DE102009048216A1 - Abstimmbare Lichtquelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit abstimmbarer Wellenlänge, mit einem optischen Resonator (2), einem optischen Verstärker (3) zur Verstärkung des in dem Resonator (2) umlaufenden Lichts, und einem hinsichtlich der Filterwellenlänge (λ) abstimmbaren optischen Filter (6). Zur Verbesserung einer solchen Vorrichtung schlägt die Erfindung vor, dass eine Schalteinrichtung (7) vorgesehen ist, die zwei Schaltzustädas optische Filter (6) aktiv ist, so dass das optische Filter (6) das in dem Resonator (2) umlaufende Licht wellenlängenselektiv filtert, und in einem zweiten Schaltzustand das optische Filter (6) inaktiv ist, so dass das Licht ohne wellenlängenselektive Filterung in dem Resonator (2) umläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit abstimmbarer Wellenlänge, mit einem optischen Resonator, einem optischen Verstärker zur Verstärkung des in dem Resonator umlaufenden Lichts, und einem hinsichtlich der Filterwellenlänge abstimmbaren optischen Filter.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von periodisch abstimmbarem Licht.
  • Aus dem Stand der Technik sind schnell abstimmbare Laser bekannt. Diese enthalten als optischen Verstärker ein Lasermedium, welches das in dem Resonator umlaufende Licht über einen breiten Wellenlängenbereich verstärkt. In den Resonator ist ein abstimmbares optisches Bandpassfilter eingekoppelt, dessen Filterwellenlänge, d. h. die Wellenlänge, bei der das Bandpassfilter durchlässig ist, periodisch variiert. Ein derartiger schnell abstimmbarer Laser ist z. B. in dem Artikel von R. Huber et al. „Amplified frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles", in der Zeitschrift Optics Express, Mai 2005, Band 13, Nr. 9, beschrieben. Der vorbekannte Laser hat den wesentlichen Nachteil, dass die Umlaufzeit des Lichts im Resonator die Geschwindigkeit, mit der die Filterwellenlänge variiert werden kann, begrenzt. Bei einer Erhöhung der Frequenz der Variation der Filterwellenlänge über einen bestimmten Grenzwert hinaus wird die Laseraktivität unterbunden. Der Grund hierfür ist, dass das Licht im Resonator nicht mehr genügend Umläufe absolvieren kann, um eine Laseraktivität aufzubauen.
  • Aus der WO 2006/079078 A2 ist eine Vorrichtung bekannt, durch die der vorgenannte Nachteil überwunden wird. Die aus der genannten Druckschrift vorbekannte Lichtquelle arbeitet nach dem Konzept der spektralen Modenkopplung (englisch: „Fourier Domain Mode Locking”, abgekürzt FDML). Das optische Filter wird bei dieser vorbekannten Laserlichtquelle zeitlich synchron zur Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator periodisch variiert. Derartige FDML-Laser haben gegenüber herkömmlichen schnell abstimmbaren Lasern den Vorteil, dass keine Beschränkung der Abstimmgeschwindigkeit durch die Umlaufzeit des Lichts im Resonator besteht. FDML-Laser haben allerdings den Nachteil, dass zur Synchronisation der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator mit der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge eine lange optische Verzögerungsstrecke benötigt wird. Hierzu kommt üblicherweise eine sehr lange, d. h. mehrere Kilometer lange Glasfaser zum Einsatz. Aus diesem Grund ist die praktische Realisierung von FDML-Lasern aufwendig und teuer. Außerdem bauen FDML-Laser wegen der langen optischen Verzögerungsstrecke vergleichsweise groß.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte schnell abstimmbare Lichtquelle bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch eine Schalteinrichtung, die zwei Schaltzustände aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand das optische Filter aktiv ist, so dass das optische Filter das in dem Resonator umlaufende Licht wellenlängenselektiv filtert, und in einem zweiten Schaltzustand das optische Filter inaktiv ist, so dass das Licht ohne wellenlängenselektive Filterung in dem Resonator umläuft.
  • Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das optische Filter nicht dauernd an den Resonator angekoppelt ist, sondern nur zeitweise, nämlich während sich die Schalteinrichtung in dem ersten Schaltzustand befindet. Solange sich die Schalteinrichtung in dem zweiten Schaltzustand befindet, kann das Filter das in dem Resonator umlaufende Licht nicht blockieren. Das Licht kann frei in dem Resonator umlaufen und entsprechend verstärkt werden. Demzufolge kann die Umlaufzeit des Lichts im Resonator sehr kurz sein. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich eine hohe Abstimmgeschwindigkeit bei gleichzeitig schmaler momentaner Bandbreite der Lichtwellenlänge erzielen.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche das optische Filter in der Weise ansteuert, dass die Filterwellenlänge periodisch variiert. Dabei ist die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge zweckmäßigerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung an, und zwar in der Weise, dass die Schalteinrichtung zeitlich synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin- und hergeschaltet wird. Die Schalteinrichtung bewirkt dementsprechend, dass das optische Filter während bestimmter Zeitintervalle zeitlich synchron mit der Variation der Filterwellenlänge aktiv, d. h. an den Resonator angekoppelt ist. Während der übrigen Zeit ist das Filter inaktiv, und das Licht läuft im Resonator frei um. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung in der Weise an, dass die Schalteinrichtung periodisch zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin- und hergeschaltet wird, wobei die Periodendauer des Schaltvorgangs ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge ist. Das bedeutet, dass das optische Filter immer mit derselben Phase der Variation der Filterwellenlänge an den Resonator angekoppelt wird. Da außerdem die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit des Lichts im Resonator ist, wird erreicht, dass im ersten Schaltzustand, d. h. während das optische Filter aktiv ist, die momentane Filterwellenlänge immer gleich der momentanen Wellenlänge des im Resonator umlaufenden Lichts ist. Dabei sollte die Dauer des ersten Schaltzustands stets kleiner oder gleich der Umlaufzeit des Lichts im Resonator sein. Die Periodendauer des Schaltvorgangs zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand muss im Sinne der Erfindung nicht zwingend ein Mehrfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge sein. Die Periodendauer des Schaltvorgangs kann auch gleich der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge sein.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vollständig durch faseroptische Komponenten realisiert werden. Dementsprechend ist der optische Resonator bevorzugt ein durch wenigstens eine optische Faser gebildeter Ringresonator. Bei dem optischen Verstärker kann es sich um eine optisch gepumpte Verstärkerfaser handeln.
  • Als optisches Filter kommt bevorzugt ein abstimmbares Fabry-Perot-Filter zum Einsatz. Solche Filter sind, beispielsweise durch Piezo-Antrieb, effizient durchstimmbar und weisen eine hohe Güte auf.
  • Die Schalteinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise mittels eines optischen Umschalters realisiert werden, über den das optische Filter wahlweise in den optischen Resonator einkoppelbar oder aus diesem auskoppelbar ist. Derartige optische Umschalter sind als faseroptische Komponenten mit beispielsweise zwei Eingängen und einem Ausgang kommerziell erhältlich und können gut für die erfindungsgemäße Vorrichtung genutzt werden. Dabei wird über den optischen Umschalter sinnvollerweise entweder das optische Filter oder ein optisches Verzögerungsglied in den optischen Resonator eingekoppelt. Das bedeutet, dass im ersten Schaltzustand das optische Filter und im zweiten Schaltzustand das optische Verzögerungsglied in den Resonator eingekoppelt ist. Das optische Verzögerungsglied stellt sicher, dass die Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator in dem ersten und in dem zweiten Schaltzustand im Wesentlichen gleich ist.
  • Die oben angegebene Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Verfahren zur Erzeugung von periodisch abstimmbarem Licht gelöst, wobei in einem optischen Resonator umlaufendes Licht optisch verstärkt und mittels eines optischen Filters, dessen Filterwellenlänge periodisch variiert, gefiltert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter zeitlich synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge periodisch aktiviert wird. Dabei sollte die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator und gleichzeitig die Periodendauer der Aktivierung des optischen Filters ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge sein. Darunter fallen auch Ausgestaltungen, bei denen die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge gleich der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator ist und/oder die Periodendauer der Aktivierung des optischen Filters gleich der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge ist. Die Dauer jeder Aktivierung des optischen Filters sollte kleiner oder gleich der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator sein. Während der übrigen Zeit ist das optische Filter, wie oben beschrieben, inaktiv, d. h. von dem optischen Resonator abgekoppelt.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockdiagramm;
  • 2: diagrammatische Darstellung des Zeitverlaufs der Filterwellenlänge λF und der Wellenlänge λR des erzeugten Lichts.
  • Die in der 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen durch eine optische Faser 1 gebildeten Ringresonator 2. In den optischen Resonator 2 ist ein optischer Verstärker 3 eingebunden. Bei diesem kann es sich um eine optisch gepumpte Verstärkerfaser, d. h. z. B. um eine mit Ionen der seltenen Erden dotierte Glasfaser handeln. Der optische Verstärker 3 verstärkt das in dem Resonator 2 umlaufende Licht. Vor und hinter dem optischen Verstärker 3 sind optische Isolatoren 4 vorgesehen, die die Umlaufrichtung des Lichts in dem Resonator 2 festlegen. Ein Verzögerungsglied 5 ist vorgesehen, um die Umlaufzeit anpassen zu können. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein hinsichtlich der Filterwellenlänge abstimmbares optisches Filter 6 auf. Bei diesem handelt es sich z. B. um ein Piezo-gesteuertes Fabry-Perot-Filter. Insoweit handelt es sich bei der in der 1 dargestellten Vorrichtung um einen abstimmbaren Faserlaser, wobei der optische Verstärker 3 das in dem Resonator 2 umlaufende Laserlicht breitbandig verstärkt. Das Filter 6 sorgt für die Wellenlängenselektion, d. h. für die Abstimmung. Wesentliche Komponente der in der 1 dargestellten Vorrichtung ist ein optischer Umschalter 7, der eine Schalteinrichtung im Sinne der Erfindung bildet. Die Schalteinrichtung weist zwei optische Eingänge und einen optischen Ausgang auf. Der eine Eingang ist mit dem optischen Filter 6 verbunden. Der andere Eingang ist mit einem Verzögerungsglied 8 verbunden. Das Filter 6 und das Verzögerungsglied 8 sind über einen optischen Koppler 9 mit der den Ringresonator 2 bildenden Faser 1 verbunden. Die Schalteinrichtung 7 weist zwei Schaltzustände auf. In einem ersten Schaltzustand ist das optische Filter 6 aktiv, d. h. der optische Umschalter 7 sorgt dafür, dass das optische Filter 6 an den Resonator 2 angekoppelt ist. In einem zweiten Schaltzustand ist das optische Filter 6 inaktiv. In dem zweiten Schaltzustand ist statt des optischen Filters 6 das optische Verzögerungsglied 8 an den Resonator 2 angekoppelt. Dabei ist das Verzögerungsglied 8 so ausgelegt, dass die Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator 2 in beiden Schaltzuständen gleich ist. Durch die Schalteinrichtung 7 wird ein kommutierbarer Ringresonator 2 realisiert, der zwischen den genannten zwei Schaltzuständen umschaltbar ist. In dem ersten Schaltzustand sorgt das optische Filter 6 für eine wellenlängenselektive Filterung des in dem Resonator 2 umlaufenden Lichts. In dem zweiten Schaltzustand durchläuft das Licht statt des Filters 6 das Verzögerungsglied 8. In dem zweiten Schaltzustand läuft das Licht in dem Ringresonator 2 somit ungefiltert um. Zur Ansteuerung des abstimmbaren optischen Filters 6 und des optischen Umschalters 7 dient eine elektronische Steuereinrichtung 10. Die Steuereinrichtung 10 steuert das optische Filter 6 und die Schalteinrichtung 7 in der Weise an, dass die Schalteinrichtung 7 zeitlich synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge des optischen Filters 6 zwischen den beiden Schaltzuständen hin- und hergeschaltet wird. Zur Auskopplung des Lichts aus dem Resonator 2 dient ein weiterer optischer Koppler 11.
  • Die Funktionsweise der in der 1 dargestellten Vorrichtung wird im Folgenden anhand der Diagramme der 2 näher erläutert. Das obere Diagramm der 2 zeigt die Filterwellenlänge λF des optischen Filters 6 als Funktion der Zeit. Die Steuereinrichtung 10 steuert das optische Filter 6 in der Weise an, dass, wie in dem oberen Diagramm in 2 zu sehen ist, die Filterwellenlänge λF Sinus-artig periodisch variiert. In dem unteren Diagramm der 2 ist die momentane Wellenlänge λR des in dem Resonator 2 umlaufenden Lichts als Funktion der Zeit gezeigt. Während der mit A bezeichneten Zeitintervalle befindet sich die Schalteinrichtung 7 im ersten Schaltzustand. Während der Zeitintervalle A ist somit das optische Filter 6 an den Resonator 2 angekoppelt. Wie in den Diagrammen der 2 zu erkennen ist, bestimmt der Wellenlängenverlauf λF(t) den Verlauf der Wellenlänge λR(t) im Resonator während des ersten Schaltzustands. Während der mit B bezeichneten Zeitintervalle befindet sich die Schalteinrichtung 7 im zweiten Schaltzustand. Während der Intervalle B ist somit das optische Filter 6 von dem Resonator 2 abgekoppelt. Während der Zeitintervalle B läuft der optische Resonator 2 frei, d. h. entsprechend der Umlaufzeit des Lichts im Resonator wiederholt sich der zeitliche Wellenlängeverlauf λR(t). bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dauer des Zeitintervalls A, d. h. die Dauer der Aktivierung des optischen Filters 6, gleich der Umlaufzeit des Lichts im Resonator. Während dieser Zeit wird die Wellenlänge λR im Resonator aktiv durch das Filter 6 erzwungen. Das Zeitintervall B ist fünfmal so lang wie das Zeitintervall A. D. h. das Licht läuft fünfmal frei im Resonator um, währenddessen wiederholt sich der zeitliche Frequenzverlauf λR(t). Nach fünf freien Umläufen wird das optische Filter 6 wieder aktiviert. Zum Zeitpunkt der Aktivierung ist, wie in den Diagrammen der 2 zu sehen, die momentane Wellenlänge λR im Resonator 2 gleich der momentanen Filterwellenlänge λF. Hierzu beträgt die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge λF ein ganzzahliges Vielfaches, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sechsfaches, der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator 2, und die Periodendauer der Aktivierung des optischen Filters 6 beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge λF. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Periodendauer der Aktivierung des optischen Filters gleich der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge λF. Damit die Amplitude des im Resonator 2 umlaufenden Lichts während der Zeitintervalle B gleich bleibt, muss die Verstärkung im Resonator entsprechend gewählt werden. Durch die wiederholte Aktivierung des optischen Filters 6 in den Zeitintervallen A wird die momentane Linienbreite des im Resonator 2 umlaufenden Lichts verschmälert.
  • Anhand der in der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele wird deutlich, dass durch die Erfindung die Erzeugung von Licht mit abstimmbarer Wellenlänge ermöglicht wird, und zwar mit hoher Abstimmgeschwindigkeit bei gleichzeitig schmaler Bandbreite. Dabei kommt es entscheidend darauf an, das optische Filter 6 nur zeitweise an den Resonator 2 zu koppeln, wobei die Periode der Variation der Filterwellenlänge und die Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator 2 in einem festen, d. h. ganzzahligen Verhältnis stehen.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2006/079078 A2 [0004]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - R. Huber et al. „Amplified frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles”, in der Zeitschrift Optics Express, Mai 2005, Band 13, Nr. 9 [0003]

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit abstimmbarer Wellenlänge, mit einem optischen Resonator (2), einem optischen Verstärker (3) zur Verstärkung des in dem Resonator (2) umlaufenden Lichts, und einem hinsichtlich der Filterwellenlänge (λF) abstimmbaren optischen Filter (6), gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (7), die zwei Schaltzustände aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand das optische Filter (6) aktiv ist, so dass das optische Filter (6) das in dem Resonator (2) umlaufende Licht wellenlängenselektiv filtert, und in einem zweiten Schaltzustand das optische Filter (6) inaktiv ist, so dass das Licht ohne wellenlängenselektive Filterung in dem Resonator (2) umläuft.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (10), welche das optische Filter (6) in der Weise ansteuert, dass die Filterwellenlänge (λF) periodisch variiert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) außerdem das optische Filter (6) in der Weise ansteuert, dass die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge (λF) ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator (2) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) weiterhin die Schalteinrichtung (7) ansteuert, in der Weise, dass die Schalteinrichtung (7) zeitlich synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge (λF) zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin und her geschaltet wird.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) die Schalteinrichtung (7) in der Weise ansteuert, dass die Schalteinrichtung (7) periodisch zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin und her geschaltet wird, wobei die Periodendauer des Schaltvorgangs ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge (λF) ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (A) des ersten Schaltzustands kleiner oder gleich der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator (2) ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Resonator (2) ein durch wenigstens eine optische Faser (1) gebildeter Ringresonator ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Verstärker (3) eine optisch gepumpte Verstärkerfaser ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (6) ein abstimmbares Fabry-Perot-Filter ist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (7) einen optischen Umschalter umfasst, über den das optische Filter (6) wahlweise in den optischen Resonator (2) einkoppelbar oder aus diesem auskoppelbar ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über den optischen Umschalter (7) entweder das optische Filter (6) oder ein optisches Verzögerungsglied (8) in den optischen Resonator (2) einkoppelbar ist, wobei das optische Verzögerungsglied (8) in der Weise ausgelegt ist, dass die Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator (2) in dem ersten und in dem zweiten Schaltzustand im Wesentlichen gleich ist.
  12. Verfahren zur Erzeugung von periodisch abstimmbarem Licht, wobei in einem optischen Resonator (2) umlaufendes Licht optisch verstärkt und mittels eines optischen Filters (6), dessen Filterwellenlänge (λF) periodisch variiert, gefiltert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (6) zeitlich synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge (λF) periodisch aktiviert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge (λF) ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator (2) ist und – die Periodendauer der Aktivierung des optischen Filters (6) ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge (λF) ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer (A) jeder Aktivierung des optischen Filters (6) kleiner oder gleich der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator (2) ist.
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