EP4264754A1 - Passiv modengekoppelter faseroszillator und lasereinrichtung mit einem solchen faseroszillator - Google Patents

Passiv modengekoppelter faseroszillator und lasereinrichtung mit einem solchen faseroszillator

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Publication number
EP4264754A1
EP4264754A1 EP21831271.8A EP21831271A EP4264754A1 EP 4264754 A1 EP4264754 A1 EP 4264754A1 EP 21831271 A EP21831271 A EP 21831271A EP 4264754 A1 EP4264754 A1 EP 4264754A1
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EP
European Patent Office
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fiber
loop
fiber oscillator
oscillator
port
Prior art date
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Pending
Application number
EP21831271.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Graf
Aleksander BUDNICKI
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Trumpf Laser GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser GmbH filed Critical Trumpf Laser GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
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    • H01S3/08013—Resonator comprising a fibre, e.g. for modifying dispersion or repetition rate
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
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    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
    • H01S3/06725—Fibre characterized by a specific dispersion, e.g. for pulse shaping in soliton lasers or for dispersion compensating [DCF]

Definitions

  • the invention relates to a passively mode-locked fiber oscillator and a laser device, comprising a pump light source and such a fiber oscillator.
  • Passively mode-locked fiber oscillators often have a saturable absorber, in particular a semiconductor-based saturable absorber mirror (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), SESAM for short.
  • SESAM semiconductor-based saturable absorber mirror
  • such a SESAM is susceptible to degradation and maladjustment. Because of this, it has proven difficult to reproducibly provide such a mode-locked fiber oscillator in the wavelength ranges from approximately 900 nm to approximately 2100 nm for long-term stable operation in an industrial environment. However, it is precisely these wavelength ranges that are of interest for material processing and the telecommunications sector on the one hand and the medical technology sector and semiconductor processing on the other. Providing such a fiber oscillator with well-defined dispersion properties continues to prove to be a challenge.
  • the invention is therefore based on the object of creating a passively mode-locked fiber oscillator and a laser device with such a fiber oscillator, the disadvantages mentioned not occurring.
  • the object is achieved by providing a passively mode-locked fiber oscillator having a bidirectional loop and a unidirectional loop.
  • the bidirectional loop and the unidirectional loop are coupled together by a 3x3 coupler.
  • the bi-directional loop includes a first gain fiber and the fiber oscillator has normal dispersion overall.
  • the bidirectional loop can take on the function of a saturable absorber, so that the fiber oscillator can dispense with a SESAM in particular. This also completely avoids the problem of degradation and misalignment in connection with a SESAM. In particular, there are no problems with degradation and/or misalignment in connection with the bidirectional loop.
  • suitable wavelengths for the fiber oscillator can be provided, in particular in the range from approximately 900 nm to 1100 nm (ytterbium, neodymium) over 1500 nm (erbium) to about 1900 nm to 2100 nm (thulium, holmium).
  • suitable wavelengths for the fiber oscillator in particular in the range from approximately 900 nm to 1100 nm (ytterbium, neodymium) over 1500 nm (erbium) to about 1900 nm to 2100 nm (thulium, holmium).
  • ytterbium or neodymium is used as a doping element, the dispersion is advantageously already in the normal range. Nevertheless, even when using these doping elements, a dispersion compensation element can be used in order to shift the dispersion into a desired range, in particular for fine-tuning the dispersion. When using erbium, thulium or holmium as a doping element, a dispersion compensation element can advantageously be used in order to shift the dispersion into the normal dispersion range.
  • the fiber oscillator enables reproducible, long-term stable operation in an industrial environment in the wavelength ranges mentioned.
  • a fiber oscillator is understood to mean, in particular, a laser oscillator which has at least one optical component, in particular for guiding and/or influencing light, which has a fiber or consists of a fiber.
  • all optical components of the fiber oscillator may be fiber components, ie components which in particular have a fiber or consist of a fiber, in particular fiber-based components or fiber-coupled components.
  • a loop is understood to mean an optical part of the fiber oscillator which has a first end and a second end, both the first end and the second end being coupled to the same connection component of the fiber oscillator, here in particular to the 3 ⁇ 3 coupler.
  • Such a loop can be designed as a ring as a whole; in particular, the loop in this case consists of a ring part.
  • the loop in this case consists of a ring part.
  • a bidirectional loop is understood to mean, in particular, a loop in which light pulses can propagate both from the first end to the second end and from the second end to the first end—ie in both directions.
  • a unidirectional loop is understood to mean, in particular, a loop in which light pulses can propagate along the loop only in one distinct direction, either from the first end to the second end or from the second end to the first end.
  • An isolator device in particular an isolator, is preferably arranged in the unidirectional loop, with the isolator device being set up to only let light pulses through in one direction but to block them in the other direction, for example by utilizing the Faraday effect, or in another suitable manner .
  • the isolator means is preferably arranged in a ring part of the unidirectional loop.
  • the bi-directional loop is preferably a first fiber loop.
  • a fiber loop is understood to be a loop that has a fiber at least in some areas or consists of a fiber.
  • the fiber loop consists entirely of one fiber or is composed of a plurality of fibers connected to one another.
  • the unidirectional loop is preferably a second fiber loop.
  • the unidirectional loop is preferably designed as a unidirectional ring.
  • the first amplifying fiber is doped with at least one element selected from a group consisting of ytterbium, neodymium, erbium, thulium, and holmium.
  • the first amplification fiber is doped with precisely one of the elements mentioned.
  • the first amplifying fiber is doped with a combination of at least two of the elements mentioned, in particular with a combination of exactly two of the elements mentioned.
  • the first gain fiber is doped with erbium and ytterbium (Er/Yb).
  • the first gain fiber is doped with thulium and holmium (Tm/Ho).
  • the bi-directional loop has an asymmetry.
  • the bidirectional loop is configured asymmetrically for two light pulses passing through the bidirectional loop in opposite directions.
  • the bidirectional loop has an asymmetry element, in particular an asymmetrically arranged amplification element for an asymmetrical amplification, and/or an asymmetrically arranged attenuation element for an asymmetrical attenuation of the light pulses propagating in opposite directions along the bidirectional loop.
  • the asymmetry element is generally set up and/or arranged to generate a difference in the respective self-phase modulation between a light pulse propagating in a certain first direction along the bidirectional loop and a light pulse propagating in the other, second direction along the bidirectional loop.
  • the asymmetrically arranged reinforcement element can preferably be variably adjusted with regard to the reinforcement.
  • variable amplification can be realized by varying the pump power.
  • the asymmetrically arranged attenuation element can preferably be variably adjusted with regard to the attenuation.
  • phase shift can be adjusted by variable activation of the asymmetry element.
  • the first reinforcement fiber can be arranged asymmetrically in the bidirectional loop. This means in particular that the first reinforcement fiber is arranged closer to the first end of the bidirectional loop than to the second end, or vice versa.
  • an asymmetrically arranged attenuating element in particular an asymmetrically arranged decoupling element, for example a tap coupler, or a filter, a polarization attenuator or the like is arranged in the bidirectional loop.
  • an asymmetrically arranged attenuating element in particular an asymmetrically arranged decoupling element, for example a tap coupler, or a filter, a polarization attenuator or the like is arranged in the bidirectional loop.
  • the embodiments mentioned can also be combined with one another.
  • the bidirectional loop is preferably designed as a nonlinear, amplifying loop mirror (NALM).
  • NALM nonlinear, amplifying loop mirror
  • the bidirectional loop has an asymmetry, so that different light pulses, which pass through the bidirectional loop in different directions, pass through a longer part of the bidirectional loop with different intensity levels depending on their direction of circulation, since - in relation to the running distance of the bidirectional loop - be strengthened and/or weakened sooner or later. Because of the self-phase modulation in the bidirectional loop, this leads to a phase shift between two light pulses that pass through the bidirectional loop in opposite directions, with this phase shift itself in turn being intensity-dependent. The phase shift between the two light pulses in turn influences their coupling behavior at the 3x3 coupler.
  • the loop arrangement made up of the bidirectional loop and the unidirectional loop, which are coupled to one another via the 3 ⁇ 3 coupler, and thus also the fiber oscillator overall, preferably has a so-called figure 8 configuration.
  • the 3x3 coupler preferably has a plurality of ports, in particular six ports.
  • the 3x3 coupler is preferably embodied symmetrically, which means in particular that light pulses are distributed in equal proportions to the different ports of the 3x3 coupler.
  • Under A port is understood to be a connection of the 3x3 coupler, which can act as an input or as an output and can be connected in particular to a fiber in a light-conducting manner.
  • the 3x3 coupler preferably has three ports on a first side, namely a first port, a second port and a third port. On a second side, the 3x3 coupler has three more ports, namely a fourth port, a fifth port and a sixth port.
  • the first port is directly optically connected to the fourth port via a fiber section.
  • the second port is directly optically connected to the fifth port via a fiber section.
  • the third port is directly optically connected to the sixth port via a fiber section.
  • Light pulses that propagate between two ports that are directly connected to one another experience no phase jump. However, the 3x3 coupler is set up in such a way that light pulses can crosstalk between the immediate connections of the ports, experiencing a phase shift which is preferably 2TC/3, regardless of which two connections a light pulse crosses between.
  • the 3x3 coupler is generally arranged to impart a phase shift of 2TC/3 ZU to light pulses which crosstalk between different proximate connections of the ports of the 3x3 coupler. In particular, this makes it possible to impart a corresponding phase shift to the two opposing light pulses in the NALM.
  • a first end of the unidirectional loop is optically connected to the third port.
  • a second end of the unidirectional loop is optically connected to the first port.
  • the unidirectional loop is set up in such a way—in particular by the isolator device—that a light pulse along the unidirectional loop can only get from the third port to the first port, but not in the opposite direction.
  • a first end of the bidirectional loop is optically connected to the fifth port.
  • a second end of the bidirectional loop is optically connected to the sixth port.
  • the second port and the fourth port can preferably be used to decouple light pulses from the fiber oscillator, be it as useful light or for monitoring.
  • a light pulse entering the 3x3 coupler from the unidirectional loop via the first port is divided there into three light pulses with the same pulse energy to the fourth port, the fifth port and the sixth port.
  • the light pulses at the fifth port and at the sixth port each experience a phase shift of 2TC/3 compared to the light pulse entering at the first port.
  • the light pulse at the fifth port is referred to below as the first light pulse, and the light pulse at the sixth port as the second light pulse.
  • the first light pulse now runs through the bidirectional loop starting from the first end to the second end - namely from the fifth port to the sixth port, with the second light pulse running through the bidirectional loop in the opposite direction - namely from the sixth port to the fifth port.
  • the first light pulse and the second light pulse now experience different phase shifts or B integrals during their propagation along the bidirectional loop.
  • the difference in the B integrals or the phase shift between the first light pulse and the second light pulse depends in particular on the original intensity of the light pulses - before passing through the bidirectional loop - and the amplification and/or attenuation in the first amplification fiber, i.e. in particular from a Pumping level of the first gain fiber.
  • the attenuation can also be made variable, if necessary, in order to influence the phase shift.
  • the second light pulse now partially talks over into the direct optical connection between the sixth port and the third port and again experiences a phase shift of 2TC/3.
  • the first light pulse arriving at the sixth port is immediately forwarded to the third port without experiencing a phase shift.
  • An output pulse resulting from superposition of the first light pulse and the second light pulse at the third port thus depends in particular on the B integrals that the light pulses experience during their propagation along the bidirectional loop.
  • the 3 ⁇ 3 coupler is set up in such a way that even with a vanishing nonlinear phase shift between the first light pulse and the second light pulse, a finite transmission of preferably approximately 10% of the input pulse energy and a non- vanishing gradient of the phase-dependent transmission curve, which significantly simplifies a laser pulse build-up from the noise. In particular, this facilitates the start, in particular a self-start, of the mode-locked operation.
  • the transmission increases up to a maximum of preferably about 45% - disregarding the gain through the first amplifying fiber - with a maximum phase shift of 2TC/3.
  • the bidirectional loop favors light pulses with higher peak power and can thus fulfill the function of a saturable absorber.
  • the non-linear phase shift between the first light pulse and the second light pulse can be set variably by varying the pump power for the first amplification fiber in the bidirectional loop.
  • the first gain fiber is preferably doped with at least one element selected from a group consisting of: ytterbium, neodymium, erbium, holmium, and thulium.
  • the doping element or optionally the combination of doping elements determines in particular an optical wavelength for the fiber oscillator: if the first amplifying fiber includes ytterbium or neodymium as a doping element, the wavelength is approximately 900 nm to 1100 nm; the fiber oscillator is then preferably used for processing transparent materials or for telecommunications.
  • the wavelength is around 1500 nm; the fiber oscillator is then preferably used in particular in telecommunications applications or in the medical field.
  • the wavelength is around 1900 nm to 2100 nm; the fiber oscillator is then preferably used in particular in semiconductor technology or in the field of medical technology.
  • the fact that the fiber oscillator has a normal dispersion overall, or that - in other words, but with the same meaning - a total dispersion of the fiber oscillator is in the normal dispersion range, means in particular that a light pulse passing through the fiber oscillator after a pass through the fiber oscillator - i.e. every component of the fiber oscillator - was once happened - has experienced normal dispersion. This in turn means that compared to a temporal shape of the light pulse before passing through the fiber oscillator in the temporal shape of the light pulse after passing through the Fiber oscillator lags higher frequencies while leading lower frequencies. Higher frequencies rush through the fiber oscillator more slowly than lower frequencies.
  • every optical component of the fiber oscillator has normal dispersion; rather the effect results at least for the sum of the optical components.
  • all optical components of the fiber oscillator it is possible for all optical components of the fiber oscillator to have normal dispersion
  • at least a first optical component of the fiber oscillator it is also possible for at least a first optical component of the fiber oscillator to have anomalous dispersion, with the fiber oscillator having at least one other , second optical component having a normal dispersion that overcompensates for the anomalous dispersion of the first optical component such that the overall dispersion of the fiber oscillator is normal.
  • the fiber oscillator has a dispersion compensation element, this is preferably arranged in the unidirectional loop.
  • the fiber oscillator can also have at least one dispersion compensation element in such a case in order to shift the dispersion to a desired range within the normal dispersion range, in particular for fine-tuning the dispersion.
  • the total dispersion can be reduced in terms of absolute value with the aid of a dispersion compensation element.
  • the dispersion compensation element can be embodied in particular as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating.
  • the fiber oscillator preferably has at least one dispersion compensation element in order to bring the total dispersion into the normal range.
  • the at least one dispersion compensation element is preferably designed as a dispersion compensation fiber or as a chirped grating, in particular as a chirped fiber Bragg grating.
  • the dispersion compensation element is preferably arranged in the unidirectional loop.
  • a dispersion compensation fiber is also called dispersion compensated fiber or referred to as dispersion-matched fiber.
  • Such a dispersion compensation fiber can, for example, have a fiber core that includes rings with different refractive indices.
  • the unidirectional loop has no gain medium.
  • the first amplification fiber is advantageously the only amplification medium of the fiber oscillator, in particular the only amplification fiber.
  • the fiber oscillator can thus have a very simple and inexpensive structure.
  • the unidirectional loop has an - additional - amplification medium, in particular a second amplification fiber, with an isolator element - in a preferred embodiment the isolator device of the unidirectional loop provided anyway - in the propagation direction of a light pulse - preferably in the unidirectional loop - is arranged between the reinforcement element and the first reinforcement fiber. Additionally or alternatively, an isolator element is preferably arranged in the propagation direction of the light pulse between the first amplification fiber and the amplification element.
  • losses can advantageously be compensated for with the aid of the amplification element, in that amplification of light pulses in the fiber oscillator takes place not only in the first amplification fiber but also in the additional amplification medium.
  • this allows greater freedom in the choice of amplification for the first amplification fiber and thus a freer adjustment of the phase shift between the first light pulse and the second light pulse, since a change in the overall amplification of the fiber oscillator when the amplification in the first amplification fiber varies accordingly by means of the additional Gain medium can be compensated.
  • the insulator element can be designed as an insulator or as a circulator.
  • the second gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber.
  • the bidirectional loop preferably has an in-coupling device which is set up to in-couple pump light into the first amplifying fiber.
  • the in-coupling device arranged in the bidirectional loop can at the same time also be used for in-coupling pump light into the additional amplification medium, in particular into the second amplification fiber.
  • the preferably asymmetrically arranged in-coupling device can serve as an asymmetric element, in particular as an asymmetrically arranged attenuating element.
  • a coupling device is arranged in the unidirectional loop, which is set up to couple pumped light into the additional gain medium, in particular the second gain fiber.
  • the in-coupling device is preferably used at the same time for in-coupling pumped light into the first amplifying fiber.
  • the bidirectional loop it is preferably also possible for the bidirectional loop to have a first coupling device for coupling pumped light into the first gain fiber, with the unidirectional loop having a second coupling device set up to couple pumped light into the additional gain medium.
  • the coupling device is preferably designed as a wavelength division multiplex coupler (Wavelength Division Multiplexer—WDM).
  • WDM wavelength division multiplex coupler
  • the unidirectional loop has a reflecting arm, with a reflector element being arranged in the reflecting arm.
  • additional optical functions can also be implemented via the reflector element, in particular the function of a bandwidth limitation element and/or a dispersion compensation element.
  • the reflective arm offers advantages in particular with regard to the arrangement and isolation on both sides of an additional gain medium in the reflective arm.
  • the reflective arm preferably has at least one fiber or preferably consists of at least one fiber.
  • the reflector element is preferably arranged at a reflective end of the reflective arm.
  • the reflective arm is preferably formed as a linear branch of the unidirectional loop which is optically connected to a ring portion of the unidirectional loop.
  • the reflecting arm in particular the linear branch, has the reflector element at the reflection end and is light-conductingly connected to the ring part at a connection end opposite the reflection end.
  • a unidirectional loop traversing Light pulse traverses the reflective arm twice, once from the port end to the reflection end, and then back from the reflection end to the port end.
  • the reflector element is preferably designed to be partially transparent—or, to put it the other way around, partially reflective—so that a predetermined proportion of light is coupled out of the fiber oscillator via the reflector element.
  • the reflector element is in the form of a wavelength-fixing element, that is to say in particular as an element that is set up to fix a central wavelength for the fiber oscillator.
  • the reflector element advantageously enables the central wavelength with which the fiber oscillator is operated to be clearly defined. This offers the great advantage of high reproducibility with increased variability at the same time in order to obtain a specific, desired wavelength as the central wavelength. This can be decisive in particular in subsequent processes whose efficiency depends on the wavelength, for example in material processing processes, in an amplification chain, and/or in frequency conversion.
  • the reflector element is designed as a fiber Bragg grating.
  • the fiber Bragg grating can preferably be used as a dispersion compensation element, as a wavelength fixing element, and/or as a
  • the fiber B ragg grating is preferably in the form of a chirped fiber B ragg grating.
  • the fiber Bragg grating can also act as a wavelength-fixing element or as a bandwidth-limiting element if it is designed as an unchirped fiber Bragg grating.
  • the fiber oscillator has a dispersion compensation element.
  • the dispersion compensation element is preferably formed by the reflector element, in that the reflector element is designed as a chirped fiber Bragg grating.
  • the dispersion compensation element is a dispersion compensating fiber, which is preferably arranged in the unidirectional loop.
  • the first amplification fiber is designed to be dispersion-compensated.
  • the reflecting arm is connected to the annular part of the unidirectional loop via a circulator element in a light-conducting manner.
  • the circulator element preferably serves at the same time as an isolator device for the unidirectional loop.
  • the ring part has a first ring branch, which is optically connected at a first ring branch end to the 3 ⁇ 3 coupler—in particular to the third port—and at a second ring branch end to the reflecting arm.
  • the ring part also has a second ring branch, which is optically connected at a first ring branch end to the reflecting arm and at a second ring branch end to the 3 ⁇ 3 coupler—in particular to the first port.
  • a light pulse entering the first ring branch via the third port of the 3x3 coupler passes through this to the circulator element, is coupled by it into the connection end of the reflecting arm, passes through the reflecting arm to the reflector element arranged at the reflection end, where it is at least partially reflected, runs along the reflecting arm back to the connection end, is coupled there by the circulator element into the second ring branch, and runs through this to the first port of the 3x3 coupler.
  • the first ring branch and the second ring branch are each traversed once by the light pulse, while the reflecting arm is traversed twice—back and forth.
  • a second amplification fiber is arranged in the unidirectional loop, in particular as the additional amplification medium already mentioned above.
  • the second amplifying fiber is located in the reflective arm. This proves to be particularly advantageous since the second amplification fiber is traversed twice by a light pulse propagating in the unidirectional loop, so that the light pulse is amplified twice.
  • the second reinforcement fiber is advantageously separated from the first reinforcement fiber by the circulator element—in particular in both directions—so that the two reinforcement fibers do not adversely affect one another.
  • the second gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber.
  • the fiber oscillator preferably has a coupling device for coupling pump light into the fiber oscillator, in particular into the unidirectional loop, outside the unidirectional loop, in particular outside the loop arrangement—in the propagation direction of a light pulse coupled out by the reflector element—behind the first reflector element on.
  • pumped light can advantageously be coupled into the unidirectional loop via the reflector element.
  • the coupling device can also be arranged within the unidirectional loop, in particular in the reflecting arm.
  • the fiber oscillator has a bandwidth limitation element.
  • the bandwidth limitation element is preferably arranged in the unidirectional loop. Due to the interaction of normal dispersion and self-phase modulation, strongly chirped light pulses are generated in the fiber oscillator, which broaden spectrally and temporally during their propagation.
  • the bandwidth limitation element advantageously cuts off parts on both sides of the spectrum and thus shortens the light pulses not only spectrally, but also temporally, due to the strong chirp. In this way, in particular, the boundary condition of the periodicity for a light pulse circulating in the fiber oscillator can be met.
  • the bandwidth limitation element preferably has a bandwidth of at least 1 ⁇ m to at most 20 nm, preferably from at least 10 ⁇ m to at most 15 nm.
  • the bandwidth limitation element is designed as a bandpass filter. This represents a suitable embodiment of the bandwidth limitation element.
  • the reflector element in particular the fiber Bragg grating, is designed as a bandwidth limitation element.
  • the fiber B ragg grating can be designed as an unchirped fiber B ragg grating, but also as a chirped fiber B ragg grating.
  • the fiber B ragg grating can additionally or alternatively as
  • Act dispersion compensation element especially when it is designed as a chirped fiber Bragg grating.
  • a dispersion-compensating fiber is preferably arranged in the unidirectional loop as a dispersion compensation element.
  • an additional amplifying fiber is arranged, which is used here for the purpose of linguistic Distinction is referred to as a third reinforcement fiber, regardless of whether an additional second reinforcement fiber is present.
  • This configuration is particularly preferred in an embodiment of the fiber oscillator in which the unidirectional loop consists of a ring part, the unidirectional loop in particular having no linear branch, in particular no reflective arm.
  • the third reinforcement fiber is arranged in particular in the ring part of the unidirectional loop. Losses in the fiber oscillator can advantageously be compensated for with the third amplifying fiber
  • the third amplification fiber is provided in addition to a second amplification fiber provided in the reflecting arm, in which case the third amplification fiber is also preferably arranged in the annular part of the unidirectional loop.
  • the third gain fiber is preferably doped with the same element as the first gain fiber - and preferably as the second gain fiber.
  • the fiber oscillator in the unidirectional loop preferably has a decoupling device for decoupling light pulses.
  • a decoupling device for decoupling light pulses.
  • the decoupled light pulses Due to the interaction of dispersion on the one hand and self-phase modulation on the other hand along the fiber oscillator, the decoupled light pulses have different time widths depending on the location of their decoupling. Light pulses with different temporal widths can therefore be coupled out in particular from the second port of the 3x3 coupler, the fourth port of the 3x3 coupler, and via the coupling-out device.
  • the decoupling device is preferably designed as a tap coupler.
  • the bandwidth limitation element in particular the reflector element or the bandpass filter, is preferably designed to be adjustable with regard to its bandwidth, preferably as a temperature-dependent grating, or as a grating that is sensitive to expansion or compression with regard to its bandwidth. According to a development of the invention, it is provided that all optical components of the fiber oscillator are configured to maintain polarization. This proves to be a particularly advantageous embodiment for the fiber oscillator.
  • the total—normal—dispersion or—normal—total dispersion of the fiber oscillator is reduced, in particular close to zero, in order to obtain pulses that are as short as possible.
  • total dispersion and “total dispersion” are used synonymously.
  • the overall dispersion of the fiber oscillator is reduced, in particular set to a predetermined value, by suitably matching the individual optical components to one another, preferably by arranging at least one dispersion compensation element in the fiber oscillator.
  • all optical components of the fiber oscillator are formed by fibers or consist of fibers, being in particular fiber-based components or fiber-coupled components.
  • the fiber oscillator preferably has no free-ray components. In this case, there is no adjustment effort in connection with the fiber oscillator.
  • the fiber oscillator prefferably has at least one optical component which is designed as a free-beam component.
  • the fiber oscillator preferably has a pulse repetition rate of 1 MHz to 150 MHz.
  • the object is also achieved by creating a laser device that has a pump light source and a fiber oscillator according to the invention or a fiber oscillator according to one or more of the exemplary embodiments described above.
  • the pumped light source and the fiber oscillator are connected to one another in a light-conducting manner, so that pumped light from the pumped light source can be coupled into the fiber oscillator.
  • the advantages that have already been explained in connection with the fiber oscillator are realized in particular.
  • the pumped light source is optically connected to the first amplifying fiber, so that pumped light from the pumped light source can be used to pump the first amplifying fiber.
  • the laser device has a control device.
  • the control device is preferably operatively connected to a variably controllable asymmetry element of the bidirectional loop in order to set the variable asymmetry element, in particular to set the non-linear phase shift between the light pulses passing through the bidirectional loop in the opposite direction, in particular such that the phase shift is at most 2/3, preferably 2 /3.
  • control device is preferably operatively connected to a variably controllable amplification element in order to set the variably controllable amplification element with regard to its amplification.
  • control device is operatively connected to the pumped light source and is set up to set a pulse duration of the fiber oscillator by selecting the pump power of the pumped light source.
  • the control device is preferably set up to select the pump power of the pumped light source such that the non-linear phase shift between the light pulses running through the bidirectional loop in the opposite direction is at most 2/3, preferably 2/3.
  • control device is preferably operatively connected to a variably controllable attenuation element in order to adjust the variably controllable attenuation element with regard to its attenuation, in particular in such a way that the non-linear phase shift between the light pulses passing through the bidirectional loop in the reverse direction is at most 2/3, preferably 2/3 , amounts to.
  • a larger pulse duration range can preferably be covered than—possibly only—by selecting the pump power.
  • control device with the bandwidth limitation element in particular the reflector element or the bandpass filter, which is adjustable with respect to its bandwidth, optionally in interaction with a further optical element, in particular a further bandwidth limitation element, is operatively connected and set up to set a bandwidth of the bandwidth limitation element.
  • the fiber oscillator is designed to be particularly flexible in terms of bandwidth and, in particular, pulse duration.
  • the fiber oscillator preferably has another filter element, it being possible to set an overlapping area between the bandwidth limitation element and the filter element by adjusting the bandwidth of the adjustable bandwidth limitation element. In this way, an effective bandwidth of the combination of the bandwidth limitation element and the filter element can be adjusted very efficiently.
  • the bandwidth limitation element can in particular be thermally or mechanically adjustable, for example by heating or cooling, or by stretching or compressing.
  • Adjustable bandwidth limitation can also be effected with a Fabry-Perot filter in which a distance between two surfaces responsible for the Fabry-Perot property is changed.
  • the control device is preferably set up to generate a first, higher asymmetry in the bidirectional loop in a starting operating mode by controlling the variably controllable asymmetry element in order to promote rapid starting of the laser activity in the fiber oscillator, the control device being set up to operate in a continuous operating mode to control the variably controllable asymmetry element in order to generate a second, smaller asymmetry in the bidirectional loop in order to ensure stable continuous operation of the fiber oscillator.
  • the control device is set up to correspondingly control a variably controllable attenuation element, in particular to set a first, higher attenuation in the start operating mode and to set a second, lower attenuation in the continuous operating mode.
  • the invention also includes a method for operating a fiber oscillator according to the invention or a fiber oscillator according to one or more of the embodiments described above, wherein - in particular by driving a variably controllable asymmetry element - a first, higher asymmetry in the bidirectional loop is generated in a starting mode, and wherein in a continuous operating mode, a second, lower one Asymmetry is created in the bidirectional loop.
  • a first, higher attenuation is preferably set in the starting mode for a variably controllable attenuating element, with a second, lower attenuation being set in the continuous operating mode.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a passively mode-locked fiber oscillator
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second exemplary embodiment of a passively mode-locked fiber oscillator
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of a passively mode-locked fiber oscillator
  • Figure 4 is a diagrammatic explanation of the operation of a bandwidth limiting element in a fiber oscillator
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of a passively mode-locked fiber oscillator.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of a passively mode-locked fiber oscillator 1.
  • the fiber oscillator 1 has a bidirectional loop 3 and a unidirectional loop 5, the bidirectional loop 3 and the unidirectional loop 5 being coupled to one another by a 3x3 coupler 7, in particular connected in a light-conducting manner.
  • a first amplification fiber 9 is arranged in the bidirectional loop 3 .
  • the fiber oscillator 1 has normal dispersion overall.
  • the bidirectional loop 3 can advantageously assume the function of a saturable absorber, so that the fiber oscillator 1 can, in particular, dispense with a SESAM. This also completely avoids the problem of degradation and misalignment in connection with a SESAM.
  • a suitable choice of the first amplification fiber 9, in particular an element with which the first amplification fiber 9 is doped, can provide suitable wavelengths for the fiber oscillator 1, in particular in the range from approximately 900 nm to 1100 nm (ytterbium, neodymium) over 1500 nm ( erbium) to about 1900 to 2100 nm (thulium, holmium).
  • the amplification fiber 9 is designed as a bandwidth limitation element 59 and/or as a dispersion compensation element 60 .
  • the amplification fiber 9 can assume the function of bandwidth limitation due to its gain bandwidth.
  • The--normal--overall dispersion of the fiber oscillator 1 is preferably reduced, in particular close to zero or equal to zero.
  • the first amplifying fiber 9 is preferably doped with at least one element selected from a group consisting of: ytterbium, neodymium, erbium, holmium, and thulium.
  • the first amplification fiber 9 can also be doped with a combination of at least two of the elements mentioned, in particular with a combination of exactly two of these elements.
  • the bidirectional loop 3 preferably has an asymmetry for two light pulses which pass through the bidirectional loop 3 in opposite directions, in particular in the form of an asymmetry element 4.
  • This asymmetry can be achieved in particular by an asymmetrically arranged amplifying element 6 and/or an asymmetrically arranged attenuating element 8 in the bidirectional loop 3 are effected.
  • the first reinforcement fiber 9 is arranged asymmetrically in the bidirectional loop 3 as a reinforcement element 6 .
  • the bidirectional loop 3 is designed as a non-linear, amplifying loop mirror (NALM).
  • NALM non-linear, amplifying loop mirror
  • a coupling device 11 for coupling pump light is preferably arranged in the bidirectional loop 3 .
  • the coupling device 11 is preferably designed as a wavelength division multiplex coupler (WDM).
  • WDM wavelength division multiplex coupler
  • the coupling device 11 can also act as an attenuating element 8 here.
  • a tap coupler for example, can also be arranged in the bidirectional loop 3 as the attenuating element 8 .
  • An isolator device 13 in particular an isolator 15 , is preferably arranged in the unidirectional loop 5 .
  • the 3x3 coupler 7 is preferably set up to impart a phase shift of 2TC/3 ZU to light pulses which crosstalk between different direct connections of a plurality of ports 17 of the 3x3 coupler 7 . Opposing light pulses in the NALM are then given a corresponding phase shift in particular.
  • the 3 ⁇ 3 coupler 7 has in particular a first port 17.1, a second port 17.2, a third port 17.3, a fourth port 17.4, a fifth port 17.5 and a sixth port 17.6.
  • a first end 19 of the unidirectional loop 5 is optically connected to the third port 17.3.
  • a second end 21 of the unidirectional loop 5 is optically connected to the first port 17.1. Due to the configuration and arrangement of the isolator device 13, light pulses can only propagate along the unidirectional loop 5 from the third port 17.3 to the first port 17.1.
  • a first end 23 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the fifth port 17.5.
  • a second end 25 of the bidirectional loop 3 is optically connected to the sixth port 17.6.
  • the second port 17.2 and the fourth port 17.4 are preferably used to decouple light pulses from the fiber oscillator 1, either as useful light or for monitoring.
  • a light pulse entering the 3x3 coupler 7 from the unidirectional loop 5 via the first port 17.1 is divided by the 3x3 coupler 7 into three light pulses with the same pulse energy on the fourth port 17.4, the fifth port 17.5 and the sixth port 17.6.
  • the light pulses at the fifth port 17.5 and at the sixth port 17.6 each experience a phase shift of 2TC/3 compared to the light pulse entering at the first port 17.1.
  • the light pulse at the fifth port 17.5 is referred to below as the first light pulse, and the light pulse at the sixth port 17.6 as the second light pulse.
  • the first light pulse now runs through the bidirectional loop 3 starting from its first end 23 to its second end 25, with the second light pulse running through the bidirectional loop 3 in the opposite direction.
  • the first light pulse and the second light pulse now experience different phase shifts or B integrals during their propagation along the bidirectional loop 3.
  • the difference in the B integrals or the phase shift between the first light pulse and the second light pulse depends in particular on the original intensity of the light pulses - before passing through the bidirectional loop 3 - and the amplification in the first amplification fiber 9, i.e. in particular on a pump level of the first amplification fiber 9.
  • the second light pulse is now partially converted into a direct optical connection between the sixth port 17.6 and the third port 17.3 and in the process again experiences a phase shift of 2TC/3.
  • the first light pulse arriving at the sixth port 17.6 is forwarded directly to the third port 17.3 without experiencing a phase shift.
  • An output pulse resulting from superposition of the first light pulse and the second light pulse at the third port 17.3 thus depends in particular on the B integrals that the light pulses experience during their propagation along the bidirectional loop 3.
  • the bidirectional loop 3 acts as a saturable absorber.
  • the unidirectional loop 5 has no gain medium.
  • the first amplification fiber 9 is the only amplification medium here, in particular the only amplification fiber of the fiber oscillator 1.
  • Figure 1 also shows an exemplary embodiment of a laser device 27, which has a pumped light source 29 and the fiber oscillator 1, with the pumped light source 29 being optically connected to the fiber oscillator 1, in particular to the coupling device 11, so that the pumped light from the pumped light source 29 is coupled into the fiber oscillator 1 can.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the fiber oscillator 1. Elements that are the same and have the same function are provided with the same reference symbols in all figures, so that reference is made to the previous description in each case.
  • the unidirectional loop 5 has a reflecting arm 31 in which, in the second exemplary embodiment shown here, a reflector element 35 designed as a fiber Bragg grating 33 is arranged.
  • the reflecting arm 31 is connected to a ring part 39 of the unidirectional loop 5 via a circulator element 37 in a light-conducting manner.
  • the ring part 39 has a first ring branch 41 which is connected to the third port 17.3 of the 3x3 coupler 7 with a first ring branch end 43 and is connected to the circulator element 37 with a second ring branch end 45 .
  • the ring part 39 also has a second ring branch 47 which is connected to the circulator element 37 with a first ring branch end 49 and with a second ring branch end 51 to the first port 17.1 of the 3 ⁇ 3 coupler 7.
  • the circulator element 37 acts here as an isolator device 13.
  • a light pulse passing through the unidirectional loop 5 starting from the third port 17.3 to the first port 17.1 passes through the ring branches 41, 47 once, but passes through the reflecting arm 31 twice, namely once towards the reflector element 35 , and once from the reflector element 35 back.
  • a second amplification fiber 53 is arranged as an amplification medium 52 in the reflecting arm 31 and is preferably doped with the same element with which the first amplification fiber 9 is also doped.
  • the amplification medium 52 in particular the second amplification fiber 53, can also be arranged at a different point in the fiber oscillator 1.
  • Reflector element 35 is preferably designed to be partially transmissive or partially reflective, with a predetermined proportion of light being coupled out of fiber oscillator 1 via reflector element 35, and pump light for second amplification fiber 53 being coupled into unidirectional loop 5 via reflector element 35 .
  • the circulator element 37 acts in particular as an isolator element 57 in the unidirectional loop 5.
  • the reflector element 35 is preferably designed as a bandwidth limitation element 59;
  • the fiber Bragg grating 33--which is unchirped according to one embodiment-- is preferably designed as a bandwidth-limiting element 59.
  • the bandwidth limiting element 59 - in particular thermally or mechanically - is designed to be adjustable with respect to its bandwidth.
  • the bandwidth limitation element 59 preferably has a bandwidth of at least 1 ⁇ m to at most 20 nm, preferably from at least 10 ⁇ m to at most 15 nm.
  • the fiber B-ragg grating 33 is in the form of a chirped fiber B-ragg grating 33, it can additionally or alternatively function as a dispersion compensation element 60.
  • Figure 2 also shows a second exemplary embodiment of the laser device 27, which in a preferred embodiment has a control device 61, the control device 61 being operatively connected to the pumped light source 29 and set up to set a pulse duration of the fiber oscillator 1 by selecting the pump power of the pumped light source 29.
  • the control device 61 is alternatively or additionally operatively connected to the bandwidth limiting element 59, which is preferably designed to be adjustable with regard to its bandwidth - in particular thermally or mechanically - and is set up to set a bandwidth of the bandwidth limiting element 59, in particular to be able to preferably cover a larger pulse duration range than - possibly only by choosing the pump power.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the fiber oscillator 1.
  • the unidirectional loop 5 consists of the annular part 39 - it accordingly has no reflective arm 31 - and has the amplification medium 52, here a third amplification fiber 63, in the annular part 39, the third amplification fiber 63 preferably having the same element is doped like the first amplification fiber 9.
  • the insulator device 13 is arranged as the insulator element 57 behind the third amplification fiber 63 in the propagation direction.
  • the isolator device 13 is designed here at the same time as a second coupling device 65--in addition to the coupling device 11, which is a first coupling device--for coupling pump light for the third amplification fiber 63, in particular as a W eil enl tulenmultipl ex-Koppler.
  • a—preferably adjustable—bandpass filter 67 is optionally arranged as the bandwidth limitation element 59 in the unidirectional loop 5 in the propagation direction before the third amplifying fiber 63 .
  • a decoupling device 69 is optionally arranged in the unidirectional loop 5, which is preferably designed as a tap coupler.
  • useful light or light for monitoring the fiber oscillator 1 can be selectively coupled out via the coupling-out device 69 .
  • FIG. 4 shows a diagrammatic explanation of the mode of operation of the bandwidth limitation element 59.
  • a plot of a spectral power density of a light pulse against the wavelength is shown at a).
  • a power density of the laser pulse over time is plotted against time.
  • a first, dashed curve Kl shows in the plots according to a) and b) a spectral or temporal shape of the light pulse before it passes through the bandwidth limitation element 59
  • a second, solid curve K2 shows the corresponding shape of the light pulse after passing through the bandwidth limitation element 59
  • the bandwidth limitation element 59 advantageously cuts off parts on both sides of the spectrum and thus shortens the light pulses not only spectrally, but also temporally, due to the strong chirp. In this way in particular, the boundary condition of the periodicity for a light pulse circulating in the fiber oscillator 1 can be met.
  • bandwidth limiting element 59 Specrally broader or narrower light pulses are obtained in particular. Depending on this, light pulses that are shorter or longer in time can be generated by means of the fiber oscillator 1 .
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the fiber oscillator 1.
  • a dispersion-compensating fiber 71 is arranged as a dispersion-compensating element 60 in the unidirectional loop 5.
  • FIG. In particular, with the aid of the dispersion compensation element 60, regardless of its configuration—in particular according to FIG. 2 or FIG. 5—it is possible to set the—normal—total dispersion of the fiber oscillator 1 such that it is reduced, in particular close to zero.
  • a bandwidth limiting element 59 is preferably also provided in this exemplary embodiment.
  • the first amplifying fiber 9 can be embodied as a bandwidth limiting element 59 .
  • a bandpass filter for example, can also be provided as the bandwidth limitation element 59 .
  • all the optical components of the fiber oscillator 1 are preferably configured to maintain polarization.
  • All optical components of the fiber oscillator 1 are preferably fiber components, or fiber-based components, or fiber-coupled components.
  • the fiber oscillator 1 preferably has no free beam component.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen passiv modengekoppelten Faseroszillator (1), mit einer bidirektionalen Schleife (3) und einer unidirektionalen Schleife (5), wobei die bidirektionale Schleife (3) und die unidirektionale Schleife (5) durch einen 3x3-Koppler (7) miteinander gekoppelt sind, wobei die bidirektionale Schleife (3) eine erste Verstärkungsfaser (9) aufweist, und wobei der Faseroszillator (1) insgesamt eine normale Dispersion aufweist.

Description

BESCHREIBUNG
Passiv modengekoppelter Faseroszillator und Lasereinrichtung mit einem solchen Faseroszillator
Die Erfindung betrifft einen passiv modengekoppelten Faseroszillator sowie eine Lasereinrichtung, umfassend eine Pumplichtquelle und einen solchen Faseroszillator.
Passiv modengekoppelte Faseroszillatoren weisen häufig einen sättigbaren Absorber auf, insbesondere einen halbleiterbasierten sättigbaren Absorber-Spiegel (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), kurz SESAM. Ein solcher SESAM ist allerdings anfällig für Degradation und Dejustage. Aufgrund dessen hat es sich als schwierig erwiesen, einen solchen modengekoppelten Faseroszillator in den Wellenlängenbereichen von ungefähr 900 nm bis ungefähr 2100 nm für einen langzeitstabilen Betrieb in einem industriellen Umfeld reproduzierbar bereitzustellen. Gerade diese Wellenlängenbereiche sind aber für die Materialbearbeitung und den Telekommunikationsbereich einerseits sowie den medizintechnischen Bereich und die Halbleiterbearbeitung andererseits interessant. Als Herausforderung erweist es sich weiterhin, einen solchen Faseroszillator mit wohldefinierten Dispersionseigenschaften bereitzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen passiv modengekoppelten Faseroszillator und eine Lasereinrichtung mit einem solchen Faseroszillator zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein passiv modengekoppelter Faseroszillator geschaffen wird, der eine bidirektionale Schleife und eine unidirektionale Schleife aufweist. Die bidirektionale Schleife und die unidirektionale Schleife sind durch einen 3x3 -Koppler miteinander gekoppelt. Die bidirektionale Schleife weist eine erste Verstärkungsfaser auf, und der Faseroszillator weist insgesamt eine normale Dispersion auf. In vorteilhafter Weise kann dabei die bidirektionale Schleife die Funktion eines sättigbaren Absorbers übernehmen, sodass der Faseroszillator insbesondere auf einen SESAM verzichten kann. Somit wird auch das Problem einer Degradation und Dejustage in Verbindung mit einem SESAM vollständig vermieden. Insbesondere treten in Zusammenhang mit der bidirektionalen Schleife keine Probleme mit Degradation und/oder Dejustage auf. Durch geeignete Wahl der ersten Verstärkungsfaser, insbesondere eines Elements, mit dem die erste Verstärkungsfaser dotiert ist, können geeignete Wellenlängen für den Faseroszillator bereitgestellt werden, insbesondere im Bereich von ungefähr 900 nm bis 1100 nm (Ytterbium, Neodym) über 1500 nm (Erbium) bis ungefähr 1900 nm bis 2100 nm (Thulium, Holmium). Durch spezifische Abstimmung der Gesamtdispersion des Faseroszillators im normalen Bereich werden vorteilhaft wohldefinierte Dispersionseigenschaften bereitgestellt. Insbesondere ergibt sich im normalen Dispersionsbereich keine strenge Begrenzung der Pulsenergie aufgrund des Soliton-Theorems, wodurch sich eine größere Flexibilität bezüglich der Pulsenergie als im anomalen Dispersionsbereich ergibt. Weiterhin ergibt sich im normalen Dispersionsbereich nicht das Problem einer Energieauskopplung auf Kelly-Seitenbänder, und damit verbundene unerwünschte spektrale Komponenten werden vorteilhaft vermieden.
Bei einer Verwendung von Ytterbium oder Neodym als Dotierungselement liegt die Dispersion vorteilhaft bereits im normalen Bereich. Gleichwohl kann auch bei Verwendung dieser Dotierungselemente ein Dispersionskompensationselement verwendet werden, um die Dispersion in einen gewünschten Bereich zu verschieben, insbesondere zur Feinabstimmung der Dispersion. Bei einer Verwendung von Erbium, Thulium oder Holmium als Dotierungselement kann vorteilhaft ein Dispersionskompensationselement verwendet werden, um die Dispersion in den normalen Dispersionsbereich zu verschieben.
Der Faseroszillator ermöglicht insbesondere einen reproduzierbaren, langzeitstabilen Betrieb in einem industriellen Umfeld in den genannten Wellenlängenbereichen.
Unter einem Faseroszillator wird insbesondere ein Laseroszillator verstanden, der mindestens eine optische Komponente, insbesondere zur Lichtleitung und/oder Lichtbeeinflussung, aufweist, die eine Faser aufweist oder aus einer Faser besteht. In bevorzugter Ausgestaltung ist es möglich, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators Faserkomponenten sind, das heißt Komponenten, die die insbesondere eine Faser aufweisen oder aus einer Faser bestehen, insbesondere faserbasierte Komponenten oder fasergekoppelte Komponenten. Unter einer Schleife wird ein optischer Teil des Faseroszillators verstanden, der ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei sowohl das erste Ende als auch das zweite Ende mit einer selben Anschlusskomponente des Faseroszillators, hier insbesondere mit dem 3x3 -Koppler, gekoppelt sind. Dies bedeutet insbesondere, dass Lichtpulse, die die Schleife ausgehend von der Anschlusskomponente durchlaufen, entlang der Schleife wieder zurück zu der Anschlusskomponente gelangen. Eine solche Schleife kann insgesamt als Ring ausgebildet sein; insbesondere besteht die Schleife in diesem Fall aus einem Ringteil. Es ist aber auch möglich, dass eine solche Schleife mindestens einen Ringteil und mindestens einen mit dem Ringteil lichtleitend verbundenen linearen Ast aufweist, insbesondere genau einen Ringteil und genau einen linearen Ast.
Unter einer bidirektionalen Schleife wird insbesondere eine Schleife verstanden, bei der Lichtpulse sowohl von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende hin, als auch von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende hin - also in beide Richtungen - propagieren können.
Unter einer unidirektionalen Schleife wird insbesondere eine Schleife verstanden, bei der Lichtpulse nur in einer ausgezeichneten Richtung, entweder von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende hin oder von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende hin, entlang der Schleife propagieren können. Bevorzugt ist in der unidirektionalen Schleife eine Isolatoreinrichtung, insbesondere ein Isolator, angeordnet, wobei die Isolatoreinrichtung eingerichtet ist, um Lichtpulse nur in einer Richtung durchzulassen, in der anderen Richtung aber zu blockieren, beispielsweise durch Ausnutzung des Faraday -Effekts, oder in anderer geeigneter Weise. Die Isolatoreinrichtung ist bevorzugt in einem Ringteil der unidirektionalen Schleife angeordnet.
Die bidirektionale Schleife ist bevorzugt eine erste Faserschleife.
Unter einer Faserschleife wird dabei eine Schleife verstanden, die zumindest bereichsweise eine Faser aufweist oder aus einer Faser besteht. In bevorzugter Ausgestaltung besteht die Faserschleife insgesamt aus einer Faser oder ist aus einer Mehrzahl miteinander verbundener Fasern zusammengesetzt.
Die unidirektionale Schleife ist bevorzugt eine zweite Faserschleife. Insbesondere ist die unidirektionale Schleife bevorzugt als unidirektionaler Ring ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Verstärkungsfaser dotiert ist mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Ytterbium, Neodym, Erbium, Thulium, und Holmium. In einer Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit genau einem der genannten Elemente dotiert. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Elemente, insbesondere mit einer Kombination von genau zwei der genannten Elemente, dotiert. In einer Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit Erbium und Ytterbium (Er/Yb) dotiert. In einer anderen Ausführungsform ist die erste Verstärkungsfaser mit Thulium und Holmium (Tm/Ho) dotiert. Wie bereits zuvor erläutert ergeben sich gerade bei diesen Dotierungselementen und den damit assoziierten Wellenlängen in besonderer Weise die erwähnten Vorteile.
Bei einer Ausführungsform weist die bidirektionale Schleife eine Asymmetrie auf. Insbesondere ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass die bidirektionale Schleife für zwei die bidirektionale Schleife in entgegengesetzte Richtungen durchlaufende Lichtpulse asymmetrisch ausgestaltet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die bidirektionale Schleife ein Asymmetrieelement aufweist, insbesondere ein asymmetrisch angeordnetes Verstärkungselement für eine asymmetrische Verstärkung, und/oder ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement für eine asymmetrische Abschwächung, der in entgegengesetzte Richtungen entlang der bidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpulse. Das Asymmetrieelement ist allgemein eingerichtet und/oder angeordnet, um einen Unterschied in der jeweiligen Selbstphasenmodulation zwischen einem in einer bestimmten ersten Richtung entlang der bidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpuls und einem in der anderen, zweiten Richtung entlang der bidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpuls zu erzeugen.
Das asymmetrisch angeordnete Verstärkungselement ist bevorzugt bezüglich der Verstärkung variabel einstellbar. Insbesondere wenn die erste Verstärkungsfaser als das Verstärkungselement ausgebildet ist, kann durch Variation der Pumpleistung eine variable Verstärkung verwirklicht werden.
Alternativ oder zusätzlich ist das asymmetrisch angeordnete Abschwächelement bevorzugt bezüglich der Abschwächung variabel einstellbar.
Allgemein kann über eine variable Einstellung des Asymmetrieelements eine variable Phasenverschiebung zwischen den beiden gegenläufigen Lichtpulsen in der bidirektionalen Schleife verwirklicht werden; insbesondere kann die Phasenverschiebung durch variable Ansteuerung des Asymmetrieelements eingestellt werden.
Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform die erste Verstärkungsfaser asymmetrisch in der bidirektionalen Schleife angeordnet sein. Dies bedeutet insbesondere, dass die erste Verstärkungsfaser näher an dem ersten Ende der bidirektionalen Schleife angeordnet ist als an dem zweiten Ende, oder umgekehrt. Alternativ kann gemäß einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dass in der bidirektionalen Schleife ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement, insbesondere ein asymmetrisch angeordnetes Auskoppelelement, beispielsweise ein Tap-Koppler, oder ein Filter, ein Polarisationsabschwächer oder dergleichen, angeordnet ist. Die genannten Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden.
Insbesondere ist die bidirektionale Schleife bevorzugt als nichtlinearer, verstärkender Schleifenspiegel (Nonlinear Amplifying Loop Mirror - NALM) ausgebildet. In diesem Fall weist die bidirektionale Schleife eine Asymmetrie auf, sodass verschiedene Lichtpulse, welche die bidirektionale Schleife in verschiedenen Richtungen durchlaufen, abhängig von ihrer Umlaufrichtung einen längeren Teil der bidirektionalen Schleife mit verschiedenem Intensitätsniveau passieren, da sie - bezogen auf die Laufstrecke der bidirektionalen Schleife - früher oder später verstärkt und/oder abgeschwächt werden. Dies führt aufgrund der Selbstphasenmodulation in der bidirektionalen Schleife zu einer Phasenverschiebung zwischen zwei die bidirektionale Schleife einander entgegengesetzt durchlaufenden Lichtpulsen, wobei diese Phasenverschiebung selbst wiederum intensitätsabhängig ist. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtpulsen wiederum beeinflusst deren Koppelverhalten an dem 3x3- Koppler. Auf diese Weise werden Lichtpulse nur oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle effektiv in der passenden Propagationsrichtung über den 3x3 -Koppler aus der bidirektionalen Schleife in die unidirektionale Schleife eingespeist, wodurch insbesondere die als NALM ausgebildete bidirektionale Schleife die Funktion eines sättigbaren Absorbers erfüllen kann.
Die Schleifenanordnung aus der bidirektionalen Schleife und der unidirektionalen Schleife, die über den 3x3-Koppler miteinander gekoppelt sind, und damit auch insgesamt der Faseroszillator, weist bevorzugt eine sogenannte Ziffer-8-Konfiguration (Figure-8-configuration) auf.
Der 3x3-Koppler weist bevorzugt eine Mehrzahl von Ports, insbesondere sechs Ports, auf. Der 3x3-Koppler ist bevorzugt symmetrisch ausgebildet, was insbesondere bedeutet, dass Lichtpulse zu gleichen Anteilen auf die verschiedenen Ports des 3x3 -Kopplers aufgeteilt werden. Unter einem Port wird dabei ein Anschluss des 3x3-Koppler verstanden, der als Eingang oder als Ausgang wirken und insbesondere mit einer Faser lichtleitend verbunden werden kann.
Der 3x3-Koppler weist bevorzugt auf einer ersten Seite drei Ports auf, nämlich einen ersten Port, einen zweiten Port und einen dritten Port. Auf einer zweiten Seite weist der 3x3-Koppler drei weitere Ports auf, nämlich einen vierten Port, einen fünften Port und einen sechsten Port. Der erste Port ist unmittelbar über einen Faserabschnitt mit dem vierten Port lichtleitend verbunden. Der zweite Port ist unmittelbar über einen Faserabschnitt mit dem fünften Port lichtleitend verbunden. Der dritte Port ist unmittelbar über einen Faserabschnitt mit dem sechsten Port lichtleitend verbunden. Lichtpulse, die zwischen zwei unmittelbar miteinander verbundenen Ports propagieren, erfahren keinen Phasensprung. Der 3x3-Koppler ist allerdings so eingerichtet, dass Lichtpulse zwischen den unmittelbaren Verbindungen der Ports übersprechen können, wobei sie eine Phasenverschiebung erfahren, die bevorzugt - unabhängig davon, zwischen welchen zwei Verbindungen ein Lichtpuls überspricht - 2TC/3 beträgt.
Bei einer Ausführungsform des Faseroszillators ist der 3x3-Koppler allgemein eingerichtet, um Lichtpulsen, die zwischen verschiedenen unmittelbaren Verbindungen der Ports des 3x3- Kopplers übersprechen, eine Phasenverschiebung von 2TC/3 ZU vermitteln. Dies ermöglicht es insbesondere, den beiden gegenläufigen Lichtpulsen in dem NALM eine entsprechende Phasenverschiebung zu vermitteln.
Im Folgenden wird eine bestimmte Ausführungsform des 3x3 -Kopplers unter Berücksichtigung einer bestimmten möglichen Anordnung und Verknüpfung von Ports des 3x3-Kopplers beschrieben. Der Fachmann erkennt dabei ohne weiteres, dass zahlreiche andere Ausführungsformen existieren, die zu der beschriebenen Anordnung äquivalent, nahezu äquivalent oder zumindest funktionsgleich sind, jedenfalls aber denselben Zweck erfüllen.
Insbesondere ist ein erstes Ende der unidirektionalen Schleife mit dem dritten Port lichtleitend verbunden. Ein zweites Ende der unidirektionalen Schleife ist mit dem ersten Port lichtleitend verbunden. Die unidirektionale Schleife ist derart eingerichtet - insbesondere durch die Isolatoreinrichtung -, dass ein Lichtpuls entlang der unidirektionalen Schleife nur von dem dritten Port zu dem ersten Port gelangen kann, nicht jedoch in umgekehrter Richtung.
Ein erstes Ende der bidirektionalen Schleife ist mit dem fünften Port lichtleitend verbunden. Ein zweites Ende der bidirektionalen Schleife ist mit dem sechsten Port lichtleitend verbunden. Der zweite Port und der vierte Port können bevorzugt verwendet werden, um Lichtpulse aus dem Faseroszillator auszukoppeln, sei es als Nutzlicht oder zur Überwachung.
Ein aus der unidirektionalen Schleife über den ersten Port in den 3x3 -Koppler eintretender Lichtpuls wird dort in drei Lichtpulse mit gleicher Pulsenergie auf den vierten Port, den fünften Port und den sechsten Port aufgeteilt. Die Lichtpulse am fünften Port und am sechsten Port erfahren jeweils gegenüber dem am ersten Port eintretenden Lichtpuls die Phasenverschiebung von 2TC/3. Der Lichtpuls am fünften Port wird im Folgenden als erster Lichtpuls bezeichnet, der Lichtpuls am sechsten Port als zweiter Lichtpuls. Der erste Lichtpuls durchläuft nun die bidirektionale Schleife ausgehend von dem ersten Ende hin zu dem zweiten Ende - nämlich vom fünften Port zum sechsten Port, wobei der zweite Lichtpulse die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchläuft - nämlich vom sechsten Port zum fünften Port.
Aufgrund der asymmetrischen Ausgestaltung der bidirektionalen Schleife erfahren nun der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls verschiedene Phasenverschiebungen bzw. B-Integrale während ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife. Der Unterschied in den B- Integralen bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls hängt insbesondere ab von der Ursprungsintensität der Lichtpulse - vor Durchlaufen der bidirektionalen Schleife - und der Verstärkung und/oder Abschwächung in der ersten Verstärkungsfaser, insbesondere also von einem Pumpniveau der ersten Verstärkungsfaser. Auch die Abschwächung kann gegebenenfalls variabel ausgestaltet sein, um die Phasenverschiebung zu beeinflussen.
An dem fünften Port angekommen spricht nun der zweite Lichtpuls teilweise über in die unmittelbare optische Verbindung zwischen dem sechsten Port und dem dritten Port und erfährt dabei erneut eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Der am sechsten Port ankommende erste Lichtpuls wird unmittelbar zu dem dritten Port weitergeleitet, ohne dabei eine Phasenverschiebung zu erfahren. Ein sich durch Superposition des ersten Lichtpulses und des zweiten Lichtpulses ergebender Ausgangspuls am dritten Port hängt damit insbesondere von den B-Integralen ab, die die Lichtpulse bei ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife erfahren.
Dabei ist der 3x3-Koppler so eingerichtet, dass sich bereits bei verschwindender nichtlinearer Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls eine endliche Transmission von vorzugsweise ungefähr 10 % der Eingangspulsenergie sowie eine nicht verschwindende Steigung des phasenabhängigen Transmissionsverlaufs ergibt, was einen Laserpulsaufbau aus dem Rauschen heraus deutlich vereinfacht. Insbesondere erleichtert dies den Start, insbesondere einen Selbststart, des modengekoppelten Betriebs. Bei zunehmender Phasenverschiebung erhöht sich die Transmission bis zu einem Maximum von vorzugsweise ungefähr 45 % - ohne Berücksichtigung der Verstärkung durch die erste Verstärkungsfaser - bei einer Maximum-Phasenverschiebung von 2TC/3. Somit favorisiert die bidirektionale Schleife Lichtpulse mit größerer Spitzenleistung und kann damit die Funktion eines sättigbaren Absorbers erfüllen.
Durch Variation der Pumpleistung für die erste Verstärkungsfaser in der bidirektionalen Schleife lässt sich die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls variabel einstellen.
Die erste Verstärkungsfaser ist vorzugsweise dotiert mit wenigstens einem Element, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Ytterbium, Neodym, Erbium, Holmium, und Thulium. Das Dotierungselement oder gegebenenfalls die Kombination von Dotierungselementen bestimmt dabei insbesondere eine optische Wellenlänge für den Faseroszillator: Umfasst die erste Verstärkungsfaser Ytterbium oder Neodym als Dotierungselement, liegt die Wellenlänge ungefähr bei 900 nm bis 1100 nm; der Faseroszillator wird dann bevorzugt zur Bearbeitung transparenter Materialien oder für die Telekommunikation eingesetzt. Umfasst die erste Verstärkungsfaser Erbium als Dotierungselement, liegt die Wellenlänge ungefähr bei 1500 nm; der Faseroszillator wird dann bevorzugt insbesondere in Telekommunikationsanwendungen oder im medizinischen Bereich verwendet. Umfasst die erste Verstärkungsfaser Thulium oder Holmium als Dotierungselement, liegt die Wellenlänge ungefähr bei 1900 nm bis 2100 nm; der Faseroszillator wird dann bevorzugt insbesondere in der Halbleitertechnik oder im Bereich der Medizintechnik eingesetzt.
Dass der Faseroszillator insgesamt eine normale Dispersion aufweist, oder dass - anders formuliert, jedoch gleichbedeutend - eine Gesamtdispersion des Faseroszillators im normalen Dispersionsbereich liegt, bedeutet insbesondere, dass ein den Faseroszillator durchlaufender Lichtpuls nach einem Durchlauf durch den Faseroszillator - das heißt jede Komponente des Faseroszillators wurde einmal passiert - eine normale Dispersion erfahren hat. Dies wiederum bedeutet, dass im Vergleich zu einer zeitlichen Form des Lichtpulses vor dem Durchlauf durch den Faseroszillator in der zeitlichen Form des Lichtpulses nach dem Durchlauf durch den Faseroszillator höhere Frequenzen nacheilen, während niedrigere Frequenzen voreilen. Höhere Frequenzen durcheilen den Faseroszillator also langsamer als niedrigere Frequenzen. Dies bedeutet nicht notwendig, dass jede optische Komponente des Faseroszillators eine normale Dispersion aufweist; vielmehr ergibt sich der Effekt zumindest für die Summe der optischen Komponenten. Während es also bei einer bevorzugten Ausgestaltung möglich ist, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators eine normale Dispersion aufweisen, ist es bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ebenso möglich, dass zumindest eine erste optische Komponente des Faseroszillators eine anomale Dispersion aufweist, wobei der Faseroszillator mindestens eine andere, zweite optische Komponente aufweist, die eine normale Dispersion aufweist, welche die anomale Dispersion der ersten optischen Komponente überkompensiert, sodass die Dispersion des Faseroszillators insgesamt normal ist. Weist der Faseroszillator ein Dispersionskompensationselement auf, ist dieses bevorzugt in der unidirektionalen Schleife angeordnet.
Liegt die Wellenlänge des Faseroszillators im normalen Dispersionsbereich, beispielsweise bei der Verwendung von Ytterbium oder Neodym als Dotierungselement, bedarf es bevorzugt keiner weiteren zusätzlichen Maßnahmen, insbesondere keiner Dispersionskompensationselemente, um die Gesamtdispersion des Faseroszillators im normalen Bereich zu halten. Der Faseroszillator kann allerdings gemäß einer Ausführungsform auch in einem solchen Fall wenigstens ein Dispersionskompensationselement aufweisen, um die Dispersion in einen gewünschten Bereich innerhalb des normalen Dispersionsbereichs zu verlagern, insbesondere zur Feinabstimmung der Dispersion. Insbesondere kann mithilfe eines Dispersionskompensationselements die Gesamtdispersion betragsmäßig reduziert werden. Das Dispersionskompensationselement kann gemäß einer Ausführungsform insbesondere als gechirptes Gitter, insbesondere als gechirptes Faser-B ragg-Gitter, ausgebildet sein.
Liegt die Wellenlänge des Faseroszillators dagegen im anomalen Dispersionsbereich, beispielsweise bei der Verwendung von Erbium, Thulium oder Holmium als Dotierungselement, weist der Faseroszillator bevorzugt wenigstens ein Dispersionskompensationselement auf, um die Gesamtdispersion in den normalen Bereich zu bringen. Das wenigstens eine Dispersionskompensationselement ist bevorzugt als Dispersionskompensationsfaser oder als gechirptes Gitter, insbesondere als gechirptes Faser-B ragg-Gitter, ausgebildet. Vorzugsweise ist das Dispersionskompensationselement in der unidirektionalen Schleife angeordnet. Eine Dispersionskompensationsfaser wird auch als dispersionskompensierte Faser oder dispersionsangepasste Faser bezeichnet. Eine solche Dispersionskompensationsfaser kann beispielsweise einen Faserkern aufweisen, der Ringe mit unterschiedlichen Brechungsindices umfasst.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die unidirektionale Schleife kein Verstärkungsmedium aufweist. In diesem Fall ist vorteilhaft die erste Verstärkungsfaser das einzige Verstärkungsmedium des Faseroszillators, insbesondere die einzige Verstärkungsfaser. Der Faseroszillator kann somit einen sehr einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die unidirektionale Schleife ein - zusätzliches - Verstärkungsmedium, insbesondere eine zweite Verstärkungsfaser, aufweist, wobei ein Isolatorelement - in bevorzugter Ausgestaltung die ohnehin vorgesehene Isolatoreinrichtung der unidirektionalen Schleife - in Propagationsrichtung eines Lichtpulses - vorzugsweise in der unidirektionalen Schleife - zwischen dem Verstärkungselement und der ersten Verstärkungsfaser angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt ein Isolatorelement in Propagationsrichtung des Lichtpulses zwischen der ersten Verstärkungsfaser und dem Verstärkungselement angeordnet. Mithilfe des Verstärkungselements können vorteilhaft insbesondere Verluste ausgeglichen werden, indem eine Verstärkung von Lichtpulsen in dem Faseroszillator nicht nur in der ersten Verstärkungsfaser, sondern auch in dem zusätzlichen Verstärkungsmedium erfolgt. Zugleich ermöglicht dies eine größere Freiheit in der Wahl der Verstärkung für die erste Verstärkungsfaser und damit eine freiere Anpassung der Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls, da eine Veränderung der Gesamtverstärkung des Faseroszillators bei Variation der Verstärkung in der ersten Verstärkungsfaser entsprechend mittels des zusätzlichen Verstärkungsmediums ausgeglichen werden kann. Das Isolatorelement kann in bevorzugter Ausgestaltung als Isolator oder als Zirkulator ausgebildet sein.
Die zweite Verstärkungsfaser ist vorzugsweise mit demselben Element dotiert wie die erste Verstärkungsfaser.
Bevorzugt weist die bidirektionale Schleife eine Einkoppeleinrichtung auf, die eingerichtet ist, um Pumplicht in die erste Verstärkungsfaser einzukoppeln. Die in der bidirektionalen Schleife angeordnete Einkoppeleinrichtung kann zugleich auch zur Einkopplung von Pumplicht in das zusätzliche Verstärkungsmedium, insbesondere in die zweite Verstärkungsfaser, dienen. Außerdem kann die bevorzugt asymmetrisch angeordnete Einkoppeleinrichtung als Asymmetrieelement, insbesondere als asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement, dienen.
Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass in der unidirektionalen Schleife eine Einkoppeleinrichtung angeordnet ist, die eingerichtet ist, um Pumplicht in das zusätzliche Verstärkungsmedium, insbesondere die zweite Verstärkungsfaser, einzukoppeln. Bevorzugt dient die Einkoppeleinrichtung zugleich auch zur Einkopplung von Pumplicht in die erste Verstärkungsfaser.
Alternativ ist es bevorzugt auch möglich, dass die bidirektionale Schleife eine erste Einkoppeleinrichtung zur Einkopplung von Pumplicht in die erste Verstärkungsfaser aufweist, wobei die unidirektionale Schleife eine zweite Einkoppeleinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, um Pumplicht in das zusätzliche Verstärkungsmedium einzukoppeln.
Die Einkoppeleinrichtung, sei es die erste Einkoppeleinrichtung oder die zweite Einkoppeleinrichtung oder eine einzige Einkoppeleinrichtung, ist bevorzugt als Wellenlängenmultiplex-Koppler (Wavelength Division Multiplexer - WDM) ausgebildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die unidirektionale Schleife einen reflektierenden Arm aufweist, wobei ein Reflektorelement in dem reflektierenden Arm angeordnet ist. Über das Reflektorelement können gemäß einer Ausführungsform auch zusätzliche optische Funktionen verwirklicht werden, insbesondere die Funktion eines Bandbreitenbegrenzungselements und/oder eines Dispersionskompensationselements. Der reflektierende Arm bietet Vorteile insbesondere mit Blick auf die Anordnung und beidseitige Isolation eines zusätzlichen Verstärkungsmediums in dem reflektierenden Arm.
Der reflektierende Arm weist bevorzugt wenigstens eine Faser auf oder besteht bevorzugt aus wenigstens einer Faser.
Das Reflektorelement ist bevorzugt an einem Reflexionsende des reflektierenden Arms angeordnet. Der reflektierende Arm ist bevorzugt als linearer Ast der unidirektionalen Schleife ausgebildet, der mit einem Ringteil der unidirektionalen Schleife lichtleitend verbunden ist. Der reflektierende Arm, insbesondere der linearer Ast, weist an dem Reflexionsende das Reflektorelement auf und ist an einem dem Reflexionsende gegenüberliegenden Anschlussende mit dem Ringteil lichtleitend verbunden. Ein die unidirektionale Schleife durchlaufender Lichtpuls durchläuft den reflektierenden Arm zweifach, einmal von dem Anschlussende zu dem Reflexionsende, und dann zurück von dem Reflexionsende zu dem Anschlussende.
Das Reflektorelement ist bevorzugt teiltransparent - bzw. umgekehrt formuliert teilreflektierend - ausgebildet, sodass ein vorbestimmter Anteil von Licht über das Reflektorelement aus dem Faseroszillator ausgekoppelt wird.
Bei einer Ausführungsform des Faseroszillators ist vorgesehen, dass das Reflektorelement als Wellenlängenfixierelement ausgebildet ist, das heißt insbesondere als ein Element, das eingerichtet ist, um eine Zentralwellenlänge für den Faseroszillator festzulegen. Somit ermöglicht das Reflektorelement vorteilhaft eine eindeutige Festlegung der Zentralwellenlänge, mit welcher der Faseroszillator betrieben wird. Dies bietet den großen Vorteil einer hohen Reproduzierbarkeit bei gleichzeitig erhöhter Variabilität, um eine bestimmte, gewünschte Wellenlänge als Zentralwellenlänge zu erhalten. Dies kann insbesondere in nachfolgenden Prozessen, deren Effizienz von der Wellenlänge abhängt, entscheidend sein, beispielsweise bei Materialbearbeitungsprozessen, in einer Verstärkungskette, und/oder bei der F requenzkonver si on .
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Reflektorelement als Faser- Bragg-Gitter ausgebildet ist. Das Faser-B ragg-Gitter kann bevorzugt als Dispersionskompensationselement, als Wellenlängenfixierelement, und/oder als
Bandbreitenbegrenzungselement fungieren. Um als Dispersionskompensationselement fungieren zu können, ist das Faser-B ragg-Gitter bevorzugt als gechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet. Als Wellenlängenfixierelement oder als Bandbreitenbegrenzungselement kann das Faser-Bragg- Gitter auch wirken, wenn es als ungechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faseroszillator ein Dispersionskompensationselement aufweist. Das Dispersionskompensationselement ist vorzugsweise durch das Reflektorelement gebildet, indem das Reflektorelement als gechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist das Dispersionskompensationselement eine dispersionskompensierende Faser, die vorzugsweise in der unidirektionalen Schleife angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich ist die erste Verstärkungsfaser dispersionskompensiert ausgebildet ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der reflektierende Arm über ein Zirkulatorelement mit dem Ringteil der unidirektionalen Schleife lichtleitend verbunden ist. Das Zirkulatorelement dient dabei bevorzugt zugleich als Isolatoreinrichtung der unidirektionalen Schleife. Der Ringteil weist einen ersten Ringast auf, der an einem ersten Ringastende mit dem 3x3 -Koppler - insbesondere mit dem dritten Port - und an einem zweiten Ringastende mit dem reflektierenden Arm lichtleitend verbunden ist. Der Ringteil weist außerdem einen zweiten Ringast auf, der an einem ersten Ringastende mit dem reflektierenden Arm und an einem zweiten Ringastende mit dem 3x3 -Koppler - insbesondere mit dem ersten Port - lichtleitend verbunden ist. Eine über den dritten Port des 3x3-Kopplers in den ersten Ringast eintretender Lichtpuls durchläuft diesen bis zu dem Zirkulatorelement, wird von diesem in das Anschlussende des reflektierenden Arms eingekoppelt, durchläuft den reflektierenden Arm bis zu dem an dem Reflexionsende angeordneten Reflektorelement, wird dort zumindest teilweise reflektiert, läuft entlang des reflektierenden Arms zurück zu dem Anschlussende, wird dort durch das Zirkulatorelement in den zweiten Ringast eingekoppelt, und durchläuft diesen bis zu dem ersten Port des 3x3 -Kopplers. Somit werden der erste Ringast und der zweite Ringast von dem Lichtpuls jeweils einmal durchlaufen, während der reflektierende Arm - hin und zurück - zweifach durchlaufen wird.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der unidirektionalen Schleife eine zweite Verstärkungsfaser angeordnet ist, insbesondere als das oben bereits erwähnte zusätzliche Verstärkungsmedium. Bevorzugt ist die zweite Verstärkungsfaser in dem reflektierenden Arm angeordnet. Dies erweist sich als besonders vorteilhaft, da so die zweite Verstärkungsfaser durch einen in der unidirektionalen Schleife propagierenden Lichtpuls zweifach durchlaufen wird, sodass der Lichtpuls doppelt verstärkt wird. Des Weiteren ist die zweite Verstärkungsfaser vorteilhaft durch das Zirkulatorelement - insbesondere in beide Richtungen - von der ersten Verstärkungsfaser getrennt, sodass sich die beiden Verstärkungsfasern nicht nachteilig gegenseitig beeinflussen.
Die zweite Verstärkungsfaser ist vorzugsweise mit demselben Element dotiert wie die erste Verstärkungsfaser.
Der Faseroszillator weist bevorzugt außerhalb der unidirektionalen Schleife, insbesondere außerhalb der Schleifenanordnung, - in Propagationsrichtung eines durch das Reflektorelement ausgekoppelten Lichtpulses - hinter dem ersten Reflektorelement eine Koppeleinrichtung zur Einkopplung von Pumplicht in den Faseroszillator, insbesondere in die unidirektionale Schleife auf. Auf diese Weise kann vorteilhaft Pumplicht über das Reflektorelement in die unidirektionale Schleife eingekoppelt werden. Die Koppeleinrichtung kann aber auch innerhalb der unidirektionalen Schleife, insbesondere in dem reflektierenden Arm, angeordnet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Faseroszillator ein Bandbreitenbegrenzungselement aufweist. Vorzugsweise ist das Bandbreitenbegrenzungselement in der unidirektionalen Schleife angeordnet. Durch das Zusammenspiel aus normaler Dispersion und Selbstphasenmodulation werden stark gechirpte Lichtpulse im Faseroszillator erzeugt, die sich bei ihrer Propagation spektral und zeitlich verbreitern. Das Bandbreitenbegrenzungselement schneidet vorteilhaft Anteile auf beiden Seiten des Spektrums ab und verkürzt damit - aufgrund des starken Chirps - die Lichtpulse nicht nur spektral, sondern auch zeitlich. Insbesondere auf diese Weise lässt sich die Randbedingung der Periodizität für einen im Faseroszillator umlaufenden Lichtpuls erfüllen.
Das Bandbreitenbegrenzungselement weist bevorzugt eine Bandbreite von mindestens 1 pm bis höchstens 20 nm, vorzugsweise von mindestens 10 pm bis höchstens 15 nm auf.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bandbreitenbegrenzungselement als Bandpassfilter ausgebildet ist. Dies stellt eine geeignete Ausgestaltung des Bandbreitenbegrenzungselements dar.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das Reflektorelement, insbesondere das Faser-B ragg-Gitter, als Bandbreitenbegrenzungselement ausgebildet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da es dann keiner zusätzlichen Komponente zur Bandbreitenbegrenzung bedarf. In diesem Fall kann das Faser-B ragg-Gitter als ungechirptes Faser-B ragg-Gitter, aber auch als gechirptes Faser-B ragg-Gitter ausgebildet sein.
Das Faser-B ragg-Gitter kann zusätzlich oder alternativ auch als
Dispersionskompensationselement fungieren, insbesondere wenn es als gechirptes Faser-Bragg- Gitter ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt in der unidirektionalen Schleife eine dispersionskompensierende Faser als Dispersionskompensationselement angeordnet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der unidirektionalen Schleife, eine zusätzliche Verstärkungsfaser angeordnet ist, die hier zum Zweck der sprachlichen Unterscheidung als dritte Verstärkungsfaser bezeichnet wird, unabhängig davon, ob zusätzlich eine zweite Verstärkungsfaser vorhanden ist. Diese Ausgestaltung wird insbesondere bevorzugt bei einem Ausführungsbeispiel des Faseroszillators, bei welchem die unidirektionale Schleife aus einem Ringteil besteht, wobei die unidirektionale Schleife insbesondere keinen linearen Ast, insbesondere keinen reflektierenden Arm, aufweist. Somit ist die dritte Verstärkungsfaser insbesondere in dem Ringteil der unidirektionalen Schleife angeordnet. Mit der dritten Verstärkungsfaser können vorteilhaft Verluste des Faseroszillators ausgeglichen werden
Es ist aber gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die dritte Verstärkungsfaser zusätzlich zu einer in dem reflektierenden Arm vorgesehenen zweiten Verstärkungsfaser vorgesehen ist, wobei auch in diesem Fall die dritte Verstärkungsfaser bevorzugt in dem Ringteil der unidirektionalen Schleife angeordnet ist.
Die dritte Verstärkungsfaser ist vorzugsweise mit demselben Element dotiert wie die erste Verstärkungsfaser - und vorzugsweise wie die zweite Verstärkungsfaser.
Vorzugsweise weist der Faseroszillator in der unidirektionalen Schleife eine Auskoppeleinrichtung zur Auskopplung von Lichtpulsen auf. Auf diese Weise ist es möglich, Lichtpulse - sei es als Nutzlicht oder zur Überprüfung des Faseroszillators - nicht nur über den zweiten Port oder den vierten Port des 3x3 -Kopplers auszukoppeln, sondern zusätzlich oder alternativ über die Auskoppeleinrichtung. Aufgrund des Zusammenspiels von Dispersion einerseits und Selbstphasenmodulation andererseits entlang des Faseroszillators weisen die ausgekoppelten Lichtpulse abhängig vom Ort ihrer Auskopplung verschiedene zeitliche Breiten auf. Es können also insbesondere aus dem zweiten Port des 3x3-Kopplers, dem vierten Port des 3x3-Kopplers, und über die Auskoppeleinrichtung Lichtpulse mit verschiedenen zeitlichen Breiten ausgekoppelt werden.
Die Auskoppeleinrichtung ist bevorzugt als Tap-Koppler ausgebildet.
Das Bandbreitenbegrenzungselement, insbesondere das Reflektorelement oder der Bandpassfilter, ist bevorzugt bezüglich seiner Bandbreite verstellbar ausgebildet, vorzugsweise als temperaturabhängiges Gitter, oder als Gitter, das gegenüber Dehnung oder Stauchung bezüglich seiner Bandbreite empfindlich ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators polarisationserhaltend ausgebildet sind. Dies erweist sich als besonders vorteilhafte Ausgestaltung für den Faseroszillator.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die gesamte - normale - Dispersion oder - normale - Gesamtdispersion des Faseroszillators reduziert, insbesondere nahe null ist, um möglichst kurze Pulse zu erhalten. Die Begriffe „Gesamtdispersion“ und „gesamte Dispersion“ werden dabei insbesondere synonym verwendet. In bevorzugter Ausgestaltung wird die Gesamtdispersion des Faseroszillators durch geeignete Abstimmung der einzelnen optischen Komponenten aufeinander, vorzugsweise durch Anordnung zumindest eines Dispersionskompensationselements in dem Faseroszillator, reduziert, insbesondere auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle optischen Komponenten des Faseroszillators durch Fasern gebildet sind oder aus Fasern bestehen, wobei sie insbesondere faserbasierte Komponenten oder fasergekoppelte Komponenten sind. Insbesondere weist der Faseroszillator bevorzugt keine Freistrahlkomponenten auf. In diesem Fall ergibt sich kein Justieraufwand in Zusammenhang mit dem Faseroszillator.
Es ist aber gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung auch möglich, dass der Faseroszillator mindestens eine optische Komponente aufweist, die als Freistrahlkomponente ausgebildet ist.
Vorzugsweise weist der Faseroszillator eine Pulsrepetitionsrate von 1 MHz bis 150 MHz auf.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Lasereinrichtung geschaffen wird, die eine Pumplichtquelle und einen erfindungsgemäßen Faseroszillator oder einen Faseroszillator nach einem oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Die Pumplichtquelle und der Faseroszillator sind lichtleitend miteinander verbunden, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle in den Faseroszillator eingekoppelt werden kann. In Zusammenhang mit der Lasereinrichtung verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Faseroszillator erläutert wurden. Insbesondere ist die Pumplichtquelle mit der ersten Verstärkungsfaser lichtleitend verbunden, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle zum Pumpen der ersten Verstärkungsfaser verwendet werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lasereinrichtung eine Steuereinrichtung aufweist.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt mit einem variabel ansteuerbaren Asymmetrieelement der bidirektionalen Schleife wirkverbunden, um das variable Asymmetrieelement einzustellen, insbesondere um die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchlaufenden Lichtpulsen einzustellen, insbesondere derart, dass die Phasenverschiebung höchstens 2 /3, vorzugsweise 2 /3, beträgt.
Insbesondere ist die Steuereinrichtung bevorzugt mit einem variabel ansteuerbaren Verstärkungselement wirkverbunden, um das variabel ansteuerbare Verstärkungselement bezüglich seiner Verstärkung einzustellen.
Bei einer Ausführungsform ist die Steuereinrichtung mit der Pumplichtquelle wirkverbunden und eingerichtet ist, um eine Pulsdauer des Faseroszillators durch Wahl der Pumpleistung der Pumplichtquelle einzustellen. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um die Pumpleistung der Pumplichtquelle so zu wählen, dass die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchlaufenden Lichtpulsen höchstens 2 /3, vorzugsweise 2 /3, beträgt.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuereinrichtung bevorzugt mit einem variabel ansteuerbaren Abschwächelement wirkverbunden, um das variabel ansteuerbare Abschwächelement bezüglich seiner Abschwächung einzustellen, insbesondere derart, dass die nichtlineare Phasenverschiebung zwischen den die bidirektionale Schleife in umgekehrter Richtung durchlaufenden Lichtpulsen höchstens 2 /3, vorzugsweise 2 /3, beträgt. Bevorzugt kann hierdurch ein größerer Pulsdauerbereich abgedeckt werden, als - gegebenenfalls nur - durch Wahl der Pumpleistung.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung mit dem bezüglich seiner Bandbreite verstellbar ausgebildeten Bandbreitenbegrenzungselement, insbesondere dem Reflektorelement oder dem Bandpassfilter, gegebenenfalls in Zusammenspiel mit einem weiteren optischen Element, insbesondere einem weiteren Bandbreitenbegrenzungselement, wirkverbunden und eingerichtet ist, um eine Bandbreite des Bandbreitenbegrenzungselements einzustellen. Auf diese Weise ist der Faseroszillator bezüglich Bandbreite und insbesondere Pulsdauer besonders flexibel ausgebildet.
Bevorzugt weist der Faseroszillator zusätzlich zu dem verstellbaren Bandbreitenbegrenzungselement noch ein weiteres Filterelement auf, wobei durch Verstellen der Bandbreite des verstellbaren Bandbreitenbegrenzungselements ein Überlappungsbereich zwischen dem Bandbreitenbegrenzungselement und dem Filterelement eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann sehr effizient eine effektive Bandbreite der Kombination aus dem Bandbreitenbegrenzungselement und dem Filterelement eingestellt werden.
Das Bandbreitenbegrenzungselement kann insbesondere thermisch oder mechanisch verstellbar sein, beispielsweise durch Erwärmen oder Abkühlen, oder durch Dehnen oder Stauchen.
Eine verstellbare Bandbreitenbegrenzung kann auch mit einem Fabry -Perot-Filter bewirkt werden, bei dem ein Abstand zwischen zwei Flächen, die für die Fabry -Perot-Eigenschaft verantwortlich sind, verändert wird.
Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um in einer Startbetriebsart durch Ansteuerung des variabel ansteuerbaren Asymmetrieelements eine erste, höhere Asymmetrie in der bidirektionalen Schleife zu erzeugen, um ein schnelles Starten der Laseraktivität in dem Faseroszillator zu begünstigen, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, um in einer Dauerbetriebsart das variabel ansteuerbare Asymmetrieelement anzusteuern, um eine zweite, geringere Asymmetrie in der bidirektionalen Schleife zu erzeugen, um einen stabilen Dauerbetrieb des Faseroszillators zu gewährleisten. Insbesondere ist die Steuereinrichtung eingerichtet, um ein variabel ansteuerbares Abschwächelement entsprechend anzusteuem, insbesondere um in der Startbetriebsart eine erste, höhere Abschwächung einzustellen, und um in der Dauerbetriebsart eine zweite, geringere Abschwächung einzustellen.
Zu Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Faseroszillators oder eines Faseroszillators nach einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, wobei - insbesondere durch Ansteuern eines variabel ansteuerbaren Asymmetrieelements - in einer Startbetriebsart eine erste, höhere Asymmetrie in der bidirektionalen Schleife erzeugt wird, und wobei in einer Dauerbetriebsart eine zweite, geringere Asymmetrie in der bidirektionalen Schleife erzeugt wird. Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens bevorzugt bei einem variabel ansteuerbaren Abschwächelement in der Startbetriebsart eine erste, höhere Abschwächung eingestellt, wobei in der Dauerbetriebsart eine zweite, geringere Ab Schwächung eingestellt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines passiv modengekoppelten Faseroszillators;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines passiv modengekoppelten Faseroszillators;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines passiv modengekoppelten Faseroszillators;
Figur 4 eine diagrammatische Erläuterung der Funktionsweise eines Bandbreitenbegrenzungselements bei einem Faseroszillator, und
Figur 5 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines passiv modengekoppelten Faseroszillators.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines passiv modengekoppelten Faseroszillators 1. Der Faseroszillator 1 weist eine bidirektionale Schleife 3 und eine unidirektionale Schleife 5 auf, wobei die bidirektionale Schleife 3 und die unidirektionale Schleife 5 durch einen 3x3 -Koppler 7 miteinander gekoppelt, insbesondere lichtleitend verbunden, sind. In der bidirektionalen Schleife 3 ist eine erste Verstärkungsfaser 9 angeordnet. Der Faseroszillator 1 weist insgesamt eine normale Dispersion auf. In vorteilhafter Weise kann dabei die bidirektionale Schleife 3 die Funktion eines sättigbaren Absorbers übernehmen, sodass der Faseroszillator 1 insbesondere auf einen SESAM verzichten kann. Somit wird auch das Problem einer Degradation und Dejustage in Verbindung mit einem SESAM vollständig vermieden. Insbesondere treten in Zusammenhang mit der bidirektionalen Schleife 3 keine Probleme mit Degradation und/oder Dejustage auf. Durch geeignete Wahl der ersten Verstärkungsfaser 9, insbesondere eines Elements, mit dem die erste Verstärkungsfaser 9 dotiert ist, können geeignete Wellenlängen für den Faseroszillator 1 bereitgestellt werden, insbesondere im Bereich von ungefähr 900 nm bis 1100 nm (Ytterbium, Neodym) über 1500 nm (Erbium) bis ungefähr 1900 bis 2100 nm (Thulium, Holmium). Durch spezifische Abstimmung der Gesamtdispersion des Faseroszillators 1 im normalen Bereich werden vorteilhaft wohldefinierte Dispersionseigenschaften bereitgestellt. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Verstärkungsfaser 9 als Bandbreitenbegrenzungselement 59 und/oder als Dispersionskompensationselement 60 ausgebildet. Insbesondere kann die Verstärkungsfaser 9 die Funktion der Bandbreitenbegrenzung aufgrund ihrer Gain-Bandbreite übernehmen.
Vorzugsweise ist die - normale - Gesamtdispersion des Faseroszillators 1 reduziert, insbesondere nahe null oder gleich null.
Die erste Verstärkungsfaser 9 ist bevorzugt mit wenigstens einem Element dotiert, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus: Ytterbium, Neodym, Erbium, Holmium, und Thulium. Die erste Verstärkungsfaser 9 kann auch mit einer Kombination von wenigstens zwei der genannten Elemente dotiert sein, insbesondere mit einer Kombination von genau zwei dieser Elemente.
Vorzugsweise weist die bidirektionale Schleife 3 eine Asymmetrie für zwei Lichtpulse auf, welche die bidirektionale Schleife 3 in entgegengesetzte Richtungen durchlaufen, insbesondere in Form eines Asymmetrielements 4. Diese Asymmetrie kann insbesondere durch ein asymmetrisch angeordnetes Verstärkungselement 6 und/oder ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement 8 in der bidirektionalen Schleife 3 bewirkt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Verstärkungsfaser 9 als Verstärkungselement 6 asymmetrisch in der bidirektionalen Schleife 3 angeordnet. Insbesondere ist die bidirektionale Schleife 3 als nichtlinearer, verstärkender Schleifenspiegel (NALM) ausgebildet.
Vorzugsweise ist in der bidirektionalen Schleife 3 eine Einkoppeleinrichtung 11 zur Einkopplung von Pumplicht angeordnet. Die Einkoppeleinrichtung 11 ist bevorzugt als Wellenlängenmultiplex-Koppler (WDM) ausgebildet. Die Einkoppeleinrichtung 11 kann hier auch als Abschwächelement 8 wirken. Es kann als Abschwächelement 8 auch beispielsweise ein Tap-Koppler in der bidirektionalen Schleife 3 angeordnet sein.
In der unidirektionalen Schleife 5 ist vorzugsweise eine Isolatoreinrichtung 13, insbesondere ein Isolator 15, angeordnet. Der 3x3-Koppler 7 ist bevorzugt eingerichtet, um Lichtpulsen, die zwischen verschiedenen unmittelbaren Verbindungen einer Mehrzahl von Ports 17 des 3x3-Kopplers 7 übersprechen, eine Phasenverschiebung von 2TC/3 ZU vermitteln. Gegenläufigen Lichtpulsen in dem NALM wird dann insbesondere eine entsprechende Phasenverschiebung vermittelt.
Im Folgenden wird anhand von Figur 1 eine bestimmte Ausführungsform des 3x3-Kopplers 7 unter Berücksichtigung einer bestimmten möglichen Anordnung und Verknüpfung der Ports 17 des 3x3 -Kopplers 7 beschrieben. Es sind zahlreiche andere Ausführungsformen möglich, die zu der beschriebenen Anordnung äquivalent, nahezu äquivalent oder zumindest funktionsgleich sind, jedenfalls aber denselben Zweck erfüllen.
Der 3x3-Koppler 7 weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere einen ersten Port 17.1, einen zweiten Port 17.2, ein dritten Port 17.3, einen vierten Port 17.4, einen fünften Port 17.5 und einen sechsten Port 17.6 auf. Ein erstes Ende 19 der unidirektionalen Schleife 5 ist mit dem dritten Port 17.3 lichtleitend verbunden. Ein zweites Ende 21 der unidirektionalen Schleife 5 ist mit dem ersten Port 17.1 lichtleitend verbunden. Durch die Ausgestaltung und Anordnung der Isolatoreinrichtung 13 können Lichtpulse entlang der unidirektionalen Schleife 5 nur von dem dritten Port 17.3 zu dem ersten Port 17.1 propagieren. Ein erstes Ende 23 der bidirektionalen Schleife 3 ist mit dem fünften Port 17.5 lichtleitend verbunden. Ein zweites Ende 25 der bidirektionalen Schleife 3 ist mit dem sechsten Port 17.6 lichtleitend verbunden. Der zweite Port 17.2 und der vierte Port 17.4 werden bevorzugt verwendet, um Lichtpulse aus dem Faseroszillator 1 auszukoppeln, sei es als Nutzlicht oder zur Überwachung.
Ein aus der unidirektionalen Schleife 5 über den ersten Port 17.1 in den 3x3-Koppler 7 eintretender Lichtpuls wird durch den 3x3-Koppler 7 in drei Lichtpulse mit gleicher Pulsenergie auf den vierten Port 17.4, den fünften Port 17.5 und den sechsten Port 17.6 aufgeteilt. Die Lichtpulse am fünften Port 17.5 und am sechsten Port 17.6 erfahren jeweils gegenüber dem am ersten Port 17.1 eintretenden Lichtpuls eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Der Lichtpuls am fünften Port 17.5 wird im Folgenden als erster Lichtpuls bezeichnet, der Lichtpuls am sechsten Port 17.6 als zweiter Lichtpuls. Der erste Lichtpuls durchläuft nun die bidirektionale Schleife 3 ausgehend von deren ersten Ende 23 hin zu deren zweiten Ende 25, wobei der zweite Lichtpulse die bidirektionale Schleife 3 in umgekehrter Richtung durchläuft. Aufgrund der in der bidirektionalen Schleife 3 asymmetrisch angeordneten ersten Verstärkungsfaser 9 erfahren nun der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls verschiedene Phasenverschiebungen bzw. B-Integrale während ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife 3. Der Unterschied in den B-Integralen bzw. die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtpuls und dem zweiten Lichtpuls hängt insbesondere ab von der Ursprungsintensität der Lichtpulse - vor Durchlaufen der bidirektionalen Schleife 3 - und der Verstärkung in der ersten Verstärkungsfaser 9, insbesondere also von einem Pumpniveau der ersten Verstärkungsfaser 9.
An dem fünften Port 17.5 angekommen spricht nun der zweite Lichtpuls teilweise über in eine unmittelbare optische Verbindung zwischen dem sechsten Port 17.6 und dem dritten Port 17.3 und erfährt dabei erneut eine Phasenverschiebung von 2TC/3. Der am sechsten Port 17.6 ankommende erste Lichtpuls wird unmittelbar zu dem dritten Port 17.3 weitergeleitet, ohne dabei eine Phasenverschiebung zu erfahren. Ein sich durch Superposition des ersten Lichtpulses und des zweiten Lichtpulses ergebender Ausgangspuls am dritten Port 17.3 hängt damit insbesondere von den B-Integralen ab, die die Lichtpulse bei ihrer Propagation entlang der bidirektionalen Schleife 3 erfahren.
Lichtanteile, die zurück in den ersten Port 17.1 gelangen, werden durch die Isolatoreinrichtung 13 getilgt. Es werden nur Lichtpulse durchgelassen, die über den dritten Port 17.3 in die unidirektionale Schleife 5 eintreten. Die bidirektionale Schleife 3 fungiert als sättigbarer Absorber.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Faseroszillators 1 weist die unidirektionale Schleife 5 kein Verstärkungsmedium auf. Insbesondere ist hier die erste Verstärkungsfaser 9 das einzige Verstärkungsmedium, insbesondere die einzige Verstärkungsfaser des Faseroszillators 1.
Figur 1 zeigt zugleich ein Ausführungsbeispiel einer Lasereinrichtung 27, die eine Pumplichtquelle 29 und den Faseroszillator 1 aufweist, wobei die Pumplichtquelle 29 mit dem Faseroszillator 1, insbesondere mit der Einkoppeleinrichtung 11, lichtleitend verbunden ist, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle 29 in den Faseroszillator 1 eingekoppelt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Faseroszillators 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern jeweils auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die unidirektionale Schleife 5 einen reflektierenden Arm 31 auf, in dem bei dem hier dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ein als Faser-B ragg-Gitter 33 ausgebildetes Reflektorelement 35 angeordnet ist. Der reflektierende Arm 31 ist über ein Zirkulatorelement 37 lichtleitend mit einem Ringteil 39 der unidirektionalen Schleife 5 verbunden. Insbesondere weist der Ringteil 39 einen ersten Ringast 41 auf, der mit einem ersten Ringastende 43 mit dem dritten Port 17.3 des 3x3-Kopplers 7 verbunden ist, wobei er mit einem zweiten Ringastende 45 mit dem Zirkulatorelement 37 verbunden ist. Der Ringteil 39 weist außerdem einen zweiten Ringast 47 auf, der mit einem ersten Ringastende 49 mit dem Zirkulatorelement 37 und mit einem zweiten Ringastende 51 mit dem ersten Port 17.1 des 3x3- Kopplers 7 verbunden ist. Das Zirkulatorelement 37 wirkt hier als Isolatoreinrichtung 13. Ein die unidirektionale Schleife 5 ausgehend von dem dritten Port 17.3 zu dem ersten Port 17.1 durchlaufender Lichtpuls durchläuft die Ringäste 41, 47 jeweils einmal, den reflektierenden Arm 31 jedoch zweimal, nämlich einmal zu dem Reflektorelement 35 hin, und einmal von dem Reflektorelement 35 zurück.
In dem reflektierenden Arm 31 ist als ein Verstärkungsmedium 52 eine zweite Verstärkungsfaser 53 angeordnet, die vorzugsweise mit demselben Element dotiert ist, mit dem auch die erste Verstärkungsfaser 9 dotiert ist. Das Verstärkungsmedium 52, insbesondere die zweite Verstärkungsfaser 53, kann aber auch an anderer Stelle in dem Faseroszillator 1 angeordnet sein.
Das Reflektorelement 35 ist bevorzugt teiltransmittierend oder teilreflektierend ausgebildet, wobei zum einen ein vorbestimmter Anteil von Licht über das Reflektorelement 35 aus dem Faseroszillator 1 ausgekoppelt wird, wobei zum anderen bevorzugt Pumplicht für die zweite Verstärkungsfaser 53 über das Reflektorelement 35 in die unidirektionale Schleife 5 eingekoppelt wird.
Das Zirkulatorelement 37 wirkt insbesondere als Isolatorelement 57 in der unidirektionalen Schleife 5.
Das Reflektorelement 35 ist bevorzugt als Bandbreitenbegrenzungselement 59 ausgebildet; insbesondere ist das - gemäß einer Ausgestaltung ungechirpte - Faser-B ragg-Gitter 33 bevorzugt als Bandbreitenbegrenzungselement 59 ausgebildet. In bevorzugter Ausgestaltung ist es möglich, dass das Bandbreitenbegrenzungselement 59 - insbesondere thermisch oder mechanisch - bezüglich seiner Bandbreite verstellbar ausgebildet ist.
Das Bandbreitenbegrenzungselement 59 weist bevorzugt eine Bandbreite von mindestens 1 pm bis höchstens 20 nm, vorzugsweise von mindestens 10 pm bis höchstens 15 nm auf.
Insbesondere wenn das Faser-B ragg-Gitter 33 als gechirptes Faser-B ragg-Gitter 33 ausgebildet ist, kann es zusätzlich oder alternativ als Dispersionskompensationselement 60 fungieren.
Figur 2 zeigt außerdem ein zweites Ausführungsbeispiel der Lasereinrichtung 27, die in bevorzugter Ausgestaltung eine Steuereinrichtung 61 aufweist, wobei die Steuereinrichtung 61 mit der Pumplichtquelle 29 wirkverbunden und eingerichtet ist, um eine Pulsdauer des Faseroszillators 1 durch Wahl der Pumpleistung der Pumplichtquelle 29 einzustellen.
Die Steuereinrichtung 61 ist alternativ oder zusätzlich mit dem vorzugsweise bezüglich seiner Bandbreite - insbesondere thermisch oder mechanisch - verstellbar ausgebildeten Bandbreitenbegrenzungselement 59 wirkverbunden und eingerichtet, um eine Bandbreite des Bandbreitenbegrenzungselements 59 einzustellen, insbesondere um bevorzugt einen größeren Pulsdauerbereich abdecken zu können, als - gegebenenfalls nur - durch Wahl der Pumpleistung.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des Faseroszillators 1.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel besteht die unidirektionale Schleife 5 aus dem Ringteil 39 - sie weist entsprechend keinen reflektierenden Arm 31 auf - und weist in dem Ringteil 39 das Verstärkungsmedium 52, hier eine dritte Verstärkungsfaser 63, auf, wobei die dritte Verstärkungsfaser 63 bevorzugt mit demselben Element dotiert ist wie die erste Verstärkungsfaser 9. Die Isolatoreinrichtung 13 ist als das Isolatorelement 57 in Propagationsrichtung hinter der dritten Verstärkungsfaser 63 angeordnet.
Die Isolatoreinrichtung 13 ist hier zugleich als eine zweite Einkoppeleinrichtung 65 - zusätzlich zu der Einkoppeleinrichtung 11, die insofern eine erste Einkoppeleinrichtung ist - zur Einkopplung von Pumplicht für die dritte Verstärkungsfaser 63 ausgebildet, insbesondere als W eil enl ängenmultipl ex-Koppl er. Außerdem ist optional in der unidirektionalen Schleife 5 in Propagationsrichtung vor der dritten Verstärkungsfaser 63 ein - vorzugsweise verstellbarer - Bandpassfilter 67 als das Bandbreitenbegrenzungselement 59 angeordnet.
Weiterhin ist optional in der unidirektionalen Schleife 5 eine Auskoppeleinrichtung 69 angeordnet, die vorzugsweise Tap-Koppler ausgebildet ist. Über die Auskoppeleinrichtung 69 kann insbesondere wahlweise Nutzlicht oder Licht zur Überwachung des Faseroszillators 1 ausgekoppelt werden.
Fig. 4 zeigt eine diagrammatische Erläuterung der Funktionsweise des Bandbreitenbegrenzungselements 59. Dabei ist bei a) eine Auftragung einer spektralen Leistungsdichte eines Lichtpulses gegen die Wellenlänge dargestellt; bei b) ist eine Auftragung einer zeitlichen Leistungsdichte des Laserpulses gegen die Zeit dargestellt. Eine erste, gestrichelte Kurve Kl zeigt jeweils in den Auftragungen gemäß a) und b) eine spektrale bzw. zeitliche Form des Lichtpulses vor dem Durchlaufen des Bandbreitenbegrenzungselements 59, und eine zweite, durchgezogene Kurve K2 zeigt jeweils die entsprechende Form des Lichtpulses nach Durchlaufen des Bandbreitenbegrenzungselements 59.
Durch das Zusammenspiel aus normaler Dispersion und Selbstphasenmodulation werden stark gechirpte Lichtpulse im Faseroszillator 1 erzeugt, die sich bei ihrer Propagation spektral und zeitlich verbreitern. Das Bandbreitenbegrenzungselement 59 schneidet vorteilhaft Anteile auf beiden Seiten des Spektrums ab und verkürzt damit - aufgrund des starken Chirps - die Lichtpulse nicht nur spektral, sondern auch zeitlich. Insbesondere auf diese Weise lässt sich die Randbedingung der Periodizität für einen im Faseroszillator 1 umlaufenden Lichtpuls erfüllen.
Je nach - vorzugsweise insbesondere thermisch oder mechanisch einstellbarer - Bandbreite des Bandbreitenbegrenzungselements 59 werden insbesondere spektral breitere oder schmälere Lichtpulse erhalten. Abhängig davon können zeitlich kürzere oder längere Lichtpulse mittels des Faseroszillators 1 erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Faseroszillators 1. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel ist in der unidirektionalen Schleife 5 eine dispersionskompensierende Faser 71 als Dispersionskompensationselement 60 angeordnet. Insbesondere mithilfe des Dispersionskompensationselements 60, unabhängig von dessen Ausgestaltung - insbesondere gemäß Figur 2 oder Figur 5 - ist es möglich, die - normale - Gesamtdispersion des Faseroszillators 1 so einzustellen, dass diese reduziert, insbesondere nahe null ist. Bevorzugt ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel ein Bandbreitenbegrenzungselement 59 vorgesehen. Insbesondere kann die erste Verstärkungsfaser 9 als Bandbreitenbegrenzungselement 59 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch beispielsweise ein Bandpassfilter als Bandbreitenbegrenzungselement 59 vorgesehen sein.
Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des Faseroszillators 1 - insbesondere gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele -, sind vorzugsweise alle optischen Komponenten des Faseroszillators 1 polarisationserhaltend ausgebildet.
Bevorzugt sind alle optischen Komponenten des Faseroszillators 1 Faserkomponenten, oder faserbasierte Komponenten, oder fasergekoppelte Komponenten. Insbesondere weist der Faseroszillator 1 bevorzugt keine Freistrahlkomponente auf.

Claims

27 ANSPRÜCHE
1. Passiv modengekoppelter Faseroszillator (1), mit einer bidirektionalen Schleife (3) und einer unidirektionalen Schleife (5), wobei die bidirektionale Schleife (3) und die unidirektionale Schleife (5) durch einen 3x3- Koppler (7) miteinander gekoppelt sind, wobei die bidirektionale Schleife (3) eine erste Verstärkungsfaser (9) aufweist, und wobei der Faseroszillator (1) insgesamt eine normale Dispersion aufweist.
2. Faseroszillator (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Verstärkungsfaser (9) dotiert ist mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus Ytterbium, Neodym, Erbium, Thulium, und Holmium, oder mit einer Kombination aus wenigstens zwei dieser Elemente, insbesondere Er/Yb oder Tm/Ho.
3. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die bidirektionale Schleife (3) ein Asymmetrieelement (4), insbesondere ein asymmetrisch angeordnetes - vorzugsweise variabel einstellbares - Verstärkungselement (6) und/oder ein asymmetrisch angeordnetes Abschwächelement (8) aufweist.
4. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unidirektionale Schleife (5) kein Verstärkungsmedium aufweist, oder wobei die unidirektionale Schleife (5) ein Verstärkungsmedium (52) aufweist, wobei ein Isolatorelement (57) zwischen dem Verstärkungsmedium (52) und der ersten Verstärkungsfaser (9) angeordnet ist.
5. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unidirektionale Schleife (5) einen reflektierenden Arm (31) aufweist, wobei ein Reflektorelement (35) in dem reflektierenden (31) Arm angeordnet ist.
6. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Reflektorelement (35) als Faser-B ragg-Gitter (33) ausgebildet ist.
7. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faseroszillator (1) ein Dispersionskompensationselement (60) aufweist, wobei vorzugsweise das Dispersionskompensationselement (60) durch das Reflektorelement (35) gebildet ist, indem das Reflektorelement (35) als gechirptes Faser-B ragg-Gitter (3) ausgebildet ist, und/oder das Dispersionskompensationselement (60) eine dispersionskompensierende Faser (71) ist, die vorzugsweise in der unidirektionalen Schleife (5) angeordnet ist.
8. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der reflektierende Arm (31) über ein Zirkulatorelement (37) mit einem Ringteil (39) der unidirektionalen Schleife (5) lichtleitend verbunden ist.
9. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der unidirektionalen Schleife (5), insbesondere in dem reflektierenden Arm (31), eine zweite Verstärkungsfaser (53) angeordnet ist.
10. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faseroszillator (1) ein Bandbreitenbegrenzungselement (59) mit einer Bandbreite von mindestens 1 pm bis höchstens 20 nm, vorzugsweise von mindestens 10 pm bis höchstens 15 nm, aufweist.
11. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bandbreitenbegrenzungselement (59) als Bandpassfilter (67) ausgebildet ist, und/oder wobei das Faser-B ragg-Gitter (33) als Bandbreitenbegrenzungselement (59) ausgebildet ist.
12. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der unidirektionalen Schleife (5) eine zusätzliche Verstärkungsfaser (63) angeordnet ist, die vorzugsweise mit demselben Element dotiert ist wie die erste Verstärkungsfaser (9).
13. Faseroszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle optischen Komponenten des Faseroszillators (1) polarisationserhaltend ausgebildet sind.
14. Lasereinrichtung (27), mit einer Pumplichtquelle (29) und einem Faseroszillator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Pumplichtquelle (29) und der Faseroszillator (1) miteinander lichtleitend verbunden sind, sodass Pumplicht der Pumplichtquelle (29) in den Faseroszillator (1) eingekoppelt werden kann.
15. Lasereinrichtung (27) nach Anspruch 14, mit einer Steuereinrichtung (61), wobei die Steuereinrichtung (61) mit der Pumplichtquelle (29) wirkverbunden und eingerichtet ist, um eine Pulsdauer des Faseroszillators (1) durch Wahl der Pumpleistung der
Pumplichtquelle (29) einzustellen, und/oder wobei die Steuereinrichtung (61) mit dem bezüglich seiner Bandbreite verstellbar ausgebildeten Bandbreitenbegrenzungselement (59) wirkverbunden und eingerichtet ist, um eine Bandbreite des Bandbreitenbegrenzungselements (59) einzustellen.
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