DE10029381A1 - Optischer Wellenleiter - Google Patents

Abstract

Optischer Wellenleiter, der im Kern mit laseraktiven Ionen dotiert ist, wobei der Kern zusätzlich mit Cer in einer Konzentration dotiert ist, die zwischen 5% und 200% der in Mol-% angegebenen Konzentration der laseraktiven Ionen liegt. DOLLAR A Anwendung in strahlenbelasteter Umgebung, beispielsweise im Weltraum. DOLLAR A Vorteil: Die Beeinträchtigung der Laseraktivität infolge von Strahlenbelastungen ist durch die Erfindung verringert.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben.

Die Anwendung von Faserlasern und Faserverstärkern in der optischen Nachrichtentechnik ist weit verbreitet.

Besonders sind hierbei die Erbium dotierten Faserverstärker zu nennen, welche sich schon seit einigen Jahren in kommerziellen terrestrischen Systemen bewährt haben. Diese Systeme haben einen sehr hohen Entwicklungsstand bezüglich Effizienz und Resistenz gegen diverse thermische und klimatische Bedingungen erreicht.

Insbesondere für die Unterwasserkommunikation und Intersatellitenverbindungen kommt zu den bei terrestrischen Applikationen existierenden Randbedingungen noch die über den Anwendungszeitraum von einigen Jahren akkumulierte Strahlungsschädigung hinzu, die zu einer langsamen Degradation der Performance bis zum Erlöschen des Laser- oder Verstärkerbetriebes führen kann.

Ursächlich dafür sind Farbzentren (also im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich absorbierende Zentren) in den Fasern, die durch Herauslösen von Elektronen aus den Atomen der Laser- oder Verstärkermaterialien verursacht werden. Diese Elektronen sind nicht mehr stationär und können an anderen Atomen im Material und an Gitterleerstellen in langzeitstabile Zentren umgewandelt werden, die spektral breitbandige (einige hundert Nanometer) Absorption aufweisen. Die in diesen Zentren absorbierte Lichtleistung wird überwiegend in Wärme umgewandelt und schwächt das zur Aufrechterhaltung des Laser- oder Verstärkerbetriebes notwendige Nutzsignal.

Es wurden in der Vergangenheit verschiedene bei der Herstellung (Zucht) der Fasern variable Parameter untersucht (Ziehgeschwindigkeit, Temperatur, Ausgangsmaterialien) sowie die Einflüsse der zur Einstellung des Brechungsindexprofils notwendigen Kodotierungen (z. B. Phosphor, Germanium, Aluminium) auf die Strahlungsresistenz der Fasern. [Radiation-induced coloring of erbium-doped optical fibers, G. M. Williams, M. A. Putnam, C. G. Askins, M. E. Gingerich, and E. J. Friebele, SPIE Vol. 1791 Optical Materials Reliability and Testing (1992) und Effect of natural Radioactivity on Optical Fibers of Undersea Cables, H. Henschel and E. Baumann, Jour. Lightwave Tech. Vol. 14, No. 5 May 1996].

Es stellte sich heraus, daß die Verwendung von Phosphor einen nachteiligen Effekt auf die Strahlungsbeständigkeit der Fasern hat, die alleinige Verwendung von Germanium hingegen die Strahlungsschäden mindern kann.

Ungeachtet dessen existieren bei Dotierung mit laseraktiven Ionen (Seltene Erden wie Erbium, Neodym, Ytterbium) bis heute keine überzeugenden Lösungen für akkumulierte Strahlungsdosen von 50-200 kRAD, welche bei Langzeitweltraumanwendungen oder Unterseekabeln auftreten.

Die Firma Schott bietet passive Gläser mit Cer-Kodotierung an, die jedoch nicht mit laseraktiven Ionen dotiert sind. Diese Gläser weisen vergleichsweise geringe durch Strahlung induzierte Absorptionen auf.

Vorteile der Erfindung

Der Anmeldungsgegenstand mit den Merkmalen des Anspruches 1 hat folgenden Vorteil:

Durch Kodotierung (Zugabe) von Cer-Ionen zu den üblicherweise verwendeten Ausgangsmaterialien einer Faserzucht ermöglicht die Erfindung die Vermeidung von durch Gamma- und Protonenbeschuß induzierter Absorption und die damit verbundene Verringerung der Ausgangsleistung.

Mit der Erfindung ist eine Materialkombination für wenig strahlungsempfindliche Faserlaser und -verstärker geschaffen worden, die den Einsatz solcher Systeme im Weltraum oder anderen strahlungsbelasteten Hintergründen ermöglicht. Dabei ist es gelungen, den durch Strahlung induzierten Verlust an Effizienz auf ca. 30% zu beschränken (bei 100 kRad Co⁶⁰ Dosis) Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Ion Cer aus der gleichen chemischen Gruppe (Seltene Erden) stammt wie die laseraktiven Ionen, so daß eine Dotierbarkeit mit Cer immer gegeben ist, sofern sich das Fasermaterial mit laseraktiven Ionen der seltenen Erden- Gruppe dotieren läßt.

Die Wirkungsweise der Cer-Kodotierung ist noch Gegenstand weiterer Untersuchung, die Ursache für die Verhinderung der Farbzentrenbildung liegt aber höchstwahrscheinlich an einem Einfangen der durch die Strahlungswirkung aus dem Atom herausgeschlagenen Elektronen bevor diese ein Farbzentrum bilden können. Die Elektronen könnten am Cer lokalisiert werden, oder durch sogenannte Charge-Transfer- Übergänge wieder auf die Ausgangsatome zurück übertragen werden.

Anwendbar ist die Erfindung bei sämtlichen laseraktiven Ionen in Fasern [Neodym (Nd), Erbium (Er), Thulium (Tm), Holmium (Ho), Ytterbium (Yb), Praseodym. (Pr)] und bei allen Faserausgangsmaterialien wie Silikatglas, Quarz, Fluoridglas.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die Figur zeigt für Faserverstärker mit verschieden dotierten Fasern die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Pumpleistung.

Der Kern der Erfindung betrifft die Zugabe von Cer (z. B. bei Silikatgläsern in Form von Ce₂O₃) als zusätzliche Dotierung zu den mit laseraktiven Ionen dotierten Bereichen, insbesondere Zentralbereichen (Kernen) von Silikatfasern (Quarzfasern).

In der Figur bezieht sich die Kurve 3 und der Messpunkt 4 auf eine mit 0,6 mol% Yb₂O₃ dotierte Aluminosilicatfaser (Quarzfaser mit Aluminium zum Einstellen des Brechzahlprofils). Kurve 3 zeigt die Verhältnisse ohne Bestrahlung, während der Messpunkt 4 nach Bestrahlung mit 100 kRAD Gamma (Co⁶⁰) gemessen wurde.

Kurve 1 bezieht sich als Beispiel auf den Fall einer unbestrahlten Aluminosilicatfaser (Quarzfaser mit Aluminium zum Einstellen des Brechzahlprofils), die mit 0,6 mol% Yb₂O₃ dotiert wurde, mit einer Kodotierung von 0,24 mol% Ce₂O₃.

Diese Kodotierung mit 0,24 mol% Ce₂O₃ entspricht 40% der Dotierung mit 0,6 mol% Yb₂O₃. Untersuchungen zeigten, daß eine Dotierung von 5% bis 200% bezogen auf das Verhältnis der Oxide, z. B. Ce₂O₃ zu Yb₂O₃ sinnvoll ist.

Kurve 2 zeigt, dass nach einer Bestrahlung mit 100 kRAD Gamma (Co⁶⁰) ein Rückgang der Ausgangsleistung des Faserverstärkers um nur noch ca. 30% der vor der Bestrahlung gemessenen Ausgangsleistung erzielt wurde, während die nicht mit Cer kodotierte Vergleichsfaser (gleiche Komposition nur ohne Cer) entsprechend dem Messpunkt 4 nach der Bestrahlung nicht mehr effizient als Verstärker betrieben werden konnte, da die durch Farbzentren induzierte Dämpfung zu groß war [Rückgang der Effizienz auf 20% (Messpunkt 4) derjenigen der unbestrahlten Faser (Kurve 3)].

Da die Zugabe von Cer auch einen Einfluss auf den Brechungsindex hat, kann bei einer Silikatfaser der Kern auch zum Einstellen des Brechzahlprofils kodotiert sein.

Abwandlungsmöglichkeiten

Die mit Cer kodotierte Yb-Faser eignet sich insbesondere als Bestandteil eines Leistungsverstärkers für Licht der Wellenlänge 1064 nm in der optischen Intersatelliten­ kommunikation (Datenaustausch zwischen zwei Satelliten mittels der auf dem Licht einer bestimmten Wellenlänge aufmodulierten Information, die zwischen den Satelliten im Freistahl übertragen wird). Der Leistungsverstärker befindet sich im Sendeteil eines Kommunikationssatelliten.

Claims (7)

1. Optischer Wellenleiter, der im Kern mit laseraktiven Ionen dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Kern zusätzlich mit Cer dotiert ist.

2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierung mit Cer 5% bis 200% der in mol% angegebenen Konzentration der laseraktiven Ionen liegt.

3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er als Silikatfaser ausgebildet ist, und sein Kern auch zum Einstellen des Brechzahlprofils kodotiert ist.

4. Optischer Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seinen Einsatz als Bestandteil eines optischen Verstärkers.

5. Optischer Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seinen Einsatz als Bestandteil eines optischen Leistungsverstärkers.

6. Optischer Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seinen Einsatz als Bestandteil eines Lasers.

7. Optischer Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seinen Einsatz unter Strahlungsbelastung.