Die
Erfindung betrifft ein optisches Verstärkersystem zur Verstärkung von
sich in Glasfasern oder anderen optischen Wellenleitern vorwärts bewegender
Signalstrahlung.The
The invention relates to an optical amplifier system for amplifying
moving forward in optical fibers or other optical waveguides
Signal radiation.
Derartige
optische Verstärkersysteme
werden in den letzten Jahren weltweit in Datennetzen eingesetzt,
in denen als Übertragungsmedium
Glasfasern, vorzugsweise einmodige Silikatglasfasern, zum Einsatz
kommen, welche einen hohen Datenfluß gewährleisten. Obwohl derartige
Glasfasern eine geringe Dämpfung
aufweisen, ist man nach etwa 70–150
km gezwungen, die optischen Signale wieder zu verstärken. Früher erfolgte
dies auf dem Umweg über
elektrische Verstärker,
heute setzt man nahezu ausschließlich optische Faserverstärker ein,
die jeweils große
Bereiche im Wellenlängenband
auf einmal verstärken
können,
unabhängig
davon, ob einer oder mehrere Kanäle
auf verschiedenen Wellenlängen
anliegen und welche Datenraten oder Kodierungen diese Kanäle aufweisen.such
optical amplifier systems
have been used worldwide in data networks in recent years,
in which as a transmission medium
Glass fibers, preferably one-mode silicate glass fibers used
come, which ensure a high data flow. Although such
Glass fibers have a low attenuation
one is after about 70-150
km forced to amplify the optical signals again. Earlier
this in the detour over
electrical amplifiers,
today almost exclusively optical fiber amplifiers are used,
the big one each
Areas in the wavelength band
reinforce at once
can,
independently
of whether one or more channels
at different wavelengths
and which data rates or encodings these channels have.
Zur
Datenübertragung
wurde lange Zeit praktisch ausschließlich das C-Band im Bereich
von 1.530–1.570
nm um das Dämpfungsminimum
von Quarzglasfasern 103 genutzt. Zur Verstärkung von Signalen
in diesem Wellenlängenbereich
werden nahezu ausschließlich
Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA)
eingesetzt. Ein derartiges Faserverstärkersystem 101 ist
in 1 dargestellt und
besteht aus einer Glasfaser 105, deren Kern mit optisch
aktiven Erbium-Ionen dotiert ist. Die Glasfaser 105 ist
hierbei als ringförmige,
nicht geschlossene Schleife ausgebildet, wobei ein Pumplaser 107 passender
Wellenlänge,
im Falle von Erbium meist 980 nm, über einen sogenannten Wellenlängenmultiplex-Koppler (WDM-Koppler) 109 mit
der Glasfaser 105 verbunden ist. Der Wellenlängenmultiplex-Koppler 109 faßt die Strahlung
in seinen beiden Eingangsfasern auf eine gemeinsame Ausgangsfaser
zusammen. Die Strahlung aus dem Pumplaser 107 wird in der
Faser 105 absorbiert, und die Erbium-Ionen werden in energetisch
angeregte Zustände
versetzt. Trifft nun ein Signalphoton auf ein angeregtes Erbium-Ion,
so besteht die Chance, daß das
Erbium-Ion unter Aussendung eines neuen Photons gleicher Wellenlänge, Richtung
und Phase in den Grundzustand relaxiert (stimulierte Emmission).
Signal- und Pumpstrahlung laufen hierbei gemeinsam im Faserkern,
so daß neben
der stimulierten Emission auch eine Absorption von Signalphotonen
durch Erbium-Ionen im Grundzustand stattfindet. Um diesen Effekt
möglichst
auszuschließen
und so eine tatsächliche
Nettoverstärkung
zu erzielen, muß eine
gewisse Pumpleistungsschwelle überschritten
werden, so daß sich
eine deutliche Mehrzahl an Erbium-Ionen in einem energetisch angeregten
Zustand befindet (Besetzungsinversion).For a long time, almost exclusively the C-band in the range of 1,530-1,570 nm was around the attenuation minimum of quartz glass fibers for data transmission 103 used. For amplification of signals in this wavelength range almost exclusively erbium-doped fiber amplifiers (EDFA) are used. Such a fiber amplifier system 101 is in 1 represented and consists of a glass fiber 105 whose core is doped with optically active erbium ions. The glass fiber 105 is here designed as an annular, non-closed loop, wherein a pump laser 107 suitable wavelength, in the case of erbium mostly 980 nm, via a so-called wavelength division multiplex coupler (WDM coupler) 109 with the fiberglass 105 connected is. The wavelength division multiplexer 109 summarizes the radiation in its two input fibers on a common output fiber together. The radiation from the pump laser 107 will be in the fiber 105 absorbed and the erbium ions are put into energetic excited states. If a signal photon now encounters an excited erbium ion, there is a chance that the erbium ion will relax into the ground state by emitting a new photon of the same wavelength, direction and phase (stimulated emission). Signal and pump radiation run together in the fiber core, so that in addition to the stimulated emission and absorption of signal photons by Erbium ions in the ground state takes place. In order to exclude this effect as possible and thus to achieve an actual net gain, a certain pump power threshold must be exceeded, so that a significant majority of erbium ions is in an energetically excited state (population inversion).
Nachdem
die möglichen
Datenraten der optischen Signalübertragung
noch bis vor wenigen Jahren nahezu unerschöpflich schienen, hat der Internet-Boom
der letzten Jahre dafür
gesorgt, daß die Grenzen
der aktuellen Technik ins Blickfeld der Forschung gerückt sind.
Es ist damit zu rechnen, daß in ein
paar Jahren die ersten Übertragungsstrecken
an physikalische Grenzen stoßen.
Obwohl eine Übertragungsstrecke
eine maximale Bandbreite von 10 Tbit/s aufweisen kann, was auf den
ersten Blick gigantisch erscheint, wird diese Datenrate auf den
kontinentalen Backbone-Strecken, auf denen sich der Datenverkehr
bündelt,
bereits heute nahezu erreicht. Um zu verhindern, neue Glasfasern
verlegen zu müssen,
wurden deshalb neuartige Faserverstärker entwickelt, die neue Übertragungsbänder erschließen und
parallel zu den existierenden EDFAs geschaltet werden können. Die
Lage der Verstärkungsspektren verschiedener
Seltenerd-dotierter Faserverstärker sowie
einiger wichtiger optischer Übertragungsbänder ist
in 2 dargestellt, aufgetragen über die
Wellenlänge
in nm.Since the possible data rates of optical signal transmission seemed almost inexhaustible until just a few years ago, the Internet boom of recent years has ensured that the limits of current technology are in the focus of research. It can be expected that in a few years the first transmission links will reach physical limits. Although a transmission link can have a maximum bandwidth of 10 Tbps, which seems gigantic at first glance, this data rate is already almost reached on the continental backbone routes on which traffic is concentrated. In order to avoid having to lay new glass fibers, therefore, novel fiber amplifiers have been developed, which open up new transmission bands and can be connected in parallel to the existing EDFAs. The location of the gain spectra of various rare-earth doped fiber amplifiers as well as some important optical transmission bands is in 2 represented, plotted over the wavelength in nm.
So
ist zum Beispiel schon seit vielen Jahren bekannt, daß Thulium-dotierte
Faserverstärker
(TDFA) im Bereich von 1450–1490
nm, also dem S+-Band, eingesetzt werden
können.
Das Energieniveauschema von dreifach-ionisiertem Thulium, Tm3+, ist in 3 dargestellt,
wobei die Energie in 1000 cm–1 nach oben aufgetragen
ist. Hieraus ist zu entnehmen, daß der Verstärkerübergang zwischen den Energieniveaus 3 und 1 stattfindet.
Das untere Verstärkerniveau
ist also nicht der Grundzustand, d.h. es liegt ein 4-Niveau-System
vor. Gepumpt wird mit 790 nm zunächst
ins obere Verstärkerniveau 3,
aus dem das Ion hauptsächlich
durch stimulierte Emission in den Zustand 1 wechselt. Dieser
Zustand ist aber sehr langlebig, so daß der Vorgang ohne weitere
Vorkehrungen an dieser Stelle terminieren würde. Um dies zu verhindern,
wird bislang zusätzlich
noch mit einem zweiten Pumplaser, z.B. bei 1420 nm, gepumpt. Diese
Strahlung wird nicht vom Grundzustand absorbiert, sondern vom Energieniveau 1,
wodurch die im Niveau 1 befindlichen Thulium-Ionen auf
das Energieniveau 3 angehoben werden. Diese zweite Pumpe ist
vom Quantendurchsatz her die deutlich wichtigere, und die Ionen
erreichen nur selten den Grundzustand, so daß sozusagen ein Quasi-3-Niveau-System
vorliegt. Der Prinzipaufbau eines konventionellen TDFA, dargestellt
in 4, unterscheidet
sich demnach auch nur unwesentlich von dem des EDFA in 1. Es muß lediglich ein zweiter Pumplaser 108 mit
passendem WDM-Koppler 115 ergänzt werden.For example, it has been known for many years that thulium-doped fiber amplifiers (TDFA) in the range of 1450-1490 nm, so the S + band, can be used. The energy level scheme of triply ionized thulium, Tm 3+ , is in 3 shown, with the energy in 1000 cm -1 is applied upward. It can be seen that the amplifier transition between the energy levels 3 and 1 takes place. The lower amplifier level is therefore not the ground state, ie there is a 4-level system. Pumped at 790 nm initially into the upper amplifier level 3 from which the ion is mainly stimulated by emission in the state 1 replaced. However, this state is very durable, so that the process without further precautions would terminate at this point. In order to prevent this, it has been pumped additionally with a second pump laser, eg at 1420 nm. This radiation is not absorbed by the ground state, but by the energy level 1 , which improves the level 1 Thulium ions located on the energy level 3 be raised. This second pump is the much more important in terms of quantum throughput, and the ions rarely reach the ground state, so that, so to speak, a quasi-3-level system is present. The basic structure of a conventional TDFA, shown in 4 , differs only marginally from that of the EDFA in 1 , It only needs a second pump laser 108 with matching WDM coupler 115 be supplemented.
Neben
dem eben vorgestellten Pumpschema mit 790 und 1420 nm wurden in
den letzten Jahren noch eine Vielzahl weiterer Pumpschemata mit anderen
Pumpwellenlängen
untersucht. Allen ist gemeinsam, daß zwei Pumpübergänge genutzt werden, einer zum
Entleeren des Grundzustandes und einer zum Entleeren des mittleren
Energieniveaus 1. In Veröffentlichungen solcher Faserverstärkersysteme
wird das Pumpschema 1050/800 nm erstmals beschrieben in A. S. L.
Gomes, M. L. Sundheimer, M. T. Carvalho, J. F. Martins-Filho, C.
J. A. Bastos-Filho, W. Margulis: "Novel dual wavelength (1050nm + 800nm)
pumping scheme for thulium doped fiber amplifiers", in Proc. OFC 2002,
Anaheim CA, USA, 2002, paper FB2. Das Pumpschema 1400/800 nm wird
erstmals beschrieben in F. Roy, A. Le Sauze, P. Baniel, D. Bayart: "0.8μm + 1.4μm pumping
for gain-shifted TDFA with power conversion efficiency exceeding
50%", in Proc. OAA
2001, Stresa, Italy, 2001, paper PD4.In addition to the 790 and 1420 nm pumping scheme just presented, a large number of other pumping schemes with different pump wavelengths have been investigated in recent years. All have in common that two pump transitions are used, one for emptying the ground state and one for emptying the middle energy level 1 , In publications of such fiber amplifier systems, the pumping scheme 1050/800 nm is first described in ASL Gomes, ML Sundheimer, MT Carvalho, JF Martins-Filho, CJA Bastos-Filho, W. Margulis: "Novel dual wavelength (1050nm + 800nm) pumping scheme for thulium doped fiber amplifiers ", in Proc. OFC 2002, Anaheim CA, USA, 2002, paper FB2. The pumping scheme 1400/800 nm is first described in F. Roy, A. Le Sauze, P. Baniel, D. Bayart: "0.8μm + 1.4μm pumping for gain-shifted TDFA with 50% power conversion efficiency", in Proc , OAA 2001, Stresa, Italy, 2001, paper PD4.
Nachteilig
an derartigen Faserverstärkersystemen
ist, daß die
Verwendung von zwei Pumplasern einen erheblichen Kostenfaktor darstellt,
wobei auch die Justierung und Abstimmung der Komponenten sehr kompliziert
ist. Bei Pumpwellenlängen,
die sowohl zum Entleeren des Grundzustandes als auch zum Entleeren
des mittleren Energieniveaus 1 geeignet sind, könnte man
theoretisch auch mit einem Pumplaser auskommen, was durch die vorgegebene Lage
der Energieniveaus von Tm3+ zwangsläufig aber
sehr ineffizient ist.A disadvantage of such fiber amplifier systems is that the use of two pump lasers represents a significant cost factor, with the adjustment and tuning of the components is very complicated. At pump wavelengths, both for emptying the ground state and for emptying the middle energy level 1 theoretically, could be done with a pump laser, which is inevitably very inefficient due to the predetermined position of the energy levels of Tm 3+ .
Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches
Verstärkersystem, basierend
auf optisch aktiven Wellenleitern, zu schaffen, das Wellenlängen in
einem Bereich von 1450–1530
nm verstärkt,
möglichst
einfach und kostengünstig
aufgebaut ist und dennoch eine extrem effiziente Verstärkung der
Signalstrahlung liefert.Of the
The present invention is therefore based on the object, an optical
Amplifier system, based
on optically active waveguides, to create wavelengths in
a range of 1450-1530
nm amplified,
preferably
easy and inexpensive
is constructed and yet an extremely efficient reinforcement of
Signal radiation supplies.
Diese
Aufgabe wird durch ein optisches Verstärkersystem mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.These
The object is achieved by an optical amplifier system with the features
of claim 1.
Ein
derartiges optisches Verstärkersystem zur
Verstärkung
von Signalstrahlung weist mindestens einen Wellenleiterabschnitt
auf, der mit dreifach positiv geladenen Thulium-Ionen dotiert ist,
außerdem
mindestens einen Pumplaser, der mit dem mindestens einen Wellenleiterabschnitt
verbunden ist und die Thulium-Ionen vom Grundenergieniveau in das
Energieniveau 3 pumpt, aus dem die Thulium-Ionen im Rahmen
stimulierter Emission durch Wechselwirkung mit der Signalstrahlung
in das Energieniveau 1 wechseln, und weist min destens eine
Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 auf. Das System
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 geeignete optische
Elemente aufweist, die derart angeordnet sind, daß Strahlung
bestimmter Wellenlängen,
die von in dem Wellenleiterabschnitt enthaltenen Thulium-Ionen beim Übergang
aus dem Energieniveau 1 in das Grundenergieniveau emittiert
wird, wieder auf die Ionen zurückgeleitet
wird, wodurch das Energieniveau 1 im Rahmen stimulierter
Laseremission zum Grundenergieniveau hin entleert wird. Somit ist
es möglich,
auch ohne Verwendung eines zweiten Pumplasers ein effizientes und
kostengünstiges
Verstärkersystem
zu schaffen, das zudem weniger Energie verbraucht und weniger störanfällig ist.Such an optical amplifier system for amplifying signal radiation has at least one waveguide section doped with threefold positively charged thulium ions, at least one pump laser connected to the at least one waveguide section and the thulium ions from the base energy level into the energy level 3 pumps out the thulium ions in the context of stimulated emission by interacting with the signal radiation in the energy level 1 change, and has at least one device for draining the energy level 1 on. The system is characterized in that the device for emptying the energy level 1 have suitable optical elements which are arranged such that radiation of certain wavelengths, the thulium ions contained in the waveguide portion at the transition from the energy level 1 is emitted back to the ions, thus reducing the energy level 1 is emptied to the basic energy level in the context of stimulated laser emission. Thus, it is possible, even without the use of a second pump laser to create an efficient and cost-effective amplifier system, which also consumes less energy and less susceptible to interference.
Die
abhängigen
Ansprüche
bilden vorteilhafte Ausgestaltungen des in Anspruch 1 beschriebenen
Verstärkersystems.The
dependent
claims
form advantageous embodiments of the described in claim 1
Amplifier system.
Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Darin zeigt:Further
Details, features and advantages will be apparent from the following
Description with reference to the drawings. It shows:
1 ein optisches Erbium-dotiertes
Faserverstärkersystem
nach dem Stand der Technik, 1 an optical erbium-doped fiber amplifier system according to the prior art,
2 Verstärkungsspektren verschiedener Faserverstärker sowie
die Lage einiger wichtiger optischer Übertragungsbänder von
S+–L+, 2 Gain spectra of different fiber amplifiers and the location of some important optical transmission bands of S + -L + ,
3 das Energieniveauschema
von dreifach positiv geladenen Thulium-Ionen mit den relevanten Übergängen, 3 the energy level scheme of threefold positively charged thulium ions with the relevant transitions,
4 ein optisches Thulium-dotiertes
Faserverstärkersystem
nach dem Stand der Technik, 4 an optical thulium-doped fiber amplifier system according to the prior art,
5 eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Verstärkersystems, 5 A first embodiment of an optical amplifier system according to the invention,
6 eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Verstärkersystems, 6 A second embodiment of an optical amplifier system according to the invention,
7 eine Darstellung der Absorptions-
und Emissionskurve eines optischen Über gangs, und 7 a representation of the absorption and emission curve of an optical transition, and
8 eine dritte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Verstärkersystems. 8th A third embodiment of an optical amplifier system according to the invention.
In 5 ist eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Verstärkersystems 1 gezeigt.
Das Signal wird über
einmodige Silikatglasfasern (Quarzglasfasern) 3 in das
System eingebracht und tritt dort in eine nicht geschlossene ringförmige Schleife
einer Glasfaser 5 ein, deren Kern mit dreifach ionisierten
Thulium-Ionen (Tm3+) dotiert ist. Das Glasmaterial
besteht vorzugsweise aus Fluoridglas, es können aber auch Fasern aus Quarzglas, Telluritglas
oder Chalkogenidglas verwendet werden. Die Lage der Energieniveaus
von Thulium ist in allen Materialien weitgehend identisch, weil
es ein Seltenerdelement ist.In 5 is a first embodiment of an optical amplifier system according to the invention 1 shown. The signal is transmitted via single-mode silicate glass fibers (quartz glass fibers) 3 introduced into the system and enters there in a non-closed annular loop of a glass fiber 5 whose core is doped with triply ionized thulium ions (Tm 3+ ). The glass material is preferably made of fluoride glass, but fibers of quartz glass, tellurite glass or chalcogenide glass may also be used. The location of thulium energy levels is largely identical in all materials because it is a rare earth element.
Vor
oder hinter der ringförmigen
Glasfaserschleife 5 des Verstärkersystems ist ein Pumplaser 7 angeordnet,
der Pumpstrahlung in die ringförmige Glasfaserschleife 5 sendet.
Der Pumplaser kann beliebig gewählt
werden, in der Praxis haben sich einzelne oder parallel geschaltete
Laserdioden bewährt. Üblicherweise
ruft der Pumplaser den direkten Übergang
vom Grundzustand der Thulium-Ionen in das Energieniveau 3 hervor,
im Falle von Tm3+-Ionen sendet dieser Strahlung in einem
Wellenlängenbereich von
etwa 790 nm. Es kann auch ein Laser für den Übergang der Ionen vom Grundenergieniveau
in das Energieniveau 4 oder ein höheres Energieniveau eingesetzt
werden, woraufhin die Thulium-Ionen in das Energieniveau 3 relaxieren.
Dadurch können
niedrigere Rauschzahlen erhalten werden. Für einen solchen Übergang
kann auch ein externer Faserlaser als Pumplaser eine bessere Alternative
sein. Es wird explizit darauf hingewiesen, daß in dem allgemeinen Begriff "Pumpen in das Energieniveau 3'' nach der fachspezifischen Terminologie
auch das oben beschriebene vorübergehende
Pumpen in ein noch höheres
Energieniveau mit anschließender
Relaxation des Ions in das Energieniveau 3 umfaßt ist.
Weil Signal- und Pumpstrahlung gemeinsam im Faserkern laufen müssen, wird
die vom Pumplaser 7 gelieferte Strahlung über einen
Wellenlängenmultiplex-Koppler (WDM-Koppler) 9 in
die Signalglasfaser 5 eingekoppelt, wobei der WDM-Koppler
die Strahlung in seinen beiden Eingangsfasern auf eine gemeinsame
Ausgangsfaser zusammenfaßt.
Bei der Kombination von Signal- und Pumpwellenlänge, für die der WDM-Koppler ausgelegt
ist, treten dabei nur minimale Verluste auf.In front of or behind the ring-shaped glass fiber loop 5 of the amplifier system is a pump laser 7 arranged, the pump radiation in the annular glass fiber loop 5 sends. The pump laser can be chosen arbitrarily, in practice, single or parallel laser diodes have proven. The pump laser usually calls the direct transition from the ground state of the thulium ions to the energy level 3 In the case of Tm 3+ ions, this emits radiation in a wavelength range of about 790 nm. It can also be a laser for the transition of the ions from the basic energy level into the energy level 4 or a higher energy level are used, whereupon the thulium ions in the energy level 3 relax. As a result, lower noise figures can be obtained. For such a transition, an external fiber laser as a pump laser can be a better alternative. It is explicitly pointed out that in the general term "pumping into the energy level 3 '' according to the subject-specific terminology also the above-described temporary pumping into an even higher energy level with subsequent relaxation of the ion in the energy level 3 is included. Because signal and pump radiation must run together in the fiber core, that of the pump laser 7 delivered radiation via a wavelength-division multiplex coupler (WDM coupler) 9 into the signal fiber 5 coupled, wherein the WDM coupler summarizes the radiation in its two input fibers to a common output fiber. With the combination of signal and pump wavelengths for which the WDM coupler is designed, only minimal losses occur.
Anstelle
des bisher üblichen
zweiten Pumplasers bei etwa 1400 nm wird nun das mittlere Energieniveau 1 anders
entleert, und zwar dadurch, daß man
in der Verstärkerfaser
parallel zum Verstärkungsprozeß einen
Faserlaser auf dem Übergang Energieniveau 1 → Grundzustand
laufen läßt. Hierfür ist vor
und hinter der ringförmigen
Schleife 5 jeweils ein Spiegel 11, 13 angeordnet.
Jeder Spiegel ist über einen
Wellenlängenmultiplex-Koppler 15, 17 mit
der Glasfaser 5 verbunden. Über diese WDM-Koppler 15, 17 wird
selektiv die Fluoreszenz des Übergangs Energieniveau 1 → Grundzustand
bei etwa 1,9 μm ausgekoppelt.
Zusammen mit den beiden Spiegeln 11, 13 an den
Faserenden ergibt sich ein ganz simpler Faserlaser (Fabry-Perot-Faserlaser,
FP), der sich automatisch die effizienteste Wellenlänge im Spektralbereich
der Fluoreszenz sucht. Die Spiegel beim FP-Aufbau können dielektrische
oder metallische Spiegel sein, die an das Faserende gedrückt, geklebt oder
direkt aufgedampft werden. Auch blanke, gerade geschnittene Faserenden
sind als Spiegel für
den Faserlaser geeignet, weil der Brechzahlunterschied zwischen
Faser und Luft eine Fresnel-Reflexion von etwa 4 % verursacht, die
oftmals ausreichend ist. Ebenso geeignet sind sogenannte Faser-Bragg-Gitter
(FBG), die direkt in eine Faser belichtet werden. Letztere bieten
auch die Möglichkeit,
die WDM-Koppler 9 und 15 zu verschmelzen und ein
FBG in die Faser zwischen WDM-Koppler 9 und Pumplaser 7 zu schreiben.Instead of the usual second pump laser at about 1400 nm now the mean energy level 1 otherwise emptied, namely by placing a fiber laser in the amplifier fiber parallel to the amplification process at the transition energy level 1 → Run basic state. This is in front of and behind the annular loop 5 one mirror each 11 . 13 arranged. Each mirror is via a wavelength division multiplex coupler 15 . 17 with the fiberglass 5 connected. About this WDM coupler 15 . 17 will selectively change the fluorescence of the transition energy level 1 → Ground state decoupled at approx. 1.9 μm. Together with the two mirrors 11 . 13 At the ends of the fiber, a very simple fiber laser (Fabry-Perot fiber laser, FP) results, which automatically searches for the most efficient wavelength in the spectral range of fluorescence. The mirrors in the FP design can be dielectric or metallic mirrors which are pressed, glued or vapor-deposited directly onto the fiber end. Even bare, straight-cut fiber ends are suitable as a mirror for the fiber laser, because the refractive index difference between fiber and air causes a Fresnel reflection of about 4%, which is often sufficient. Also suitable are so-called fiber Bragg gratings (FBG), which are exposed directly into a fiber. The latter also offer the option of WDM couplers 9 and 15 to merge and insert an FBG into the fiber between WDM coupler 9 and pump laser 7 to write.
Hinter
dem zweiten WDM-Koppler 17 wird das verstärkte Signal
dann wieder in Quarzglasfasern 3 weiter transportiert.Behind the second WDM coupler 17 then the amplified signal is again in quartz glass fibers 3 transported further.
Das
Verstärkersystem
arbeitet nun derart, daß ein
eintretendes Signal von etwa 1470 nm in die mit Thulium-Ionen dotierte
ringförmige
Glasfaserschleife 5 eingeleitet wird und gleichzeitig der
erste Pumplaser 7 Pumpstrahlung im Bereich von 790 nm in
die Schleife sendet. Dadurch werden die Thulium-Ionen auf ein hohes
Energieniveau angehoben, hier das Energieniveau 3, aus
dem sie auf Anregung durch die Signalphotonen unter Aussendung eines neuen
Photons gleicher Wellenlänge,
Richtung und Phase auf das Energieniveau 1 relaxieren (stimulierte
Emission). Gleichzeitig wird das Energieniveau 1 durch
folgenden Prozeß entleert:
der geringfügige Anteil
an Thulium-Ionen, die aufgrund von spontaner Emission vom Energieniveau 1 in
den Grundzustand übergehen
und dabei ein Photon entsprechender Wellenlänge (etwa 1,9 μm) aussenden,
werden von einem der beiden WDM-Koppler 15, 17 ausgekoppelt und
durch den jeweiligen Spiegel 11, 13 wieder zurück in das
System geleitet. Die zurückgeleitete Strahlung
regt dann bei den restlichen Thulium-Ionen, die sich im Energieniveau 1 befinden,
aufgrund von stimulierter Emission einen Übergang in den Grundzustand
unter Aussendung entsprechender Photonen an. Es wird also das Prinzip
eines einfachen Faserlasers verwendet, um das Energieniveau 1 zu
entleeren, damit der gesamte Verstärkungsprozeß nicht im langlebigen Energieniveau 1 terminiert. Auf
diese Weise ist das Energieniveau 3 durch den Einsatz des
Pumplasers 7 und den oben beschriebenen Prozeß ständig stark
besetzt, so daß die
Signalphotonen oft durch stimulierte Emission weitere Signalphotonen
erzeugen, die schließlich
die Signalverstärkung
bewirken.The amplifier system now operates such that an incoming signal of about 1470 nm into the thulium ion-doped annular glass fiber loop 5 is initiated and at the same time the first pump laser 7 Pump radiation in the range of 790 nm sends into the loop. This raises the thulium ions to a high energy level, here the energy level 3 from which they excite by the signal photons emitting a new photon of the same wavelength, direction and phase to the energy level 1 relax (stimulated emission). At the same time the energy level becomes 1 emptied by the following process: the small fraction of thulium ions due to spontaneous emission from the energy level 1 go into the ground state and thereby emit a photon of appropriate wavelength (about 1.9 microns) are from one of the two WDM coupler 15 . 17 decoupled and through the respective mirror 11 . 13 headed back to the system again. The returned radiation then excites at the remaining thulium ions, which are in the energy level 1 are due to stimulated emission to a transition to the ground state with emission of corresponding photons. So the principle of a simple fiber laser is used to determine the energy level 1 so that the entire amplification process will not be in the long-lasting energy level 1 terminated. This is the energy level 3 through the use of the pump laser 7 and the process described above constantly busy, so that the signal photons often produce by stimulated emission more signal photons, which eventually cause the signal amplification.
Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 6 dargestellt.
Der Aufbau ist im wesentlichen identisch zur ersten Ausführungsform,
allerdings werden keine Spiegel verwendet, sondern die beiden offenen
Faserenden der WDM-Koppler 15, 17 werden derart
verbunden, daß sich
ein Ringresonator 18 ergibt. Im Ringresonator 18 ist
vorzugsweise ein optischer Isolator 19 enthalten. Der Isolator 19 ist
nicht unbedingt nötig,
man verwendet ihn aber im Ringresonator 18, um die Umlaufrichtung
der Laserschwingung festzulegen. Ohne den Isolator 19 würden sich
zwei gegenläufige
Wellen ausbilden, die miteinander interferieren und somit die angeregten
Zustände
in der dotierten Faser nur räumlich
selektiv entleeren. Die Einbaurichtung des Isolators 19 ist
hingegen beliebig. Auch hier wirken die beiden WDM-Koppler 15, 17 als
wellenlängenselektive
Elemente, so daß nur
Wellenlängen
im Bereich von 1,9 μm
durchgelassen werden.A second embodiment of the present invention is disclosed in 6 shown. The structure is essentially identical to the first embodiment, but no mirrors are used, but the two open fiber ends of the WDM coupler 15 . 17 are connected in such a way that a ring resonator 18 results. In the ring resonator 18 is preferably an optical isolator 19 contain. The insulator 19 is not necessary, but it is used in the ring resonator 18 to set the direction of rotation of the laser oscillation. Without the insulator 19 Two opposing waves would form, which interfere with each other and thus only spatially selectively empty the excited states in the doped fiber. The mounting direction of the insulator 19 is however arbitrary. Again, the two WDM couplers act 15 . 17 as wavelengths lective elements, so that only wavelengths in the range of 1.9 microns are transmitted.
Da
der so entstandene 1,9 μm-Faserlaser ein
3-Niveau-Laser ist, kann er das Energieniveau 1 nicht vollständig entleeren.
Um das Niveau möglichst stark
zu entleeren, soll der Faserlaser bei einer möglichst großen Wellenlänge anspringen, was entweder durch
eine passende Auslegung der Wellenlängencharakteristik der WDM-Koppler 15, 17 oder
durch den Einsatz eines Filters 21 im Resonator 18 erreicht werden
kann. Beim Aufbau nach 5 kann
zu diesem Zweck auch die spektrale Reflexion der Spiegel 11, 13 passend
ausgelegt werden (dielektrische Spiegel).Since the resulting 1.9 μm fiber laser is a 3-level laser, it can be the energy level 1 do not empty completely. In order to empty the level as much as possible, the fiber laser should start at a wavelength as large as possible, which is achieved either by a suitable design of the wavelength characteristic of the WDM coupler 15 . 17 or by using a filter 21 in the resonator 18 can be achieved. When building after 5 can for this purpose also the spectral reflection of the mirror 11 . 13 be designed appropriately (dielectric mirror).
Der
Verstärker
gemäß der bisherigen
Beschreibung ist darauf optimiert, im Spektralbereich um das Maximum
der Tm-Fluoreszenz, also im S+-Band, zu
arbeiten. Die in 2 gestrichelt
dargestellte Absorptionsspitze bei etwa 1390 nm reicht mit ihrem
langwelligen Ausläufer
bis ins S+-Band hinein. Diese Absorption
rührt von
OH–-Ionen
in der Glasmatrix her, die zwar in modernen Glasfasern eliminiert sind,
aber in vielen bereits verlegten Faserstrecken noch eine Rolle spielen.
Aus diesem Grund bevorzugen die Netzbetreiber Verstärker im
S-Band, das mit 1490–1530
nm direkt an das C-Band anschließt. Hier kann man sich die
Tatsache zunutze machen, daß bei
einem optischen Übergang
das Emissions spektrum gegenüber
dem Absorptionsspektrum immer zu größeren Wellenlängen hin
verschoben ist, wie es in 7 dargestellt
ist, wobei die Absorptionslinie 30 und die Emissionslinie 32 eines
optischen Übergangs
jeweils über
die Wellenlänge
in willkürlichen Einheiten
aufgetragen sind. Dieser Effekt ist durch die Bolzmann-Verteilung
erklärbar.The amplifier according to the previous description is optimized to work in the spectral range around the maximum of the Tm fluorescence, ie in the S + band. In the 2 Dashed absorption peak at about 1390 nm extends with its long-wave tail into the S + band into it. This absorption is due to OH - ions in the glass matrix, which are eliminated in modern glass fibers, but still play a role in many already laid fiber lines. For this reason, the network operators prefer amplifiers in the S-band, which connects directly to the C-band with 1490-1530 nm. Here one can take advantage of the fact that in an optical transition, the emission spectrum is always shifted towards the absorption spectrum to larger wavelengths, as in 7 is shown, wherein the absorption line 30 and the emission line 32 an optical transition are respectively plotted over the wavelength in arbitrary units. This effect can be explained by the Bolzmann distribution.
Bei
einem üblichen
Drei-Niveau-System ist in einer nur schwach gepumpten Verstärkerfaser
der Grundzustand sehr stark besetzt, und daher spielt die Absorption
der Signalstrahlung eine große
Rolle. Im Gegensatz zum stark gepumpten Verstärker mit entleertem Grundzustand,
bei dem die größte Verstärkung im
Maximum des Emissionsspektrums auftritt, werden diese Signalanteile
beim schwach gepumpten Verstärker
stark absorbiert (und somit recycled). Die Nettoverstärkung findet
dagegen bei größeren Wellenlängen statt,
bei denen das Absorptionsspektrum schon weit abgeklungen ist.at
a usual one
Three-level system is in a weakly pumped amplifier fiber
the ground state is very heavily occupied, and therefore the absorption plays
the signal radiation a large
Role. In contrast to the heavily pumped amplifier with a depleted ground state,
where the biggest gain in the
Maximum of the emission spectrum occurs, these signal components
the weakly pumped amplifier
strongly absorbed (and thus recycled). The net gain finds
instead, at longer wavelengths,
where the absorption spectrum has already decayed far.
Im
Falle des neu entwickelten Verstärkersystems
ist die Lage etwas komplizierter, weil das untere Verstärkerniveau
nicht der Grundzustand, sondern der erste angeregte Zustand ist.
Zur definierten Verschiebung des Verstärkungsbandes muß also die Besetzung
des Energieniveaus 1 kontrolliert eingestellt werden. Die
genaue Einstellung der Emissionswellenlänge des Faserlasers ist zwar
nicht grundsätzlich
notwendig, führt
aber dennoch zu besseren Ergebnissen. Erfolgen kann dies durch geeignete Auslegung
der WDM-Koppler 15, 17, durch feste oder variable
Filter 21 im Laserresonator 18 oder durch eine
geeignete Auslegung der Spiegel 11, 13 beim FP-Faserlaser.In the case of the newly developed amplifier system, the situation is somewhat more complicated because the lower amplifier level is not the ground state but the first excited state. For defined displacement of the amplification band so the occupation of the energy level 1 be adjusted in a controlled manner. Although the exact setting of the emission wavelength of the fiber laser is not fundamentally necessary, it nevertheless leads to better results. This can be achieved by suitable design of the WDM coupler 15 . 17 , through fixed or variable filters 21 in the laser resonator 18 or by a suitable interpretation of the mirrors 11 . 13 at the FP fiber laser.
Vorteilhafter
ist es jedoch, den Faserlaser bei einer festen, möglichst
großen
Wellenlänge
laufen zu lassen und eine zweite Tm-Faserschleife 23 ohne
1,9 μm-Faserlaser
hinter die erste Verstärkerstufe
zu schalten, wie es in 8 gezeigt
ist. Hierbei ist es unerheblich, ob die erste Verstärkerstufe
mit Spiegeln oder einem Ringresonator arbeitet. Die zweite dotierte
Faser 23 ist für
die Signalwellenlänge
transparent, solange der zugehörige, über einen
WDM-Koppler 27 eingekoppelte Pumplaser 25 ausgeschaltet
ist. Schon mit kleinen Pumpleistungen kann man das Energieniveau 1 besetzen,
was dann dafür
sorgt, daß die
kurzwelligen Signalanteile absorbiert werden. Da diese Absorption
ins Energieniveau 3 erfolgt, geht die Leistung nicht verloren,
sondern trägt
zu einer Verstärkung
bei größeren Wellenlängen bei.It is more advantageous, however, to run the fiber laser at a fixed, as large as possible wavelength and a second Tm fiber loop 23 without 1.9 micron fiber laser behind the first amplifier stage, as in 8th is shown. It is irrelevant whether the first amplifier stage works with mirrors or a ring resonator. The second doped fiber 23 is transparent to the signal wavelength, as long as the associated, via a WDM coupler 27 coupled pump laser 25 is off. Even with small pumping power, you can get the energy level 1 occupy, which then ensures that the short-wave signal components are absorbed. Because this absorption into the energy level 3 Power is not lost, but contributes to a gain at longer wavelengths.
Abweichend
von diesen Grundgedanken sind viele weitere Abwandlungen denkbar.
So können
weitere zusätzliche
Pumplaser mit zugehörigen WDM-Kopplern
praktisch beliebig über
den gesamten Aufbau verteilt sein, und die verschiedenen dotierten
Fasersegmente von vorne und/oder von hinten pumpen. Es ist auch
möglich,
die Entleerung des Energieniveaus 1 mit Hilfe eines Faserlasers
mit konventionellen Pumpschemata zu kombinieren, um beispielsweise
deren Leistungswirkungsgrad zu erhöhen. Überall, wo in den obigen Beispielen
von einer Thulium-dotierten Faser die Rede ist, können in
der Praxis auch mehrere Thulium-dotierte Fasern stehen. Vor und
hinter diesen Fasern können
jeweils optische Filter und/oder optische Isolatoren eingebaut sein.Deviating from these basic ideas, many other modifications are conceivable. Thus, additional additional pump lasers with associated WDM couplers can be distributed virtually arbitrarily over the entire structure, and pump the various doped fiber segments from the front and / or from the rear. It is also possible to empty the energy level 1 using a fiber laser to combine with conventional pumping schemes, for example, to increase their power efficiency. Wherever a thulium-doped fiber is mentioned in the above examples, in practice also several thulium-doped fibers may be used. In front of and behind these fibers optical filters and / or optical isolators can be installed.
Überall,
wo in den obigen Beispielen von Glasfasern die Rede ist, können alternativ
beliebige optische Wellenleiter eingesetzt werden. Dies gilt insbesondere
auch für
die optisch aktiven dotierten Glasfasern, die als dotierte Wellenleiter
beliebiger Bauform ausgeführt
sein können.All over,
Where in the above examples of glass fibers is mentioned, alternatively
Any optical waveguide can be used. This is especially true
also for
the optically active doped glass fibers, which are doped waveguides
executed any design
could be.
Einen
WDM-Koppler realisiert man sinnvollerweise als Faser-Schmelz-Koppler,
aber auch Aufbauten mit Wellenleiterkopplern in planarer Optik sind
denkbar. Dann könnte
man bei dem Aufbau in 5 beispielsweise
die beiden Koppler 9, 15 sowie den Pumplaser 7 und
den Spiegel 11 auf einem Substrat zusammenfassen.A WDM coupler is usefully realized as a fiber-melt coupler, but also structures with waveguide couplers in planar optics are conceivable. Then you could build in 5 for example, the two couplers 9 . 15 as well as the pump laser 7 and the mirror 11 on a substrate.
Durch
die vorliegende Erfindung wird also ein System geschaffen, welches
neben bereits bestehenden EDFAs eingesetzt werden kann und auf einfache
Weise eine effiziente Verstärkung
von Signalphotonen liefert.By
Thus, the present invention provides a system which
In addition to existing EDFAs can be used and simple
Way an efficient reinforcement
of signal photons.