в первую очередь, иттербиевых. Это позволило продемонстрировать рекордно высокие пиковые мощности в полностью волоконных импульсных волоконных лазерах для спектрального диапазона ~1 мкм [75-76].

Активный конусный волоконный световод: (а) распределение диаметра внешней оболочки, первой отражающей оболочки и сердцевины по длине конусного световода; (б) изображение торца световода; (в) зависимость выходной мощности от мощности накачки на выходе конусного световода; (г) спектр усиливаемого и усиленного импульсного сигнала на входе и на выходе конусного световода [76]

В НЦВО РАН совместно с ИХВВ РАН в 2005 году впервые в мире разработаны висмутовые ВС, на основе которых были созданы волоконные лазеры, генерирующие в области длин волн 1140 – 1215 нм [77]. НЦВО РАН является мировым лидером в данной области. За прошедшее время в Центре проведен ряд пионерских работ качественно изменивших современное представление о структуре висмутовых активных центров (ВАЦ): установлены взаимосвязи ВАЦ с легирующими добавками и параметрами технологического процесса; определены энергетические диаграммы ВАЦ; выявлены закономерности и особенности их формирования. В результате проделанной работы был создан совершенно новый тип висмутовых ВС, способных усиливать и генерировать излучение в широкой области ближнего ИК-диапазона (1260 – 1775 нм) [78 - 82]. На основе таких висмутовых световодов были разработаны эффективные волоконные усилители для O (1260–1360 нм), E (1360–1460 нм), S (1460–1530 нм) и U (1625–1675 нм) телекоммуникационных диапазонов, востребованных для активно развивающейся в мире технологии multi-wavelength-band, предполагающей увеличение пропускной способности линии связи за счёт задействования дополнительных спектральных диапазонов для передачи данных. Усилители на основе висмутовых ВС обладают широким спектром оптического усиления (с возможностью расширения до 200 нм [83, 84]) при низком шум-факторе <5-7 дБ; высоким быстродействием; слабой чувствительностью к температурным колебаниям; прост в конструкции и использовании, поскольку построен по современным стандартам с использованием широкодоступных оптических компонентов, включая одномодовые и многомодовые полупроводниковые лазерные диоды; может быть эффективно интегрирован в существующие системы оптической связи, что и определяет интерес к ним со стороны крупных телекоммуникационных компаний, занимающихся созданием конечного коммерческого продукта.

Спектральные зависимости нормированного усиления и шум-фактора висмутовых (BDFA) и эрбиевых (EDFA) волоконнеых усилителей.

Исследован эффект катастрофического разрушения ВС из-за оптического разряда (“fuse effect”), который может происходить при передаче по ВС лазерного излучения с мощностью всего ~1 Вт, т.е., лишь в 2 раза большей, чем мощность в современных ВОЛС. Нами впервые установлен физический механизм эффекта и предложены способы его подавления. Впервые исследован также эффект разрушения световодов с полой сердцевиной под действием лазерного излучения. [85], [86].

Фотография структуры пустот в сердцевине стандартного коммуникационного световода на основе кварцевого стекла после распространения оптического разряда под действием лазерного ИК излучения мощностью 5 Вт. Вверху - область точки остановки разряда после выключения лазера, внизу - периодическая последовательность пустот вдали от точки остановки. Лазерное излучение распространялось слева направо.

Проведены пионерские исследования по оптимизации технологии пассивных радиационно-стойких ВС для ближнего ИК диапазона (λ=1,31 и 1,55 мкм). Впервые определены радиационные центры окраски, ответственные за радиационно-индуцированное поглощение света в ближнем ИК диапазоне, подробно описаны их свойства. Определены пути их подавления путем оптимизации технологических параметров. Разработанные радиационно-стойкие ВС проявляют стойкость одновременно и к непрерывному и к импульсному воздействию ионизирующего излучения, а также перспективны для применения в ядерных реакторах [87-89].

Таким образом, в НЦВО РАН разработан комплекс научно-технических и технологических решений по получению ВС, стойких к воздействию водорода и ионизирующего излучения, в том числе при повышенных температурах. Работоспособность при повышенных температурах определяется материалом защитных покрытий: углеродным подслоем и термостойким покрытием из силиконовой резины (до 200 ^оС), полиимидным лаком (до 300 ^оС), алюминием (до 450 ^оС) или медью (до 600 ^оС). Разработанные ВС востребованы для применений в системах волоконно-оптической связи и волоконно-оптических датчиках, подвергающихся воздействию высоких температур, агрессивных сред и ионизирующих излучений (в нефтегазовой промышленности, в ядерных и термоядерных реакторах, внутри объектов с ядерной опасностью, АЭС, на космических аппаратах, в вооружениях, в военной и специальной технике и др.). При участии НЦВО РАН мелкосерийное производство таких световодов организовано в ПНППК.

В последнее время средний ИК диапазон приобрел особую актуальность из-за его востребованности в фундаментальной и прикладной спектроскопии (включая спектральные приборы для исследования космоса), в медицинских и промышленных датчиках. В Центре были получены яркие результаты по созданию лазерных источников и ВС с малыми потерями для этого диапазона (халькогенидных, поликристаллических и револьверных полых).

В 2009 году совместно с ИХВВ РАН нами получены волоконные световоды из халькогенидных стекол системы As-S с оптическими потерями 12±2 дБ/км на длине волны 3 мкм и 14±2 дБ/км на 4.8 мкм [90] — результат, который не достигнут до сих пор нигде в мире.

Совместно с ИПТМ РАН исследованы оптические свойства низкофононных кристаллов, легированных редкоземельными ионами. В результате в 2006 году впервые в мире была продемонстрирована лазерная генерация на электронном переходе иона трёхвалентного диспрозия ⁶H_9/2+⁶F_11/2→⁶H_11/2, самая длинноволновая для твердотельных лазеров при нормальных климатических условиях (λ=5,5 мкм, при комнатной температуре и в негигроскопичной среде) [91].

Схема инфракрасных излучательных электронных переходов примесного иона Dy³⁺. Выделен цветом реализованный нами переход на λ=5,5 мкм.    

Совместно с ИОФ РАН и ИХВВ РАН впервые в мире была получена лазерная генерация в халькогенидных стеклах, активированных редкоземельными элементами (Tb, Pr, Ce, Nd), в диапазоне длин волн 4.5-6,5 мкм [92-95]. Также впервые в мире совместно с учеными ИХВВ РАН и ИОФ РАН была получена лазерная генерация в халькогенидных ВС, активированном ионами Tb и Ce, и продемонстрирован непрерывный волоконный лазер мощностью 150 мВт при комнатной температуре [96]. Немаловажно, что эти результаты ни у кого в мире не получилось повторить.

Зависимость выходной мощности халькогенидного волоконного лазера от мощности накачки. На вставке – спектр лазера.

Исследования по рамановскому преобразованию излучения в револьверных полых ВС с сердцевиной, заполненной легкими молекулярными газами (H₂, D₂ и CH₄), позволили продемонстрировать эффективные рамановские газовые волоконные лазеры, генерирующие нано- и пикосекундные импульсы на длинах волн вплоть до λ=4,4 мкм [97, 98].

Исследовано зажигание и поддержание газового разряда в револьверных ВС, заполненных различными благородными газами (He, Ne, Kr, Xe), под действием электрического поля СВЧ диапазона. В результате, впервые в мире реализован новый тип лазеров: газоразрядный волоконный лазер. В качестве первого представителя этого типа лазеров продемонстрирована генерация волоконного He-Xe лазера на длине волны 2.03 мкм [99]. Полученный результат открывает новые перспективы для создания газоразрядных волоконных лазеров, которые сочетают в себе преимущества как волоконных, так и газоразрядных лазеров, и могут найти применение в различных областях науки и техники.

Слева: спектр генерации рамановского газового волоконного лазера на основе револьверного световода, заполненного водородом. Средняя мощность генерации на длине волны 4.42 мкм составила 1.4 Вт [97]. На вставке показано одномодовое распределение выходной мощности на 4.42 мкм, промодулированное интерференцией на входном окошке камеры. Справа: спектр генерации первого в мире газоразрядного волоконного лазера. Получена генерация на длине волны 2.03 мкм на переходах атомов ксенона, заполняющих полую сердцевину [99]. На вставке показано фото поперечного сечения револьверного световода.

 a) Внешний вид первого в мире волоконного газоразрядного лазера на световоде с полой сердцевиной диаметром 130 мкм [99]. b) обзорное фото свечения газового разряда в световоде с полой сердцевиной под действием стоячей волны СВЧ излучения. с) световод с полой сердцевиной расположен на нижнем крае щели в боковой стенке СВЧ волновода. В левой части показана ширина щели в данном эксперименте, d=1.5 мм.

Впервые в мире методом экструзии получены поликристаллические ВС из кристаллов галогенидов серебра AgCl-AgBr-AgI с фундаментальными оптическими потерями менее 50 дБ/км в диапазоне длин волн 9-14 мкм. Разработаны технологии изготовления микро- и нано- структурированных экструзионных световодов для среднего ИК диапазона 3-16 мкм с невозрастающими оптическими потерями за время свыше 3 лет.

Совместной экструзией получены микро- и нано-структурированные световоды из составных заготовок различного состава галогенидов серебра, меди, калия, натрия, лития, таллия и вставок различной природы (металлы, полупроводники) и формы, в том числе фотоннокристаллические ВС для среднего ИК. [100, 101].

Всего за историю группы, сектора, лаборатории волоконной оптики ФИАН и ИОФАН и самого НЦВО РАН сотрудниками было защищено 15 докторских и 104 кандидатские диссертации, получены две Государственные премии. Сотрудники ИХВВ РАН защитили за это время 17 диссертаций по волоконной тематике, из них 4 – докторские.

В НЦВО РАН всегда было много молодых ученых даже не столько из Москвы, сколько из регионов – лучших выпускников университетов Саранска, Волгограда, Хабаровска и других городов России.

Ученые Центра неизменно, даже в самые трудные 1990-ые годы, представляли доклады и участвовали в ведущих международных научных конференциях, таких как Optical Fiber Communication (OFC), European Conference on Optical Communication (ECOC), Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), International Congress on Glass (ICG) и др.  

По публикационной активности в области волоконной оптики НЦВО РАН является лидером в России. При этом качество и, следовательно, востребованность наших публикаций достаточно высоки – в среднем каждая статья или доклад на конференции цитируется более 10 раз. Приведем данные по основным наукометрическим источникам за период 1993-2019 гг. 

НЦВО РАН всегда имел внебюджетное финансирование и выполнял НИР и НИОКР по заказу министерств, агентств, промышленных и инновационных предприятий, таких как Минобороны, Минобрнауки, Минромторг, ФАПСИ, Росатом, НИЦ «Курчатовский институт», ПНППК, НЦВО-Фотоника, РФЯЦ-ВНИИТФ имени академика Е.И. Забабахина, ВНИИА им. Н.Л. Духова, ЛАССАРД, ВНИИКП, КБМ, “ИРЭ-Полюс”.  В числе зарубежных заказчиков НЦВО РАН были такие компании как Huawei, IPG-Photonics, Corning, Samsung Electronics, Fianium, MPB-Photonics, AT&T Bell Labs, Alcatel, Pirelli, Nortel, SCK•CEN Belgian Nuclear Research Center, NKT Photonics и другие.  

НЦВО РАН осуществляет научное сопровождение российских инновационных предприятий ПНППК и «НЦВО-Фотоника» и внедряет в них свои технологии и ноу-хау.

Начиная с 2007 года раз в два года в Перми проводится Всероссийская конференция по волоконной оптике (ВКВО), организуемая Институтом общей физики им. А.М. Прохорова, Научным центром волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН и Пермской научно-производственной приборостроительной компанией (ПНППК) при поддержке Пермского научно-исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), Пермского государственного национального исследовательского университета (ПГНИУ) и Центра НТИ "Фотоника". Основатель конференции – академик Е.М. Дианов. ВКВО является ключевым научно-техническим мероприятием в области фотоники, стимулирующим развитие волоконной оптики и смежных дисциплин в России.

В 2017 г. Е.М. Дианов был удостоен Премии Тиндаля, вручаемой совместно Обществом «IEEE Photonics Society» и Американским оптическим обществом (OSA) ежегодно единственному ученому, внесшему наибольший вклад в развитие волоконно-оптической технологии.

В январе 2019 года Е.М. Дианов ушел из жизни. С 2020 года НЦВО РАН «вернулся в родную гавань», получив статус обособленного подразделения ИОФ РАН. 

Оглядываясь назад, понимаешь, что Е.М. Дианову при поддержке А.М. Прохорова удалось создать уникальный научный коллектив-семью – НЦВО РАН – который по показателям результативности всегда занимал одно из первых мест среди институтов Отделения физических наук РАН. У нас не задерживались случайные люди, не возникали конфликты интересов между лабораториями, между учеными и вспомогательными подразделениями, которые, в свою очередь, никогда ничего не пытались диктовать ученым. Научные сотрудники, аспиранты, инженеры, механическая и оптическая мастерские и все вспомогательные службы были объединены духом совместного труда и творчества для достижения одной общей цели. Только в таком коллективе, в такой атмосфере и могут, наверное, достигаться высокие научные результаты!

НЦВО РАН продемонстрировал оптимальную структуру научного центра в современных условиях – самостоятельный сплоченный коллектив из 70-80 человек во главе с харизматичным ученым-организатором науки, беззаветно ей преданным.

На май 2023 года в НЦВО РАН – обособленном подразделении ИОФ РАН – работают 67 штатных сотрудников, включая 42 научных работников, из которых 25 – кандидаты наук, 5 – доктора наук, двое ученых –  члены-корреспонденты РАН. В Центре сейчас 6 аспирантов.  

Благодаря школе академика Е.М. Дианова, высокой квалификации сотрудников и сложившемуся в коллективе духу, НЦВО РАН и сейчас остается одним из ведущих научных центров в области волоконной оптики в мире.