DE69735903T2

DE69735903T2 - Optische Verstärker mit hoher Spitzenleistung und hoher Energie

Info

Publication number: DE69735903T2
Application number: DE69735903T
Authority: DE
Inventors: G. Robert Fremont Waarts; Steven Paolo Alto Sanders; F. David Menlo Park Welch; R. Donald San Jose Scifres
Original assignee: JDS Uniphase Corp
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1997-01-10
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2017-01-11
Also published as: EP1696520A2; EP0875083A2; EP1113540B1; DE69735903D1; US6081369A; EP1696520A3; CA2242575C; US5867305A; EP0875083B1; US5933271A; DE69717600T2; US5930030A; JP3567233B2; CA2242575A1; DE69717600D1; JP2000503476A; WO1997026688A2; WO1997026688A3; EP1113540A1

Description

Hintergrund der Erfindung Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Verstärkungsmedien und betrifft insbesondere ein Festkörperverstärkungsmedium, etwa einen Glasfaserverstärker oder kaskadierte Glasfaserverstärker, um Ausgangsimpulse mit hoher Leistung im kW- bis MW-Bereich und hohe Energiepegel im mJ-Bereich zu liefern. Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet ein Festkörperverstärkungsmedium einen optischen Glasfaserverstärker oder Laser.
Stand der Technik
Optische Glasfaserverstärker empfangen kohärentes Licht relativ geringer Leistung von Laserinjektionsquellen und verstärken diese auf eine größere Leistung. Derartige Verstärker werden in der Telekommunikation mit Glasfaserverstärkern und in Kabelfernsehsystemen verwendet, um die Leistung eines modulierten optischen Signals, das entlang einer Glasfaserübertragungsleitung gesendet wird, zu erhöhen. Es hat sich gezeigt, dass Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) besonders vorteilhaft für Faserkommunikationssysteme sind, da ihre Verstärkungswellenlänge (ungefähr 1.4 μm) für die Ausbreitung mit geringem Verlust von optischen Signalen in Glasfaserübertragungsleitungen förderlich ist. Diverse US-Patente beschreiben derartige Systeme und die darin verwendeten Faserverstärker einschließlich, ohne einschränkend zu sein, 5,185,826 (Delavaux); 5,218,608 (Aoki); 5,218,665 (Grasso et al.); 5,331,449 (Huber et al.); 5,337,175 (Ohnsorge et al.) und 5,339,183 (Suzuki). In diesen Systemen werden diverse Arten der Signalmodulation angewendet. Laserdiodensignalquellen können 10 mW modulierte Einzelmodenstrahlen bei hohen Modulationsraten, typischerweise höher als 10 MHz, mit geringen modulierten Ansteuerströmen bereitstellen. Das modulierte Signal kann dann auf größere Leistungen mit dem Faserverstärker, zumeist auf ungefähr 100 mW, verstärkt werden.
Im US-Patent 5,335,236 offenbart Toeppen einen Faserverstärker, der mit einem Saatstrahl und einem gepulsten Pumpstrahl angeregt wird. Der eingeführte Saatstrahl ist im Wesentlichen kontinuierlich, kann aber auch stattdessen gepulst sein, vorausgesetzt, seine Pulslänge ist größer als jene des gewünschten Ausgangspulses. Der Verstärker liefert ein gepulstes verstärktes Ausgangssignal, dessen Pulslänge durch die Pumppulslänge bestimmt ist.
Eine Reihe potenzieller Anwendungen für Faserverstärker, zu denen LIDAR-Systeme, nichtlineare Frequenzkonversionslaserdrucker, pyrotechnische Anwendungen und Materialverarbeitungsanwendungen (etwa Materialschneiden oder Markieren) gehören, erfordern höhere Leistungspegel, als sie für gewöhnlich für faseroptische Kommunikationszwecke angewendet werden. Für derartige Anwendungen werden verstärkte Ausgangsimpulse mit hohen Spitzenleistungen mit mindestens 10W bis zu 100 kW oder mehr und mit hohen Pulsenergien von mindestens 1 μJ und bis zu 10 mJ oder mehr für eine optimale und äußerst effiziente Funktion erforderlich. Zum Beispiel können höhere Wirkungsgrade bei Frequenzkonversion in Geräten mit nichtlinearen Konversionskristallen erreicht werden, wenn in diese Geräte eingespeistes Licht mit höheren Spitzenleistungen bei größeren zugeführten Energiepegeln bereitgestellt wird. Hohe Pulswiederholungsraten und eine hohe mittlere Leistung (in der Größenordnung von 1W oder mehr) sind ebenso wünschenswert. Derartige Ausgangspulse werden für gewöhnlich für Festkörperlaser mit einem Q-Schalter erreicht, wie dies in US-Patenten 5,303,314 von Duling, III et al. und in 5,128,800 von Zirngibl offenbart ist, die Faserverstärker beschreiben, die einen Q-Schalter oder einen Verstärkungsschaltermechanismus verwenden, der von modulierten oder gepulsten Eingangssignalen angesteuert wird, um die gepulsten Ausgangssignale bereitzustellen. Diese Arten von Systemen sind jedoch groß und komplex. Mit dem Einzug von EDFA hat sich die Aufmerksamkeit auf das Erreichen von Impulsen mit großer Leistung und hoher Energie durch diese weniger komplexen optischen Verstärker gerichtet, die höhere Leistungspegel mit höheren Energiepegeln im mJ-Bereich bereitstellen, wie dies beispielhaft im Artikel von B. Desthieux et al. in "111 kW (0,5 mJ)-Pulsverstärkung bei 1.5 μm unter Verwendung einer getorten Kaskade aus drei Erbium-dotierten Faserverstärkern" in Applied Physics Letters, Vol. 63(5), Seiten 586-588, 2. August 1993, beschrieben ist. Bei geringen Eingangswiedeholungsraten wurden Ausgangsspitzenleistungen von 111 kW und Energien von 0.5 mJ bei 1.5 μm Wellenlänge aus einer Multimodenfaserquelle erhalten. Um damit höhere Leis tungspegel und Energien mit weniger komplexen Systemen zu erreichen, können mehrstufige Faserverstärker verwendet werden.
In einem verstärkenden Medium, etwa einem Faserverstärker mit Doppelmantel wird eine Doppelmantelfaser, die mit Seltenerdenmaterial dotiert ist, mit einem dotierten Kern, z.B. Nd³⁺ oder Yb³⁺, verwendet. Eine Injektionsquelle liefert ein Signal zur Einspeisung in den Faserkern. Eine derartige Quelle ist häufig eine Laserdiode, die kosteneffizient und gut verfügbar ist. Typische Leistungspegel einer Injektionslaserdiodenquelle können von einigen 10 μW bis Hunderte von mW reichen. Die Faser wird mit einer Hochleistungspumpquelle, etwa einem Feld aus Pumplaserdioden, gepumpt und dessen Ausgangssignal wird optisch in den inneren Mantel der Faser eingekoppelt. Die Ausgangsleistung eines Doppelmantelfaserverstärkers kann Ausgangsleistungspegel ergeben, die bis in die mehrere 10 kW oder höher gehen, aber um dies zu bewerkstelligen, ist eine Verstärkung von 40 dB bis 60 dB des Verstärkers erforderlich. Die Verstärkung ist jedoch für gewöhnlich auf einen Bereich, etwa zwischen 30 dB und 40 dB beschränkt, bevor spontane Emission einsetzt und demzufolge in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung verstärkt wird (ASE), und bevor sich rückwärtsgerichtete Rayleigh-Streuung und anderes Rauschen, das durch Streuung verursacht ist und sich in dem Verstärkungsmedium entwickelt, einsetzt, die durch das Verstärkungsmedium hindurch gestreut werden und sich im Faserkern ausbreiten, um letztlich die Pumpenergie zu verbrauchen, wodurch nur noch wenig oder möglicherweise gar keine Pumpleistung für die Verstärkung des Injektionssignals übrigbleibt. Im Weiteren werden alle diese Arten des Rauschens als "Streuungsrauschen" bezeichnet. Diese Einschränkung der Verstärkung beschränkt selbstverständlich die Möglichkeit, höhere Leistungsspitzenwerte bei gepulstem Betrieb des Faserverstärkers zu erreichen. Daher liegt der Schlüssel für eine effiziente Verstärkung des Injektionsquellensignals zur Erreichung einer ausreichenden Leistung und eines ausreichenden Energiepegels darin, die Faserverstärkung zu sättigen, wodurch das Streuungsrauschen minimiert wird. Das zu lösende Problem besteht darin, wie dies in effizienter Weise erreicht werden kann. In typischen Faserverstärkeranordnungen ist das verstärkte rückwärtsgerichtete Streuungsrauschen der dominierende Verlustmechanismus für die Pumpquelle.
Die Problematik des Streuungsrauschens kann in kaskadierten, gekoppelten Faserverstärkerstufen noch dramatischer werden, in denen sich rückwärtswanderndes Rauschen aus der vorhergehenden Stufe ausbreitet, so dass es notwendig ist, eine gewisse Art eines Suppressors zwischen den Stufen vorzusehen, um den Betrag des Rauschens zu verringern; ansonsten wird die erreichbare Verstärkung in einem mehrstufigen Verstärkers dadurch beschränkt, dass die Verstärkung des Signaleingangs begrenzt ist oder teilweise aufgrund der Verstärkung des Rauschens nicht mehr existent ist. Um somit die Verstärkung des Rauschens zu eliminieren, wird, wie in B. Desthieux et al. gezeigt ist, ein Absorber mit Sättigung im Falle von cw-betriebenen gekoppelten Verstärkerstufen verwendet. Im Falle von gepulst betriebenen gekoppelten Verstärkerstufen mit hoher Ausgangsleistung wird ein zeitlich synchronisiertes Tor bzw. Gate zwischen den Verstärkerstufen verwendet, um den Betrag möglichen vorwärts und rückwärts gerichteten Rauschens als ein Hauptbestandteil zu verringern. Das Tor kann die Form eines akustisch-optischen Modulators oder eines anderen Modulators zwischen den gekoppelten Verstärkerstufen einnehmen, um dieses nach vorne und nach hinten wandernde Rauschen zu unterdrücken und einen größeren Anteil der Verstärkung zur Verstärkung des Eingangssignals mittels der Verstärkereingangsstufe zu liefern. Ein derartiges Tor trägt deutlich zu den Kosten des optischen Verstärkersystems bei und führt zu einer weniger robusten und voluminöseren Konfiguration.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optisches Verstärkersystem bereitzustellen, das eine hohe Ausgangsspitzenleistung und hohe Ausgangsenergiepulse erzeugen kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Faserverstärkungssystem mit einer oder mehreren Stufen bereitzustellen, das eine höhere Spitzenleistung und höhere Energieausgangspulse durch Sättigen der Faserverstärkung zur Minimierung von Streuungsrauschen ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Verstärker bereitzustellen, der in effizienterer Weise Impulsausgangssignale mit höherer Spitzenleistung und Energie liefert, ohne ein aktives zeitlich synchronisiertes Tor zwischen Verstärkerstufen zur Reduzierung des Streuungsrauschens zu erfordern, d.h. ohne Erfordernis für ein Zwischenstufentor oder einen Modulator.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Faserverstärkers in gepulstem Modus bereitzustellen, wobei Streuungsrauschen unterdrückt ist, um eine höhere Spitzenleistung und höhere Energiepulse erzeugen zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Verschiedene Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Nach einer grundsätzlichen Darstellung umfasst ein kaskadierter mehrstufiger Faserverstärker ein erstes Verstärkungsmedium, das optisch mit einem zweiten Stufenverstärkungsmedium gekoppelt ist. Solche Verstärkungsmedien können aus optischen Faserverstärkern, Festkörperlasermedien oder anderen optischen Halbleiterverstärker-Wellenleitermedien bestehen. Jede Verstärkerstufe ist jeweils mit einer ersten und einer zweiten Pumpquelle mit verschiedenen Pulswiederholungsraten und verschiedenen Pulslängen, die beide mit der Pulswiederholungsrate der Signalquelle synchronisiert sind, versehen. Diese Pulsdifferenz ist mit einem zeitlich synchronen Tor zwischen den zwei gekoppelten Verstärkungsstufen gleichzusetzen, so dass das Entstehen und das Aufbauen von Streuung in der ersten Verstärkerstufe durch Ausblenden auf Grund ihrer unterschiedlichen Pumppulslänge unterdrückt werden. Insbesondere ist beispielsweise die Pumppulsdauer der Pumpquelle der ersten Stufe kürzer als die Pumppulsdauer der Pumpquelle der zweiten Stufe, so dass jedes Rauschen, d.h., Streuungsrauschen, das sich in dem zweiten Stufenverstärker entwickelt hat, bei Feedback auf Grund der Nutzung einer kürzeren Pumppulsdauer beim Pumpen des ersten Stufenverstärkers im Wesentlichen daran gehindert wird, in dem ersten Stufenverstärker verstärkt zu werden. Mit anderen Worten kann jedes Verstärken dieses Rauschens der zweiten Stufe beim Feedback zu dem ersten Stufenverstärker nur während der Sättigung des kurzen Pumppulses, der als Eingang in den ersten Stufenverstärker bereitgestellt wird, eintreten. Im Ergebnis ist die Menge des verstärkten Streuungsrauschens im Vergleich zu dem Fall, in dem der Pumpimpuls der ersten Stufe entweder von längerer Dauer oder rechtzeitig cw ist, klein. Deshalb kann durch das Anwenden dieses Ausblendungseffektes beim Pumpen des ersten Stufenverstärkers relativ zu dem zweiten Stufenverstärker, verstärktes Streuungsrauschen signifikant reduziert werden, wodurch der Bedarf für zu sätzliche optische Komponenten, wie zum Beispiel das akustisch-optische Tor, in mehrstufigen Faserverstärkern bzw. in mehrstufigen Festkörpermedien eliminiert wird.
Das oben beschriebene zweistufige optische Verstärkungsmedium, beispielsweise in Form eines kaskadierten zweistufigen Faserverstärkers mit einer separaten Pumpquelle für jede Faserverstärkerstufe mit Pulsen von verschiedener Pulslänge oder -dauer, erfordert zwischen den zwei Verstärkerstufen ein Kopplungselement, d.h. Kopplungsoptik, um den Ausgang aus der ersten Faserverstärkungsstufe in die zweite Faserverstärkungsstufe zu koppeln. Diese Konfiguration kann jedoch dadurch, dass die separaten Pumpquellen der Stufen beide als Eingang in die erste Verstärkerstufe gekoppelt werden, wobei die Wellenlänge der zweiten Pumpquelle für die Absorptionsspektren der ersten Verstärkerstufe transparent ist, vereinfacht werden. Deshalb können in diesem Fall die erste und die zweite Verstärkerstufe lediglich zusammengespleißt werden, ohne dass irgendwelche Kopplungsoptik erforderlich ist. Der zweistufige optische Faserverstärker umfasst eine Zwei-Pumpeingangsquelle in die erste Verstärkerstufe zusammen mit dem zu verstärkenden injizierten Signal, wobei die zwei Pumpquellen unterschiedliche Pulswiederholungsraten und Pulslängen haben, die beide mit der Pulswiederholungsrate der Signalquelle synchronisiert sind und ein zeitlich synchrones Tor zwischen den zwei gekoppelten Verstärkerstufen bereitstellen. Im Ergebnis werden das Entstehen und der Aufbau von Streuungsrauschen in der ersten Verstärkerstufe durch das Ausblenden durch Nutzung verschiedener Pumppulslängen unterdrückt und können infolgedessen nicht effektiv in die zweite Verstärkerstufe eingeführt werden. Insbesondere sind die Pumppulse kurzer Dauer kürzer als die Fluoreszenzzeitkonstante des ersten Stufenverstärkers, so dass die reduzierte Pumppulslänge nicht ausreichend Zeit zum Aufbauen von Streuungsrauschen bereitstellt, das bedeutet, die Möglichkeit von Rauschen wird durch das Anwenden von in dem ersten Stufenverstärker absorbierten Pumppulsen vergleichsweise kurzer Dauer effektiv ausgeblendet. Die zweiten oder längeren Pumppulse sind für die Verstärkungsabsorptionsspektren des ersten Stufenverstärkers transparent, so dass sie durch den ersten Stufenfaserverstärker direkt in den zweiten Stufenfaserverstärker durchgehen. Die zweiten Pumppulse längerer Dauer sind innerhalb der Absorptionsspektren des zweiten Stufenfaserverstärkers, um die erforderliche Energie und die sich ergebende Verstärkung zu der zweiten Stufe zum Bereitstellen hoher Spitzenleistungspegel von mehr als 1 MW, mit hohen Energiepegeln, beispielsweise 10 mJ oder höher, zu liefern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A–1D betreffen eine grundsätzliche schematische Darstellung, die dem Verständnis der Erfindung dient. 1A ist eine schematische Darstellung einer Laserdiode, die einen optischen Faserverstärker pumpt. 1B ist eine schematische Darstellung eines Verstärkungsmediums eines zweistufigen Verstärkers, wobei die erste Stufe ein Faserpumplaser und die zweite Stufe ein Faserleistungsverstärker ist. 1C ist eine schematische Darstellung des Pumpens mit mehreren optischen Faserlasern eines optischen Faserverstärkers. 1D ist eine grafische Darstellung der Abnahme der Verstärkung aufgrund der Signalverstärkung und der Erholung in dem Faserverstärker, der in 1A gezeigt ist, im Falle, wenn die Signalpulswiederholung vergleichsweise gering ist. 1E ist eine grafische Darstellung des Falles, wenn die Signalimpulswiederholung vergleichsweise hoch ist, wobei die Verstärkungserholung durch Aufrechterhalten einer mittleren Verstärkung in dem in 1A gezeigten Faserverstärker erreicht wird.
2 ist eine schematische Seitenansicht eines laserinjizierten optischen Faserverstärkers, wenn dieser für einen Frequenzverdopplerwellenleiter angewendet wird.
3 ist eine schematische Seitenansicht entsprechender Teile eines zweistufigen optischen Faserverstärkers mit injiziertem Signal.
4 ist ein Querschnitt eines Doppelmantelfaserverstärkers, der mit seltenen Erden dotiert ist, und der in Verbindung mit jeder der erfindungsgemäßen Ausführungsformen verwendbar ist.
5 ist ein Zeitablaufdiagramm der optischen Leistung gegenüber der Zeit, wobei der gepulste Pumpvorgang mit einem gepulsten Pumptastgrad im Vergleich zu der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform dargestellt ist.
6 betrifft eine grundsätzliche schematische Darstellung dieser Erfindung.
7 ist eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des in der 6 gezeigten grundlegenden Konzepts der Erfindung.
8 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des in der 6 gezeigten grundlegenden Konzepts der Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des in der 6 gezeigten grundlegenden Konzepts der Erfindung.
10 zeigt einen zweistufigen Doppelmantelverstärker gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, die sich auf die Kopplungseffizienz der Injektionsquelle zu der ersten Verstärkerstufe bezieht.
11 ist eine Endansicht der Eingangsfläche der ersten Verstärkerstufe aus 10, wobei die Überlappung des Strahls der Injektionsquelle mit dem Faserkern dargestellt ist.
12 ist eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung, die ein Verstärkersystem mit einer ersten und einer zweiten Stufe zeigt, die das grundlegende Konzept dieser Erfindung verwendet.
12A ist eine grafische Darstellung der Leistung gegenüber der Zeit oder der Lage des Ausgangssignals für das Array der zweiten Verstärkerstufe aus 12.
13 ist eine modifizierte Form der ersten Verstärkungsstufe, die in 12 gezeigt ist, und die eine Doppeldurchlaufverstärkung liefert.
14 ist eine Darstellung einer ersten Art einer Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen zur Anwendung als eine Pumpquelle mit mehreren Wellenlängen für ein optisches Faserverstärkungssystem.
15A ist eine schematische Darstellung einer zweiten Art einer Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen zur Anwendung als eine Pumpquelle mit mehreren Wellenlängen für ein optisches Faserverstärkungssystem.
15B ist eine grafische Darstellung des Wellenlängenbands, das von den Lichtquellen mit mehreren Wellenlängen aus der 15A erzeugt wird.
16 ist eine schematische Darstellung einer dritten Art einer Lichtquelle mit mehreren Wellenlängen zur Anwendung als eine Pumpquelle mit mehreren Wellenlängen für ein optisches Faserverstärkungssystem.
17 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquelle mit Mehrfachredundanz zur Anwendung als eine Pumpquelle für ein optisches Faserverstärkungssystem.
1A offenbart einen Doppelmantelfaserverstärker 10 mit einer konventionellen Seltenerdendotierung mit einem Einzelmoden-seltenerdendotierten Kern und einem inneren Multimodenmantel. Diese Faserverstärker sind mit Ionen aus seltenen Erden, etwa Nd³⁺, Yb³, Tm³⁺ oder Pr³ dotiert. Der Faserverstärker wird von einer Pumpquelle P_s mit einer Wellenlänge λ_p gepumpt, wobei der Eingang an den Multimoden-Innenmantel der Faser gekoppelt ist und wobei die Quelle eine Hochleistungslaserdiode oder ein Laserarray umfasst, das in kontinuierlicher Weise betrieben wird und einen Leistungspegel beispielsweise um 100 mW oder mehr liefert. Ein Injektionssignal S₁ mit der Wellenlänge λ_s aus der Injektionssignalquelle, mit I_s bezeichnet, besitzt eine vorbestimmte hohe Wiederholungsrate oder Frequenz, etwa einige 10 kHz bis einige MHz, und wird als Eingangssignal zu dem Kern des Verstärkers 10 zugeführt, der ein Einzelmodenkern sein kann. Es werden hohe Spitzenleistungen für ein verstärktes Pulssignal S₂ und eine Wellenlänge λ_s am Verstärkerausgang, etwa in der Größenordnung von einigen 100 Watt Pulsspitzenleistung bis einige 100 kW Pulsspitzenleistung oder sogar einige MW- Pulsspitzenleistung erreicht, wenn gewisse Bedingungen für den Betrieb des Faserverstärkers erfüllt sind. Wenn die Eingangspulsleistung und der Tastgrad für die injizierten Impulse S₁ geeignet gewählt sind, können diese zuvor genannten hohen Spitzenleistungen, die vorher als nicht möglich erachtet wurden, erreicht werden, wenn erstens die injizierte Signalpulsleistung ausreichend ist, um die Verstärkung des Faserverstärkers zu sättigen, und wenn zweitens der Tastgrad der injizierten Impulse so gewählt ist, um eine geeignete Erholung der Verstärkung in dem Faserverstärker zwischen den Impulsen zu ermöglichen.
Das Pumpen des Seltenerden-dotierten Doppelmantelfaserverstärkers 10 kann ferner durch die Verwendung eines Faserlasers erreicht werden, wie dies in 1B gezeigt ist. Die Pumpquelle für Verstärker 10 umfasst den Faserlaser 12 mit Fasergittern 12A und 12B für die optische Rückkopplung. Der Faserlaser empfängt ein Pumpsignal λ_p von der Pumpquelle P_s mittels der Koppellinse 10L. Der Faserlaser 12 kann eine Doppelmantelfaser mit einer Einzelmodenkernfaser sein, wobei der Kern beispielsweise mit Nd³⁺, Yb³, Tm³⁺ oder Pr³ dotiert ist, und dieser empfängt Leistung von der Laserdiodenpumpquelle Ps über das Linsensystem 10L durch das Pumpsignal S₁ der Wellenlänge λ_p, die innerhalb des Absorptionsbandes des dotierten Faserkerns liegt. Die höhere Ausgangsleistung aus dem Faserlaser 12 wird als Eingangssignal für den inneren Mantel des Seltenerden-dotierten Doppelmantelfaserverstärkers 10 bereitgestellt, in dem diese in integraler Weiser mit der Faser vorgesehen wird, d.h. es ist die gleiche Faser, oder es sind unterschiedliche Fasergebilde, wobei eine optische Kopplung zwischen den Fasern mittels einer Linse ähnlich zu der Koppellinse 10L (nicht gezeigt) vorgesehen ist.
Um sehr hohe Leistungspegel aus einem einzelnen Doppelmantelfaserverstärker zu erhalten, kann ein Array aus Pumpquellen 12_s1 , 12_s2 ,... 12_sn , mit Seltenerden-dotierten Faserlasern verwendet werden, wie dies in 1 C gezeigt ist. Ein hoher Pegel an Pumpleistung ist zur Injektion in den inneren Mantel des Doppelmantelfaserverstärkers 10 über das Linsensystem 10L erforderlich. Bei einer gegebenen festen Größe des inneren Mantels ist die Pumpleistung durch die Helligkeit der Pumpquelle bestimmt. Eine Quelle mit geringer Helligkeit wird auf eine große Fläche fokussiert und daher können relativ wenige Quellen mit geringer Helligkeit an den inneren Mantel des Verstärkers angekoppelt werden. Eine ideale Pumpquelle für den Doppelmantelfaserverstärker mit hoher Leistung 10 sind daher ein oder mehrere Doppelmantelfaserverstärker oder Laser mit einer Ausgangswellenlänge beim Absorptionsband des Doppelmantelfaserverstärkers 10. Ein Beispiel für 1C ist das Pumpen eines Doppelmantelfaserverstärkers 10, der mit Er:Yb dotiert ist, bei 1.06 μm Wellenlänge mit einem Array aus Nd- oder Yb-dotierten Doppelmantelfaserlaser 12_s1 , 12_s2 ,... 12_sn , die Ausgangssignale bei ungefähr 1.06 μm Wellenlänge aufgrund der reflektierenden Gitter 14_G1 , 14_G2 ,... 14_Gn liefern, die ihre Funktion bei dieser ausgewählten Wellenlänge beibehalten.
Die Verstärkungssättigung des Faserverstärkers ist bei hohen Pulsraten, etwa bei über einigen zehn bis hundert kHz durch die durchschnittliche Injektionspulsleistung bestimmt. Die durchschnittliche Injektionsleistung der Eingangsimpulse muss eine ausreichende Impulslänge oder Dauer zur effizienten Pulsverstärkung aufweisen, um die durchschnittliche Ausgangsleistung von dem Faserverstärker zu sättigen. Die Pulslänge kann beispielsweise 10 ns oder weniger bis zu ungefähr 1 ms betragen. Es muss ein Gleichgewicht einer ausreichenden Pulsleistung zur Sättigung der Verstärkung des Faserverstärkers vorhanden sein, die das Einsetzen und das Entstehen des Streuungsrauschens minimiert, aber dennoch ausreichend Zeit zwischen den Impulsen liefert, um eine Verstärkungserholung zu erlauben, wie dies in den 1D und 1E durch die gestrichelten Kurven beispielhaft dargestellt ist. Daher wird eine durchschnittliche Verstärkung in dem Verstärker beibehalten, wodurch eine optimierte Effizienz bei der Signalimpulsverstärkung S₂ erreicht wird, wobei ein minimaler Betrag an Streuungsrauschen in Verbindung mit einer ausreichenden Faserverstärkungserholung erreicht wird.
Für sehr hohe Wiederholungsraten von mehr als 100 kHz, wie dies beispielhaft in 1E dargestellt ist, ist die Verstärkungsantwort äußerst langsam im Vergleich zur Erholung, die in 1D gezeigt ist. Folglich ist die Verstärkung in der Faser ungefähr konstant und die Verstärkung für die Eingangsimpulse ist gleich der mittleren Verstärkung.
Für geringere Wiederholungsraten von weniger als 100 kHz beispielsweise, wie dies in 1D beispielhaft gezeigt ist, kann ein deutlicher Rippel in der Verstärkung als eine Funktion der Zeit auftreten. In diesern Falle kann die zum Zeitpunkt des Signalimpulses vorhandene Verstärkungserholung wesentlich höher sein als die mittlere Verstärkung im Falle von 1E. Die maximale Spitzenverstärkung ist durch das Einsetzen eines signifikanten Pegels an Streuungsrauschen bestimmt. Da jedoch das Streuungsrauschen weniger Zeit hat, sich aufzubauen, ist die Spitzenverstärkung höher als die durchschnittliche Verstärkung.
Eine spezielle Implementierung der Funktion des Faserverstärkers aus 1A umfasst einen mit Nd³⁺-dotieren Doppelmantelfaserverstärker, der mit einer Pumpquelle P gepumpt wird, die ein P6-fasergekoppeltes Laserdiodenarray mit einer Wellenlänge λ_p bei 804 nm bis 808 nm mit einer Verstärkung bei ungefähr 1.06 μm umfasst. Die Injektionsquelle I_s war eine durchstimmbare Hochleistungslaserdiode, die auf eine Wellenlänge λ_s von 1.06 μm eingestellt ist. Das Ausgangssignal der Injektionsquelle I_s wurde bei einer hohen Frequenz mittels eines akustisch-optischen Modulators moduliert und in den Einzelmodenkern des Doppelmantelfaserverstärkers eingekoppelt. Mit ungefähr 7W Pumpleistung im kontinuierlichen Betrieb, die in den Faserverstärker eingekoppelt wurde, wurde ein injiziertes Pulssignal mit 150 kHz und rechteckiger Pulsform mit einem Tastgrad von 6%, einer Spitzenleistung von 40 mW DC von einer Laserdiode so verstärkt, dass eine DC-verstärkte Ausgangsleistung von 29W Spitzenleistung und einer Pulsenergie von 15 μJ erreicht wurde. Die Pulsenergie kann erhöht werden bei einer geringeren Injektionspulsfrequenz, solange die Spitzenverstärkung zwischen den Impulsen die Verstärkungspegel nicht übersteigt, bei denen das Streuungsrauschen die Pumpleistung verbraucht. Somit ist es durch Anwenden der gleichen Pumpleistungspegel möglich, Pulse mit Energiepegel über 100 μJ mit Injektionsimpulswiederholungsraten zwischen ungefähr 10 kHz bis 100 kHz zu erreichen. Um Frequenzen über einigen kHz zu erhalten, können elektrisch gepulste DBR-Laserdioden oder MOPA-Laserdioden anstatt einer Laserdiode und eines akustisch-optischen Modulators verwendet werden. Derartige hohe Spitzenleistungen haben eine überragende Nützlichkeit in Anwendungen beim Hochgeschwindigkeitsdrucken, LIDAR und bei nichtlinearer Frequenzkonversion, wobei Erhöhungen in der Eingangsspitzenleistung in etwa proportional höher funktionale Wirkungsgrade in den speziellen Anwendungen zur Folge haben. Beispielsweise erhöht der Wirkungsgrad bei der Frequenzumwandlung, etwa im Falle des Frequenzverdoppelns, in einem gegebenen nichtlinearen Frequenzkonverter die verfügbare Pulsspitzenleistung.
Daher liegt der Schlüssel für den Betrieb derartiger Doppelmantelfaserverstärker in der Tatsache begründet, dass hohe Spitzeninjektionsleistungen von derartigen Hochleistungslaserdioden-Injektionssignalquellen das Erzeugen eines Ausgangssignal von Dop pelmantelfaserverstärkern mit höheren Spitzenleistungsimpulsen ermöglichen, indem der Tastgrad der Injektionssignalimpulse reduziert und gleichzeitig die hohe Eingangsimpulsenergie in Impulse mit kürzerer Dauer oder Pulslänge innerhalb des gegebenen Tastgrads konzentriert wird. In diesem Falle können Laserdiodenimpulse im unter-Nanosekunden- bis unter-Picosekundenbereich mit vergleichsweise hohen Spitzenleistungen erhalten werden, indem Verstärkungsumschaltung- oder Modenverriegelungs-Verfahren mittels Injektionsstrommodulation oder mit Aufnahme von Absorbern mit Sättigung in die Laserdiodenstruktur angewendet werden.
In 2 emittiert eine Laserinjektionsquelle 11 kohärente Lichtimpulse bei einer Wellenlänge λ_s, die in einen optischen Faserverstärker 13 eingeführt werden, um hohe Spitzenleistungen und Pulsenergiepegel zu entwickeln. Die von dem Faserverstärker 13 ausgesandten verstärkten Impulse können für eine Reihe möglicher Anwendungen, beispielsweise in der nichtlinearen Frequenzumwandlung, dem Laserdrucken und LIDAR (Lichtdetektion und Bereichsermtittelung) verwendet werden. In 2 ist ein Generator für die zweite Harmonische (Frequenzverdoppler) 15 in Form eines nichtlinearen Kristalls als eine Anwendung dargestellt und empfängt die verstärkten Impulse von dem Verstärker 13 bei der Wellenlänge λ_s und erzeugt in effizienter Weise Pulse bei einer umgewandelten Wellenlänge (1/2·λ_s). Der Konversionwirkungsgrad in derartigen Verdopplerkristallen 15 und anderen nichtlinearen Elementen steht in direktem Zusammenhang mit der momentanen optischen Intensität, die in diese Elemente eingekoppelt wird und hängt damit von den Spitzenimpulsleistungspegeln ab, die von dem Faserverstärker 13 erreichbar sind. Kollimier- und Fokussieroptiken 39 koppeln das Licht zwischen den einzelnen aufeinanderfolgenden Stufen 11, 13 und 15. Zu derartigen Optiken 39 können beliebige geeignete Kombinationen von Linsen und optischen Faserwellenleitern gehören, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Alternativ kann eine Mehrfachkopplung zwischen der Laserdiodenfaser und dem nichtlinearen Kristall angewendet werden.
Die Laserquelle 11 umfasst eine Halbleiterlaserdiode 29 oder ein Halbleiter-MOPA-Element. Ein Lasermodulator mit einem externen Modulator, ein DBR-Laser oder ein MOPA mit einem DBR-Oszillator kann in der Quelle 11 enthalten sein, da diese ein reduziertes Chirp-Verhalten unter gepulsten Bedingungen zeigen und damit Licht mit einer einzelnen (schmalbandig) stabilen Frequenz oder Wellenlänge emittieren, selbst bei hohen Pulswiederholungsraten, etwa von über 1 MHz, mit Spitzenleistungspegeln von mindes tens mehreren 100 mW. In der Laserdiode kann eine Geometrie mit unstabilem Resonator mit einem sich ausweitenden Verstärkungsgebiet zum Erzeugen einer höheren Ausgangsleistung verwendet sein, wobei das Emissionsverhalten mit einer einzelnen räumlichen Mode beibehalten wird. Ein derartiger MOPA-Typ eines Elements ist vorzugsweise mit einem sich ausdehnenden Verstärkungsabschnitt aufgebaut, der an einen Einzelmodenlaseroszillatorabschnitt und möglicherweise an einen optionalen Einzelmodenvorverstärkerabschnitt, einen Absorber mit Sättigung oder an ein Modulatorelement angekoppelt ist.
Der Faserverstärker 13 umfasst eine Seltenerde-dotierte optische Faser 23 und eine optische Hochleistungspumpquelle 25. Ein dichroischer Strahlungsteiler 27 oder ein anderes Strahlvereinigungselement, etwa ein Faserkoppler, ist verwendet, um das Pumplicht mit der Wellenlänge λ_p mit dem Eingangsimpuls mit der Wellenlänge λ_s von der Injektionssignalquelle 11 zu vereinigen. Der Seltenerdedotierstoff für die Faser 23 kann einer der in konventionellen Faserverstärkern und Lasern angewendeter Stoff sein, um eine Verstärkung mittels stimulierter Emission zu erreichen; dazu gehören Neodym (Nd³⁺), Ytterbium (Yb³⁺), Erbium (Er³⁺), Thullium (Tm³⁺), Holmium (Ho³⁺) und eine Kombination aus Erbium und Ytterbium (Er³⁺:Yb³⁺). Die Wellenlänge λ_s der Eingangsimpulse aus der Laserquelle 11 ist so gewählt, dass diese in dem Verstärkungsband des speziellen aktiven Dotierstoffes liegt. Für Neodym liegt dieses typischerweise bei ungefähr 1.06 μm, aber auch bei 0.90 μm bis 0.95 μm; für Ytterbium liegt dieses bei 1.03 bis 1.14 μm und auch von 1.26 bis 1.34 μm; für Erbium oder Er:Yb bei ungefähr 1.54 μm; für Thullium bei ungefähr 1.7 μm oder 2.0 μm; und für Holmium bei ungefähr 2.1 μm. Die Pumpwellenlänge λ_p wird in ähnlicher Weise so gewählt, dass diese in dem Absorptionswellenlängenband für das spezielle, in dem Faserverstärker verwendete Dotiermittel liegt. Es gibt für gewöhnlich eine gewisse Änderung in den Wellenlängenbändern abhängig von dem Glasfaserkernmaterial, das als Träger für das Dotiermaterial dient. Für gewöhnlich wird Quarzglas verwendet.
Die Faser 23 ist vorzugsweise eine Doppelmantelfaser mit einem zentralen Kern 29 mit einem ersten Brechungsindex, die mit aktiven seltenen Erdenionen dotiert ist, einem ersten inneren Mantel 31 mit einem zweiten geringeren Brechungsindex, der den Kern 29 umgibt und einem zweiten äußeren Mantel 33 mit einem dritten noch geringeren Brechungsindex, der den inneren Mantel 31 umgibt. In dieser Art einer Glasfaser fungiert der Kern als ein Wellenleiter und als ein verstärkendes Medium für die Eingangsimpulse, während der innere Mantel als ein Wellenleiter für das Pumplicht fungiert. Ein Querschnitt einer derartigen geeigneten Doppelmantelfaser ist in 4 gezeigt. Der Kern 40 hat vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als ungefähr 10 μm und unterstützt die Ausbreitung lediglich einer einzelnen räumlichen Mode des Lichts. Es könnte stattdessen jedoch auch ein größerer Multimoden-Kern bei Bedarf verwendet werden. Der Kern kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, wie dies gezeigt ist, oder kann eine andere Form aufweisen, etwa rechteckig oder elliptisch, um damit die Polarisation zu bewahren. Der innere Mantel 42 ist typischerweise ein Mehrfachmoden-Wellenleiter und hat eine Größe und eine Form, die so gewählt sind, um das von der Pumpquelle 25 empfangene Licht mit maximaler Kopplungseffizienz aufzunehmen. Eine rechteckige Form, wie dies gezeigt ist, ist typisch, obwohl auch eine elliptische oder eine andere Form verwendbar ist. Der äußere Mantel 44 dient dazu, das Pumplicht im Kern und im inneren Mantel 40, 42 einzuschließen.
Wie man aus 2 erkennen kann, können die Faserendflächen 30 und 32 mit einem leichten Winkel mit 12° bis 15° zur Fasernormalen poliert sein, um eine Rückkopplung durch Reflektion des sich in der Faser ausbreitenden Lichts zu minimieren. Die Faserenden können auch antireflektierend beschichtet sein.
Die Pumpquelle 25 ist vorzugsweise ein fasergekoppeltes Laserdiodenarray mit hoher Helligkeit und großer Leistung. Das Laserdiodenarray ist mit der Endfläche 30 über eine Faser gekoppelt und besteht aus mehreren Halbleiterlaserdioden, um eine Redundanz zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Quelle und des Systems zu gewährleisten.
Die Pumpquelle 25 kann auch ein MOPA oder eine dotierte Einzelmantelfaserpumpquelle sein. Die bereitgestellte Ausgangsleistung sollte mindestens einige 100 mW und vorzugsweise 10W – 20W oder mehr an durchschnittlicher Ausgangsleistung bei einem kontinuierlich, quasi-kontinuierlichen oder gepulsten Modus betragen. Zum Pumpen von Neodym-dotierten Faserverstärkern werden u.a. kommerziell erhältliche GaAIAs-monolithische lineare Laserarrays verwendet, die Pumplicht im Bereich von 798-810 nm emittieren, zu denen die Reihe 3400 (kontinuierlich) und die Reihe 3200 (quasi-kontinuierlich) von SDL, Inc., San Jose, Kalifornien, gehören. Beispielsweise liefert das SDL-3450-P5 10W kontinuierlicher Ausgangsleistung aus einem 400 μm-Durchmesser 0.4 NA-Faserbündel. Die SDL-3251-Laserbalken liefern 100W quasi-kontinuierlicher Spitzen ausgangsleistung aus einem 10 mm mal 1 μm Austrittsloch (10 × 30 FWHM-Strahldivergenz) für eine maximale Pulsbreite von 400 μs (40 mJ/Puls) und einen Tastgrad von bis zu 40% (4W Durchschnittsleistung). Zum Pumpen von Erbium oder Erbium-dotierten Faserverstärkern können kommerziell vertügbare InGaAs-monolithische lineare Laserarrays angewendet werden, die Pumplicht im Bereich von 960-980 nm aussenden, zu denen der SDL-6480-P5-fasergekoppelte Laser mit 10W cw-Ausgangsleistung, wie der zuvor genannte SDL-3450-P5-Laser und die SDL-6231-Laserbalken, gehören, und eine quasi-kontinuierliche Ausgangsspitzenleistung von 60W aus einer 10 × 1 μm Austrittsloch (10 × 40 FWHM-Strahldivergenz) für eine maximale Impulsbreite von 400 μs (24 mJ/Puls) und einem Tastgrad von 2 bis 3% (1.2 bis 1.8W Durchschnittsleistung) liefern. Es sind auch gestapelte Arrays mit noch größeren quasi-kontinuierlichen Ausgangsleistungen verfügbar. InGaAsP/InP-Laser können Pumplicht für Faserverstärker mit Thullium und Holmium bei längerer Wellenlänge erzeugen.
Das Pumplicht aus der Laserpumpquelle 25 wird über den dichroischen Strahlteiler 27 und eine fokussierende Linse 39 in den inneren Mantel 31 der optischen Faser 23 eingekoppelt und wird von den Dotierionen in dem Faserkern 29 bei Ausbreitung über die Länge der Faser absorbiert, um Verstärkung für die Lichtimpulse aus der Injektionssignalquelle 11 zu erzeugen. Ein gepulster Betrieb der Laserdiode oder des MOPA-Elements 21 der Injektionssignalquelle 11 kann erreicht werden, indem elektrischer Strom I(t) pulsweise in das Element 21 eingeprägt wird. Vorzugsweise wird der gepulste Injektionsstrom I(t) lediglich zu einem Teil des Elements zugeführt, etwa zu einem Einzelmoden-Wellenleiterabschnitt, während andere Bereiche einschließlich eines sich erweiternden Verstärkungsabschnitts unabhängig mit Gleichstrom gepumpt werden. Beispielsweise kann ein gepulster Strom zu einem Oszillator oder Vorverstärkerabschnitt eines MOPA-Elements zugeführt werden, während Gleichstrom, der nicht notwendigerweise gleichförmig verteilt ist, in den sich erweiternden Verstärkerabschnitt des MOPAs injiziert wird. Die Folge dieses gepulsten Injektionsstromes I(t) ist ein gepulstes optisches Ausgangssignal aus dem Element 21, dessen Pulseigenschaften den Stromimpulsen entsprechen. Es ist daher möglich, die optische Pulsdauer und Form zielgerecht bereitzustellen, indem die Injektionsstrompulse maßgerecht geformt werden.
Pulsformung ist für gewisse Anwendungen und beispielsweise optische parametrische Oszillatoren (OPO) oder optische parametrische Verstärker wichtig, in denen der Kon versionswirkungsgrad stark von der Eingangsleistung abhängt. Bei diesen Gegebenheiten hat ein Impuls mit langsamer Entstehung oder langsamer Anstiegszeit einen geringen Wirkungsgrad zur Folge. Alternativ kann ein gepulster Betrieb durch Verwenden von Q-Schaltungs- oder Modenverriegelungs-Techniken zur Erzeugung von Subnanosekunden (oder sogar Subpicosekunden) Impulsen erreicht werden. Die Laserquelle 11 kann ein aktives elektro-optisches oder magneto-optisches reguliertes Verlustelement im Laserhohlraum oder ein passives Hohlraumverlustelement, etwa einen Absorber mit Sättigung in der Laserdiodenstruktur, beinhalten, um das Q-Schalten hervorzurufen. Der Injektionsstrom kann mit einer Rate moduliert sein, die zeitlich so gestaltet ist, um mit der Umlaufzeit in dem Laserhohlraum übereinzustimmen, um damit eine Modenverriegelung zu bewirken. Eine Kombination eines Betriebs mit stabilisierter Mode und eines Q-Schaltelements mit der Wiederholungsrate der phasenverriegelten Impulse kann angewendet werden.
Zu den Eigenschaften der von der Laserquelle 11 emittierten optischen Impulse gehören typischerweise eine Wiederholungsrate von unter 1 kHz bis 100 MHz für eine Zeitdauer von 1 ns bis einige ms zwischen aufeinanderfolgenden Impulse, ein Tastgrad von 10% oder weniger für Pulslängen von 10 ns oder weniger, Spitzenleistungspegel von 10 mW bis 1W oder mehr, Pulsenergien von ungefähr 1 nJ bis 0.1 μJ pro Puls und eine Durchschnittsleistung in der Größenordnung von 1 mW. Zur Minimierung des Streuungsrauschens ist es wichtig, ausreichend optische Leistung von der Laserquelle 11 in den Faserverstärker 13 einzuführen, um die Verstärkung des Fasermediums zu sättigen. Bei hohen Modulationsraten ist die Verstärkungssättigung für einen gegebenen Faserverstärker 13 im Wesentlichen durch die Durchschnittsleistung der Laserquelle bestimmt. In einer typischen optischen Faser kann eine Verstärkung ungefähr 30–40 dB vor dem Einsetzen des Streuungsrauschens erreicht werden. Um daher einige Watt an durchschnittlicher Ausgangsleistung zu erzielen, beträgt die aufgenommene Ausgangsleistung für den Faserverstärker 13 1 mW oder mehr, um Verstärkungssättigung zu erhalten. Im Falle von mehrstufigen Faserverstärkern ist jedoch ein Betrieb von über 50 dB Verstärkung erreichbar, so dass lediglich geringere Injektionsquellenleistungen erforderlich sind und zwar in einem Maße, das genügend Ausgangsleistung für die gewünschten Anwendungen bereitstellt.
Die Wiederholungsrate der Pumpleistung aus der Pumpquelle 25 ist so gewählt, um ausreichend Zeit für eine angemessene Verstärkungserholung in dem Faserverstärker 13 zwischen den Impulsen zu ermöglichen. Der Tastgrad steht mit der Spitzenleistung der verstärkten Impulse aus der Injektionssignalquelle 11 in Beziehung. Ein geringer Tastgrad konzentriert die Pulsenergie in eine kürzere Zeitdauer, wodurch höhere Spitzenleistungspegel erreicht werden.
Die verstärkten Ausgangsimpulse der Wellenlänge λ_s, die von der Ausgangsfläche 32 der Faser 23 ausgesandt werden, können in ein optisch nichtlineares Frequenzumwandlungselement, etwa einen Frequenzverdoppler 15, eingekoppelt werden. Der Frequenzverdoppler 15 kann einen großvolumigen KNbO₃-Kristall 35 mit einem QPM-Wellenleiter 37 aufweisen. Beispielsweise kann der Wellenleiter 37 periodisch mit abwechselnd ferroelektrischen Polarisationsbereichen (+ und -) gepolt werden, um die Phasenübereinstimmung des Verstärkerausgangssignals mit der Wellenlänge λ_s, das in den Wellenleiter eingekoppelt wird, mit dem umgewandelten Licht der Wellenlänge (1/2·λ_s), das in dem Wellenleiter durch den nichtlinearen Prozess zur Erzeugung der zweiten Harmonischen erzeugt wird, beizubehalten. Lichtimpulse, die von einem Neodym-Faserverstärker mit Wellenlänge in einem Bereich von 900 nm bis 950 nm empfangen werden, werden in gepulstes blaues Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von 450 nm bis 475 nm umgewandelt. In ähnlicher Weise können grüne Lichtimpulse von 515 nm bis 570 nm Wellenlänge aus 1030 nm bis 1140 nm gepulstem Ausgangssignal aus einem Praseodym-Faserverstärker oder aus dem 1060 nm-gepulsten Ausgangssignal eines Neodym-Faserverstärkers erzeugt werden.
Der Wirkungsgrad des Prozesses zur Erzeugung der zweiten Harmonischen ist mit der optischen Leistungsdichte der in den nichtlinearen Wellenleiter eingekoppelten Lichtimpulse verknüpft. Da insbesondere das Frequenzverdoppeln von der momentanen Intensität abhängt, lassen sich hohe Spitzenleistungspegel von einem gepulsten Phasenverstärker deutlich effizienter als kontinuierliche Ausgangssignale mit geringerer Leistung umwandeln. Anders ausgedrückt, die hohen Spitzenleistungspegel, die durch die Anwendung dieser Erfindung erreichbar sind, beispielsweise 1 bis 10 kW oder mehr, erlauben einen höheren Wirkungsgrad bei der Verdopplung in großvolumigen Kristallen, was ein wichtiges Attribut dieser Erfindung im Vergleich zu Anwendungen ist, die hohe Eingangsleistungen für einen größeren Wirkungsgrad beim Betrieb erfordern. Der Umwand lungswirkungsgrad hängt ferner von der Wellenlänge und der Polarisationsstabilität der verstärkten Lichtimpulse ab. Ein einzelnes schmales Wellenlängenband ist vorzuziehen, da die Linienbreitenaufweitung und das Chirpen den Verdopplungswirkungsgrad reduzieren. Folglich kann die Injektionssignalquelle 11 ein DBR-Laser oder eine beliebige andere Quelle mit stabiler Wellenlänge sein, um die Verstärkungswellenlänge zu stabilisieren, wozu eine durch ein externes Rückkopplungsgitter stabilisierte Laserdiode oder eine Laserdiode mit externer Modulation zählt. In ähnlicher Weise ist eine einzelne Polarisation aus dem Faserverstärker 13 ebenso zu bevorzugen. Dies kann erreicht werden durch eine Kombination aus einer stabilen Eingangspolarisation aus der Injektionssignalquelle 11, einer polarisationserhaltenden Faser 23 oder einem Faserpolarisationssteuerungselement in der Nähe des Ausgangsendes 32 der optischen Faser 23, etwa einem Mechanismus zum Spannen der Faser, mit einer Rückkopplungssteuerschleife, die die Ausgangspolarisation erfasst. Ebenso kann ein polarisierendes Filter zwischen dem Faserausgang an der Fläche 32 und dem Eingang zu dem Wellenleiter 37 vorgesehen werden.
Zusätzlich zu der Erzeugung der zweiten Harmonischen, d.h. der Frequenzverdopplung, verlaufen andere Einzeldurchlaufprozesse, einschließlich der Erzeugung der Summenfrequenz und der Differenzfrequenz, ebenso effizienter bei Impulsen mit höherer Spitzenleistung. Ferner können resonante Frequenzumwandlungsvorgänge, etwa optische parametrische Oszillation (OPO), in Zusammenhang mit den gepulsten Faserverstärkerausgangssignalen angewendet werden, um effizient das Licht in Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich umzuwandeln. LIDAR-Systeme verwenden Spitzenleistungsimpulse im Wattbereich und Energien von 1 μJ/Puls und darüber im Bereich des nahen bis mittleren Infrarots. Daher können die Impulse direkt aus der Faser oder von OPO-konvertierten Faserverstärkerausgangssignalen in derartigen LIDAR-Systemen verwendet werden.
In 3 ist ein kaskadierter mehrstufiger Faserverstärker mit einer ersten Verstärkungsquelle 51 mit einer Injektionssignalquelle 51a, die zu verstärken ist und die eine Laserdiode sein kann, und einen ersten gepumpten Faserverstärker 51b, der optisch an einen zweiten gepumpten Faserverstärker 53 gekoppelt ist, umfasst. Die Injektionssignalquelle 51a ist ähnlich zur Quelle 11 in 3A, so dass die Laserdiode 61 die gleiche sein kann als die Laserdiode 21 aus 2. Der Laser 61 kann in gepulster Betriebswei se mittels eines gepulsten Strominjektionssignals I(t) betrieben werden, wie im Fall des Lasers 21. Der erste Faserverstärker 51b verstärkt die Injektionssignalimpulse auf kW-Spitzenleistungspegel zur Injektion in den zweiten Faserverstärker 53, der eine weitere Verstärkung des verstärkten Signals auf MW-Spitzenleistungspegel liefert. Alternativ kann eine Laserdiode mit geringer Leistung für die Injektionssignalquelle 51a verwendet werden und Pulse von ungefähr 1 mW Spitzenleistung oder weniger bereitstellen. Die geringere Leistung hilft dabei, einen Betrieb auf einer einzelnen Frequenz ohne Chirpen beizubehalten, wodurch sich verstärkte Ausgangssignale bei einer einzelnen Frequenz ergeben. Der erste Faserverstärker 51b verstärkt die Signalimpulse in einem Bereich von ungefähr 1W bis 10W Spitzenleistungspegel. Der erste Faserverstärker 51b ermöglicht es ferner, dass Eingangsimpulse mit höheren Wiederholungsraten (unter 1 MHz) und größeren Tastgraden (ungefähr 1–10%) anwendbar sind, wobei dennoch die 1W- bis 10W-Spitzenleistungsimpulse zu dem zweiten Faserverstärker 53, der zur Verstärkung auf 10 kW bis 100 kW Spitzenpegel erforderlich ist, zugeführt werden.
Obwohl Pulsdauern von 10 ns oder weniger typischerweise bevorzugt werden, gibt es dennoch Anwendungen, in denen längere Impulse von bis zu 1 μs Dauer für größere Impulsenergien wünschenswert sind. In solchen Fällen können die Impulse durch direkte Strominjektion I(t) wie zuvor oder durch einen externen Modulator erzeugt werden.
Der erste Faserverstärker 51b umfasst eine Seltenerde-dotierte Faser 63 und eine Laserdiodenpumpquelle 65. Die Faser 63 kann eine Doppelmantelfaser wie die Fasern 23 und 73 sein, oder kann eine konventionelle Einzelmantelfaser sein, wie dies hier gezeigt ist. Lichtimpulse mit den Verstärkungswellenlängen λ_s aus der Laserdiode 61 und Pumplicht bei der Pumplichtwellenlänge λ_p aus der Pumpquelle 75 werden mittels eines dichroischen Strahlteilers 67 oder einer anderen Strahlvereinigungsoptik vereinigt und in den Kern 69 der Faser 63 eingeführt. Eingangs- und Ausgangsendflächen 70 und 72 können unter einem Winkel geschliffen sein, antireflektierend beschichtet oder beides sein, um eine reflektive Rückkopplung in der Faser 63 zu minimieren.
Der zweite Faserverstärker 53 in 3B ist ähnlich zu dem Verstärker 13 aus 2 und besitzt eine Doppelmantelfaser 73 und eine Hochleistungslaserdiodenpumpquelle 75. Ein dichroischer Strahlteiler 77 kombiniert Pumplicht der Wellenlänge λ_p mit den zu verstärkenden Lichtimpulsen der Wellenlänge λ_s, die von der Quelle 51 empfangen werden.
Die zu verstärkenden Lichtimpulse werden in einen Seltenenerden-dotierten Kern 79 der Faser 73 eingekoppelt, während das Pumplicht in den inneren Mantel 81, der den Kern 79 umgibt, eingekoppelt wird. Ein zweiter oder äußerer Mantel 83 schließt das Pumplicht in den Kern und in den inneren Mantel 79 und 81 ein. Die Fasereingangs- und – ausgangsflächen 80 und 82 können unter einem Winkel poliert, antireflektierend beschichtet oder beides sein, um reflektive Rückkopplung in der optischen Faser 73 zu minimieren.
Der Seltenerde-Dotierstoff für den ersten Faserverstärker 51b muss nicht gleich dem Dotierstoff in dem zweiten Faserverstärker 53 sein, vorausgesetzt, dass die in dem ersten und dem zweiten Faserverstärker 51 und 53 verwendeten Dotierstoffe eine Verstärkung bei der gleichen Wellenlänge λ_S der Injektionssignalwelle 61 liefern. Beispielsweise haben die Dotierstoffe Neodym und Ytterbium überlappende Verstärkungsspektren bei 1,06 μm. In ähnlicher Weise müssen die Pumpwellenlängen λ_p aus den Pumpquellen 65 und 75 nicht identisch sein, vorausgesetzt, dass die Wellenlängen innerhalb der entsprechenden Pumpabsorptionswellenlängenband oder Bänder für den ersten und den zweiten Verstärker 51b und 53 liegen. Beispielsweise kann ein Ytterbium-dotierter erster Faserverstärker 51b bei ungefähr 970 nm gepumpt werden, während ein Neodymdotierter zweiter Faserverstärker 53 bei ungefähr 808 nm gepumpt werden kann. Schließlich sind im Allgemeinen die Durchschnittspumpleistungspegel der Pumpquellen 65 und 75 nicht identisch. Vielmehr sollte die Pumpquelle 65 für den ersten Faserverstärker 51b eine geringere Durchschnittsleistung als die Pumpquelle 75 für den zweiten Faserverstärker 53 aufweisen, da die erste Verstärkerstufe 51b lediglich so gepumpt werden muss, um eine deutlich geringere durchschnittliche Ausgangsleistung als die zweite Faserverstärkerstufe 53 zu liefern. Dies ermöglicht es, dass der erste Faserverstärker 51b von den Lichtimpulsen aus der Quelle 51a zur Minimierung des möglichen Einflusses von Streuungsrauschen gesättigt wird. Die Impulse werden auf höhere Durchschnitts- und Spitzenleistungspegel in dem ersten Faserverstärker 51b verstärkt und die verstärkten Impulse werden dann in den zweiten Faserverstärker 53 für die weitere Verstärkung eingeführt. Die höheren Leistungspegel der vorverstärkten Impulse ermöglichen, dass der zweite Verstärker 53 von der Pumpquelle 75 auf höhere Niveaus gepumpt wird, während die Sättigung beibehalten wird, wodurch der mögliche Einfluss des Streuungsrauschens minimiert wird. Die erste und die zweite Pumpquelle 65 und 75 können lineare Laserdiodenarrays oder Halbleiter-MOPA-Elemente mit aufgeweitetem Verstärkungsgebiet sein. Die zweite Pumpquelle 75 für den zweiten Faserverstärker 53 kann alternativ ein gestapeltes Laserarray sein. Alle Elemente in dem kaskadierten Faserverstärkungssystem aus 3 sind optisch mittels der Kollimier- und Fokussieroptik 89, typischerweise in Form von Linsen, gekoppelt, könnten aber auch durch Glasfasern gekoppelt sein.
Im Hinblick auf den Laser der 3 gilt ferner zur Sättigung der Eingänge für die Faserverstärker, dass das Streuungsrauschen auch durch eine geeignete Wahl der Pulswiederholungsrate für die Eingangsimpulse oder mittels Pumpverfahren in einer kaskadierten Verstärkerkonfiguration mittels Verstärkungs-Umschaltung minimiert werden kann. Der Seltenenerden-Dotierstoff in dem Faserkern dieser Verstärker weist typischerweise Fluoreszenzzeitkonstanten im Bereich von ungefähr 400 μs bis 700 μs auf, die direkt mit dem Einsetzen des Streuungsrauschens verknüpft ist. Wenn daher die Pumpleistung im Wesentlichen konstant bei ungefähr 1W bis 10W kontinuierlich gehalten wird, dann muss die Eingangspulswiederholungsrate des Injektionssignals I(t) ausreichend hoch gewählt werden, so dass die Dauer zwischen den Impulsen nicht größer als die Fluoreszenzzeitkonstante ist. Dies beschränkt die Verstärkung auf ungefähr 30 dB oder 40 dB vor dem Einsetzen des Streuungsrauschens, so dass eine gepulste Injektion von 1W Spitzenleistung auf gerade 1 kW bis 10 kW Spitzenleistung verstärkt wird. 5 zeigt ein Zeitablaufdiagramm für eine Periode des injizierten Eingangssignals (A) und des Pumppulses (B) für den Faserverstärker aus 3, wodurch der verstärkte Ausgangsimpuls (C) erzeugt wird, wenn der Verstärker mit einer gepulsten Pumpquelle betrieben wird. Anstatt die Pumpquelle kontinuierlich zu betreiben, wird diese gepulst, so dass diese nicht durchgängig während des gesamten Ein-Zyklus wirksam ist. Die Pumppulse 41 haben eine Dauer von 10 μs bis 500 μs, was ausreichend kurz ist, um das Einsetzen von Streuungsrauschen zu vermeiden. Die Pumpenergie von 0,1 mJ bis 5,0 mJ, die von den Pumppulsen mit 10W bis 20W Spitzenleistung zugeführt wird, wird in den angeregten Zuständen der Dotierionen gespeichert, bis diese durch die stimulierte Emission aus der Injektion eines Eingangsimpulses 43 in den Faserverstärker kurz vor dem Ende des Pumppulses zur Zeit t₀ freigesetzt wird. Der Eingangspuls 43 besitzt typischerweise eine Spitzenleistung von ungefähr 1W und eine Pulslänge von ungefähr 10 ns, obwohl kürzere Pulse mit höherer Spitzenleistung ebenso möglich sind. Die in dem Faserverstärker gespeicherte Energie wird in einem Ausgangspuls 45 mit ungefähr der gleichen Pulsdauer als der Eingangspuls 43 umgewandelt. Auf diese Weise werden 10 ns Ausgangs pulse 45 mit ungefähr 10 kW bis 100 kW Spitzenleistung erreicht, ohne dass sich ein Streuungsrauschen entwickelt.
Es wird nun auf 6 verwiesen, in der ein grundlegendes Konzept dieser Erfindung dargestellt ist. Wie zuvor in Zusammenhang mit dem Artikel von B. Desthieux et al. erwähnt worden ist, kann beim Anwenden kaskadierter optischer Verstärker, etwa zweier Glasfaserlaserverstärker, die hintereinander geschaltet sind, ein Aufbau eines Streuungsrauschens aus dem Sättigen des Verstärkers entstehen, insbesondere, wenn große Verstärkungsfaktoren erforderlich sind. Eine derartige Sättigung kann beispielsweise bei Verstärkungen von 30 dB oder darüber auftreten. Das von dem zweiten Verstärker zurücklaufende Rauschen wird in den ersten Verstärker zurückgekoppelt, in dem es verstärkt wird und damit den ersten Verstärker sättigt. Das Rauschen kann zu einem derartig großen Anteil verstärkt werden, dass die Verstärkung des gewünschten Signals nicht mehr in effizienter Weise erreicht wird. Desthieux et al. verhindern dieses Problem, indem ein zeitlich synchron gesteuertes Tor zwischen den in Reihe geschalteten Verstärkern in Form eines akustisch optischen Modulators verwendet wird, der das zurückwandernde Rauschen während eines Teils des Ein-Zyklus des ersten Verstärkers abschneidet. Anstelle des Verwendens eines derartigen aktiven modulierten Elements kann jedoch die gleiche Wirkung ohne die Notwendigkeit eines dazwischen gekoppelten Elements erreicht werden, indem das erste und das zweite Pumpsignal eines zweistufigen Verstärkers so moduliert werden, dass diese unterschiedliche Tastgrade aufweisen.
Wie in 6 gezeigt ist, wird ein erstes Pumpsignal 92 als Eingangssignal für ein erstes verstärkendes Medium 94 zusammen mit dem zu verstärkenden injizierten Signal 90 mit einem ersten Tastgrad 96 bereitgestellt. Das von dem ersten Verstärkermedium 94 verstärkte injizierte Signal 90' wird als Eingangssignal zusammen mit einem zweiten Pumpsignal 100 mit einem zweiten Tastgrad 104 als Eingangssignal für ein zweites verstärkendes Medium 102 zugeführt. Eine Eigenschaft des ersten und des zweiten Tastgrades 96 und 104 liegt darin, dass die Pulslänge oder Dauer 98 des ersten Tastgrads 96 kürzer als die Pulslänge oder Dauer 106 des zweiten Tastgrades 104 ist. Da die Pulsdauer im ersten Tastgrad 98 zeitlich so viel kürzer ist als die Pulsdauer des zweiten Tastgrads, wird das zurückwandernde Streuungsrauschen von dem zweiten verstärkenden Medium 102 auf eine sehr kurze Zeitdauer für eine mögliche Verstärkung in dem ersten verstärkenden Medium 94 verringert, so dass die Sättigung in dem ersten Ver stärkermedium 94 nicht wesentlich durch die Verstärkung eines derartigen Streuungsrauschens beeinträchtigt wird. Als Folge können sehr viel höhere Pegel an Ausgangsleistungen und Energien am Ausgang des zweiten verstärkenden Mediums 102 erreicht werden, als dies zuvor einschließlich des von B. Desthieux et al. beschriebenen Verfahrens möglich war.
Beachtet werden sollte, dass die kürzere Pulslänge oder Dauer 98 vorzugsweise im ersten Tastgrad 96 anstatt im zweiten Tastgrad 104 angewendet wird, da ein großer Teil des Streuungsrauschens aufgrund des zurückwandernden Streuungsrauschens von ASE und Rayleigh-Streuung auftritt. Ferner gilt das erfindungsgemäße Konzept, wenn die Pulslänge oder Dauer 106 im zweiten Tastgrad 104 kürzer als die Pulslänge oder Dauer 98 im ersten Tastgrad 96 ist, um Streuungsrauschen insbesondere hinsichtlich des vorwärtslaufenden Streuungsrauschens zu reduzieren. Der wichtige Punkt in Zusammenhang mit jeweils den Abhängigkeiten dieser zwei Pulsdauern zwischen dem ersten und dem zweiten Pumppuls besteht darin, sicherzustellen, dass der Injektionspuls die verfügbare Verstärkung des verstärkenden Mediums erhält.
Im Vergleich zur Synchronisation der Pumppulse mit dem Injektionspuls kann die Abhängigkeit des Pulses zeitlich konstant oder zeitlich veränderlich sein. In jedem Fall muss die Synchronisation erhalten bleiben, so dass die Injektionspulse 90 und 90' in der Nähe des Endes entsprechender Pumppulse 92 und 100 auftreten, wodurch ein optimaler verfügbarer Verstärkungsaufbau im Medium 94 oder 102 sichergestellt ist. Daher können die Injektionspulse so synchronisiert werden, dass sie überlappend oder unmittelbar aufeinander folgend sind an jeder Seite des Pumppulses.
Schließlich kann für gewisse Anwendungen ein Pumpausgangssignal kontinuierlich und das andere Pumpausgangssignal gepulst sein. Als ein spezielles Beispiel für Situationen, in denen eine Hochleistungsverstärkung in der Konfiguration aus 6 erforderlich ist, kann die Pumpquelle 92 gepulst sein, während die Pumpquelle 100 kontinuierlich betrieben wird.
7 zeigt eine erste Ausführungsform, um die Verstärkerkonfiguration aus 6 zu erhalten. Das erste verstärkende Medium 94 umfasst einen optischen Faserverstärker A₁, beispielsweise einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA). Injektionssignale λ_s aus der Injektionssignalquelle I_s über die optische Kopplung 90 zusammen mit dem ersten Pumpsignal λ_p1 aus der Pumpquelle P₁ über eine optische Kopplung 92 und den Strahlteiler BS₁ werden als ein Eingangssignal für den ersten optischen Faserverstärker A₁ bereitgestellt. Das Ausgangssignal vom Verstärker A₁ wird über eine standardmäßige Koppeloptik an einen optischen Eingang für das zweite verstärkende Medium 102, das einen optischen Faserverstärker A₂, beispielsweise einen Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA) aufweist, über eine Kopplungsoptik (konventionelles Kollimier- und Fokussierlinsensystem) zusammen mit dem zweiten Pumpsignal λ_p2 aus der Pumpquelle P₂ über die optische Kopplung 100 und den Strahlteiler BS₂ eingekoppelt. Ein Streuungsrauschen einschließlich des zurückwandernden Rauschens aus dem Verstärker A₂ in den Verstärker A₁ ist für die Sättigung des Verstärkers A₁ während des Tastgrades des ersten Pumpsignals 92 mit Ausnahme der relativ geringen Pulsdauer 98, wenn das spätere Pumpsignal während dessen Zyklus aktiv ist, nicht verfügbar, was eine vergleichsweise kurze Dauer im Vergleich zur gesamten Zykluszeit 96 ist.
In der Ausführungsform aus 7 wird die Verstärkung des Streuungsrauschens durch verstärkungs-geschaltetes Pumpen des Verstärkungsmediums der ersten Stufe A₁ mit kurzen mehreren Millisekunden langen Hochleistungspumppulsen mit einer Dauer, die deutlich kürzer als die Fluoreszenzzeitkonstante des verstärkenden Mediums ist, etwa zwischen 10 μs und 500 μs, wobei die Konstante im Wesentlichen im Bereich von ungefähr 400 ms bis 700 ms (für Nd³⁺ ist diese ungefähr 400 μs) liegt und mit dem Aufbau des Streuungsrauschens verknüpft ist, unterdrückt. Die zweite Stufe des verstärkenden Mediums A₂ wird mit einer längeren Pulsdauer, etwa ungefähr 500 ms oder mehr, gepumpt, um die erforderliche Energie für die zweite Verstärkerstufe zur Gewährleistung sehr hoher Energieausgangspulse von 10 mJ oder mehr zu liefern. Anstatt einer Doppelmantelfaser mit einem Multimodeninnenmantel für die zweite Leistungsverstärkerstufe kann der Verstärker eine Doppelmantelfaser mit Multimodenkern oder eine Einzelmantelfaser mit Multimode sein, um noch höhere Spitzenleistungen zu fördern. Da die kürzeren Pumppulslängen in dem verstärkenden Medium der ersten Stufe angewendet werden, wird das Streuungsrauschen in dem ersten Verstärker wirksam ausgesperrt, während Synchronität mit dem Eingangssignal des kontinuierlichen oder gepulsten Injektionssignals, das zu verstärken ist, bewahrt bleibt, ohne die Notwendigkeit eines aktiven Modulators zwischen den beiden verstärkenden Medien 94 und 102. Durch Verringern der Pumppulsdauer in dem ersten Verstärker wird die mögliche Aufbauzeit für das Streuungsrauschen deutlich reduziert und das SNR (Signal/Rauschverhältnis) des gepulsten Ausgangssignals ist verbessert. Die Notwenigkeit oder Erfordemis eines Isolators oder eines anderen Rauschunterdrückers zwischen den Verstärkern A₁ und A₂ ist im Wesentlichen behoben.
Beispielhafte Parameter für die in 7 gezeigte Ausführungsform sind wie folgt. Die erste Verstärkerstufe A₁ kann mit einem 100W Puls mit einer 4 μs Pulslänge, was einer Pumppulsenergie von 0,4 mJ entspricht, gepumpt werden. Der Signalpuls für die erste Verstärkerstufe kann ein 10 ns Puls mit einer Spitzenleistung von 1W sein. Dies ist ausreichend für 0,1 mJ Pulsenergie aus der ersten Verstärkerstufe, wodurch ein verstärkter Spitzenleistungsausgangspuls aus dieser Stufe von ungefähr 10 kW erhalten wird. Die zweite Verstärkerstufe A₂ kann mit einem 100W Puls mit einer Pulslänge von 500 μs, was einer Pumppulsenergie von 50 mJ entspricht, gepumpt werden. Dies ist ausreichend für einige 10 mJ an Pulsenergie aus der zweiten Verstärkerstufe, wodurch eine verstärkte Spitzenausgangsleistung aus dieser Stufe von ungefähr 1 MW erreicht wird.
8 zeigt eine zweite Ausführungsform zur Umsetzung des Verstärkerschemas aus 6. Die zweite Ausführungsform hat den Vorteil gegenüber der ersten Ausführungsform, dass diese kompakter ist und weniger Komponenten erfordert, wobei insbesondere die Notwenigkeit für die Koppeloptiken, etwa wie sie in 7 zwischen dem ersten und dem zweiten verstärkenden Medium A₁, A₂ gezeigt ist, eliminiert wird. Vielmehr sind die beiden Faserverstärker A₁ und A₂ einfach zusammengeführt. Das erste Verstärkermedium 94 umfasst einen optischen Faserverstärker A₁ beispielsweise einen Ytterbium (Yb)-dotierten Doppelmantelfaserverstärker (ADFA). Ein Injektionssignal λ_s von der Injektionssignalquelle I_s wird zusammen mit einem ersten Pumpsignal λ_p1 aus der Pumpquelle P₁ und einem zweiten Pumpsignal λ_p2 aus der Pumpquelle P₂ über optische Koppler 90, 92, 100 und einen Strahlteiler BS als Eingangssignal für das erste Verstärkermedium 94 bereitgestellt, das einen optischen Faserverstärker A₁ aufweist. Das zweite Verstärkermedium 102 umfasst einen optischen Faserverstärker A₂, der mit einem anderen Dotierstoff als der Verstärker A₁ dotiert ist, beispielsweise ein Neodym (Nd)-dotierter Doppelmantelfaserverstärker (NDFA). Die Wellenlänge des zweiten Pumpsignals λ_p2 wird so gewählt, dass diese die Absorptionsspektren des Verstärkers A₁ durchdringt. Folglich dringt das zweite Pumpsignal λ_p2 durch den Verstärker A₁ ohne Beeinflussung, ist aber beim Erreichen des Verstärkers A₂ der Absorption unterworfen und liefert eine Verstärkung für das verstärkte injizierte Signal 90' (6), wenn das letztere durch den zweiten Verstärker A₂ läuft. Ein Streuungsrauschen einschließlich des zurückwandemden Rauschens aus dem Verstärker A₂ in den Verstärker A₁ ist für die Sättigung des Verstärkers A₁ während des Tastgrades des ersten Pumpsignals λ_p1 nicht verfügbar, mit Ausnahme während der Zeit der relativ kurzen Dauer 98, wenn das spätere Pumpsignal wirksam ist, wobei diese Zeitdauer eine verhältnismäßig kurze Zeitdauer im Vergleich zur gesamten Zykluszeit 96 ist. Des Weiteren ist sehr wahrscheinlich ein Teil des zurücklaufenden Rauschens aus dem Verstärker A₂ in den Verstärker A₁ nicht innerhalb des Absorptionsspektrums des Verstärkers A₁.
Während des Betriebs liefern die beiden Laserdiodenquellen P₁ und P₂ entsprechende Wellenlängen bei ungefähr λ_p1 = 920 nm oder 980 nm für die Absorption in dem Yb-dotierten Verstärker A₁ und bei ungefähr λ_p2 = 808 nm für die Absorption in dem Nd-dotierten Verstärker A₂, die beide in das vordere Ende des inneren Mantels des YDFA A₁ zusammen mit dem Injektionssignal λ_s, etwa bei ungefähr 1,09 μm, bei kontinuierlichem Betrieb mit einem Leistungspegel von 100 mW oder für eine höhere Eingangsleistung für die Sättigung, gepulst mit 10 ns bis 100 ns mit Spitzenleistungen um 500 mW eingeführt werden. Das 920 nm Pumplicht wird mit einem Tastgrad bereitgestellt, der kleiner als 5% ist und mit Pulsen kurzer Dauer oder Pulslängen, um das Aufbauen des Streuungsrauschens zu unterdrücken. Dieses 920 nm Pumplicht wird in dem YDFA A₁ absorbiert. Das 808 nm Pumplicht wird mit einem Tastgrad bereitgestellt, der größer als 20% ist, mit Pulsen längerer Dauer oder größerer Pulslänge, und dieses wandert durch den ersten YDFA A₁ ohne Absorption, d.h. diese ist für die Absorptionseigenschaften transparent, wird aber in dem zweiten NDFA A₂ absorbiert. Das 808 nm Pumplicht wird mit längerer Pulsdauer erzeugt, um eine hohe Pulsenergie zu liefern. Da die Pulsdauer für den 920 nm Pumpstrahl vergleichsweise sehr viel kürzer ist, wird das zurücklaufende Streuungsrauschen aus dem zweiten verstärkenden Medium A₂ auf eine sehr kurze Zeitdauer für eine mögliche Verstärkung in dem ersten verstärkenden Medium A₁ verringert, so dass die Sättigung in dem ersten verstärkenden Medium nicht durch die Verstärkung des Rauschens aufgebraucht wird. Folglich können sehr viel höhere Pegel an Ausgangspulsleistungen und Energien am Ausgang des zweiten verstärkenden Mediums A₂ erreicht werden, indem Pulslängen mit vergleichsweise sehr viel längerer Dauer im Vergleich zu jenem für das erste verstärkende Medium A₁ angewendet werden. Mit diesem gepulsten Betrieb können Koppeloptiken zwischen den Verstärkern A₁ und A₂ vermieden werden und die Verstärker können zusammengeschweißt oder tatsächlich eine einzelne Faser mit zwei unterschiedlichen Abschnitten mit unterschiedlicher Seltenenerden-Dotierung sein, wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug zu 7 erläutert wird.
Hinsichtlich der in 8 gezeigten Ausführungsform gilt, das zwei separate Pumpquellen P₁, P₂ gezeigt sind. Diese Pumpquellen können jedoch in eine einzelne Pumpquelle integriert werden, die einen einzelnen Laserdiodenbalken aufweist, wobei ein erster Bereich des Balkens mehrere Laserstreifen enthält, die nach Herstellung oder nach Einstellung bei der ersten Pumpwellenlänge λ_p1, etwa 920 nm, arbeiten, und wobei ein zweiter Bereich des Balkens mehrere Laserstreifen aufweist, die nach Herstellung oder Abstimmung bei der zweiten Pumpwellenlänge λ_p2, etwa 808 nm, arbeiten. Die entsprechenden Laserstreifenausgänge sind direkt mit den entsprechenden Eingangsenden der optischen Fasern gekoppelt, die in eine zusammengesetzte Gruppe gebündelt sind, wobei deren gebündelter Ausgang in den inneren Mantel des ersten verstärkenden Mediums A₁ fokussiert wird, so dass Licht beider Wellenlängen λ_p1, λ_p2 optisch in den inneren Mantel der Faser gekoppelt wird.
In der in 9 gezeigten Ausführungsform ist die Konfiguration identisch zu jener in 7 gezeigten Konfiguration mit der Ausnahme, dass zwei separate oder unabhängige Injektionssignalquellen I_s1 und I_s2, die zu verstärken sind, als Eingangssignal für das erste verstärkende Medium A₁ zur Signalverstärkung bereitgestellt werden. Die Signalwellenlängen λ_s1 und λ_s2 liegen beide innerhalb der Verstärkungsbandbreite der Verstärker A₁ und A₂. Wie im Fall aus 7 werden die kürzeren Pumppulse in dem verstärkenden Medium der ersten Stufe verwendet, so dass das Streuungsrauschen in dem ersten Verstärker effektiv ausgesperrt wird, während die Synchronität mit dem Eingangssignal bei kontinuierlichem Betrieb oder bei gepulsten Injektionssignal, das zu verstärken ist, bewahrt bleibt, ohne dass eine Notwendigkeit für einen aktiven Modulator zwischen den beiden verstärkenden Medien besteht. Durch Verringern der Pumppulsdauer in dem ersten Verstärker wird die mögliche Aufbauzeit für das Streuungsrauschen deutlich verringert und das SNR des gepulsten Ausgangssignals ist verbessert.
Obwohl der vorhergehende grundlegende Ansatz, wie er in den 7 bis 9 gezeigt ist, im Bezug auf das Anwenden zweier verstärkender Medien erläutert ist, die jeweils glei che oder unterschiedliche Absorptionswellenlängenspektren aufweisen, erkennt der Fachmann, dass in Praxis die kaskadierten verstärkenden Medien in einer einzelnen Faser angeordnet sein können. In diesem Fall wird mit speziellem Hinweis auf die 7 die Länge der einzelnen Faser so optimiert, um den Hauptteil des Pumplichts etwa bis zur Hälfte der Faserlänge zu absorbieren. Die kürzeren Pumplichtpulse werden an das vordere Ende des verstärkenden Mediums zusammen mit dem Injektionsquellenlicht zugeführt und die längeren Pumplichtpulse werden dem hinteren Ende des verstärkenden Mediums zugeleitet. Insbesondere in Bezug auf 8 wird die Länge der einzelnen Faser so optimiert, dass ein kleiner Teil der Faser mit einer ersten Seltenenerde-Ionengattung und ein zweiter größerer Bereich mit einer zweiten Seltenenerde-Ionengattung dotiert ist. Die kürzeren Pumplichtpulse werden dem vorderen Ende des verstärkenden Mediums zusammen mit dem Injektionsquellenlicht zugeführt und die längeren Pumplichtpulse werden durch das vordere oder das hintere Ende des zweifach dotierten verstärkenden Mediums eingeleitet.
Obwohl ferner die in den Ausführungsformen der 7 bis 9 beispielhaft gezeigten Medien optische Faserverstärker sind, könnten sie andere Festkörpermedien sein, etwa Festkörperstäbe oder dotierte optische Wellenleiter.
Hinsichtlich der vorhergehenden Ausführungsformen der beschriebenen grundlegenden Konzepte ist der Bedarf für eine effiziente Kopplung der ersten Verstärkerstufe kein Erfordernis oder eine Notwendigkeit, da ausreichend hohe Ausgangsleistung aus dem mehrstufigen Faserverstärker erhalten wird. Folglich ist die Justierung des Injektionssignalausgangs und des Pumpquellenausgangs in Bezug auf das Faserende des Eingangs der ersten Verstärkerstufe nicht kritisch, so dass Justiertoleranzen dieser optischen Komponenten unkritisch sind und eine optische Rückkoppelung in die Quellen selbst reduziert ist. 10 und 11 unterstützen die Erläuterung dieses Konzepts des Ankoppelns.
10 offenbart zwei optisch gekoppelte Doppelmantelfaserverstärker A₁ und A₂ mit Seltenenerden-dotierten inneren Mänteln mit Laserdiodenquellen I_s mit einer Wellenlänge A_s1, die die Verstärkungsbandbreite beider Seltenenerden-dotierter Faserverstärker 94 und 102 trifft. Beispielsweise beträgt für eine Yb-dotierte Faser die optimale Injektionswellenlänge λ_s1 ungefähr 1100 nm. Entsprechende Pumpquellen P₁ und P₂ liefern Pumpwellenlängen λ_p1 und λ_p2 beim Absorptionsspitzenwert mittels Strahlungsteiler B_s1 und B_s2 für die Verstärker 94 und 102. Bei Bedarf, etwa wenn ein kontinuierlicher Betrieb des Verstärkersystems gewünscht ist, kann ein optischer Isolator 104 zwischen den Verstärkern A₁ und A₂ eingefügt werden. Im Grunde ist die Anordnung aus 10 im Wesentlichen die gleiche als die in den 3A, 3B gezeigte Konfiguration.
Der Lichtstrahl aus der Laserdiodenquelle mit im Wesentlichen einzelner räumlicher Mode I_s wird mittels einer fokussierenden Linse beispielsweise auf die Eingangsfläche des Kerns der ersten Verstärkerstufe 94 zur Signalverstärkung entlang der Länge der Faser 110 abgebildet. Das Einkoppeln des Eingangssignals in die Doppelmantelfaser der ersten Stufe ist in 11 gezeigt, wobei die Faser 110 einen Kern 112 und einen inneren Mantel 114 und einen äußeren Mantel 116 aufweist. Wie in 11 gezeigt ist, überlappt der Injektionsquellenlichtstrahl λ_s im Wesentlichen mit der Querschnittsgröße des Kerns 112, so dass eine geringe Kopplungseffizienz der Gesamtleistung der Pumpquelle in den Kern 112 besteht. Das Eingangssignal des Pumpquellenstrahls λ_p1 ist ein wesentlich breiteres Bild, was den Durchmesser des inneren Mantels 114 nicht füllt oder mit diesem vollständig überlappt.
Eine typische Einzelmodendiodenquelle ist in der Lage, eine Ausgangsleistung von über 100 mW zu liefern. Da jedoch die Verstärkung der beiden Verstärkerstufen A₁ und A₂ ein Bereitstellen von Hochleistungsausgangssignalen ermöglicht, die über den Bedarf vieler Anwendungen hinaus gehen, sind wesentlich geringere Leistungspegel für die Signalinjektion in den Faserkern für den Verstärker A₁ zur Verstärkung erforderlich. Daher kann die Kopplungseffizienz des Lichts aus der Quelle I_s in den Verstärkerkern nur gering sein, beispielsweise weniger als ein mW an Leistung, da die Leistung aus dem Zweistufenverstärker für viele gewünschte Anwendungen immer noch ausreichend ist. Die geringe Kopplungseffizienz vermeidet sowohl die Notwendigkeit zur genauen Einhaltung von Justiertoleranzen zwischen dem Laserquellenausgang und der Eingangsfläche des Faserverstärkers und verringert die optische Rückkoppelung aus dem Faserverstärker zurück in die Laserdiodenquelle. Bei Bedarf kann ein optischer Isolator in den optischen Weg zwischen der Laserdiodenquelle I_s und den Faserverstärker A₁ eingefügt werden, um die optische Rückkoppelung von dem Verstärker A₁ weiter zu reduzieren. Der optische Isolator kann ein neutrales Dichtefilter sein, wenn die mit derartigen Elementen verknüpften optischen Verluste für die spezielle Anwendung des dualen Verstärkersystems tolerierbar sind.
Der erste Verstärker A₁ kann als ein Vorverstärker bezeichnet werden, der die Injektionsquelle I_s von einem Pegel unter 1 mW aufgrund der geringen Koppelungseffizienz, wie dies zuvor erläutert ist, bis zu Ausgangsleistungspegel von hunderten von mW aus dieser ersten Stufe 94 mit einer typischen Verstärkung von ungefähr 30 dB verstärkt. Der erste Verstärker A₁ kann mittels der Quelle P₁ mit einer einzelnen Breitbereichslaserdiode mit einer Ausgangsleistung von 0,5W bis 2W gepumpt werden. Die Verwendung einer höheren Pumpleistung ergibt eine höhere Verstärkung und ein verbessertes Rauschen. Alternativ kann der erste Faserverstärker A₁ eine Einzelmantelfaser sein, die mit einem Einzelmodenlaser gepumpt wird, dessen Verstärkung an den Kern des Faserverstärkers angepasst ist. Die Einzelmodenfaser besitzt eine höhere Effizienz und ein verbessertes Rauschen. In diesem Fall ist die Ausgangsleistung aus der ersten Faserverstärkerstufe aufgrund der geringeren Leistung, die von einer räumlich kohärenten Pumplaserdiode im Vergleich zu einer Breitbereichspumplaserdiode, die zum Pumpen einer Doppelmantelfaserkonfiguration, wie sie in 10 gezeigt ist, mittels der inneren Mäntel, verwendet wird, beschränkter.
Licht, das von der ersten Verstärkerstufe 94 ausgesendet wird, läuft durch den optischen Isolator 104 und wird in die zweite Verstärkerstufe 102 injiziert. Die zweite Faserverstärkerstufe 102 arbeitet als ein Leistungsverstärker, um das Injektionssignal auf einen hohen Leistungspegel zu verstärken. Die in den Verstärker 102 eingespeiste hohe Injektionsleistung gestattet eine Sättigung der Ausgangsleistung bei relativ geringen Verstärkungen im Bereich von ungefähr 10 dB bis 20 dB.
Insbesondere bei kontinuierlichem Betrieb dieses zweistufigen Verstärkersystems verhindert der optische Isolator zwischen der ersten und der zweiten Verstärkerstufe 94 und 102 ein Aufbauen von verstärktem Streuungsrauschen und insbesondere ein Zurückwandern von Streuungsrauschen, das Rayleigh-Streuung und rückwärts gerichtete ASE enthält. Wenn jedoch ein Pulsbetrieb des injizierten Signals gewünscht wird, d.h. eine Modulation mit kurzen Pulsen und geringen Tastgraden, kann die Pumpleistung über die Zeit integriert werden, wodurch verstärkte Injektionssignalleistung in kurzen Pulsen mit hoher Energie erzeugt werden. Wenn im gepulsten Betrieb die Pulswiederho lungsrate höher als die Fluoreszenzlebensdauer des Seltenenerden-Dotiennittels ist, d.h. typischerweise einige 100 μs bis 1 ms, dann ist das zur Unterdrückung des Streuungsrauschens erforderliche durchschnittliche Injektionssignal gleich der Leistung des Injektionssignals bei kontinuierlichem Betrieb. Da ein Betrieb mit Pulsen mit geringem Tastgrad angewendet wird, muss die erforderliche Injektionsquellenspitzenleistung um den gleichen Faktor höher sein als die Injektionsleistung im kontinuierlichen Betrieb. Da jedoch die erforderliche durchschnittliche Injektionsleistung (gegenüber der Spitzenleistung) wesentlich kleiner als 1 mW ist, ist es in diesem gepulsten Modus möglich, ausreichend Spitzenpulsleistung in die Eingangsfläche des Faserverstärkers A₁ einzukoppeln, indem das Ausgangssignal aus der Quelle auf die Fasereingangsfläche abgebildet wird, um ein ungefähres Einkoppeln eines Teils des Injektionsquellenausgangsstrahls zu erreichen, wie dies zuvor in Verbindung mit 11 dargestellt und erläutert ist. Bei Anwendung eines Einzelmodenfaserkerns als Vorverstärker A₁ erfordert allerdings der gepulste Betrieb eine sorgfältigere Anpassung des Lichts aus der Injektionssignalquelle I_s an die erste Verstärkerstufe.
Es sei nun auf die in 12 gezeigte Ausführungsform verwiesen, die eine Verstärkerarchitektur oder ein Verstärkersystem mit erster und zweiter Stufe für gepulsten Betrieb offenbart, wobei eine hohe Ausgangsleistung aus einem Array aus Doppelmantelfaserverstärkern gewonnen wird. Hohe gepulste Ausgangsleistungen können aus einer Doppelmantelfaserarraykonfiguration erhalten werden, indem eine gepulste Laserdiodenquelle mit geringer Leistung als ein Eingangsoszillator verwendet wird. Die Ausgangsleistung aus Mehrstufenverstärkern kann aus mehreren Gründen eingeschränkt sein. Erstens, kann die Spitzenausgangsleistung des Mehrstufenverstärkers das Schadensniveau der für die Verstärker verwendeten Faser übersteigen. Zweitens, die Spitzenausgangsleistung des Mehrstufenverstärkers kann zu nicht linearer Wechselwirkung in der Faser führen, wodurch ein Streuungsverlust auftritt und der resultierende Ausgangsleistungspegel reduziert wird. Drittens, die Pulsenergie ist durch die in eine einzelne Doppelmantelfaser eingekoppelte Pumpleistung beschränkt und im Falle mehrerer in Reihe geschalteter Stufen ist die Gesamtausgangsleistung durch die Koppelverluste zwischen den Verstärkerstufen begrenzt. In 12 sind diese Einschränkungen hinsichtlich der Ausgangsleistung reduziert, wenn nicht gar im Wesentlichen vollständig behoben, indem die beiden Verstärkerstufen wie gezeigt angewendet werden, wobei ein Ausgang 125 aus einer ersten Verstärkungsstufe, die eine oder mehrere in Reihe verbundener Faser verstärker umfasst, eine zweite Verstärkerstufe pumpt, die ein Array aus Doppelmantelfaserverstärkern 130, die mit Seltenenerden dotiert sind und optisch gekoppelt sind, um einen aufgeteilten Bereich eines Eingangssignals 125 zur Verstärkung mittels eines Distributionsnetzwerks 126 zu empfangen, etwa einem Stemkoppler oder einem Satz an Spiegeln und multidirektionalen Strahlteilern oder etwas Äquivalentem. Die Ausgangsenden der Arrayverstärker 130A, 130B,...130n können kombiniert sein oder zu einer einzelnen Ausgangsöffnung mittels eines Sternkopplers oder eines anderen derartigen optischen Ausgangsüberlagerungsmittels angeordnet sein. Verstärker A₃, A₄, A₅...A_n werden von entsprechenden Pumpquellen 128 gepumpt.
Eine Injektionsquelle I_s und Pumpquellen P₁ und P₂ in der ersten Stufe können gepulste Laserdiodenquellen oder andere gepulste Laserquellen sein. Das Injektionsquellensignal λ_s wird von einer Reihe von Einzelmantelfaserverstärkern oder Doppelmantelfaserverstärkern oder einer Kombination aus Einzelmantel- und Doppelmantelverstärkern A₁, A₂...A_n verstärkt, um eine ausreichende durchschnittliche Leistung und eine Spitzenleistung bereitzustellen, um die zweite Stufe der Verstärkerkonfiguration zu sättigen. Zwei dotierte Faserverstärker 120 und 124 sind in 12 in dieser Darstellung gezeigt und werden jeweils mit Pumpleistung aus den Laserquellen P₁ und P₂ versorgt. Die Verstärker A₁ und A₂ werden in einer Weise betrieben, die im Zusammenhang mit dem grundlegenden Konzept dieser Erfindung mit Bezug zu den 6-11 erläutert sind.
Das Ausgangssignal 125 aus der ersten Stufe wird in mehrere Einzelmodenfasern aufgeteilt, wobei ein Strahlteilermittel 126, etwa ein Dreiwegestrahlteiler 126A und zugeordnete Spiegel 126B verwendet werden, um die Leistung im Wesentlichen gleichförmig über das gesamte Faserverstärkerarray 130 aufzuteilen. Folglich sind Eingangssignale zu den Verstärkern 130A, 130B, 130C...130n im Wesentlichen gleich und ausreichend, um den Verstärker zu sättigen. Das Ausgangssignal kann in einer Weise kombiniert werden, wie dies zuvor angegeben ist, oder kann zu einem weiteren Array aus Doppelmantelfaserverstärkern durch das Anwenden eines Mikrolinsenarray gekoppelt werden, um das Licht aus dem Array 130 zu kombinieren, um damit die Ausgangshelligkeit zu optimieren.
Das Doppelmantelfaserverstärkerarray 130 wird typischerweise bei tiefer Sättigung betrieben, um den Wirkungsgrad dieser Verstärker zu optimieren. Folglich ist die Aus gangsleistung aus jedem der Doppelmantelfaserverstärker 130A, 130B, 130C...130n nicht empfindlich auf die von der ersten Stufe gelieferten Eingangsleistung, vorausgesetzt, dass die Eingangsleistung aus der ersten Stufe ausreichend ist, um die Verstärkung des Verstärkerarrays zu sättigen. Ferner wird das gepulste Pulsschema des grundlegenden Konzepts der Erfindung, wie dies mit Bezug zu 6 offenbart ist, für die erste und zweite Stufe aus 12 angewendet, wobei in der ersten Stufe die Pumpquellen P₁ und P₂ Ausgangspulse mit einer Pulsdauer 92 im Vergleich zum Tastgrad 96 und die Pumpquellen P₃, P₄, P₅ Ausgangspulse mit Pulsdauer 100 im Vergleich zu dem Tastgrad 104 liefern.
Die Längen der Faser, die das Verstärkerarray 130 bilden, sollte im Wesentlichen gleich sein, um sicherzustellen, dass alle von den Doppelmantelfaserverstärkern 130A, 130B, 130C,...130n emittierten Pulse überlappen oder zeitlich gleichmäßig synchronisiert sind. Unterschiedliche Längen für diese Fasern können jedoch verwendet werden, um unterschiedliche zeitliche Verzögerungen des von dem Array 130 ausgegebenen Pulses zu erreichen. Wenn daher alte gepulsten verstärkten Ausgangssignale der Verstärker des Arrays 130 synchronisiert sind, addieren diese sich zeitlich oder räumlich, so dass das Einzelimpulsausgangssignal zu einem Ausgangspuls mit einer großen Leistung kombiniert werden kann. Wenn andererseits die Längen der Fasern der Verstärker 130A und der anderen auf vorgewählte Längen eingestellt sind, kann eine Ausgangspulsform erreicht werden, indem die Ausgangspulse der entsprechenden Verstärker überlappen, zeitlich synchronisiert oder räumlich synchronisiert sind in einer Weise, um beispielsweise einen stufenartig ansteigenden oder stufenartig abfallenden Impuls zu erhalten, wie dies beispielsweise in 12A gezeigt ist. 12A zeigt ein kombiniertes Pulsausgangssignal eines Verstärkerarrays 130 mit 10 Verstärkern 130n, die zeitlich sequentiell arbeiten, um die geformte Pulsserie 150 zu erzeugen, wobei die Faserlängen ausgewählter Verstärker so gewählt sind, dass diese zeitlich oder räumlich additiv wirken, wie dies für die Verstärker A₃, A₇, A₉ und A₁₀ in 12A der Fall ist. Offensichtlich kann eine beliebige Kombination in zeitlicher oder räumlicher Hinsicht des gepulsten Ausgangssignals entsprechender Verstärker A₁-A₁₀ realisiert werden.
Es wird nun auf 13 verwiesen, die eine alternative Konfiguration für die erste Stufe aus 12 zeigt, und die kein Bestandteil der Erfindung ist, Die erste Stufe aus 13 umfasst einen Einzelmantel- oder einen Doppelmantetverstärker 120, der optisch so gekoppelt ist, um ein Injektionssignal λ_s aus der Quelle I_s und ein Pumpsignal λ_p von der Quelle P_s zu empfangen, die mittels eines Strahlteilers 123 zur Einspeisung in den Verstärker 120 mittels eines Isolators 132 und eines zweiten Strahlteilers 133 kombiniert werden. Das verstärkte Ausgangssignal 135 des Verstärkers 120 wird zurück in den Faserverstärker 120 mittels eines reflektierenden Elements 134 reflektiert, so dass der Verstärker 120 als ein Doppeldurchlaufverstärker fungiert, wobei das zurückkehrende verstärkte Licht am Strahlteiler 133 zum Ausgang 125 für die zweite Stufe mit dem Verstärkerarray 130 aus 12 reflektiert wird. Zurücklaufendes Licht von dem Verstärker 120, das durch den Strahlteiler und den Weg zurück zur Injektionsquelle I_s zurückkehrt, wird am Isolator 132 gestoppt. Der Verstärker 120 kann in einer Weise betrieben werden, die zuvor in Verbindung mit dem grundlegenden Konzept mit Bezug zu den 1–5 erläutert ist.
Es wird nun auf einen zusätzlichen Aspekt dieser Erfindung hingewiesen, der das Bereitstellen von Pumpquellen für die Verstärkersysteme der diversen erfindungsgemäßen Ausführungsformen betrifft, wodurch eine optimale optische Pumpleistung trotz Änderungen der Betriebstemperatur gewährleistet wird, die Änderungen der Wellenlänge der Pumpquelle bewirken können. Es können optische verstärkende Medien aus einer Einzelkernfaser oder einer Doppelmantelfaser verwendet werden, wobei der Kern oder der innere Mantel mit einer Seltenenerden-Ionengattung dotiert ist, die ein vorbestimmtes Verstärkungsspektrum für die Faser bereitstellt, an das die Pumpwellenlänge angepasst werden muss. Da das Verstärkungsspektrum der Laserdiodenpumpquellen sich mit der Temperatur ändert, kann unter Umständen eine vorgegebene Pumpquelle, die an den Faserverstärker angekoppelt ist, nicht mehr mit dem Verstärkerspektrum der Faser übereinstimmen, wenn die Laserpumpquelle anfängt, bei einer unterschiedlichen Betriebstemperatur zu arbeiten. Folglich tritt eine ungenügende Verstärkung des Injektionsquellensignals auf. Ein Ansatz zur Korrektur dieser Sachlage besteht darin, eine Pumpquelle bereitzustellen, die mehrere verschiedene, räumlich getrennte Wellenlängen aufweist, die alle in den Faserverstärker eingekoppelt werden. Wenn sich die Wellenlänge der Multiwellenlängen-Laserdiodenpumpquelle mit der Temperatur ändert, etwa in einem Bereich von ungefähr –15°C bis ungefähr 125°C, überlappt zumindest eine der Ausgangswellenlängen mit dem Verstärkungsspektrum des Faserverstärkers in ausreichender Weise, um kontinuierlich eine hohe Eingangsleistung zum Pumpen der Faser zu liefern. Eine derartige monolithische Mehrfachwellenlängen-Quellenlaserdiode 140 ist in 14 gezeigt und weist mehrere Laserstreifen auf, wobei einzelne Streifen oder Gruppen von Laserstreifen so gestaltet sein können, um bei unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ und λ₄ zu arbeiten. Diese unterschiedlichen Ausgangssignale können alternativ zu separaten Laserquellen geliefert werden. Der Ausgang des Elements 140 wird dann durch konventionelle Optiken 142 über einen Strahlteiler 144 in den optischen Faserverstärker 146 mit Seltenenerde-Dotierung abgebildet. Ein Teil des Ausgangssignals aus dem Verstärker 146 wird von dem Detektor 150 über den Strahlteiler 148 empfangen, um eine Rückkoppelung zu dem Laserdiodenelement 140 über eine Stromsteuerung 152 bereitzustellen, die zumindest für einen Teil des optischen Ausgangssignals aus dem Faserverstärker 146 sensitiv ist, um den Stromanregungspegel der Laserdiode 140 zu variieren, beispielsweise zu erhöhen, um damit gleichzeitig optimierte Pumpleistung innerhalb des Verstärkungsspektrums des Faserverstärkers 146 zu liefern.
Alternativ kann die Pumpquelle 140 in dieser Ausführungsform eine Reihe separater Laserdioden aufweisen, die bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten oder durchstimmbar sind, wie dies in 15A gezeigt ist. Die Laserdiodenquellen 160, 161 und 162 können einzelne Multimodenlaserdioden oder Diodenlaserbalken sein, die jeweils die Wellenlängenspektren oder Bänder 163, 164 und 165 erzeugen, die in 15B dargestellt sind. Die Wellenlängenspektren können im Bezug auf die Wellenlänge relativ zueinander getrennt sein oder sich leicht überlappen. Die Ausdehnung der Wellenlängenbandbreite über die Spektren oder Bänder 163, 164 und 165 kann im Bereich von 20 nm bis 30 nm liegen. Die Quellen 160–162 sind mit ihren Ausgängen über Linsensysteme 166 an entsprechende optische Fasern 167, 168 und 169 gekoppelt, die mit ihrem Ausgangsende fest gebündelt sind, um ein fokussiertes Einkoppeln ihrer Lichtstrahlen mittels der Linsen 170 in die dotierte Schicht 172 des inneren Mantels des Doppelmantelfaserverstärkers 171 zu erreichen. Das Injektionssignal wird zum Kern 173 der Faser 171 zur Verstärkung zugeführt. Wie im Fall aus 14 kann ein Teil des Ausgangssignals aus dem Faserverstärker 171 auf den Detektor 150 und die Stromsteuerung 152 abgezweigt werden, um den aktuellen Anregungspegel der einzelnen Laserdiodenquellen 160–162 zu variieren, um damit gleichzeitig optimierte Pumpleistung innerhalb des Verstärkungsspektrums des Faserverstärkers 171 bereitzustellen.
Im Falle einer separaten oder integrierter Laserquellen unterschiedlicher Wellenlängen wird die Mehrfachwellenlängen-Pumpquelle durch einen dichroischen Strahlkombinierer und ein fokussierendes Linsensystem an den Eingang des Faserverstärkers 146 gekoppelt, wie dies in 14 gezeigt ist, oder die einzelnen Ausgänge der Quellen sind stumpf mit den entsprechenden optischen Fasern gekoppelt und sind für optisches Einkoppeln gebündelt, etwa mittels eines fokussierenden Linsensystems, wie dies im Fall des Faserverstärkers 171 in 15A dargestellt ist.
In 16 ist eine Injektionsquelle 180 mit schmaler Wellenlängenemission mit einer Pumpquelle 181 gezeigt, wobei die Strahlen mittels eines polarisierenden Strahlteilers oder dichroischen Spiegels 182 kombiniert werden, um fokussiert mittels eines Linsensystems 183 in den Einzelmodenfaserkern 185 der Einzelkernfaser 184 eingespeist zu werden.
16 zeigt eine zuverlässige Pumparchitektur, die beispielsweise für einen 3W Sender geeignet ist, der auf einer standardmäßigen Kommunikationswellenlänge von 1,55 μm arbeitet. Die Pumpquelle ist zuverlässig, da mehrere Pumplaserdioden, die bei gleicher Wellenlänge arbeiten, verwendet werden, um mehrere Faserlaser zu pumpen, die zum Pumpen mehrerer Faserverstärker verwendet werden. Jede mehrfache Pumpquelle kann an eine Hochleistungslaserpumpquelle mit einer Nd-dotierten Doppelmantelfaser gekoppelt sein, die beispielsweise bei 1,06 μm mit einer Ausgangsleistung von ungefähr 2W arbeitet. Jedes der Ausgangssignale dieser Laserdiodenpumpquellen ist an das Wellenlängenband für Pumpabsorption in einer entsprechenden Laserpumpquelle mit Nd-dotierter Doppelmantelfaser angepasst. Die Laserpumpquelle mit Nd-dotierter Doppelmantelfaser ist dann optisch so gekoppelt, um einen von mehreren gekoppelten Einzelmodenfaserverstärkern oder einer Reihe von Doppelmantelfaserverstärkern mit Erbium-Dotierung oder Er:Yb-Dotierung zu pumpen. Somit kann ein 1,55 μm Injektionssignal beispielsweise von vier Er-dotierten Einzelmodenfaserverstärkern verstärkt werden, wovon jeder von einem Nd-dotierten Doppelmantelfaserlaser gepumpt wird, der wiederum von mehreren Laserdiodenquellen gepumpt wird, die bei der gleichen Wellenlänge arbeiten. Eine derartige Pumpquelle ist in 17 bei 190 für einen Pumplaser 195 mit einer Multimodendoppelmantelfaser gezeigt. Die Pumpquelle 190 umfasst ein Array aus fasergekoppelten Laserdioden P₁, P₂, P₃...P_n, die alte bei der gleichen Wellenlänge arbeiten, die z.B. 807 nm beträgt und an die Absorptionsbandbreite der Nd-dotierten Doppelmantelfaserlaserquelle 195 angepasst ist, die eine Pumpwellenlänge bei 1,06 μm liefert. Die Quelle 190 ist durch Fasern 191, 192, 193, 194 an die Quelle 195 mittels ei nes gebündelten oder Multiplexerkopplers 196 angekoppelt, und das Ausgangssignal von dem Koppler 196 wird erneut von dem Linsensystem 197 abgebildet, um an die Apertur und die numerische Apertur der Doppelmantelfaserlaserquelle 195 angepasst zu sein. Die Zuverlässigkeit der gesamten Pumparchitektur wird deutlich erhöht, indem die Leistung der Pumplaserdioden P₁, P₂, P₃...P_n herabgesetzt wird, und indem zusätzliche Pumplaserdioden hinzugefügt werden. Auf der Grundlage dieser Architektur ist es möglich, mindestens dreißig bis neunzig Pumpquellen oder mehr P₁, P₂, P₃...P_n an eine typische Nd-dotierte Doppelmantelfaserlaserquelle anzukoppeln, wobei damit verknüpfte Verbesserungen in der Zuverlässigkeit erreicht werden.
Die Architektur aus 17 besitzt zwei Ebenen der Redundanz. Zunächst wird die Doppelmantelfaser 195 durch mehrere Laserdiodenquellen gepumpt. Dies ergibt eine redundante Leistungszufuhr, so dass Gruppen von Pumplaserdioden in Reihe von vielen unterschiedlichen Stromversorgungen angesteuert werden können. Im Extremfall kann eine einzelne Stromversorgung für jede Pumplaserdiode vorgesehen werden, wobei aber einige dieser Quellen von einer einzelnen Stromversorgungsquelle angesteuert werden können, die zur Zuverlässigkeit der Stromversorgung unabhängig einzelner Abschaltungen von Stromversorgungen beiträgt, so dass der Betrieb der Kommunikationsverbindung dennoch aufrecht erhalten werden kann. Im Allgemeinen werden keine thermoelektrischen Kühler benötigt, da die 30 nm Bandbreite des Nd-Doppelmantellasers 195 einen weiten Betriebstemperaturbereich zulässt, ohne dass derartige Kühler erforderlich sind.
Die zweite Ebene der Redundanz liegt in der Venrwendung einzelner Laserdiodenquellen P_n, die aus Arrays aus separaten Einzelmodenlasern zusammengesetzt sind. Eine Segmentierung der Laserdiodenquellen P_n in Felder aus Einzelmodenquellen verringert die seitliche Ausbreitung des sogenannten Dunkelliniendefekts. Ferner beeinflusst ein Schaden an einer Austrittsfläche an einem Segment nicht den Betrieb eines benachbarten Segments, so dass die Zuverlässigkeit des Arrays in der Weise bewertet werden kann, als ob die Pumpleistung von unabhängigen einzelnen Singelmodenpumpquellen bereitgestellt wird.
Angesichts der bei der Praktizierung einiger der erfindungsgemäßen Ausführungsformen angewendeten Pulsmodulation kann ein Chirpen beim Modulieren der Injektions quelle I_s auftreten. Chirpen ist das Phänomen, in dem Wellenlängenänderungen durch Modulation des der Laserquelle zugeführten Stromes aufgrund von Stromänderungen durch das Element hervorgerufen werden, die Änderungen der Ladungsträgerdichten bewirken, wodurch die Laserwellenlänge beeinflusst wird. Daher ändert sich die Wellenlänge der Laserquelle geringfügig während des Einprägens von Strompulsen, um die Laserquelle zu modulieren. Es gibt Anwendungen der vorliegenden Erfindung, in der derartige Wellenlängenänderungen unerwünscht sind, etwa im Falle von kohärenter LIDAR, wobei die exakte Wellenlänge während der Modulation, d.h. während der Einspeisung des Impulses beibehalten werden muss. In derartigen Fällen wird anstatt den Laser mittels eingeprägten Stromes zu modulieren, ein separater Modulator für die Phasen- oder für die Intensitätsmodulation verwendet. In diesem Fall ist der Ausgang der Injektionslaserquelle an einen Phasen- oder Intensitätsmodulator mittels einer Einzelmodenfaser gekoppelt, wobei die Lichtintensitätsmodulation beispielsweise ohne Strommodulation der Laserquelle selbst ausgeführt werden kann. Selbstverständlich kann diese separate Modulation auch auf die Pumpquellen bei Bedarf angewendet werden.
Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit einer oder mehreren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben ist, ist für den Fachmann ersichtlich, dass andere Alternativen, Variationen und Modifikationen angesichts dieser Beschreibung im Schutzbereich der Erfindung liegen. Somit soll die hierin beschriebene Erfindung alle derartigen Alternativen, Variationen und Modifikationen, die im Schutzbereich der folgenden Patentansprüche liegen, abdecken.

Claims

Kaskadiertes optisches Verstärkersystem, das umfasst: eine Injektionsquelle, die ein gepulstes Injektionssignal erzeugt, das verstärkt werden soll, ein erstes verstärkendes Medium (94), das als Eingang das gepulste Injektionssignal (90) empfängt und so ein verstärktes gepulstes Injektionssignal (90') bereitstellt, ein zweites verstärkendes Medium (102), das optisch mit dem ersten verstärkten Medium (94) gekoppelt ist, als Eingang das verstärkte gepulste Injektionssignal (90') empfängt und das verstärkte gepulste Injektionssignal (90') weiter verstärkt, eine erste Pumpquelle, die ein erstes Pumpsignal (92) erzeugt, das als Eingang in das erste verstärkende Medium (94) gekoppelt wird, wobei das erste Pumpsignal (92) zeitlich synchron mit dem gepulsten Injektionssignal (90) gepulst ist und eine erste Pulsperiode sowie eine erste Pulslänge (98) hat, und eine zweite Pumpquelle, die ein zweites Pumpsignal (100) erzeugt, das als Eingang in das zweite verstärkende Medium (102) gekoppelt wird, wobei das zweite Pumpsignal (100) zeitlich synchron mit dem gepulsten Injektionssignal (90) gepulst ist und eine zweite Pulsperiode sowie eine zweite Pulslänge (106) hat, die sich von der ersten Pulsperiode und der ersten Pulslänge (98) so unterscheiden, dass Verstärkung von Streurauschen reduziert wird.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 1, wobei die Pulsdauer des ersten gepulsten Pumpsignals kürzer ist als die Pulsdauer des zweiten gepulsten Pumpsignals.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei es sich bei optischer Pumpstrahlung, die durch die Pumpquellen den Verstärkern bereitgestellt wird, jeweils um Pulse handelt, die eine Pulsdauer haben, die jeweils kürzer ist oder genauso lang wie eine Fluoreszenzzeitkonstante einer Verstärkungs-Dotiersubstanz, die in den Verstärkern vorhanden ist.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 3, wobei der Injektionssignalpuls von der Injektionsquelle mit dem Ende der Pumpquellenpulse zusammenfällt.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 3, wobei der Injektionssignalpuls von der Injektionsquelle in jeder Pulsperiode nahe am Ende des Pumpquellenpulses liegt.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 3, wobei der Injektionssignalpuls von der Injektionsquelle in jeder Pulsperiode einen Teil der Pumpquellenpulse überlappt.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das eine Vielzahl der verstärkenden Medien umfasst, die optisch in Reihe gekoppelt sind, und eine Vielzahl von Stufen bilden, wobei jede Stufe mit einer entsprechenden Pumpquelle ein gepulstes Pumpsignal zur Eingabe in ihr jeweiliges verstärkendes Medium zusammen mit einem verstärkten Injektionspulssignal von einer vorangehenden gekoppelten Stufe bereitgestellt und die gepulsten Pumpsignale voneinander verschiedene Pulsdauer haben.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 7, wobei die Pulsdauer der gepulsten Pumpsignale von dem ersten der gepulsten Pumpsignale an sequenziell zunehmende Länge hat.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zweite gepulste Pumpsignal für ein Absorptionsspektrum des ersten verstärkenden Mediums transparent ist und als direkter Eingang in das zweite verstärkende Medium durch es hindurch gelassen wird.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste und das zweite verstärkende Medium Lichtleitfaserverstärker sind, die mit verschiedenen Kern-Dotiersubstanz dotiert sind.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste und das zweite verstärkende Medium Glasfaserverstärker sind.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei wenigstens einer der Verstärker ein Fasenverstärker mit Doppelmantel ist.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste und das zweite verstärkende Medium Festkörperverstärkungsmedien sind.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 1, das des Weiteren eine weitere Verstärkungsstufe umfasst, die optisch zwischen die Injektionsquelle und den Eingang in die wenigstens zwei optischen Verstärkungsstufen gekoppelt ist, wobei die dritte Stufe einen mit Seltenerdmaterial dotierten Faserverstärker mit einem Kern umfasst.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 1, wobei die wenigstens zwei optischen Verstärkungsstufen zwei optisch gekoppelte Glasfaserverstärker mit Doppelmantel umfassen, die jeweils einen Kern und eine innere Ummantelung haben, wobei der Kern der Faserverstärker mit Doppelmantel mit ionischen Seltenerdverbindungen dotiert ist und die ionischen Seltenerdverbindungen eine Fluoreszenzzeitkonstante haben und die Pulsrate der Pumpquelle geringer ist als die Fluoreszenzeitkonstante der ionischen Seltenerdverbindungen in wenigstens einem der Faserverstärker mit Doppelmantel.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 15, wobei die Pulsrate der Injektionsquelle mit einem ausreichenden Zwischenpulszeitintervall versehen ist, um Verstärkungsregeneration in dem wenigstens einen der Faserverstärker mit Doppelmantel über die Pumpquelle zu ermöglichen.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 15, wobei die Pulsrate eine Frequenz hat, die einer Umlaufzeit von Licht in einem Resonator der Laser-Injektionsquelle entspricht, um Modenkopplung der Injektionsquelle zu bewirken.
Kaskadiertes optisches Verstärkersystem nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Quellen mit einem Ende einer Einmodenfaser gekoppelt ist, ein Modulator mit einem anderen Ende der Einmodenfaser gekoppelt ist, um Phase oder Intensität des Ausgangs von der wenigstens einen Quelle zu modulieren, und der Modulator als Eingang in das erste Verstärkungsmedium gekoppelt ist.