DE69729832T2

DE69729832T2 - Vorrichtung mit durch die Umhüllung gepumptem faseroptischen Laser

Info

Publication number: DE69729832T2
Application number: DE69729832T
Authority: DE
Inventors: David John Montclair DiGiovanni; Ashish Madhukar Berkeley Heights Vengsarkar
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: JPH10107345A; EP0831566A3; DE69729832D1; JP3727447B2; US5708669A; EP0831566B1; EP0831566A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Gegenstände und Systeme (kollektiv „Gegenstände"), die einen umhüllungsgepumpten Optische-Faser-Laser aufweisen.
Umhüllungsgepumpte Faserlaser (cladding pumped fiber lasers; CPFLs) sind bekannt: siehe z. B. H. Po u. a., Electronics Letters, Bd. 29 (17), S. 1.500, 19. August 1993; siehe auch P. Glas u. a., Optics Communications, Bd. 122, Seite 163, 1. Januar 1996, und U.S.-Patent 5,121,460. Es ist zu erwarten, dass derartige Laser verwendet werden, um eine hohe optische Leistung (z. B. 10 W) zu erzeugen, die z. B. verwendet wird, um Faserverstärker oder -laser zu pumpen.
In einem CPFL wird optische Leistung von großflächigen Laserdioden in eine Einmoden-Laserstrahlung in dem mit Seltenen Erden (z. B. Nd, Yb) dotierten Kern einer umhüllungsgepumpten Faser umgewandelt. Um ein Koppeln einer hohen Pumpleistung in den CPFL zu ermöglichen, ist es üblicherweise notwendig, eine Faser mit relativ großem Umhüllungsdurchmesser, z. B. mehr als 250 μm, zu verwenden. Andererseits schränkt die herkömmliche Anforderung einer Einmodenausgabe des CPFL den Kerndurchmesser des CPFL auf weniger als etwa 8 μm ein. Diese flächenmäßige Ungleichheit zwischen dem Umhüllungsquerschnitt und dem Kernquerschnitt erfordert eine lange Vorrichtungslänge, beispielsweise bis zu 200 m, da eine Absorption von Pumpstrahlung in der CPFL-Struktur proportional zu dem Verhältnis von Kern/Umhüllung-Querschnittsfläche ist. Ferner kann in herkömmlichen CPFL-Strukturen die optische Leistungsdichte in dem Faserkern hoch sein, in voraussichtlichen Hochleistungs-CPFLs möglicherweise ausreichend hoch, um eine Materialbeschädigung zu bewirken.
Es wäre klar wünschenswert, über CPFLs zu verfügen, die diesen und anderen Nachteilen nicht unterworfen sind. Diese Anmeldung offenbart derartige CPFLs.
Die US-A-4,923,279 bezieht sich auf eine optische Faser zur Verwendung in Faserlasern. Die optische Faser weist eine Umhüllung und einen Kern auf, wobei der Kern eine undotierte äußere Region und eine innere Region enthält, die ein fluoreszierendes Dotiermittel enthält.
Die US-A-5,104,209 bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Indexgitters in einer optischen Faser. Ferner bezieht sich dieses Dokument auf einen Modenwandler zum Umwandeln von Licht, das sich in einer Mode eines Wellenleiters ausbreitet, in eine weitere Mode des Wellenleiters.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Abschnitt einer optischen Faser für einen umhüllungsgepumpten Faserlaser bereitzustellen, der längenmäßig reduziert sein kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Abschnitt einer optischen Faser gemäß Anspruch 1 gelöst.
In einem breiten Aspekt ist die Erfindung in einem Gegenstand (z. B. einem Optische-Faser-Verstärker oder einem Kommunikationssystem, das einen derartigen Verstärker aufweist) ausgeführt, der einen verbesserten CPFL aufweist, z. B. einen CPFL, der kürzer als ein analoger CPFL des Stands der Technik ist (z. B. weniger als 100 m lang) und/oder der zu einem Betrieb mit höherer Leistung in der Lage ist als ein analoger CPFL des Stands der Technik.
Die Erfindung ist in dem Satz von Ansprüchen definiert.
Insbesondere weist der CPFL einen Abschnitt einer optischen Faser auf, der einen (im wesentlichen kreisförmig symmetrischen) Kern mit relativ großem Brechungsindex aufweist, der mit Berührung durch eine Umhüllung mit relativ niedrigem Brechungsindex umgeben ist. Der Kern weist einen Durchmesser d_c auf, der derart ausgewählt ist, dass die Faser eine geführte räumliche Grundmode LP₀₁ einer Laserstrahlung der Wellenlänge λ unterstützt (LP steht für linear polarisiert). Die LP₀₁-Mode der Laserstrahlung weist einen Modendurchmesser d₀₁ auf. Der Kern weist ein Seltene-Erden-Dotiermittel (z. B. Nd oder Yb) auf, das ausgewählt ist, um die Laserstrahlung der Wellenlänge λ zu emittieren. Der Gegenstand weist ferner eine Einrichtung zum Einführen einer Pumpstrahlung der Wellenlänge λ_p (üblicherweise gilt λ_p < λ) in die optische Faser auf.
Es ist wesentlich, dass das Seltene-Erden-Dotiermittel in einem gesamten Abschnitt der Faser verteilt ist, der den Kern aufweist, und einen Durchmesser d_RE > d₀₁ aufweist.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist d_c derart ausgewählt, dass die LP₀₁-Mode die einzige geführte räumliche Mode der Laserstrahlung ist, und das Seltene-Erden-Dotiermittel ist in dem gesamten Kern und einer ersten Umhüllungsregion verteilt, die benachbart zu dem Kern ist.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist d_c derart ausgewählt, dass die Faser zusätzlich zu der LP₀₁-Mode zumindest eine geführte Mode höherer Ordnung (üblicherweise LP₁₁, jedoch LP₀₂ nicht ausschließend) der Laserstrahlung unterstützt, wobei d_RE größer als oder im wesentlichen gleich d_c ist.
Der Durchmesser der LP₀₁-Mode (d₀₁) ist als der Durchmesser der Faserquerschnittsregion definiert, die 70% der Gesamt-LP₀₁-Leistung bei λ enthält. Die Form der LP₀₁-Mode und deshalb auch der Wert von d₀₁ können ohne weiteres z. B. mittels numerischer Berechnung bestimmt werden, wie in T. Lenahan, Bell System Technical Journal, Bd. 62, S. 2.663 (1983), beschrieben ist. Für eine Darstellung verschiedener Moden siehe z. B. das oben erwähnte '460-Patent.
Der Durchmesser der Seltene-Erden-Dotiermittelverteilung (d_RE) ist als der Durchmesser der Faserquerschnittsregion definiert, die 90% der Gesamtmenge des relevanten Seltene-Erden-Dotiermittels in der Faser enthält.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch den Querschnitt der Faser eines exemplarischen CPFL gemäß der Erfindung;
2 und 3 zeigen schematisch die jeweiligen Brechungsindexprofile der Faser aus 1 und der Faser eines weiteren exemplarischen CPFL gemäß der Erfindung;
4 zeigt schematisch einen relevanten Abschnitt eines exemplarischen Optische-Faser-Kommunikationssystems, wobei der Abschnitt einen CPFL gemäß der Erfindung aufweist; und
5 und 6 zeigen schematisch weitere exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung exemplarischer Ausführungsbeispiele
1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer exemplarischen optischen Faser 10 für einen CPFL, wobei sich die Bezugszeichen 11–13 auf die äußere (zweite) Umhüllungsregion, den Kern bzw. die innere (erste) Umhüllungsregion beziehen. 2 zeigt schematisch den Brechungsindex (n) einer exemplarischen Faser (10) als eine Funktion des Radius r, wobei sich das Bezugszeichen 12' auf den Kernindex bezieht und die Bezugszeichen 11' und 13' sich auf den Brechungsindex der zweiten bzw. ersten Umhüllungsregion beziehen. Exemplarisch, jedoch nicht notwendigerweise ist die Konzentration des Seltene-Erden-Dotiermittels (z. B. Nd) im wesentlichen in dem gesamten Kern 12 und der ersten Umhüllungsregion 13 konstant, wobei der Kern 12 ferner eines oder mehrere herkömmliche indexerhöhende Dotiermittel (z. B. Ge) enthält. Der Kerndurchmesser d_c beträgt üblicherweise höchstens etwa 8 μm, der Durchmesser und der Brechungsindex sind derart ausgewählt, dass die Faser eine Einmodenfaser bei einer (Laser-) Wellenlänge λ ist, was bedeutet, dass die Faser nur eine geführte Mode bei der Wellenlänge λ aufweist, nämlich die räumliche Grundmode LP₀₁. Einem bestimmten Faserentwurf zugeordnet ist ein wirksamer Modendurchmesser d₀₁. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung der 1 und 2 ist der äußere Durchmesser d_RE der ersten Umhüllungsregion vorzugsweise derart ausgewählt, dass d_RE > 1,1d₀₁ gilt.
Für einen kleineren d_RE werden die Vorteile (z. B. erhöhte Kopplung einer Pumpstrahlung in den Faserkern) der Faser gemäß diesem Ausführungsbeispiel häufig relativ klein. Zum Beispiel ist für d_RE = 1,1d₀₁ die erzielbare Längenreduzierung des CPFL kleiner als etwa 20% der Länge eines entsprechenden CPFL des Stands der Technik.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der Kerndurchmesser und der Brechungsindex derart ausgewählt, dass die Faser zumindest zwei geführte räumliche Moden bei λ aufweist, beispielsweise üblicherweise LP₀₁ und LP₁₁. Der Kerndurchmesser einer Mehrmoden-(z. B. Doppelmoden-)Faser ist üblicherweise wesentlich größer als der Kern einer entsprechenden Einmodenfaser, was ein Koppeln von Pumpstrahlung von der Umhüllung in den mit Seltenen Erden dotierten Kern erleichtert.
3 zeigt schematisch das Brechungsindexprofil einer Doppelmodenfaser 30, wobei das Bezugszeichen 31 sich auf den (üblicherweise mit Ge dotierten) Kern bezieht und 32 auf die Umhüllung. Exemplarisch ist der Kerndurchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Seltene-Erden-Verteilung, wobei letzterer jedoch auch größer als ersterer sein könnte.
4 stellt schematisch einen relevanten Abschnitt eines Optische-Faser-Kommunikationssystems mit einem Faserverstärker und einem umhüllungsgepumpten Optische-Faser-Laser 40 gemäß der Erfindung dar.
Pumpstrahlung der Wellenlänge λ_p wird in die Umhüllung der optischen Doppelmodenfaser 41 auf eine herkömmliche Art und Weise eingeführt. Der Faserkern ist mit einem geeigneten Seltene-Erden-Dotiermittel, z. B. Nd oder Yb, dotiert, wobei exemplarisch d_RE~d_c gilt. Die Pumpstrahlung ist mit dem Kern gekoppelt und wird durch die Ionen des Seltene-Erden-Dotiermittels absorbiert, was zu einer Emission von Laserstrahlung der Wellenlänge λ führt, wobei zumindest ein Teil der emittierten Strahlung sich in dem Kern in der LP₀₁- und der LP₁₁-Mode ausbreitet.
Die Doppelmodenfaser 41 enthält Brechungsindexgitter 45, 46 und 47, vorzugsweise einschließlich eines Modenkopplungsgitters des Typs, der detailliert in der US-A-5,740,292 beschrieben ist. Es ist zu erkennen, dass die Gitter im wesentlichen nur in dem Kern der Faser vorliegen und im wesentlichen keine Wirkung auf die Pumpstrahlung in der Umhüllung aufweisen.
Das Gitter 45 weist ein Modenkopplungsgitter (MCG) mit hohem Reflexionsvermögen (im wesentlichen 100% Reflexionsvermögen) auf. Ein derartiges Gitter ist ausgewählt, um einfallende LP₀₁-Strahlung der Wellenlänge λ als LP₁₁-Strahlung der Wellenlänge λ zu reflektieren und umgekehrt. Das Gitter 46 ist ein MCG mit mittlerem Reflexionsvermögen (z. B. ca. 98% Reflexion, ca. 2% Durchlass), das ausgewählt ist, um einen Bruchteil x der einfallenden LP₀₁-Strahlung der Wellenlänge λ als LP₀₁ durchzulassen und einen Bruch teil (1 – x) als LP₁₁ zu reflektieren und einen Bruchteil x' (nicht notwendigerweise gleich x) der einfallenden LP₁₁-Strahlung als LP₁₁ durchzulassen und (1 – x') als LP₀₁ zu reflektieren. Schließlich ist das Gitter 47 ein Gitter mit hohem Reflexionsvermögen (im wesentlichen 100%), das im wesentlichen 100% der einfallenden LP₁₁-Strahlung der Wellenlänge λ des LP₁₁ reflektiert und im wesentlichen die gesamte einfallende LP₀₁-Strahlung der Wellenlänge λ als LP₀₁ durchlässt. Der Laser könnte entworfen sein, um LP₀₂ anstelle von LP₁₁ zu verwenden.
Gitter, die die oben genannten Eigenschaften aufweisen, sind bekannt und können durch ein Verfahren, das in der '694-Patentanmeldung offenbart ist, hergestellt werden.
Wenn die Funktionsweise des Pumplasers 40 untersucht wird, muss man sich vor Augen halten, dass die Gitter 45–47 reziproke Elemente sind, d. h. die Gitter liefern die gleiche Funktion für stromaufwärtige Strahlung wie für stromabwärtige Strahlung.
Die Funktionsweise des Lasers 40 kann ohne weiteres analysiert werden. Beispielhaft wird das Verhalten sich stromaufwärtig ausbreitender LP₁₁-Strahlung der Wellenlänge λ betrachtet. Die Strahlung wird an dem Gitter 45 als LP₀₁ reflektiert, breitet sich zu dem Gitter 46 aus, wo ein Bruchteil (1 – x) als LP₁₁ reflektiert wird und ein Bruchteil x als LP₀₁ durchgelassen wird, gelangt unverändert durch das Gitter 47 und ist zur Verwendung verfügbar. Der reflektierte Bruchteil (1 – x) breitet sich zu dem Gitter 45 aus, wird als LP₀₁ reflektiert, die sich zu dem Gitter 46 ausbreitet, wo ein Bruchteil x als LP₀₁ durchgelassen wird und ein Bruchteil (1 – x) als LP₁₁ reflektiert wird. Der durchgelassene Bruchteil x verläuft durch das Gitter 47 und ist zum Gebrauch verfügbar. Unter Verwendung einer analogen Argumentierung für weitere Komponenten der Strahlung in dem Laserhohlraum kann die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lasers ohne weiteres erläutert werden.
In 4 sind Symbole 480–484 enthalten, um die durch das zugeordnete Gitter durchgeführte Funktion zu bedeuten. Das Symbol 481 z. B. bedeutet, dass das Gitter 46 einen Teil (z. B. 2%) der einfallenden Strahlung unverändert durchlässt und die Mode des reflektierten Teils verändert. Die Zeichen 482 und 484 bedeuten einen unveränderten Durchlass der einfallenden LP₀₁ und eine unveränderte Reflexion der einfallenden LP₁₁.
In 4 breitet sich LP₀₁-Strahlung der Wellenlänge λ, die durch das Gitter 47 gelaufen ist, zu einem herkömmlichen Faserkoppler (WDM) 42 aus und wird in eine Einmodenübertragungsfaser 43 gekoppelt, wo dieselbe sich zu einer herkömmlichen mit Seltenen Erden dotierten Verstärkerfaser 44 ausbreitet, wo dieselbe auf eine herkömmliche Art und Weise als Pumpstrahlung dient.
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass das Ausführungsbeispiel aus 4 nicht die einzige mögliche Pumplaserkonfiguration gemäß der Erfindung ist. Ein Laser kann z. B. vorgesehen sein, der zwei Langperioden-(Durchlass-)Modenwandlergitter innerhalb des Laserhohlraums aufweist.
Die 5 und 6 stellen schematisch weitere exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In 5 ist die Pumpstrahlung λ_p in die Umhüllung einer Doppelmodenfaser 51 gekoppelt und ist in den mit Seltenen Erden dotierten Kern der Faser gekoppelt. Ein Gitter 52 ist ein MCG, das im wesentlichen 100% der einfallenden Laserstrahlung (Wellenlänge λ) umwandelt und reflektiert, wobei die Umwandlung von LP₀₁ zu LP₁₁ oder von LP₁₁ zu LP₀₁ sein kann, wie dies auch immer der Fall ist. Ein Gitter 53 ist ausgewählt, um im wesentlichen 100% der einfallenden LP₁₁-Strahlung zu reflektieren und im wesentlichen 100% der einfallenden LP₀₁ durchzulassen, beides ohne Modenumwandlung, und ein Gitter 54 ist ausgewählt, um einen vorausge wählten Teil (z. B. 10%) einfallender LP₀₁-Strahlung durchzulassen und den Rest zu reflektieren, beides ohne Modenumwandlung. Die LP₀₄-Laserstrahlung, die durch das Gitter 54 durchgelassen wird, ist zum Gebrauch verfügbar, wird z. B. in einer Einmodenfaser 55 zu einem Faserverstärker (nicht gezeigt) geführt.
Das Ausführungsbeispiel aus 6 ähnelt dem aus 5, wobei die Gitter 63 und 64 und die Faser 65 sich jedoch von den entsprechenden Elementen aus 5 unterscheiden. Das Gitter 63 ist ausgewählt, um im wesentlichen 100% einfallender LP₀₁-Strahlung der Wellenlänge λ zu reflektieren und im wesentlichen 100% einfallender LP₁₁-Strahlung dieser Wellenlänge durchzulassen, beides ohne Modenumwandlung. Das Gitter 64 ist ausgewählt, um etwa 10% einfallender LP₁₁-Strahlung der Wellenlänge λ durchzulassen und den Rest zu reflektieren, beides ohne Modenumwandlung. Die Faser 65 ist eine Doppelmodenfaser, die zum Führen von LP₀₁- und LP₁₁-Strahlung der Wellenlänge λ angepasst ist. Die Ausführungsbeispiele der 5 und 6 könnten entworfen sein, um LP₀₂ anstelle von LP₁₁ zu verwenden.
Bei einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Laser der 5 und 6 auf eine parallele Art und Weise betrieben und die Ausgaben kombiniert.
Es ist zu erkennen, dass die Kombination aus 4 im allgemeinen ein Teil eines Optische-Faser-Kommunikationssystems 400 ist, das ferner derartige herkömmliche Elemente, wie z. B. einen Sender 401 und einen Empfänger 402, und einen Optische-Faser-Übertragungspfad, der den Sender und den Empfänger verbindet, aufweist. Die Ausführungsbeispiele der 5 und 6 können Teil ähnlicher Systeme sein.

Claims

Ein Abschnitt einer optischen Faser (10) für einen Umhüllungs-gepumpten Faserlaser (40), wobei der Abschnitt der optischen Faser einen im wesentlichen kreisförmig symmetrischen Kern (12) aufweist, der durch eine Umhüllung (13) umgeben ist und durch dieselbe berührt wird, wobei der Brechungsindex des Kerns (12) größer als der Brechungsindex der Umhüllung (13) ist, wobei der Kern einen Durchmesser d_c aufweist, der derart ausgewählt ist, daß die optische Faser eine geführte räumliche Grundmode LP₀₁ einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge λ unterstützt, wobei die LP₀₁-Mode einen effektiven Modendurchmesser d₀₁ aufweist, wobei der Kern ein Seltene-Erden-Dotiermittel aufweist, das ausgewählt ist, um die Laserstrahlung in der optischen Faser zu emittieren, DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS das Seltene-Erden-Dotiermittel in einem gesamten Abschnitt der optischen Faser verteilt ist, der den Kern aufweist, wobei der Abschnitt einen Durchmesser d_RE > d₀₁ aufweist.
Ein Abschnitt einer optischen Faser (10) für einen Umhüllungs-gepumpten Faserlaser gemäß Anspruch 1, bei dem d_c derart ausgewählt ist, daß die LP₀₁-Mode die einzige geführte Mode ist, die durch die optische Faser unterstützt wird, wobei d_RE > d_c gilt.
Ein Abschnitt einer optischen Faser (10) für einen Umhüllungs-gepumpten Faserlaser gemäß Anspruch 1, bei dem d_c derart ausgewählt ist, daß die optische Faser zumindest eine geführte räumliche Mode höherer Ordnung der Strahlung mit einer Wellenlänge λ unterstützt.
Ein Umhüllungs-gepumpter Faserlaser, der einen Abschnitt einer optischen Faser (10) gemäß Anspruch 1 aufweist, bei dem der Abschnitt der optischen Faser zusätzlich Brechungsindexgitter, die einen Laserhohlraum definieren, und ein Modenkopplungs-Brechungsindexgitter in dem Laserhohlraum aufweist, wobei das Modenkopplungs-Brechungsindexgitter ausgewählt ist, um einen Bruchteil x einfallender LP₀₁-Strahlung mit einer Wellenlänge λ als LP₀₁-Strahlung durchzulassen, und einen Bruchteil gleich (1 – x) der einfallenden LP₀₁-Strahlung als Strahlung einer Mode höherer Ordnung mit einer Wellenlänge λ zu reflektieren.
Ein Umhüllungs-gepumpter Faserlaser, der einen Abschnitt einer optischen Faser (10) gemäß Anspruch 3 aufweist, bei dem die optische Faser Brechungsindexgitter aufweist, die den Laserhohlraum definieren, wobei zumindest eines der Brechungsindexgitter ein Modenkopplungs-Brechungsindexgitter ist.
Ein Umhüllungs-gepumpter Faserlaser gemäß Anspruch 5, bei dem die zumindest eine geführte räumliche Mode höherer Ordnung LP₁₁ ist, und bei dem das zumindest eine Modenkopplungs-Brechungsindexgitter ausgewählt ist, um LP₁₁-Strahlung einer Wellenlänge λ, die auf das Gitter einfällt, als LP₀₁-Strahlung zu reflektieren.
Ein Umhüllungs-gepumpter Faserlaser gemäß Anspruch 5, bei dem die zumindest eine geführte räumliche Mode höherer Ordnung LP₀₂ ist, und bei dem das zumindest eine Modenkopplungs-Brechungsindexgitter ausgewählt ist, um LP₀₂-Strahlung einer Wellenlänge λ, die auf das Gitter einfällt, als LP₀₁-Strahlung zu reflektieren.
Ein Umhüllungs-gepumpter Faserlaser, der einen Abschnitt einer optischen Faser (10) gemäß Anspruch 1 aufweist, bei dem der Abschnitt der optischen Faser kleiner als 100 m ist.
Ein Optische-Faser-Kommunikationssystem, das einen Sender, einen Empfänger und einen Umhüllungs-gepumpten Faserlaser aufweist, wobei der Umhüllungs-gepumpte Faserlaser einen Abschnitt einer optischen Faser gemäß Anspruch 1 aufweist.