DE19828154A1

DE19828154A1 - Auf Multimodefasern basierende Einzelmodenverstärker und -kompressoren

Info

Publication number: DE19828154A1
Application number: DE19828154A
Authority: DE
Inventors: Martin E Dr Fermann; Donald J Dr Harter
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: JPH1174593A; JP2007221173A; JP2011055016A; JP5661088B2; JP3990034B2; US5818630A; DE19828154B4; DE19828154C5; JP2013055362A; DE19861429B4; DE19861484B4

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von Multimodefasern zur Verstärkung eines Laserlichts in einem Einzelmodenverstärkersystem.

Wie aus dem US-Patent Nr. 3,808,549 von Maurer (1974) hervor geht, werden mit Seltenen Erden dotierte Lichtwellenleiter seit langem zur Verwendung als Quellen für kohärentes Licht in Betracht gezogen, da deren Lichtführungseigenschaften den Aufbau charakteristisch einfacher Laser ermöglichen. Den frü hen Arbeiten über Lichtwellenleiter wurde allerdings wenig Interesse geschenkt, da keine Verfahren zum Erzeugen eines beugungsbegrenzten kohärenten Lichts bekannt waren. Viele ak tuelle Laseranwendungen profitieren in hohem Maße vom Vorhan densein des beugungsbegrenzten Lichts.

Erst als die Herstellung von mit Seltenen Erden dotierten Einzelmodenfasern (SM) möglich wurde, wie durch Poole u. a. in "Fabrication of Low-Loss Optical Fibres Containing Rare-Earth Ions, Optics Letter, Vol. 22, Seiten 737-738 (1985) berichtet wurde, wurde die Technologie mit durch Seltene Erden dotier ten Lichtwellenleitern ins Leben gerufen. Bei dieser Technik wird lediglich der Grundmodus des Lichtwellenleiters mit der Laserwellenlänge geführt, wodurch ein beugungsbegrenztes Aus gangssignal sichergestellt wird.

Angetrieben durch die Bedürfnisse nach einer Lichtwellenlei tertelekommunikation für SM-Lichtwellenleiterverstärker, wur den für mehr als ein Jahrzehnt alle weiteren Entwicklungen auf diesem Gebiet auf die Perfektion der SM-Faserverstärker gerichtet. Die Motivation zur Entwicklung von SM-Faserver stärkern resultierte insbesondere aus der Tatsache, daß SM-Fa serverstärker den geringsten Störgrad erzeugen und mit op tischen SM-Faserübertragungsleitungen direkt kompatibel sind. Darüber hinaus weisen SM-Faserverstärker die größten opti schen Übertragungsbandbreiten auf, da die Modendispersion aufgrund der Abwesenheit von Moden höherer Ordnung vollstän dig eliminiert ist. Im allgemeinen ist die Modendispersion der schädlichste, die Übertragungsbandbreite von Multimode- Lichtwellenleitern (MM) begrenzende Effekt, da die Moden hö herer Ordnung im allgemeinen verschiedene Ausbreitungskon stanten aufweisen.

Allerdings ist die Verwendung von SM-Lichtwellenleitern bei der Verstärkung kurzer optischer Impulse nachteilig, da die Sättigungsenergie des Lichtwellenleiters und damit die ver fügbare Impulsenergie durch die begrenzte Kernfläche be schränkt wird. Die Sättigungsenergie eines Laserverstärkers kann ausgedrückt werden als

wobei h die Plancksche Konstante kennzeichnet, ν die optische Frequenz, (σ den Querschnitt der stimulierten Emission und A die Kernfläche. Die bisher größte durch einen SM-Lichtwellen leiter erzeugte Impulsenergie beträgt ungefähr 160 µJ (offenbart durch Taverner u. a. in Optics Letters, Vol. 22, Seiten 378-380 (1997)) und wurde durch eine Erbium-dotierte SM-Faser mit einem Kerndurchmesser von 15 µm erzielt, was un gefähr den größten mit der SM-Ausbreitung bei 1,55 µm ver träglichen Kerndurchmesser darstellt. Dieses Ergebnis wurde bei einer numerischen Faserapertur NA ≈ 0,07 erhalten. Jede weitere Erhöhung des Kerndurchmessers erfordert eine weitere Verringerung der NA der Faser und führt zu einer inakzeptabel höheren Empfindlichkeit gegenüber Krümmungsverlusten.

Als Alternative zu SM-Verstärkern wurde eine Verstärkung in Multimode-(MM)-Lichtwellenleitern in Betracht gezogen. Siehe beispielsweise "Chirped-pulse amplification of ultrashort pulses with a multimode Tm : ZBLAN fiber upconversion ampli fier" von Yang u. a., Optics Letters, Vol. 20, Seiten 1044-1046 (1995). Im allgemeinen führten jedoch Verstärkungsexpe rimente in MM-Lichtwellenleitern zu nichtbeugungsbegrenzten Ausgangssignalen und auch zu einer inakzeptablen Impulsver breiterung aufgrund der Modendispersion, da die Einkopplungs bedingungen in den MM-Lichtwellenleiter und die Modenkopplung in der MM-Faser nicht gesteuert wurden.

Vor kurzem wurde von Griebner u. a. in "Efficient laser opera tion with nearly diffraction-limited output from a diode pumped heavily Nd-doped multimode fiber", Optics Letters, Vol. 21, Seiten 266-268 (1996) vorgeschlagen, daß ein nahezu beugungsbegrenzter Ausgangsstrahl eines MM-Faserlasers erhal ten werden kann, wenn eine Faserlänge von weniger als 15 mm beibehalten und ein maximaler Rückkopplungsgrad für den Grundmodus des Lichtwellenleiters selektiv bereitgestellt wird. Bei dieser Technik stellt allerdings die starke Moden kopplung ein Problem dar, da die eingesetzten MM-Fasern eini ge 10000 Moden unterstützten. Darüber hinaus wurde zur Moden selektion lediglich ein Luftspalt zwischen der Endfläche der MM-Faser und einem Laserspiegel vorgeschlagen. Dadurch ergab sich lediglich eine sehr schwache Modendiskriminierung, was zu einer schlechten Strahlqualität führte.

In dem US-Patent Nr. 5,187,759 von DiGiovanni u. a. wurde vor geschlagen, durch selektives Anregen aller aktiven Ionen in der Nähe der Mitte des Faserkerns oder durch Einschließen der aktiven Ionen in der Mitte des Faserkerns die verstärkte spontane Emission (ASE) in einer MM-Faser zu reduzieren. Da die Überlappung der Moden mit niedriger Ordnung in einem MM- Lichtwellenleiter bei aktiven Ionen in der Nähe der Mitte des Faserkerns am größten ist, wird jede ASE dann ebenfalls vor wiegend in Moden niedriger Ordnung der MM-Faser erzeugt. Als Resultat kann die Gesamtmenge der ASE in der MM-Faser stark verringert werden, da keine ASE in Moden hoher Ordnung auf tritt. Allerdings beschrieb DiGiovanni die Dotierstoffbegren zung lediglich hinsichtlich der ASE-Verringerung. DiGiovanni hat nicht vorgeschlagen, die Strahlqualität des Grundmodus der MM-Faser beim Vorhandensein einer Modenstreuung unter SM- Anregung durch eine Dotierstoffbegrenzung zu verbessern. Dar über hinaus wurde bei dem System von DiGiovanni nicht die Tatsache berücksichtigt, daß ein Grundmodus in einer MM-Faser durch eine mittels einer Dotierstoffbegrenzung induzierte Ge winnführung wirksam geführt werden kann. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der ASE in MM-Fasern und ermöglicht auch einen SM-Betrieb.

Das System von DiGiovanni u. a. ist aber nicht sehr praktisch, da es eine MM-Signalquelle in Betracht zieht, was zu einem nichtbeugungsbegrenzten Ausgangsstrahl führt. Darüber hinaus wurde für die dotierte Faser lediglich ein einzelner Mantel in Betracht gezogen, was beim Versuch des Koppelns von Hochleistungshalbleiterlasern in die Lichtwellenleiter nach teilig ist. Zur Kopplung von Hochleistungshalbleiterlasern in MM-Fasern kann ein Doppelmantelaufbau vorteilhaft sein, wie er in dem vorgenannten Patent von Maurer vorgeschlagen wird.

Nach Kenntnis der Erfinder wurde bisher keine Gewinnführung in Lichtwellenleitern eingesetzt. Andererseits ist die Ge winnführung in üblichen Halbleitern und Festkörperlasern be kannt. Siehe beispielsweise "Alexandrite-Laser-pumped Cr³⁺ : LiSrAIF₆" von Harter u. a., Optics Letters, Vol. 17, Sei ten 1512-1514 (1992). Die Gewinnführung in SM-Fasern ist aber aufgrund der starken Begrenzung des Grundmodus durch die Wel lenleiterstruktur irrelevant. In MM-Lichtwellenleitern wird allerdings die Begrenzung des Grundmodus durch die Wellenlei terstruktur vergleichsweise schwächer, wodurch ein Einsetzen der Gewinnführung ermöglicht wird. Da sich in einer MM-Faser eine größere Kerngröße ergibt, neigt die Lichtausbreitung in der Faserstruktur zu einer Annäherung an die Freiraumausbrei tung. Somit kann eine bedeutende Gewinnführung erwartet wer den, unter der Voraussetzung, daß eine ausreichend kleine Mo denkopplung bereitgestellt werden kann.

Zusätzlich zur Bereitstellung hoher Impulsenergien können MM- Lichtwellenleiterverstärker aufgrund ihres im Vergleich zu SM-Faserverstärkern erhöhten Faserquerschnitts auch zur Ver stärkung von Impulsen mit sehr hoher Spitzenleistung herange zogen werden. Undotierte MM-Fasern und MM-Verstärkerfasern können auch zur Impulskompression verwendet werden, wie kürz lich durch Fermann u. a. in der US-Anmeldung Nr. 08/789,995 (eingereicht am 28. Januar 1997) offenbart wurde. Diese Ar beit war jedoch auf die Verwendung von MM-Fasern als Solito nen-Kaman-Kompressoren in Verbindung mit einem nichtlinearen Spektralfilterungsvorgang zum Reinigen des Spektralprofils beschränkt, was zu einer Beschränkung des Gesamtwirkungsgrads des Systems führen kann.

Im Vergleich zu einer Impulskompression in SM-Fasern, wie die beispielsweise in dem US-Patent Nr. 4,913,520 von Kafka u. a. offenbarte, sind in MM-Fasern aufgrund der erhöhten Modengrö- ße der Faser höhere Impulsenergien erzielbar. Insbesondere V-Werte größer als 2,5 und relativ hohe Indexunterschiede zwi schen Kern und Mantel (d. h. ein Δn < 0,3%) können wirksam eingesetzt werden. In "Generation of high-energy 10-fs pulses by a new pulse compression technique", Conference on Lasers and Electro-Optics, CLEO 91, paper CTuK5, Optical Society of America Technical Digest Series, #9, Seiten 189-190 (1996) wurde von M. Nisoli u. a. die Verwendung von Hohlkernfasern zur Impulskompression vorgeschlagen, da Hohlkernfasern eine Erhöhung der Modengröße des Grundmodus ermöglichen. Hohlkern fasern weisen jedoch einen Eigenübertragungsverlust auf, müs sen mit einem Gas gefüllt werden, und müssen geradlinig bei behalten werden, um Übertragungsverluste zu minimieren, wo durch sie zu einem hohen Maße unpraktisch werden.

Als Alternative zum Erhalten von Hochleistungsimpulsen kann eine gechirpte Impulsverstärkung mit gechirpten Faser-Bragg- Gittern eingesetzt werden, wie in dem US-Patent Nr. 5,499,134 von Galvanauskas u. a. (1996) offenbart ist. Eine der Be schränkungen dieser Technik liegt darin, daß bei dem Kompres sionsgitter eine SM-Faser mit einer beschränkten Kernfläche eingesetzt wird. Höhere Impulsenergien konnten durch Verwen dung von gechirpten Faser-Bragg-Gittern in MM-Fasern mit ver ringerter Modenkopplung zur Impulskompression erzielt werden. In der Tat wurden ungechirpte Faser-Bragg-Gitter in Doppelmo denfasern vor kurzem durch Strasser u. a. in "Reflective-mode conversion with UV-induced phase gratings in two-mode fiber", Optical Society of America Conference on Optical Fiber Commu nication, OFC97, Seiten 348-349, (1997) demonstriert. Diese Gitter waren jedoch markiert, um deren Verwendung als Moden wandler zu ermöglichen, d. h. den Grundmodus an einen Modus höherer Ordnung zu koppeln. Die Verwendung von Bragg-Gittern bei der Impulskompression erfordert ein unmarkiertes Gitter, um die Anregung von Moden höherer Ordnung bei der Reflektion zu minimieren.

Es ist bekannt, daß ein SM-Signal in eine MM-Faserstruktur eingekoppelt und für Ausbreitungslängen von Hunderten von Me tern beibehalten werden kann. Siehe beispielsweise "Pulse Dispersion for Single-Mode Operation of Multimode Cladded Op tical Fibers", Gambling u. a., Electron. Lett., Vol. 10, Sei ten 148-149, (1974) und "Mode conversion coefficients in op tical fibers", Gambling u. a., Applied Optics, Vol. 14, Seiten 1538-1542, (1975). Allerdings konnten Gambling u. a. niedrige Modenkopplungsgrade lediglich in Flüssigkernfasern feststel len. Dagegen wurde in MM-Festkernfasern eine starke Moden kopplung festgestellt, was eine Ausbreitung eines Grundmodus lediglich in Millimeterfaserlängen ermöglicht. Tatsächlich verwendete Gambling u. a. Festkernlichtwellenleiter, die unge fähr 10000 oder mehr Moden unterstützten, wie bei der Arbeit von Griebner u. a.

Im Rahmen einer Arbeit auf dem gleichen Gebiet offenbarte Gloge in "Optical Power Flow in Multimode Fibers", The Bell System Technical Journal, Vol. 51, Seiten 1767-1783, (1972) die Verwendung von MM-Fasern, die lediglich 700 Moden unter stützten, wobei die Modenkopplung ausreichend verringert wur de, um eine SM-Ausbreitung über Faserlängen von 10 cm zu er möglichen.

Gloge zeigte allerdings nicht, daß die Modenkopplung durch Betreiben der MM-Fasern mit langen Wellenlängen (1,55 µm) und durch Verringern der Gesamtmodenzahl auf weniger als 700 ver ringert werden kann. Auch die Verwendung von MM-Fasern als Verstärker und die Verwendung der nichtlinearen Eigenschaften von MM-Fasern wurden in dieser Arbeit nicht berücksichtigt.

Den Erfindern ist kein Stand der Technik bekannt, bei dem MM-Fasern zum Verstärken von SM-Signalen verwendet werden, wobei das Ausgangssignal in erster Linie im Grundmodus verbleibt, mit dem Hauptgrund, daß die Verstärkung in MM-Fasern typi scherweise nicht für eine im optischen Telekommunikationsbe reich eingesetzte Langstreckensignalausbreitung geeignet ist. Den Erfindern ist auch kein auf die Impulskompression in Mul timodefasern bezogener Stand der Technik bekannt, bei dem die Ausgabe im Grundmodus verbleibt.

Alle vorgenannten Artikel, Patente und Patentanmeldungen wer den hiermit als Bezug aufgenommen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Energiespei cherpotential in einem Lichtwellenleiterverstärker zu erhöhen und Spitzenleistungen und Impulsenergien zu erzeugen, die hö her sind als die in Einzelmodenfasern (SM) vor dem Einsetzen unerwünschter Nichtlinearitäten und einer Verstärkungssätti gung erreichbaren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt im Er zielen einer Verstärkung des Grundmodus innerhalb einer Mul timodefaser (MM) unter Verringerung der verstärkten spontanen Emission (ASE).

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung einer Gewinnführung innerhalb einer MM-Faser zur Verbesserung der Stabilität des Grundmodus.

Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Kompression von Hochspitzenleistungsimpulsen in den Be reich von wenigen Pikosekunden bis zu einer Femtosekunde un ter Beibehaltung einer nahezu beugungsbegrenzten Ausgabe.

Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst durch ein optisches Verstärkungssystem gemäß Patentanspruch 1.

Erfindungsgemäß wird ein Multimodelichtwellenleiter (MM-Licht wellenleiter) in einem optischen Verstärkungssystem ver wendet. Erfindungsgemäß wird durch MM-Lichtwellenleiter, d. h. Fasern mit einem V-Wert größer als ungefähr 2,5, eine Ausgabe im Grundmodus bereitgestellt. Dies ermöglicht die Erzeugung wesentlich höherer Spitzenleistungen und Impulsenergien im Vergleich zu SM-Fasern vor dem Einsetzen unerwünschter Nicht linearitäten und einer Verstärkungssättigung. Der vergrößerte Faserquerschnitt führt gleichermaßen zu einer starken Erhö hung des Energiespeicherpotentials in einem optischen Faser verstärker. Das erfindungsgemäße Verstärkungssystem ist für Anwendungen geeignet, die ultraschnelle und Hochleistungsim pulsquellen erfordern.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung befindet sich das Verstärkungsmedium in der Mitte der MM-Faser, so daß der Grundmodus bevorzugt verstärkt und die spontane Emission ver ringert wird. Darüber hinaus wird die Verstärkungsbegrenzung zur Stabilisierung des Grundmodus durch Gewinnführung in ei ner Faser mit großem Querschnitt eingesetzt.

Nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ermöglicht die Ausnutzung einer Selbstphasenmodulation und anderer Nichtlinearitäten in (mit Seltenen Erden) dotierten oder undotierten MM-Fasern eine Kompression von Impulsen mit hoher Spitzenleistung in den Bereich von einigen Femtosekunden, wo bei ein nahezu beugungsbegrenztes Ausgangssignal beibehalten wird.

Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die Leistungsgrenzwerte für eine lineare Impulskom pression optischer Hochleistungsimpulse durch Einschreiben gechirpter Faser-Bragg-Gitter in MM-Lichtwellenleiter mit verringerter Modenkopplung stark angehoben. Weiterhin ist ein Pumpen mit relativ großflächigen Hochleistungshalbleiterla sern durch Einsetzen von Doppelmantel-MM-Faserverstärkern möglich.

Nach einem noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel wird eine Daueranregung (cw lasing) in einem nahezu beugungsbegrenzten Einzelmodus in (mit Seltenen Erden) do tierten MM-Lichtwellenleitern durch Integration effizienter Modenfilter ermöglicht.

Nach einem noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel ermöglichen MM-Lichtwellenleiter einen Aufbau regenera tiver Lichtwellenleiterverstärker und Hochleistungs-Q-Schalt laser. Darüber hinaus ermöglichen MM-Lichtwellenleiter den Entwurf von mantelgepumpten Faserlasern unter Verwendung von Dotiermitteln mit relativ schwachen Absorptionsquerschnitten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserver stärkersystems nach einem ersten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 2 einen Kurvenverlauf des Koppelwirkungsgrads einer Mul timodeverstärkerfaser in eine Modenfilterfaser als Funktion des Krümmungsradius der Multimodeverstärkerfaser,

Fig. 3 einen Kurvenverlauf der Autokorrelation der verstärk ten Impulse einer Multimodeverstärkerfaser bei einer Messung unter optimalen Modenanpaßbedingungen,

Fig. 4 einen Kurvenverlauf der Autokorrelation der verstärk ten Impulse einer Multimodeverstärkerfaser bei der Messung unter nichtoptimalen Modenanpaßbedingungen,

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersy stems nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel,

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersy stems nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel, wobei ein Impulskompressor am Ausgang der Multimodefa ser angeordnet ist,

Fig. 7 einen diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserver stärkersystems nach einem vierten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel,

Fig. 8 eine konzeptionelle Zeichnung eines Faserquerschnitts mit einem dotierten Multimodefaserkern und einem undotierten Fasermantel nach einem fünften erfindungsgemäßen Ausführungs beispiel,

Fig. 9 eine diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserver stärkersystems nach einem sechsten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel, wobei ein regenerativer Faserverstärker aus einem Multimodefaserverstärker aufgebaut ist,

Fig. 10 eine diagrammartige Ansicht eines Multimodefaserver stärkersystems nach einem siebten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel, wobei eine Q-geschaltete MM-Faserlaserquelle aufgebaut ist,

Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersy stems nach einem achten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel, wobei ein Vorverstärker vor der Multimodefaser einge fügt ist, und

Fig. 12 ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstärkersy stems nach einem neunten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, wobei ein Frequenzumsetzer am Ausgang der Multimodefa ser angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt ein Verstärkersystem nach einem ersten erfin dungsgemäßen Ausführungsbeispiel. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ist ein Femtosekundeneinzelmoden-(SM)-Faseroszilla tor 10, wie beispielsweise ein Erbiumfaseroszillator, in ei nen Multimode-(MM)-Faserverstärker 12, wie beispielsweise ein Erbium/Ytterbium-Faserverstärker, eingekoppelt. Weitere Bei spiele für geeignete MM-Faserverstärker umfassen solche, die mit Er-, Yb-, Nd-, Tm-, Pr- oder Ho-Ionen dotiert sind. Ge eignete Oszillatoren zur Verwendung in diesem System sind in der vorgenannten US-Patentanmeldung Nr. 08/789, 995 von Fer mann u. a. beschrieben.

Ein Zweilinsenteleskop 14 (L1 und L2) wird zur Anpassung des Modus des Oszillators 10 an den Grundmodus des MM-Verstärkers 12 verwendet. Darüber hinaus wird das Ausgangssignal der ge pumpten MM-Faser 12 unter Verwendung von Linsen L3 und L4 in eine zweite SM-Faser (Modenfilterfaser (MF-Faser) 16 in Fig. 1) abgebildet. Die Linsen L3 und L5 und ein Strahlteiler 18 werden zum Koppeln des Pumplichts von der Pumpquelle 20 in die Verstärkerfaser gemäß nachstehender Beschreibung verwen det.

In einem gemäß Fig. 1 aufgebauten Beispiel des Systems lie fert der Oszillator 10 nahezu bandbreitenbegrenzte Impulse mit 300 fs und einer Wiederholrate von 100 MHz bei einer Wel lenlänge von 1,56 µm und einem Leistungspegel von 14 mW.

Bei der Verstärkerfaser 12 kann es sich beispielsweise um ei nen Doppelmantel-MM-Erbium/Ytterbium-Verstärker mit einem Kerndurchmesser von ≈ 28 µm und einer Numerischen Apertur des Kerns von NA = 0,19 handeln. Bei diesem Beispiel weist der innere Mantel einen Durchmesser von ≈ 220 µm und eine Numeri sche Apertur NA = 0,24 auf. Der Kern befindet sich in der Mitte des inneren Mantels. Die Länge des Verstärkers beträgt 1,10 m.

Zur Erhöhung der Anzahl der sich in dem MM-Verstärker 12 aus breitenden Moden und zu Testzwecken wurden auch kürzere Wel lenlängen wie 780 und 633 nm verwendet. Dabei können eine bei 780 nm betriebene Femtosekundenlaserquelle und eine Dauerla serquelle mit 633 nm an die MM-Verstärkerfaser 12 angekoppelt werden. Die MF-Faser 16 kann dann durch eine Faser mit einem Kerndurchmesser von 4 µm ersetzt werden, um bei diesen beiden Wellenlängen einen SM-Betrieb sicherzustellen.

Die annähernde Zahl von Moden in dem MM-Verstärker kann an hand seines V-Werts berechnet werden.

wobei a den Kernradius und λ die Signalwellenlänge kennzeich nen. Der V-Wert beträgt bei 1,55 µm somit V ≈ 10,8, und die Modenanzahl wird daher für das vorgenannte Beispiel als ≈ 58 berechnet. Eine Faser wird typischerweise als MM betrachtet, wenn der V-Wert 2,41 überschreitet, d. h. wenn zusätzlich zu dem Grundmodus weitere Moden in dem Lichtwellenleiter aus breitungsfähig sind.

Für eine gleiche Anregung von N Moden in, einer N Moden unter stützenden MM-Faser ergibt sich der maximale Koppelwirkungs grad in eine SM-Faser ungefähr aus

η ≈ (θ₀/θ_max)² ≈ 1/N, (2)

wobei θ₀ ≈ X/4a den Divergenzhalbwinkel des Grundmodus der MM-Faser darstellt. θ_max kennzeichnet den maximalen Divergenz halbwinkel der äußersten Moden der MM-Faser. Es wird angenom men, daß das Ausgangssignal der MM-Faser linear polarisiert ist, was eine geeignete Annahme für die Anregung der Moden niedrigster Ordnung der Faser darstellt. Unter einer SM-An regung der MM-Faser und in Abwesenheit einer Modenkopplung gilt θ_max(z) = θ₀ unabhängig von der Faserlänge. Beim Vorhan densein einer Modenkopplung steigt θ_max allerdings an, und der mögliche Koppelwirkungsgrad vom Ausgang der MM-Faser in eine SM-Faser wird daher verringert, da η(z) = (θ₀/θ_max(z))². Unter Verwendung der vorgenannten Arbeit von Gloge, kann η(z) aus gedrückt werden als:

wobei D den durch Gloge definierten Modenkoppelkoeffizienten kennzeichnet. Somit kann der Modenkoppelkoeffizient D anhand einer Messung von η(z) bestimmt werden. In gleicher Weise kann die geschätzte Anzahl angeregter Moden einer MM-Faser anhand der Gleichung (2) durch Messung von η bestimmt werden. Es ist aufschlußreich, N auf den typischerweise zur Charakte risierung der Qualität nahezu beugungsbegrenzter optischer Strahlen verwendeten M²-Wert zu beziehen. Es kann gezeigt werden, daß N ≈ √M₂. Erfindungsgemäß ist ein geringer Moden kopplungsgrad wünschenswert, so daß sich der am Ausgang des MM-Faserverstärkers 12 bereitgestellte verstärkte Strahl im wesentlichen im Grundmodus befindet. Dementsprechend ist ein M²-Wert kleiner als 10 wünschenswert, wobei ein M²-Wert klei ner als 4 bevorzugt, und ein M²-Wert kleiner als 2 noch be vorzugter ist. Weiterhin liegt die Modenanzahl vorzugsweise im Bereich von 3 bis 3000 und noch bevorzugter im Bereich von 3 bis 1000.

Für das vorstehend beschriebene Erbium/Ytterbium-Filter (Faser 1) und drei im Handel erhältliche MM-Fasern (Faser 2, 3 und 4) wurde die Modenkopplung in einer Länge von 1,1 m ei ner ungepumpten Verstärkerfaser gemessen. Die Faserparameter und der Modenkoppelkoeffizient D (in m^-1) dieser Fasern sind in der Tabelle 1 dargestellt. Die Fasern 1, 3 und 4 sind durch einen MCVD-Prozeß hergestellt; die Faser 2 durch eine Stab-in-Rohr-Technik.

Tabelle 1

Anhand der Koppelkoeffizienten kann der erwartete M²-Wert di rekt berechnet werden. Bei diesem Beispiel wurden die berech neten M²-Werte nach der Ausbreitung durch 1 m der MM-Faser 12 erzeugt. Für die Faser 1 wurde eine gute Übereinstimmung zwi schen den berechneten und getrennt gemessenen M²-Werten er zielt.

Die Interferenzlänge L_b zwischen dem Grundmodus LP₀₁ und dem nächsthöheren LP₁₁-Modus ist ebenfalls in der Tabelle 1 ange geben. Die Interferenzlänge L_b ist definiert als die Länge, die für die beiden Moden erforderlich ist, um eine differen tielle Phasenverschiebung von 2π entlang der Ausbreitungs richtung anzusammeln. Unter der Annahme eines konstanten Streuleistungsspektrums kann D für eine feste Wellenlänge als proportional zu L⁴ _b nachgewiesen werden.

Siehe: D. Marcuse "The Theory of Dielectric Optical Wavegui des", Seite 238, Academic Press (1974); Gloge. Je länger die Interferenzlänge ist, desto näher befinden sich die Moden an einem phasenangepaßten Zustand und desto mehr Leistung wird als Funktion der Länge gekoppelt. Da die Modenkopplung gemäß der Offenbarung durch Gloge als am höchsten zwischen benach barten Moden angenommen wird, ist es wünschenswert, kürzest mögliche LP₀₁/LP₁₁-Interferenzlängen einzusetzen, um eine Mo denkopplung zu vermeiden.

Im allgemeinen können hohe Modenkopplungsgrade bei Fasern mit hohem Streuverlust erwartet werden. Dies läßt die Möglichkeit geringer Modenkoppelkoeffizienten bei langen Wellenlängen in Fasern mit geringem Streuverlust erwarten. Wie aus der Tabel le 1 hervorgeht, tritt in der Faser 1 eine dramatische Ver ringerung der Modenkopplung bei erhöhter Wellenlänge auf. Ein akzeptabler Modenkopplungsgrad wird in der Faser 1 bis zu Wellenlängen mit einer Kürze von 790 nm erreicht. Da die Mo denanzahl eines Lichtwellenleiters lediglich von dem Verhält nis a/λ abhängig ist, sind durch eine Faser ähnlich der Faser 1 mit einem Kerndurchmesser der Größe von 56 µm bei einer Länge von 1 m akzeptable Modenkopplungsgrade herstellbar. Aufgrund der verringerten Streuung bei längeren Wellenlängen sind bei längeren Wellenlängen noch größere Kerndurchmesser akzeptierbar. Beispielsweise kann eine MM-Faser mit einem Kerndurchmesser von 60 µm Impulse mit einer Spitzenleistung des 16-fachen der mit den durch Taverner u. a. beschriebenen SM-Verstärkern möglichen Spitzenleistungen verstärken. In der Tat wurden akzeptable Modenkopplungsgrade für eine speziell entworfene Faser mit einem Kerndurchmesser von 50 µm erhal ten, wie aus der Tabelle 1 hervorgeht und nachfolgend erläu tert wird.

Weiterhin ist ersichtlich, daß Stufenindex-MM-Fasern zur Mi nimierung der Modenkopplung geeigneter sind als Gradientenin dex-MM-Fasern, da die Ausbreitungskonstanten in Gradientenin dexfaser sehr ähnlich sind, was zu einer erhöhten Empfind lichkeit hinsichtlich der Modenkopplung führt. Zur Minimie rung der Modenkopplung wird der Unterschied zwischen den Aus breitungskonstanten zwischen Fasermoden vorzugsweise maxi miert.

Die Faser 2 wurde durch eine Stab-in-Rohr-Technik herge stellt, wobei im Vergleich zu den MCVD-gewachsenen Fasern 1, 3 und 4 hohe Eigenstreuverluste zu wesentlich höheren Moden koppelkoeffizienten führen. Darüber hinaus ähneln die in der Faser 2 gemessenen Modenkoppelkoeffizienten den von Gambling u. a. und Griebner u. a. erhaltenen Ergebnissen, die ebenfalls durch Stab-in-Rohr-Techniken hergestellte Stufenindex-Fest kernfasern verwendeten. Folglich kann eine verringerte Modenkopplung bei direkt gewachsenen MM-Fasern unter Verwen dung von beispielsweise MCVD-, OVD-, PCVD- oder VAD-Faser herstelltechniken erwartet werden.

Wie in der Tabelle 1 gezeigt ist, sind die in der Faser 4 bei 1,55 µm erhaltenen Modenkoppelkoeffizienten ungefähr um einen Faktor 11 kleiner als in der Faser 3. Dieser Unterschied er gibt sich aus der Tatsache, daß der äußere Durchmesser der Faser 4 250 µm beträgt, wogegen der äußere Durchmesser der Faser 3 125 µm beträgt. Im allgemeinen weist eine dickere Fa ser eine höhere Steifigkeit und eine geringere Empfindlich keit gegenüber einer durch Krümmungen und Mikrokrümmungen in duzierten Modenkopplung auf, wie aus der Tabelle 1 hervor geht.

In von den Erfindern vorgenommenen Experimenten wurden die geringsten Modenkoppelkoeffizienten durch longitudinales Deh nen der Lichtwellenleiter erzielt. Beispielsweise wurden die Modenstreukoeffizienten der Faser 2 und 3 gemessen, wobei die Faser unter Spannung gehalten wurde und wobei die Faser ge radlinig gehalten wurde. Die Spannungsanwendung bei kurzen Faserlängen kann zum Erzielen einer bestmöglichen Modenquali tät zweckmäßig sein.

Die Modenkopplung wurde auch bei einem Aufbau gemessen, in dem die Verstärkerfaser (Faser 1) gepumpt wurde, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Im einzelnen wurde der Verstärker mit einer Wellenlänge von 980 nm bezüglich dem Signal entgegengerichtet gepumpt, wobei das Signal eine Ankoppelleistung von bis zu 3 W aus einem Breitstreifenhalbleiterlaser mit einem aktiven Bereich von 1 × 500 µm aufwies, und wobei eine Verkleinerung zur Optimierung der Leistungseinkopplung in den inneren Man tel der MM-Verstärkerfaser eingesetzt wurde. Der Verstärker wurde mit einem Winkel von ungefähr 8° gespalten, um eine Störrückkopplung zu vermeiden. Eine Signalleistung von bis zu 100 mW bei 1,56 µm wurde dann aus dem Verstärkersystem extra hiert.

Der Koppelwirkungsgrad der MM-Verstärkerfaser 12 in die MF-Faser 16 ist in Fig. 2 als Funktion des Krümmungsradius der MM-Verstärkerfaser 12 dargestellt. Für eine geradlinige MM- Verstärkerfaser und für einen Krümmungsradius von 10 cm wird ein Koppelwirkungsgrad in die MF-Faser 16 von bis zu 94% er zielt, woraus sich ergibt, daß die Modenkopplung in der MM- Verstärkerfaser 12 nahezu vollständig unterdrückt ist und daß in solchen Fasern ein SM tatsächlich über Längen von einigen Metern ausbreitungsfähig ist. Selbst bei einem Krümmungsradi us von 5 cm ist kein deutliches Einsetzen der Modenkopplung erkennbar, da selbst in diesem Fall ein Koppelwirkungsgrad von ungefähr 90% von der MM-Verstärkerfaser 12 in die MF- Faser 16 erzielt wird.

Da die gemessenen Koppelwirkungsgrade von dem MM-Verstärker 12 in eine SM-Faser im ungepumpten und gepumpten Zustand na hezu miteinander übereinstimmen, ist ersichtlich, daß die Ge winnführung in dieser speziellen Verstärkerfaser relativ schwach ist. Diese Beobachtung wurde auch durch bin einfaches Computermodell (siehe unten) bestätigt. Jede Dotiermittelbe grenzung in der Mitte des MM-Verstärkerkerns führt jedoch in klarer Weise vorherrschend zu einer Verstärkung des Grundmo dus. Jedes in Moden höherer Ordnung gestreute Licht erfährt eine geringere Verstärkung, wobei auch geringe Pegel gestreu ten Lichts in Moden höherer Ordnung aufgrund der verringerten Intensitätsüberlappung der Moden höherer Ordnung mit dem Grundmodus nicht zu einer Sättigung der Verstärkung des Grundmodus führen. Somit spielt die Gewinnführung in einem erfindungsgemäßen MM-Verstärkersystem im allgemeinen eine Rolle, obwohl die Modenstreukoeffizienten in dem vorstehend beschriebenen experimentellen Beispiel so gering waren, daß keine durch die Gewinnführung hervorgerufenen Wirkungen of fensichtlich waren. Darüber hinaus wird durch das vorgenannte Computermodell das Einsetzen der Gewinnführung des Grundmodus in MM-Fasern mit größerem Kerndurchmesser und/oder verringer ter Brechungsindexdifferenz zwischen dem Kern und dem Mantel vorausgesagt.

Mit steigendem Modenquerschnitt kann die Größe der SM anhand des Verstärkungsprofils bei Kleinsignalbedingungen, d. h. ohne Verstärkungssättigung, bestimmt werden. Dies ermöglicht eine längenabhängige Modengröße. Der Modus wird anfänglich unter Kleinsignalbedingungen durch die Gewinnführung begrenzt. Mit Eintreten der Verstärkungssättigung wird die Gewinnführung weniger relevant und die Modengröße kann ansteigen, wobei sie gegebenenfalls durch den Kern der MM-Faser begrenzt wird. Ei ne längenabhängige Modengröße kann auch durch Einsetzen einer sich entlang der Faserlänge verjüngenden Kerngröße erzielt werden. Dies kann beispielsweise durch Verjüngen des Außenfa serdurchmessers entlang der Faserlänge erzielt werden.

Beim Vorhandensein der Gewinnführung ist die verstärkte spon tane Emission (ASE) verringert, da die MM-Faser im wesentli chen zur SM wird. Beim Vorhandensein der Gewinnführung wird auch die ASE, anstelle aller möglicher Moden der MM-Faser, vorherrschend im Grundmodus geführt, was zu einer Verbesse rung der Störeigenschaften der MM-Faser führt.

In gleicher Weise wurde bei dem experimentellen Beispiel be obachtet, daß die Dotiermittelbegrenzung zu einer deutlichen Verringerung des Niveaus der verstärkten spontanen Emission (ASE) in der Faser führt. Dies wurde durch Messen des Koppel wirkungsgrads der ASE von dem MM-Verstärker 12 in die MF- Faser 16 bestätigt. In diesem Fall wurde kein Signallicht in die MM-Verstärkerfaser 12 eingekoppelt. Für einen ASE- Leistungspegel von 1 mW wurde ein Koppelwirkungsgrad von mehr als 15% gemessen. Aus einem Vergleich mit der Gleichung (2) geht hervor, daß die ASE im wesentlichen in ungefähr 13 Moden niedriger Ordnung erzeugt wird (wobei hier ein Faktor von 2 aus der Polarisationsdegeneration berücksichtigt wird), d. h. die ASE wird lediglich in ungefähr 20% des Gesamtmodenvolu mens der Verstärkerfaser erzeugt. Die beobachtete starke Ver ringerung der ASE führt nicht nur zur einer Verringerung des Störpegels in dem Verstärker; niedrige ASE-Pegel ermöglichen auch eine Verringerung der zur Sättigung des Verstärkers er forderlichen Signalleistung. Zur Extrahierung der höchsten Energie aus einer Oszillatorverstärkersignalimpulsquelle ist im allgemeinen ein Betrieb des Verstärkers in der Sättigung bevorzugt.

Beim Einbringen geringer mechanischer Störungen in den Licht wellenleiter wurde keine Änderung des Koppelwirkungsgrads von der MM-Verstärker-Faser 12 in die MF-Faser 16 bei 1,55 µm und bei 780 nm festgestellt. In einem praktischen optischen Sy stem sind die eingebrachten mechanischen Störungen im Ver gleich zu den durch einen Krümmungsradius von 5 cm hervorge rufenen Störungen gering, wodurch angedeutet wird, daß in solchen Fasern eine Langzeitstabilität des Modenausbreitungs musters erzielt werden kann.

Der MM-Verstärker 12 ist für Krümmungsradien von lediglich 10 cm polarisationsbeständig. Zum Erzielen eines hohen Grads an Polarisationsbeständigkeit können in solchen Fasern ellipti sche Faserkerne oder thermische Spannungen eingesetzt werden.

Die unter der Bedingung optimaler Modenanpassung und einer Bedingung nichtoptimaler Modenanpassung gemessene Autokorre lation der verstärkten Impulse der MM-Verstärkerfaser 12 (Krümmungsradius = 10 cm) ist jeweils in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Unter nichtoptimaler Modenanpassung zeigt die Autokorrelation aufgrund der Anregung von Moden höherer Ord nung mit anderen Ausbreitungskonstanten einige Spitzen. Unter optimalen Modenanpaßbedingungen werden jedoch alle Sekundär spitzen auf weniger als 1% unterdrückt, wodurch die hohe Qua lität der aus der MM-Verstärkerfaser austretenden Impulse an gedeutet wird.

Im allgemeinen ist das Spektrum der am Ausgang der MM-Ver stärkerfaser 12 gemessenen Impulse in kritischerer Weise abhängig von den Koppelbedingungen als von der Autokorrelati on. Der Grund dafür liegt darin, daß die Spektralmessung hin sichtlich der Phase zwischen dem Grundmodus und den Moden hö herer Ordnung empfindlich ist, d. h. ein Energieinhalt der Mo den höherer Ordnung von lediglich 1% in dem Ausgangssignal der MM-Faser führt zu einer Störung der Form des Spektrums um 10%.

Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstär kersystems nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungs beispiel. Das System enthält einen nahezu beugungsbegrenzten Eingangsstrahl, einen Modenwandler 50 und einen MM-Fa serverstärker 52. Der nahezu beugungsbegrenzte Eingangs strahl kann durch jedes Lasersystem erzeugt werden, wobei es sich um keinen Faserlaser handeln muß. Der nahezu beugungsbe grenzte Eingangsstrahl kann eine Dauer- oder gepulste Strah lung enthalten. Der Modenwandler 50 kann aus jeder Art eines optischen Abbildungssystem zum Anpassen des Modus des MM- Verstärkers 52 bestehen. Beispielsweise kann ein Linsensystem eingesetzt werden. Alternativ kann ein Abschnitt aus einer konischen Faser eingesetzt werden, so daß der Ausgangsmodus am Ende der konischen Faser an den Modus der MM-Verstärker faser 52 angepaßt ist. In diesem Fall kann der Modenwandler direkt mit der MM-Faser 52 zusammengespleißt sein, wodurch ein sehr kompakter Aufbau hergestellt werden kann. Jeder Pumpaufbau kann für die MM-Verstärkerfaser eingesetzt werden, wie beispielsweise ein bezüglich dem Signal entgegen- oder gleichgerichtetes Pumpen oder ein Seitenpumpen. Es kann auch die NA des Pumplichts zur Minimierung der ASE verringert wer den. In diesem Fall ist die Verwendung lediglich einer Ein zelmantelfaser vorteilhafter, wobei das Pumplicht direkt in den Faserkern gerichtet wird. Im allgemeinen kann der MM- Verstärker 52 einen Einzel-, Doppel- oder Mehrfachmantel auf weisen.

Im Falle des gleichgerichteten Pumpens werden das Pumplicht und das Signallicht über einen dichroitischen Strahlteiler (nicht gezeigt) eingekoppelt. Die Koppeloptiken sind dann zum gleichzeitigen Optimieren des Einkoppelns des Pumpstrahls und des Signalstrahls optimiert.

Ein Einzel- oder Doppeldurchlauf des Signals durch die MM- Faser 52 ist am meisten bevorzugt. Im Falle eines Doppel durchlaufaufbaus kann ein Faradayrotatorspiegel zum Eliminie ren von Polarisationsdriftvorgängen in dem System eingesetzt werden. Selbstverständlich muß bei einem Doppeldurchlaufauf bau das Überkoppeln des Signals in Moden höherer Ordnung nach dem ersten Durchlauf durch den Verstärker vermieden werden, um ein nahezu beugungsbegrenztes Ausgangssignal sicherzustel len.

Wahlweise können lineare oder nichtlineare Optikelemente am Ausgang des Systems verwendet werden. Ein solches System ist mit jeder in Verbindung mit bekannten Lasersystemen verwende ten Anwendung kompatibel.

In der Tat erfordern viele nichtlineare Anwendungen hohe Spitzenimpulsleistungen für deren wirksamen Betrieb, die in mantelgepumpten SM-Verstärkern aufgrund der in solchen Syste men typischerweise eingesetzten mehreren 10 Metern Faserlänge sehr schwer erzielbar sind. Selbst in optischen Standard-SM- Verstärkern können Spitzenleistungen von mehr als 1 kW/Verstärkerlänge kaum erzielt werden. Dagegen sind Spitzen leistungen von ≈ 15 kW in einer Länge von 1,5 m einer Doppel mantel-Er/Yb-Faser (Faser 1 der Tabelle 1) ohne erkennbare nichtlineare Effekte erzielbar, d. h. Spitzenleistungen von mehr als 20 kW/Verstärkerlänge können erreicht werden.

Erfindungsgemäß ist die Verwendung eines MM-Verstärkers nicht nur aufgrund der Möglichkeit der Verwendung eines großen Kerndurchmessers vorteilhaft; die Verwendung eines MM- Verstärkers ermöglicht auch eine Reduktion des Verhältnisses Mantel/dotierter Kerndurchmesser, wodurch die Verstärkerlänge und damit die Verstärkernichtlinearität minimiert werden. Dies führt allerdings zur Erzeugung einer größeren ASE- Störung.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild eines Multimodefaserverstär kersystems nach einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungs beispiel. In dem System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel können optische Hochleistungsimpulse in undotierten (oder Verstärker-)MM-Fasern so ausgebreitet (oder verstärkt) wer den, daß eine Spektralverbreiterung zur Ermöglichung einer Impulskompression des Verstärkerausgangssignals erhalten wird. Für Anwendungen bei der nichtlinearen Impulskompression können Lichtwellenleiter mit entweder positiver (Solitonen nicht unterstützender) oder negativer (Solitonen unterstüt zender) Dispersion eingesetzt werden. Die Leistungspegel in der Multimodefaser 60 werden angehoben, um einen bemerkbaren Grad an Selbstphasenmodulation zu erhalten. Das Zusammenspiel zwischen der Dispersion und der Selbstphasenmodulation in dem Lichtwellenleiter kann dann zur Verbreiterung des Spektrums der optischen Impulse und zum Erhalten einer Impulskompressi on verwendet werden.

Ist die MM-Faser 60 solitonenunterstützend, so kann eine Kom pression von Solitonen höherer Ordnung zur direkten Erzeugung kurzer Impulse aus der MM-Faser 60 verwendet werden. Im all gemeinen müssen bei einer Faser mit positiver Dispersion (nicht solitonenunterstützend) zusätzliche lineare oder nichtlineare Impulskompressionskomponenten zum Komprimieren der spektral verbreiterten optischen Impulse verwendet wer den. In diesem Fall kann ein bekannter Linearimpulskompressor 62 (wie beispielsweise ein Prisma, Gitter, Gitterprisma oder SM-gechirptes Faser-Bragg-Gitter) am Ausgang des Systems ver wendet werden. Zum Erhalten eines komprimierten frequenzver doppelten Impulses können auch gechirpte periodisch gepolte Verdopplungskristalle verwendet werden. Ebenso können ge chirpte Faser-Bragg-Gitter in den MM-Lichtwellenleiter 60 mit verringerter Modenkopplung eingeschrieben werden, um die Nichtlinearitäten solcher Strukturen beim Einsatz in dem li nearen Impulskompressor 62 zu verringern. Das Bragg-Gitter sollte nicht markiert sein, um die Anregung von Moden höherer Ordnung bei der Reflektion zu eliminieren.

Fig. 7 zeigt eine diagrammartige Ansicht eines Systems nach einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Gemäß Fig. 7 ist ein Modenfilter 70 vor einem der Resonatorspiegel M1 und M2 eingefügt, um ein beugungsbegrenztes Ausgangssignal des Systems sicherzustellen. Das Modenfilter 70 kann aus ei ner Standard-SM-Faser in Verbindung mit geeigneten Modenan passungsoptiken bestehen. Als Alternative kann eine konische Faser zur Bereitstellung der Modenanpassung verwendet werden (wie vorstehend erläutert wurde). Bei einer optimalen Moden kopplung weist der Wirkungsgrad des Lasers nahezu dieselbe Höhe wie der eines Voll-SM-Lasers auf. Die Verwendung des MM-Ver stärkers 76 ermöglicht allerdings eine erhöhte Gestal tungsflexibilität. Somit können, je nach Bedarf, Doppelman tel-Erbium/Ytterbium-Fasern mit verschiedenen Kern-Mantel- Verhältnissen eingesetzt werden.

Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ermöglicht die Ver wendung der MM-Faser den Entwurf von Doppelmantelfasern mit geringen Absorptionsquerschnitten. Es kann beispielsweise ei ne Er-dotierte Doppelmantelverstärkerfaser aus MM-Fasern her gestellt werden. Er-dotierte Doppelmantelfasern sind typi scherweise relativ ineffizient, da große Mantel/Kern-Verhält nisse eingesetzt werden müssen, um das Pumplicht breitflächi ger Diodenlaser unter Beibehaltung eines SM-Faserkern zu ab sorbieren. Typischerweise führt eine solche Ausgestaltung zu einem Mantel mit einem Durchmesser Φ_c1 = 100 µm und einem Kerndurchmesser von Φ_c0 = 10 µm. Die effektive Absorption ei nes solchen Aufbaus ist 100 Mal (=(Φ_c1/Φ_c0)²) kleiner als die Absorption in einer Er-dotierten Einzelmantelfaser. Somit sind in diesem Fall 100 Mal längere Faserverstärkerlängen er forderlich. Durch Einsatz: einer Er-dotierten MM-Faser kann jedoch die Kerngröße wesentlich verringert werden, wodurch wesentlich kleinere Mantel/Kern-Verhältnisse und kürzere Ver stärkerlängen erzielbar sind, was sehr vorteilhaft für den Entwurf von Hochleistungslasern ist. Selbstverständlich kön nen für den Entwurf von Hochleistungs-Er-Doppelmantellasern Manteldurchmesser von noch mehr als 100 µm eingesetzt werden. Eine konzeptionelle Zeichnung eines Faserquerschnitts mit ei nem dotierten MM-Faserkern und einem undotierten Fasermantel ist in Fig. 8 dargestellt. Gemäß Fig. 8 ist das aktive Do tiermittel begrenzt in einem durch das Dotierprofil definier ten Querschnitt, der wesentlich kleiner als der durch das Brechungsindexprofil definierte Faserkern ist. Selbstver ständlich führt die Dotiermittelbegrenzung in einem solchen Lasersystem zu einer erhöhten Verstärkerlänge, so daß ledig lich eine relativ schwache Dotierbegrenzung brauchbar ist.

Nach einem sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 9 kann ein regenerativer Faserverstärker aus einem MM-Faserverstärker 90 aufgebaut sein. Ein regenerativer Ver stärker dient zum Erhalten von mJ-Energien aus MM- Faserver stärkern. Aufgrund der begrenzten Verstärkung von MM-Faser verstärkern erfordert die Extraktion von mJ-Energien typi scherweise mehrere Durchläufe durch den Verstärker, was durch den regenerativen Verstärker vereinfacht wird. Gemäß Fig. 9 wird ein schneller optischer Schalter (OS) 92 zum Schalten der Impulse in und aus dem regenerativen Verstärker verwen det. Es kann auch ein Modenfilter 94 zum "Reinigen" des Fa sermodus bei dem Verstärkungsvorgang enthalten sein. Das Mo denfilter 94 kann aus einem Raumfilter zum Minimieren jegli cher Nichtlinearitäten in dem regenerativen Verstärker beste hen.

Der Anregungsimpuls wird durch den optischen Schalter 92 mit der gewünschten Wiederholrate aus dem Oszillator 96 gewählt. Der Faradayrotator 98 und der Polarisationsstrahlteiler 99 werden zum Auskoppeln des verstärkten Impulses aus dem System verwendet. Es kann entweder ein Dauer- oder ein gepulstes Pumpen des Verstärkers eingesetzt werden.

Nach einem in Fig. 10 gezeigten siebten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, ist eine Q-geschaltete MM-Faserlaser quelle aufgebaut. Die durch die MM-Fasern ermöglichten großen Querschnitte ermöglichen eine erhebliche Vergrößerung der Energiespeicherung im Vergleich zu einer Einzelmodenfaser. Als Resultat können durch ein solches System Q-geschaltete Hochleistungsimpulse direkt erzeugt werden. Diese Impulse weisen typischerweise eine Dauer im ns-Bereich auf. Gemäß Fig. 10 kann auch ein Modenfilter 100 zur Sicherstellung ei ner optimalen Modenqualität enthalten sein. Der optische Schalter 102 wird zum Auskoppeln eingesetzt und dient auch zum Modulieren des Verlusts (Q) des durch die beiden Spiegel M1 und M2 und den MM-Verstärker 104 definierten Resonators. Als Alternative kann das Ausgangssignal auch durch Verwenden eines teildurchlässigen Spiegels M2 extrahiert werden.

Nach einem in Fig. 11 gezeigten achten erfindungsgemäßen Aus führungsbeispiel ist ein Vorverstärker vor der abschließenden MM-Verstärkerfaser 112 enthalten, um die MM-Verstärkerfaser 112 vollständig zu sättigen und den Pegel der ASE in der MM- Verstärkerfaser 112 zu verringern. Der Vorverstärker kann ein SM sein und auch ein MM, falls es nützlich ist, den Kernra dius der Vorverstärkerfaser 110 kleiner als den Kernradius der abschließenden MM-Verstärkerfaser 112 zu wählen, um das Anwachsen der ASE zu minimieren. Ein Isolator (nicht gezeigt) kann zwischen die Laserquelle und den Vorverstärker eingefügt werden, und ein weiterer Isolator (nicht gezeigt) kann zwi schen den Vorverstärker 110 und die abschließende MM- Verstärkerfaser 112 eingefügt werden, um die ASE weiter zu verringern. In gleicher Weise können schmalbandige optische Filter (nicht gezeigt) an jeder Stelle des Systems enthalten sein, um die ASE zu verringern. Es können auch optische Schalter (nicht gezeigt) zwischen der Laserquelle, dem Vor verstärker 110 und dem abschließenden Verstärker 112 verwen det werden, um den Grad der ASE zu verringern.

Mehr als ein Vorverstärker kann in Systemen eingesetzt wer den, wo Isolatoren und optische Filter und optische Schalter zur Minimierung des Grads der in dem System erzeugten ASE verwendet werden können. Weiter können zur Impulskompression nichtlineare Prozesse in den Vorverstärkern und dem abschlie- ßenden MM-Verstärker verwendet werden.

Nach einem in Fig. 12 gezeigten neunten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist ein Frequenzwandler 120 stromabwärts der MM-Verstärkerfaser 122 enthalten, um den verstärkten Aus gangsstrahl einer Frequenzwandlung zu unterziehen. Der Fre quenzwandler kann ein nichtlineares Kristall wie beispiels weise ein periodisch gepoltes oder aperiodisch gepoltes LiNbO₃-Kristall sein, das die Frequenz des Ausgangsstrahls verdoppelt.

Zur Verstärkung und Kompression optischer Impulse in einem Multimode- (MM) -Lichtwellenleiter wird ein Einzelmodus in die MM-Faser durch Anpassen des Modenprofils des Grundmodus der MM-Faser an einen beugungsbegrenzten optischen Modus am Ein kopplungsende eingekoppelt. Der Grundmodus wird in der MM- Faser durch Minimieren der Modenkopplung durch Verwendung re lativ kurzer Längen von Stufenindex-MM-Fasern mit wenigen hundert Moden und durch Minimieren der Faserstörungen beibe halten. Zur bevorzugten Verstärkung des Grundmodus ist die Dotierung in der Mitte des Faserkerns begrenzt, um eine ver stärkte spontane Emission zu verringern und eine Gewinnfüh rung des Grundmodus zu ermöglichen. Die Gewinnführung ermög licht den Entwurf von Systemen mit längenabhängigen und lei stungsabhängigen Durchmessern des Grundmodus. Zur Ermögli chung eines Pumpens mit Hochleistungslaserdioden wird ein Doppelmantelverstärkeraufbau eingesetzt. Für Anwendungen zur nichtlinearen Impulskompression kann eine Selbstphasenmodula tion und Dispersion in den Lichtwellenleitern genutzt werden. Optische Hochleistungsimpulse können durch Verwendung von Massenoptik-Dispersionsverzögerungsleitungen oder durch ge chirpte Faser-Bragg-Gitter, die direkt in den SM- oder MM- Lichtwellenleiter eingeschrieben sind, linear komprimiert werden. Hochleistungsdauerstrichlaser, die in einem einzelnen nahezu beugungsbegrenzten Modus arbeiten, können durch Inte grieren wirksamer Modenfilter in den Laserresonator aufgebaut werden. Regenerative Faserverstärker können durch sorgfältige Steuerung des Umlaufmodus aufgebaut werden. Q-geschaltete Fa serlaser mit höherer Leistung können durch Nutzung der in MM- Faserverstärkern gespeicherten hohen Energie aufgebaut wer den.

Claims

1. Optisches Verstärkungssystem mit:
einer Laserquelle (10) zum Erzeugen eines Eingangsstrahls mit einem nahezu beugungsbegrenzten Modus;
einem Multimodefaserverstärker (12),
einem Modenwandler (14) zum Empfangen des Eingangsstrahls und zum Umwandeln des Modus des Eingangsstrahls zur Anpassung an einen Grundmodus des Multimodefaserverstärkers (12), und zum Bereitstellen eines modengewandelten Eingangsstrahls in den Multimodefaserverstärker (12), und
eine an den Multimodefaserverstärker (12) angekoppelte Pumpquelle (20), wobei die Pumpquelle (20) den Multimodefa serverstärker (12) optisch pumpt, und wobei der Multimodefa serverstärker (12) an dessen Ausgang einen verstärkten Strahl im wesentlichen im Grundmodus bereitstellt.

2. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Grundmodus im wesentlichen durch eine Gewinnführung geführt wird.

3. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 2, wobei eine Zwischenmodenstreuung von dem Grundmodus in einen Modus höhe rer Ordnung im wesentlichen durch die Gewinnführung des Grundmodus verringert wird.

4. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 2, wobei sich die Größe des Grundmodus in dem Multimodefaserverstärker (12) als Resultat der im wesentlichen vorliegenden Gewinnführung entlang der Faserlänge ändert.

5. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) einen Faserkern aufweist, und wobei ein Dotiermittel in einem Bereich in einem mittleren Teil des Faserkerns begrenzt ist, der wesentlich kleiner ist als der gesamte Faserkernbereich.

6. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) einen Faserkern aufweist, und wobei ein Dotiermittel in einem Bereich in einem mittleren Teil des Faserkerns begrenzt ist, der wesentlich kleiner ist als ein gesamter Faserkernbereich, und wobei eine Modenkopp lung in Moden höherer Ordnung durch eine Gewinnführung ver ringert ist.

7. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Verstärkung des Grundmodus wesentlich höher ist als eine Ver stärkung eines anderen in dem Multimodefaserverstärker (12) vorliegenden Modus.

8. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Größe des Grundmodus in dem Multimodefaserverstärker (12) entlang einer Länge des Multimodefaserverstärkers (12) ent sprechend einer Änderung des Faserdurchmessers entlang der Länge der Multimodefaser variiert.

9. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Größe des Grundmodus in dem Multimodefaserverstärker (12) entlang einer Länge des Multimodefaserverstärkers (12) in Übereinstimmung mit einer Änderung des Durchmessers eines Kerns oder eines dotierten Kerns entlang der Länge der Multi modefaser variiert.

10. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) mit Ionen der Seltenen Erden dotiert ist.

11. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) dotiert ist mit zumindest einem der Er-, Er/Yb-, Yb-, Nd-, Tm-, Pr-, Ho-Ionen.

12. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) einen Doppelmantelaufbau auf weist.

13. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) polarisationserhaltend ist.

14. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der verstärkte Strahl den Multimodefaserverstärker (12) zumindest zweimal durchläuft.

15. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der modengewandelte Eingangsstrahl optische Impulse aufweist, und wobei nichtlineare Effekte innerhalb des Multimodefaserver stärkers (12) zu einer Verbreiterung eines Spektrums der op tischen Impulse führt.

16. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der modengewandelte Eingangsstrahl optische Impulse aufweist, und wobei das System weiterhin einen Kompressor (62) aufweist, der die durch den Multimodefaserverstärker (60) ausgegebenen optischen Impulse komprimiert.

17. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Modenwandler (50) ein Massenoptik-Abbildungssystem aufweist.

18. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Modenwandler (50) eine konische Einzelmodenfaser aufweist.

19. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Modenwandler (50) eine Kombination aus einem Massenoptik- Abbildungssystem und einer konischen Faser aufweist.

20. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:
Reflektoren (M1, M2), die zur Bildung eines Laserresonators angeordnet sind, wobei die Reflektoren (M1, M2) die Energie des verstärkten Strahls entlang einer Achse reflektieren; und eine Einrichtung zum Auskoppeln der reflektierten Energie des verstärkten Strahls aus dem Laserresonator.

21. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 20, wobei die Reflektoren einen Spiegel, ein Faser-Bragg-Gitter oder ein Massengitter aufweisen.

22. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 20, weiterhin umfassend einen optischen Schalter (92), der innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, wobei der optische Schalter (92) ein Q-Schalten des Laserresonators ermöglicht.

23. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 20, weiterhin umfassend einen optischen Schalter (92), der innerhalb des Laserresonators angeordnet ist, wobei der optische Schalter (92) einen Betrieb des Laserresonators als regenerativer Ver stärker ermöglicht.

24. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein Modenfilter (70) zum Empfangen des verstärkten Strahls und zum Bereitstellen eines modengefilterten Strahls.

25. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 24, wobei das Modenfilter (70) eine Einzelmodenfaser ist.

26. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 24, wobei das Modenfilter ein Raumfilter (94) ist.

27. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei sich eine Zahl der sich innerhalb des Multimodefaserverstärkers (12) ausbreitenden Moden zwischen 3 und 3000 befindet.

28. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei sich eine Zahl der sich innerhalb des Multimodefaserverstärkers (12) ausbreitenden Moden zwischen 3 und 1000 befindet.

29. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Wellenlänge des verstärkten Strahls größer als 1,100 µm ist.

30. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei die Multimodefaser entlang einer geraden Linie angeordnet ist und eine Spannung entlang einer longitudinalen Richtung des Mul timodefaserverstärkers (12) angelegt ist.

31. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei die Multimodefaser ein Stufenindex-Brechzahlprofil aufweist.

32. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) hergestellt ist durch eine MCVD-, OVD-, VAD- oder PCVD-Herstellungstechnik.

33. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei eine Zahl der sich innerhalb des Multimodefaserverstärkers (12) ausbreitenden Moden größer als 4 ist, und wobei ein Faser- Bragg-Gitter in den Multimodefaserverstärker (12) einge schrieben ist.

34. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter in den Multimodefaserverstärker (12) eingeschrieben ist.

35. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle einen Einzelmodenfaseroszillator (10) aufweist.

36. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei zu mindest ein Vorverstärker (110) zwischen der Laserquelle und dem Multimodefaserverstärker (112) eingefügt ist.

37. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 36, wobei der zumindest eine Vorverstärker (110) durch eine zweite Multi modeverstärkerfaser gebildet ist, und wobei ein Einzelmode in die Multimodeverstärkerfaser (112) eingekoppelt wird.

38. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 36, wobei der zumindest eine Vorverstärker (110) eine Einzelmodenverstär kerfaser ist.

39. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) Impulse mit einer Spitzenlei stung von mehr als 1 kW erzeugt.

40. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) eine Spitzenleistung größer als ein Verhältnis von 1 kW/Verstärkerlänge erzeugt.

41. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei opti sche Impulse mit einer Breite von weniger als 10 ns in der Multimodefaser verstärkt werden.

42. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein nichtlineares optisches Element (129), das stromabwärts des Multimodefaserverstärkers (122) angeordnet ist, wobei der verstärkte Strahl durch das nichtlineare opti sche Element (120) frequenzgewandelt wird.

43. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, weiterhin umfassend ein nichtlineares Kristall (120), das stromabwärts des Multimodefaserverstärkers (122) angeordnet ist, wobei der verstärkte Strahl in dem nichtlinearen Kristall (120) fre quenzverdoppelt wird.

44. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 43, wobei das nichtlineare Kristall (120) ein periodisch gepoltes LiNbO₃-Kri stall aufweist.

45. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 43, wobei das nichtlineare Kristall (120) ein aperiodisch gepoltes LiNbO₃-Kri stall aufweist.

46. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei ein M²-Wert des Multimodefaserverstärkers (12) weniger als 10 be trägt.

47. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei ein M²-Wert des Multimodefaserverstärkers (12) weniger als 4 be trägt.

48. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei ein M²-Wert des Multimodefaserverstärkers (12) weniger als 2 be trägt.

49. Optisches Verstärkungssystem nach Anspruch 1, wobei der Multimodefaserverstärker (12) einen Mantel mit einem Außen durchmesser von mehr als 125 µm aufweist.