DE60204709T2 - Faseroptische vorrichtungen unter verwendung des raman-effekts - Google Patents

Faseroptische vorrichtungen unter verwendung des raman-effekts Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auf optischen Fasern basierende Vorrichtungen, welche Raman-Streuung nutzen. Insbesondere weisen die Vorrichtungen optische Verstärker, optische Modulatoren und Laser auf.
  • Die Fähigkeit von optischen Quarzglasfasern, große Mengen an Information über lange zwischenverstärkerfreie Distanzen in Telekommunikationssystemen zu übertragen, macht Lichtwellenkommunikation sehr attraktiv. Zahlreiche Kanäle bei verschiedenen Wellenlängen können in der gleichen Faser gemultiplext werden, so daß die Nutzung der vorhandenen Bandbreite maximiert wird. Höhere Übertragungsleistungen und/oder Fasern mit geringerem Verlust können die Spielräume des Systems vergrößern.
  • Eine Vorrichtung, welche allgemein verwendet wird, um die Verluste in einer Faser zu kompensieren, ist der Erbium-dotierte Faserverstärker (erbium doped fibre amplifier, EDFA). Dieser beruht auf einer Quarzfaser, dotiert mit Erbium, welche, wenn sie mit Licht einer geeigneten Wellenlänge gepumpt wird, eine optische Verstärkung bereitstellt und daher die Verstärkung optischer Signale, welche durch die Faser laufen. Die Eigenschaften von Erbium bedeuten, daß die Bandbreite der verfügbaren Verstärkung ungefähr 30 bis 40 nm um 1550 nm liegt. Dies stellt eine deutliche Begrenzung der Bandbreite des Telekommunikationssystems als Ganzes dar, da nur optische Signale innerhalb dieses Wellenlängenbereichs angemessen übertragen werden können.
  • Auch scheinen Versuche, die Möglichkeiten von Quarzfasern für Telekommunikationsanwendungen vollständig zu nutzen, durch nicht-lineare Wechselwirkungen zwischen Information tragenden optischen Signalen, die in der Faser laufen und durch die Faser selbst begrenzt zu sein. Diese optischen Nichtlinearitäten können zu Verzerrung, zu einem Übermaß an Abschwächung und zu Interferenz der optischen Signale führen, was zu einem Güteabfall des Systems führt. Es gibt viele nicht-lineare optische Effekte in Quarzglasfasern, wobei jeder davon einzigartige Eigenschaften hat. Im allgemeinen können diese nicht-linearen Effekte in zwei Kategorien eingeteilt werden. Die erste betrifft elastische Phänomene. In einer optischen Faser hat der Kern, in dem die optischen Signale laufen, einen bestimmten Brechungsindex, welcher bestimmt, wie schnell das Licht durch ihn läuft. Jedoch kann sich dieser Brechungsindex, abhängig von der Intensität des Lichts, welches sich in dem Kern ausbreitet, ändern. Diese Intensitätsabhängigkeit des Brechungsindex wird der Kerr-Effekt genannt. Er kann Selbstphasenmodulation (self phase modulation, SPM) eines Signals verursachen, wodurch sich Licht in einem Wellenlängenkanal durch seine eigene Wechselwirkung mit dem Medium spektral in benachbarte Wellenlängenkanäle verbreitern kann. Er kann auch eine Kreuzphasenmodulation (Cross-Phase Modulation, XPM) verursachen, wodurch mehrere verschiedene Wellenlängen in einem WDM-System einander veranlassen, sich spektral zu verbreitern und ausbreiten. Letztlich kann er zu Vierwellenmischen (Four-Wave Mixing, FWM) führen, bei dem zwei oder mehr Signalwellenlängen wechselwirken, so daß eine neue Wellenlänge erzeugt wird. Eine zweite Kategorie von nicht-linearen Effekten wird durch stimulierte inelastische Streuung hervorgerufen, bei der Energie zwischen dem elektromagnetischen Feld und dem dielelektrischen Medium ausgetauscht wird. Effekte in dieser Kategorie sind die stimulierte Raman-Streuung (stimulated Raman scattering, SRS) und die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS), welche in Verbindung mit der Anregung von Schwingungsmoden von Quarz stehen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist, daß an der SRS optische Phononen beteiligt sind, während an der SBS akustische Phononen beteiligt sind.
  • Viele nicht-lineare Effekte können für Telekommunikationssystem problematisch sein. Jedoch kann die SRS für optische Verstärkung als eine Alternative zu EBFAs verwendet werden.
  • Der Raman-Effekt wird quantenmechanisch als eine Streuung eines einfallenden Photons durch ein Molekül in ein Photon mit niedrigerer Frequenz beschrieben, während gleichzeitig das Molekül einen Übergang zwischen vibronischen bzw. Schwingungsmoden macht. SRS tritt auf, wenn die einfallenden Photonen in einer sehr intensiven Pumpwelle enthalten sind. Dies führt zu der hohen Raman-Verstärkung, so daß viel Pumpenergie in Licht bei der niedrigeren Frequenz, die so genannte Stokes-Welle, übertragen wird. Dieser nicht-lineare Prozeß kann optische Fasern in Breitband-Raman-Verstärkern [1] Raman-Lasern [2] und auch SRS-basierte Modulatoren [3] verwandeln. Auf der anderen Seite kann er auch die Leistungsfähigkeit eines Mehrkanal-Lichtwellensystems dadurch begrenzen, daß er Energie von einem Kanal zu rotverschobenen benachbarten Kanälen überträgt.
  • Ein Raman-Verstärker bietet eine attraktive und bequeme Wahl eines breitbandigen optischen Verstärkers aufgrund der Tatsache, daß die Bandbreite der Verstärkung durch einfaches Ändern der Pumpwellenlänge abgestimmt werden kann. Die Verstärkung kann für eine gewünschte Kommunikationswellenlänge angepaßt werden, so daß der Nachteil der schmalen Verstärkungsbandbreiten von EDFAs vermieden wird. Daher liegt das besondere Interesse an Raman-Verstärkern in den optischen Kommunikationsbändern (kurzes (S-) Band und langes (L-) Band) außerhalb des konventionellen EDFA Verstärkungsfensters (C-Band). Darüber hinaus ist es durch Pumpen solcher Verstärker mit einer Kombination von verschiedenen Pumpwellenlängen möglich, die verfügbare Verstärkungsbandbreite weiter zu erweitern und zu formen.
  • Ein Problem des Raman-Verstärkers ist, daß er einen Pumplaser mit hoher Leistung benötigt. Jedoch macht die seit kurzem vorhandene Verfügbarkeit von Hochleistungslasern (typischerweise ungefähr 5 W) in dem 1400 nm-Bereich Raman-Verstärkung in den gewünschten S-, C- und L-Bändern möglich. Ein weiterer Nachteil der Raman-Verstärker ist die Notwendigkeit von langen Faserlängen (ungefähr 10 km), was die Größe und Kosten dieser Vorrichtungen erhöht.
  • Coen et al. (Optics Letters, Band 26, Seiten 1356–1358) haben die Verwendung stimulierter Raman-Streuung zur Erzeugung von weißem Superkontinuumlicht in photonischen Kristallfasern beschrieben. Die beobachtete spektrale Verbreiterung von 60 ps Pumppulsen wurde als Folge einer kombinierten Wirkung stimulierter Raman-Streuung und parametrischer Vierwellenmischerzeugung identifiziert. Die Faser hatte einen Kern aus reinem Quarzglas, umgeben von einem Array von mikroskopischen Luftlöchern, welche entlang ihrer gesamten Länge verliefen.
  • Furusawa et al. (Optic Society of America/Institute of Electrical and Electronics Engineers, Band 56, Seiten 319–320, 6. Mai 2001, ISBN 1-55752-662-1) haben die Verwendung einer Ytterbium-dotierten löchrigen Faser als Verstärkungsmedium in einem modengekoppelten Laser beschrieben.
  • Es ist daher erwünscht, einen optischen Faserverstärker bereitzustellen, welcher die Nachteile der bekannten Vorrichtungen aufgreift, insbesondere Probleme, die ihre Faserlänge und ihre begrenzte Bandbreite betreffen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein bestimmtes Problem, welches mit den langen Faserlängen verbunden ist, die in Standardfaser-Raman-Vorrichtungen benötigt werden, ist die Rayleigh-Rückstreuung. Dies trifft insbesondere in verteilten Raman-Verstärkern in Telekommunikationsnetzwerken zu. Sich ausbreitendes Licht bei allen Wellenlängen wird an Unregelmäßigkeiten kleiner Größe in dem Glas, aus dem die Faser hergestellt ist, in einer Rückwärtsrichtung gestreut; darüber hinaus kann das zurückgestreute Licht selbst gestreut werden (doppelte Rayleigh-Rückstreuung) und dann interferiert es mit dem in gleicher Richtung propagierenden (co-propagierenden) Signal. Dies ist eine Hauptquelle für Verlust und Rauschen und sie erhöht sich mit der Faserlänge, da mehr Streuereignisse im Lauf der Propagation auftreten können.
  • Eine löchrige optische Faser hat eine viel größere Nichtlinearität als die optische Standardfaser, welche in solchen Raman-Vorrichtungen verwendet wird, typischerweise zwischen zehn- und hundert mal größer als für eine Quarzfaser. Dies bedeutet, daß ein nützliches und vorteilhaftes Niveau an optischer Verstärkung oder an optischem Verlust über den Raman-Effekt in löchrigen Fasern erreicht werden kann, wobei eine viel kürzere Faserlänge verwendet wird, als benötigt wird, um die gleiche Menge an Verstärkung oder Verlust mit einer Standardfaser bereitzustellen. Zum Beispiel sind Vorrichtungslängen von nur mehreren 10 m oder weniger möglich, wenn löchrige Fasern verwendet werden, verglichen mit typischerweise 10 km Längen an konventionellen Fasern. Daher wird erwartet, daß die Rayleigh-Rückstreuung durch Verwendung einer löchrigen Faser als Raman-Verstärkungsmedium deutlich reduziert wird.
  • Entsprechend ist ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung wie in Anspruch 1 definiert, auf eine optische Faservorrichtung gerichtet, die im Gebrauch den Raman-Effekt ausnutzt und die aufweist:
    eine löchrige optische Faser mit einer Struktur, die es der Faser erlaubt, das Licht mit einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge zu leiten, und die zu einer Energieübertragung von dem Licht der ersten Wellenlänge, die sich in der Faser ausbreitet, zu der zweiten Wellenlänge innerhalb der Faser aufgrund des nicht-linearen optischen Prozesses der Raman-Streuung führt, so daß das Verhältnis der optischen Leistung der zweiten Wellenlänge in der Faser zur optischen Lei stung der ersten Wellenlänge in der Faser erhöht wird, wobei die löchrige optische Faser aus einem ersten Material hergestellt ist und einen Kernbereich hat, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, welcher der löchrigen optischen Faser eine größere Nichtlinearität als das erste Material gibt,
    eine erste optische Quelle, die derart betreibbar ist, daß sie Licht mit der ersten Wellenlänge mit einem ersten Leistungspegel emittiert und
    einen Koppler, der derart betreibbar ist, daß er Licht von der ersten optischen Quelle in die löchrige optische Faser koppelt, so daß das Licht der Raman-Streuung unterliegt.
  • Die reduzierte Vorrichtungslänge bietet eine Anzahl von weiteren Vorteilen, einschließlich einer reduzierten Vorrichtungsgröße, potentiell geringeren Kosten und geringeren Gesamthintergrundsverlusten. Die geringere Größe macht die Verpackung der Vorrichtungen bequemer und gibt eine höhere Betriebsstabilität, da die Sensitivität auf Umgebungsstörungen verringert ist. Auch kann ein höherer Wert an Transmissionsverlust pro Längeneinheit in der Faser toleriert werden, da der Gesamtverlust wahrscheinlich reduziert wird. Zusätzlich erlaubt die von löchrigen Fasern bereitgestellte größere Nichtlinearität und folglich die Verstärkung, die Verwendung von Pumpquellen mit geringerer Leistung als sie in Standard-Raman-Vorrichtungen benötigt wird. Dies reduziert die Kosten weiter und erlaubt es potentiell, einfach erhältliche Laservorrichtungen zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung bietet daher die vielen Vorzüge konventioneller Raman-Vorrichtungen, wie zum Beispiel abstimmbare und breitbandige Verstärkung oder Verlust, aber sie vermeidet einige der Nachteile, welche durch die Verwendung einer Standardfaser verursacht werden. Auch ist eine löchrige Faser extrem vielseitig und bietet viele vorteilhafte Charakteristiken, welche Raman-Vorrichtungen weiter verbessern. Die effektive Nichtlinearität pro Längeneinheit ist größtenteils eher durch die Faserstruktur bestimmt, als daß sie eine einfache Materialeigenschaft ist, und sie kann durch Anpassen der Größe und Verteilung der Faserlöcher so genau angepaßt werden, daß sie auf eine bestimmte Anwendung paßt. Auf gleiche Weise können die Moden-Propagationscharakteristiken wie erforderlich konstruiert werden. Löchrige Fasern können aus einem einzigen Material hergestellt werden, da die benötigte Brechungsindexänderung auch von den Löchern herrührt, anstelle davon, daß sie von den Materialien mit verschiedenem Index wie in einer Standardfaser bereitgestellt wird. Dies kann einer löchrigen Faser eine verbesserte Leistungshandhabungsfähigkeit geben. Auf der anderen Seite ist die Verwendung von Strukturen aus mehreren Materialien, die eine Variation des Materials über den Faserquerschnitt aufweisen, nicht von vorneherein ausgeschlossen und kann, wenn gewünscht, verwendet werden, um die Eigenschaften der löchrigen Faser für die Verstärkungsverteilung über die transversale Mode der Faser anzupassen. Ein Bereich von verschiedenen dotierten und nicht-dotierten Materialien kann so verwendet werden, daß eine Auswahl an Raman-Verstärkungsspektren zur Verfügung gestellt wird, in Abhängigkeit von den Raman-Eigenschaften der in Frage kommenden Materialien. Eine Dotierung kann verwendet werden, um das Verstärkungsspektrum zu modifizieren oder um eine sich ändernde Verstärkung entlang des Fasermodenprofils vorzusehen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Faservorrichtung so konstruiert, daß sie als ein optischer Faserverstärker betreibbar ist und weiterhin aufweist:
    einen Koppler, der so betreibbar ist, daß Licht mit der zweiten Wellenlänge mit einem zweiten Leistungspegel, der kleiner als der erste Leistungspegel ist, in die löchrige optische Faser eingekoppelt wird,
    wobei der Effekt der Raman-Streuung des Lichts von der ersten optischen Quelle verwendet wird, um eine optische Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge zu erzielen, so daß Licht, das sich mit der zweiten Wellenlänge innerhalb der Faser ausbreitet, verstärkt wird.
  • Auf dem Raman-Effekt basierende Faserverstärker sind eine nützliche Alternative zu dem weit verbreiteten Erbium-dotierten Faserverstärkern (erbium doped fibre amplifier, EDFA), insbesondere für Telekommunikationsanwendungen. Die Verstärkung hat eine viel größere Bandbreite und ist so abstimmbar, daß sie einen Zugang zu einem weit vergrößerten Bereich von Signalwellenlängen erlaubt, wodurch die Netzwerkkapazität erhöht wird. Jedoch sind die langen Längen von Standardfasern, die benötigt werden, um einen wünschenswerten Grad an Verstärkung zu erreichen, nachteilig, insbesondere in Bezug auf das Problem der Rayleigh-Rückstreuung, wie oben diskutiert. Die vorliegende Erfindung greift diese Nachteile dadurch auf, daß sie einen Raman-Verstärker vorsieht, welcher verglichen mit bekannten Vorrichtungen eine wesentlich reduzierte Vorrichtungslänge haben kann.
  • Wenn sie als ein Verstärker konfiguriert ist, kann die optische Faservorrichtung weiterhin eine zweite optische Quelle aufweisen, die betreibbar ist, um Licht mit der zweiten Wellenlänge mit dem zweiten Leistungspegel zu emittieren, wobei der Koppler derart konfiguriert ist, daß er Licht von der zweiten optischen Quelle in die löchrige optische Faser einkoppelt.
  • Alternativ kann die optische Faservorrichtung derart konfiguriert sein, daß sie als verteilter Verstärker für die Verwendung in einem Telekommunikationssystem betreibbar ist, indem der Koppler derart angeordnet ist, daß er optische Signale mit der zweiten Wellenlänge in die löchrige optische Faser einkoppelt, so daß die optischen Signale eine optische Verstärkung erfahren und verstärkt werden, während sie sich entlang der löchrigen optischen Faser ausbreiten.
  • Die optische Faservorrichtung kann darüber hinaus einen zweiten optischen Faserverstärker aufweisen, der betreibbar ist, um Licht bei einer dritten Wellenlänge zu empfangen und zu verstärken, und einen Ausgangskoppler, der betreibbar ist, um verstärktes Licht der zweiten Wellenlänge von der optischen Faservorrichtung zu empfangen, um verstärktes Licht der dritten Wellenlänge von dem zweiten optischen Faserverstärker zu empfangen, und das verstärkte Licht in einem einzigen Ausgang zu kombinieren. Der zweite optischer Faserverstärker kann verwendet werden, um das Verstärkungsprofil des Raman-Verstärkers mit löchriger Faser zu erweitern, zum Beispiel durch Zurverfügungstellen einer Verstärkung mit einem Maximum, welches teilweise das Verstärkungsmaximum des Raman-Verstärkers überlappt. Die optische Verstärkungsvorrichtung kann eine der folgenden sein: ein Erbium-dotierter Faserverstärker, ein Ytterbium-dotierter Faserverstärker, ein Erbium/Ytterbium-dotierter Faserverstärker, ein Praseodym-dotierter Faserverstärker, ein Thulium-dotierter Faserverstärker oder ein optischer Halbleiterverstärker.
  • Die optische Faservorrichtung kann weiterhin eine oder mehrere zusätzliche optische Quellen aufweisen, die betreibbar sind, um Licht bei der ersten Wellenlänge zu emittieren, und einen Koppler, der betreibbar ist, um Licht von der einen oder den mehreren zusätzlichen optischen Quellen in die löchrige Faser zu koppeln, so daß die optische Verstärkung, die bei der zweiten Wellenlänge bereitgestellt wird, vergrößert wird. Dies ist eine einfache Weise, den Ausgang des Verstärkers zu optimieren. Zum Beispiel kann eine Anzahl von preiswerten, einfach erhältlichen zuverlässigen optischen Pumpquellen so kombiniert werden, daß die benötigten Leistungs- und Verstärkungspegel bereitgestellt werden. Zusätzlich stellen zusätzliche Pumpquellen einen Grad an Pumpredundanz zur Verfügung, welche es dem Verstärker erlaubt, im Fall des Ausfalls einer oder mehrerer verschiedener Pumpquellen weiterzuarbeiten.
  • Alternativ kann die optische Faservorrichtung weiterhin eine oder mehrere zusätzliche optische Quellen aufweisen, die betreibbar sind, um Licht bei einer oder mehreren Wellenlängen, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheiden, zu emittieren, und einen Koppler, der betreibbar ist, um Licht von der einen oder den mehreren zusätzlichen optischen Quellen in die löchrige optische Faser einzukoppeln, so daß das Licht eine Raman-Streuung erfährt und eine Verstärkung bei einer oder mehreren Wellenlängen, die sich von der zweiten Wellenlänge unterscheidet, bereitstellt. Diese Anordnung erlaubt es, durch Überlappen der Verstärkungsprofile, welche von den verschiedenen Pumpwellenlängen bereitgestellt werden, die Gesamtverstärkung des Verstärkers zu erweitern und/oder anzupassen. Zum Beispiel kann ein Verstärker mit einem im wesentlichen flachen Verstärkungsprofil zur Verfügung gestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die optische Faservorrichtung so konfiguriert, daß sie als ein optischer Modulator betreibbar ist und weiterhin aufweist:
    eine zweite optische Quelle, die betreibbar ist, um Licht der zweiten Wellenlängen mit einem zweiten Leistungspegel größer als der erste Leistungspegel zu emittieren, und
    einen Koppler, der betreibbar ist, um Licht von der zweiten optischen Quelle in die löchrige optische Faser einzukoppeln,
    wobei der Effekt der Raman-Streuung des Lichts von der ersten optischen Quelle verwendet wird, um einen optischen Verlust bei der ersten Wellenlänge zu verursachen, so daß der erste Leistungspegel reduziert wird. Wenn sie als ein Modulator konfiguriert ist, ist die zweite optische Quelle vorzugsweise so betreibbar, daß sie Licht mit der zweiten Wellenlänge in Form von Pulsen emittiert, so daß der optische Verlust mit der Zeit variiert. Es wurde gefunden, daß der Raman-Effekt ein hilfreicher Weg zur Modulation eines optischen Signals durch Induzieren eines optischen Verlusts ist, welcher der Amplitude einer Pumpwelle folgt, so daß die Amplitudenmodulation der Pumpe invers zu einem Signal bei einer kürzeren Wellenlänge aufgeprägt wird. Die Verwendung einer löchrigen Faser als das Raman-Medium bietet viele der Vorteile einer löchrigen Faser in einem Raman-Verstärker, einschließlich einer reduzierten Vorrichtungslänge.
  • Die Pulse haben vorzugsweise eine Dauer von zwischen 1 fs und 100 ns und sie haben besonders bevorzugt eine Dauer zwischen 1 ps und 100 ps. Der Raman-Effekt hat eine sehr schnelle Antwortzeit, typischerweise weniger als 10 fs. Dies macht die Verwendung von ultrakurzen Modulationspulsen möglich, was zu einem Modulator führt, der Daten für Signalverarbeitungsanwendungen handhaben kann, welche Bitraten in der Größenordnung von 500 Gbit/s oder mehr erfordern.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die optische Faservorrichtung derart konfiguriert, daß sie als optischer Faserlaser betreibbar ist, wobei der Effekt der Raman-Streuung verwendet wird, um eine optische Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge bereitzustellen, so daß Licht mit der zweiten Wellenlänge, das durch die stimulierte Raman-Streuung des Lichts von der ersten Quelle erzeugt wird, verstärkt wird,
    wobei die Vorrichtung weiterhin aufweist:
    ein oder mehrere reflektive Elemente mit einer Reflektivität bei der zweiten Wellenlänge und die derart angeordnet sind, daß sie mehrere Durchläufe durch die löchrige optische Faser des Lichts mit der zweiten Wellenlänge verursachen, so daß die Laseraktion bei der zweiten Wellenlänge erzielt wird.
  • Die oben erwähnten Vorteile der Anwendung löchriger Fasern in Raman-Verstärkern gelten ebenso für Raman-Laser. Größenreduzierung von Laservorrichtungen aller Art ist ein Gegenstand großen Interesses und sie erlaubt leicht die Integration mit anderen optischen Komponenten.
  • Der Laser kann in verschiedenen Arten konfiguriert sein. Zum Beispiel können die reflektiven Elemente ein Spiegelpaar oder Volumen- bzw. Bulkgitter, die außerhalb der löchrigen optischen Faser angeordnet sind, oder Fresnel-Reflexionen von den Endfacetten der Faser oder einer Kombination aus diesen aufweisen. Solche Anordnungen können verwendet werden, um einen Laser des Fabry-Perot-Typs zu ergeben. Ebenfalls kann der Laser ein Ringlaser sein, in welchem die löchrige optische Faser in einer Ringkonfiguration angeordnet ist, so daß es Licht mit der zweiten Wellenlänge möglich ist, entlang des Rings zu zirkulieren.
  • Alternativ können die reflektiven Elemente ein Paar Faser-Bragg-Gitter aufweisen, die in die löchrige optische Faser eingeschrieben sind. Dies ergibt eine besonders stabile, robuste Vorrichtung mit einer wiederholbaren Leistungsfähigkeit, da Ausrichtungsschwierigkeiten, die mit externen Reflektoren verbunden sind, vermieden werden. Der Betrieb des Lasers kann über eine Raman-Kaskade erweitert werden, wenn der Laser weiterhin ein oder mehrere Paare von Faser-Bragg-Gittern aufweist, die in die löchrige optische Faser eingeschrieben sind und die Reflektivitäten bei einer oder mehreren Wellenlängen, die länger als die zweite Wellenlänge sind, haben, so daß Licht, welches durch Raman-Streuung des Lichts mit der zweiten Wellenlänge, das sich innerhalb der Faser ausbreitet, erzeugt wird, zu der einen oder den mehreren längeren Wellenlängen reflektiert wird.
  • In einer Ausführungsform kann die löchrige optische Faser eine Länge in einem der folgenden Bereiche haben: 10 m bis 10000 m; 10 m bis 100 m oder zwischen 10 m und 1000 m oder zwischen 100 m und 1000 m. Die richtige Länge für eine Anwendung wird durch Faktoren bestimmt, zum Beispiel wieviel Verstärkung benötigt wird und wie viele Transmissionsverluste toleriert werden können.
  • Das erste Material kann Quarz sein. Reines Quarz ist gut geeignet für die Herstellung von löchrigen Fasern mit hoher Qualität und es kann zu Fasern führen, welche eine höhere Leistungshandhabungsfähigkeit haben als Standardfasern.
  • Der Dotierstoff kann Ionen von einem oder mehreren der folgenden Elemente aufweisen: Germanium, Phosphor, Bor, Zinn, Blei, Wismut, Antimon, Erbium, Ytterbium und Aluminium. Die Dotierung kann so verwendet werden, daß verschiedene Eigenschaften der Faser maßgeschneidert werden, welche einen Einfluß auf die resultierende Raman-Verstärkung oder den Raman-Verlust haben. Zum Beispiel erhöht eine Germaniumdotierung in Quarz die Nichtlinearität der löchrigen Faser und führt durch die Beschränkung auf den Kern zu einer höheren Raman-Verstärkung für die Fundamental-Mode der löchrigen Faser.
  • Alternativ kann das erste Material ein Verbundglas sein. Diese Materialien haben typischerweise einen höheren Brechungsindex als Quarz und ebenfalls größere nicht-lineare Eigenschaften. Daher kann eine höhere Raman-Verstärkung erreicht werden. Zum Beispiel kann das Verbundglas Galliumlanthansulfidglas sein. Dieses Material hat ungefähr die 10-fache Nichtlinearität von Quarz, was es erlaubt, die Vorrichtungslängen noch weiter zu verkürzen. Die löchrige optische Faser kann eine Länge zwischen 1 und 10 m haben.
  • Löchrige optische Fasern können so konstruiert sein, daß sie große Moden- (Kern-) Bereiche aufweisen. Daher kann in einer Ausführungsform die löchrige optische Faser eine Faser mit großem Kernbereich sein, wobei sie einen Kernbereich mit einer Fläche größer als 100 μm2 hat. Dies bietet Vorteile für Hochleistungs-Raman-Laser und Raman-Verstärkeranwendungen, da die Leistungspegel an den Faserfacetten erhöht werden können, ohne dabei die Anfälligkeit für Facettenschäden zu erhöhen.
  • Die Nichtlinearität der löchrigen optischen Faser kann durch Modifizieren der Faserstruktur extensiv variiert werden. In einer der zuvor genannten Ausführungsformen kann die löchrige optische Faser eine effektive optische Nichtlinearität größer als 20 W–1km–1 haben. Um dies zu erreichen hat die löchrige optische Faser eine Struktur, die Löcher mit einem Querschnittsdurchmesser d und einem Loch-zu-Loch-Abstand Λ aufweist, so daß d/Λ < 0,6. Darüber hinaus kann der Abstand Λ < 4 μm, < 3 μm, < 2 μm oder < 1,5 μm sein.
  • Die löchrige optische Faser kann weiterhin eine Struktur haben, so daß sie eine endlose Einmodenpropagation bei mindestens der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge bereitstellt. Die Verwendung einer löchrigen Faser als ein Raman-Medium ist darüber hinaus dadurch vorteilhaft, daß es ein bestimmtes Merkmal der löchrigen Faser ist, daß sie eine Einmoden-Führung über einen erweiterten Wellenlängenbereich zur Verfügung stellt. Solche Fasern sind häufig als endlose Einmoden-Fasern bekannt. Dies ist ein einzigartiges und hochgradig vorteilhaftes Merkmal der löchrigen Fasertechnologie. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann Licht bei sowohl der ersten als auch der zweiten Wellenlänge als eine Fundamentalmode über die gesamte Faserlänge übertragen werden, was zu einer erhöhten Wechselwirkung und daher zu größerer Effizienz aufgrund höherer Modenüberlappung und ebenfalls zu einem Ausgangsstrahl mit guter Qualität führt. Auch kann die Systemstabilität verbessert werden. Eine endlos einmodige löchrige Faser ist weiterhin von Vorteil für Raman-Vorrichtungen, welche auf Kaskadeneffekten beruhen, in denen zusätzliche Wellenlängen durch stimulierte Raman-Streuung der ersten Stokes-Welle erzeugt werden, da die Faser bei allen betroffenen Wellenlängen, sowohl den erzeugten als auch den in die Fasern injizierten, einmodig ist. Um solch einen endlosen Einzelmodenbetrieb bereitzustellen, hat die löchrige optische Faser eine Struktur mit Löchern mit einem Querschnittsdurchmesser d und einem Loch-zu-Loch-Abstand Λ, so daß d/Λ < 0,3. Alternativ d/Λ < 0,3 und n > 4 μm oder d/Λ < 0,2 und Λ > 5 μm oder d/Λ < 0,1 und Λ > 5 μm. Alternativ ist die löchrige optische Faser effektiv eine endlos Einzelmodenfaser.
  • Ein zweiter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist, wie in Anspruch 37 definiert, auf ein Verfahren zum Verstärken von Licht bei einer zweiten Wellenlänge gerichtet, das aufweist:
    Bereitstellen von Licht bei einer ersten Wellenlänge mit einem ersten Leistungspegel,
    Bereitstellen von Licht bei einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, mit einem zweiten Energie- bzw. Leistungspegel, der kleiner als der erste Leistungspegel ist,
    Einkoppeln des Lichts der ersten Wellenlänge und des Lichts der zweiten Wellenlänge in eine löchrige optische Faser, die aus einem ersten Material hergestellt ist und einen Kernbereich hat, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, der der löchrigen optischen Faser eine größere Nichtlinearität gibt als das erste Material, und mit einer Struktur, die es der Faser erlaubt, Licht mit der ersten Wellenlänge und einer zweiten längeren Wellenlänge zu führen, und die zu einer Energieübertragung des Lichts mit der ersten Wellenlänge in die zweite Wellenlänge führt durch den nichtlinearen optischen Prozeß der Raman-Streuung innerhalb der Faser und somit eine optische Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge bereitstellt, so daß das Licht mit der zweiten Wellenlänge die optische Verstärkung erfährt und verstärkt wird.
  • Ein dritter Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 38 definiert, ist auf ein Verfahren zum Modulieren der Amplitude von Licht bei einer ersten Wellenlänge gerichtet, das aufweist:
    Bereitstellen von Licht einer ersten Wellenlänge mit einem ersten Leistungs- bzw. Energiepegel,
    Bereitstellen von Licht mit einer variierenden Amplitude bei einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist und mit einem maximalen Energiepegel, der größer als der erste Leistungspegel ist,
    Einkoppeln des Lichts der ersten Wellenlänge und des Lichts der zweiten Wellenlänge in eine löchrige optische Faser, die aus einem ersten Material hergestellt ist und einen Kernbereich hat, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, der der löchrigen optischen Faser eine größere Nichtlinearität als das erste Material gibt, und mit einer Struktur, die es der Faser erlaubt, Licht bei einer ersten Wellenlänge und einer zweiten längeren Wellenlänge zu führen und die zu einem Energietransfer des Lichts der ersten Wellenlänge zu der zweiten Wellenlänge durch den nicht-linearen optischen Prozeß der Raman-Streuung innerhalb der Faser führt und somit einen optischen Verlust bei der ersten Wellenlänge bereitstellt, der mit der Zeit variiert, so daß das Licht der ersten Wellenlänge einen variierenden optischen Verlust erfährt und moduliert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird in Form eines Beispiels auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
  • 1 eine schematische Abbildung einer optischen Verstärkung, welche von stimulierter Raman-Streuung hervorgerufen wird, zeigt;
  • 2 eine schematische Abbildung des optischen Verlusts, welcher durch stimulierte Raman-Streuung hervorgerufen wird, zeigt;
  • 3 einen Graph der Raman-Verstärkung in Quarzglas für eine Pumpwellenlänge von 1 μm zeigt;
  • 4(a) und 4(b) Graphen der berechneten Variation der Raman-Verstärkung mit der Pumpleistung für eine Standardfaser bzw. für eine löchrige Faser zeigt;
  • 5(a) und 5(b) Graphen der berechneten Variation der Raman-Verstärkung mit der Faserlänge für verschiedene Werte an Faserverlust zeigen;
  • 6 einen Graph der berechneten Variation der Raman-Verstärkung mit der Pumpleistung für eine löchrige Faser mit einem Verlust von 3,2 dB/km zeigt;
  • 7(a), 7(b) und 7(c) Querschnittsansichten der löchrigen Fasern mit periodischen und zufälligen Arrays von Löchern zeigen;
  • 8 einen Graph der gemessenen, nicht-linearen Phasenverschiebung für eine löchrige Faser und für eine dispersionsverschobene Faser zeigt;
  • 9 eine Rasterelektronenmikroskop-Darstellung einer löchrigen Faser, welche in Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird, zeigt;
  • 10 ein schematisches Diagramm einer Einrichtung zeigt, welche verwendet wird, um die nicht-lineare Phasenverschiebung der löchrigen Faser aus 9 zu messen;
  • 11 ein gemessenes Spektrum der nicht-lineare Mischung in der löchrigen Faser aus 9 zeigt, welches verwendet wird, um die effektive Nichtlinearität zu berechnen;
  • 12 einen Graph der gemessenen, nicht-linearen Phasenverschiebung gegen die Pumpeleistung für die löchrige Faser aus 9 zeigt;
  • 13 ein schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 14 einen Graph der gemessenen internen Verstärkung und Rauschzahl gegen die Signalwellenlänge für den Verstärker aus 13 zeigt;
  • 15 ein gemessenes Spektrum des verstärkten Signals von dem Verstärker aus 13 zeigt;
  • 16 einen Graph der gemessenen Variation der internen Verstärkung gegen die Eingangssignalleistung für den Verstärker aus 13 zeigt;
  • 17 einen Graph der gemessenen Variation der internen Verstärkung mit der Pumpleistung für den Verstärker aus 13 zeigt;
  • 18 ein schematisches Diagramm eines optischen Modulators gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 19 einen Graph der gemessenen Amplitude der Pumppulse zeigt, welche in dem optischen Modulator aus 18 verwendet werden;
  • 20 Graphen der gemessenen Amplitude des modulierten Signals von dem optischen Modulator aus 18 zeigt;
  • 21 einen Graph der gemessenen Variation des Auslöschungsverhältnisses gegen die Pumpleistung für den optischen Modulator aus 18 zeigt;
  • 22(a), 22(b), 22(c) und 22(d) schematische Diagramme von Beispielen von Raman-Lasern gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
  • 23 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, welcher eine löchrige Faser mit einer großen Kernfläche aufweist;
  • 24 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einerweiteren Ausführungsform der Erfindung, mit einer löchrigen Faser mit großem Kern zeigt;
  • 25(a) und 25(b) vereinfachte schematische Diagramme von Raman-Verstärkern gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen, die als verteilte Verstärker konfiguriert sind;
  • 26(a) und 26(b) ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Hybrid-Raman-Verstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und einen Graph seines Verstärkungsprofils zeigen;
  • 27(a), 27(b), 27(c), 27(d), 27(e), 27(f) und 27(g) vereinfachte schematische Diagramme von Raman-Verstärkern gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, mit einem oder mehreren optischen Isolatoren, zeigen;
  • 28(a), 28(b), 28(c), 28(d), 28(e) und 28(f) vereinfachte schematische Diagramme von Raman-Verstärkern gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, welche mehrere Pumpquellen aufweisen, zeigen,
  • 29(a), 29(b), 29(c), 29(d), 29(e) und 29(f) vereinfachte schematische Diagramme von Raman-Verstärkern gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung mit verschiedenen Faserkoppler-Anordnungen und verschiedenen Pumpanordnungen zeigen;
  • 30 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer löchrigen Faser aus reinem Quarzglas zeigt.
  • 31 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Germanium-dotierten löchrigen Faser zeigt;
  • 32 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer löchrigen Faser aus Galliumlanthansulfidglas zeigt; und
  • 33 ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Raman-Verstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer löchrigen Faser aus Glas mit hohem Index zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Theoretischer Hintergrund
  • Stimulierte Raman-Streuung
  • Raman-Streuung tritt auf, wenn eine optische Welle auf Streuzentren in einem optischen nicht-lineare Medium auftrifft. Der Streuprozeß führt zu einer Absorption eines Teils der Energie der Welle und zur Streuung des Lichts. Aufgrund der Energieabsorption hat das gestreute Licht eine niedrigere Energie als das einfallende Licht und daher eine längere Wellenlänge, die als Stokes-Wellenlänge bezeichnet wird. Bei Vorliegen einer intensiven einfallenden Welle wird die Streuung als stimuliert bezeichnet. Wenn zusätzlich auch das Licht bei der Stokes-Wellenlänge einfällt, ist das gestreute Licht in Phase mit diesem weiteren Licht. Im Ergebnis wird Energie von der kürzeren Wellenlänge zu der längeren Wellenlänge übertragen, so daß die Welle bei der Stokes-Wellenlänge verstärkt wird. Dieser Prozeß bildet die Basis des Betriebs eines Raman-Verstärkers, bei dem Pumplicht in eine optische Faser eingeführt wird und welcher optische Verstärkung und eine Verstärkung einer Signal- oder Probewelle bei einer längeren Wellenlänge zur Verfügung stellt.
  • 1 zeigt eine schematische Abbildung des Verstärkungsprozesses für eine beispielhafte Pumpwellenlänge von 1536 nm und eine beispielhafte Stokes- oder Proben-Wellenlänge von 1647 nm. Der Unterschied zwischen den beiden, als +Δf bezeichnet, wird die Stokes-Verschiebung genannt. Ein intensiver Pumpstrahl 10 bei 1536 nm erzeugt optische Verstärkung 12 über einen Bereich von Wellenlängen mit einer Spitze 14 bei 1647 nm. Daher erfährt ein einfallender Probe-Strahl 16 bei 1647 nm die Verstärkung und wird auf einen höheren Leistungspegel 18 verstärkt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung des umgekehrten Prozesses. In diesem Fall erzeugt der intensive Pumpstrahl 10 bei 1536 nm optischen Verlust 20 mit einem Maximum 22 bei einer kürzeren Wellenlänge 1458 nm. Ein einfallender Probe-Strahl 24 bei 1458 nm erfährt stimulierte Raman-Streuung und er erfährt daher diesen Verlust und wird auf einen niedrigeren Leistungspegel 26 reduziert. Die Wellenlängen- oder Frequenzdifferenz zwischen der intensiven Wellenlänge und der kürzeren verringerten Wellenlänge, als –Δf bezeichnet, wird die Anti-Stokes-Verschiebung genannt. Der Verlust oder die Verarmung kann verwendet werden, um die Basis für einen optischen Modulator zu bilden, indem ein optisches Signal bei einer kürzeren Wellenlänge dadurch moduliert wird, daß es bei der Anwesenheit einer intensiven längeren Wellenlänge, welche Informationen trägt, periodischen Verlust erfährt.
  • Zurück zu dem Fall der optischen Verstärkung, wird für einen Betrieb mit kontinuierlicher Welle (continuous wave, cw) und quasi-cw das anfängliche Wachstum einer Stokes-Welle während der Anwesenheit einer intensiven Pumpwelle in einer verlustfreien Phase ohne Pumpveringerung oder Dispersionseffekte durch die folgende Gleichung beschrieben dIs/dz = gRIpIs, (1)wobei z der Ort entlang der Faser ist, Is die Intensität der Stokes-Welle ist, Ip die Pumpintensität ist und gR der Verstärkungskoeffizient der stimulierten Raman-Streuung (Raman-Verstärkungskoeffizient) ist.
  • 3 zeigt das Spektrum der Raman-Verstärkung gR (Ω) für Quarzglas bei einer Pumpwellenlänge von 1 μm [4]. Die maximale Verstärkung beträgt 1 × 10–13 m/W. Es wird gefunden, daß dieser Wert invers mit der Pumpwellenlänge variiert, was die Verstärkung eines Raman-Verstärkers abstimmbar macht, da die Pumpwellenlänge so gewählt werden kann, daß sie eine maximale Verstärkung bei der interessierenden Probewellenlänge ergibt (zum Beispiel die gewünschte optische Signalwellenlänge im Fall eines Telekommunikationsnetzwerks). Die Verstärkung ist eine wichtige Größe zum Beschreiben von SRS. Sie hängt von der Zusammensetzung des Faserkerns ab und kann signifikant mit verschiedenen Dotierstoffen variieren, welche die Faser aufweisen kann (daher ermöglicht sie es, das Verstärkungsspektrum durch Konstruieren der Faser anzupassen), obwohl die spektrale Form nicht wesentlich mit der Wellenlänge variiert. In Quarz ist das Raman-Verstärkungsspektrum sehr breit, wobei es sich bis zu 40 THz erstreckt. Dies liegt an der amorphen Natur von Quarzglas, wobei die molekularen vibronischen Frequenzen in Bändern verteilt sind, die überlappen und daher ein Kontinuum erzeugen. Das Spektrum hat ein breites Maximum nahe 13 THz mit einer Linienbreite von ~ 250 cm–1, welches Quarzglasfasern sehr geeignet für die Verwendung als Breitbandverstärker macht. Dies sollte viel schmäleren Verstärkungsbandbreiten von C-Band EDFAs gegenübergestellt werden, welche typischerweise Verstärkung über nur ungefähr 1530 bis 1560 nm bereitstellen.
  • Sind zwei Signale (eine intensive Pumpwelle und eine schwächere Probe- oder Signalwelle bei einer längeren Frequenz) gegeben, welche innerhalb einer Faser propagieren, so daß die Frequenzdifferenz zwischen diesen beiden innerhalb der Bandbreite des Raman-Verstärkungs-Spektrums liegt, wird das Probesignal verstärkt und es kann so ein Verstärker hergestellt werden. Wenn die Probenwelle nicht vorhanden ist, führt spontane Raman-Streuung zu einer Probewelle und diese wird verstärkt. Da spontane Raman-Streuung Photonen innerhalb der gesamten Bandbreite des Raman-Verstärkungsspektrums erzeugt, werden alle Frequenzkomponenten verstärkt, aber Frequenzkomponenten bei der Verstärkungsspitze gRmax bauen sich am schnellsten auf. Für Pumpleistungen oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts bauen sich diese Komponenten fast exponentiell auf, so daß ein signifikanter Teil der Pumpenergie in rot verschobene Strahlung bei einer längeren Wellenlänge umgewandelt wird. Dieser Prozeß wird stimulierte Raman-Streuung genannt.
  • Die in einigen Ausführungsformen der Erfindung verwendeten Pumpwellen sind mit einer Pulslänge von 20 ns gepulst; dies entspricht einem quasi-cw Regime. Die Walk-off-Länge LW dieser Pulse ist, wenn sie in einer optischen Faser geführt wird, definiert als LW = T0/|ν–1 gp – ν–1 gs| (2) wobei T0 die Dauer des Pumppulses für Pumppulse mit Co ≥ 1 ns ist. LW übersteigt normalerweise 200 m und ist größer als die Länge der Faser, welche in den Ausführungsformen verwendet wird. Dies bedeutet, daß die Gruppengeschwindigkeitsdispersionseffekte vernachlässigt werden können und cw-Therorie verwendet werden kann, um die Wechselwirkung zwischen den Pump- und Probewellen in der Faser zu beschreiben. Die Intensitätsänderung der beiden Wellen wird durch einen Satz von gekoppelten Wellengleichungen beschrieben: dIs/dz = gRIpIs – αsIs (3) dIp/dz = –(ωP/ωs)gRIpIs – αpIp (4)wobei die Absorptionskoeffizienten αp und αs den Verlust in der Faser in den Pump- und Probewellenlängen berücksichtigen. Gleichung (3) beschreibt das Wachstum der Probewelle und Gleichung (4) beschreibt die Verringerung der Pumpe.
  • Die Raman-Verstärkung in einer Faser kann durch eine einfache Gleichung wie folgt beschrieben werden. Gain(dB) = 10log10[exp(gRPLeff/Aeff)], (5)wobei Leff die effektive Länge der Faser ist, welche gegeben ist durch: Leff = 1/αp(1 – exp(αpL)]. (6)
  • Aeff ist die effektive Fläche einer Faser, α ist der Verlust der Faser pro km und L ist die Faserlänge. Für die löchrigen Fasern, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, kann die effektive Fläche so klein wie 1 μm2 sein. Dies ist ungefähr 50 mal kleiner als die effektive Fläche einer Standardfaser. Wenn die Raman-Verstärkung eine starke Funktion der effektiven Fläche ist, ist für eine gegebene einfallende Pumpleistung die erwartete Verstärkung, wobei eine löchrige Faser verwendet wird, viel größer im Vergleich mit einer Standardfaser. Jedoch kann eine löchrige Faser einen größeren Verlust haben als eine Standardfaser. Der Verlust einer löchrigen Faser, die in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beträgt ~ 40 dB/km. Unter Verwendung von Gleichung (5) ist es möglich abzuschätzen, wie viel Raman-Verstärkung mit bestimmten Faserparametern erhalten werden kann.
  • 4(a) zeigt einen Graph der berechneten Raman-Verstärkung G gegen die Pumpleistung P0 für eine Standardfaser mit L = 75 m, α = 0,3 dB/km und Aeff = 50 × 10–12 m2. Im Kontrast dazu zeigt 4(b) einen Graph der berechneten Raman-Verstärkung G gegen die Pumpenlei stung P0 für eine löchrige Faser mit L = 75 m, α = 40 dB/km und Aeff = 2,71 × 10–12 m2. Beide Berechnungen verwenden gR = 7,14 × 10–14 m/W, linear extrapoliert aus einem Wert, der durch eine Formel in [5] gegeben ist. Aus den Figuren ist offensichtlich, daß für die gleiche Faserlänge und den gleichen Pumpleistungspegel die Raman-Verstärkung, welche erreicht werden kann, wobei eine löchrige Faser verwendet wird, für realistische Pumpleistungen in der Größenordnung von 5 W ungefähr 20 dB größer ist als für eine Standardfaser.
  • Die effektive Länge spielt eine wichtige Rolle beim Bestimmen der Raman-Verstärkung, wie durch Gleichung (5) beschrieben. Parameter, welche die effektive Länge ändern, enthalten den Verlust α und die Faserlänge L.
  • 5(a) und 5(b) sind Graphen der berechneten Raman-Verstärkung G gegen die Faserlänge L0 für eine löchrige Faser. Um zu zeigen, wie sowohl Länge als auch Verlust die Verstärkung durch die effektive Länge beeinflussen, ist 5(a) für einen Verlust von 40 dB/km berechnet und 5(b) für 3,2 dB/km. Aus den Figuren ist offensichtlich, daß die Verstärkung bei einer bestimmten Länge der löchrigen Faser sättigt. Dieses Phänomen tritt auf, da der Verlust einen bestimmten maximalen Wert für die effektive Länge der löchrigen Faser festlegt. Unabhängig davon, wie weit die Faserlänge verlängert wird, die Raman-Verstärkung wird nicht über einen bestimmten Wert erhöht, da die effektive Länge bereits bei ihrem maximalen Wert ist. Je niedriger der Verlust der löchrigen Faser ist, desto länger ist der maximale Wert der effektiven Länge und daher desto länger die Länge der löchrigen Faser, welche verwendet werden kann, um Raman-Verstärkung bereitzustellen. Bei einem Verlust von 40 dB/km erscheint die Raman-Verstärkung mit einem Wert von ungefähr 80 dB vollständig gesättigt bei L = 300 m. Jedoch sättigt für einen Verlust von 3,2 dB/km die Raman-Verstärkung mit einem viel größeren Wert von 1500 dB nicht bis L = 7 km (diese Berechnungen ignorieren den Effekt der Verstärkungssättigung durch spontane Raman-Emission, welche in der Praxis die erreichbaren Verstärkungen auf 50 bis 60 dB begrenzt). Die Berechnungen zeigen, daß nur 130 mW der Pumpleistung benötigt werden, um eine Verstärkung von ungefähr 30 dB zu erreichen, wobei eine löchrige Faser mit einem Verlust von 3,2 dB/km und einer Länge von ungefähr 1 bis 2 km verwendet wird. Dauerstrichlaser mit diesem Pegel an Ausgangsleistung sind kommerziell erhältlich, was bedeutet, daß die Verwendung einer löchrigen Faser für einen kommerziell erhältlichen Raman-Verstärker realisierbar ist. Darüber hinaus sind die betroffenen Faserlängen signifikant kürzer als solche, die typischerweise in Raman-Verstärkern, welche auf standardmäßigen optischen Fasern basieren, benötigt werden.
  • Ein Verlustwert von 3,2 dB/km wurde für die Berechnungen gewählt, da er der niedrigste Wert für eine löchrige Faser ist, über den zum Zeitpunkt dieser Arbeit berichtet wurde [6]. 6 zeigt einen Graph der berechneten Raman-Verstärkung G gegen die Pumpleistung P0 für eine löchrige Faser mit einem Verlust von 3,2 dB/km und andere Parameter, wie sie in den Berechnungen verwendet werden, die für die 4(b) verwendet wurden. Für die gleiche Pumpleistung (6,7W) ergibt ein Verlust von 3,2 dB/km zusätzliche ~ 15 dB an Raman-Verstärkung, verglichen mit einem Verlust von 40 dB/km.
  • In Raman-Faserverstärkern ist Ip normalerweise viel größer als Is. Energie wird von dem Pumpsignal zu den Stokes-Wellenlängen übertragen und daher wird das Probesignal verstärkt. Da der Wert des Stokes-Signals erhöht wird, beginnt das Pumpsignal entleert zu werden. Wenn die beiden vergleichbar sind, kann Energie zu den Stokes-Linien höherer Ordnung übertragen werden. Folglich kann ein starkes Stokes-Signal bei einer niedrigeren Wellenlänge verwendet werden, um eine relativ schwache Welle bei einer kürzeren Wellenlänge zu reduzieren. Dies ist das Prinzip hinter der optischen Intensitätsmodulation, die auf dem Raman-Effekt basiert. Wenn die Pumpwelle eine cw-Welle ist und das Stokes-Signal gepulst ist, werden Löcher innerhalb des cw-Signals erzeugt, die der Form des Stokes-Pulses folgen.
  • Löchrige Fasern
  • Eine löchrige Faser ist ein einzigartiger Typ von optischer Faser. Sie kann aus einem einzigen Material hergestellt werden, anders als konventionelle Standardfasern, welche verschiedene Kern- und Mantelmaterialien verwenden, so daß ein Brechungsindexunterschied bereitgestellt wird, um Licht innerhalb des Kerns zu führen. Eine löchrige Faser hat statt dessen ein Array von Luftlöchern, welche entlang ihrer gesamten Länge verlaufen, die als der Mantel arbeiten. Der Kern wird durch Einfügen eines Defekts mit hohem Index in die löchrige Struktur, durch Eliminierung eines oder mehrerer Löcher hergestellt. Wellenleitung wird mit Hilfe einer über ein effektives Volumen gemittelten Brechungsindexdifferenz zwischen dem Defektbereich und dem löchrigen Mantelbereich erreicht. Die Löcher sind oft in einem periodischen Gitter angeordnet, obwohl die Löcher weder periodisch angeordnet sein müssen, noch eine konstante Größe besitzen müssen, damit die löchrige Faser Licht leitet.
  • 7(a) ist eine schematische Querschnittsansicht durch eine löchrige Faser, welche den Kern 28 aufweist, der von Löchern 30 umgeben ist, die in einem periodischen Gitter angeordnet sind, und 7(b) ist eine schematische Querschnittsansicht durch eine löchrige Faser, die einen Kern 28 aufweist, der von Löchern 30 umgeben ist, die zufällig angeordnet sind und die variierende Größen [7] aufweisen.
  • 7(c) zeigt ein schematisches Diagramm einer löchrigen Faser mit einem festen Kern 1 und einem löchrigen Mantel 2. Eine äußere Hülle (nicht gezeigt) kann ebenfalls vorgesehen sein. Die Löcher in dem Mantel haben einen Durchmesser d und sind um einen charakteristischen Loch-zu-Loch-Abstand Λ beabstandet. Das Verhältnis dieser Parameter, d/Λ, kann so variiert werden, daß verschiedene Eigenschaften der Faser modifiziert werden.
  • Obwohl der Führungsmechanismus in löchrigen Fasern konzeptionell einfach ist, hängen die optischen Eigenschaften von der Lochanordnung ab. Dies liegt daran, daß der effektive Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel eine starke Funktion der Lochanordnung ist. Er ist ebenfalls eine starke Funktion der Wellenlänge, da sich bei längeren Wellenlängen die Mode weiter in die Löcher erstreckt, wodurch der effektive Mantelindex verringert wird. Dies führt zu einzigartigen und potentiell nützlichen Eigenschaften solcher Fasern, einschließlich und neben ande ren, Einzelmodenbetrieb über breite Wellenlängenbereiche [8], große Modengrößen [9] und ungewöhnliche Dispersionscharakteristiken [10].
  • Jedoch ist eine Schlüsseleigenschaft der löchrigen Fasern, welche die vorliegende Erfindung betrifft, daß sie eine optische Nichtlinearität um 10 bis 100 mal höher haben können als eine konventionelle Quarzfaser. Die erhöhte Nichtlinearität bedeutet, daß verglichen mit einer konventionellen Faser eine viel kürzere Länge an löchriger Faser benötigt wird, um einen äquivalenten Grad an Raman-Verstärkung zu erreichen. Es wird bevorzugt, daß die effektive Nichtlinearität höher ist als 20 W–1km–1, da dies eine nützliche Menge an stimulierter Raman-Streuung bei einer vorteilhaft kurzen Faserlänge ergibt. Jedoch können kleinere Werte an effektiver Nichtlinearität ebenfalls verwendet werden. Die Nichtlinearität kann durch Variieren des d/Λ-Verhältnisses geändert werden. Zum Beispiel muß, um einen Wert von mehr als 20 W–1km–1 zu erreichen, d/Λ > 0,6 sein mit Λ < 2 μm, < 3 μm oder < 4 μm. Daher kann eine Faservorrichtung, welche den Raman-Effekt nutzt und die auf einer löchrigen Faser basiert, leicht wesentlich kompakter und weniger teuer gemacht werden als bekannte Vorrichtung. Auch bedeutet eine kürzere Länge, daß die Vorrichtung einen höheren Grad an Verlust tolerieren kann, ohne Gefahr für die Gesamtleistungsfähigkeit. Andere Vorteile entstammen der Tatsache, daß löchrige Fasern aus einem einzigen Material hergestellt werden können; so wird erwartet, daß ein Raman-Verstärker, der aus einer löchrigen Faser aus reinem Quarzglas hergestellt ist, eine höhere Leistungshandhabungsfähigkeit aufweist als einer, der eine Standardfaser, die aus zwei Materialien hergestellt ist, verwendet. Andere reine Materialien könnten statt dessen verwendet werden, was es ermöglicht, die Leistungsfähigkeit wie benötigt anzupassen. Alternativ können dotierte Materialien verwendet werden. Der Brechungsindex des Fasermaterials kann durch Dotieren verändert werden, so daß Brechungsindexwerte größer als der von reinem Quarz erhalten werden. Darüber hinaus kann die Dotierung auf den Kernbereich der löchrigen Faser beschränkt werden. Zum Beispiel kann eine Germanium-Dotierung die Nichtlinearität des Kerns erhöhen, was zu einer höheren Verstärkung und daher einem strategischen Vorteil für die fundamentale Mode der Faser führt, wodurch in dem Fall, daß der Kern oder tatsächlich die gesamte Faserstruktur, d.h. der Mantelbereich, ein Mehrmodenwellenleiter ist, ein verbesserter Einzelmodenbetrieb erreicht wird.
  • 8 ist ein Graph, der einen Vergleich der gemessenen nicht-linearen Phasenverschiebung gegen die Eingangsleistung für eine löchrige Faser 32 und für eine dispersionsverschobene Standardfaser 34 [11] zeigt. Die löchrige Faser ist signifikant nicht-linearer als die dispersionsverschobene Faser, was die Tatsache wiederspiegelt, daß die löchrige Faser eine viel kleinere Modenfläche aufweist. Die löchrige Faser, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist viel nicht-linearer als die löchrige Faser, die in 8 dargestellt ist, da die Kerngröße um einen Faktor ~ 5-mal kleiner ist.
  • Die effektive Modenfläche Aeff einer löchrigen Faser kann durch Ändern des Zwischenlochabstands angepaßt werden. Es wurde berichtet, daß es möglich ist, Aeff über drei Größenordnungen von ~ 1 bis > 1000 μm2 bei einer Wellenlänge von 1,5 μm abzustimmen, wodurch auch die Nichtlinearität der löchrigen Faser über drei Größenordnungen [7] abgestimmt wird. Daher kann die Nichtlinearität gut an die Anforderungen einer bestimmten Raman-Effekt-Anwendung angepaßt werden.
  • Für den Zweck der Realisierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde eine löchrige Faser, die eine hohe Nichtlinearität und gute polarisationserhaltende Eigenschaften (um die Effizienz der nicht-linearen Wechselwirkung zu maximieren) aufweist, konstruiert. Die löchrige Faserstruktur hat große Luftlöcher und eine beträchtliche strukturelle Asymmetrie, so daß die hohe Doppelbrechung, welche benötigt wird, um einen guten polarisationserhaltenden Betrieb sicherzustellen, bereitgestellt wird. Der Kerndurchmesser beträgt ~ 1,6 μm und der äußere Durchmesser beträgt 100 μm. Längen von 75 m dieser Faser wurden in hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet. Der Verlust der Faser wurde als ~ 40 dB/km gemessen, wobei die Rückschneidetechnik verwendet wurde, was eine effektive Länge von 54 m ergibt.
  • 9 zeigt eine Elektronenrastermikroskopaufnahme eines Querschnitts der Faser.
  • 10 zeigt ein schematisches Diagramm eines experimentellen Aufbaus, der verwendet wurde, um den nicht-linearen Koeffizienten γ der löchrigen Faser bei 1536 nm zu messen, wobei einer direkte cw-Schwebungssignalmessung der nicht-linearen Phasenverschiebung verwendet wurde. Ein 1536 nm cw-Laserstrahl von einem Halbleiterlaser 36 und 1535 nm cw-Laserstrahl von einem abstimmbaren Halbleiterlaser 38 wurden jeder durch Polarisationssteuerungen 40 geleitet, bevor sie mit einem 50/50-Koppler 42 kombiniert und mit einem ersten Erbium-dotierter Faserverstärker 44 (EDFA1) als ein Vorverstärker verstärkt wurden. Ein abstimmbarer Bandpassfilter 46 wurde verwendet, so daß hintergrundverstärktes spontanes Emissions-(amplified spontaneous emission, ASE)-Rauschen, welches von dem EDFA1 44 erzeugt wird, entfernt wird. Das Licht wurde dann durch weitere Polarisationssteuerung 40, einen polarisationserhaltenden Isolator 48 und eine zweite weitere Polarisationssteuerung 40 geleitet, so daß sichergestellt war, daß das Licht linear polarisiert war. Dann wurde eine Kombination eines weiteren EDFA 48 (EDFA2) und eines Erbium/Ytterbium-dotierten Hochleistungsfaserverstärker 50 verwendet, so daß das Licht weiter verstärkt wurde, bevor es in eine 75 m lange löchrige Faser 52 über einen Verschiebetisch und eine Linse 54 eingekoppelt wurde. Das resultierende Ausgangssignal wurde dann beobachtet, wobei ein optischer Spektrumanalysator 56 verwendet wurde.
  • 11 zeigt das beobachtete Signal als eine Funktion der Ausgangsleistung P gegen die Wellenlänge λ. Aus dieser ist ersichtlich, daß die Nichtlinearität der Faser spektrale Seitenbänder erzeugt. Das Intensitätsverhältnis zwischen dem Hauptsignal I0 und dem ersten Seitenband I1 ergibt die nicht-lineare Phasenverschiebung durch die Gleichung: I0/I1 = (J0 2(ΦSPM/2) + J1 2(ΦSPM/2)/(J1 2(ΦSPM/2) + J2 2(ΦSPM/2)) (7)wobei I0,1 die Spitzenintensitäten des Signals bzw. des ersten Seitenbands sind und Jn ist die n-te Besselfunktion. ΦSPM ist die nicht-lineare Phasenverschiebung, die durch ΦSPM = (2ω0/c)γLeffP (8) gegeben ist, wobei Leff die effektive Faserlänge und P die Signalleistung ist. Es ist möglich aus ΦSPM die effektive Nichtlinearität γ der Faser zu berechnen. Die effektive Fläche der Faser Aeff kann dann aus γ = n2/Aeff (9)abgeschätzt werden, wobei n2 von der Materialzusammensetzung der Faser abhängt. Für eine Faser aus reinem Quarz, wie sie in den Ausführungsformen verwendet wird, hat n2 einen bekannten Standardwert von 2,16 × 10–20 m2/W.
  • 12 zeigt einen Graph der gemessenen nicht-linearen Phasenverschiebung ΦSPM gegen die eingekoppelte optischen Leistung P. Die Steigung der an die gemessenen Datenpunkte angepaßten Linie ergibt die Nichtlinearität durch Gleichung (8). Ein Wert von γ = 0,032 W–1m–1 wurde auf diese Weise erhalten, und eine Abschätzung von Aeff = 2,85 (± 0,3) μm2 wurde ausgeführt, wobei Gleichung (9) verwendet wurde. Dieser spätere Wert zeigt gute Übereinstimmung mit einer theoretischen Vorhersage von 2,71 μm2, die auf strukturellen Daten aus der in 9 gezeigten Aufnahme basiert.
  • Erste Ausführungsform – Raman-Verstärker
  • 12 zeigt ein schematisches Diagramm eines experimentellen Aufbaus, der verwendet wird, um einen Raman-Verstärker zu realisieren, wobei eine löchrige Faser gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Ein Co-Propagationsschema von Pumpe und Signal wurde verwendet (indem die Pumpwelle und die Signal- oder Probewelle in das gleiche Ende der löchrigen Faser eingekoppelt werden), um Schwierigkeiten dabei zu vermeiden, die Einkopplung von Licht in die löchrige Faser an ihren beiden Enden zu maximieren.
  • Eine optische Pumpquelle 58 wird verwendet, um Pumplicht bereitzustellen. Die optische Pumpquelle 58 ist eine gepulste quasi-cw Quelle, die in der Lage ist, 20 ns Rechteckpulse mit 500 kHz durch Verwendung eines zugeordneten Zeit-Synthesizers 60 zu erzeugen, so daß der Ausgang eines Halbleiterlasers moduliert wird. Diese Anordnung ergibt Watt an Spitzenleistung, welche ausreichend ist, um einen gewünschten Verstärkungspegel zu erhalten. Die Verwendung solch kurzer Pulse, die eine 500 ps Anstiegszeit aufweisen, verbreitert die spektrale Bandbreite der Pumppulse, was hilft, den unerwünschten Effekt stimulierter Brillouin-Streuung, welche die effektiven Verluste für die Pumpstrahlung in dem System erhöhen kann, in der löchrigen Faser zu minimieren. Das Pumplicht hat eine Wellenlänge von 1535 nm, was mit einer löchrigen Faser aus Quarz zu einer Verstärkung in dem langen (L-) Band Verstärkerbereicht (1590 nm bis 1610 nm) führt.
  • Das modulierte Pumplicht von der optischen Pumpquelle 58 wird dann vorverstärkt, wobei ein erster Erbium-dotierter Faserverstärker 62 (EDFA1) verwendet wird, und es wird dann durch einen abstimmbaren Bandpaßfilter 64 geleitet, so daß alles hintergrundverstärktes spontanes Emissions-(ASE)-Rauschen entfernt wird. Ein polarisationserhaltender (polarisation maintaining, PM) Isolator 66 mit einer Eingangspolarisationssteuerung (polarisation controller, PC) 68 wird dann verwendet, um sicherzustellen, daß das Pumplicht stärker polarisiert ist. Eine weitere Polarisationssteuerung 70 ist hinter dem PM-Isolator 66 angeordnet, so daß sichergestellt wird, daß Licht auf eine Hauptachse einer Länge einer löchrigen Faser eingekoppelt werden kann, die für Raman-Verstärkung verwendet wird. Das linear polarisierte Pumplicht wird nachfolgend durch einen zweiten Erbium-dotierten Faserverstärker 72 (EDFA2) und einen Hochleistungs-Erbium/Ytterbium-dotierten Faserverstärker 74 verstärkt. Der zweite EDFA 72 wird so benutzt, daß ein ausreichender Leistungspegel erhalten wird, um den Hochleistungsverstärker 74 zu sättigen, so daß ein maximaler Betrag an Pumpleistung erhalten wird.
  • Eine optische Signalquelle 76 in der Form eines cw-Halbleiterlasers, der von 1600 nm bis 1640 nm abstimmbar ist, wird so verwendet, daß Signal- oder Probelicht bei der Stokes-Wellenlänge zur Verfügung gestellt wird. Die Polarisationssteuerung 78 wird verwendet, um eine lineare Polarisation des Signallichts sicherzustellen. In diesem Fall erlaubt es die Abstimmbarkeit des Signalslichts, den Raman-Verstärker über die Raman-Verstärkungsbandbreite zu testen. In einer kommerziellen Vorrichtung zum Einsatz in einem Telekommunikationsnetzwerk läge jedoch das Signallicht bei einer bestimmten Trägerwellenlänge oder in dem Fall eines gemultiplexten Systems bei verschiedenen Wellenlängen innerhalb der Verstärkungsbandbreite.
  • Das verstärkte Pumplicht aus dem Hochleistungsverstärker 74 und das Signallicht aus der optischen Signalquelle 76 werden mit einem Multiplex-(WDM-)-Koppler für 1535/1630 nm Wellenlänge zusammen kombiniert und sie werden dann in eine 75 m lange polarisationserhaltende löchriger Faser 82 aus reinem Quarz eingekoppelt, wobei Verschiebetische und Linsen 84 verwendet werden. Die Linsen haben Brennweiten von 15 mm und 2,75 mm, um eine gute Kopplungseffizienz in die löchrige Faser 82 zu erhalten. Weitere Linsen 86 werden verwendet, so daß Licht, welches die löchrige Faser 82 verläßt, in ein akusto-optisch abstimmbares Filter 88 (acousto-optic-tunable filter, AOTF) eingekoppelt werden, welches am Ausgang der löchrigen Faser angeordnet ist und welches verwendet wird, um das Pumplicht herauszufiltern, so daß es möglich ist, das verstärkte Signal zu untersuchen. In einer kommerziellen Vorrichtung wird eine ähnliche Filterung typischerweise benötigt, um Pumplicht aus dem Telekommunikationssignal zu entfernen. Ein Radiofrequenz-(RF-)-Synthesiser 90 und ein RF-Verstärker 92 erzeugen ein abstimmbares RF-Signal, welches die zentrale Wellenlänge des Filterfensters des AOTF 88 abstimmt. Die zentrale Wellenlänge des Filterfensters kann durch Ändern der Frequenz des RF-Eingangssignals des AOTF abgestimmt werden. Das gefiltert Licht aus dem AOTF wird in zwei Hälften aufgeteilt, wobei ein 50/50-Koppler 94 verwendet wird. Für den Zweck der Untersuchung des Verstärkerausgangs wird eine Hälfte des Lichts in einen optischen Spektrumanalysator 96 eingekoppelt und die andere Hälfte in einen Photoempfänger 98, der mit einem Oszilloskop 100 verbunden ist.
  • Im Betrieb erzeugt das Pumplicht dank der Nichtlinearität des Fasermaterials Raman-Verstärkung in der löchrigen Faser, und die Verstärkung verstärkt das eingehende Signallicht der in dem Abschnitt theoretischer Hintergrund oben beschriebenen Weise. Die hohe Nichtlinearität der löchrigen Faser erlaubt es, eine wünschenswerte Verstärkung relativ kurzer Längen an löchriger Faser zu erreichen, wie zum Beispiel die 75 m Länge, die in dieser Ausführungsform verwendet wird.
  • Der Betrieb des in 13 gezeigten Raman-Verstärkers wurde ausführlich charakterisiert. Die Form des 20 ns Pumppulses wurde aufgezeichnet, wobei eine Kombination aus einem Photodetektor mit schneller Ansprechzeit und einem digitalen Oszilloskop verwendet wurde, so daß Information erhalten wurde, wie viel der aufgezeichneten mittleren Leistung Hintergrund-ASE aus den nicht Raman-Verstärkern war. Es ist wichtig, dieses Hintergrundrauschen zu berücksichtigen, wenn man die Spitzenleistung des verstärkten Signals berechnet, da das gesamte Hintergrundrauschen signifikant sein kann, insbesondere bei einer niedrigeren Abtastrate von Pulsen, in diesem Fall von 1 %. Es wurde experimentell gefunden, daß das Hintergrundrauschen fast die Hälfte zum aufgezeichneten gemittelten Gesamtleistung beitrug. Die gemittelte Pumpleistung aus dem Hochleistungsverstärker 74 wurde gemessen, wobei ein thermisches Leistungsmeßgerät verwendet wurde. Die Spitzenleistung wurde dann berechnet, wobei die folgende Formel verwendet wurde: Ppk = Pavg/Dt × Ep/(Ep + En), (10)wobei Ppk die Spitzenleistung, Pavg die gemessene mittlere Leistung, Dt die Abtastrate der Pulse, Ep die Energie in einem Puls und En die Gesamtrauschenergie innerhalb der Pumppulsperiode ist. Die maximale Spitzenpumpleistung, die mit der Anordnung aus 13 erreicht werden konnte, betrug ~ 22W.
  • Durch die Verwendung der Linsen 84 ist es möglich, Kopplungseffizienzen des Pump- und Signallichts in die löchrige Faser 82 so hoch wie ~ 50% zu erreichen. Alternative Linsen, die verschiedene Brennweiten haben, ergeben über eine weniger sensitive Ausrichtungsanordnung Kopplungseffizienzen von ~ 30%. Die Kopplungseffizienz wurde gemessen, wobei eine Kombination eines Photodetektors und eines digitalen Oszilloskops verwendet wurde. Ein Zerhacker war vor dem Photodetektor angeordnet, um die Lichtintensität und den Nullpegel zu unterscheiden. Die Kopplungseffizienz ist gegeben durch ηc = (i1/i0)exp(αL). (11) woei ηc die Kopplungseffizienz, i1 die Intensität von Licht aus der löchrigen Faser 82, i0 die Intensität des in die löchrige Faser 82 einfallenden Lichts, α der Verlust der löchrigen Faser 82 und L die Länge der löchrigen Faser ist.
  • Wenn gepulstes Pumplicht anstelle von cw-Pumplicht verwendet wird, wird das Signallicht nur verstärkt, wenn ein Pumppuls in der löchrigen Faser vorhanden ist. Der verstärkte Signalausgang wird dann der Form des Pumppulses folgen. Der Spitzenleistungspegel des Spektrums (gemittelte Leistung) des gesamten Signalausgangs wurde gemessen und die tatsächliche Spitzensignal leistung mit Gleichung (10) berechnet. Um diese Messung zu unterstützen, wurden ebenfalls Messungen der Signalverstärkung im Zeitbereich durchgeführt, wobei eine Kombination eines digitalen Oszilloskops und eines hochsensitiven Photoempfängers mit schneller zeitlicher Reaktion verwendet wurde. Der Intensitätspegel des Signalausgangs hinter der AOTF 88 wurde gemessen, wenn das Pumpsignal eingeschaltet war und wenn das Pumpsignal ausgeschaltet war. Die Signalverstärkung ist dann definiert als Gain(db) = 10log10(Pout/Pin), (12)wobei Pout die Ausgangssignalleistung und Pin die Eingangssignalleistung ist aus dem gemessenen An/Ausverhältnis kann die interne Verstärkung in der löchrigen Faser 82 berechnet werden, wobei die Formel Gain(db) = 10log10((Pon/Poff)- αsL) (13)benutzt wird, wobei Pon die Ausgangssignalleistung ist, wenn Pumpe an ist, Poff die Ausgangssignalleistung ist, wenn die Pumpe aus ist und αs L berücksichtigt den Verlust, den das Eingangssignal entlang der löchrigen Faser 82 erfährt.
  • Um die Leistungsfähigkeit des Verstärkers zu charakterisieren wurde die Rauschzahl (noise figure, NF) gemessen. Aus einem Spektrum des verstärkten Signalausgangs wird die NF gemessen, wobei folgende Gleichung verwendet wird: NF = 2nsp((G – 1)/G) + 1/G ≈ 2nsp, (14)wobei nsp der spontane Emissionsfaktor ist, der definiert ist durch: nsp = PASE/(hνΔν(G – 1)), (15)wobei PASE die ASE-Leistung in einer Polarisationsmode innerhalb der Bandbreite Δν, hν die Photonenenergie und G die erreichte Verstärkung ist.
  • 14 zeigt einen Graph der gemessenen internen Raman-Verstärkung 102 und der Rauschzahl (NF) 104 bei verschiedenen Signalwellenlängen λ. Die tatsächliche Signalleistung für jede Signalwellenlänge wurde so eingestellt, daß sie ~ 10 dBm (kleines Signal) am Eingangsende der löchrigen Faser 82 beträgt und die eingekoppelte Pumpspitzenleistung betrug 6,7 W. Verstärkungen so groß wie 42,8 dB wurden bei 1640 nm mit 6 dB NF beobachtet.
  • 15 zeigt das gemessene optische Spektrum des verstärkten Signals, dargestellt als Signalausgangsleistung P als eine Funktion der Wellenlänge λ. Das verstärkte Signal erscheint mit einem Hintergrund aus ASE aufgrund des Pumplichts. Aus diesem Spektrum wurde gefunden, daß die maximale Signalleistung und daher die Spitze der Raman-Verstärkung bei 1647 nm liegt, welche einen 13,2 THz Frequenzabstand von der Pumpwellenlänge bei 1535 nm hat. Dies ist der erwartete Wert für die Stokes-Verschiebung in einer reinen Quarzfaser. Die Spitzenwellenlänge entspricht höheren Verstärkungen und niedrigeren NFs als in 14 gezeigt. Dies ist zu erwarten, wenn sich die Signalwellenlänge dem optimalen Frequenzabstand nähert. Die Variation der Verstärkung mit der Wellenlänge, wie in 14 gezeigt, ist so wie aus der bekannten Raman-Linienform für Quarz erwartet.
  • 16 zeigt die Variation der internen Verstärkung G des Raman-Verstärkers mit verschiedenen Eingangssignalleistungen PI. Die interne Verstärkung ist über den Bereich der untersuchten Eingangsleistungen fast flach, was zeigt, daß der Verstärker weit von dem Sättigungsbereich betrieben wurde.
  • 17 zeigt die Variation der internen Verstärkung G des Raman-Verstärkers mit einer Pumpspitzenleistung P für eine Signalwellenlänge von 1635 nm. Es gibt einen linearen Anstieg der Verstärkung mit der Pumpspitzenleistung. Dies zeigt gute Übereinstimmung mit den berechneten Werten der in 4(b) gezeigten Verstärkung. Aus dieser Information über die Verstärkung wurde der Spitzen-Raman-Verstärkungskoeffizient gRmax abgeschätzt, wobei Gleichung (5) verwendet wurde mit einer linearen Extrapolation zum Maximum der gemessenen Verstärkungskurve. Der extrapolierte gRmax-Wert beträgt 7,66 × 10–14 m/W, welcher den Wert von gRmax für reines Quarz gut approximiert, der abgeschätzt wurde, wobei eine an anderer Stelle [5] beschriebene Formel verwendet wurde: gRmax(SiO2) = 1,2 × 10–11/λ (cm/W), (16)wobei die Pumpwellenlänge λ in μm gemessen wird. Setzt man den Pumpwellenlängenwert von 1,535 μm in Gleichung (16) ein, so erhält man gRmax = 7,8 × 10–14 m/W.
  • Zweite Ausführungsform – optischer Modulator
  • Wie in dem Abschnitt theoretischer Hintergrund beschrieben, kann der Raman-Effekt optischen Verlust sowie optische Verstärkung [3, 12] bereitstellen. Dies kann verwendet werden, um ein optisches Signal zu modulieren, wobei das Muster einer modulierten Pumpwelle „negativ" auf eine cw-Signalwelle bei einer kürzeren Wellenlänge und schwächerer Leistung aufgeprägt wird, „Löcher" werden effektiv in der Signalwelle durch den durch die Pumpwelle induzierten Verlust hervorgerufen. Die Verwendung von löchrigen Fasern als das Raman-Medium in solch einer Vorrichtung führt zu den gleichen Vorzügen, die durch Verwendung einer löchrigen Faser in einem Raman-Verstärker erhalten werden, wie zum Beispiel eine stark verkürzte Faserlänge um einen ähnlichen Effekt, verglichen mit einer Vorrichtung, welche auf einer Standardfaser beruht, zu erzeugen.
  • 18 zeigt ein schematisches Diagramm einer experimentellen Anordnung, die so verwendet wurde, daß ein optischer Modulator, basierend auf dem Raman-Effekt in einer löchrigen Faser gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erhalten wurde. Die Komponenten sind die gleichen wie die, welche für den in der ersten Ausführungsform beschriebenen Raman- Verstärker gemäß 13 verwendet wurden, außer daß die optische Signalquelle 76, die bei 1600 bis 1640 nm betreibbar ist, durch eine nicht abstimmbare optische Signalquelle in der Form eines cw Halbleiterdiodenlasers mit 20 dBm Ausgangsleistung, die bei 1456 nm arbeitet, ersetzt wurde. Die Signalwellenlänge ist daher kürzer als die Pumpwellenlänge von 1535 nm. Wie zuvor ist der Pumpleistungspegel höher als der Signalleistungspegel.
  • Der Effekt dieser Änderung ist, daß über den Raman-Effekt die Hochleistungspumpwelle optischen Verlust bei einer kürzeren Wellenlänge erzeugt, wohingegen in dem Verstärker die Hochleistungspumpwelle optische Verstärkung bei einer längeren Wellenlänge erzeugt. Daher ist in beiden Fällen der Leistungspegel einer Welle bei einer kürzeren Wellenlänge relativ zu dem Leistungspegel einer Welle bei einer längeren Wellenlänge verringert. Bei der Verstärkung tritt dies durch eine Erhöhung des Leistungspegels der längeren Wellenlänge auf, während es bei der Modulation eine Abnahme des Leistungspegels der kürzeren Wellenlänge gibt.
  • Alternativ kann die optische Quelle bei 1456 nm in dem Modulator als eine schwache Pumpe betrachtet werden, wohingegen die Pulse bei 1535 nm von der optischen Pumpquelle nun als ein starkes Stokes-Signal arbeiten.
  • Der gleiche 1535/1630 nm WDM-Koppler, der in dem Verstärker verwendet wurde, wird hier verwendet, um die zwei Wellen in die löchrige Faser 82 einzukoppeln, da er aufgrund einer periodischen Wellenlängenabhängigkeit seiner Transmissionscharakteristiken ebenfalls als ein 1456/1535 nm WDM-Koppler arbeiten kann. Als das System charakterisiert wurde, wurde das RF-Eingangssignal des AOTF 88 so abgestimmt, daß das 1456 nm Signal durchgelassen wurde und das 1535 nm Pumplicht ausgefiltert wurde. Der Frequenzabstand der Pumppulse und des cw-Signals beträgt 10,5 THz, welche in die erwartete optische Verlustkurve fallen, so daß der Raman-Modulationseffekt beobachtet werden kann.
  • Messungen des Auslöschungsverhältnisses des Ausgangssignals, d.h. um wie viel das Signal durch den durch die Pumpe induzierten Verlust reduziert wird, wurden durchgeführt, wobei eine Kombination eines Photodetektors und eines digitalen Oszilloskops verwendet wurde.
  • Wenn sowohl die Pumppulse mit längerer Wellenlänge als auch die cw-Signalwelle bei der kürzeren Wellenlänge zusammen in die löchrige Faser 82 eingekoppelt werden, werden zeitliche rechteckförmige Löcher in dem Ausgangssignal beobachtet. Die Löcher folgen der Form des Pumppulses, wie durch Verfolgen der beiden Wellen auf Oszilloskopen ersichtlich ist.
  • 19 zeigt eine Messung des Pumppulses als Amplitude A gegen eine Zeitverzögerung Δt. Der Pulsabstand von 2 ms ist ersichtlich.
  • 20 zeigt eine entsprechende Messung der Signalwelle nach Passieren durch den Modulator als Amplitude A gegen die Zeitverzögerung Δt. Die Modulationen in der Amplitude der Signalwelle folgen den Pumppulsen mit einem 2 ms Abstand. Das eingefügte Bild zeigt ein einzelnes entleertes Loch detaillierter, wobei dargestellt ist, daß die Dauer des Lochs 20 ns beträgt, was zu der 20 ns Dauer des Pumppulses paßt. Der zeitliche Einbruch in der fallenden Kante des Lochs ist ein Artefakt, der durch ein Überschwingen des Photoempfängers, der verwendet wurde, um die Messung zu machen, hervorgerufen wird.
  • Um die Leistungsfähigkeit dieses Intensitätsmodulationsprozesses zu bewerten, wurden Messungen des Auslöschungsverhältnisses (Betrag der Entleerung) der rechteckförmigen Löcher durch Messen der Tiefe der Löcher relativ zu dem Signalausgangs cw-Leistungspegel durchgeführt.
  • 21 zeigt einen Graph der resultierenden Messungen, wobei die Variation des Auslöschungsverhältnisses ER in Bezug auf die Spitzenpumpleistung P bei 1535 nm dargestellt ist. Es wurde ein maximales Auslöschungsverhältnis von 11 dB beobachtet. Es wird erwartet, daß größere Werte des Auslöschungsverhältnisses erhalten werden können durch das Abstimmen des Frequenzabstandes der Pumpe und des Signals näher an den Spitzen-Raman-Verschiebungswert (die in 2 gezeigte Anti-Stokes-Verschiebung) und durch Optimieren der Ausrichtung der Polarisation der beiden Pump- und Signalwellen relativ zu der Hauptachse der löchrigen Faser, da die Ausrichtung die Effizienz des nicht-linearen Prozesses beeinflußt.
  • Darüber hinaus sollten gegenüber längeren Pulsen, wie zum Beispiel den gezeigten 20 ns Pulsen, bevorzugt kürzere Pulse verwendet werden, so daß ein praktischerer Raman-Intensitätsmodulator bereitgestellt werden kann. Dies wird pikosekundenlange Auslöschungsfenster in der cw-Signalwelle erzeugen, so daß die Modulation eine hohe Bitrate erhält.
  • Dritte Ausführungsform – Raman-Laser
  • Die Vorzüge der Verwendung einer löchrigen Faser als ein Raman-Medium können darüber hinaus durch Verwendung einer löchrigen Faser als das Verstärkungs-Medium in einem Raman-Laser genutzt werden. In einem Raman-Laser resultiert die Verstärkung aus stimulierter Raman-Streuung, wie oben in Bezug auf den Raman-Verstärker beschrieben, und das Ausgangssignal bei der Stokes-Wellenlänge stammt ursprünglich von den ersten Streuereignissen, welche Photonen bei der Stokes-Wellenlänge erzeugen. Sie kann daher durch das Vorsehen einer optischen Rückkopplung erhöht werden, so daß mehrfache Durchgänge durch das Raman-Verstärkungsmedium bereitgestellt werden, so daß die Stoke-Welle die Raman-Verstärkung erfährt, verstärkt wird und last. Daher unterscheidet sich ein Raman-Faserlaser, wie konventionelle Faserverstärker und -Laser, von einem Raman-Faserverstärker durch Einfügen einer Rückkopplungsanordnung und dadurch daß er keine optische Quelle bei der Ausgangswellenlänge hat.
  • 22(a) zeigt eine mögliche Konfiguration für einen Raman-Faserlaser, basierend auf einer löchrigen Faser. Der Laser ist als eine Bulkvorrichtung in einer Fabry-Perot-Konfiguration angeordnet. Eine Pumpquelle 112 stellt Pumplicht bei einer geeigneten Wellenlänge zur Verfügung, welches über einen WDM-Koppler 114 und eine Linsenanordnung 116 in eine Länge einer löchrigen Faser 110 eingekoppelt wird. Alternativ kann ein Schmelzspleiß verwendet werden, so daß die löchrige Faser 110 mit der WDM-Ausgangsfaser verbunden wird. Ein Spiegel oder Gitter 118 mit einer hohen Reflektivitätscharakteristik bei der Stokes-Wellenlänge ist an dem entfernten Ende der löchrigen Faser 110 angeordnet. Zusammen mit Fresnel-Reflektion an dem anderen Faserende 115 liefert der Spiegel oder das Gitter 118 optische Rückkopplung bei der Stokes-Wellenlänge, so daß das Licht bei dieser Wellenlänge mehrere Durchgänge durch die Faser 110 erfährt. Im Betrieb wird das eingehende Pumplicht in der löchrigen Faser 110 zu der längeren Stokes-Wellenlänge gestreut. Das anfänglich gestreute Licht erfährt durch weitere Streuung des Pumplichts einige Raman-Verstärkung und verläßt die löchrige Faser 110. Dieses wird von dem Spiegel oder Gitter 118 reflektiert und zurück in die löchrige Faser 110 (über eine Linse oder Kopplung 122) gekoppelt und es läuft zurück entlang der löchrigen Faser. Fresnel-Reflexion des Lichts tritt dann an dem Faserende 115 auf. Daher erfährt das Licht weitere Verstärkung und wird verstärkt, bis Lasertätigkeit auftritt. Die Fresnel-Reflexion erfolgt nur teilweise, so daß ein Teil des Lichts den WDM-Koppler 114 erreicht und aus dem Laser als der Signalausgang 120 ausgekoppelt wird, während das verbleibende weitere Verstärkung in der Faser erfährt.
  • 22(b) zeigt eine alternative Anordnung, in welcher der Raman-Laser mit löchriger Faser als ein Ringlaser angeordnet ist. Die löchrige Faser 110 ist innerhalb eines Faserrings 124 angeordnet, in den Pumplicht von einer Pumpquelle 112 über einen WDM-Koppler 114 eingekoppelt wird. Ein Spiegel oder Gitter 118 stellt Rückreflexion des Stokes-Lichts zur Verfügung, so daß es mehrfache Durchgänge um den Ring und durch die löchrige Faser erfährt, zur Verstärkung und zum Lasen, bevor es aus dem Laserausgang 120 ausgekoppelt wird. Ein 1:1-n Koppler 126 ist zum Koppeln des Stokes-Lichts in und aus dem Ring, zur Reflexion und als Ausgang vorgesehen.
  • 22(c) zeigt eine dritte Anordnung eines Raman-Lasers mit löchriger Faser, der Fasergitter verwendet, die in jedes Ende der löchrigen Faser eingeschrieben sind, so daß die notwendige Rückkopplung für die Stokes-Welle zur Verfügung gestellt wird. Eine Pumpquelle 112 liefert Pumplicht, welches über einen Schmelzspleiß 128 (oder alternativ eine Linse oder Linsen) in die löchrige Faser 110 eingekoppelt wird. Ein erstes Fasergitter 130 in der löchrigen Faser hat eine hohe Transmission bei der Pumpwellenlänge, um Pumplicht in der löchrigen Faser zu ermöglichen und eine hohe Reflektivität bei der Stokes-Wellenlänge. Ein zweites Fasergitter 132 an dem entfernten Ende der löchrigen Faser 110 hat eine teilweise Reflektivität bei der Stokes-Wellenlänge, zum Beispiel 95%. Daher wird Licht bei der Stokes-Wellenlänge in der löchrigen Faser 110 über SRS erzeugt und erfährt Verstärkung und Lasen während mehrfacher Durchgänge durch die Faser, welche durch Reflexion an den Fasergittern 130 und 132 hervorgerufen werden. Ein kleiner Anteil des Lichts wird durch das teilweise reflektierende zweite Fasergitter 132 ausgekoppelt und als der Laserausgang 120 über eine Ausgangsfaser 134, die an die löchrige Faser angespleißt ist, bereitgestellt.
  • 22(d) zeigt eine alternative Ausführungsform eines Raman-Lasers mit löchriger Faser, wobei Fasergitter, die in die löchrige Faser eingeschrieben sind, verwendet werden, welcher einen Ausgang bei einer alternativen Wellenlänge erzeugen kann. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der aus 22(c) dadurch, daß sie ein weiteres Paar von Gittern in der löchrigen Faser 110 aufweist. Das anfängliche Stokes-Licht bei λs1 wird in der löchrigen Faser erzeugt und von einem ersten Gitterpaar 140 reflektiert, so daß es Verstärkung und Lasen erfährt. Jedoch erfährt dieses Licht in der löchrigen Faser 110 selbst weiterhin SRS, so daß Licht bei einer noch längeren Wellenlänge λs2 erzeugt wird. Ein zweites Gitterpaar 118 liefert Rückkopplung bei dieser Wellenlänge, so daß das Licht verstärkt wird und last, um den endgültigen Ausgang des Laser 120 zu bilden. Alternativ können weitere Gitterpaare vorgesehen werden, um Rückkopplung bei weiteren längeren Wellenlängen zu geben, so daß der endgültige Ausgang durch Kaskadieren des Raman-Effekts erweitert werden kann.
  • Weitere Ausführungsformen
  • Nicht polarisationserhaltende Faser
  • Die oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsformen verwenden polarisationserhaltende löchrige Fasern. Dies ist eine optische Faser, welche die Polarisation des in sie eingekoppelten Lichts erhält, wenn das Licht geeignet polarisiert ist. Dies ist ein nützliches Merkmal, da wenn die Pump- und Signalwellen parallel zueinander polarisiert sind, eine maximale Menge an Raman-Verstärkung erreicht werden kann. Konsequenterweise kann der optische Prozeß entlang der Faser optimiert werden, was zu einer größeren Verstärkung oder Auslöschung führt, wenn diese Polarisationen über die Länge der Faser erhalten werden können.
  • Jedoch kann in einer alternativen Ausführungsform eine nicht-polarisationserhaltende Faser verwendet werden. Wenn die Pump- und Signalwellen zufällig polarisiert sind, beträgt die erreichbare Raman-Verstärkung die Hälfte des möglichen Maximums. Wenn dies als ausreichend betrachtet wird, ist das Erfordernis sicherzustellen, daß die eingekoppelten Pump- und Signalwellen geeignet polarisiert sind, bevor sie in die Faser eintreten, überflüssig. Während die Effizienz der Verstärkung dadurch verringert wird, ist ein höherer Pegel an Kopplungseffizienz in die Faser möglich, und die Vorrichtung wird vereinfacht, da keine polarisierenden Elemente benötigt werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn zum Beispiel der Verstärker oder Modulator einen Teil eines komplexen Telekommunikationsnetzwerks bildet.
  • 23 zeigt ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Verstärkers, welche eine nicht-polarisationserhaltende löchrige Faser benutzt. Optische Quellen von Pumplicht 122 und Signallicht 124 werden in eine Länge von nicht-polarisationserhaltender löchriger Faser 128 über einen WDM-Koppler 126 eingekoppelt.
  • Faser mit großer Kernfläche
  • In einer alternativen Ausführungsform kann die löchrige Faser von einem Typ sein, der eine große Kerndimension aufweist. Typischerweise hat eine solche Faser eine effektive Kernfläche von ungefähr 100 μm2 oder mehr bei einer Wellenlänge von 1550 nm. Dies bietet den Vorteil, daß es möglich ist, höhere optische Leistungspegel in die Faser einzukoppeln, während die Leistungsdichte an der Faserfacette bei einem niedrigeren Pegel gehalten wird und dadurch das Risiko einer Facettenbeschädigung reduziert wird. Solche Fasern sind daher für Hochleistungslaser- und Verstärkeranwendungen von Interesse. 24 ist ein schematisches Diagramm eines solchen Verstärkers, wobei die löchrige Faser 130 eine große Kernfläche von 100 μm2 hat.
  • Verteilte Verstärker
  • Wenn er in einem Telekommunikationsnetzwerk verwendet wird, kann ein Raman-Verstärker mit löchriger Faser gemäß der vorliegenden Erfindung als ein verteilter Verstärker konfiguriert sein. Dies bedeutet, daß die Faser mit dem Verstärkungsmedium auch als die das Telekommunikationssignal tragende Faser arbeitet, so daß Verstärkung in einer kontinuierlichen Weise auftritt, wenn das Signal übertragen wird. 25(a) ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm, welches die Grundelemente eines solchen Systems zeigt. Eine erste Länge einer löchrigen Faser 136A trägt eine Signalwelle bei einer Wellenlänge λs und ist mit einer zweiten Länge einer löchrigen Faser 136B durch einen WDM-Koppler 134 verbunden. Der WDM-Koppler 134 koppelt auch Pumplicht von einer Pumpquelle 132 in die zweite Länge der löchrigen Faser 136B. Daher breiten sich die Signalwelle und die Pumpwelle in der gleichen Richtung entlang der zweiten Länge der löchrigen Faser 136B aus, die Pumpwelle induziert optische Verstärkung und die Signalwelle wird verstärkt, wenn sie sich ausbreitet. Darüber hinaus können Pumpquellen in Intervallen vorgesehen sein, so daß die Signalleistung wenn nötig verstärkt wird, zum Beispiel wenn der Leistungspegel durch Transmissionsverluste in der löchrigen Faser verringert ist.
  • 25(b) zeigt eine alternative Konfiguration, in welcher der WDM 132 so eingerichtet ist, daß er das Pumplicht in einer Rückwärtsrichtung relativ zu der Ausbreitungsrichtung der Signalwelle in die löchrige Faser einkoppelt. Rückwärtiges Pumpen in dieser Weise wird im allgemeinen in Telekommunikationsnetzwerken bevorzugt, da es eine maximale Zufälligkeit der relativen Polarisation der Pump- und Signalwellen sicherstellt und Mustereffekte aufgrund der schnellen Verstärkungsdynamiken von Raman-Verstärkern unterdrückt, so daß der maximale Betrag an Verstärkung ohne Polarisationselemente erreicht werden kann. Die löchrige Faser ist in dieser bestimmten Ausführungsform eine nicht-polarisationserhaltende Faser, obwohl sie dies nicht sein müßte.
  • Hybrid-Verstärker
  • Wie erwähnt, stellen Raman-Verstärker breitbandige optische Verstärkungen zur Verfügung. Jedoch kann es für einige Anwendungen wünschenswert sein, die Bandbreite der Verstärkung zu erweitern oder das Verstärkungsprofil so zu modifizieren, daß die Verstärkungsspitze verbreitert oder abgeflacht ist. Dies wird durch eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gelöst, in welcher ein Raman-Verstärker mit löchriger Faser mit einem zweiten Verstärker eines anderen Typs und welcher ein verschiedenes Verstärkungsprofil hat, kombiniert ist, so daß ein Hybrid-Verstärker bereitgestellt wird.
  • 26(a) ist ein schematisches Diagramm einer solchen Vorrichtung. Eine Signalwelle 140 tritt in einen WDM-Koppler 142 ein, wo sie in zwei Wellenlängenkomponenten aufgeteilt wird. Eine Komponente tritt in einen Raman-Verstärker 144 mit löchriger Faser der zuvor beschriebenen Art ein, welcher eine zugeordnete Pumpquelle 139 aufweist und eine Verstärkung bei der relevanten Signalwellenlänge vorsieht. Die andere Signalkomponente tritt in einen zweiten Faserverstärker 146 ein, welcher eine zugeordnete Pumpquelle 138 aufweist und eine Verstärkung bei der anderen Signalwellenlänge zur Verfügung stellt. Die Pumpquellen 138, 139 erzeugen typischerweise Pumpwellen verschiedener Wellenlängen, aber dies hängt von den Verstärkungscharakteristiken der beiden Verstärker und der gewünschten Verstärkungsspektren jeder der beiden ab.
  • Die zwei Signalkomponenten werden in ihren entsprechenden Verstärkern verstärkt und an einem zweiten WDM 148 kombiniert, so daß ein einziger verstärkter Signalausgang 150 erhalten wird.
  • 26(b) ist ein Graph, welcher die Verstärkung G als eine Funktion der Signalwellenlänge λs zeigt, so daß dargestellt wird, wie die Gesamtverstärkung des Hybrid-Verstärkers aus den individuellen Verstärkungen der beiden Teilverstärker gebildet wird. Der löchrige Faserverstärker 144 hat ein Verstärkungsprofil mit einer Spitze 152, während die Verstärkungsspitze 154 des zweiten Verstärkers 146 bei einer kürzeren Wellenlänge liegt. Die zwei Spitzen 152, 154 überlappen und ergeben eine verbreiterte Gesamtspitze, so daß ein hoher Verstärkungspegel für einen breiten Bereich von Signalwellenlängen vorhanden ist.
  • Der alternative Verstärker kann irgendein geeigneter Verstärker mit einer Verstärkungsspitze bei der gewünschten Wellenlänge sein. Zum Beispiel kann er einen Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA), einen Thulium-dotierten Faserverstärker (TDFA) einen Ytterbium-dotierten Faserverstärker (YDFA), einen Erbium/Ytterbium-dotierten Faserverstärker, einen optischen Halbleiterverstärker (SOA) oder einen Praseodym-dotierten Faserverstärker (PDFA) aufweisen. Alternativ könnte ein zweiter Raman-Verstärker mit löchriger Faser verwendet werden, wenn die Faser aus einem von dem des ersten Raman-Verstärkers mit löchriger Faser verschiedenen Material hergestellt ist, so daß er ein anderes Verstärkungsprofil ergibt. Ein konventioneller Raman-Faserverstärker, welcher als das Raman-Verstärkungsmedium eine optische Standardfaser aufweist, könnte ebenfalls verwendet werden. Zusätzlich kann die Verstärkung des Hybrid-Verstärkers durch das Vorsehen eines oder mehrerer weiterer Verstärker, die parallel zu den ersten beiden Verstärkern angeordnet sind und die verschiedene Verstärkungsprofile aufweisen, weiter modifiziert/erweitert werden.
  • Optische Isolation
  • In verschiedenen Ausführungsformen kann der löchrige Raman-Verstärker einen oder mehrere optische Isolatoren aufweisen. Diese sind Vorrichtungen, welche die Ausbreitung einer bestimmten Wellenlänge in nur einer Richtung erlauben und sie können daher verendet werden, um unerwünschte Rück- oder (Vorwärts)-Ausbreitung abzublocken. Dies ist insbesondere zum Schutz verschiedener Teile eines optischen Systems von Rauschen nützlich. Im Fall eines Raman-Verstärkers liegt dieses typischerweise in der Form von verstärkter spontaner Streuung oder Rayleigh-Streuung vor. Es kann wünschenswert sein, die optische Pumpquelle und/oder die optische Signalquelle vor solchem Rauschen zu schützen, da es den Laserbetrieb innerhalb der Quellen stören kann. In dem Verstärker selbst kann Rauschen eine Verstärkungssättigung verursachen und daher die Effizienz des Verstärkungsprozesses reduzieren. Es kann ebenfalls zu unerwünschter Rayleigh-Rückstreuung beitragen.
  • 27(b) bis 27(g) sind schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von löchrigen Raman-Faser-Verstärkern, die einen oder mehrere Isolatoren verwenden. In jedem Fall ist der Verstärker ein einfaches System mit einer löchrigen Faser 156, in welche Pumplicht von einer Pumpquelle 158 eingekoppelt wird, und Signallicht λs 159 wird entweder von einer dafür vorgesehenen Quelle eingekoppelt oder als ein Signal, welches sich in einem Telekommunikationsnetzwerk ausbreitet. Die Einkopplung wird über einen WDM-Koppler 160 erreicht. 27(a) zeigt diese Anordnung ohne Isolatoren.
  • 27(b) hat einen einzigen Isolator 162, welcher in dem Signalwelleneingang des WDM-Kopplers 162 angeordnet ist und welcher die Signalquelle und/oder alle früheren Komponenten in dem System vor Rauschen, welches in dem Verstärker auftritt, schützt. 27(c) hat auch einen einzigen Isolator 164, aber in dieser Ausführungsform ist er nach der löchrigen Faser 156 angeordnet und schützt daher den gesamten Verstärker vor Rauschen, welches in irgendwelchen späteren Komponenten in dem System auftritt. Die Ausführungsform aus 27(d) zeigt ebenfalls einen einzigen Isolator 166, der in diesem Fall auf halber Strecke entlang der löchrigen Faser 156 angeordnet ist, so daß der erste Teil der Faser 156A vor sich zurück ausbreitendem Rauschen, welches sich in dem zweiten Teil der Faser 156B erzeugt wird, zu schützen.
  • 27(e) und (f) zeigen Ausführungsformen mit zwei Isolatoren. 27(e) zeigt einen ersten Isolator 162, der wie in 27(b) vor dem WDM-Koppler 160 angeordnet ist, und einen zweiten Isolator 166, der wie in 27(d) entlang der löchrigen Faser 156 angeordnet ist.
  • 27(f) zeigt auch einen Isolator 166, der entlang der löchrigen Faser 156 angeordnet ist, aber in Kombination mit einem zweiten Isolator 164, der wie in 27(c) hinter der löchrigen Faser 156 angeordnet ist.
  • 27(g) zeigt eine Ausführungsform, die Isolatoren an allen drei der beschriebenen Positionen aufweist; einen 162 vor dem WDM-Koppler 160, einen 166 an einem mittleren Punkt entlang der löchrigen Faser 156 und einen 164 hinter der löchrigen Faser 156.
  • 27(b) bis (g) zeigen alle Verstärker, die zum Vorwärtspumpen eingerichtet sind, so daß die Pump- und Signalwellen entlang der löchrigen Faser co-propagieren. Alternativ können die Verstärker zum Rückwärtspumpen eingerichtet sein, wie gemäß der in 25(b) gezeigten Ausführungsform beschrieben. In einer weiteren Alternative kann ein bidirektionales Pumpschema verwendet werden, in welchem zwei Pumpquellen bei der gleichen Wellenlänge vorgesehen sind, wobei eine zum Vorwärtspumpen und eine zum Rückwärtspumpen eingerichtet ist.
  • Mehrere Pumpquellen
  • Andere Pumpanordnungen, die in löchrigen Fasern mit Raman-Verstärkern verwendet werden können, sind solche, die eine Mehrzahl von Pumpquellen verwenden, deren Ausgänge zum Einkoppeln in die löchrige Faser zusammengekoppelt werden, wobei ein WDM-Koppler verwendet wird.
  • In einigen Ausführungsformen haben die Pumpquellen Ausgänge bei der gleichen Wellenlänge. Dies ergibt insgesamt eine Erhöhung der verfügbaren Pumpleistung und liefert daher mehr Verstärkung. Auch wird einige Pumpquellenredundanz zur Verfügung gestellt, bei welcher der Ausfall einer oder mehrerer individueller Pumpquellen den Verstärkungspegel verglichen mit der erforderlichen Verstärkung nicht nachteilig beeinflußt. In alternativen Ausführungsformen haben die Pumpquellen Ausgänge bei verschiedenen Wellenlängen. Dies kann verwendet werden, um das Gesamtverstärkungsprofil des Verstärkers, welches sich aus den individuellen Verstärkungsprofilen, die von jeder der Pumpwellenlängen erzeugt werden, zusammensetzt, zu erweitern und/oder anzupassen.
  • 28(a) bis 28(f) sind schematische Diagramme verschiedener Ausführungsformen, die solche Pumpschemata verwenden. In jeder der Ausführungsformen ist eine Mehrzahl von optischen Pumpquellen vorgesehen, welche Ausgänge der gleichen Wellenlänge oder bei zwei oder mehr verschiedene Wellenlängen aufweisen können.
  • In 28(a) sind N optische Pumpquellen 168A bis 168N vorgesehen und ihre verschiedenen Ausgänge werden in einem ersten WDM-Koppler 170 kombiniert. Die kombinierten Pumpwellen werden dann in eine löchrige Faser 174 über einen zweiten WDM-Koppler 172 eingekoppelt, welcher auch verwendet wird, um eine Signalwelle λs in die löchrige Faser 174 einzukoppeln, so daß eine Pumpkonfiguration in Vorwärtsrichtung verwendet wird. Diese Vorrichtung weist auch einen ersten Isolator 176A auf, der vor dem zweiten WDM-Koppler 172 angeordnet ist, und einen zweiten Isolator 176B, der nach der löchrigen Faser 174 angeordnet ist, gemäß den Ausführungsform in 27(b) und 27(c). Darüber hinaus ist die löchrige Faser 174 eine diskrete Länge an Faser, welche über Linsenanordnungen 187A und 178B, die an jedem Ende der Faser vorgesehen sind, mit Fasern verbunden ist, welche die verbleibende Vorrichtung bilden.
  • 28(b) zeigt eine zu der aus 28(a) ähnliche Ausführungsform, aber in diesem Fall sind die Linsenanordnungen durch Schmelzspleiß 180A und 180B ersetzt, welche physikalisch die löchrige Faser 174 mit den Fasern an jedem Ende davon verbinden.
  • 28(c) bzw. 28(d) zeigen alternative Ausführungsformen, welche äquivalente Komponenten zu denen in 28(a) und 28(b) gezeigten verwenden, in der aber die Pumpquellen für ein Rückwärtspumpschema, ähnlich dem in 25(b) gezeigten, angeordnet sind.
  • 28(e) und 28(f) zeigen weitere Alternativen, in denen ein bidirektionales Pumpschema angewandt wird. Die Vorwärts- und Rückwärtspumpschemen aus 28(a) bis 28(d) werden zusammen verwendet, so daß jede dieser beiden Ausführungsformen einen zweiten Satz von N Pumpquellen 182A bis 182N verwendet, deren Ausgänge über weitere erste und zweite WDM-Koppler 170B und 172B in die löchrige Faser 174 eingekoppelt werden.
  • Faserkopplung
  • Die Wahl zwischen Linsenanordnungen und Schmelzkopplung, die in den 28(a) bis 28(f) gezeigt werden, ist nicht auf Verstärker beschränkt, die eine Mehrzahl von Pumpquellen aufweisen. Jede kann mit einfacheren Systemen verwendet werden, die nur eine Pumpquelle aufweisen. 29(a) zeigt solch einen Verstärker, bei dem Linsenanordnungen 184A und 184B an jedem Ende der löchrigen Faser 186 angeordnet sind. Ein Vorwärtspumpschema wird verwendet. 29(b) zeigt einen ähnlichen Verstärker, in welchem Schmelzspleiße 188A und 188B so verwendet werden, daß die löchrige Faser 186 mit benachbarten Fasern verbunden ist. Alternative Ausführungsformen, welche die Verwendung von Linsenanordnungen oder Schmelzspleißen in Verstärkern zeigen, die Rückwärtspumpen und bidirektionales Pumpen verwenden, sind in 28(c) bis 28(f) dargestellt. Spleißen ist aus einer praktischen Sicht vorzuziehen, da es die Verbindungsverluste reduziert und bequemer, zuverlässiger und stabiler ist.
  • Fasermaterialien
  • Andere Ausführungsformen des Raman-Verstärkers verwenden löchrige Fasern, die verschiedene Materialzusammensetzungen aufweisen. Die oben diskutierten ersten und zweiten Ausführungsformen verwendeten löchrige Fasern, die aus reinem Quarz hergestellt waren. Die Tatsache, daß löchrige Fasern aus einem einzigen Material hergestellt werden können (im Gegensatz zur Standardfaser, welche zwei Materialien benötigt, um den benötigten Brechungsindexunterschied zwischen dem Kern und dem Mantel vorzusehen) ist dadurch vorteilhaft, daß es möglich ist, eine Faser zur Verfügung zu stellen mit einer höheren Leistungshandhabungsfähigkeit als die, welche durch Verwenden zweier oder mehrerer Materialien in der gleichen Faser verfügbar ist. Dies ist insbesondere für eine Quarzfaser zutreffend. Zum Beispiel wurden mit bestimmten löchrigen Quarzfasern, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet wurden, kontinuierliche Wellenfeldstärken von 0,2 GW/cm2 erreicht. Jedoch können andere reine Materialen anstelle von Quarz so verwendet werden, daß die Leistungshandhabungsfähigkeit wie gewünscht angepaßt werden kann. 30 ist ein schematisches Diagramm eines einfachen Raman-Verstärkers, in dem eine löchrige Faser aus reinem Quarz als das Raman-Verstärkungsmedium verwendet wird. Pumplicht von einer einzigen Pumpquelle 190 wird in Vorwärtsrichtung in die löchrige Faser aus reinem Quarz 192 über einen WDM 193 gepumpt, welcher auch so verwendet wird, daß eine Signalwelle λs einen Isolator 196A eingekoppelt wird. Ein weiterer Isolator 196B ist hinter der löchrigen Faser 192 vorgesehen, welche mit dem Rest der Vorrichtung durch Linsenanordnungen 194A und 194B verbunden ist. Alternativ können ein Rückwärtspumpschema oder ein bidirektionales Pumpschema verwendet werden.
  • 31 zeigt einen zu dem aus 30 ähnlichen Verstärker, außer daß die löchrige Faser aus reinem Quarz 192 durch eine löchrige Faser 198 aus Quarz ersetzt ist, welche einen mit Germanium dotierten Kern aufweist. Das Germanium gibt der Faser eine höhere Nichtlinearität als der aus reinem Quarz, so daß höhere Raman-Verstärkungen erreicht werden können und daher höhere Verstärkungspegel. Auch ist es die Fundamentalmode der Faser, welche die erhöhte Verstärkung erfährt, wenn das Germanium auf den Kern beschränkt ist. Dies gibt der Fundamentalmode einen strategischen Vorteil gegenüber Moden höherer Ordnung in löchrigen Fasern, die in der Lage sind Multimodenführung zu unterstützen, so daß ein Einzelmodenbetrieb des Verstärkers unterstützt wird. Alternativ kann die gesamte löchrige Faser aus Germanium-dotiertem Material hergestellt sein, was die verbesserter Verstärkung ohne die verbesserte Modenleistungsfähigkeit bereitstellt. Andere Ausführungsformen verwenden löchrige Fasern, die alternative Dotierstoffe, wie zum Beispiel Phosphor, Bor, Zinn, Blei, Wismut, Antimon, Erbium, Ytterbium oder Aluminium aufweisen, die hergestellt werden mit dem Ziel, eine löchrige Faser bereitzustellen, welche mehr als ein Material in ihrem Querschnitt so verwendet, daß die nicht-linearen Eigenschaften und Modencharakteristiken modifiziert werden.
  • Eine weitere Alternative zu reinem Quarz ist es, eine löchrige Faser zu verwenden, die aus Galliumlanthansulfid (GLS) Glas hergestellt ist. Dieses Verbundglasmaterial hat den ungefähr 10-fachen nicht-linearen Koeffizienten als der von Quarz, dank eines viel höheren Brechungsindex. Dies bedeutet, daß eine Faserlänge von nur wenigen Metern (typischerweise 1 bis 10 m) ausreichend ist, um eine nützliche Menge an Verstärkung bereitzustellen. Auch ist das Raman-Verstärkungsspektrum von GLS sehr von dem von Quarz verschieden, so das GLS basierte Vorrichtungen verwendet werden könnten, um andere Wellenlängen zu erzeugen, zu verstärken und zu modulieren. 32 zeigt ein schematisches Diagramm eines einfachen Raman-Verstärkers mit den gleichen Komponenten wie der in 30 gezeigte, in dem die löchrige Faser 192 aus reinem Quarz durch eine viel kürzere Länge einer löchrigen Faser 200 aus GLS-Glas ersetzt wurde.
  • Die Nichtlinearität der löchrigen Faser kann alternativ durch Verwenden anderer Verbundgläser (d.h. andere Gläser als Quarz), welche einen höheren Brechungsindex als den von Quarz haben können oder einen höheren Raman-Verstärkungskoeffizienten/Nichtlinearitätskoeffizienten, erhöht werden. Verbbundgläser werden oft als Mehrkomponentengläser oder Weichgläser bezeichnet, und viele dieser Gläser haben höhere Brechungsindizes und nicht-lineare Eigenschaften/Koeffizienten als Quarz. Wie in dem Fall einer löchrigen Faser aus GLS-Glas, werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche andere löchrige Fasern aus Verbundgläsern verwenden, eine vorteilhaft kürzere Länge und vorteilhafte Betriebsleistungsanforderungen haben. 33 zeigt ein schematisches Diagramm eines einfachen Raman-Verstärkers mit Komponenten entsprechend den in 32 gezeigten, welche aber eine Länge aus einer löchrigen Faser 202 aus Verbundglas aufweist anstelle einer löchrigen Faser, die aus GLS-Glas hergestellt ist.
  • Verbundgläser mit Eigenschaften von Interesse in Bezug auf löchrige optische Fasern können aufweisen:
    Chalkogenide (zum Beispiel S, Se oder Te-basierte Gläser).
    Sulfide (zum Beispiel Ge:S, Ga:La:S, As:S, Ge:Ga:S,. Ge:Ga.La:S),
    Oxy-Sulfide (zum Beispiel Ga:La:O:S),
    Halogenide (zum Beispiel ZBLAN (Marke); ALF),
    Bleigläser (zum Beispiel Schott (Marke)-Glas SF75, SF59),
    Silikate (Silikat, Phosphorsilikat, Germaniumsilikat),
    Chakohalogenide (zum Beispiel Sb:S.Br) und
    Schwermetalloxide (zum Beispiel PbO, ZnO, TeO2)
  • Fasercharakteristiken
  • Ein besonders vorteilhaftes Merkmal der löchrigen Fasern in Bezug auf ihre Anwendung in Raman-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß sie so hergestellt werden können, daß sie bei fast allen Wellenlängen endlos einmodig oder effektiv endlos einmodig sind. Dies bedeutet, daß sowohl die Pumpwelle als auch die Signalwelle in der Raman-Vorrichtung als Fundamentalmoden über die Länge der Faser geführt werden. Der Modenüberlapp zwischen den beiden Wellen ist daher zu jeder Zeit sehr gut, was die Effizienz des Raman-Prozesses erhöht und verbesserte Verstärkung oder Verlust gibt. Darüber hinaus ist ein attraktives Merkmal der Raman-Vorrichtungen die Möglichkeit, die Spitze des Verstärkungsprofils einfach durch Abstimmen der Pumpwellenlänge abzustimmen. Eine Vorrichtung, welche eine endlos einmodige löchrige Faser aufweist, wird einen guten Modenüberlapp zwischen den propagierenden Wellen über jeden verwendeten Abstimmbereich erhalten.
  • Die Endlos-Einmodeneigenschaft kann durch Herstellen einer löchrigen Faser mit einem geeigneten Wert von d/Λ erreicht werden. Vorzugsweise ist d/Λ < 0,3, < 0,2 oder < 0,1. In Verbindung damit kann Λ > 5 μm sein.
  • Fasern mit Werten von d/Λ < 0,3 oder ähnlich sind so, daß sie Einmodenführung für Licht über einen breiten Wellenlängenbereich hinweg zur Verfügung stellen, und sie werden oft als Endlos-Einmodenfasern bezeichnet. In der Theorie ist es möglich, mit Bestimmtheit zu sagen, ob eine gegebene Faser strikt endlos-einmodig ist oder nicht (d.h. sie unterstützt nur eine einzige gebundene Mode über einen breiten Wellenlängenbereich). In der Praxis wird oft gefunden, daß Fasern, die theoretisch mehrmodig für bestimmte Wellenlängenbereiche sind, sich oft über breite Wellenlängenregime als Endlos-Einmodenfasern verhalten. Dies tritt aufgrund der Tatsache auf, daß die Modenkopplung innerhalb löchriger Faserstrukturen aufgrund großer Wellenvektorenabstände zwischen benachbarten Moden und der Tatsache, daß Verluste für Moden höherer Ordnung innerhalb löchriger Fasern dazu neigen, relativ viel höher zu sein als die Verluste für die Fundamentalmode, oft schwach ist. In diesem Sinn verhalten sich Fasern, die theoretisch zumindest nicht endlos einmodig sein sollten, in der Praxis als ob sie endlos einmodig wären. Solche Fasern werden als effektiv endlose-einmodige Fasern bezeichnet.
  • Es gibt weitere Konstruktionsmerkmale der löchrigen Faser, welche in Betracht gezogen werden können. Zum Beispiel variiert der Verlust verschiedener Typen von löchrigen Fasern stark. Eine löchrige Faser mit einem relativ hohen Verlust kann anders als in Verstärkern, welche eine Standardfaser verwenden, in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, da die verwendete, viel kürzere Faserlänge bedeutet, daß ein höherer Verlustwert toleriert werden kann. Eine löchrige Faser mit Verlusten < 1 dB/km, < 10 dB/km oder < 50 dB/km (bei einer Wellen länge von 1,5 μm) kann typischerweise in Abhängigkeit von der Anwendung verwendet werden. Jedoch wird erwartet, daß löchrige Fasern mit geringeren Verlusten Vorrichtungen mit höherer Verstärkung ergeben.
  • Auch sind viele verschiedene Strukturen von löchrigen Fasern erhältlich, von denen alle geeignet sind, in verschiedenen Ausführungsformen verwendet zu werden. Der Mantel der löchrigen Faser kann Löcher aufweisen, die in 2, 3, 4 oder mehr Ringen um den Kern angeordnet sind, wie es notwendig ist, um die gewünschten Eigenschaften zu ergeben. Auf diese Weise können Fasereigenschaften, einschließlich Brechungsindex, Nichtlinearität und Dispersion, angepaßt werden. Auch können die Löcher in einer periodischen Weise angeordnet sein oder auch nicht. Sie können in der Größe abgestuft sein oder anders über den Querschnitt der Faser variieren. Der Kerndurchmesser kann wie erforderlich gewählt werden, Durchmesser von < 2 μm oder < 3μm sind typisch für löchrige Fasern, aber es können auch andere Werte verwendet werden. Alle diese Variablen können verwendet werden, um die Fasereigenschaften einzustellen. Löchrige Faserkonstruktionen, welche Kreissymmetrie um den Kern aufweisen werden typischerweise für nicht-polarisationserhaltende Fasern verwendet, welche aus gesponnenen löchrigen Fasern hergestellt werden können. Eine polarisationserhaltende Faser auf der anderen Seite hat typischerweise eine Struktur, welche asymmetrisch um den Kern ist.
  • Die löchrige Faser, welche verwendet wird, um die oben beschriebenen Beispiele der ersten und zweiten Ausführungsformen der Erfindung zu realisieren, hat einen hohen anormalen Dispersionswert. Dies spielt in den beschriebenen Betriebsregimen keine wichtige Rolle, da die verwendeten Pulse recht lang sind. Es ist jedoch möglich, kürzerer Pulse zu verwenden, in welchem Fall die hohen Dispersionswerte problematisch könnten, da sie zu Effekten, wie zum Beispiel Pulsverbreiterung und Verzerrung, führen können. Daher wird ein niedriger Dispersionswert unter solchen Umständen bevorzugt. Auch ist eine normale anstelle einer anormalen Dispersion bevorzugt, da die Pulse mit hoher Intensität und kurzer Dauer in dem anormalen Dispersionsregime anfangen können, aufgrund von Modulationsinstabilität aufzubrechen und sie in einigen Fällen optische Solitonen bilden können. Kürzere Pulse können vorteilhaft sein, um höhere Spitzenleistungen und eine erhöhte nicht-lineare Reaktion und Verstärkung zu erreichen. Auch können kurze Pulse verwendet werden, um wie oben diskutiert eine hohe Bitrate für Datenmodulationsanwendungen zu ergeben.
  • Betriebswellenlängen
  • Während es einer der Vorteile der Ausführungsformen von Raman-Verstärkern mit löchrigen Fasern der vorliegenden Erfindung ist, die Fähigkeit zur Verstärkung bei Wellenlängen außerhalb der schmalen Bandbreite des EDFA zu erreichen, ist es auch möglich, einen Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen, welcher in diesem Wellenlängenbereich arbeitet. Das Spektrum der Raman-Verstärkung hängt von der Wellenlänge des verwendeten Pumplichts ab, so daß ein abstimmbarer Verstärker durch Verwenden einer abstimmbaren optischen Pumpquelle zur Verfügung gestellt werden kann oder alternativ kann ein Verstärker, der bei einer gewünschten Wellen länge arbeitet, durch entsprechende Auswahl der Pumpwellenlänge bereitgestellt werden. Für eine Vorrichtung, die auf einer löchrigen Faser aus reinem Quarz basiert, in welcher die Pumpwellenlänge von der Verstärkungsspitze durch ~ 13 THz getrennt ist, kann eine Verstärkung, welche die verschiedenen Telekommunikationswellenlängenbänder abdeckt, durch Verwenden von Pumplicht der folgenden Wellenlängen erreicht werden:
    Figure 00360001
  • Es ist wünschenswert so viele dieser Bänder wie möglich zu verwenden (durch Multiplexen vieler Signalwellenlängen), so daß die Signalübertragungskapazität eines Telekommunikationsnetzwerks erhöht wird. Verstärker gemäß der Ausführungsformen dieser Erfindung stellen eine vorteilhafte Weise bereit, um dieses Zielpotential zu erreichen.
  • Pumpquellen
  • Verschiedene Quellen sind zur Verwendung als optische Pumpquellen für die Erzeugung von Pumplicht mit verschiedenen Wellenlängen für Ausführungsformen der Erfindung geeignet und erhältlich. Beispiele umfassen den Erbium-dotierten Faserlaser (EDFL), welcher bei ~ 1530 bis 1600 nm arbeitet, abstimmbare und nicht-abstimmbare Halbleiterlaserdioden, welche mit Ausgängen von 800 bis 1600 nm erhältlich sind, den Nd:YAG-Laser, welcher bei 1064 nm emittiert, den Argon-Ionenlaser, welcher typischerweise Licht mit einem Wellenlängenbereich von 490 bis 515 nm erzeugt, den Ytterbium-dotierten Faserlaser (YDFL) um 1 μm und Erbium/Ytterbium-dotierte Faserlaser.
  • Während die oben erwähnten weiteren Ausführungsformen gemäß Raman-Verstärkern mit löchrigen Fasern beschrieben wurden, sind die verschiedenen Merkmale im allgemeinen auch auf optische Raman-Modulatoren und Raman-Laser, wie zum Beispiel die der zweiten und dritten Ausführungsformen der Erfindung anwendbar und können vorteilhaft auf diese angewendet werden.
  • Gemäß verschiedenen Gesichtspunkten der vorliegenden Erfindung wurde eine optische Vorrichtung beschrieben mit:
    Einer ersten optischen Quelle, die so betreibbar ist, daß Licht einer ersten Wellenlänge und einem ersten Leistungspegel bereitgestellt wird,
    einer zweiten optischen Quelle, die so betreibbar ist, daß Licht bei einer zweiten Wellenlänge, welche länger ist als die erste Wellenlänge und einem zweiten Leistungspegel bereitgestellt wird und
    einer löchrigen optischen Faser, die so angeordnet ist, daß sie Licht von der ersten optischen Quelle und der zweiten optischen Quelle erhält und das Verhältnis des zweiten Leistungspegels zu dem ersten Leistungspegel erhöht durch den Effekt der stimulierten Raman-Streuung innerhalb der Faser.
  • Die optische Vorrichtung kann als ein optischer Verstärker konfiguriert sein, in welchem Fall der zweite Leistungspegel niedriger ist als der erste Leistungspegel und die stimulierte Raman-Streuung agiert so, daß der zweite Leistungspegel durch Bereitstellen optischer Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge verstärkt wird.
  • Alternativ kann die optische Vorrichtung als ein optischer Modulator konfiguriert sein, in welchem Fall der zweite Leistungspegel höher ist als der erste Leistungspegel und die stimulierte Raman-Streuung agiert so, daß der erste Leistungspegel durch Bereitstellung optischen Verlusts bei der ersten Wellenlänge reduziert wird.
  • Alternativ kann die optische Vorrichtung als ein Laser konfiguriert sein, in welchem Fall die löchrige optische Faser mit einem oder mehreren reflektiven Elementen versehen ist, die betreibbar sind, um optische Rückkopplung bei der zweiten Wellenlänge zur Verfügung zu stellen, Licht bei der zweiten Wellenlänge wird durch stimulierte Raman-Streuung des Lichts bei der ersten Wellenlänge innerhalb der löchrigen optischen Faser bereitgestellt und die stimulierte Raman-Streuung agiert so, daß der zweite Leistungspegel verstärkt wird durch Bereitstellen optischer Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge, die ausreichend ist, um Laserbetrieb zu erreichen.
  • Referenzen
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Claims (38)

  1. Optische Fasereinrichtung, die im Gebrauch den Raman-Effekt ausnutzt und aufweist: eine löchrige optische Faser (82) mit einer Struktur, die es der Faser erlaubt, das Licht mit einer ersten Wellenlänge und einer zweiten längeren Wellenlänge zu leiten, und die zu einer Energieübertragung von dem Licht der ersten Wellenlänge, die sich in der Faser ausbreitet, zu der zweiten Wellenlänge innerhalb der Faser aufgrund des nicht-linearen optischen Prozesses der Raman-Streuung führt, so daß das Verhältnis der optischen Leistung innerhalb der Faser der zweiten Wellenlänge zu der optischen Leistung innerhalb der Faser der ersten Wellenlänge erhöht wird, wobei die löchrige optische Faser aus einem ersten Material hergestellt ist und einen Kernbereich hat, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, der der löchrigen optischen Faser eine größere Nichtlinearität als das erste Material gibt, eine erste optische Quelle (58, 106), die derart betreibbar ist, daß sie Licht mit der ersten Wellenlänge mit einem ersten Leistungspegel emittiert, und einen Koppler (80), der derart betreibbar ist, daß er Licht von der ersten optischen Quelle in die löchrige optische Faser koppelt, so daß das Licht der Raman-Streuung unterliegt.
  2. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, die derart konfiguriert ist, daß sie als optischer Faserverstärker betreibbar ist und weiterhin aufweist: einen Koppler (80), der betreibbar ist, um Licht mit der zweiten Wellenlänge mit einem zweiten Leistungspegel, der kleiner als der erste Leistungspegel ist, in die löchrige optische Faser einzukoppeln, wobei der Effekt der Raman-Streuung des Lichts von der ersten optischen Quelle verwendet wird, um eine optische Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge zu erzielen, so daß Licht, das sich mit der zweiten Wellenlänge innerhalb der Faser ausbreitet, verstärkt wird.
  3. Optische Fasereinrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin aufweist eine zweite optische Quelle (76), die betreibbar ist, um Licht mit der zweiten Wellenlänge mit dem zweiten Leistungspegel zu emittieren, wobei der Koppler derart konfiguriert ist, daß er Licht von der zweiten optischen Quelle in die löchrige optische Faser einkoppelt.
  4. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 2, die derart konfiguriert ist, daß sie als verteilter Verstärker für die Verwendung in einem Telekommunikationssystem betreibbar ist, in dem der Koppler derart angeordnet ist, daß er optische Signale mit der zweiten Wellenlänge in die löchrige optische Faser einkoppelt, so daß die optischen Signale eine optische Verstärkung erfahren und verstärkt werden, während sie sich entlang der löchrigen optischen Faser ausbreiten.
  5. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, die weiterhin aufweist: einen zweiten optischen Faserverstärker (146), der betreibbar ist, um Licht bei einer dritten Wellenlänge zu empfangen und zu verstärken, und einen Ausgangskoppler (148), der betreibbar ist, um verstärktes Licht der zweiten Wellenlänge von der optischen Faservorrichtung zu empfangen und um verstärktes Licht der dritten Wellenlänge von dem zweiten optischen Faserverstärker zu empfangen, und das verstärkte Licht in einen einzigen Ausgang (150) zu kombinieren.
  6. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 5, bei der der zweite optische Faserverstärker einer der folgenden ist: erbiumdotierter Faserverstärker, ytterbiumdotierter Faserverstärker, erbium/ytterbiumdotierter Faserverstärker, praseodymdotierter Faserverstärker, thuliumdotierter Faserverstärker oder ein optischer Halbleiterverstärker.
  7. Optische Faservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, die weiterhin eine oder mehrere zusätzliche optische Quellen (168, 182) aufweist, die betreibbar sind, um Licht bei der ersten Wellenlänge zu emittieren, und einen Koppler (170, 172), der betreibbar ist, um Licht von der einen oder den mehreren zusätzlichen optischen Quellen in die löchrige optische Faser zu koppeln, so daß die optische Verstärkung, die bei der zweiten Wellenlänge bereitgestellt wird, vergrößert wird.
  8. Optische Faservorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, die weiterhin aufweist eine oder mehrere zusätzliche optische Quellen (168, 182), die betreibbar sind, um Licht bei einer oder mehreren Wellenlängen, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheiden, zu betreiben, und einen Koppler (170, 172), der betreibbar ist, um Licht von der einen oder den mehreren zusätzlichen optischen Quellen in die löchrige optische Faser einzukoppeln, so daß das Licht eine Raman-Streuung erfährt und eine Verstärkung bei einer oder mehreren Wellenlängen, die sich von der zweiten Wellenlänge unterscheidet, bereitstellt.
  9. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, die derart konfiguriert ist, daß sie als optischer Modulator betreibbar ist und weiterhin aufweist: eine zweite optische Quelle (58), die betreibbar ist, um Licht der zweiten Wellenlänge mit einem zweiten Leistungspegel größer als der erste Leistungspegel zu emittieren, und einen Koppler (80), der betreibbar ist, um Licht von der zweiten optischen Quelle in die löchrige optische Faser einzukoppeln, wobei der Effekt der Raman-Streuung des Lichts von der ersten optischen Quelle verwendet wird, um einen optischen Verlust bei der ersten Wellenlänge zu verursachen, so daß der erste Leistungspegel reduziert wird.
  10. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 9, in der die zweite optische Quelle betreibbar ist, um Licht mit der zweiten Wellenlänge in Form von Pulsen zu emittieren, so daß der optische Verlust mit der Zeit variiert.
  11. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Pulse eine Dauer von zwischen 1 Femtosekunde und 100 Nanosekunden haben.
  12. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Pulse eine Dauer von zwischen 1 Pikosekunde und 100 Pikosekunden haben.
  13. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 1, die derart konfiguriert ist, daß sie als optischer Faserlaser betreibbar ist, wobei der Effekt der Raman-Streuung verwendet wird, um eine optische Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge bereitzustellen, so daß Licht mit der zweiten Wellenlänge, das durch die stimulierte Raman-Streuung des Lichts von der ersten Quelle erzeugt wird, verstärkt wird, wobei die Vorrichtung weiterhin aufweist: ein oder mehrere reflektive Elemente (115, 118; 130, 132; 138, 140) mit einer Reflektivität bei der zweiten Wellenlänge und die derart angeordnet sind, daß sie mehrere Durchläufe durch die löchrige optische Faser des Lichts mit der zweiten Wellenlänge verursachen, so daß die Laseraktion bei der zweiten Wellenlänge erzielt wird.
  14. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 13, bei der die reflektiven Elemente ein Spiegelpaar oder Volumen- bzw. Bulkgitter (115, 118) aufweisen, die außerhalb der löchrigen optischen Faser angeordnet sind.
  15. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, in der die löchrige optische Faser in einer Ringkonfiguration (124) angeordnet ist, um es Licht mit der zweiten Wellenlänge zu ermöglichen, entlang des Rings zu zirkulieren.
  16. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 12, in der die reflektiven Elemente ein Paar Faser-Bragg-Gitter (130, 132) aufweisen, die in die löchrige optische Faser eingeschrieben sind.
  17. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 16, die weiterhin ein oder mehrere Paare von Faser-Bragg-Gittern (138, 140), die in die löchrige optische Faser eingeschrieben sind, aufweisen und Reflektivitäten bei einer oder mehreren Wellenlängen, die länger als die zweite Wellenlänge sind, haben, so daß Licht, welches durch Raman-Streuung des Lichts mit der zweiten Wellenlänge, das sich innerhalb der Faser ausbreitet, erzeugt wird, zu der einen oder den mehreren längeren Wellenlängen reflektiert wird.
  18. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die löchrige optische Faser eine Länge innerhalb eines der folgenden Bereiche hat: 10 Meter bis 10.000 Meter; 10 Meter bis 100 Meter oder zwischen 10 Meter und 1000 Meter oder zwischen 100 Meter und 1000 Meter.
  19. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die löchrige optische Faser eine Struktur hat, die um den Kernbereich asymmetrisch ist, so daß die löchrige optische Faser eine die Polarisation beibehaltende Faser ist.
  20. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die löchrige optische Faser in der Lage ist, eine Multimodenführung zu unterstützen, und der dotierte Kernbereich eine höhere Verstärkung für eine Fundamentalmode der Faser gibt, um den Einzelmodenbetrieb zu verbessern.
  21. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der der Dotierstoff Ionen von einem oder mehreren der folgenden Elemente aufweist: Germanium, Phosphor, Bor, Zinn, Blei, Wismut, Antimon, Erbium, Ytterbium und Aluminium.
  22. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der das erste Material Siliciumdioxid ist.
  23. Optische Faservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, in dem das erste Material ein Verbundglas ist.
  24. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 23, in der das Verbundglas Galliumlanthansulfidglas ist.
  25. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, in der die löchrige optische Faser eine Länge von zwischen 1 und 10 Metern hat.
  26. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die löchrige optische Faser eine Faser (130) mit großem Kernbereich ist, wobei der Kernbereich eine Fläche hat, die größer als 100 μm2 bei der zweiten Wellenlänge beträgt.
  27. Optische Faservorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, in der die löchrige optische Faser eine Struktur hat, die Löcher aufweist mit einem Querschnittsdurchmesser d und einem Loch-zu-Loch-Abstand Λ, so daß d/Λ > 0,6, und mit einer effektiven optischen Nichtlinearität von > 20 W–1km–1.
  28. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 27, in der Λ < 4 μm ist.
  29. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 27, in der Λ < 3 μm ist.
  30. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 27, in der Λ < 2 μm ist.
  31. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 27, in der Λ < 1,5 μm ist.
  32. Optische Faservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, in der die Faser eine Struktur hat, die Löcher mit einem Querschnittsdurchmesser d und einem Loch-zu-Loch-Abstand Λ hat, so daß d/Λ < 0,3, so daß sie eine endlose Einzelmodenausbreitung bei zumindest der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge bereitstellt.
  33. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 32, in der Λ > 5 μm.
  34. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 32, in der d/Λ < 0,2 und Λ > 5 μm.
  35. Optische Faservorrichtung nach Anspruch 32, in der d/Λ < 0,1 und Λ > 5 μm.
  36. Optische Faservorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, in der die löchrige optische Faser effektiv eine endlose Einzelmodusfaser ist.
  37. Verfahren zum Verstärken von Licht bei einer zweiten Wellenlänge, das aufweist: Bereitstellen von Licht bei einer ersten Wellenlänge mit einem ersten Leistungspegel, Bereitstellen von Licht bei einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist, mit einem zweiten Energie- bzw. Leistungspegel, der kleiner als der erste Leistungspegel ist, Einkoppeln des Lichts der ersten Wellenlänge und des Lichts der zweiten Wellenlänge in eine löchrige optische Faser (82), die aus einem ersten Material hergestellt ist und einen Kernbereich hat, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, der der löchrigen optischen Faser eine größere Nichtlinearität gibt als das erste Material, und mit einer Struktur, die es der Faser erlaubt, Licht mit der ersten Wellenlänge und einer zweiten längeren Wellenlänge zu führen, und die zu einer Energieübertragung des Lichts mit der ersten Wellenlänge in die zweite Wellenlänge führt durch den nichtlinearen optischen Prozeß der Raman-Streuung innerhalb der Faser und somit eine optische Verstärkung bei der zweiten Wellenlänge bereitstellt, so daß das Licht mit der zweiten Wellenlänge die optische Verstärkung erfährt und verstärkt wird.
  38. Verfahren zum Modulieren der Lichtamplitude einer ersten Wellenlänge, das aufweist: Bereitstellen von Licht einer ersten Wellenlänge mit einem ersten Leistungs- bzw. Energiepegel, Bereitstellen von Licht mit einer variierenden Amplitude bei einer zweiten Wellenlänge, die länger als die erste Wellenlänge ist und mit einem maximalen Energiepegel, der größer als der erste Leistungspegel ist, Einkoppeln des Lichts der ersten Wellenlänge und des Lichts der zweiten Wellenlänge in eine löchrige optische Faser (82), die aus einem ersten Material hergestellt ist und einen Kernbereich hat, der mit einem Dotierstoff dotiert ist, der der löchrigen optischen Faser eine größere Nichtlinearität als das erste Material gibt, und mit einer Struktur, die es der Faser erlaubt, Licht bei einer ersten Wellenlänge und einer zweiten längeren Wellenlänge zu führen und die zu einem Energietransfer des Lichts der ersten Wellenlänge zu der zweiten Wellenlänge durch den nicht-linearen optischen Prozeß der Raman-Streuung innerhalb der Faser führt und somit einen optischen Verlust bei der ersten Wellenlänge bereitstellt, der mit der Zeit variiert, so daß das Licht der ersten Wellenlänge einen variierenden optischen Verlust erfährt und moduliert wird.
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