Разработка и исследование волоконных световодов для лазеров и усилителей

Основные исследования в лаборатории ведутся в области создания лазеров и усилителей ближнего ИК-диапазона на основе волоконных световодов различного химического состава. Проводятся подробные спектроскопические исследования объемных образцов и оптических волокон, активированных редкоземельными ионами (Yb, Yb-Er, Tm, Nd и др.), d- и p-элементами (Bi, Pb, Te, Cr и др.). В лаборатории имеется возможность проведения экспериментов в широком температурном диапазоне. Большое внимание уделено созданию схем и лабораторных макетов волоконно-оптических устройств, в частности, непрерывных и импульсных лазеров, оптических усилителей и суперлюминесцентных источников излучения на разрабатываемых активных световодах, а также световодах, обладающих нелинейно-оптическими свойствами. В лаборатории выполняются работы по моделированию и экспериментальным исследованиям в области реализации мощных лазерных систем и поиска оптимальных конструкций световодов для построения таких систем. В последние два десятилетия лаборатория проводит интенсивные исследования в области разработки световодов, легированных висмутом. Данная лаборатория является одним из мировых лидеров в указанном направлении, где сделаны пионерские исследования по созданию первых висмутовых лазеров и усилителей, работающих в области длин волн от 1.25 до 1.77 мкм.

1. S. A. Ostrikov, A.V. Kharakhordin, K.E. Riumkin, A.S. Lobanov, E.G. Firstova, S.V. Alyshev, A.M. Khegai, A.A. Umnikov, D.S. Lipatov, M.A. Melkumov, S.V. Firstov, Ten-watt fiber laser and high-gain optical amplifier for a wavelength band of 1.2-1.3 µm based on new bismuth active centers //Optics & Laser Technology. – 2026. – vol. 196. – p. 114651.
2. S. Firstov, A. Kharakhordin, S. Ostrikov, A. Lobanov, K. Riumkin, A. Elopov, S. Alyshev, V. Agakhanova, F. Afanasiev, A. Umnikov, E. Firstova, Elena, A. Abramov, A. Khegai, D. Lipatov, M. Melkumov, Hybrid Active Center in Bismuth-Doped AlPO4 -Containing Glass Fibers for T+O-Band Lasers and Amplifiers // Journal of Lightwave Technology. – 2026. doi: 10.1109/JLT.2026.3678729.

1. S. Alyshev, A. Kharakhordin, A. Umnikov, D. Oleinik, A. Khegai, A. Elopov, K. Riumkin, E. Firstova, F. Afanasiev, D. Lipatov, M. Melkumov, S. Firstov, Ultra-broadband optical amplifiers based on bismuth-doped heterogeneous-core fibers // Optics Letters. – 2025. – Vol. 50, N 16. – P. 4918. DOI: 10.1364/OL.567880
2. S.V. Alyshev, A.M. Khegai, A.A. Umnikov, S.V. Firstov, S. V. Multimode LD-pumped bismuth-doped fiber lasers and amplifiers // Optical Fiber Technology. – 2025. – vol. 96. – P. 104503. DOI: 10.1016/j.yofte.2025.104503.
3. Elopov A.V., Riumkin K.E., Alyshev S.V., Kharakhordin A.V., Khegai A.M., Denisov A.N., Firstova E.G., Afanasiev F.V., Abramov A.N., Lipatov D.S., Firstov S.V., Melkumov M.A. Effect of optical anisotropy of bismuth active centers on polarization properties of fiber laser at 1.46 µm // Optics Letters. – 2025. – Vol. 50, No. 19. – P. 6173-6176
4. A.V. Kharakhordin, S.V. Alyshev, A.A. Umnikov, D.I. Oleinik, E.G. Firstova, A.M. Khegai, A.V. Elopov, M.A. Melkumov, S.V. Firstov, Thermally induced transformation of “dark” precursors into laser-active centers: Hidden potential of bismuth-doped fibers // Optical Materials. – 2025. – vol. 164. – P. 117025. DOI: 10.1016/j.optmat.2025.117025
5. A.V. Kharakhordin, A.A. Umnikov, S.V. Alyshev, A.M. Khegai, D.I. Oleinik, A.V. Elopov, D.S. Lipatov, K.E. Riumkin, A.N. Abramov, E.G. Firstova, M.A. Melkumov, S.V. Firstov, Dual-wavelength NIR lasers based on cladding-pumped bismuth-doped heterogeneous fibers // Optical Fiber Technology. – 2025. – Vol. 93. – P. 104277. DOI: 10.1016/j.yofte.2025.104277
6. A. Khegai, S. Firstov, K. Riumkin, D. Lipatov, M. Melkumov, Tm-doped fiber laser cladding pumped by a pulsed Er-doped fiber laser with a 110 μm core // Photonics. – 2025. – Vol. 12, No. 1. – P. 28.
7. K.Y. Lau, J. Lin, S. Firstov, F. Afanasiev, X. Liu, J. Qiu, A low-threshold nonlinear-amplifying-loop-mirror mode-locked bismuth-doped fiber laser using a 3×3 coupler // Journal of Lightwave Technology. –2025. – Vol. 43, no. 1. – P. 328-333. DOI: 10.1109/JLT.2024.3445155.
8. A. Vakhrushev, A. Umnikov, A. Khegai, K. Riumkin, D. Oleinik, A. Abramov, A. Kharakhordin, S. Alyshev, E. Firstova, L. Iskhakova, D. Lipatov, M. Melkumov, S. Firstov, Ultra-wideband amplification in telecom bands with Bi-doped multi-layered glass fibers // J. Lightwave Technology. – 2025. – Vol. 43, Is. 5. – P. 2291 – 2297. DOI: 10.1109/JLT.2024.3491814
9. A.S. Vakhrushev, A.A. Umnikov, D.I. Oleinik, A.M. Khegai, S.V. Alyshev, E.G. Firstova, A.V. Kharakhordin, L.D. Iskhakova, M.A. Melkumov, S.V. Firstov, Watt-level cladding-pumped bismuth-doped fiber laser operating near 1.31 μm // Optics and Laser Technology. – 2025. – Vol. 180. – P. 111526. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111526.
10. Lin J., Lau K.Y., Firstov S., Afanasiev F., Liu X., Qiu J. A low-threshold nonlinear-amplifying-loop-mirror mode-locked bismuth-doped fiber laser using a 3×3 coupler. // J. Lightwave Technol. – 2025. – Vol. 43. –Is.1 –P.328-333 DOI: 10.1109/JLT.2024.3445155.
11. Vakhrushev A.S., Umnikov A.A., Oleinik D.I., Khegai A.M., Alyshev S.V., Firstova E.G., Kharakhordin A.V., Iskhakova L.D., Melkumov M.A., Firstov S.V. Watt-level cladding-pumped bismuth-doped fiber laser operating at near 1.31 µm. // Optics and Laser Technology. – 2025. – Vol. 180. – 111526. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111526.

1. Alyshev S., Khegai A., Umnikov A., Firstov S. Bismuth-doped fiber lasers and amplifiers operating from O- to U-band: current state of the art and outlook. // Photonics. – 2024. – Vol. 11, No. 7. – P. 663. DOI: 10.3390/photonics11070663.
2. Alyshev S., Vakhrushev A., Khegai A., Firstova E., Riumkin K., Melkumov M., Iskhakova L., Umnikov A., Firstov S. Impact of doping profiles on the formation of laser-active centers in bismuth-doped GeO₂–SiO₂ glass fibers. // Photonics Research. – 2024. – Vol. 12. – P. 262-270. DOI: 10.1364/PRJ.498782.
3. Alyshev S., Vakhrushev A., Umnikov A., Velmiskin V., Oleinik D., Melkumov M., Semjonov S., Riumkin K., Khegai A., Firstova E., Iskhakova L., Firstov S. Supermode lasing and light amplification in multicore bismuth-doped fiber. // Optics Express. – 2024. – Vol. 32, No. 17. – P. 29214-29226. DOI: 10.1364/OE.531655.
4. Elopov A.V., Riumkin K.E., Afanasiev F.V., Alyshev S.V., Kharakhordin A.V., Khegai A.M., Firstov S.V., Melkumov M.A. Polarization dependent gain in bismuth-doped phospho- and germanosilicate fiber amplifiers. // Opt. Lett. –2024. – Vol. 49, No. 18. – P. 5300-5303. DOI: 10.1364/OL.532968.
5. Hu J., Wang Y., Lau K.Y., Han X., Firstov S., Zhong L., Qiu J. Suppressing side-scattering on laser-written Bragg gratings for back-reflection engineering in fibers. // Laser and Photonics Reviews –2024. – Vol. 18. – 2400303. DOI: 10.1002/lpor.202400303
6. Lau K., Firstov S., Luo Z., Hu M., Senatorov A., Umnikov A., Xu B., Liu X., Qiu J. 1450 nm high energy noisy multi-pulse mode-locking in bismuth-doped fiber laser. // J. Lightwave Technol. –2024. – Vol. 42. – P. 2103-2110. DOI: 10.1109/JLT.2023.3331983
7. Lau K., Firstov S., Luo Z., Senatorov A., Umnikov A., Liu X., Qiu J. E-band domain-wall dark-pulsed bismuth-doped fiber laser // Journal of Luminescence. – 2024. – Vol. 269. – P. 120485. DOI: 10.1016/j.jlumin.2024.120485
8. Vakhrushev A., Umnikov A., Dostovalov A, Riumkin K., Alyshev S., Firstova E., Khegai A., Melkumov M., Babin S., Firstov S. Cladding-pumped laser and amplifier for E- and S-bands based on multimode bismuth-doped graded-index fibers: toward watt-level output power. // Opt. Lett. – 2024. – Vol. 49. – P. 1828. DOI: 10.1364/OL.514236
9. Wang Hang, Song Luming, Chen Tingting, Huang Lu, Han Fengbo, Chen Huaixi, Dong Zhipeng, Bu Yikun, Melkumov Mikhail, Firstov Sergei, Lobanov Alexey, Luo Zhengqian. 1283-1460 nm continuously-tunable, watt-level bismuth-doped phosphosilicate fber laser and its frequency doubling to visible laser. // Opt. Lett. – 2024. – Vol. 49, Issue 15. – P. 4062-4065. DOI: 10.1364/OL.522896.
10. Wang Y., Zhong L., Lau K.Y., Han X., Yang Y., Hu J., Firstov S., Chen Z., Ma Z., Tong L., Seng Chiang K., Tan D., Qiu J. Precise mode control of laser-written waveguides for broadband, low-dispersion 3D integrated optics. // Light: Science & Applications. – 2024. – Vol. 13. – P. 130. DOI: 10.1038/s41377-024-01473-7.

1. Wang H., Yang Y., Hong J., Zhou X., Ruan Q., Dong Z., Melkumov M., Firstov S., Lobanov A., Luo Z. 1.3/1.4 µm dual-wave band dissipative soliton resonance in a passively mode-locked Bi-doped phosphosilicate fiber laser. // Optics Letters. – 2023. – V. 48, N. 2. – P.299-302. DOI: 10.1364/OL.480137.
2. Mkrtchyan A. A., Mishevsky M. S., Gladush Y. G., Melkumov M. A., Khegai A. M., Lagoudakis P. G., Nasibulin A. G. Dispersion Managed Mode-locking in all-fiber Polarization-maintaining Nd-doped Laser at 920 nm. // Journal of Lightwave Technology. – 2023. – V. 41, N. 8. – P.2494-2500. DOI: 10.1109/JLT.2022.3229826.
3. Vakhrushev A., Khegai A., Alyshev S., Riumkin K., Kharakhordin A., Firstova E., Umnikov A., Lobanov A., Afanasiev F., Guryanov A., Firstov S. Cladding pumped bismuth-doped fiber amplifiers operating in O-, E-, and S-telecom bands. // Optics Letters. – 2023. – V. 48, N. 6. – P.1339-1342. DOI: 10.1364/OL.482873
4. Wang Wang H., Jia W., Yao Y., Yang X., Melkumov M., Firstov S., Lobanov A., Dong Z., Luo Z., Generation of 1.3/1.4 µm random fiber laser by bismuth-doped phosphosilicate fiber // Chin. Opt. Lett. – 2023. – V. 21 – P. 071401. DOI: 10.3788/COL202321.071401
Kharakhordin A., Rybaltovsky A., Popov S., Ryakhovskiy D., Afanasiev F., Alyshev S., Khegai A., Melkumov M., Firstova E., Chamorovsky Y., Umnikov A., Lipatov D., Firstov S. Random laser operating at near 1.67 μm based on bismuth-doped artificial rayleigh Fiber. // Journal of Lightwave Technology. – 2023. – V. 41, N. 19. – P. 6362-6368. DOI: 10.1109/JLT.2023.3285041.
5. Vakhrushev A.S., Alyshev S.V., Khegai A.M., Firstova E.G., Kharakhordin A.V., Riumkin K.E., Melkumov M.A., Umnikov A.A., Afanas’ev F.V., Gur’yanov A.N., Firstov S.V. Continuous-wave Bismuth-doped Fiber Lasers with Multimode Diode Pumping. // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2023. – V. 59, N. 1. – P. 1-9. DOI:10.3103/S8756699023010120.
6. Lau K. Y., Firstov S., Cui Y., Liu X., Afanasiev F. and Qiu J. Highly efficient O-band rectangular pulse emission in a figure-of-nine bismuth-doped fiber laser. // Journal of Lightwave Technology. – 2023 – V. 41, N. 19. P. – P. 6383-6388. DOI: 10.1109/JLT.2023.3284132.
7. Elopov A. V., Riumkin K. E., Afanasiev F. V., Alyshev S. V., Kharakhordin A. V., Khegai A. M., Firstova E.G., Firstov S.V., Nishchev K.N., Melkumov M. A. Polarized Luminescence of Bismuth Active Centers in Phosphosilicate Glasses. // Photonics. – MDPI. – 2023 – V. 10, N. 8. – P. 860. DOI: 10.3390/photonics10080860.

• Впервые в мире предложены и разработаны стеклянные матрицы, легированные висмутом, являющиеся основой для сердцевин волоконных световодов, которые позволили осуществить формирование висмутовых активных центров (ВАЦ) с оптическими переходами в ранее недоступных спектральных областях, а именно 1280 – 1775 нм. Установлена взаимосвязь спектрального положения максимумов и форм полос оптического усиления, полос поглощения и химического состава стекла, активированного висмутом. Впервые выполнена классификация разновидностей висмутовых активных центров (ВАЦ), которая используется научное мировое сообщество.


• Впервые определена схема энергетических уровней трех типов ВАЦ, а именно, ВАЦ, ассоциированных с атомами P, Si и Ge. Определены основные излучательные и абсорбционные переходы, характерные для таких ВАЦ. Установлено, что исследованные ВАЦ обладают подобным строением схем уровней, а основным отличием является различие в энергии расположения уровней: каждый уровень лежит BAЦ-Ge и ВАЦ-P на 10-16% по энергии ниже и выше по сравнению с аналогичным уровнем в схеме BAЦ-Si, соответственно.


• Впервые в мире на основе разработанных висмутовых световодов создано семейство висмутовых волоконных лазеров, работающих в непрерывном режиме в широком диапазоне ближнего ИК спектра (1280 – 1775 нм). Получены рекордные значения КПД – 30 - 80% и выходной мощности лазерного излучения – 10-20 Вт. Продемонстрирована возможность получения перестраиваемой лазерной генерации в широком спектральном диапазоне с использованием различных типов ВАЦ.


• Впервые созданы первые эффективные усилители оптических сигналов для диапазона длин волн 1320 нм (FWHM = 37 нм), 1430 нм (FWHM = 34 нм), 1700 нм (FWHM = 40 нм) используя висмутовые световоды. Отношение сигнал-шум висмутовых усилителей составляло 4-6 дБ. Максимальное достигнутое значение эффективности висмутовых усилителей составляет 60 % и является рекордным на современном этапе.


• Предложена концепция плавного управления оптическими свойствами висмутовых световодов с использованием W-структуры (сердцевина такого световода окружена стеклом с более низким показателем преломления, чем для кварцевого стекла), что позволило реализовать серию активных сред с заданными оптическими параметрами и низкими макроизгибными потерями. На основе такого типа световодов был реализован компактный и эффективный висмутовый усилитель для спектральной области 1.28-1.35 мкм (в О-диапазоне). Компактность была достигнута в результате того, что созданный активный световод можно было намотать на катушку диаметром 3 см. Данный усилитель показывал рекордные характеристики по эффективности преобразования излучения накачки в сигнал. Кроме того, данный подход использовался для создания висмутового волоконного световода с предельно низким содержанием оксида фосфора (< 2 мол.% без искажения параметров световедущей структуры), что позволило добиться в сердцевине сопоставимых концентраций различных типов висмутовых активных центров, ассоциированных с атомами Si и P. Итогом стало получение активной среды с широким контуром оптического усиления за счет сильного взаимного перекрытия полос усиления данных активных центров.


• Впервые предложен и реализован сверхширокополосный усилитель для спектральной области 1520-1775 нм на основе высокогерманатного световода, солегированного эрбием и висмутом.
  Патент №2627547 RU


• Обнаружено и исследовано явление фотопросветления, возникающее в световодах, легированных висмутом, при облучении лазерным излучением УФ, видимого и ИК диапазона. Получены динамические и спектральные зависимости изменения интенсивностей полос поглощения и люминесценции для ВАЦ в процессе лазерного облучения. Показано, что процесс фотопросветления обусловлен фотообесцвечиванием ВАЦ. Проведен детальный анализ особенностей процесса фотообесцвечивания ВАЦ, на основе которого предложен механизм данного явления, заключающийся в модификации локальной структуры активного центра в результате фотоионизации кислородно-дефицитного дефекта. Кроме того, выполнено теоретическое изучение влияния воздействия излучения накачки, т.е. возможный вклад в процесс фотообесцвечивания, на выходные характеристики висмутовых волоконных лазеров. Это позволило построить феноменологическая модель обесцвечивания ВАЦ при облучении ИК излучением в различных температурных условиях.


• Разработка первого в мире накачиваемого по оболочке висмутового волоконного лазера, работающего на длине волны 1460 нм. Изучены особенности работы такого лазера. Показана возможность масштабирования выходной мощности таких лазеров выше 1 Вт.


• Обнаружен эффект термоиндуцированного формирования активных центров в висмутовых световодах. Проведены фундаментальные исследования по углубленному изучению физико-химических процессов формирования активных центров при тепловой обработке висмутовых световодов. Определены характерные параметры таких процессов и предложен механизм протекающих процессов.


• Предложен оригинальный подход для оценки потенциальных возможностей висмут-легированных световодов, основанный на комплексном изучении «темных» прекурсоров – не обнаруживаемых методами ИК абсорбционной и люминесцентной спектроскопии форм, которые могут быть преобразованы в активные висмутовые центры (ВАЦ) в результате термоиндуцированных процессов в германосиликатной стеклянной матрице с энергией активации ~2,1 эВ. Используя метод демаркационной энергии в рамках данного подхода, было установлено, что световоды, легированные висмутом, характеризуются различным уровнем «скрытых» возможностей, выраженным в виде доли ионов висмута, преобразованных в ВАЦ. В частности, было установлено, что в лучших световодах такого типа может быть достигнута конверсия Bi → ВАЦ до ~90%, что приводит к увеличению погонного коэффициента усиления активной среды и разработке на их основе оптических устройств с рекордными характеристиками. Было обнаружено, что при повышении концентрации висмута и изменении технологических условий коэффициент конверсии Bi → ВАЦ заметно снижался до 50%, что сопровождалось ростом (~30%) количества неактивных форм Bi, ответственных за ненасыщаемые потери. Таким образом, предложенный подход позволяет оценивать свойства висмут легированных световодов с учётом их «скрытого» потенциала, что может быть использовано для поиска оптимальных способов изготовления волокон для высокопроизводительных волоконных лазеров и усилителей.


• Разработан и продемонстрирован сверхширокополосный оптический усилитель для спектрального диапазона 1260–1480 нм с использованием висмутового волокна с накачкой через оболочку с гетерогенной сердцевиной, образованной комбинацией стеклянных слоев, содержащих P2O5 и GeO2. Такая структура сердцевины обеспечивает благоприятную локальную среду для эффективного процесса формирования висмутовых активных центров (ВАЦ), связанных с атомами P и Si. Данный усилитель, накачиваемый в оболочку многомодовыми лазерными диодами на длинах волн 793 и 808 нм, характеризуется пиковым усилением ≈24 дБ, минимальным коэффициентом шума ≈6 дБ и шириной полосы пропускания ≈160 нм по уровню усиления 20 дБ. Полученный результат демонстрирует высокий потенциал использования висмутовых волоконных усилителей, в том числе с накачкой по оболочке, для расширения диапазона передачи перспективных высокоскоростных волоконно-оптических линий связи


• Предложен и реализован подход по масштабированию мощности полностью висмутовых волоконных лазеров, построенных на активных средах с низким коэффициентом усиления, который основан на использовании многосердцевинных световодов (МСС) с сильной связью мод (супермод), распространяющихся в различных сердцевинах. На основе численного моделирования предложен концептуальный дизайн такого МСС и осуществлено его изготовление методом сборки ("stack-and-draw") с использованием германосиликатных стекол, легированных висмутом. Исследованы световедущие, абсорбционные и люминесцентные свойства полученного МСС. Экспериментально показано, что такой МСС при накачке в оболочку с помощью многомодовых лазерных диодов на 808 нм способен обеспечить 20-дБ усиление света и стабильную генерацию лазерного излучения в диапазоне длин волн 1400–1500 нм благодаря внутрирезонаторной селекции супермод. Анализ экспериментальных и расчетных данных показал, что применение предлагаемой конструкции легированного висмутом волокна обеспечивает значительное преимущество по сравнению односердцевинной конструкцией волокна с точки зрения лазерных характеристик (выходная мощность, дифференциальная эффективность) в конфигурации с накачкой по оболочке. Эти результаты открывают новые возможности для дальнейшего развития оптической волоконной технологии в направлении построения эффективных усилителей и лазеров на основе световодов, легированных висмутом, для O+E+S+C+L+U-телекоммуникационных диапазонов длин волн (1260 – 1675 нм), которые крайне востребованы, особенно для многополосных оптических систем передачи данных

1. Премия Правительства Москвы молодым ученым (2023) (А.М. Хегай, К.Е. Рюмкин, С.В. Фирстов)
2. Медаль В.С. Летохова для молодых ученых Оптического общества им. Д.С. Рождественского (2017) (С.В. Фирстов)
3. Медаль РАН с премией для молодых ученых за цикл работ «Разработка эффективных висмутовых волоконных лазеров и усилителей для спектральной области 1280-1775 нм» (2014) (С.В. Фирстов)