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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Lichtleitfaser-Lichtquellen
mit verstärkter
Spontan-Emission (ASE) und insbesondere auf Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quellen, die eine
mittlere Wellenlänge
aufweisen, die gegenüber Änderungen
der Pump-Polarisation und der Lichtleitfaser-Doppelbrechung stabil
ist.
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Beschreibung des verwanden
Standes der Technik
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Lichtleitfaser-Verstärker werden
zur Schaffung einer Verstärkung
von Licht verwendet. Die
europäische Patentanmeldung
0 66 671 beschreibt einen Lichtleitfaser-Verstärker, der
die verstärkte
Spontan-Emission (ASE) vermeidet, um zu verhindern, dass ein ASE-Aufbau
die gesamte Ausgangsleistung von dem Verstärker verbraucht.
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Lichtleitfaser-ASE-Lichtquellen
sind in der Technik gut bekannt. ASE-Quellen wurden in vorteilhafter Weise
zur Bereitstellung eines breitbandigen (beispielsweise in der Größenordnung
von 10 bis 30 Nanometer) räumlich
kohärenten
Lichtes für
vielfältige
Anwendungen verwendet. Beispielsweise wurden ASE-Quellen zur Bereitstellung
von Laser-Licht als Eingangssignal für ein faseroptisches Gyroskop
verwendet. Für
eine Beschreibung eines Beispiels einer Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quelle
wird auf eine Veröffentlichung
mit dem Titel „Amplification
of Spontaneous Emission in Erbium-Doped Single-Mode Fibers" von Emmanuel Desurvire und
J. R. Simpson, veröffentlicht
von der IEEE in „Journal
of Lightwave Technology",
Band 7, Nummer 5, Mai 1989, verwiesen.
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Die
Veröffentlichung
von Duling III et al in „Signle
Polarisation Fibre Amplifier" (Electronics
Letters IEEE Stevenage, Band 28, Nummer 12) und die
europäische
Patentanmeldung 0 595 595 beschreiben ebenfalls einen eine
einzige Polarisation aufweisenden Lichtleitfaser-Verstärker, der
als Superfluoreszenz-Quelle verwendet wird, die lediglich mit einer
einzigen Polarisation arbeitet.
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Eine
ASE-Lichtquelle umfasst typischerweise einen Längenabschnitt einer Monomode-Lichtleitfaser, wobei
ein Teil ihres Querschnittes (typischerweise der Kern) mit einem
ionischen trivalenten seltene-Erden-Element dotiert ist. Beispielsweise
sind Neodym (Nd3 +)
und Erbium (Er3 +)
seltene-Erden-Elemente, die zum Dotieren des Verlaufs einer Monomode-Lichtleitfaser
verwendet werden können,
damit diese als ein Laser-Medium wirkt.
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Die
Lichtleitfaser empfängt
ein Pump-Eingangssignal an einem Ende. Das Pump-Signal ist typischerweise ein Laser-Signal,
das ein relativ schmales Spektrum aufweist, das um eine Wellenlänge λp zentriert
ist. Die Ionen innerhalb des Lichtleitfaser-Kerns absorbieren die
Laser-Eingangsstrahlung mit der Wellenlänge λp, so dass Elektronen in dem
Grundzustand dieser Ionen auf einen höheren Energiezustand der Ionen
angeregt werden. Wenn eine ausreichende Pumpleistung in das Ende
der Lichtleitfaser eingeleitet wird, so wird eine Populations-Umkehrung
hervorgerufen (das heißt
es befinden sich mehr Elektronen in den Ionen in dem angeregten
Zustand als in dem niedrigeren Laser-Zustand), und ein erhebliches
Ausmaß an
Fluoreszenz wird entlang der Länge
der Lichtleitfaser erzeugt. Wie dies gut bekannt ist, ergibt sich
die Fluoreszenz (das heißt
die Emissionen von Photonen mit einer anderen Wellenlänge λs) aufgrund
der spontanen Rückkehr
der Elektronen von dem angeregten Zustand auf den niedrigeren Laser-Zustand,
so dass ein Photon mit einer Wellenlänge λs während des Überganges von dem angeregten
Zustand auf den Grundzustand emittiert wird. Diese Photonen werden
durch die Verstärkung
verstärkt,
während
sie sich entlang der Lichtleitfaser bewegen, was zu einer verstärkten Spontan-Emission
(ASE) führt.
Das Licht, das mit der Wellenlänge λs von der
Lichtleitfaser emittiert wird, ist ein stark gerichtetes Licht,
wie bei einem konventionellen Laser-Licht. Eine Haupt-Charakteristik dieser
Emission, die sie von der eines traditionellen Lasers unterscheidet
(das heißt
einen, der einen optischen Resonator beinhaltet) besteht darin,
dass der Spektralgehalt des Lichtes, der von der Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quelle
emittiert wird, relativ breitbandig ist (typischerweise einige zehn
Nanometer). Dieses Prinzip ist in der Laser-Physik gut bekannt und
wurde experimentell und theoretisch in Silika-basierten Lichtleitfasern
untersucht, die mit Erbium, Neodym und anderen seltenen Erden dotiert
sind, und dies seit mehreren Jahren.
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Von
ASE-Lichtleitfaser-Quellen emittiertes Licht hat mehrfache Anwendungen.
Beispielsweise wird bei einer Anwendung das Ausgangssignal der ASE-Quelle
in ein Lichtleitfaser-Gyroskop eingespeist. Aus Gründen, die
dem Fachmann gut bekannt sind, sollte ein Lichtleitfaser-Gyroskop
mit einer Breitband-Quelle betrieben werden, die eine äußerst stabile
mittlere Wellenlänge
hat. Von den verschiedenen Arten von Breitband-Quellen, deren Vorhandensein
bekannt ist, waren Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quellen, insbesondere
diejenigen, die aus einer Erbium-dotierten Lichtleitfaser hergestellt
sind, bisher die einzigen optischen Quellen, die die strengen Anforderungen
für Lichtleitfaser-Gyroskope
mit einer Trägheitsnavigations-Güte erfüllen. Die
große
Bandbreite von Licht, das von Erbium-dotierten Lichtleitfaser-Quellen
erzeugt wird, zusammen mit dem niedrigen Pumpleistungs-Anforderungen
und der ausgezeichneten mittleren Wellenlängen-Stabilität von Erbium-dotierten Lichtleitfaser-Quellen
sind die Hauptgründe
für die
Verwendung derartiger Quellen in Lichtleitfaser-Gyroskopen.
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In
einer mit Erbium dotierten Lichtleitfaser ist die Emission einer
Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quelle
bidirektional. Das heißt,
das Licht, das von der Rückkehr
der Elektronen auf den Grundzustand in den Erbium-Ionen emittiert
wird, typischerweise aus beiden Enden der Lichtleitfaser heraus
emittiert wird. Wie dies in dem
US-Patent
5,184,749 auf den Namen von Kalman et al für Erbium-dotierte
Lichtleitfasern mit ausreichender Länge beschrieben ist, hat das
Licht, das sich in der Rückwärts-Richtung
(das heißt
in der Richtung entgegengesetzt zu der, in der sich das Pumpsignal
ausbreitet) ausbreitet, einen sehr hohen Wirkungsgrad. Damit ist
es vorteilhaft, mit Erbium dotierte Lichtquellen so zu implementieren,
dass das von der Erbium-dotierten ASE-Quelle emittierte Licht von
dem Pump-Eingangsende der Lichtleitfaser emittiert wird (das heißt in der Rückwärts-Ausbreitungs-Richtung).
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Eine
ASE-Quelle wird üblicherweise
in einer von zwei Konfigurationen implementiert. In einer ersten Konfiguration,
die als Einzel-Durchgang-ASE-Quelle bezeichnet wird, wird die Ausgangsleistung
der Superfluoreszenz-Quelle in zwei Richtungen emittiert, von denen
eine nicht verwendet wird. In der zweiten Konfiguration, die als
eine Doppel-Durchgang-ASE-Quelle bezeichnet wird, ist ein Reflektor
an einem Ende der dotierten Lichtleitfaser angeordnet, um das Superfluoreszenz-Quellen-Signal
so zu reflektieren, dass das Superfluoreszenz- Signal ein zweites Mal durch die Lichtleitfaser
hindurch gesandt wird. Weil die Lichtleitfaser eine Verstärkung bei
den Wellenlängen
des Superfluoreszenz-Signals aufweist, wird das ASE-Signal weiter
verstärkt.
Ein Vorteil der Doppel-Durchgangs-Konfiguration besteht darin, dass sie
ein stärkeres
Signal erzeugt. Eine Doppel-Durchgangs-ASE-Quellen-Konfiguration
erzeugt weiterhin ein Ausgangssignal lediglich an einem Port (das
heißt
in einer Richtung). Ein Nachteil einer derartigen Konfiguration
besteht darin, dass das zurückgeführte optische
Signal von dem Gyroskop sehr niedrig gehalten werden muss, um einen
Laser-Effekt zu verhindern (beispielsweise durch die Verwendung
eines optischen Isolators, der sich zwischen der Quelle und dem
Gyroskop befindet).
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Für faseroptische
Gyroskop-Anwendungen ist die Stabilität der mittleren Quellen-Wellenlänge ein
kritisches Maß der
Quellen-Betriebsleistung (siehe beispielsweise das
US-Patent 5,355,216 auf den Namen
von Kim et al). Wie dies in der Technik gut bekannt ist, führt eine
Stabilität
der mittleren Quellen-Wellenlänge
direkt zu der Stabilität
des Gyroskop-Skalenfaktors. Eine genaue Kenntnis des Skalenfaktors
ist für
eine genaue Messung der Drehgeschwindigkeit des Gyroskops kritisch.
Es gibt derzeit Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quellen, die eine
mittlere Wellenlängen-Stabilität bezüglich der
Pump-Leistung, Pump-Wellenlänge,
Temperatur und dem Grad der optischen Rückführung bis herunter zu jeweils
wenigen Teilen pro Millionen aufweisen, wobei eine vernünftige Stabilisation
der System-Parameter, wie zum Beispiel der Pump-Wellenlänge, der Pump-Leistung,
der Temperatur und der optischen Rückführung von dem Gyroskop angenommen
wird. Eine Gesamt-Stabilität von besser
als ein Teil pro Millionen hinsichtlich der mittleren Wellenlänge ist
jedoch für
manche Anwendungen wünschenswert,
insbesondere für
faseroptische Gyroskope hoher Güte.
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Es
wurde in letzterer Zeit gezeigt, dass Polarisations-Effekte eine
Rolle bei der Instabilität
der mittleren Wellenlänge
von Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quellen (SFS) spielen. Die Polarisations-Abhängigkeit
der mittleren Wellenlänge
eines SFS-Ausgangs
wurde durch eine numerische Modellierung von J. L. Wagener vorhergesagt
[siehe J. L. Wagener, „Erbium
doped fiber souces and amplifiers for optical sensors" Ph. D. Dissertation,
Applied Physics Department, Stanford University (März 1996);
und J. L. Wagener, M. J. F. Digonnet, H. J. Shaw, „A High-Stability Fiber Amplifier
Source for the Fiber Optic Gyroscope", J. Lightwafe Technolgy, Band 15, Seiten
1689–1694
(September 1997), und J. L. Wagener, D. G. Falquier, M. J. F. Digonnet
und H. J. Shaw, „A
Mueller Matrix Formalism for Modeling Polarization Effects in Erbium-Doped
Fiber", J. Lightwave
Technology Band 16, Seiten 200–206
(Februar 1998)]. Diese Studien haben gezeigt, dass die mittlere
Wellenlänge
der SFS geringfügig
von der Pumpen-Polarisation abhängt.
Der Grund hierfür
kann in physikalischer Hinsicht wie folgt erklärt werden. Die Ionen des Erbiums
(oder anderer Dotierungsmittel, wie zum Beispiel Nd oder eine andere
seltene Erde) in dem Lichtleitfaser-Host erfahren eine intrinsische
Anisotropie der Absorption und Emission bezüglich der Polarisation. Beispielsweise
absorbieren manche Erbium-Ionen eine vorgegebene Polarisation stärker als
andere, und entsprechend haben diese Erbium-Ionen eine bevorzugte
Polarisation, die ihrer Emission zugeordnet ist. Dieser Effekt führt zu einer
Polarisations-abhängigen
Verstärkung,
wenn die Erbium-dotierte Lichtleitfaser in der üblichen Weise gepumpt wird,
das heißt
durch eine stark polarisierte Quelle, wie zum Beispiel eine Laserdiode.
Dies kann andererseits zu orthogonalen Polarisations-Komponenten
des ASE-Ausgangssignals führen,
die unterschiedliche mittlere Wellenlängen haben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Superfluoreszenz-Quelle,
wie sie im Anspruch 1 angegeben ist. Die Quelle umfasst vorzugsweise
eine optische Pumpe und ein Laser-Medium. Das Laser-Medium hat ein
darin enthaltenes Dotierungsmittel, das eine verstärkte Spontan-Emission
(ASE) erzeugt, dessen Spektrum eine mittlere Wellenlänge hat,
die für
unterschiedliche Polarisations-Komponenten
der ASE unterschiedlich ist. Das Medium wird durch Pump-Licht von
der optischen Pumpe gepumpt. Ein optischer Koppler koppelt die Pumpe
optisch mit dem Medium. Ein Faraday-Rotator-Spiegel verringert die
Polarisations-Abhängigkeit
des Ausgangssignals der Quelle. Der Spiegel reflektiert die von
dem Medium emittierte ASE durch das Medium zurück. Ein Ausgangs-Port koppelt
die ASE von der Quelle. Bei einer Ausführungsform umfasst die Quelle
weiterhin einen Depolarisator zwischen dem Medium und dem Koppler.
Bei einer Ausführungsform
ist der Spiegel mit dem optischen Koppler gekoppelt. Bei einer Ausführungsform
ist der Spiegel mit dem Medium gekoppelt. Bei einer Ausführungsform
ist ein optischer Isolator an dem Ausgangs-Port angeordnet, um die
optische Rückführung zu verringern.
Bei einer Ausführungsform
empfängt
ein faseroptisches Gyroskop das Ausgangssignal von der Superfluoreszenz-Quelle.
Bei einer Ausführungsform
hält das
Medium die Polarisation aufrecht, und das Pump-Licht wird in das
Medium in einer derartigen Weise gelenkt, dass gleiche Leistungen
des Pump-Lichtes entlang doppelbrechender Achsen des Mediums abgestrahlt
werden. Bei einer Ausführungsform
ist das Pump-Licht linear Polarisiert und wird in das Medium unter
45 Grad gegenüber
den Doppelbrechungs-Achsen des Mediums eingeführt. Bei einer Ausführungsform
ist das Dotierungsmittel Erbium. Bei einer Ausführungsform verringert die Verringerung
der Polarisations-abhängigen
Verstärkung
in dem Medium die mittlere Wellenlängen-Differenz zwischen jeweiligen
spektralen Ausgängen
der orthogonalen Polarisations-Komponenten. Bei einer Ausführungsform
verringert die Verringerung der Polarisations-abhängigen Verstärkung irgendeine
Abhängigkeit
der mittleren Wellenlänge
irgendeiner Polarisations-Komponente von der Doppelbrechung des
Mediums. Bei einer Ausführungsform
reflektiert der Spiegel nicht-absorbiertes Pump-Licht zurück durch
das Medium, um die Polarisations-Abhängigkeit des Ausgangs weiter
zu verringern. Bei einer Ausführungsform
schließt
das Medium eine Lichtleitfaser ein. Bei einer Ausführungsform
schließt
das Medium einen optischen Wellenleiter ein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine allgemeine Darstellung eines Faraday-Rotator-Spiegels (FRM).
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2A ist
eine vorwärts-gepumpte
Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quelle (SFS), bei der die Wellenlängen-Abhängigkeit
des Ausgangssignals gegenüber Änderungen
der Polarisation der Pump-Quelle reduziert ist.
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2B ist
eine rückwärts-gepumpte
Superfluoreszenz-Lichtleitfaser-Quelle
(SFS), bei der die Wellenlängen-Abhängigkeit
des Ausgangssignals gegenüber Änderungen
der Polarisation der Pump-Quelle verringert ist.
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3 zeigt
simulierte Ausgangs-Spektren für
orthogonale ASE-Polarisationen
von Erbium-dotierten Vorwärts-Doppel-Durchgangs-SFS-Quellen,
bei denen ein Reflektor in der SFS-Quelle so gewählt ist, dass er entweder ein
FRM- oder Standard-(nicht-FRM-)Spiegel ist.
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4 zeigt
berechnete und experimentelle Datenpunkte der Wellenlängen-Stabilität als eine
Funktion mit Erbium dotierten Lichtleitfaser-Länge einer Doppel-Durchgangs-SFS-Quelle,
wobei entweder ein FRM- oder Standard-Spiegel an dem Ende der Lichtleitfaser
verwendet wird.
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5 zeigt
eine theoretische Vorhersage der gesamten verstärkten Spontan-Emission-(ASE-)Leistung
von einer Erbium-dotierten Vorwärts-Doppel-Durchgangs-SFS-Quelle
als Funktion der Länge
der Lichtleitfaser.
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6 zeigt
eine theoretische Vorhersage der Differenz der mittleren Wellenlängen von
orthogonalen ASE-Polarisationen des Ausgangssignals von verschiedenen
Erbium-dotierten Doppel-Durchgangs-SFS-Quellen.
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7 ist
eine Doppel-Durchgangs-SFS-Quelle, bei der Doppelbrechungs-Effekte verwendet
werden, um die Wellenlängen-Stabilität des spektralen
Ausgangs durch die Verwendung einer die Polarisation aufrecht erhaltenden
(PM) Erbiumdotierten Lichtleitfaser (EDF) zu unterstützen.
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8 ist
ein experimenteller Aufbau zur Untersuchung der Wellenlängen-Stabilität des spektralen Ausgangssignals
von einer Erbium dotierten Vorwärts-Doppel-Durchgang-SFS-Quelle.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit optischen
Wellenleitern in Form von Lichtleitfasern beschrieben. Es sollte
verständlich
sein, dass andere Arten von optischen Wellenleitern in vorteilhafter
Weise anstelle der Lichtleitfasern in vielen der hier beschriebenen
Ausführungsformen
ersetzt werden könnten.
Der Ausdruck „Festkörper", wie er hier verwendet
wird, schließt
optische Wellenleiter, wie zum Beispiel Lichtleitfasern ein. Der
optische Ausgang von dem hier beschriebenen Ausführungsformen kann in vorteilhafter
Weise als Eingangssignal an ein Lichtleitfaser-Gyroskop geliefert
werden.
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Es
werden hier Ausführungsformen
beschrieben, die einen Faraday-Rotator-Spiegel (FRM) zur Verringerung der Wellenlängen-Abhängigkeit
des Ausgangssignals einer SFS von (1) der Polarisation der Pump-Quelle
an dem Eingang der dotierten Lichtleitfaser und (2) von der Doppelbrechung
der Lichtleitfaser verwenden. Insbesondere werden Doppel-Durchgangs-SFS-Ausführungsformen
beschrieben, bei denen ein Faraday-Rotator-Spiegel anstelle eines
Standard-Reflektors (das heißt
eines nicht-FRM-Reflektors) verwendet wird, was zu einer mittleren
Ausgangs-Wellenlänge
führt,
die eine Stabilität
von besser als 10 ppm hat. Ein FRM, der am Ende einer Lichtleitfaser
angeordnet ist, reflektiert Licht in einer derartigen Weise, dass
an irgendeinem Punkt entlang der Lichtleitfaser der Polarisationszustand
(SOP) des reflektierten Lichtes orthogonal zu dem SOP des einfallenden
Lichtes unabhängig
von der Lichtleitfaser-Doppelbrechung
oder dem Eingangs-Licht-SOP ist. Die grundlegende Eigenschaft des
FRM, die für
die hier beschriebenen Ausführungsformen
von Bedeutung ist, besteht darin, dass wenn das auf die Fläche des
FRM auftreffende Licht einen Polarisationszustand SOP hat, das von
dem FRM (an der gleichen Fläche)
reflektierte Licht dann einen Polarisationszustand SOPref hat,
der präzise
orthogonal zu SOPinc ist (siehe beispielsweise
S. Yamashita, K. Hotate und M. Ito, „Polarization properties of
a reflective fiber amplifier employing a circulator and a Faraday
rotator mirror" J.
Lightwave Technology, Band 14, Seiten 385–390, März 1996). Wenn beispielsweise
SOPinc vertikal polarisiert ist, so ist
SOPref horizontal polarisiert; wenn SOPinc einen linken Zirkular-Polarisations-Zustand
hat, so hat SOPref einen rechten Zirkular-Polarisations-Zustand
und so weiter. Um diese Wirkung zu erzielen, verwendet ein FRM typischerweise
ein nicht-reziprokes Element, das als ein magneto-optischer Kristall
bezeichnet wird, wie zum Beispiel Bismut-Eisen-Granat, gefolgt von
einem Standard-Reflektor, wie dies in 1 gezeigt
ist. Der magnetooptische Kristall 1500 ist in einem Magnetfeld
angeordnet, das von einem Permanentmagneten 1504 geliefert
wird, der in der unmittelbaren Nähe
des Kristalls 1500 angeordnet ist. Aufgrund des gut bekannten magneto-optischen
Effektes wird, wenn Licht in einer Richtung durch einen magneto-optischen
Kristall hindurch läuft,
der in ein Magnetfeld eingetaucht ist, der SOP des Lichtes um einen
bestimmten Winkel +φ gedreht,
der von der Länge
des Kristalls 1500 (sowie der Wellenlänge des Lichtes und der Amplitude
des Magnetfeldes) abhängt.
Andererseits sieht Licht, das sich in der entgegengesetzten Richtung
ausbreitet, seinen SOP um den gleichen Winkel +φ gedreht. In einem FRM wird
der Winkel φ als
45 Grad ausgewählt.
Wenn beispielsweise der SOP des einfallenden Lichtes linear und
vertikal ist, ist es nach dem Durchlaufen des Kristalls 1500 (von
links nach rechts in 1) linear mit +45 Grad polarisiert.
Ein Spiegel 1508 reflektiert das Licht ohne Änderung
dieses SOP. Wenn das reflektierte Licht, das nunmehr unter +45 Grad
polarisiert ist, durch den Kristall 1500 ein zweites Mal
hindurchläuft
(in diesem Fall von rechts nach links), so dreht der Kristall 1500 seine
Polarisation erneut um +45 Grad. Somit wird an dem Ausgang (linke
Fläche)
des Kristalls 1500 das Licht horizontal polarisiert, das
heißt
es ist unter 90 Grad gegenüber
dem einfallenden Licht polarisiert. Diese Analyse gilt für jede Polarisation.
Für irgendeinen
willkürlichen
Einfalls-Zustand der Polarisation ist der reflektierte Zustand der
Polarisation orthogonal hierzu.
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Faraday-Rotator-Spiegel
sind im Handel von verschiedenen Vertreibern erhältlich, beispielsweise von ETEK,
einer Lichtleitfaser-Firma mit Sitz in Santa Clara, Kalifornien.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der FRM in vorteilhafter Weise
optisch mit einer Monomode-Lichtleitfaser gekoppelt. Das optische
Element, das den FRM mit der Lichtleitfaser koppelt, ist vorzugsweise
irgendeine Form einer optischen Linse. Im Handel erhältliche
Modelle von FRMs, die bei den hier beschriebenen Ausführungsformen
verwendet werden können, schließen ein
Lichtleitfaser-Ende aufweisende FRMs ein, die eine optische Linse
und eine Lichtleitfaser enthalten, die optisch miteinander ausgerichtet
sind. Dies ermöglicht
es, dass Licht direkt von dem Benutzer in die Lichtleitfaser eingeleitet
werden kann, wobei das Licht von der gleichen Lichtleitfaser zurück geliefert
wird. Das zurückgelieferte
Licht kann dann mit dem Rest der Lichtleitfaser-Schaltung des Benutzers
verspleißt
werden.
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Zwei
Ausführungsformen,
die einen FRM in einer SFS-Konfiguration enthalten, sind in den 2A und 2B gezeigt. 2A zeigt
einen Vorwärts-Doppel-Durchgangs-Konfiguration,
die eine Länge
einer mit Erbium dotierten Lichtleitfaser (EDF) 1520 einschließt, die
durch eine Lichtquelle 1526 (beispielsweise eine Laserdiode)
gepumpt wird, die miteinander über
einen Wellenlängen-Multiplex-(WDM-)Koppler 1532 gekoppelt sind.
Ein FRM 1538 ist mit dem WDM-Koppler 1532 derart
gekoppelt, dass der FRM und die EDF 1520 auf entgegengesetzten
Seiten des Kopplers 1532 liegen, wie dies in 2A gezeigt
ist. Ein optischer Isolator 1542 ist an dem Ausgangs-Ende
der EDF 1520 angeordnet, um eine optische Rückführung in
die SFS von diesem Ende aus zu verringern. Bei einer konventionellen
Vorwärts-Doppel-Durchgangs-SFS
(siehe beispielsweise P. F. Wysocki, M. J. F. Digonnet, B. Y. Kim
und H. J. Shaw, „Characteristics
of Erbium-Doped
Superfluorscent Fiber Sources for Interferometric Sensor Applications" IEEE J. Lightwave
Technology, 12, Seiten 550–567,
März 1994)
wird ein Standard-Reflektor
anstelle eines FRM verwendet. Der ASE-Ausgang kann in vorteilhafter
Weise in ein Lichtleitfaser-Gyroskop (FOG) 1546 eingeleitet
werden.
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In
einer Doppel-Durchgangs-SFS, wie sie in 2A gezeigt
ist, schließt
das Licht, das aus dem FSF heraus gekoppelt wird, zwei unterschiedliche
Superfluoreszenz-Beiträge ein,
die sich aus der spontanen und stimulierten Emission der invertierten
Erbium-Ionen ergeben. Der erste ist die Vorwärts-Superfluoreszenz, das heißt das Fluoreszenz-Signal,
das in der Ausbreitungsrichtung des Pump-Lichtes, oder von links
nach rechts in 2A, erzeugt wird. Dieser erste
Beitrag breitet sich lediglich einmal durch die EDF 1520 aus.
Der zweite Beitrag ist die Rückwärts-Superfluoreszenz,
das heißt
das Signal, das in einer Richtung entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung
des Pump-Lichtes erzeugt wird, oder von rechts nach links in 2A,
das dann in der Vorwärts-Richtung
durch den Reflektor 1538 reflektiert und durch die EDF 1520 verstärkt wird,
bevor sie die SFS verläßt. Dieser
zweite Beitrag hat die EDF 1520 zweimal durchlaufen und
wurde durch diese zweimal verstärkt,
und sie enthält
somit typischerweise wesentlich mehr Leistung, als die Vorwärts-Komponente.
Entsprechend besteht der Ausgang der Doppel-Durchgangs-SFS nach 2A fast
vollständig
aus Licht, das die Lichtleitfaser 1520 zweimal durchlaufen
hat.
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Eine
Rückwärts-Doppel-Durchgangs-SFS-Konfiguration
ist in 2B gezeigt, bei der die Positionen des
FRM 1538 und des optischen Isolators 1542 bezüglich ihrer
Positionen in 2A vertauscht wurden. Der ASE-Ausgang
kann wiederum in vorteilhafter Weise in ein faseroptisches Gyroskop
(FOG) 1546 eingeleitet werden. Wenn bei der in 2B gezeigten
Ausführungsform
der FRM 1538 in geeigneter Weise ausgelegt ist, wird Pump-Licht,
das nicht von der EDF 1520 bei seiner Ausbreitung in Richtung
auf den FRM 1538 absorbiert wird, von dem FRM 1538 reflektiert
und durch die EDF 1520 zurückgelenkt, wo das Pump-Licht
absorbiert werden kann, um eine höhere Populations-Inversion
und Verstärkung
zu erzeugen, als dies bei Fehlen eines Reflektors 1538 möglich sein
würde.
Weil das nicht-absorbierte
Pump-Licht bei der Ausführungsform
nach 2B wiederverwendet wird, ist es möglich einen,
höhere
SFS-Ausgangsleistung bei dieser Konfiguration als bei der Ausführungsform
nach 2A zu erzielen, wenn angenommen wird, dass die
gleiche Pumpleistung verwendet wird. In beiden Ausführungsformen
wird das ASE-Signal wiederverwendet, so dass es möglich ist, eine
vorgegebene SFS-Ausgangsleistung
unter Verwendung einer kürzeren
Länge der
EDF 1520 zu gewinnen, als dies bei einer SFS-Konfiguration
mit einem einfachen Durchgang der Fall sein würde. Daher sind die Ausführungsformen
nach den 2A und 2B beide
gegenüber
Konfigurationen mit einem Einzel-Durchgang attraktiv, und zwar sowohl
vom Standpunkt der Kosten als auch der Kompaktheit.
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Ein
Gesichtspunkt der Ausführungsform
nach 2A besteht darin, dass die ASE, die sich von rechts nach
links ausbreitet, präzise
orthogonal zu der ASE ist, die sich in der anderen Richtung ausbreitet
und die von dem FRM 1538 reflektiert wurde. Dies gilt für alle Punkte
in der Lichtleitfaser-Schaltung. Beispielsweise ist die Wirkung
des FRM 1538 derart, dass an irgendeinem Punkt entlang
der EDF 1520 der SOP des Rückwärts-Superfluoreszenz-Lichtes
(das auf dem FRM 1538 auftrifft und sich von rechts nach
links ausbreitet) orthogonal zu dem SOP des reflektierten Fluoreszenz-Lichtes
ist (das von dem FRM 1538 reflektiert wird und sich von
links nach rechts ausbreitet). Dies gilt selbst in dem Fall, in
dem der FRM 1538 mit einer Standard-Lichtleitfaser mit
niedrigerer Doppelbrechung verbunden ist (wie zum Beispiel der Eingangs-Lichtleitfaser des
WDM-Kopplers 1532) entlang deren sich die Doppelbrechung
aufgrund von Umgebungs-Störungen,
wie zum Beispiel Temperatur- und Druck-Änderungen, in gewisser Weise ändern kann.
Die Betrachtungen dieses Absatzes gelten auch für die Ausführungsform nach 2B.
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Diese
Eigenschaft führt
zu einem Ausgangssignal von der SFS mit einer mittleren Wellenlänge, die relativ
stabil gegenüber Änderungen
der Polarisation des Pump-Lichtes
ist, wie dies durch die folgenden physikalischen Betrachtungen erläutert wird.
Bezüglich
der 2A sei ohne Verlust an Verallgemeinerung der einfache
hypothetische Fall von Licht von einer Pump-Quelle 1526 betrachtet,
das entlang der gesamten Länge der
EDF 1520 vertikal polarisiert ist. Das Rückwärts-Superfluoreszenz-Licht
der EDF 1520 hat zwei Polarisations-Komponenten, die hier
als A und B bezeichnet werden. Unter der Annahme einer vernachlässigbaren Doppelbrechung
wird die Komponente A vertikal polarisiert, während sie durch die EDF 1520 von
rechts nach links hindurchläuft,
das heißt
sie ist parallel zu der Pump-Polarisation und erfährt eine
Verstärkung
von gpar. Andererseits ist die Komponente
B durch die EDF 1520 horizontal polarisiert (ebenfalls
von rechts nach links), das heißt
senkrecht zu der Pump-Polarisation. Entsprechend erfährt die
Komponente B aufgrund der Polarisations-abhängigen Verstärkung eine
unterschiedliche (geringfügig
niedrigere) Verstärkung
an gperp. Nach der Reflexion an dem FRM 1538 wird
die Polarisation der Komponente A um +90 Grad gedreht, das heißt sie wird im
wesentlichen horizontal polarisiert, während die Polarisation der
Komponente B ebenfalls um +90 Grad gedreht wird und vertikal polarisiert
wird. Wenn die Komponente A nunmehr ein zweites Mal durch die EDF 1520 hindurchläuft, ist
ihre Polarisation nunmehr senkrecht zu der Pump-Polarisation, und
sie erfährt
eine Verstärkung
von gperp. Weil sie bereits eine Verstärkung gpar während
ihres ersten Durchganges durch die EDF 1520 erfahren hat,
ist die Gesamt-Verstärkung,
die sie am Ende ihres zweiten Durchganges erfahren hat, gleich gA = gpar + gperp. In gleicher Weise ist, wenn die Komponente
B ein zweites Mal durch die EDF 1520 hindurchläuft, ihre
Polarisation nunmehr parallel zu der Pump-Polarisation, und sie
erfährt
eine Verstärkung
gpar. Weil sie bereits eine Verstärkung gperp während
ihres ersten Durchlaufs durch die EDF 1520 erfahren hat,
ist die Gesamt-Verstärkung,
die die Komponente B am Ende ihres zweiten Durchganges erfahren
hat, gleich gB = gperp +
gpar, was gleich gA ist.
Das Endergebnis besteht darin, dass beide Polarisations-Komponenten
des Superfluoreszenz-Lichtes die gleiche Verstärkung erfahren haben, und dass
sie entsprechend das gleiche Spektrum aufweisen. Dieser Begründungs-Strang
gilt für
irgendeine willkürliche
Pump-Polarisation. Damit ist in 2A die
mittlere Wellenlänge
des Lichtes, das die SFS verläßt und das
eine Reflexion an dem FRM 1538 durchlaufen hat (der Doppel-Durchgangs-Beitrag
zu dem Ausgangssignal) gegenüber
der Polarisation des Pump-Lichtes relativ unempfindlich. Das die
SFS in 2A verlassende Licht schließt jedoch
auch eine ASE ein, die nur einen einzigen Durchgang durch die EDF 1520 ausgeführt hat,
nämlich
von links nach rechts. Die mittlere Wellenlänge dieses Lichtes erfährt die übliche Abhängigkeit
von der Pump-Licht-Polarisation doch ist die Intensität dieser
Einzel-Durchgangs-Komponente
des SFS-Ausganges wesentlich niedriger, als die des Lichtes, das zwei
Durchgänge
durch die EDF 1520 ausführt
(das zweimal verstärkt
wird). Die resultierende Wirkung besteht darin, dass die mittlere
Wellenlänge
des Gesamt-Ausgangs
bei der Ausführungsform
nach 2A relativ stabil gegenüber der Pump-Polarisation ist.
Simulationen für
den ASE-Ausgang von dieser Ausführungsform,
die mit diesen Schlussfolgerungen übereinstimmen, werden nachfolgend
geliefert.
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Das
spektrale Ausgangssignal von der Ausführungsform nach 2B ist
stabiler als das nach 2A, und zwar aus zumindest zwei
Gründen.
Erstens durchläuft
in 2B das Pump-Licht von der Pump-Quelle 1526 eine
Reflexion an dem FRM 1538, so dass das reflektierte Pump-Licht
eine Polarisation hat, die präzise
orthogonal zu der des sich in Vorwärts-Richtung ausbreitenden
(einfallenden) Pump-Lichtes an jedem Punkt entlang der EDF 1520 ist – die EDF
wird effektiv bidirektional gepumpt, wobei sich entgegengesetzt
ausbreitende Signale orthogonale Polarisations-Zustände aufweisen.
Entsprechend ist die mittlere Wellenlänge der Doppel-Durchgangs-Komponente
noch weniger gegenüber
Pump-Polarisations-Änderungen empfindlich.
Zweitens ist die Ausführungsform
nach 2B so konfiguriert, dass der Einzel-Durchgangs-ASE-Beitrag
zu dem SFS-Ausgang durch die bidirektional gepumpte EDF erzeugt
wird. Somit ist die Wellenlänge
dieser Einzel-Durchgangs-Komponente weniger empfindlich gegenüber Pump-Polarisations-Änderungen.
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Dennoch
kann erwartet werden, dass der Ausgang von der SFS nach 2B irgendeine
restliche mittlere Wellenlängen-Abhängigkeit
von der Pump-Polarisation aus den folgenden Gründen aufweist. Die Pump-Leistung,
die sich in der Vorwärts-Richtung ausbreitet,
ist größer als
die, die sich in der Rückwärts-Richtung
ausbreitet (weil ein gewisser Teil des sich in Vorwärts-Richtung
ausbreitenden Pump-Lichtes bei seinem ersten Durchgang durch die
EDF absorbiert wird), obwohl diese Differenz in den Grenzen beträchtlich
verringert wird, dass die Pump-Leistung extrem hoch ist, und die
EDF 1520 ausgebleicht wird. Weiterhin ist die Verstärkung in
einer EDF in der Vorwärts-Richtung
geringfügig
niedriger (in der gleichen Ausbreitungs-Richtung wie die Pumpe),
als in der Rückwärts-Richtung
(gegensinnige Ausbreitung zur Pump-Leistung). Allgemein kompensieren
sich diese zwei Effekte lediglich teilweise.
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Im
Allgemeinen kann erwartet werden, das sich der Polarisationszustand
(SOP) des Pump-Lichtes periodisch entlang der EDF 1520 mit
einer Periode von Lb ändert, die von der Doppelbrechung
der Lichtleitfaser abhängt.
Bei typischen, eine niedrige Doppelbrechung aufweisenden Fasern
liegt diese diese Periode Lb im Bereich
von einigen wenigen Zehntel eines Zentimeters oder mehr. In ähnlicher
Weise ändert
sich auch der SOP jeder Frequenz-Komponente des ASE-Signals, das
die EDF durchläuft,
periodisch entlang der EDF mit einer Periode Lb', die von Lb verschieden ist. Diese Differenz ergibt
sich hauptsächlich
aus der Tatsache, dass die Pumpe und das ASE-Signal unterschiedliche
Wellenlängen
haben. Somit haben an periodischen Stellen entlang der EDF 1520 das
Pump-Licht und eine vorgegebene Frequenz-Komponente des ASE-Signals
parallele (lineare oder zirkulare) Polarisationen, während an
anderen periodischen Stellen entlang der EDF das Pump-Licht und
diese vorgegebene Frequenz-Komponente des ASE-Signals orthogonale
(lineare oder zirkulare) Polarisationen haben. Wenn der Abstand
zwischen diesen Stellen von zueinander parallelen und orthogonalen
Polarisationen kurz genug ist, das heißt wesentlich kürzer als
die Pump-Absorptionslänge
der EDF 1520, erfährt
diese vorgegebene ASE-Frequenz-Komponente eine Verstärkung aufgrund
des Pump-Lichtes, das abwechselnd parallel und orthogonal in der
Polarisation dieser vorgegebenen Frequenz-Komponente polarisiert
ist. Entsprechend werden die Änderungen
der Verstärkung,
die sich aus den Änderungen
der Polarisation des Pump-Lichtes entlang der EDF 1520 ergeben,
ausgemittelt. Kurz gesagt erfährt
jede ASE-Signal-Frequenz-Komponente eine geringere Polarisations-abhängige Verstärkung (PDG),
als dies der Fall sein würde,
wenn das Pump-Licht und das ASE-Signal über die gesamte Länge der
EDF 1520 parallel bleiben würden. Das Ergebnis besteht
darin, dass das Vorhandensein der Doppelbrechung in einer EDF, was üblich ist, die
PDG verringert. Entsprechend verringert die Doppelbrechung in der
EDF 1520 die Differenz zwischen den mittleren SFS-Spektrum-Wellenlängen, deren
orthogonalen Polarisationen (was hier mit Δ bezeichnet wird) auf einen
Wert, der niedriger ist, als dies der Fall sein würde, wenn
das ASE- und das Pump-Licht feste relative Polarisationen über die
gesamte EDF haben würden.
Ein Nebeneffekt dieser Tatsache besteht darin, dass das Pump-Licht,
das eine lineare Polarisation entlang der gesamten Länge der
EDF 1520 hat, für
die Verringerung der Polarisations-abhängigen Verstärkung und
der Größe Δ ungünstig ist
(die ein Maß der
Stabilität
der mittleren Wellenlänge
des SFS-Spektral-Ausganges ist).
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Das
Ausgangs-Spektrum einer Er-dotierten SFS wurde mit einem Computer-Code
modelliert, der die Entwicklung sowohl der Pump- als auch der Superfluoreszenz-SOPs entlang der
EDF berücksichtigt
(siehe Wagener et al, weiter oben). 3 zeigt
optische Spektren für
die Konfiguration nach 2A sowie für eine Konfiguration analog
zur 2A, bei der der FRM 1538 durch einen
Standard-Spiegel
ersetzt wurde. Für
diese Berechnungen wurde die Pump-Leistung mit 30 mW (bei 1480 nm)
gewählt,
und die Lichtleitfaser-Länge
betrug 6 Meter. Die Lichtleitfaser-Parameter wurden als Standard-EDF-Parameter
angenommen, nämlich
die Kleinsignal-Spitzen-Absorption der Lichtleitfaser bei 1530 nm
betrug 23,7 dB/m, und der Lichtleitfaser-Sättigungs-Parameter, der als
das Produkt der effektiven Pump-Moden-Fläche und der Konzentration der
Erbium-Ionen dividiert durch die Lebensdauer der Erbium-Ionen im
angeregten Zustand definiert ist, betrug 1,3 × 10+16/m/s.
Der Exzentrizitäts-Koeffizient
der Erbium-Ionen wurde mit 0,6 angenommen. Dieser Koeffizient ist in
der Veröffentlichung
von J. L. Wagener, „Erbium
doped fiber sources and amplifiers for optical sensors", Ph. D. Dissertation,
Applied Physics Department, Stanford University (März 1996);
und J. L. Wagener, D. G. Falquier, M. J. F. Digonnet und H. J. Shaw, „A Mueller
Matrix Formalism for Modeling Polarization Effects in Erbium-Doped
Fiber", J. Lightwave
Technology Band 16, Seiten 200–206
(Februar 1998) definiert und erläutert. Die
Polarisation der Pumpe in den vier gezeigten Simulationen wurde
als linear entlang der gesamten Länge der EDF 1520 angenommen
(hier als die „x"-Polarisation definiert).
Die höchste
Kurve in 3 ist das Ausgangs-Spektrum
für die
ASE, die entlang der Polarisation der Pumpe (x-polarisiert) ist,
wobei ein Standard-Spiegel anstelle eines FRM verwendet wird. Das
niedrigste Spektrum ist das Ausgangs-Spektrum für die ASE mit einer Polarisation
senkrecht zu der Polarisation der Pumpe (y-polarisiert), ebenfalls
unter Verwendung eines Standard-Spiegels. Wie erwartet unterscheiden
sich diese beiden Spektren merklich. Die berechnete Differenz zwischen
den mittleren Wellenlängen
dieser zwei Spektren (Δ)
beträgt
ungefähr
100 Teile pro Millionen (ppm).
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Analoge
Berechnungen für
die Ausführungsform
nach 2A, die einen FRM verwendet, zeigen jedoch, dass
die ASE-Spektren für
die x- und y-Polarisationen sehr weitgehend gleich sind (siehe 3).
Der Wert Δ für diese
beiden Spektren beträgt
lediglich ungefähr
15 ppm, was mit dem vorstehend vorausgesagten Effekt übereinstimmt:
der FRM 1538 bewirkt eine Ausgleich der ASE-Spektren von
orthogonalen Polarisationen. Es sei jedoch bemerkt, dass, wie dies
weiter oben erläutert
wurde, die lineare Pump-Polarisation, die in diesen Berechnungen
angenommen wird, die am wenigsten wünschenswerte Pump-Polarisations-Konfiguration ist,
und dass in irgendeiner praktisch arbeitenden SPS das Pump-Licht nicht entlang
der Länge
der EDF 1520 linear polarisiert bleibt. Somit ist in der
Praxis Δ noch
niedriger (das heißt
besser), als dies durch die Simulationen angezeigt ist, und zwar
sowohl für
die FRM-Ausführungsform
nach 2A als auch das Gegenstück mit einem Standard-Reflektor.
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4 zeigt
die vorausgesagte Abhängigkeit
von Δ von
der Länge
der EDF 1520 unter Verwendung des vorstehend erläuterten
Computer-Codes und der vorstehend genannten Annahmen für die Vorwärts-Doppel-Durchgangs-SFS
nach 2A. Die obere Kurve in 4 stellt
Berechnungen für
eine Ausführungsform dar,
die einen Standard-Spiegel anstelle eines FRM verwendet, und die
untere Kurve stellt Berechnungen für eine Ausführungsform dar, die einen FRM
verwendet. Für
alle die EDF-Längen
reduziert der FRM Δ um
einen erheblichen Faktor, der allgemein mit zunehmender Lichtleitfaser-Länge ansteigt.
Für eine
Länge von
10 Metern einer EDF ist dieser Faktor beispielsweise angenähert gleich
18. Es sei bemerkt, dass in praktisch arbeitenden Ausführungsformen
die maximale Länge
der Lichtleitfaser durch andere Erwägungen beschränkt sein kann.
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Die
Länge der
EDF beeinflusst weiterhin die Leistung, die von der SFS emittiert
wird, wie dies in 5 gezeigt ist, die die simulierte
ASE-Leistung, die von der SFS emittiert wird, gegenüber der
Länge der
EDF darstellt. Wie dies in der Technik gut bekannt ist, gibt es
eine EDF-Länge,
die die Ausgangsleistung zu einem Maximum macht. Für die spezielle
Lichtleitfaser und die Pump-Leistung, die hier modelliert wird (die
gleichen vorstehend erläuterten
Annahmen wurden zur Erzeugung der 5 verwendet)
beträgt
die optimale EDF-Länge in
dem Bereich von 4 bis 6 Meter. 5 zeigt
weiterhin, dass die Ausgangsleistung die gleiche ist, unabhängig davon,
ob ein FRM oder ein Standard-Spiegel in der SFS verwendet wird.
Damit besteht eine Möglichkeit
zur Implementierung der hier beschriebenen Ausführungsformen darin, diejenige
EDF-Länge
auszuwählen,
die die Ausgangsleistung der SFS für eine vorgegebene Pump-Leistung
zu einem Maximum macht. Wenn ein FRM verwendet wird, führt dies
zu einer guten Reduzierung von Δ gegenüber dem,
was unter Verwendung eines Standard-Spiegels erzielt werden kann (ein Faktor
von 6,5 in diesem Beispiel, siehe 4). Eine
weitere Option besteht in der Auswahl einer EDF-Länge, die
größer als
dieser optimale Wert ist, was eine geringfügig niedrigere Ausgangsleistung,
jedoch einen kleineren Wert Δ ergibt
(das heißt
eine größere mittlere
Wellenlängen-Stabilität bezüglich der
Pump-Polarisation). Beispielsweise wird mit einer EDF-Länge von
10 m die Ausgangsleistung um lediglich 10% verringert (siehe 5),
während
der Polarisations-Abhängigkeits-Faktor
um einen Faktor von 2,8 verringert wird (siehe 4).
In der Praxis können
die Anforderungen einer bestimmten Anwendung die optimale Lichtleitfaser-Länge bestimmen.
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Simulations-Ergebnisse
sind in 6 unter Verwendung des oben
erwähnten
Codes über
einen beschränkten
Bereich von Lichtleitfaser-Längen
dargestellt, für
die der Code konvergiert, wenn die Rückwärts-Doppel-Durchgangs-Konfiguration
simuliert wird. Für
die spezielle modellierte Lichtleitfaser (die Lichtleitfaser-Parameter waren die
gleichen wie zuvor) betrug die maximale Länge, für die der Code konvergierte,
ungefähr
3 m. Die Kurve (5) modelliert das SFS-Ausgangssignal für die Vorwärts-Konfiguration,
die in 2A gezeigt ist, bei der lediglich
die ASE durch die EDF 1520 hindurch von dem FRM 1538 reflektiert
wird (dies Kurve ist ein Teil der unteren Kurve nach 4).
Die Kurve (1) modelliert das SFS-Ausgangssignal
von einer Vorwärts-Konfiguration
analog zur 2A, bei der der FRM 1538 durch
einen Standard-Reflektor ersetzt wurde (d. h. einen Nicht-FRM),
der wiederum lediglich die ASE reflektiert (diese Kurve ist ein
Teil der oberen Kurve nach 4). Die
Kurve in (4) modelliert das SFS-Ausgangssignal von der Rückwärts-Konfiguration
nach 2B, bei der sowohl die ASE als auch das Pump-Licht
durch die EDF 1520 zurück
reflektiert werden. Die Kurve (6) modelliert das SFS-Ausgangssignal
von einer Rückwärts-Konfiguration
wie in 2B, jedoch mit der Ausnahme,
dass ein dichroitischer FRM verwendet wird, so dass kein Pump-Licht
zurück
durch die EDF 1520 reflektiert wird, sondern die ASE durch
die EDF 1520 zurückreflektiert
wird. Die Kurve (2) modelliert das SFS-Ausgangssignal von einer
Rückwärts-Konfiguration
analog zur 2B, bei der der FRM 1538 durch
einen Standard-Reflektor ersetzt wurde, der sowohl die ASE als auch
das Pump-Licht durch die EDF 1520 hindurch reflektiert.
Die Kurve (3) modelliert den SFS-Ausgang von einer Rückwärts-SFS-Konfiguration
analog zur 2B, bei der der FRM 1538 durch
einen dichroitischen Standard-(Nicht-FRM-)Reflektor ersetzt wurde, der
die ASE durch die EDF 1520 zurückreflektiert, jedoch kein
Pump-Licht zurück
durch die EDF 1520 reflektiert.
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Wie
erwartet ist Δ allgemein
für die
Kurve (2) schlechter als für
die Kurve (1), weil mit einem Standard-Reflektor das reflektierte
Pump-Licht die gleiche Polarisation wie das einfallende Pump-Licht
hat, so dass das reflektierte Pump-Licht zu einer höheren PDG
beiträgt,
und damit zu einem höheren Δ. (Der Code
nimmt keine Doppelbrechung der Lichtleitfaser an, so dass die Polarisation
des Pump-Lichtes entlang der Länge
der EDF linear ist). Wenn das Pump-Licht nicht durch die EDF 1520 zurück reflektiert
wird (siehe Kurve (3)), so ist zu erwarten, dass Δ kleiner
als bei der Kurve (2) ist, doch sagt aus Gründen, die noch untersucht werden,
der Code einen größeren Wert
von Δ voraus,
wie dies durch die Kurve (3) gezeigt ist.
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Die
Rückwärts-SFS-Konfiguration,
die einen FRM 1538 verwendet, der Pump-Licht zurück durch
die EDF 1520 reflektiert (Kurve (4)), ergibt beträchtlich
bessere Ergebnisse (niedrigerer Wert Δ) als die Vorwärts-SFS-Konfiguration,
die einen FRM 1538 verwendet (Kurve (5)), wie dies erwartet
wird. Wenn ein dichroitischer FRM in der Rückwärts-Konfiguration verwendet
wird, so dass das Pump-Licht nicht reflektiert wird (Kurve (6))
so weist die Rückwärts-SFS
ungefähr
den gleichen Wert von Δ auf,
wie die Vorwärts-Konfiguration
die in der Kurve (5) gezeigt ist. Dies wird erwartet, weil die grundlegende
Verbesserung einer Rückwärts-Konfiguration
gegenüber
einer Vorwärts-Konfiguration
darin besteht, dass das Pump-Licht reflektiert werden kann. Eine
Beseitigung der Pump-Reflexion bringt Δ im Wesentlichen auf den Wert
zurück,
den er in der Vorwärts-Konfiguration
hatte.
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6 zeigt
weiterhin, dass die Verwendung eines FRM den Wert von Δ wesentlich
verringert, verglichen mit einer Quelle mit einem Standard-Spiegel,
und zwar um einen Faktor von ungefähr 7 für eine Lichtleitfaser von 3
Metern (Rückwärts-Konfiguration), und
um einen Faktor von ungefähr
17 für
eine Lichtleitfaser mit 2 Metern auf ungefähr 7 ppm (Kurve (4) verglichen
mit Kurve (2)).
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7 zeigt
eine weitere SFS-Ausführungsform,
die einen FRM 1538 zur Reduzierung der Wellenlängen-Abhängigkeit
des Ausgangssignals von der Polarisation der Pump-Quelle 1526 verwendet.
Im Gegensatz zu den Ausführungsformen
nach den 2A und 2B verwendet
diese Ausführungsform
jedoch eine die Polarisation aufrechterhaltende mit Erbium dotierte
Lichtleitfaser (PM EDF) 1520' und
einen die Polarisation aufrechterhaltenden WDM-Koppler 1532'. Auch hier
wird wiederum ein optischer Isolator 1542 an dem Ausgangsende
verwendet, bei dieser Ausführungsform
wird das Pump-Licht von der Pump-Quelle 1526 in den PM WDM-Koppler 1532' eingekoppelt,
so dass die Polarisation des Pump-Lichtes, das auf die PM EDF auftrifft, eine
gleiche Leistung auf jede der zwei doppelbrechenden Achsen der EDF 1520' überträgt. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ausgangs-Lichtleitfaser
des PM WDM-Kopplers 1532' an
der PM EDF 1520' derart
angebracht wird (beispielsweise durch Spleißen oder auf andere Weise),
dass deren Doppelbrechungs-Achsen unter 45° zueinander stehen, wobei in
diesem Fall die Pumpe, die linear polarisiert ist, mit ihrer Polarisation
mit einer der Doppelbrechungs-Achsen des PM WDM-Kopplers 1532' ausgerichtet abgestrahlt
werden muss. Ein weiteres Verfahren besteht in dem Anbringen (wiederum
durch Spleißen
oder auf andere Weise) der Ausgangs-Lichtleitfaser des PM WDM-Kopplers 1532' an der PM EDF 1520' derart, dass
deren Doppelbrechungs-Achsen miteinander ausgerichtet sind, wobei
in diesem Fall die Pump-Polarisation unter 45° zu dem Doppelbrechungs-Achsen
des PM WDM-Kopplers 1532' abgestrahlt
werden muss. Die Pump-Polarisation an dem Eingang der EDF 1520' ist nicht notwendigerweise
linear, sondern sie kann irgendeine einer Anzahl von Polarisationen
(beispielsweise zirkular) sein, die gleiche Leistungen in die zwei Doppelbrechungs-Achsen
einstrahlen.
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Wie
dies weiter oben diskutiert wurde, ändern sich der SOP sowohl des
Pump-Lichtes als
auch der verschiedenen Frequenz-Komponenten des ASE-Signals periodisch
entlang der Länge
der EDF 1520',
jedoch mit unterschiedlichen Perioden, wodurch die PDG verringert
wird. Daher verringert die SFS nach 7 die PDG
in mehr als einer Weise. Die erste Weise erfolgt durch das Vorhandensein
eines FRM. Die zweite Weise erfolgt durch das Vorhandensein der
Doppelbrechung in der EDF. Weil eine PM-Lichtleitfaser eine wesentlich kürze Überlagerungs-Länge hat,
und somit eine kürze
Differenz Lb – Lb' als eine Standard-Nicht-PM-Lichtleitfaser, ist
der Mittelwertbildungs-Effekt der Polarisation bei der PM-Konfiguration nach 7 stärker. Entsprechend
wird bei der Ausführungsform
nach 7 Δ noch
weiter verglichen mit den Ausführungsformen
nach den 2A und 2B verringert.
Eine Ausführungsform ähnlich der 7,
jedoch mit dem FRM auf der anderen Seite des Kopplers 1532', ergibt ähnliche
Vorteile.
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Ein
Prototyp einer SFS-Ausführungsform,
die einen FRM verwendet, ist in 8 gezeigt.
Pump-Licht mit 1480 nm von einem mit einem Lichtleitfaser-Anschluss-Stück versehenen
Halbleiter-Laser 1600 wurde in die EDF 1520 über eine
oberen linken Port 1604 eines WDM-Lichtleitfaser-Kopplers 1608 eingekoppelt.
Eine erste Polarisations-Steuer-Einrichtung PCpump 1620 wurde
zwischen der Pump-Quelle 1600 und dem WDM-Kuppler 1608 angeordnet,
um Änderungen
der Polarisation des Pump-Lichtes anzuwenden, das in die Lichtleitfaser 1520 eingestrahlt
wurde. Ein Reflektor 1624 an dem Pumpen-Ende der SFS hatte
eine große
Reflektivität
bei den ASE-Wellenlängen
und war entweder ein hoher Standard-(Nicht-FRM-) Reflektor (HR) oder ein
Faraday-Rotator-Spiegel. Der Reflektor 1624 wurde an dem
unteren linken Port 1628 des WDM-Kopplers 1608 angebracht,
wie dies in 8 gezeigt ist. Die Pump-Leistung
und die Pump-Wellelänge
wurden während aller
Messungen konstant gehalten.
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Der
WDM-Koppler 1608 war so ausgelegt, dass er den größten Teil
des Pump-Lichtes
in die EDF 1520 einkoppelt, während der größte Teil
der ASE von der EDF 1520 an den Reflektor 1624 übertragen
wird, wodurch diese Ausführungsform
zu einer Doppel-Durchgangs-SFS gemacht wurde. Die von der EDF 1520 abgegebene
ASE wurde mit einem polarisationsabhängigen Mess-System 1634 analysiert,
das eine zweite Polarisations-Steuerung PC 1638 gefolgt
von einer polarisierenden Lichtleitfaser 1642 (die als
ein Polarisator wirkte) und einem optischen Isolator 1542 einschloss.
Das ASE-Licht, das aus dem optischen Isolator 1542 austritt, durchlief
eine Lichtleitfaser 1646 und wurde in einem optischen Spektrum-Analysator
(OSA) 1650 zum Gewinnen des optischen Spektrums des ASE-Ausganges
eingekoppelt. Ein Computer 1654 zeichnete dieses Spektrum
auf und berechnete dessen mittlere Wellenlänge. Diese Erfassungs- und
Berechnungs-Operationen wurden ungefähr einmal alle 5–10 Sekunden
durchgeführt.
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Die
Abhängigkeit
der mittleren Wellenlänge
des ASE-Ausganges bezüglich
der Polarisation wurde durch Einstellen der zwei Polarisations-Steuerungen 1620, 1638,
eine zu einer Zeit, über
alle möglichen
Polarisations-Zustände
untersucht. Die Polarisations-Steuerung PCpol 1638 ermöglichte
eine Änderung
derjenigen Komponenten des ASE-Ausganges, die von dem Polarisator 1642 übertragen
wurde, so dass der OSA 1650 die mittlere Wellenlänge jeder
der zwei orthogonalen linearen Komponenten des ASE-Ausganges analysieren konnte.
In ähnlicher
Weise bestand die Aufgabe der Polarisations-Steuerung PCpump 1620 darin, die Polarisation
des Pump-Lichtes zu ändern,
das in die EDF 1520 abgestrahlt wurde, und somit die Wirkung
der Pump-Polarisations-Abweichungen auf die mittlere Wellenlänge mit
irgendeiner vorgegebenen Linear-Polarisations-Komponente des SFS-Ausganges
auszuwerten.
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Die
erste Serie von Test wurde mit einer EDF 1520 mit einer
Länge von
6 Metern durchgeführt.
Die Ergebnisse dieser Messungen sind nachfolgend in der Tabelle
1 zusammengefasst. Wenn ein Standard-HR als der Reflektor 1624 verwendet wurde,
betrug die Spitze-zu-Spitze-Änderung
der mittleren Wellenlänge,
die gemessen wurde, während
die PCpump 1620 über alle
möglichen
Polarisations-Zustände eingestellt
wurde, 16 ppm, während,
wenn die PCpol 1638 eingestellt
wurde, die Änderung 40 ppm
betrug. Dies heißt
mit anderen Worten, dass für
eine vorgegebene Position der PCpump 1620 der
Ausgang der Doppel-Durchgang-SFS leicht polarisiert wurde, mit einem Δ von 40 ppm.
Die mittlere Wellenlänge
bei einer vorgegebenen Polarisations-Komponente des SFS-Ausganges
war ebenfalls gegenüber
der Pump-Polarisation empfindlich und änderte sich um 16 ppm. Wenn
ein FRM als der Reflektor 1624 verwendet wurde, wurde sowohl
der Wert von 40 ppm als auch der Wert von 16 ppm auf 10 ppm verringert
(siehe Tabelle 1), was die Wirksamkeit der Verwendung eines FRM
zur Verringerung von Δ zeigt.
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Diese
Messungen wurden mit einer 15 m langen EDF wiederholt, um zu verifizieren,
dass eine größere EDF-Länge eine
größere Verringerung
von Δ ergeben
würde,
wie dies durch die theoretischen Ergebnisse nach 4 angedeutet
wird. Die Ergebnisse, die mit einer EDF von 15 Metern gewonnen wurden,
sind nachfolgend in der Tabelle 2 angegeben.
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In Übereinstimmung
mit dem durch die Theorie vorausgesagten Trend vergrößerte sich Δ von 40 auf 45
ppm mit der 15 m langen EDF, wenn ein HR als der Reflektor 1624 verwendet
wurde, und PCpol 1638 eingestellt
wurde. Wenn ein FRM als der Reflektor 1624 verwendet wurde
und die PCpol 1638 eingestellt
wurde, wurde Δ als
unter 3,5 ppm liegend gemessen (was angenähert das Grund-Rauschen des
Instruments ist). Hinsichtlich der Abhängigkeit von Δ von der
Pump-Polarisation wurde festgestellt, dass diese geringfügig anstieg, von
18 ppm auf 22 ppm, doch erscheint im Hinblick auf das Grund-Rauschen
des Instruments (ungefähr
3 ppm) dieser Anstieg nicht signifikant zu sein. Die Daten für eine EDF
mit einer Länge
15 Metern zeigen, dass eine größere Verringerung
des Grades der Polarisation des Ausganges (herunter auf 3,5 ppm)
unter Verwendung einer längeren
EDF 1520 mit lediglich einer geringen Verringerung der
Ausgangsleistung erzielt werden kann (siehe 5). Die
experimentell bestimmten PCpol-Werte sind
in 4 dargestellt.
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Der
relativ große
Restwert von Δ,
der festgestellt wird, wenn PCpump 1620 in
der FRM SFS nach 8 eingestellt wird, ergibt sich
weitgehend aus dem polarisationsabhängigen Verlust (PDL) in dem
WDM-Koppler 1608. Dieser PDL wurde mit 0,1 dB gemessen,
das heißt,
die Koppler-Übertragung
bei der Pump-Wellenlänge änderte sich
mit der Ausrichtung der linearen Eingangs-Pumpen-Polarisation um 0,1 dB. Wenn somit die
PCpump 1620 eingestellt wurde, änderte sich
die in die EDF 1520 eingestrahlte Pump-Leistung um 0,1
dB oder 0,75 mW. Es ist gut bekannt, dass die mittlere Wellenlänge von
der Pump-Leistung abhängt.
Für diese
Quelle wurde dies durch eine Änderung
um 20 ppm/mW für
die SFS mit einer EDF von 6 Metern simuliert, und durch 60 ppm/mW
für die
SFS mit 15 Meter. Eine Multiplikation dieser Größen bei 0,75 mW ergibt 15 ppm
beziehungsweise 45 ppm, was die Trends in den Tabellen 1 und 2 unterstützt. Diese
unerwünschte
Wirkung kann dadurch korrigiert werden, dass ein Lyot-Depolarisator
zwischen dem WDM-Koppler 1608 und
der EDF 1520 angeordnet wird.
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Obwohl
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung hier beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen,
dass Änderungen
und Modifikationen daran gemacht werden können.
