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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen faseroptische Lichtquellen und betrifft insbesondere Hauptoszillator/Leistungsverstärkersysteme (MOPA), welche einen kreisförmigen Querschnitt des inneren Mantels der optischen Hauptoszillator-Doppelmantelfaser aufweisen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Faseroptische Lichtquellen, welche optische Fasern verwendet, welche mit Seltenerdenionen wie z. B. Erbium (Er) und Ytterbium (Yb) dotiert sind, werden bei einer Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. Materialverarbeitung, Telekommunikation, Spektroskopie, Medizin usw. verwendet. Bei einer Konfiguration, welche üblicherweise als MOPA (Hauptoszillator/Leistungsverstärker, englisch: Master Oscillator/Power Amplifier) bezeichnet wird, wird ein Faserlaser mit einer verhältnismäßig geringen Leistung mit gewünschten spektralen und zeitlichen Eigenschaften verwendet, um eine oder mehrere nachfolgende faseroptische Verstärkungsstufen anzuregen, welche die Leistung auf einen gewünschten Pegel anheben. Die Eigenschaften von derartigen Faserquellen hängen stark von der Ausführung der in jeder Stufe verwendeten optischen Fasern ab, welche häufig für eine bestimmte Anwendung oder einen Bereich von Anwendungen optimiert sind.
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Eine optische Faser weist einen Kern, typischerweise 5–100 Mikrometer (μm) im Durchmesser, welcher Licht leitet, und einen Mantel, typsicherweise 125–600 μm im Durchmesser, welcher den Kern umgibt, auf; der Kern weist einen höheren Brechungsindex als der Mantel auf. Der Mantel ist üblicherweise aus Kieselglas zusammengesetzt und der Kern weist typischerweise Dotiersubstanzen auf, um den Index relativ zu dem Mantel anzuheben. Diese Dotiersubstanzen können dem Kern ferner andere Funktionalitäten verleihen; insbesondere ermöglicht eine Einbeziehung von einem oder mehreren Seltenerden-Dotiersubstanzen dem Kern, eine Verstärkung aufzuweisen, wenn er typischerweise unter Verwendung von Diodenlasern optisch gepumpt wird, was eine Herstellung von Faserlasern und Verstärkern ermöglicht. Für Faserquellen mit niedriger Leistung, welche beispielsweise eine Ausgangsleistung von weniger als näherungsweise 0,5 W aufweisen, kann das Pumplicht in den Kern eingekoppelt werden, da geeignete Pumpdioden verfügbar sind. Für Faserquellen mit höherer Leistung sind Pumpdioden mit einer ausreichenden Helligkeit, um in den Kern wirksam einzukoppeln, nicht verfügbar. Stattdessen ist der Fasermantel mit einem Material mit geringerem Index umgeben, typischerweise einem Polymer oder Fluorsilikatglas, so dass er ebenfalls Licht leitet. Bei dieser „Doppelmantelfaser” (DCF)-Struktur wird das Pumplicht in den Mantel eingekoppelt, welcher bei DCFs typischerweise als der „innere Mantel” oder „Pumpkern” bezeichnet wird, aber es wird nur in dem Kern absorbiert, wodurch die Vorteile eines begrenzten Verstärkungsbereichs beibehalten werden. Die Einführung der DCF hat eine Leistungsskalierung von Faserquellen auf kW-Pegel ermöglicht, da eine hohe Pumpleistung in den verhältnismäßig großen Bereich des inneren Mantels eingekoppelt werden kann.
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Die meisten Fasern weisen eine kreisförmige Mantelform auf, welche am einfachsten herzustellen ist. Bei einer mit Seltenerden dotierten DCF mit einem kreisförmigen Mantel wird jedoch beobachtet, dass die Pumpabsorption aufgrund des Vorhandenseins von „spiralförmigen Moden” verhältnismäßig gering ist, welche sich in einem korkenzieherförmigen Muster ausbreiten, ohne den Kern zu durchkreuzen, und somit nicht absorbiert werden. Tatsächlich wird bei der Abwesenheit eines Mechanismus, um spiralförmige Moden zu eliminieren oder durcheinander zu bringen, ein Anteil des Pumplichts sogar bei äußerst langen Faserlängen nicht absorbiert werden, was zu einer geringen Systemeffizienz führt. Die meisten DCFs verwenden daher einen oder mehrere Mechanismen zum Durcheinanderbringen (scrambling) spiralförmiger Moden. Der üblichste Ansatz ist, einen geformten inneren Mantel zu verwenden; die üblichsten derzeitigen Formen sind oktagonal und hexagonal, obwohl von vielen anderen Formen berichtet wurde, welche quadratische, rechteckige, D-förmige und Klee-förmige aufweisen. Ein anderer Ansatz ist, die Faser in einem nichtkreisförmigen Pfad, wie z. B. einer Zahl Acht zu führen, aber dieses Verfahren beschränkt Verpackungsoptionen und hat andere Beeinträchtigungen zur Folge. Bei polarisationsbeibehaltenden (PM) und „löchrigen” Fasern bringen innere Strukturen innerhalb des inneren Mantels wirksam spiralförmige Moden durcheinander und der Fasermantel kann somit kreisförmig sein (obwohl er es nicht sein muss); die meisten Faserquellen verwenden jedoch keine PM oder löchrigen Fasern.
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Das MOPA-System kann die gleiche Verstärkungsfaser in sowohl dem Laser/Hauptoszillator-(MO)- und dem Leistungsverstärker-(PA)-Abschnitt des Systems verwenden oder kann unterschiedliche Fasern für den PA- und MO-Abschnitt verwenden. Alle veröffentlichten Ausführungen verwenden nach Wissen der Erfinder einige Mittel, um spiralförmige Moden in sowohl der Oszillator- als auch Verstärkerfaser (in sowohl den Oszillator- als auch Verstärkerfasern) durcheinander zu bringen. Insbesondere verwenden die meisten Ausführungen in dem Stand der Technik geformte Fasern in sowohl dem Oszillator als auch dem Verstärker (den Verstärkern), wenn die Kernausführungen bei den Oszillator- und Verstärkerstufen gleich oder unterschiedlich sind.
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DCFs mit geformten inneren Mänteln weisen jedoch bestimmte praktische Nachteile im Vergleich zu herkömmlicheren Fasern mit kreisförmigem Mantel auf. Erstens ist die Faser mit geformten Mantel aufgrund der zusätzlichen Verarbeitungsschritte, welche das Herstellen der geformten Vorform zur Folge hat, welches verwendet wird, um die Faser zu ziehen, teurer. Als nächstes sind Herstellungstoleranzen für Fasern mit geformtem Mantel typischerweise größer. Insbesondere besteht eine höhere Variabilität bei dem Manteldurchmesser und der Form und bei der Kernkonzentrizität. Diese vergrößerten Toleranzen führen zu einer größeren Schwankung sowohl innerhalb eines Faserlaufs als auch von Los zu Los, bei dem Pumpverlust beim Spleißen mit anderen Fasern mit passendem Mantelbereich und bei dem Pumpabsorptionskoeffizienten, welcher die optimale Faserlänge und/oder die Ausgangsleistung bestimmt. Weiterhin weisen Entmanteln, Schlitzen und Spleißen von geformten Fasern eine geringere Ausbeute auf und sind weniger reproduzierbar, wodurch Herstellungszeiten und Ausschuss aufgrund von erforderlichen Nacharbeiten ansteigen. Schließlich können höhere Pump- und/oder Signalspleißverluste erforderlich sein, um annehmbare Ausbeuten oder Zykluszeiten zu erreichen, was zu einer geringeren Systemeffizienz und Problemen führt, welche einer thermischen Verwaltung der optischen Leistungsverluste in den Spleißen, welche typischerweise in Hitze gewandelt werden, zugeordnet sind.
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Daher gibt es einen Bedarf an einer verbesserten mantelgepumpten MOPA-Struktur, welche zumindest einige der zuvor genannten Unzulänglichkeiten adressiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein integriertes Hauptoszillator- und Leistungsverstärker-(MOPA)-System nach Anspruch 1 und ein integriertes Ganzfaser-Hauptoszillator-Leistungsverstärker-(MOPA)-System nach Anspruch 6 bereit. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein integriertes Hauptoszillator- und Leistungsverstärker(MOPA)-System, welches umfasst: a) einen Faserlaseroszillator zum Aussenden von Laserlicht, wenn er mit Pumplicht gepumpt wird, und welcher eine erste optische Doppelmantelfaser (DCF) umfasst, welche einen mit aktiven Ionen entlang zumindest einem Abschnitt davon dotierten Kern, einen inneren Mantel, welcher den Kern umgibt und einen Wellenleiter für das in dem Kern erzeugte Laserlicht definiert, und einen äußeren Mantel, welcher den inneren Mantel umgibt und einen Wellenleiter für das gepumpte Licht definiert, aufweist, wobei der Faserlaseroszillator ferner einen ersten und einen zweiten Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Reflektor aufweist, welche an gegenüberliegenden Enden der ersten DCF integriert angeordnet sind, um einen optischen Hohlraum des Faserlaseroszillators zu definieren; b) eine Pumpquelle, welche optisch mit der ersten DCF gekoppelt ist, um das Pumplicht in den inneren Mantel der ersten DCF zu senden; und c) einen ersten optischen Faserleistungsverstärker umfassend eine zweite optische Doppelmantelfaser, welche einen mit aktiven Ionen dotierten Kern zum Verstärken des von dem Faserlaseroszillator durch den zweiten FBG-Reflektor empfangenen Laserlichts, einen inneren Mantel zum Leiten der Laserstrahlung und einen äußeren Mantel zum Leiten der von dem Faserlaseroszillator durch den zweiten FBG-Reflektor empfangenen Pumpstrahlung. Der Faserlaseroszillator ist optisch mit dem ersten optischen Faserverstärker unter Verwendung von einem oder mehreren optischen Spleißen gekoppelt, um eine monolithische faseroptische Struktur auszubilden. Der innere Mantel der ersten DCF weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, um die Ausbildung von optischem Spleißen mit geringem Verlust in der integrierten MOPA-Struktur auszubilden, während der innere Mantel der zweiten optischen Doppelmantelfaser einen geformten nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist, um die Absorption des Pumplichts in dem dotierten Kern der zweiten DCF zu verbessern.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein integriertes MOPA-System umfassend einen Faserlaseroszillator umfassend zwei Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Reflektoren, welche an gegenüberliegenden Enden eines Abschnitts einer verstärkenden optischen Faser gespleißt sind, einen Ausgangsleistungsverstärker und einen oder mehrere Zwischenfaserverstärker, welche nacheinander zwischen dem Faserlaseroszillator und dem Ausgangsleistungsverstärker unter Verwendung von faseroptischen Spleißen bei der Abwesenheit von Modenmischern eingekoppelt sind, um eine integrierte faseroptische Struktur auszubilden, wobei jeder Abschnitt des MOPA-Systems einschließlich dem Faserlaseroszillator, dem Ausgangsverstärker und dem einen oder den mehreren Zwischenfaserverstärkern aus einer optischen Doppelmantelfaser (DCF) gebildet ist, welche einen Kern, einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel aufweist; und wobei der innere Mantel der DCF einen kreisförmigen Querschnitt in allen Abschnitten des MOPA-Systems außer für den Ausgangsleistungsverstärker aufweist, wo der innere Mantel der DCF einen geformten nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist, um die Absorption des Pumplichts in einem dotierten Kern des Ausgangsleistungsverstärkers zu verbessern, während die Ausbildung von optischen Spleißen mit geringen Verlusten in dem Rest des MOPA-Systems ermöglicht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben werden, welche bevorzugte Ausführungsformen davon darstellen, in welchen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, und wobei:
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1 eine schematische Darstellung eines integrierten Ganzfaser-MOPA-Systems mit einer einzelnen Leistungsverstärkungsstufe ist;
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2 eine Darstellung ist, welche einen Querschnitt einer Doppelmantelfaser in dem Hauptoszillatorabschnitt eines MOPA darstellt, welche einen runden inneren Mantel aufweist;
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3 eine Darstellung ist, welche einen Querschnitt einer Doppelmantelfaser in dem Ausgangsleistungsverstärkerabschnitt eines MOPA darstellt, welche einen geformten nichtkreisförmigen inneren Mantel aufweist;
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4 eine schematische Darstellung eines integrierten Ganzfaser-MOPA-Systems mit einem zweistufigen Leistungsverstärker ist;
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5 eine schematische Darstellung eines integrierten Ganzfaser-MOPA-Systems mit einem mehrstufigen Leistungsverstärker und zusätzlichen Pumpen ist;
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6 eine schematische Darstellung eines integrierten Ganzfaser-MOPA-Systems mit einem Pumplicht ist, welches sich durch ein einzelnes FBG ausbreitet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In der nachfolgenden Beschreibung werden zum Zwecke der Erklärung und nicht zur Beschränkung bestimmte Details dargelegt, wie z. B. bestimmte optische Ausführungen, optische Komponenten, Techniken usw., um ein umfassendes Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Einem Fachmann wird jedoch klar sein, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsformen ausgeführt werden kann, welche von diesen speziellen Details abweichen. Bei anderen Beispielen werden detaillierte Beschreibungen von wohlbekannten Verfahren, Vorrichtungen und Schaltkreisen weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht zu verschleiern.
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Es ist zu beachten, dass die Begriffe „erster”, „zweiter” usw., wie sie hierin verwendet werden, nicht eine aufeinanderfolgende Sortierung implizieren, sondern vielmehr beabsichtigen, ein Element von einem anderen zu unterscheiden, sofern es nicht explizit genannt wird. Der Begriff „optische Doppelmantelfaser”, abgekürzt als „DCF”, wird in dieser Beschreibung verwendet, um eine optische Faser zu bezeichnen, welche zumindest zwei wellenleitende Bereiche aufweist, wobei einer den anderen überlappt. Unter „DCF” ist zu verstehen, dass Dreifachmantelstrukturen und sogar Mehrfachmantelstrukturen höherer Ordnung einbezogen sind, einschließlich Mantelstrukturen mit gestuftem Index.
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Unter Bezugnahme auf die 1–3 wird ein exemplarisches integriertes Faser-MOPA-System 100 dargestellt, welches eine Pumpquelle 101, wie z. B. eine Laserdiode, gefolgt von einem Hauptoszillator (MO) 110 in der Form eines Faserlasers aufweist, welcher wiederum von einem Ausgangsleistungsverstärker (PA) 150 gefolgt wird, welcher hierin auch als der erste faseroptische Leistungsverstärker bezeichnet wird. Bei einem faserbasierten MOPA-System, wie z. B. dem MOPA 100, ist es für das System wünschenswert, dass es eine monolithische Struktur mit verschmolzenen Fasern ohne Freiraumstrahlen ist, d. h., dass die optischen Fasern, welche die unterschiedlichen Stufen des MOPA 100 verwirklichen, zusammengespleißt sind. Diese Faserspleiße werden in 1 mit Kreuzen 105a, 105b, 105c und 105d gezeigt und werden allgemein als Spleiße 105 bezeichnet.
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Der Hauptoszillator 110 ist aus einer ersten DCF 118 und einem ersten und einem zweiten Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Reflektor 111, 112 gebildet, welche integriert an gegenüberliegenden Enden der ersten DCF 118 angeordnet sind, um einen faseroptischen Hohlraum des Hauptoszillators 110 zu definieren. Bei einer Ausführungsform ist die erste DCF 118, welche hierin auch als eine Laserfaser 118 bezeichnet wird, mit den zwei Faser-Bragg-Gitter-(FBG)-Reflektoren 111, 112 verspleißt, welche den Laserhohlraum definieren. Das erste FBG 111 ist ein hoher Reflektor (HR) für das Laserlicht 113, welches in dem Kern 10 der Faser 118 erzeugt wird, wenn der MO 110 mit dem Pumplicht 103 gepumpt wird. Das zweite FBG 112 ist ein teilweiser Reflektor für das Laserlicht 113 mit einem typischen Reflektionsvermögen von 5–50% und dient als der Ausgangskoppler (OC) für das Laserlicht 113. Das Reflektionsvermögen des HR 111 für das Laserlicht 113 kann z. B. in dem Bereich von 95% bis über 99% sein. Das Ausgangslaserlicht 113 des Oszillators 110 wird in den Faserverstärker 150 durch Spleißen des Ausgangsendes des Ausgangskopplers/FBG 112 mit einem proximalen Ende des Faserverstärkers 151 oder mit einer (nicht gezeigten) Zwischenfaser, welche mit der Verstärkungsfaser 151 verspleißt ist, eingekoppelt. Sowohl die Laserfaser 118 als auch die Verstärkungsfaser 151 sind optische Doppelmantelfasern (DCF) mit einem „aktiven” Kern 10, einem inneren Mantel 20a oder 20b, welcher den Kern umgibt und einen Wellenleiter für das in dem Kern der Laserfaser 118 erzeugte Laserlicht 113 definiert, und einem äußeren Mantel 30, welcher den inneren Mantel 20 umgibt und einen Wellenleiter für das Pumplicht 103 definiert, wie es in den 2 bzw. 3 dargestellt ist. Die Laserfaser 118 wird hierin auch als die Oszillatorfaser bezeichnet. Die Verstärkungsfaser 151 wird hierin auch als die zweite DCF bezeichnet. Der innere Kern der Fasern 118, 151 ist mit Seltenerdenelementen, wie z. B. Erbium (Er), Ytterbium (Yb), Neodym (Nd), Dysprosium (Dy), Praseodym (Pr) oder Thulium (Tm), entlang zumindest einem Abschnitt der Länge der Faser dotiert, um eine optische Verstärkung für das Laserlicht 103 bereitzustellen, wenn sie von dem Pumplicht 103 gepumpt wird. Die FBGs 111, 112 können ferner in undotierten Abschnitten der Erden DCF 118 ausgebildet sein, um die Ausbreitung des gesamten unabsorbierten Pumplichts 103 zu dem PA 150 zu ermöglichen.
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Im Betrieb wird Pumplicht 103 in den ersten inneren Mantel 20a der Oszillatorfaser 118 eingekoppelt und wird teilweise in dem Kern 10 absorbiert, um das Laserlicht 113 zu erzeugen. Nachdem es sich durch die Laserfaser 118 ausgebreitet hat, wird ein unabsorbierter Anteil des Pumplichts 103 in den inneren Mantel 20b der Verstärkerfaser 151 eingekoppelt. In der dargestellten Ausführungsform breitet sich das Pumplicht 103 von der Pumpquelle 101 zu der Oszillatorfaser 118 aus und von dort durch beide FBGs 111, 112 zu der Verstärkungsfaser (den Verstärkungsfasern) 151. Das Pumplicht 103 erfährt eine sehr geringe bis vernachlässigbare Reflektion an den FBGs 111, 112 aufgrund sowohl der Wellenlängendifferenz zwischen dem Pump- und Laserlicht als auch ferner aufgrund einer geringen Überlappung des Indexgitters in dem Kern der FBGs mit den meisten Mantelmoden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Pumplicht 103 unter Verwendung eines Kopplers oder eines faseroptischen Strahlkombinierers, wie z. B. einem gerichteten Koppler 214 in 6, in die Laserfaser 118 eingekoppelt werden, welcher mit der Laserfaser 118 unter dem HR 111 verbunden ist, so dass das Pumplicht 103 direkt in die Laserfaser 118 eingekoppelt wird und sich nicht durch den HR 111 ausbreitet.
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Die Pumpquelle 101 kann in der Form von einer oder mehreren Halbleiterlaserdioden ausgestaltet sein, welche einen Betriebswellenlängenbereich passend zu dem Absorptionsband der aktiven Laserdotierungen aufweisen, typsicherweise von 800–1000 Nanometern. Wenn die Pumpquelle 101 zwei oder mehr Laserdioden aufweist, können ihre Ausgaben unter Verwendung von z. B. einem verschmolzenen Nx1 faseroptischen Kombinierer, wie er in dem Stand der Technik bekannt ist, zu einem einzelnen Pumpenstrahl 103 kombiniert werden. Für DCF-basierte MOPA-Systeme, bei welchen sich Pumplicht durch das FBG (die FBGs) ausbreitet, wie z. B. der MOPA 100, verwenden die FBG(s) 111, 112 beide DCFs; diese DCF muss nicht geformt sein, da Pumplicht nur in der Verstärkungsfaser (den Verstärkungsfasern) absorbiert wird und nicht in den passiven Fasern, welche üblicherweise verwendet werden, um FBGs herzustellen. Dementsprechend kann der Querschnitt der FBGs 111, 112 im Allgemeinen wie in 2 dargestellt mit einem kreisförmigen inneren Mantel 20a ausgebildet sein.
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Im Allgemeinen sollten sich sowohl Pump- als auch Signallicht 103, 113 durch die verschiedenen Fasern und Faserspleiße in dem MOPA 100 mit geringen Verlusten ausbreiten. Bei der Ausführungsform der 1 wird das Pumplicht 103 in das hintere Ende des HR 111 eingekoppelt und verläuft nacheinander durch die inneren Mäntel der DCF-Faser des HR 111, der Oszillatorverstärkungsfaser 118, des OC 112 und schließlich der Verstärkungsfaser 151. Etwas von der Pumpenergie wird in dem Kern der Oszillatorfaser 118 absorbiert und das meiste wird in dem Kern der Verstärkungsfaser 151 absorbiert. Das Laserlicht 113 verläuft durch alle Faserkerne und Spleiße der DCFs, welche die FBGs 111, 112, den MO 110 und den PA 150 bilden.
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Herkömmliche MOPA-Ausführungen verwenden geformte Mantelverstärkungsfasern in sowohl dem Masteroszillator als auch dem Leistungsverstärkerabschnitt, wobei ihr innerer Mantelbereich typsicherweise an den inneren Mantelbereich der passiven DCFs angepasst ist, welche verwendet werden, um die FBGs herzustellen. Zusätzlich verwenden einige MOPA-Ausführungen gemäß dem Stand der Technik ferner eine spezielle Moden-Misch-Faser, welche zwischen dem Hauptoszillatorabschnitt und dem Leistungsverstärkerabschnitt eingesetzt ist, wie es z. B. in der
US 7,649,914 beschrieben ist. Aufgrund der großen Herstellungstoleranzen von Fasern mit geformtem Mantel, kann ein übermäßiger Pumpspleißverlust in einigen Passiv-Aktiv-Spleißen auftreten, wie z. B. Spleißen zwischen den FBGs und der Hauptoszillatorfaser. Bei einer beispielhaften Betrachtung einer Ausführungsform eines MOPA von im Wesentlichen der in
1 gezeigten Art, aber mit der geformten nichtkreisförmigen Mantelverstärkungs-DCF
118 mit dem inneren Mantelbereich, welcher verhältnismäßig groß verglichen mit dem der FBG-Fasern ist, würde ein geringer Spleißverlust zwischen den HR
111 und dem Hauptoszillator
118 vorhanden sein, aber ein hoher Spleißverlust zwischen dem Hauptoszillator
118 und dem CC
112 (mit kleinerer Faser). Dieses Problem könnte gemildert werden, indem spezifiziert wird, dass jede nachfolgende Faser einen größeren Innenmanteldurchmesser aufweist, aber dies würde zwei unterschiedliche passive Fasern für den HR
111 und den CC
112 erfordern. Ein Nachteil dieses Ansatzes sind erhöhte MOPA-Kosten; ein anderer Nachteil ist, dass er die Pumpabsorption in der Verstärkungsfaser
118 aufgrund des größeren Querschnittsbereichs des inneren Mantels verringern würde, wodurch Kosten ferner ansteigen und/oder eine Effizienz verringert wird. Ferner weisen geformte Fasern mit nichtkreisförmigen Mänteln schlechte Entmantelungs-, Schlitz- und Spleißeigenschaften verglichen mit Fasern mit kreisförmigen Mänteln auf, was ferner zu einer Erhöhung bei dem Signalspleißverlust führt, wodurch die MOPA-Leistung und Effizienz verringert wird, und zu einer Verringerung der Spleißausbeute, wodurch eine Herstellungszeit und Kosten ansteigen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben herausgefunden, dass diese Probleme und Nachteile der herkömmlichen MOPA-Ausführungen eliminiert werden können, indem eine runde DCF statt einer geformten DCF als die Hauptoszillatorfaser 118 verwendet wird, während eine DCF mit einem nichtkreisförmigen inneren Mantel als die Verstärkungsfaser 151 verwendet wird. Es ist zu beachten, dass in dem Zusammenhang dieser Beschreibung die Begriffe „runde Faser”, „kreisförmige Faser” und „Faser mit kreisförmigen Mantel” austauschbar verwendet werden, um eine DCF zu bezeichnen, welche eine inneren Mantel mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Der Begriff „im Wesentlichen” bedeutet hier, dass eine beliebige Nichtkreisförmigkeit des Querschnitts des inneren Mantels vielmehr von Herstellungstoleranzen bei dem Faserherstellungsverfahren resultiert als vorsätzlich während einer Faserherstellung herbeigeführt wird, wie es in dem Stand der Technik bekannt ist, z. B. indem eine Vorform einer Faser speziell geformt wird, um nichtkreisförmig im Querschnitt zu sein. Ebenso werden die Begriffe „geformte Faser”, „nichtkreisförmige Faser” und „nichtkreisförmige Mantelfaser” austauschbar hierin verwendet, um eine DCF zu bezeichnen, welche einen inneren Mantel mit im Wesentlichen nichtkreisförmigem Querschnitt aufweist. Hier bedeutet der Begriff „im Wesentlichen”, dass die Nichtkreisförmigkeit des Querschnitts des inneren Mantels nicht aus Herstellungstoleranzen resultiert, sondern absichtlich während einer Faserherstellung eingeführt wurde, wie es in dem Stand der Technik bekannt ist, z. B. durch spezielles Formen einer Vorform einer Faser, um nichtkreisförmig im Querschnitt zu sein.
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Zurückkehrend zu 1–3 weist der innere Mantel 20a der ersten DCF 118 gemäß diesem Merkmal der vorliegenden Erfindung einen kreisförmigen Querschnitt auf, um die Ausbildung von optischen Spleißen mit geringem Verlust in der integrierten MOPA-Struktur zu ermöglichen, während der innere Mantel 20b der zweiten optischen Doppelmantelfaser 151 einen geformten nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist, um die Absorption des Pumplichts in dem dotierten Kern der zweiten DCF zu verstärken. Obwohl die runde Oszillatorfaser 118 einen kleineren Pumpabsorptionskoeffizienten aufweist, da sie spiralförmige Moden unterstützt, leidet die Nettosystemleistung und Effizienz nicht, da die geformte Verstärkungsfaser 151 die spiralförmigen Moden durcheinander bringt, wobei die Öffnung des inneren Mantels mit Pumplicht 103 ausgefüllt wird, wobei ein Anteil seiner Leistung in den dotierten Kern 10 der Verstärkungsfaser 151 umgeleitet wird. Die Nettopumpabsorption kann auf die gleiche wie bei der Ausführung mit einer geformten Oszillatorfaser gehalten werden, indem einfach die Länge der Oszillatorfaser 118 vergrößert wird, oder alternativ kann die Verstärkungsfaser 151 verlängert werden; auf jeden Fall muss nur ein Bruchteil der Pumpleistung in der Oszillatorfaser 118 absorbiert werden, wodurch ihre Pumpabsorption nicht hoch oder vollständig sein muss. Der MOPA 100 als ein Ganzes unterstützt spiralförmige Moden aufgrund der geformten Verstärkungsfaser 151 nicht, so dass keine Pumpleistung „unabsorbierbar” ist. Beispielsweise betrug bei einer bestimmten Ausführungsform des MOPA 100 mit Yb-dotierten DCFs 118, 151 die Länge der runden Laserfaser 118 näherungsweise 4–5 Meter und die Länge der Verstärkungsfaser 151 betrug näherungsweise 20 Meter, was einen verhältnismäßig geringen Anstieg von nur näherungsweise 1–2 Metern bei der gesamten Länge der aktiven DCF verglichen mit einem ähnlichen MOPA mit einer geformten DCF in sowohl den MO- und PA-Abschnitten darstellt, in welchem Fall der MO näherungsweise 3 Meter lang war und der PA wiederum 20 Meter. Natürlich können andere Ausführungsformen eines MOPA 100 andere Längen von DCF-Fasern abhängig von einer Zielanwendung, einem DCF-Design, verwendeten Dotierungen usw. verwenden.
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Eine Verwendung einer runden Faser in einem Hauptoszillatorabschnitt 110 des MOPA und einer nichtrunden Faser in dem Ausgangsverstärkerabschnitt 150 davon weist erhebliche Vorteile auf. Die runde Oszillatorfaser 118 kann mit den gleichen Toleranzen und optional den gleichen Spezifikationen wie die passive Faser, welche in den FBGs 111, 112 verwendet wird, gefertigt werden, wodurch die Spleißleistung und Ausbeute erheblich verbessert wird. Insbesondere werden alle rundgeformten Spleiße außer dem letzten Spleiß 105d von dem OC 112 zu dem Verstärker 150 vermieden. Die HR zu MO und MO zu OC Spleiße 105b, c können einfach mit einer gewünschten hohen Leistung gefertigt werden, d. h. mit niedrigem optischen Verlust für sowohl Pump- als auch Laserlicht und hoher Ausbeute, welche „rund-rund”Spleißen zugeordnet ist. Obwohl eine zusätzliche Faserart erforderlich sein kann, d. h., die runde Oszillatorfaser 118, welche mit „aktiven” Elementen wie z. B. Er dotiert ist, weist sie im Allgemeinen geringere Kosten auf als die entsprechende geformte Faser, wie z. B. die Verstärker-DCF 151. Bei einer Ausführungsform kann der Querschnitt des Innenmantels der Verstärkungsfaser 151 in einem Bereich größer als der der Laserfaser 118 der Faser des FBG 112 sein, wobei ein geringer Spleißverlust für das Pumplicht 103, welches in die Verstärkungsfaser 151 eingekoppelt wird, sichergestellt wird, obwohl die Toleranz bei dem Durchmesser der geformten Verstärkungsfaser 151 größer als die der runden Fasern ist. Bei einer Ausführungsform können zusätzliche Modenmischmittel, wie z. B. ein Teil einer Modenmischfaser, zwischen dem Hauptoszillator 110 und dem Leistungsverstärker 150 eingesetzt werden. Wir fanden jedoch heraus, dass eine geeignete Auswahl der Faserlänge der MO- und PA-Abschnitte 110, 150 eine ausreichende volle Absorption des Pumplichts 103 in dem MOPA sicherstellt, wodurch der Bedarf an einem zusätzlichen Modenmischmittel zwischen den MO- und PA-Abschnitten eliminiert wird. in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform des MOPA-Systems sind der Faserlaseroszillator 110 und der erste faseroptische Leistungsverstärker 150 dementsprechend nacheinander mit Faserspleißen bei Abwesenheit eines Modenmischer dazwischen gekoppelt.
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Der zuvor beschriebene Ansatz ist auch in MOPA-Systemen mit mehreren Verstärkungsstufen anwendbar, z. B. bei Systemen mit Komponenten oder Änderungen in der Kernausführung zwischen unterschiedlichen Stufen des MOPA. Bei derartigen Systemen können alle Fasern außer einer letzten Verstärkungsfaser an dem Ausgang des MOPA einen kreisförmigen inneren Mantel aufweisen.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist ein beispielhaftes MOPA-System 200 mit einer zusätzlichen aus einer aktiven mantelgepumpten DCF 131 gebildeten Verstärkungsstufe 130 dargestellt, welche hierin ferner als der Zwischenfaserverstärker bezeichnet wird und welche zwischen dem Ausgangsverstärker 150 und dem Hauptoszillator 110 eingespleißt ist. Obwohl es nicht gezeigt ist, können einige Ausführungsformen zusätzliche Komponenten aufweisen, welche zwischen den Verstärkungsstufen 130 und 150 eingespleißt sind, wie unter anderem z. B. eine Abgriffsüberwachungsvorrichtung zum Überwachen der Signalleistung zwischen den Verstärkungsstufen 130 und 150, ein Modenfeldadapter, um wirksam zwischen unterschiedlichen Kerngrößen bei den Verstärkungsstufen 130 und 150 bei Ausführungsformen, wo diese Größen unterschiedlich sind, zu koppeln, oder ein Ramanfilter, um parasitäres Raman-Lasern zwischen Verstärkungsstufen 130 und 150 zu unterdrücken. Bei dieser exemplarischen Ausführungsform weisen innere Mäntel von sowohl der Hauptoszillatorfaser 118 als auch der Zwischenverstärkerfaser 131 im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte wie in 2 dargestellt auf, während der innere Mantel 20b der Verstärkungsfaser 151 den nichtkreisförmigen Querschnitt wie in 3 dargestellt aufweist. Im Allgemeinen weist der innere Mantel von jeder der fortlaufenden DCFs, welche zusammen den MOPA 200 ausbilden, bis zu dem letzten Spleiß 105e, welcher die Ausgangsverstärkungsstufe 150 mit dem Rest des MOPA koppelt, einen kreisförmigen Querschnitt auf und weist den nichtkreisförmigen Querschnitt nur in der letzten Ausgangsverstärkungsstufe 150 auf.
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Andere Ausführungsformen können zwei oder mehr Zwischenverstärkungsstufen mit oder ohne zusätzliche dazwischen gespleißte Komponenten aufweisen und können ferner zusätzliche Pumpen zum Pumpen der Verstärkungsstufen des MOPA in einer Richtung zusammen mit der Ausbreitung und/oder gegen die Ausbreitung aufweisen. Ein derartiges exemplarisches mehrstufiges MOPA-System 300, welches zwei Zwischenverstärkungsstufen 130a und 130b nacheinander zwischen den Ausgangsverstärker 150 und den Hauptoszillator 110 gespleißt und zwei zusätzliche optische Pumpquellen 211a und 211b aufweist, ist schematisch in 5 dargestellt. Bei dieser exemplarischen Ausführungsform weisen innere Mäntel der Hauptoszillatorfaser 118 und der DCFs 131a, 131b der Zwischenverstärker 130a, b im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte auf, wie in 2 dargestellt, während der innere Mantel 20b des Faserverstärkers 151 der letzten Verstärkungsstufe 150 den nichtkreisförmigen Querschnitt wie in 3 dargestellt aufweist. Bei einer Ausführungsform weist der innere Mantel von jeder der aufeinanderfolgenden DCFs, welche zusammen den MOPA 300 ausbilden, bis zu dem letzten Spleiß 105e, welcher die Ausgangsverstärkungsstufe 150 mit dem Rest des MOPA koppelt, einen kreisförmigen Querschnitt auf und weist den nichtkreisförmigen Querschnitt nur in der letzten Ausgangsverstärkungsstufe 150 auf.
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Dementsprechend stellt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ein integriertes Ganzfaser-MOPA-System bereit, welches einen Faserlaseroszillator 110 mit zwei FBG-Reflektoren 111, 112, die an gegenüberliegenden Enden eines Abschnitts einer optischen Verstärkungsfaser 118 angespleißt sind, einen Ausgangsleistungsverstärker 150 und einen oder mehrere Zwischenfaserverstärker 130, welche der Reihe nach zwischen den Faserlaseroszillator 110 und den Ausgangsleistungsverstärker 150 unter Verwendung von faseroptischen Spleißen 105 bei der Abwesenheit von Modenmischern dazwischen gekoppelt sind, aufweist, um eine integrierte faseroptische Struktur auszubilden. Jeder Abschnitt dieses MOPA-Systems einschließlich dem Faserlaseroszillator, dem Ausgangsverstärker und dem einen oder den mehreren Zwischenfaserverstärkern ist aus einer Länge einer optischen Doppelmantelfaser (DCF) ausgebildet, welche einen Kern, einen inneren Mantel und einen äußeren Mantel aufweist. Der innere Mantel der DCF weist einen kreisförmigen Querschnitt in allen Abschnitten des MOPA-Systems außer für den Ausgangsleistungsverstärker 150 auf, wo der innere Mantel der DCF 20b einen geformten nichtkreisförmigen Querschnitt aufweist, um die Absorption des Pumplichts in einem dotierten Kern des Ausgangsleistungsverstärkers zu verbessern, während die Ausbildung von optischen Spleißen mit geringem Verlust in dem Rest des MOPA-Systems ermöglicht wird. Da vorgelagert zu der letzten Verstärkungsstufe 150 nur eine teilweise Pumpabsorption erforderlich ist, ist in den vorhergehenden Stufen eine hohe oder vollständige Pumpabsorption nicht erforderlich, was die Verwendung einer kreisförmigen Faser überall in dem MOPA außer bei der allerletzten Ausgangsverstärkungsstufe 150 ermöglicht. Vorteilhafterweise minimiert dieser Ansatz den optischen Pump- und Signalspleißverlust, maximiert die Entmantelungs-, Schlitz- und Spleißausbeute und minimiert die Kosten der Fasern, welche bei dem System verwendet werden.
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Die zuvor beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen sollen in allen Beziehungen der vorliegenden Erfindung darstellend statt einschränkend sein. Somit umfasst die vorliegende Erfindung viele Variationen in detaillierten Realisierungen, welche von einem Fachmann von der hierin enthaltenen Beschreibung abgeleitet werden können. Alle derartigen Variationen und Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs und der Lehre der vorliegenden Erfindung liegen, wie sie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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