DE10196162B4

DE10196162B4 - Impulserzeugungseinrichtung zur Erzeugung parabelförmiger Impulse

Info

Publication number: DE10196162B4
Application number: DE10196162T
Authority: DE
Inventors: Martin E. Ann Arbor Fermann; Benn C. Thomsen; Vladimar I. Kruglov; John M. Dudley; John D. Harvey
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 2000-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: WO2001086344A1; DE10196162T1; JP2003532931A; US20040028326A1; AU2001260825A1; WO2001086344A9; JP4865181B2

Abstract

Impulserzeugungseinrichtung mit einer durch die nichtlineare Schrödingergleichung (NLSE) mit Verstärkungsfaktor allgemein beschriebenen Kennlinie, umfassend:
– eine faserbasierte gepulste Keimquelle; und
– einen Yb-dotierten Faserverstärker, der die Eingangspulse von der Keimquelle verstärkt und linear gechirpte parabolische Ausgangspulse erzeugt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf optische Hochgeschwindigkeitskommunikationssysteme.
HINTERGRUND
Bei optischen Kommunikationssystemen verschlechtert sich während einer Obertragung über Entfernungen das übertragene Signal aufgrund einer Spreizung und Überlappung der einzelnen Impulse, die das Signal bilden, über eine dispersive Erweiterung. Mit einer hohen Energie gesendete Impulse tendieren auch zur Auflösung eines als ”Brechung optischer Wellen” (”optical wave breaking”) bekannten Phänomens in dem normalen Dispersionsbereich. Es werden nachstehend als Repeater bezeichnete Verstärker zur Erhöhung des Energiepegels der Signalimpulse und Neuformung der Impulse und häufig auch zur neuen zeitlichen Bestimmung der Impulse verwendet. Die Erhöhung des Energiepegels ist aufgrund der Abschwächung erforderlich, die das Signal in dem Lichtwellenleiter erleidet, die Neuformung ist aufgrund der Spreizung erforderlich, und die neue zeitliche Bestimmung ist häufig zum Erhalten eines richtigen Impulsabstands notwendig. Repeater in der Lichtwellenleitertelekommunikation umfassen typischerweise eine Einrichtung zur Erfassung des Signals, z. B. eine Fotodiode, eine Einrichtung zum Arbeiten an der Ausgabe der nachstehend als Fotodetektor bezeichneten Fotoerfassungseinrichtung, z. B. zum Verstärken und Neuformen des elektrischen Ausgangssignals des Detektors, und eine typischerweise durch den Verstärker und das neu geformte Ausgangssignal des Detektors modulierte Quelle für optische Strahlung sowie eine Einrichtung zur erneuten Einkopplung der Ausgabe der optischen Quelle in den Lichtwellenleiter. Bei einem Fernkommunikationssystem sind die Kosten von Repeatern von Bedeutung. Jede Verringerung der Anzahl von erforderlichen Repeatern verringert die Kosten des Fernlichtwellenleiterkommunikationssystems für Endverbraucher.
Bei einem nachstehend als Monomodenlichtwellenleiter bezeichneten einwelligen Lichtwellenleiter, d. h. einem Lichtwellenleiter, in dem sich nur die Grundmode des Signals bei der Betriebswellenlänge des Systems ausbreiten kann, sind die zwei prinzipiellen Dispersionsmechanismen die Materialdispersion und die Wellenleiterdispersion. Ein Material mit dem Brechungsindex n zeigt bei der Wellenlänge λ eine Materialdispersion, falls bei dieser Wellenlänge d²n/dλ² = 0. Physikalisch impliziert dies, daß die Phasengeschwindigkeit einer ebenen Welle, die sich in einem derartigen Medium bewegt, mit der Wellenlänge nichtlinear variiert, und folglich erweitert sich ein Lichtimpuls, während er sich durch ein derartiges Medium bewegt. Die Wellenleiterdispersion ist typischerweise ebenfalls von der Wellenlänge abhängig. Nachstehend ist als ”chromatische Dispersion” auf die kombinierte Material- und Wellenleiterdispersion Bezug genommen.
Wenn bei einem Medium überall in einem bestimmten Wellenlängenbereich d²n/dλ² > 0, dann gilt das Medium als in diesem Bereich normal dispersiv. Demgegenüber bildet ein Wellenlängenbereich, in dem überall d²n/dλ² < 0, einen sogenannten anomalen Dispersionsbereich. Die zwei Bereiche werden durch eine Wellenlänge getrennt, bei der d²n/dλ² = 0, d. h. bei der die Materialdispersion für die erste Ordnung null beträgt. Diese Wellenlänge hängt von der Zusammensetzung des Mediums ab. Die Wellenlänge, bei der die chromatische Dispersion für die erste Ordnung verschwindet, ist auf ähnliche Weise von der Zusammensetzung abhängig und hängt zusätzlich von derartigen Lichtwellenleiterparametern wie dem Durchmesser und dem Dotierungsprofil ab. Sie kann z. B. bei passend entworfenen Monomodenlichtwellenleitern auf der Grundlage von Siliziumdioxid eine Höhe von etwa 1,5 μm aufweisen. Die Wellenlänge der chromatischen Dispersion von null für die erste Ordnung in dem Lichtwellenleiter stellt eine natürliche Wahl der Trägerwellenlänge bei einem Lichtwellenleitertelekommunikationssystem mit hoher Datenrate dar. Selbst bei dieser Wellenlänge tritt jedoch aufgrund von Ausdrücken höherer Ordnung bei der Dispersion eine Impulsspreizung auf.
In dem anomalen Dispersionsbereich kann der Abgleich von dispersiver Erweiterung und nichtlinearen Effekten zur Übertragung von Daten unter Verwendung von optischen Solitonen verwendet werden. In diesem Fall ist die maximale Energie, die übertragen werden kann, auf diejenige begrenzt, die zur Erreichung dieses Abgleichs erforderlich ist. Siehe z. B. das US-Patent 4,558,921 . In jüngster Zeit ist es vorgeschlagen worden, eine ”dispersionsverwaltete” (”dispersion managed”) Lichtwellenleiterverbindung zur Übertragung von Daten in dem nichtlinearen Bereich (in dem nichtlineare optische Effekte wichtig sind) zu verwenden. Es ist immer noch eine durch den erforderlichen Abgleich zwischen der Dispersion und der Nichtlinearität festgelegte Grenze für die Energie der Datenimpulse vorhanden, die in einem derartigen dispersionsverwalteten System übertragen werden können.
Die durch die nichtlineare Schrödinger-Gleichung (NLSE) mit Verstärkungsfaktor beschriebene Entwicklung von ultrakurzen Impulsen in einem optischen Verstärker kann angegeben werden durch:
Dabei ist A(z, T) die langsam variierende Impulshüllkurve in einem sich mitbewegenden Rahmen, β₂ ist der Gruppengeschwindigkeitsdispersionsparameter (GVD-Parameter), γ ist der Nichtlinearitätsparameter und g ist der exponentielle Verstärkungskoeffizient. Bei dem Fehlen des Verstärkungsfaktors (g = 0) ist es zum Erhalten der allgemein bekannten Soliton-Lösungen möglich, die NLSE unter Verwendung des Verfahrens der inversen Streuung genau zu lösen, bei dem Vorhandensein des Verstärkungsfaktors erfordern jedoch Lösungen für die Gleichung üblicherweise numerische Simulationen.
Im Artikel von Nakazawa, M. u. a. „Ultrahigh-Speed Long-Distance TDM and WDM Soliton Transmission Technologies” in IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Vol. 6, Nr. 2, March/April 2000, Seiten 363–396 wird eine Solitonenquelle mit einem aktiv modengekoppelten 10 GHz Erbium-Faserringlaser und einem Erbium-dotieren Faserverstärker (EDFA) offenbart.
Die nächstkommende Druckschrift US 5,880,877 A offenbart einen Faseroszillator, der Keimimpulse liefert und einen Solitonen-Raman-Kompressor(SRC)-Erbium-Faserverstärker. Die Druckschrift offenbart jedoch keinen Yb:dotierten Faserverstärker, der linear gechirpte parabelförmige Ausgangsimpulse erzeugt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Impulserzeugungseinrichtung bereitzustellen, mit der Impulse erzeugt werden können, die allgemein durch die nicht-lineare Schrödingergleichung (NLSE) beschrieben werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Anspruch 1. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben. Eine Impulserzeugungseinrichtung mit einer durch die NLSE mit Verstärkungsfaktor allgemein beschriebenen Kennlinie ist zur Erzeugung parabelförmiger Ausgangsimpulse aus einfallenden Impulsen ausgelegt.
Vorrichtungen, mit einem Übertragen einer Folge von Impulsen über ein optisches Medium zwischen einer ersten Vorrichtung und einer zweiten Vorrichtung einschließlich eines Verstärkens der Impulse in einem optischen Verstärker mit einer durch die NLSE mit Verstärkungsfaktor allgemein beschriebenen Kennlinie zur Gewinnung parabelförmiger Impulse.
Ein weiterer Aspekt umfasst ein Verfahren zur optischen Kommunikation, mit einem Bereitstellen von Impulsen für den Eingang einer optischen Quelle mit einer durch die NLSE mit Verstärkungsfaktor allgemein beschriebenen Ausgangskennlinie derart, daß parabelförmige Ausgangsimpulse ausgebildet werden, und einem Koppeln des Verstärkers mit dem Eingangsende eines optischen Kommunikationsmediums und einem Ermöglichen, daß die durch den optischen Verstärker erzeugten Impulse sich entlang dem Lichtwellenleiter zu zumindest einem Verstärker, Regenerator oder Empfänger ausbreiten. Die in den Eingangsimpulsen bereitgestellte Energie wird zur Variation der Amplitude und Periode der Ausgangsimpulse moduliert.
Ein weiterer Aspekt umfasst einen optischen Verstärker mit einer durch die NLSE mit Verstärkungsfaktor allgemein beschriebenen Kennlinie, der zur Erzeugung parabelförmiger Ausgangsimpulse aus einfallenden Impulsen ausgelegt ist.
Die durch den optischen Verstärker erzeugten parabelförmigen Impulse können infolge ihrer streng linearen dynamischen Wellenlängenänderung (Chirp) leicht komprimiert werden.
Ein Verfahren und System umfassen ein Übertragen eines Impulses von elektromagnetischer Strahlung einer Trägerwellenlänge λ₀ über einen Lichtwellenleiterkommunikationskanal, wobei der Kanal einen Einzelmodenlichtwellenleiter umfaßt, wobei λ₀ eine Wellenlänge in dem anomalen Dispersionsbereich des Lichtwellenleiters ist. Die Impulse werden derart verstärkt und übertragen, daß parabelförmige Impulse ausgebildet werden und sich ausbreiten.
Beispiele für nicht elektronische Verstärker umfassen Glasverstärker, d. h. ein Glasmedium, typischerweise einen Lichtwellenleiter, die mit einer passenden Ionenart (d. h. Ionen mit Energieniveaus, die durch eine Energie getrennt sind, die im wesentlichen gleich hc/λ₀ ist, wobei h das Plancksche Wirkungsquantum ist und c die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum ist) dotiert sind und mit elektromagnetischer Strahlung gepumpt werden, die zur Erzeugung einer Besetzungsinversion bei den Energieniveaus eingerichtet ist; Raman-Verstärker, z. B. ein Glasmedium, typischerweise einen Lichtwellenleiter, bei denen sich λ₀ in einem ”Stokesschen” Wellenlängenband einer Pumpstrahlung befindet; Injektion einer kontinuierlichen Welle (cw) mit einer Wellenlänge, die im wesentlichen gleich λ₀ ist, in Phase mit dem parabelförmigen Impuls und mit einer Amplitude, die wesentlich niedriger als die Impulsamplitude ist, wodurch sich über eine nichtlineare Interaktion zwischen dem Impuls und cw eine Impulsamplitudenerhöhung ergeben kann; und einen Halbleiterlaser, der als ein Verstärkungsmedium betrieben wird. Die Vorstehenden sind Beispiele für Verstärkungseinrichtungen, bei denen das Signale zu jeder Zeit in der Form eines Photonenimpulses vorhanden ist und nie als ein Elektronenimpuls vorhanden ist, und die eine Erhaltung der Phase des Impulses ermöglichen.
Es ist ersichtlich, daß ein parabelförmiger Impuls keine konstante Form und Impulshöhe behält, sondern vielmehr der Impuls typischerweise eine Änderung der Impulsbreite und der Amplitude erfährt, während er sich über den Lichtwellenleiter ausbreitet, nachdem er eine Verstärkung zur Erreichung seiner Parabelform erfahren hat. In Anbetracht des linearen Chirp, den die Impulse entwickeln, können verschiedene Dispersionskompensationskompressoren zur Neukompression der Impulse verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein optisches Telekommunikationssystem, mit:

(a) einer Quelle von Impulsen von elektromagnetischer Strahlung einer Trägerwellenlänge λ₀;
(b) einem Übertragungskanal mit einem Eingangsort und einem von dem Eingangsort beabstandeten Ausgangsort, wobei der Kanal in einem λ₀ umfassenden Wellenlangenbereich eine normale oder wechselnde Dispersion aufweist; und
(c) einer Einrichtung zur Einkopplung zumindest eines Impulses in den Kanal an dem Eingangsort und einer Einrichtung zur Erfassung des Impulses an dem Ausgangsort, wobei der Impuls über den Kanal von dem Eingangsort zu dem Ausgangsort übertragen wird; wobei der Impuls eine Spitzenenergie und eine Impulsbreite aufweist, die derart ausgewählt sind, daß der Impuls in zumindest einem Teil des Kanals zu einem parabelförmigen Impuls ausgebildet wird, wobei die Verluste in dem Kanal zu einer Abnahme der Spitzenenergie des Impulses mit zunehmender Entfernung von dem Eingangsort führen, wobei das System ferner umfaßt:
(d) eine Einrichtung zur Neukompression des dispergierten Impulses vor einer Erfassung oder Regeneration und/oder Neuverstärkung.

Es wird hier zwischen einer Impulsregeneration, d. h. einem Prozeß, bei dem in einem Repeater zumindest die Impulsamplitude erhöht wird und der Impuls allgemein neu geformt wird, was typischerweise eine Änderung der Natur der Signalträgerinstanz von Photonen zu z. B. Elektronen und zurück zu Photonen mit sich bringt, und einer Verstärkung durch eine rein optische Einrichtung unterschieden.
Optische Verstärker können potentiell weitreichende Anwendungen in vielen Bereichen derzeitiger optischer Technologie haben, was selbst bei dem Vorhandensein von Eingangsimpulsstörungen die Erzeugung von gut definierten linear gechirpten Ausgangsimpulsen ermöglicht. Alle Energie eines einfallenden Impulses wird in einen parabelförmigen Impuls gewandelt, und die asymptotische Impulskennlinie wird nur durch die Energie des einfallenden Impulses und die Verstärkerparameter bestimmt, wobei die anfängliche Impulsform lediglich die Karte zu dieser asymptotischen Lösung hin bestimmt. Linear gechirpte parabelförmige Impulse mit hoher Energie können effizient komprimiert werden (nach der Kompression der bei den Experimenten erzeugten parabelförmigen Impulse sind Impulse mit einer Spitzenenergie von 80 kW und einer Dauer von 70 fs erzeugt worden). Ein zweckdienliches Verfahren auf der Grundlage von Lichtwellenleitern zur Erzeugung und Übertragung von optischen Impulsen mit hoher Energie, Ausbreitung rivalisierender Solitonen, Ausbreitung von Gauß-Impulsen mit gedehnten Impulsen sowie vorhandene Verstärkungssysteme für gechirpte Impulse kann bereitgestellt werden.
Der prinzipielle Vorteil der Verwendung von parabelförmigen Impulsen in einem Lichtwellenleiterkommunikationssystem besteht in der potentiell wesentlichen Erhöhung der Energie der Impulse, die übertragen werden können. Diese erhöhte Energie führt zu einer erhöhten Entfernung, über die die Daten übertragen werden können, bevor eine Neuverstärkung oder Regeneration erforderlich ist. Die Verwendung von parabelförmigen Impulsen erhöht die Länge des rein passiven Übertragungsmediums (Lichtwellenleiterübertragungsmediums). Zur Nutzung des vollen Potentials dieser parabelförmigen Impulse ist es notwendig, sowohl in dem nichtlinearen als auch in dem linearen Ausbreitungsbereich zu arbeiten (der letztere findet Anwendung, indem der Impuls sich spreizt und abgeschwächt wird und die Spitzenenergie folglich fällt). Eine richtige Wahl der Dispersionskarte für die Übertragungsverbindung ist für eine optimale Leistungsfähigkeit erforderlich. Die Verwendung eines anomalen Dispersionsabschnitts in dem linearen (letzteren) Abschnitt der Verbindung komprimiert den Impuls neu, und dieser Effekt kann zur Minimierung der Anforderungen an den erforderlichen Impulskompressor (siehe vorstehenden Abschnitt (d)) oder zu seiner Beseitigung verwendet werden. Als Beispiel würde es die Verwendung von um 20 dB über die derzeit verwendeten Pegel verstärkten Signalimpulsen ermöglichen, die Übertragungsverbindung um annähernd 100 km zu verlängern (unter der Annahme eines Verlusts von 0,2 dB/km).
Parabelförmige Impulse können in optischen Kommunikationssystemen auch bei anderen optischen Komponenten wie beispielsweise nachstehend als optische Switche bezeichneten optischen Schaltern und optischen Routern verwendet werden, die ihre hohe Spitzenenergie und ihren linearen Chirp ausnutzen.
Auf die parabelförmigen Impulse wird dabei als Similariton-Impulse Bezug genommen, bei denen es sich um asymptotische Lösungen der NLSE mit Verstärkungsfaktor handelt und die sich selbstähnlich in dem Verstärker ausbreiten, wobei sie einer exponentiellen Skalierung der Amplitude und der zeitlichen Breite unterliegen. Darüber hinaus besitzen die Impulse einen streng linearen Chirp. Diese Impulse breiten sich auch in einem Monomodenlichtwellenleiter bei dem Vorhandensein von starken nichtlinearen Effekten selbstähnlich aus.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beispielhaft und ohne beschränkend sein zu wollen weiter beschrieben, wobei:
1a NLSE-Simulationsergebnisse zeigt, die die Entwicklung der Impulsamplitude als eine Funktion der Ausbreitungsentfernung für Gauß-Impulse der Dauer 100 fs–5 ps im Vergleich zu einem berechneten asymptotischen Ergebnis (siehe Beschriftung) darstellen, und
1b eine simulierte Ausgangsintensität (Kreise, linke Achse) und einen simulierten Chirp (Kreise, rechte Achse) entsprechend einem Eingangsimpuls von 200 fs im Vergleich zu den erwarteten asymptotischen parabelförmigen Impulsergebnissen (gepunktete Linien) zeigt,
2 eine schematische grafische Darstellung einer zur Erzeugung und Messung von parabelförmigen Impulsen verwendeten experimentellen Anordnung zeigt; eine Impulskennzeichnung über FROG wurde für die Impulse direkt von einem Yb-dotierten Lichtwellenleiterverstärker von 3,6 m sowie nach einer Ausbreitung in 2 m von nicht dotiertem Lichtwellenleiter (durch gestrichelte Linien eingeschlossen) ausgeführt,
3a zeigt eine Intensität (linke Achse) und einen Chirp (rechte Achse) für Impulse direkt von einem Yb-dotierten Verstärker für einen Verstärkungsfaktor von 30 dB – die durchgezogenen Linien sind die experimentellen Ergebnisse im Vergleich zu einer NLSE-Simulation (Kreise), einem asymptotischen parabelförmigen Impulsprofil (kurze Striche) und einer sech²-Einstellung (lange Striche), und
3b die durchgezogenen Linien zeigt, die eine gemessene Intensität und einen gemessenen Chirp nach einer Ausbreitung durch 2 m von SMF darstellen, im Vergleich zu einer parabelförmigen Einstellung (kurze Striche) und einer sech²-Einstellung (lange Striche).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die NLSE mit Verstärkungsfaktor in der Gleichung (1) kann unter Verwendung einer symmetrischen Reduktion analysiert werden, wobei die auf diese Weise erhaltenen Lösungen genaue selbstähnliche Lösungen darstellen, die bei der asymptotischen Grenze (z → ∞) erscheinen. Dieses Verfahren ergibt unter der Voraussetzung, daß g ≠ 0 und daß γβ₂ > 0, eine asymptotische selbstähnliche Lösung bei der Grenze z → ∞. Die Lösung ist: A(z, T) = A0(z){1 – [T/T0(z)]2}1/2exp(iφ(z, T)), |T| < T0(z), (2)wobei A(z, T) = 0 für |T| > T₀(z). Dies entspricht einem Impuls mit einem parabelförmigen Intensitätsprofil und einer quadratischen Phase, die gegeben ist durch: φ(z, T) = 3γ(2g)–1A20 (z) – g(6β2)–1T2. (3)
Der entsprechende konstante lineare Chirp ist durch δω(T) = –∂φ(z, T)/∂T = g(3β₂)^–1T gegeben. In dem asymptotischen Bereich breitet sich dieser Impuls selbstähnlich aus, wobei er seine parabelförmige Form beibehält, die der exponentiellen Skalierung ihrer Amplitude A₀(z) und ihres Parameters der effektiven Breite T₀(z) gemäß: A0(z) = 0,5(gEIN)1/3(γβ2/2)–1/6exp(gz/3), T0(z) = 3g–2/3(γβ2/2)1/3E1/3IN exp(gz/3) (4)unterliegt, wobei EIN die Energie des Eingangsimpulses für den Verstärker ist. Dies sagt vorher, daß es nur die Energie des Anfangsimpulses (und nicht seine spezifische Form) ist, die die Amplitude und Breite des asymptotischen parabelförmigen Impulses bestimmt. Darüber hinaus wird alle Eingangsenergie in einen parabelförmigen Impuls transformiert, wobei überschüssige Energie nicht in ein Kontinuum abgeworfen wird, wie es für die Soliton-Entwicklung in dem anomalen Dispersionsbereich auftritt.
Die NLSE mit Verstärkungsfaktor ist numerisch simuliert worden. Gaußsche Eingangsimpulse mit einem Bereich von Impulsdauern (FWHM) von 100 fs–5 ps, aber fester Energie E_IN = 12 pJ wurden in einem 6 m langen Lichtwellenleiterverstärker mit einem Yb-dotierten Lichtwellenleiter entsprechenden realistischen Parametern übertragen: γ = 6 × 10^–3 W^–1m^–1, β₂ = 25 × 10^–3 ps²m^–1, g = 1,9 m^–1. Die 1(a) vergleicht die Entwicklung der Amplitude des sich ausbreitenden Impulses, die aus Simulationen mit der analytischen Vorhersage für A₀(z) erhalten wird, die durch die Gleichung (4) gegeben ist. Die Entwicklung des Impulses in dem Verstärker nähert sich in allen Fällen der asymptotischen Grenze. Die 1(b) zeigt die Ausgangsimpulskennlinien für den eingegebenen Impuls von 200 fs, die die sehr gute Übereinstimmung (über 10 Größenordnungen) zwischen der Intensität und dem Chirp der Simulationsausgabe (Kreise) und dem erwarteten asymptotischen Impulsprofil aus der Gleichung (2) (gestrichelte Linie) veranschaulichen. Es sind zusätzliche Simulationen ausgeführt worden, um die Abhängigkeit von Lichtwellenleiterparametern und Impulsanfangsbedingungen ausführlicher zu untersuchen. Indem der Lichtwellenleiterverstärkungsfaktor für einen gegebenen Eingangsimpuls erhöht wird, wird das exponentielle Wachstum der Impulsamplitude und -breite in Übereinstimmung mit der Gleichung (4) entsprechend erhöht, und die parabelförmige asymptotische Grenze wird in einer kürzeren Ausbreitungsentfernung erreicht. Simulationen zeigen es ferner, daß für einen Lichtwellenleiter mit festem Verstärkungsfaktor der Effekt der Intensitäts- oder Phasenmodulation bei einem Eingangsimpuls den Längenumfang modifiziert, über den die Entwicklung zu der asymptotischen Grenze auftritt, wobei die asymptotische parabelförmige Impulslösung nichtsdestoweniger in allen Fällen nach einer ausreichenden Ausbreitungsentfernung erreicht wird.
Zur experimentellen Verifikation, daß in Lichtwellenleiterverstärkern in der Tat parabelförmige Impulse erzeugt werden, wurden Femtosekunden-Impulse in einen Yb-dotierten Lichtwellenleiterverstärker mit hohem Verstärkungsfaktor injiziert und eine FROG-Kennzeichnung der verstärkten Impulse ausgeführt. Die 2 zeigt die experimentelle Anordnung. Dabei wurde eine Quelle einer gepulsten Vorrichtung mit elektrooptischem Eigeneffekt (seed) auf der Grundlage von Lichtwellenleitern zur Erzeugung Gaußscher Eingangsimpulse von 200 fs FWHM bei einer Wellenlänge von 1,06 μm und bei einer Wiederholungsrate von 63 MHz verwendet. Diese Impulse wurden daraufhin in einen bei 976 nm kodirektional gepumpten Yb-dotierten Lichtwellenleiter von 3,6 m Länge mit einem Verstärkungsfaktor von 30 dB bei dieser Geometrie injiziert. Die Eingangsimpulsenergie in dem Lichtwellenleiter wurde bei 12 pJ geschätzt. Eine vollständige Impulskennzeichnung der Ausgangsimpulse wurde unter Verwendung von FROG auf der Grundlage einer Erzeugung der zweiten Harmonischen (second-harmonic generation, SHG) in einem KDP-Kristall ausgeführt. FROG-Messungen wurden bei den Impulsen direkt nach dem Yb-dotierten Lichtwellenleiterverstärker sowie nach einer nachfolgenden Ausbreitung in 2 m von standaramäßigem nicht dotiertem Einzelmodenlichtwellenleiter (single mode fiber, SMF) ausgeführt. Eine Intensitäts- und Chirp-Wiedergewinnung aus den gemessenen FROG-Spuren wurde unter Verwendung des Standard-FROG-Wiedergewinnungsalgorithmus ausgeführt, wobei der Effektivwertfehler zwischen der gemessenen FROG-Spur und der mit dem wiedergewonnenen Impuls verknüpften in allen Fällen annehmbar niedrig (G < 0,007) ist.
Bei einem verallgemeinerten Lichtwellenleitertelekommunikationssystem werden durch eine Impulserzeugungseinrichtung emittierte Impulse von elektromagnetischer Strahlung durch eine Kopplungseinrichtung in einen Monomodenlichtwellenleiter eingekoppelt. Die Impulserzeugung wird durch ein Eingangssignal gesteuert. Da jeder reale Lichtwellenleiter eine Abschwächung von durch ihn übertragenen Impulsen verursacht, weisen bei einer Regenerations- und/oder Verstärkungseinrichtung ankommende Impulse eine niedrigere Amplitude und eine größere Breite als bei ihrer Einkopplung in das Eingangsende des Lichtwellenleiters auf. Nach der Regeneration und/oder Neuverstärkung in einem Regenerator und/oder Neuverstärker setzen Impulse ihren Durchgang durch den Lichtwellenleiter fort, wobei sie bei weiteren Regeneratoren und/oder Neuverstärkern periodisch regeneriert und/oder neu verstärkt werden, bis die Impulse das Ende des Übertragungskanals bei seinem Ausgangsende erreichen und durch eine Erfassungseinrichtung erfaßt werden. Eine Neuformung der Impulse findet typischerweise während der Übertragung bei Regeneratoren statt. Das von der Erfassungseinrichtung abgeleitete Signal umfaßt im wesentlichen die Informationen, die von dem Eingangssignal getragen worden sind.
Mit Bezug auf die 3 zeigen die durchgezogenen Linien die gemessene Intensität und den gemessenen Chirp für einen Verstärkungsfaktor von 30 dB in dem Verstärker entsprechend einem verteilten Verstärkungskoeffizienten von g = 1,9 m^–1. In diesem Fall war das zeitliche FWHM des Ausgangsimpulses Δτ = 2,6 ps, das spektrale FWHM war Δτ = 32 nm, und das entsprechende Bandbreitenprodukt der Dauer war ΔτΔν·22. Die Ausgangsimpulsenergie war 12 nJ. Die Figur vergleicht die experimentelle Intensität und den experimentellen Chirp mit den Ergebnissen von NLSE-Simulationen (Kreise) und den vorhergesagten asymptotischen parabelförmigen Impulskennlinien (gepunktete Linien) für diese Länge des Lichtwellenleiters. Sowohl die gemessene Intensität als auch der gemessene Chirp befinden sich in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen von NLSE-Simulationen. Die experimentell beobachteten schwachen Schwingungen bei den Flügeln sind auf eine Dispersion höherer Ordnung und Resonanzeffekte zurückzuführen, die nicht in der Gleichung (1) enthalten sind. Noch deutlicher befindet sich jedoch das gemessene Intensitätsprofil auch in Übereinstimmung (über zwei Größenordnungen) mit dem durch die Gleichung (2) vorhergesagten asymptotischen parabelförmigen Impuls. Zur Hervorhebung der parabelförmigen Natur dieser Impulse umfaßt die Figur auch eine Einstellung einer quadrierten hyperbolischen Sekante bzw. sech²-Einstellung (sech² fit) für das gemessene Intensitätsprofil (lange Striche). Diese parabelförmigen Impulskennlinien stehen mit den Ergebnissen in der 1 für einen Eingangsimpuls von 200 fs im Einklang, wobei asymptotisches Verhalten nach 3,6 m der Ausbreitung erwartet werden würde.
Ein attraktives Merkmal von parabelförmigen Impulsen mit hoher Energie besteht darin, daß sie sich in einem normal dispersiven Lichtwellenleiter selbstähnlich ausbreiten, was eine sehr nichtlineare Ausbreitung über beträchtliche Lichtwellenleiterlängen ohne eine Brechung optischer Wellen ermöglicht. Dies ist durch ein Losschicken der in der 3(a) gezeigten verstärkten Impulse in einen 2 m langen nicht dotierten Einzelmodenlichtwellenleiter (SMF) und Verwenden von FROG zur Kennzeichnung der Ausgangsimpulse verifiziert worden. Die Ausgangsimpulse hatten sich nach der Ausbreitung sowohl zeitlich als auch spektral erweitert, mit Δτ = 4,4 ps, Δλ = 50,5 nm und ΔτΔν·60. Die 3(b) zeigt die gemessene Intensität und den gemessenen Chirp (durchgezogene Linien) zusammen mit einer parabelförmigen Einstellung (kurze Striche) und einer sech²-Einstellung (lange Striche). Es wurde herausgefunden, daß das Impulsintensitätsprofil parabelförmig bleibt, was die selbstähnliche Natur der Impulsausbreitung bestätigt, obwohl es bemerkt wird, daß der Dynamikbereich des parabelförmigen Profils aufgrund des Vorhandenseins eines Hintergrunds mit niedriger Energie verringert ist, der seinen Ursprung in den schwachen Schwingungen bei den Flügeln der verstärkten Impulse hat. Es ist wichtig, daß es trotz der deutlichen zeitlichen und spektralen Erweiterung in diesem Bereich beobachtet wird, daß der Chirp linear bleibt, was ein einzigartiges Merkmal der Ausbreitung eines parabelförmigen Impulses ist. Zur Demonstration des Potentials von parabelförmigen Impulsen mit hoher Energie in der ultraschnellen Optik wurde ein einfaches dispersives Gitterpaar zur Kompression dieser parabelförmigen Impulse verwendet, wobei eine minimale Impulsdauer von Δτ = 68 fs mit einer entsprechenden Spitzenenergie von 80 kW erhalten wurde. Die Impulse werden wegen einer Dispersion dritter Ordnung in dem Massengitterkompressor nicht zu der erwarteten transformationsbegrenzten Impulsdauer von etwa 30 fs komprimiert, aber es wird bemerkt, daß dies mit einem verbesserten Kompressorentwurf beseitigt werden sollte.
Das Vorstehende beschreibt die Erfindung einschließlich einer bevorzugten Form davon. Änderungen und Modifikationen, wie sie für den Fachmann offensichtlich sind, sollen in dem Bereich hiervon enthalten sein, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Impulserzeugungseinrichtung mit einer durch die nichtlineare Schrödingergleichung (NLSE) mit Verstärkungsfaktor allgemein beschriebenen Kennlinie, umfassend: – eine faserbasierte gepulste Keimquelle; und – einen Yb-dotierten Faserverstärker, der die Eingangspulse von der Keimquelle verstärkt und linear gechirpte parabolische Ausgangspulse erzeugt.
Impulserzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Faserverstärker kodirektional gepumpt wird.
Impulserzeugungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit der die linear gechirpten parabelförmigen Ausgangspulse bei einem Vorhandensein von Verzerrungen bei den Eingangspulsen erzeugt werden.
Impulserzeugungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die eine zugehörige Kompressionsstufe umfasst, die zur anschließenden Kompression der parabelförmigen Pulse ausgelegt ist.
Impulserzeugungseinrichtung nach Anspruch 4, bei der die Kompressionsstufe ein dispersives Gitterpaar ist.