DE112004002187B4 - Gepulste Laserquellen - Google Patents

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Abstract

Frequenzkammquelle (800), zur Erzeugung eines Frequenzkamms, wobei die Frequenzkammquelle umfasst:einen modengekoppelten Faseroszillator (801) mit einer resonanten Kavität, die eine optische Faser mit einer Länge L aufweist, und mit reflektierenden Elementen an den Enden, wobei die resonante Kavität mehrere optische Moden unterstützt und der modengekoppelte Faseroszillator (801) die mehreren optischen Moden modenkoppelt,um ein modengekoppeltes optisches Signal zu erzeugen, wobei das modengekoppelte optische Signal Frequenzkomponenten des Kamms aufweist, die um einen Frequenzabstand fgetrennt und von Null um eine Trägereinhüllende-Offset-Frequenz fversetzt sind;ein Rückkopplungssystem (819) zum Steuern und Stabilisieren der Offset-Frequenz, f, und des Frequenzabstands fdes modengekoppelten Faseroszillators (801) in Reaktion auf ein Rückkopplungssignal, das für eine Schwebungssignalfrequenz repräsentativ ist;eine stark nicht lineare optische Faser (805), die dem modengekoppelten Faseroszillator (801) nachgeordnet ist, wobei die stark nicht lineare optische Faser (805) eine optische Nicht-Linearität umfasst, um zusätzliche Frequenzkomponenten im Frequenzkamm zu erzeugen, die zusammen mit der Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die vom modengekoppelten Faseroszillator ausgegeben werden, eine erste Gruppe von Frequenzen bilden, die um den Frequenzabstand fgetrennt und von Null um die Offset-Frequenz fversetzt sind,wobei der modengekoppelte Faseroszillator ein erstes und ein zweites dispersives optisches Element umfasst, die so gewählt sind, dass sie eine positive bzw. negative Dispersion aufweisen, wobei das erste und das zweite dispersive optische Element weiter so gewählt sind, dass sie im modengekoppelten Faseroszillator eine Gesamtdispersion von weniger als 10.000 fs/ m × L liefern, wodurch Rauschen in der Offset-Frequenz freduziert wird.

Description

  • Hintergrund
  • Gebiet
  • Die vorliegende Lehre bezieht sich auf modengekoppelte Faserlaser und -verstärker, wie beispielsweise ultrakompakt integrierte Hochleistungsfaserlaser mit Pulsbreitensteuerung und mit verknüpften Abschnitten einer die Polarisation beibehaltenden Faser sowie potentielle Anwendungen, wie beispielsweise die Präzisionsmetrologie.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Modengekoppelte Faserlaser bieten bei ultraschnellen optischen Anwendungen Vorteile gegenüber herkömmlichen Festkörperlasern. Modengekoppelte Faserlaser können potentiell auf einem sehr kleinen Raum gepackt sein und können auch eine höhere mechanische und thermische Stabilität aufweisen; siehe beispielsweise die von IMRA America, Inc., Ann Arbor, Michigan erhältliche Femtolite-Serie. Insbesondere lassen passiv modengekoppelte Faserlaser aufgrund des Nicht-Vorhandenseins sperriger optischer Modulatoren einen kompakten Aufbau zu.
  • Um auf einer gleichen Ebene mit modengekoppelten Festkörperlasern bei ultraschnellen optischen Anwendungen konkurrieren zu können, umfassen modengekoppelte Faserlaser jedoch vorzugsweise die folgenden Eigenschaften: 1) Der Ausgangspolarisationszustand sollte vorzugsweise gut definiert sein, 2) der Aufbau des Faserlasers sollte vorzugsweise für eine Massenproduktion anpassungsfähig sein, 3) die erforderlichen optischen Elemente sollten vorzugsweise kostengünstig sein, 4) das Designkonzept sollte vorzugsweise sättigbare Absorber mit gut steuerbaren Parametern umfassen, und 5) die Realisierung der Pulsverstärkung sollte vorzugsweise einfach sein. Die Faktoren sind für den Aufbau modengekoppelter Faserlaser wichtig und es besteht ein fortdauernder Bedarf an Verbesserungen bei derartigen Vorrichtungen.
  • EP 1 161 782 B1 offenbart die Erzeugung stabilisierter, ultrakurzer Lichtpulse und deren Anwendung zur Synthese optischer Frequenzen.
  • Der Artikel „Broad spectrum frequency comb generation and carrier-envelope frequency measurement by second-harmonic generation of a mode-locked fiber laser", Optics Letters, Vol, 28, Nr. 17, September 1, 2003, Seiten 1516-1518, Feng-Lei Hong et al. offenbart einen Frequenzkamm, der mehr als eine Oktave überspannt und durch Injizieren der zweiten Harmonischen (780 nm) eines modengekoppelten Faserlasers (1,56 µm) in eine photonische Kristallfaser erzeugt wird.
  • Die Habilitationsschrift „Die Messung der Frequenz von Licht mit modengekoppelten Lasern", Dezember 2002, München, von T. Udem, offenbart modengekoppelte Laser als Kammgeneratoren.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Frequenzkammquelle bereitzustellen, welche die Erzeugung eines Frequenzkammes mit erhöhter Qualität und Stabilität zulässt.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Frequenzkammquelle zur Erzeugung eines Frequenzkamms mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Frequenzkammquelle mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 19.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Abriss
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Frequenzkammquelle, die einen modengekoppelten Faseroszillator, ein nicht lineares optisches Element, ein Interferometer und einen optischen Detektor umfasst. Der modengekoppelte Faseroszillator umfasst eine resonante optische Fabry-Perot-Kavität mit einer Kavitätslänge L. Der modengekoppelte Faseroszillator gibt optische Pulse und entsprechende Frequenzkomponenten aus, die durch einen Frequenzabstand frep getrennt sind und von Null um einen Frequenzoffset fceo versetzt sind. Das nicht lineare optische Element ist für einen Empfang der optischen Pulse positioniert. Das nicht lineare optische Element umfasst eine ausreichende optische Nicht-Linearität, um zusätzliche Frequenzkomponenten zu erzeugen, die zusammen mit der Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die von dem modengekoppelten Oszillator ausgegeben werden, eine erste Gruppe von Frequenzen bilden, die durch einen Frequenzabstand frep voneinander getrennt sind und von Null um den Frequenz-Offset fceo versetzt sind. Das Interferometer ist optisch zum Empfang der ersten Gruppe von Frequenzen gekoppelt. Das Interferometer umfasst einen Frequenzschieber, der die erste Gruppe von Frequenzen empfängt und der vom Frequenzschieber empfangenen ersten Gruppe von Frequenzen eine zweite Gruppe von Frequenzen überlagert. Die zweite Gruppe von Frequenzen interferiert mit der ersten Gruppe von Frequenzen zur Erzeugung von Schwebungsfrequenzen. Der optische Detektor empfängt optisch die Schwebungsfrequenzen und umfasst einen Ausgang zur Ausgabe der Schwebungsfrequenzen.
  • Figurenliste
    • 1A veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Faser-Master-Oszillator-Leistungsverstärkers (MOLV);
    • 1B veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Zielanwendung, bei der der Ausgang des Faser-MOLV-Lasers aus 1A verwendet wird;
    • 1C veranschaulicht einen beispielhaften Aufbau eines Hüllen-gepumpten Faser-MOLV einschließlich einer Ausführungsform einer FaserZufuhr-Anordnung;
    • 2 veranschaulicht beispielhafte Faser-Gitter-Reflexionsspektren entlang zweier Polarisationsachsen, die eine Polarisationsauswahl in modengekoppelten Faserlasern mit die Polarisation beibehaltenden Faser-Bragg-Gittern zulassen;
    • 3A veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines sättigbaren Absorber-Spiegels;
    • 3B veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines sättigbaren Absorber-Spiegels;
    • 4 veranschaulicht einen beispielhaften Kern-gepumpten Faser-MOLV;
    • 5 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines kerngepumpten Faser-MOLV;
    • 6 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines die Polarisation beibehaltenden Faser-MOLVs;
    • 7 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines Aufbaus eines die Polarisation beibehaltenden Faser-Oszillator-Verstärkers einschließlich einer Ausführungsform einer Puls-Zufuhr-Anordnung;
    • 8A veranschaulicht einen beispielhaften die Polarisation beibehaltenden Faser-Oszillator-Verstärker, der mit einer stark nicht linearen Faser gekoppelt ist, in Verbindung mit einer Ausführungsform eines Oszillator-Faser-Steuerungssystems;
    • 8B veranschaulicht ein Beispiel des die Polarisation beibehaltenden Faseroszillators aus 8A, wobei der Aufbau des Oszillators die Phasensteuerung des Oszillators ermöglicht;
    • 8C-E veranschaulichen einige der möglichen Ansätze zur Steuerung des Schwebungssignals, das zu den Offset-Frequenzen der TrägerEinhüllenden in Beziehung steht, die mit dem System aus 8A verbunden sind;
    • 8F und G veranschaulichen ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines die Polarisation beibehaltenden Faseroszillators, der eine Erzeugung von Offset-Frequenzschwebungen der Träger-Einhüllenden zur Erzeugung eines Präzisionsfrequenzkamms erleichtert;
    • 9A veranschaulicht eine beispielhafte Messung einer freilaufenden Offset-Frequenz der Träger-Einhüllenden, die mit einem modengekoppelten Faserlaser erhalten wurde;
    • 9B veranschaulicht ein Beispiel einer fasergekoppelten Offset-Frequenz der Träger-Einhüllenden, die mit einem modengekoppelten Faserlaser erhalten wurde;
    • 10A veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines Aufbaus eines Faseroszillators mit geringem Rauschen, mit dem Offset-Frequenzschwingungen der Träger-Einhüllenden geringer Bandbreite zur Erzeugung eines Präzisions-Frequenzkamms erzeugt werden können.
    • 10B veranschaulicht ein schematisches Diagramm eines weiteren Beispiels des Aufbaus eines Faseroszillators mit geringem Rauschen, mit dem Offset-Frequenzschwingungen der Träger-Einhüllenden geringer Bandbreite zur Erzeugung eines Präzisions-Frequenzkamms erzeugt werden können;
    • 11 veranschaulicht ein Beispiel eines möglichen Aufbaus einer Superkontinuumvorrichtung;
    • 12 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer hochintegrierten Frequenzkammquelle mit einer Inline-Konfiguration; und
    • 13 veranschaulicht ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Frequenzkammquelle mit einem Interferometer mit einem einzelnen Arm und ein damit verbundenes Rückkopplungssystem.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Diese und weitere Gesichtspunkte, Vorteile und neue Eigenschaften der vorliegenden Lehre ergeben sich aus der Lektüre der vorliegenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. In den Zeichnungen umfassen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen.
  • Verschiedene in der vorliegenden Beschreibung offenbarte Beispiele betreffen den Aufbau und die Konstruktion eines modengekoppelten faserbasierten Master-Oszillator-Leistungsverstärker-(MOLV)-Lasersystems. 1A veranschaulicht ein Diagramm eines Faser-MOLV-Lasers 10, der einen Faseroszillator 16 umfasst, der optisch mit einer Post-Oszillatorkomponente 12 durch einen Koppler 14 gekoppelt ist. Bei verschiedenen Beispielen umfasst die Post-Oszillator-Komponente 12 einen Faserverstärker. Bei anderen Beispielen kann der Faserverstärker weggelassen werden und die Post-Oszillator-Komponente 12 kann eines oder mehrere optische Elemente umfassen, die den Ausgang vom Oszillator 16 aufbereiten und zuführen.
  • Ein Gesichtspunkt betrifft ein Faser-Bragg-Gitter, das als der Koppler 14 zwischen dem Oszillator und der Post-Oszillator-Komponente 12, wie beispielsweise dem Verstärker, wirkt. Ein bidirektionales reflektierendes optisches Element, wie beispielsweise ein Faser-Bragg-Gitter kann Emissionen von der Post-Oszillator-Komponente 12 zum Oszillator 16 entgegenwirken, die ansonsten die Leistungsfähigkeit des Oszillators negativ beeinflussen können. Die Verwendung des Fasergitters für einen derartigen Zweck kann die Notwendigkeit eines Bulk-Komponentenisolators zwischen dem Oszillator und dem Verstärker beseitigen.
  • Wie in 1A gezeigt ist, liefert der Faser-MOLV-Laser 10 ein Ausgangssignal 22 in Reaktion auf eine Pumpenergie 20. Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Ausgang 22 ultraschnelle Pulse mit Pulsbreiten im Femtosekundenbereich.
  • Es werden auch einige mögliche Anwendungen ultrakurzer Pulse offenbart, die vom Lasersystem 10 erhalten werden können. 1B veranschaulicht ein Diagramm, in dem der Ausgang 22 vom Laser 10 einem relevanten Ziel 24 zugeführt wird. Wie im Folgenden umfassender beschrieben wird, umfasst ein mögliches Ziel ein Interferometer, das für metrologische Anwendungen nützlich sein kann.
  • Verschiedene Betrachtungen des Aufbaus für das Lasersystem und die Zielanwendungen werden hier beschrieben. Derartige Betrachtungen für den Aufbau umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf (1) einen gut definierten Ausgangspolarisationszustand; (2) einen vorzugsweise an eine Massenproduktion anpassbaren Aufbau des Faserlasers; (3) die Verwendung optischer Komponenten, die vorzugsweise kostengünstig sind; (4) Techniken und Konstruktionen zur Erzeugung von passiv modengekoppelten Signalen mit gut kontrollierbaren Parametern sowie (5) eine vereinfachte Realisierung der Pulsverstärkung.
  • 1C gibt eine beispielhafte Ausführungsform eines Faser-basierten Master-Oszillator-Leistungsverstärker (MOLV)-Lasersystems 100 wieder. Das Lasersystem 100 umfasst eine die Polarisation beibehaltende Gain-Faser 101 mit einem Kern 102 und einem Hüllenbereich 103. Der Faserkern 102 kann mit Ionen seltener Erden, wie beispielsweise Yb, Nd, Er, Er/Yb, Tm oder Pr dotiert sein, um einen Gain bzw. eine Verstärkung bei einer Signalwellenlänge zu erzeugen, wenn das Lasersystem 100 mit einem Eingang, wie beispielsweise einem Diodenlaser 104 gepumpt wird. Die Pump-Diode 104 kann mit dem Hüllenbereich 103 der Faser 101 unter Verwendung von beispielsweise zwei Linsen 105 und 106 und einem V-Graben 107 gekoppelt sein. Die Pumpe zur Faserkopplung kann unter Verwendung von mehr als zwei Lasern oder unter Verwendung beliebiger anderer Kopplungsverfahren erreicht werden. Der Faserkern 102 kann für Einzel-Moden oder Mehrfach-Moden vorgesehen sein.
  • Wie in 1C zu erkennen ist, umfasst der MOLV 100 eine Oszillatoranordnung 114 und eine Verstärkeranordnung 115. Die Oszillatoranordnung 114 ist an einem Ende durch ein Fasergitter 108 und am anderen Ende durch eine sättigbare Verstärkeranordnung 110 begrenzt. Die Verstärkeranordnung 115 nähert sich dem Fasergitter 108 an einem Ende und ist am anderen Ende durch ein Faserende 111 begrenzt. Beim beispielhaften faserbasierten MOLV-110-Laser 100 wird dieselbe Faser 101 sowohl im Oszillator- als auch im Verstärkerabschnitt 114, 115 verwendet. Im allgemeinen können jedoch unterschiedliche Fasern im Oszillator 114 und Verstärker 115 verwendet werden, obwohl zur Vermeidung einer Rückkopplung vom Verstärker in den Oszillator der Brechungsindex sowohl der Oszillator- als auch der Verstärkerfaser bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen eng aufeinander abgestimmt sind.
  • Bei dem beispielhaften Laser 100 ist das Faser-Bragg-Gitter 108 in einer die Polarisation beibehaltenden Faser ausgebildet. Das Faser-Bragg-Gitter 108 kann direkt in die Faser 101 eingeschrieben sein. Bei Alternativen kann das Faser-Bragg-Gitter 108 an Verbindungspositionen 112 und 113 zwischen dem Oszillator- und Verstärkerabschnitt 114, 115 in das MOVL-System 100, vorzugsweise so gespleißt sein, dass die Polarisationsachsen der einbezogenen Fasern im Verhältnis zueinander ausgerichtet sind. Das Polarisationsübersprechen zwischen zwei Polarisationsachsen der die Polarisation beibehaltenden Faser, welche das Fasergitter 108 enthält, wird vorzugsweise um mehr als ungefähr 15 dB unterdrückt. Das Fasergitter 108 kann gestreckt (chirped) oder ungestreckt (un-chirped) sein.
  • Die sättigbare Absorberanordnung 110, auf die oben Bezug genommen wurde, wird nachfolgend umfassender beschrieben. Wie in 1C gezeigt ist, umfasst der beispielhafte Laser 100 des Weiteren einen optionalen Polarisator 109. Die Verwendung eines integrierten Faserpolarisators ist optional, da beispielsweise bei Oszillatoren, die weit über der Schwelle betrieben werden, der Einzelpolarisationsbetrieb des Systems unter Verwendung eines die Polarisation beibehaltenden Fasergitters erreicht werden kann (d.h. ein in eine die Polarisation beibehaltende Faser eingeschriebenes Gitter).
  • Dieses Konzept der Polarisationsaufrechterhaltung ist in 2 veranschaulicht, wo mit der Linie 200 der Intra-Kavitätsfaser-Gain in Abhängigkeit von der Wellenlänge im Innern des Faseroszillators wiedergegeben wird. Das Reflexionsvermögen entlang der beiden Polarisationsachsen des die Polarisation beibehaltenden (PM) Fasergitters, wird durch die Kurven 201 und 202 wiedergegeben. Aufgrund der Doppelbrechung des PM-Fasergitters unterscheiden sich die Reflexionswellenlängen der Spitzen entlang der beiden Polarisationsachsen um ungefähr zwischen 1-10 nm abhängig von der Doppelbrechung der Faser. Der absolute Gain der Kavität entlang der beiden Polarisationsachsen ist proportional zum Produkt des Reflexionsvermögens des Fasergitters und des über die Wellenlänge integrierten Gains der Faser. Somit produzieren selbst sehr geringe wellenlängenabhängige Steigungen im Gain der Faser eine Differenz beim absoluten Gain der Kavität für die beiden Polarisationsachsen und die Laseraktivität beginnt auf der Achse mit dem höheren Gain und die Laseraktivität wird auf der Achse mit dem niedrigeren Gain unterdrückt, sobald der Gain im Innern der Kavität gesättigt ist.
  • Ein beispielhafter integrierter Faserpolarisator wird in der US 2005 / 0 018 714 A1 beschrieben. Ein Faser-Gitter (108 in 1C) ist zwischen die Oszillator- und Verstärkerkomponente eines faserbasierten MOLV-Lasers eingefügt. Ein derartiges Fasergitter kann drei Verwendungen umfassen. Erstens kann das Fasergitter als ein Ausgangsspiegel verwendet werden (d.h. es führt einen Teil des Signals zur Faseroszillatorkavität 114 zurück). Zweitens kann das Fasergitter den Betrag der Dispersion der Kavität steuern, wie in der US 2005 / 0 018 714 A1 erläutert ist. Drittens kann das Fasergitter verhindern, dass der Ausgang der Oszillatoranordnung 114 durch eine Emission vom Faserverstärker 115 gestört wird, wodurch der Notwendigkeit eines optischen Isolators zur Trennung des Verstärkers und des Oszillators zuvorgekommen wird.
  • Die Sättigung des Gains im Innern eines modengekoppelten Faseroszillators 114 kann erreicht werden, wenn der Laser weit über seiner Schwelle betrieben wird. Aufgrund der geringen Kerngröße optischer Faser beschränkt die Phasenselbstmodulation die erreichbare Ausgangsleistung modengekoppelter Faserlaser und ein modengekoppelter Betrieb weit über der Laserschwelle wird nicht einfach erreicht. Das Reflexionsvermögen des PM-Fasergitters kann reduziert werden, wodurch die Populationsinversion erhöht wird und eine erhöhte Ausgangsleistung möglich wird. Es kann ein modengekoppelter Laserbetrieb beträchtlich über der Schwelle erreicht werden. Bei einem Beispiel ist das Reflexionsvermögen des PM-Fasergitters niedriger als oder gleich ungefähr 60%. Bei anderen Beispielen kann das Reflexionsvermögen des die Laserkavität bildenden reflektierenden optischen Elements weniger als oder gleich ungefähr 50%, 40% oder 30% sein. Kleinere Reflexionsgrade sind möglich. Das Reflexionsvermögen kann beispielsweise niedriger oder gleich ungefähr 20%, 10%, 5% oder 3% sein. Des weiteren sind Werte aus anderen Reflexionsgradbereichen, auf die hier nicht speziell Bezug genommen wird, ebenso möglich. Dieses Kriterium eines relativ niedrigen Reflexionsvermögens steht nahezu in direktem Gegensatz zum Aufbau kontinuierlicher (CW) Einzelpolarisationseinzelfrequenzlasern, bei welchen das Reflexionsvermögen des PM-Fasergitters auf werte von mehr als ungefähr 90% maximiert ist, um einen zuverlässigen Einzelpolarisationsbetrieb zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu ist das Reflexionsvermögen des die Laserkavität bildenden reflektierenden optischen Elements bei hier beschriebenen Ausführungsformen modengekoppelter Oszillatoren vorzugsweise niedriger als 90%.
  • Bei reduziertem Reflexionsvermögen wird die Pumpleistung erhöht. Im Allgemeinen kann ein zuverlässiger modengekoppelter Betrieb auf einer einzigen Polarisationsachse erreicht werden, wenn die zum Laseroszillator zugeführte Pumpleistung bei der Modenkopplungsschwelle die Pumpleistung für die CW-Laserschwelle um ungefähr 10-20% übersteigt.
  • Wie oben erläutert, kann das Fasergitter einer Emission von der Verstärkeranordnung 115 zur Oszillatoranordnung 114 entgegenwirken, die ansonsten für die Leistungsfähigkeit des Oszillators schädlich wäre. Das Reflexionsvermögen des Gitters 108 kann sehr gering sein und es kann dennoch dadurch ein wirksamer Oszillator ersetzt werden. Ein derartiges Aufbaukriterium steht im Gegensatz zu herkömmlichen Einzelfrequenzlasern. Bei verschiedenen MOVL-Ausführungsformen, die hier offenbart werden, kann das Produkt des Reflexionsvermögens für die Laserkavität (wovon eine das Gitter 108 ist) bis herab zu ungefähr 10% oder 5% oder sogar weniger, wie beispielsweise ungefähr 3% umfassen. Das Verhältnis zwischen der Lebensdauer eines Photons in der Kavität τc und der Durchgangszeit für einen einzigen Durchgang τt kann ausgedrückt werden als τ c / τ t = 2 / [ − ln ( R 1 R 2 ) ] ,
    Figure DE112004002187B4_0001
    wobei R1R2 das Produkt der Reflexionsvermögen ist, führt R1R2 = 0,03 zu einem Verhältnis τc/τt ≈ 0,6 (z.B. bei R1 ≈ 100% und R2 ≈ 3%). Somit kann die Lebensdauer in der Kavität bei ultraschnellen MOLVs kürzer sein als die Durchgangszeit für einen einzelnen Durchgang. Somit ist im Vergleich zu anderen MOLV-Konstruktionen auf dem Gebiet der Halbleiterlaser oder CW-Faserlaser ein derartiges Merkmal einzigartig.
  • Wie oben erläutert, ermöglichen niedrige Gitterreflexionsgrade einen Betrieb des Oszillators weiter über der Schwelle. Ein derartiger Betrieb über der Schwelle erhöht die Ausgangsleistung des Oszillators, reduziert das Rauschen der verstärkten spontanen Emission (ASE) und erhöht die Polarisationsselektivität von PM-Fasergittern.
  • Das Fasergitter kann auch zur Steuerung der Dispersion der Pulse in der Faser verwendet werden. Wie in der US 2005 / 0 018 714 A1 erläutert ist, wird der Absolutwert der Gitterdispersion vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr dem 0,5-10fachen des Absolutwerts der Intrakavitätsfaserdispersion gewählt, um die kurzen Pulse zu erzeugen (bei einer optischen Bandbreite, die vergleichbar oder größer als die Bandbreite des Verstärkungsmediums ist), wobei die Gitterdispersion und die Faserdispersion mit entgegengesetzten Vorzeichen gewählt werden. Entsprechend wird die Schwingung gechirpter Pulse in der Kavität zugelassen, wodurch die Effekte der Nicht-Linearität der Kavität reduziert oder minimiert werden und die Pulsenergie weiter maximiert wird.
  • Wie weiter in 1C gezeigt ist, kann der Ausgang des MOLV über beispielhafte Kopplungslinsen 116, 117 mit einer Versorgungsfaser 118 gekoppelt werden. Der Chirp der ausgegebenen Pulse kann auf zweckmäßige Weise mit der Versorgungsfaser 118 kompensiert werden. Die Versorgungsfaser 118 kann beispielsweise eine standardgemäße Silika-Faser mit gestuftem Index oder eine Holey-Faser, wie beispielsweise eine photonische Kristallfaser, umfassen. Der Gebrauch einer photonischen Kristallfaser zur Dispersionskompensation und Pulszufuhr ist in der US 2004 / 0 263 950 A1 offenbart. Die Versorgungsfaser 118 kann auch direkt mit der Faserendfläche 111 der Verstärkeranordnung 115 verspleißt sein, wodurch eine weitere Integration der Laseranordnung ermöglicht wird. Komprimierte Pulse können somit von der Versorgungsfaser ausgegeben werden.
  • Die 3A und 3B veranschaulichen zwei Beispiele der sättigbaren Absorberanordnung 110, auf die oben unter Bezugnahme auf 1C Bezug genommen wurde. Bei einem in 3 gezeigten Beispiel umfasst ein sättigbares Absorbermodul (SAM) 300 eine InGaAsP-Schicht 301 mit einer Dicke von ungefähr 50-2000nm. Die Schicht 301 kann mit einer Bandkante im 1 µm-Wellenlängenbereich gewachsen werden. Die Wellenlänge ist durch die gesuchte Emissionswellenlänge des Faserlasers definiert und kann zwischen ungefähr 1,0-1,6 µm variieren. Die InGaAsP-Schicht 301 kann des Weiteren mit einem reflektierenden Material, wie beispielsweise Au oder Ag, beschichtet oder bearbeitet sein. Vorzugsweise befindet sich ein dielektrischer Spiegel oder ein Halbleiter-Bragg-Reflektor 302 neben der Schicht 301 und die gesamte Struktur ist an einer Wärmesenke 303 montiert, die beispielsweise auf Metall, Diamant oder Saphir basiert.
  • Die InGaAsP-Schicht 301 kann des Weiteren mit einer Schicht 304 auf ihrer der reflektierenden Oberfläche 302 gegenüberliegenden Oberfläche antireflexbeschichtet sein, um die Leistung des SAM 300 zu optimieren. Aufgrund der sättigbaren Absorption durch die InGaAsP-Schicht 301 steigt das Reflexionsvermögen des SAM 300 in Abhängigkeit von der Lichtintensität an, wodurch wiederum das Anwachsen kurzer Pulse im Innern der Laserkavität begünstigt wird. Die Abwesenheit von Al in der sättigbaren Absorberschicht 301 verhindert eine Oxidation der Halbleiteroberflächen in der umgebenden Luft und erhöht somit die Lebensdauer und die Fähigkeit der Struktur zur Bewältigung der Leistung.
  • Anstelle von InGaAsP kann jedes andere sättigbare Halbleitermaterial im Aufbau des SAM verwendet werden. Auch können Al enthaltende Halbleiter im SAM mit auf geeignete Weise passivierten Oberflächenbereichen verwendet werden. Die Oberflächenpassivierung kann beispielsweise durch Sulfidieren der Halbleiteroberfläche, Verkapseln derselben mit einem geeigneten Dielektrikum oder mit einer Al-freien Hableiterverschlussschicht erreicht werden. Eine auf InP gewachsene gitterangepaßte AlGaInAs-Absorberschicht kann mit einer dünnen (im Bereich von ungefähr 10 nm) Verschlussschicht aus InP oberflächenpassiviert werden. AlGaInAs mit einer größeren Bandlückenenergie als der der Absorberschicht kann in Kombination mit InP auch für einen Halbleiter-Bragg-Reflektor verwendet werden. Unter den Konzepten für an InP Gitter-angepaßte Halbleiter-Bragg-Spiegel ist eine Kombination aus AlGaInAs/InP gegenüber einem InGaAsP/InP-Bragg-Reflektor aufgrund seines hohen Kontrasts des Brechungsindexes vorteilhaft.
  • Anstelle eines sättigbaren Volumen-Halbleiter-Absorbers kann auch eine sättigbare Multi-Quantumwell (MQW) Absorberstruktur 305 verwendet werden, wie in 3B gezeigt ist. Das SAM 305 umfasst zweckmäßiger Weise MQW-Strukturen 306, 307 und 308, die mit passiven Spacer-Schichten 309, 310, 311 und 312 verschachtelt sind, um die Sättigungsfluenz und die tiefenselektive Ionenimplantationskonzentration jedes MQW-Abschnitts zu erhöhen. Zusätzliche MQW-Strukturen können verwendet werden, die auf ähnliche Weise durch zusätzliche passive Spacer-Schichten getrennt sind. Um die Wellenlänge und Ortsempfindlichkeit der sättigbaren MQW-Absorber zu reduzieren, kann die Dicke der Spacer-Schichten von Spacer-Schicht zu Spacer-Schicht variieren. Darüber hinaus kann die MQW-Struktur durch mehrere Volumen-Schichten mit Dicken von mehr als ungefähr 500 Å ersetzt werden. Die MQW-Schichten können wiederum mehrere Schichten aus Quantumwells und Barrieren, wie beispielsweise InGaAs und GaAs bzw. InGaAsP/InP und AlGaInAs/InP, umfassen.
  • Die freiliegende Oberfläche der Schicht 309 kann des Weiteren antireflexbeschichtet sein (nicht gezeigt). Die reflektierende Funktion der Struktur 305 kann durch Einbeziehen einer Spiegelstruktur 313 erreicht werden. Die gesamte Struktur kann an einer Wärmesenke 314 montiert sein.
  • Die Steuerung der Reaktionszeit der sättigbaren Absorption für eine gleichzeitige Existenz schneller und langsamer Zeitkonstanten kann durch Einfügen von Ladungsträgereinfangzentren mit tiefenkontrollierter H+-Implantation (oder mit anderen Ionen) realisiert sein. Die Implantationsenergie und -dosierung kann so eingestellt werden, dass ein Teil des absorbierenden Halbleiterfilms eine minimale Anzahl von Einfangzentren umfasst. Beispielsweise kann die Halbleiterschicht mit der minimalen Anzahl von Einfangzentren so gewählt werden, dass er sich am Rand des optischen Eindringbereichs der anregenden Laserstrahlung befindet. Ein derartiger Aufbau dient lediglich als ein Beispiel und alternativ kann jeder beliebige Halbleiterbereich im optischen Eindringbereich gewählt werden, um eine minimale Anzahl von Einfangzentren zu enthalten. Somit kann bei Vorhandensein einer optischen Anregung eine ausgeprägte bi- oder multitemporale Ladungsträgerrelaxation erreicht werden.
  • Zusätzliche Einzelheiten über die Strukturen und Eigenschaften der sättigbaren Absorberanordnungen werden in der US 2005 / 0 018 714 A1 beschrieben.
  • Nun werden einige mögliche Beispiele für den Aufbau des Faser-MOLV-Lasers beschrieben. In einem beispielhaften Aufbau (Aufbaubeispiel Nr. 1), das dem Faser-MOLV-Lasersystem aus 1C entspricht, ist die die Polarisation beibehaltende Faser 101 mit Yb bei einer Dotierstärke von ungefähr 1% an Gewicht dotiert. Der Durchmesser des Faserkerns 102 umfasst näherungsweise 6 µm und der Durchmesser der Hülle (103) beträgt ungefähr 125 µm. Die Intrakavitätslänge der dotierten Faser beträgt ungefähr 1,0 m. Eine zusätzliche ungefähre Länge von 1,0 m einer undotierten die Polarisation beibehaltenden Faser ist in die Kavität anstelle des Faserpolarisator 109 integriert. Die Gesamtdispersion (summiert) der beiden Intra-Kavitätsfasern beträgt ungefähr +0,09 ps2.
  • Im Gegensatz dazu umfasst ein die Polarisation beibehaltendes Einzelmodenfasergitter 108 eine Dispersion von ungefähr -0,11 ps2, um die Dispersion der Faser näherungsweise abzugleichen, eine spektrale Bandbreite von ungefähr 25 nm und ein Reflexionsvermögen von ungefähr 10%, zentriert bei ungefähr 1050 nm. Das Gitter 108 wurde mit einer Phasenmaske mit einer Chirp-Rate von ungefähr 350 nm/cm hergestellt. Das Faser-Gitter 108 wird in den MOLV unter Verwendung der Verbindungsstellen (Splice) 112 und 113 gespleißt. Die Länge der Faser von der Position des Gitters 108 zu den Verbindungsstellen beträgt weniger als ungefähr 5 cm.
  • Die gesamte Dispersion des Oszillators beträgt ungefähr -0,02 ps2 (die Dispersion der Faser + Dispersion des Gitters). Die Länge der dotierten Faser 101 außerhalb der Kavität beträgt ungefähr 30 cm. Der MOLV wird durch den V-Graben 107 mit einer Pumpleistung von ungefähr bis zu 1 W bei einer Wellenlänge von ungefähr 976 nm gepumpt.
  • Das sättigbare Absorberelement 110 umfasst einen Film aus InGaAsP, der auf ein InP-Substrat gewachsen wird. Die Bandkante des InGaAsP-Films beträgt ungefähr 1050 nm. Die Dicke des InGaAsP-Films beträgt ungefähr 500 nm und die kurze Lebensdauer des Absorbers beträgt ungefähr 1 ps und die zweite lange Lebensdauer des Absorbers beträgt ungefähr um 150 ps.
  • Der Laser produziert gestreckte (chirped) optische Pulse mit einer Gesamtbreite bei halbem Maximum (FWHM) von ungefähr 1,5 ps bei einer Wiederholungsfrequenz von ungefähr 50 MHz mit einer mittleren Leistung von ungefähr 60 mW. Die spektrale Bandbreite des Pulses beträgt um 25 nm und somit sind die Pulse um ein Zehnfaches länger als das Bandbreitenlimit, das etwa 100 fs entspricht. Die Erzeugung von Pulsen mit einer Pulsbreite von ungefähr 140 fs wird durch das Einfügen der Pulskompressor-/Versorgungsfaser 118 am Ausgang des MOLV ermöglicht. Einzelheiten bezüglich derartiger Pulskompressionsfasern sind in der US-Patentanmeldung Nr. 10/608,233 offenbart.
  • Der Ausgang des MOLV wird in die Kompressor-/Versorgungsfaser 118 unter Verwendung der Linsen 116 und 117 gekoppelt. Bei diesem Beispiel eines Aufbaus wird eine Faser mit einem zentralen Luftloch verwendet, um eine Phasenselbstmodulation in der Kompressorfaser 118 zu reduzieren. Alternative Pulskompressorelemente, wie beispielsweise Fasergitter, Bulk-Gitter, Bulk-Volumengitter, ge-chirpte Spiegel oder Prismenpaare können anstelle der Kompressorfaser 118 zur Bereitstellung einer Pulskompression verwendet werden. Es sind noch andere Konstruktionen möglich. Darüber hinaus können andere Pump-Verfahren, wie beispielsweise End-Pumpen und/oder Pumpen durch Faserkoppler verwendet werden, obwohl bei diesem beispielhaften Aufbau ein seitengepumptes MOLV-System offenbart wird.
  • 4 veranschaulicht ein Beispiel eines besonders stabilen gepumpten Einzelmodenfaser-MOLV-Lasers 400. Der MOLV 400 umfasst einen Er-Oszillator und Verstärkerfasern 401 und 402 mit im wesentlichen identischer Zusammensetzung. Der MOLV wird über einen Pumplaser 403 durch einen Pigtail 404 und einen die Polarisation beibehaltenden Wellenlängenmultiplex-(WDM)-Koppler 406 gepumpt.
  • Ein alternatives Verfahren zur Isolation des Lichtsignals vom Pumpanschluss besteht darin, einen dünnfilmbasierten WDM-Filter als Koppler 406 zu verwenden. Ein derartiger Filter umfasst dielektrische Beschichtungen auf beiden Seiten, wobei die Beschichtung auf einer Seite einen Tief- oder Hochpassbandfilter bildet. Bei einem Beispiel einer derartigen Vorrichtung liefert der Filter einen hohen Reflexionsgrad für die Signalwellenlänge, während für die niedrigere Pumpwellenlänge ein hoher Transmissionsgrad bereitgestellt wird. Jedoch wird in einem derartigen einfachen Dünnfilm-WDM ein Verlust von Signallicht in den Pumpanschluss im Allgemeinen nicht um mehr als näherungsweise -25 dB unterdrückt. Ein Beispiel eines Dünnfilm-WDM-Kopplers umfasst einen Mehrfahrstapel aus Dünnfilm-WDM-Filtern für den Koppler 406 für eine bessere Signalisolation. Beispielsweise kann durch das Hinzufügen von zwei zusätzlichen Filtern zum WDM die Isolation des Signals zum Pumpanschluss um ungefähr -70dB erhöht werden. Dünnfilm-WDMs sind im Stand der Technik bekannt und das Stapeln mehrerer Dünnfilmfilter in einem derartigen WDM ist eine direkte Erweiterung des Aufbaus derartiger Standard-WDMs und wird daher nicht getrennt gezeigt. Es können auch auf einer infinitesimalen (evanescent) Kopplung basierende Standard-WDM-Koppler verwendet werden.
  • Das Pumplicht wird durch die Verstärkerfaser 402 und durch ein die Polarisation aufrechterhaltendes (PM) Gitter 407 zur Oszillatorfaser 401 geführt. Die Oszillatoranordnung umfasst auch einen undotierten Faserabschnitt 408, der zwischen die Oszillatorfaser 401 und ein sättigbares Absorbermodul 409 eingefügt ist.
  • Der Ausgang vom MOLV wird über den WDM 406 durch einen die Polarisation beibehaltenden (PM) Pigtail 410 und einen PM-Isolator 411 zu einem Ausgangsende des Systems gerichtet. Ein optionales Frequenzumwandlungselement 412, das beispielsweise ein periodisch gepoltes LiNbO3 (PPLN) umfasst, kann am Ausgangsende des Systems eingefügt werden, wobei Linsen 413, 414 und 415 verwendet werden, um einen geeigneten Strahldurchmesser im Inneren des PPLN-Kristalls 412 zu erhalten. Alle Faserelemente des MOLV-Lasers 400 sind mit PM-Verbindungsabschnitten verbunden, die mit 416, 417, 418, 419 und 420 bezeichnet sind.
  • Obwohl Er-dotierte Fasern im MOLV-Laser 400 aus 4 verwendet werden, können ähnliche gepumpte Einzelmodensysteme unter Verwendung anderer Gain-Medien mit seltenen Erden aufgebaut werden, wie beispielsweise Yb, Nd, Tm, Pr, Ho und Kombinationen daraus. Ähnlich können auch andere Festkörper- oder Faser-basierte Pumplaser verwendet werden, während ein Diodenpumplaser (403) zum Pumpen verwendet wird. Es sind noch andere Konfigurationen möglich.
  • Bei einem beispielhaften Aufbau (Aufbaubeispiel Nr. 2), das dem Faser-MOLV-Lasersystem aus 4 entspricht, beträgt die Länge der Oszillator- und Verstärkerfasern 401, 402 näherungsweise 1 Meter bzw. 0,4 Meter. Der Dünnfilm-basierte WDM-Filter gewährleistet einen hohen Reflexionsgrad für die Signalwellenlänge um 1550 nm, während für die Pumpwellenlänge um 980 nm ein hoher Transmissionsgrad gewährleistet ist. Es sollte jedoch verständlich sein, dass die Anwendung eines derartigen Pumpsignal-Kombinierer-WDMs nicht auf 1550 nm und 980 nm für die Signal- und Pumplinien beschränkt ist. Das PM-Gitter 407 ist mit einem Reflektivitätsgrad von ungefähr 10% und einer Dispersion von ungefähr -0,12 ps2 gechirpt. Der undotierte Faserabschnitt 408 umfasst eine Länge von ungefähr 1 m. Das sättigbare Absorbermodul 409 umfasst einen sättigbaren Bulk-InGaAsP Absorberspiegel. Der InGaAsP-Film umfasst eine Bandkante von ungefähr 1560 nm und die beiden sättigbaren Absorberlebensdauern sind durch eine tiefenselektive Ionenimplantation auf ungefähr 1 ps und 130 ps optimiert. Die vorangehenden Betriebsparameter führen zu einem MOLV-System 400, mit dem eine Ausgangsleistung von ungefähr bis zu 100 mW bei einer Wellenlänge von näherungsweise 1560 nm produziert wird, wodurch die Oszillatorleistung um mehr als einen Faktor drei verstärkt wird.
  • Die 5 zeigt eine Abwandlung des MOLV-Aufbaus 400, der oben mit Bezugnahme auf 4 beschrieben wurde. Der MOLV-Aufbau 400, der in 4 gezeigt ist, umfasst eine zuerst zu einem Verstärker und dann zu einem Oszillator zugeführte Pumpquelle. Alternativ, wie in 5 gezeigt ist, umfasst ein MOLV-Aufbau 500 eine Pumpquelle 503, die zuerst zu einem Oszillator 501 und dann zu einem Verstärker 502 zugeführt wird. Der Pumplaser 503 wird zum Oszillator durch einen PM-WDM 504 zugeführt. Ein PM-Fasergitter 505 ist zwischen den Oszillator 501 und den Verstärker 502 eingefügt. Ein sättigbares Absorbermodul 506 ist am Ende des Oszillators 501 gegenüberliegend dem Fasergitter 505 angeordnet.
  • Der Ausgang vom MOLV wird durch einen Isolator 507 entnommen. Ein Aufbau, wie er in 5 gezeigt wird, kann dazu verwendet werden, einen optischen Isolator zwischen den Oszillator 501 und Verstärker 502 einzufügen, ohne dass eine zusätzliche Pumpquelle notwendig ist. Bei einem derartigen Aufbau kann der Oszillator zwischen dem Verstärker 502 und dem Fasergitter 505 angeordnet sein. Beispielsweise bei Verwendung eines Er-Faser-MOLV-Systems ist ein Pumpen bei einer Wellenlänge von ungefähr 1480 nm möglich, während die Emissionswellenlänge von Er ungefähr im Wellenlängenbereich von 1.55 µm liegt. Aufgrund der geringen Differenz zwischen der Pump- und Emissionswellenlänge, kann ein derartiger Isolator bei beiden Wellenlängen ohne Einführung großer optischer Verluste isolieren.
  • Es ist verständlich, dass viele Alternativen für Hüllen-gepumpte oder Kerngepumpte Faser-MOLVs möglich sind. 6 veranschaulicht einen verallgemeinerten Aufbau für einen MOLV gemäß der vorliegende Lehre. Ein generischer MOLV 600 umfasst einen Modengekoppelten Faseroszillator 601, bei dem ein Fasergitter 602 als ein Ausgangskoppler verwendet wird. Zwischen dem Oszillator 601 und einem Verstärker 603, der sich Inline mit dem Fasergitter 602 und dem Oszillator 601 befindet, wird kein Isolator verwendet.
  • Der Faserverstärker 603 verstärkt des Weiteren die Pulse vom Oszillator 601. Ein optionaler Isolator 604 unterdrückt eine Rückkopplung durch beliebige störende Reflexionen von außerhalb des Systems.
  • Sowohl der Oszillator als auch der Verstärker sind vorzugsweise mit einer überwiegend die Polarisation beibehaltenden Faser aufgebaut. Das bedeutet, dass die Länge der die Polarisation nicht aufrechterhaltenden Faser vorzugsweise geringer als ungefähr 10 m gehalten wird, um eine Depolarisation in derartigen Faserabschnitten, die die Polarisation nicht aufrechterhalten, zu verhindern. Eine einzelne Pumpquelle kann sowohl zum Pumpen des Oszillators als auch des Verstärkers verwendet werden, obwohl auch getrennte, mit dem Oszillator und dem Verstärker gekoppelte Pumpquellen realisiert werden können.
  • Die 7-12 veranschaulichen verschiedene Anwendungen der Ausgangssignale, die durch die verschiedenen Ausführungsformen der oben mit Bezugnahme auf die 1-6 beschriebenen MOLV-Laser erzeugt werden können.
  • Für viele Anwendungen ultraschneller Faserlaser wird eine Zufuhr ultrakurzer Pulse in einem einzelnen Polarisationszustand gewünscht. 7 veranschaulicht ein generisches System, das derartige Pulse liefern kann. Das System 700 umfasst einen Moden-gekoppelten Faseroszillator 701 und einen Faserverstärker 702, wobei der Oszillator 701 einen gut definierten Polarisationszustand erzeugt, der vorzugsweise linear ist. Der Verstärker 702 umfasst eine die Polarisation beibehaltende Faser und erzeugt vorzugsweise gestreckte (gechirpte) linear polarisierte Pulse.
  • Das System 700 umfasst des weiteren Linsen 703 und 704, welche den Ausgang vom Faserverstärker 702 mit einer Versorgungsfaser 705 koppeln, die vorzugsweise ebenfalls die Polarisation beibehält. Die Dispersion der Versorgungsfaser 705 kann zur Erzeugung von optimal kurzen Pulsen an einem optischen Ziel 706 verwendet werden, das dem Oszillator-Verstärkersystem nachgeordnet ist. Ein optisches System 707 kann zur Abbildung des Ausgangs der Versorgungsfaser 705 auf das Ziel 706 verwendet werden. Um eine erhöhte oder maximale Leistungsbelastung des Faserversorgungssystems zu ermöglichen, ist die Versorgungsfaser 705 vorzugsweise aus einer Faser mit einem Führungsluftloch aufgebaut, wie beispielsweise eine Hohlkernfaser mit photonischer Bandlücke.
  • MOLVs, wie die hier beschriebenen, können zur Erzeugung einer genauen und stabilen Referenzquelle für Standardwellenlängen und -frequenzen verwendet werden. Derartige Standardwellenlängen und -frequenzen können beispielsweise bei zur Forschung verwandten Aktivitäten wie beispielsweise in der Meteorologie oder auch bei anderen Anwendungen verwendet werden. Für derartige Anwendung in der Meteorologie ist die Erzeugung kohärenter optischer Spektren mit einer spektralen Breite einer Oktave und mehr von besonderem Interesse. Die Verwendung eines Moden-gekoppelten Lasers erlaubt die Erzeugung von Kämmen mit gut definierten Frequenzen. Der erzeugte Frequenzkamm wird als gut definiert betrachtet, wenn zwei Freiheitsgrade, d.h. die Wiederholungsfrequenz des Lasers frep und die Offset-Frequenz fceo der Träger-Einhüllenden gemessen oder vorzugsweise auf einen externen Takt stabilisiert werden können. Diesbezüglich wird beispielsweise auf Steven T. Cundiff et al, „Optical Frequency Synthesis Based on Mode-locked Lasers", Rewiew of Scientific Instruments, Vol. 72, Nr. 10, Oktober 2001, S. 3749-3771 sowie auf Steven T. Cundiff et al, „Femtosecond Optical Frequency Combs", Reviews of Modern Physics, Vol. 75, Januar 2003, S. 325-342 verwiesen. Die Frequenz einer Kammlinie kann ausgedrückt werden als f n = n f rep + f ceo
    Figure DE112004002187B4_0002
    wobei n die ganze Zahl ist, die die einzelne Kammlinie identifiziert. Eine Messung und Stabilisierung von fceo ist beispielsweise mit einer Oktave möglich, die eine externe verbreiterte Moden-gekoppelte Laserquelle und ein f - 2f Interferometer überspannt. Modelle für die selbst-referenzierende Stabilisierung von fceo werden beispielsweise in H.R. Telle et al. Appl. Phys. B 69, 327-332 (1999) beschrieben.
  • Frequenzkämme, die eine Oktave überspannen, können durch eine SuperkontinuumErzeugung in nichtlinearen Fasern erzeugt werden. Für industrielle Anwendungen von Frequenzkämmen kann die Erzeugung von Superkontinua aus Moden-gekoppelten Faserlasern oder allgemeinen Wellenleiterlasern besonders vorteilhaft sein. Wie oben beschrieben wurde, erlauben verschiedene, die Polarisation aufrechterhaltende und hochintegrierte Faserlaserkonstruktionen gemäß der vorliegenden Lehre die Erzeugung kohärenter Kontinua.
  • Die 8A und 8B veranschaulichen eine beispielhafte Frequenzkammquelle 800, die ein derartiges die Polarisation aufrechterhaltendes Kontinuum (oder Frequenzkamm) erzeugt. Wie in 8A gezeigt ist, umfasst die Frequenzkammquelle 800 einen die Polarisation aufrechterhaltenden Faseroszillator 801, der nachfolgend in weiteren Einzelheiten mit Bezugnahme auf 8B beschrieben wird. Ein Ausgang vom Oszillator 801 wird über einen Isolator 802 auf einen die Polarisation aufrechterhaltenden Faserverstärker 803 gerichtet. Bei sorgfältig aufgebauten Systemen, wie beispielsweise einigen der oben beschriebenen Faserlasern, kann der Isolator 802 weggelassen werden und es kann ein ähnlicher Schutz des Oszillators vor spontanen Emissionen vom Verstärker durch ein Faser-Bragg-Gitter erreicht werden, das in einigen Fällen sogar lediglich einen geringen Reflexionsgrad besitzt (R≈3%).
  • Für Anwendungen in der Meteorologie werden der Oszillator 801 und der Verstärker 803 vorzugsweise durch zwei verschiedene Pumpquellen gepumpt, die eine unabhängige Steuerung derselben ermöglichen. Es sind andere Konfigurationen möglich. Die Pumpquelle (nicht gezeigt) für den Faserverstärker 803 ist vorzugsweise eine Einzelmoden-Pumpquelle oder umfasst ein sehr niedriges Restrauschen. Die Pumpquelle wird in den Verstärker 803 über einen die Polarisation aufrechterhaltenden Wellenlängenmultiplexkoppler (nicht gezeigt) injiziert. Alternativ kann auch ein Hüllen-gepumpter Faserverstärker realisiert sein. Andere Anordnungen können ebenfalls verwendet werden.
  • Wie in 8A gezeigt ist, ist der Faserverstärker 803 über eine Verbindungsstelle 804 mit einer stark nichtlinearen Faser (HNLF) 805 verbunden. Die stark nichtlineare Faser 805 ist bei verschiedenen Ausführungsformen vorzugsweise aus einer Holey-Faser oder einer Standard Silica-Faser oder unter Verwendung einer Bismuth-oxid-basierten optischen Glasfaser aufgebaut. Die Dispersion der stark nichtlinearen Faser 805 liegt bei bestimmten Konstruktionen bei der Emissionswellenlänge des Oszillators 803 vorzugsweise nahe bei null. Sogar noch bevorzugter ist das Dispersionsprofil abgeflacht, d.h. die Dispersion dritter Ordnung der Faser 805 liegt ebenfalls näherungsweise nahe an Null. Die stark nichtlineare Faser 805 muss die Polarisation nicht beibehalten, da sie relativ kurz ist (mit einer Länge in der Größenordnung einiger cm), wodurch ein langfristig Polarisations-stabilisierter Betrieb ermöglicht wird. Die Länge der stark nichtlinearen Faser 805 wird vorzugsweise unter ungefähr 20 cm gewählt, um die Kohärenz des erzeugten Kontinuums zu bewahren. Jedoch sind andere Konstruktionen möglich.
  • Der (Kontinuum) Ausgang von der stark nichtlinearen Faser 805 wird über eine Verbindungsstelle 806 in einen Wellenlängenmultiplexkoppler 807 injiziert. Der Koppler 807 richtet die langwelligen und kurzwelligen Komponenten vom Kontinuum zu einem langwelligen Kopplerarm 808 bzw. einem kurzwelligen Kopplerarm 809. Die langwelligen Komponenten werden nachfolgend unter Verwendung beispielhafter Linsen 810, 811, 812, 813 sowie eines Dopplerkristalls 818 frequenzverdoppelt. Nach dem Frequenzverdoppeln umfasst der resultierende Ausgang vorzugsweise im wesentlichen dieselbe Wellenlänge wie zumindest ein Teil der sich im Arm 809 ausbreitenden kurzwelligen Komponenten. Zusätzliche optische Elemente 815 und 816 können in die Strahlwege der Arme 808 und 809 zur spektralen Filterung, Einstellung der optischen Verzögerung sowie der Polarisationskontrolle eingefügt werden. Spektrale Filterungselemente werden zur Maximierung des spektralen Überlapps der sich in den Armen 808 und 809 ausbreitenden Signale ausgewählt. Als ein weiteres Beispiel kann das optische Element 815 geeignete Wellenlängen-Plättchen umfassen, mit welchen der Polarisationszustand des Lichtes vor dem Dopplerkristall 814 gesteuert wird.
  • Das frequenzverdoppelte Licht vom Arm 808 und das Licht vom Arm 809 werden nachfolgend in einem die Polarisation beibehaltenden Koppler 817 kombiniert, der vorzugsweise ein Aufteilungsverhältnis von 50/50 aufweist. Das Schwebungssignal aus der Interferenz der in den Koppler 817 injizierten beiden Strahlen wird von einem Detektor 818 erfasst. Das Schwebungssignal steht in Beziehung zur Offset-Frequenz fceo der Träger-Einhüllenden. Das Radiofrequenz-(RF)-Spektrum des Detektorsignals umfasst spektrale Komponenten um fn,rep = n frep, die zur Wiederholungsfrequenz des Lasers in Beziehung stehen, und um fn,m,Schwebung = n frep + m fceo, die zum Schwebungssignal zwischen der Wiederholungsfrequenz frep und der Offset-Frequenz fceo der Träger-Einhüllenden in Beziehung stehen. In beiden Fällen gibt die ganze Zahl n die Nummer der Harmonischen an und weist m den Wert von -1 oder +1 auf.
  • Wie in 8A gezeigt ist, kann eine gewählte Harmonische des Schwebungssignals bei der Frequenz fn,m,Schwebung über eine elektrische Rückkopplungsschaltung 819 zum Oszillator 801 gerichtet werden und liefert die notwendige Rückkopplung, um eine Steuerung der Offset-Phase der Träger-Einhüllenden zu ermöglichen. Eine gewählte Harmonische des Wiederholungssignals bei fn,rep kann in einer ähnlichen Weise zur Steuerung der Wiederholungsfrequenz des Oszillators 801 verwendet werden.
  • Um das Rauschen des Schwebungssignals zu minimieren und die Amplitude des Schwebungssignals zu maximieren, können zusätzliche Elemente verwendet werden. Um die Leistung des frequenzverdoppelten Lichtes zu erhöhen oder zu optimieren basiert der Dopplerkristall 814 beispielsweise bei verschiedenen Ausführungsformen vorzugsweise auf einem periodisch gepolten Material, wie beispielsweise einem periodisch gepolten LiNbO3 (PPLN). Die Länge des Kristalls 814 wird vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 3-75 mm gewählt, um die spektrale Bandbreite des frequenzverdoppelten Signals zu minimieren. Drei-Wellen-Mischen im PPLN erhöht die Akzeptanzbandbreite für die Frequenzverdopplung deutlich, während gleichzeitig ein Ausgang mit schmaler Bandbreite sichergestellt wird. Ein derartiger Effekt wird im US-Patent 5 880 877 A von Fermann et al offenbart. Die Erzeugung eines Ausgangssignals mit schmaler Bandbreite reduziert die Anzahl der in die Erzeugung einer Offset-Frequenz-Schwebung der Träger-Einhüllenden involvierten Frequenzkomponenten und verstärkt das Signal-Rausch-Verhältnis des Schwebungssignals.
  • Das Schwebungssignal kann durch Sicherstellen eines zeitlichen Überlapps zwischen den auf den Detektor 818 auftreffenden interferierenden Pulsen weiter erhöht oder maximiert werden. Ein erhöhter zeitlicher Überlapp kann durch eine Einstellung der Länge des Kopplerarms 809 erreicht werden. Alternativ können zusätzliche Glas (oder Halbleiter)-plättchen (beispielsweise am optischen Element 815) in die optischen Strahlwege eingefügt werden, um ähnliche Ergebnisse zu erhalten.
  • Ein optisches Element 816 kann in einen optischen Weg eingefügt werden, nachdem die beiden Arme 808, 809 kombiniert wurden. Die optischen Elemente 816 und 816a können in den Arm 809 und den kombinierten Signalarm vor dem Detektor 818 eingefügt werden, der einen engen Bandpassfilter umfassen kann, mit dem die spektrale Breite des durch den Arm 809 übertragenen Signals verringert wird. Eine derartige Filterung kann das Rauschen des Schwebungssignals reduzieren oder minimieren und auch eine Sättigung des Detektors 818 verhindern. Zweckmäßige schmale Bandpassfilter können beispielsweise aus Fasergittern, Bulk-Gittern oder dielektrischen Filtern aufgebaut sein.
  • Die spektrale Radiofrequenz-(RF)-Breite des Schwebungssignals im Verhältnis zur Offset-Phasenverschiebung (slip) der Träger-Einhüllenden kann auf mehrere Arten reduziert oder minimiert werden. Eine Art besteht in der Einbeziehung eines Fasergitters sowie eines die Bandbreite-begrenzenden Elementes in den Faseroszillator.
  • Eine andere Methode zur Reduktion der spektralen RF-Breite des Schwebungssignals besteht darin, den Beitrag von Raman-Prozessen im Kontinuum-Ausgang zu reduzieren. Dieses Ziel kann beispielsweise durch Verwenden eines kurzen Stücks einer nichtlinearen Faser, die ein stark nichtlineares, auf Bismuth-Oxid basierendes optisches Glas mit einer Dispersion umfasst, die ungleich Null, vorzugsweise eine positive Dispersion bei der Emissionswellenlänge des Lasers ist, zur Erzeugung des Kontinuums erreicht werden.
  • Eine andere Art, die spektrale RF-Breite des Schwebungssignals zu reduzieren oder zu minimieren, besteht in der Reduktion der Dispersion des Kern-(seed)-Oszillators. Bei Vorliegen einer geringen Oszillatordispersion ist das Phasenrauschen und folglich der zeitliche Jitter des Oszillators reduziert oder minimiert, wodurch wiederum die Änderung der Schwebungsfrequenz der Träger-Einhüllenden reduziert oder minimiert wird. Für derartige Faseroszillatoren liegt die Oszillatordispersion vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr (-10000 bis +2.500 fs2) × L, wobei L die Intrakavitätsfaserlänge ist. Für einen Fabry-Perot-Oszillator, der bei einer Wiederholungsfrequenz von 50 MHz betrieben wird und eine Intrakavitätfaserlänge von L = 2m aufweist, sollte die Oszillatordispersion vorzugsweise in einem Bereich zwischen ungefähr -20000 fs2 und 5000 fs2 liegen.
  • Zur Erzeugung eines optischen Ausgangs der Frequenzkammquelle, der beispielsweise für ein Frequenzmeteorologieexperiment verwendet wird, kann ein Teil des Frequenzkamms an einer Stelle 818B hinter der stark nichtlinearen Faser oder von einer Stelle 818A hinter dem Koppler 817 und dem Interferometer ausgekoppelt werden. Der Ausgang kann beispielsweise mit optischen Breitbandfaserkopplern oder mit optischen WDM-Faserkopplern ausgekoppelt werden, wenn beispielsweise lediglich ein bestimmter spektraler Teils des Kamms verwendet wird. Andere Arten von Ausgangskopplern, wie beispielsweise eine Bulk-Optik oder Faser-Bragg-Gitter können ebenfalls verwendet werden. Der optische Ausgang kann auch an einer Stelle 818D hinter dem Oszillator oder an einer Stelle 818C hinter dem Verstärker ausgekoppelt werden, wenn beispielsweise lediglich der spektrale Teil der Oszillator- oder der Verstärkerbandbreite des Kamms gewünscht wird.
  • Der Betrag und der Wellenlängenbereich des ausgekoppelten optischen Signals wird vorzugsweise so gewählt, dass die vom Detektor 818 erhaltenen Schwebungssignale ein ausreichend hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen, um eine effektive Rückkopplungsschleife 819 zu gewährleisten.
  • 8B veranschaulicht eine mögliche Ausführungsform des oben unter Bezugnahme auf 8A beschriebenen Oszillator 801. Ein derartiger Aufbau erleichtert die Erzeugung gut definierter Frequenzkämme. Der Aufbau ist sehr ähnlich zum oben unter Bezugnahme auf 1C und 2 beschriebenen Aufbau und die Verwendung eines Fasergitters ermöglicht eine besonders kompakte Konstruktion.
  • Der Oszillator 801 umfasst ein sättigbares Absorbermodul 820, das eine Kollimationslinse 821 bzw. eine Fokussierungslinse 822 umfasst. Das sättigbare Absorbermodul 820 umfasst des Weiteren einen sättigbaren Absorber 823, der vorzugsweise an einem ersten piezoelektrischen Transducer 824 montiert ist. Der erste piezoelektrische Transducer 824 kann moduliert werden, um beispielsweise die Wiederholungsfrequenz des Oszillators 801 zu steuern.
  • Der Oszillator 801 umfasst des Weiteren eine Oszillatorfaser 825, die vorzugsweise auf einen zweiten piezoelektrischen Transducer 826 gewickelt ist. Der zweite piezoelektrische Transducer 826 kann zur Steuerung der Wiederholungsfrequenz des Oszillators 801 moduliert werden. Die Oszillatorfaser 825 erhält vorzugsweise die Polarisation aufrecht und umfasst eine positive Dispersion, obwohl der Aufbau darauf nicht beschränkt ist. Die Dispersion der Oszillatorkavität kann durch ein Fasergitter 827 kompensiert werden, das vorzugsweise eine negative Dispersion aufweist und auch zur Ausgangskopplung verwendet wird. Es ist verständlich, dass auch ein Fasergitter mit einer positiven Dispersion und eine Kavitäts-Faser mit negativer Dispersion ebenfalls realisiert werden können. Des Weiteren kann das Fasergitter 827 die Polarisation aufrecht oder nicht aufrecht erhalten.
  • Ein Ausgang mit linearer Polarisation vom Oszillator 801 kann unter Verwendung geeigneter Spleißtechniken erhalten werden, wie oben unter Bezugnahme auf 1C erläutert wurde und wie auch in der US 2005 / 0 018 714 A1 erläutert ist.
  • Ein Fasergitter wird im Vergleich zu einem Faserstück als ein Element zur Dispersionskompensation bei verschiedenen Ausführungsformen bevorzugt, da ein Fasergitter eine im Wesentlichen lineare Dispersionskompensation sowie eine Bandbreitenlimitierung ermöglicht. Eine lineare Dispersion wird in einem optischen Element vorgesehen, das im Wesentlichen keine nicht-linearen Verzerrungen erzeugt. Eine optische Faser erzeugt beispielsweise auch eine Dispersion. Jedoch ist eine Faser viel länger und daher unterliegen die sich in der Faser ausbreitenden Pulse nicht-linearen Verzerrungen. Im Gegensatz dazu ist ein Fasergitter relativ kurz und es können beliebige nicht-lineare Verzerrungen vernachlässigt werden (zumindest für die mit einem modengekoppelten Oszillator erreichbaren Leistungspegel). Eine Reduzierung der Bandbreite des Lasers reduziert den Betrag des zeitlichen Jitters im Innern des Lasers und die lineare Dispersionskompensation ermöglicht einen stabileren Laserbetrieb mit einer höheren Pulsenergie im Innern der Kavität.
  • Anstelle eines Fasergitters könnte auch ein Bulk-Gitter-Dispersionskompensationselement (nicht gezeigt) in die Kavität integriert sein. Beispielsweise könnte ein Bulk-Gitter-Dispersionskompensationselement, das zwei parallele Bulk-Gitter umfasst, zwischen den Linsen 821 und 823 in das sättigbare Absorbermodul 820 integriert sein. Darüber hinaus könnte auch ein optischer Bandpassfilter (nicht gezeigt) als eine Alternative zur Bandbreitenbegrenzung durch das Fasergitter in die Kavität integriert sein. Beispielsweise könnte ein derartiger Filter auch zwischen den Linsen 821 und 823 angeordnet sein. Andere Konstruktionen und der Gebrauch anderer dispersiver Komponenten sind ebenfalls möglich.
  • Das Pumplicht für den Oszillator 801 kann über einen die Polarisation aufrecht erhaltenden Wellenlängen-Multiplexkoppler 828 von einem Kopplerarm 829, der an einer vorzugsweise einmodigen Pumpdiode 830 befestigt ist, geleitet werden. Der Pumpstrom für die Pumpdiode 830 kann moduliert sein, um die Schwebungssignalfrequenz und die Offset-Frequenz der Träger-Einhüllenden unter Verwendung einer auf dem Signal bei einer gewählten Frequenz fn,m,Schwebung oder f (n,m,Schwebung) vom Detektor 818 basierenden Rückkopplung zu stabilisieren. Diese gewählte Frequenz f (n,m,Schwebung) kann vom Detektorsignal unter Verwendung eines RF-Bandpassfilters isoliert sein, der andere Harmonische von fn,m,Schwebung oder fn,rep zurückweist.
  • Die 8C-D veranschaulichen einige der Ansätze zur Verwendung der Schwebungssignalfrequenz zur Kontrolle der Wiederholungsfrequenz sowie der Offset-Frequenz der Trägereinhülllenden. Wie in 8C gezeigt ist, kann ein Pumpstrom 840 verändert werden, wobei eine Änderung des Pumpstroms eine Änderung der Schwebungssignalfrequenz und insbesondere der Offset-Frequenz der Trägereinhüllenden bewirken kann. Diese Abhängigkeit kann verwendet werden, um die Schwebungssignalfrequenz (z.B. n frep + m fceo) auf einen externen Takt auf ähnliche Weise, wie ein spannungsgesteuerte Oszillator bei einer herkömmlichen Phasenregelungsschleife verwendet werden kann, phasenzukoppeln. Dieser externe Takt kann beispielsweise einen Rb-Takt umfassen, der eine 10MHz-Referenzphase liefert, die auf einen Rb-Mikrowellenübergang verriegelt ist. Der Takt und die Referenz können mit einem Frequenzsynthesizer gekoppelt sein, der die geeignete Frequenz für einen Phasendetektor liefert, der die Frequenz vom Synthesizer auf die Schwebungssignalfrequenz verriegelt. Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen kann die Schwebungssignalfrequenz multipliziert, dividiert oder auf andere Weise entsprechend bearbeitet werden, um eine Verriegelung auf eine Referenz zu erleichtern. Die Taktreferenz zur Phasenverriegelung fceo kann auch eine Harmonische oder Sub-Harmonische der Wiederholungsfrequenz des Oszillators frep sein. Unter Verwendung dieses Schemas kann eine Frequenzkammlinie auf eine stabile optische Frequenz verriegelt werden und die Wiederholungsfrequenz des Oszillators kann als ein RF-Signal verwendet werden, das dann auf die optische Referenz (optischer Takt) frequenzverriegelt wird.
  • Wie in den 8D und 8E gezeigt ist, kann die absolute Position der fceo durch Anpassen der Temperatur des Fasergitters 827 mit einem Heizelement 824 gesteuert werden. Alternativ kann ein an das Fasergitter 827 angelegter Druck ebenfalls dazu verwendet werden, die fceo unter Verwendung von beispielsweise einem piezoelektrischen Transducer 844 einzustellen. Da der an das Fasergitter 827 angelegte Druck sehr schnell moduliert werden kann, kann die Modulation des Drucks am Gitter 827 auch zur Phasenverriegelung fceo auf einen externen Takt verwendet werden. Langsamere Driften von fceo können dann durch zusätzliches Variieren der Temperatur des Fasergitters 827 gesteuert werden, wobei vorzugsweise sichergestellt wird, dass die Modulation des Laserdiodenstroms im Wesentlichen immer im Modenkopplungsbereich des Oszillators 801 bleibt. Vorzugsweise ist ein derartiges Gitter 827, das durch Anwenden von Druck oder Temperaturänderungen zur Einführung steuerbarer Beträge einer Phasenverschiebung und um dadurch fceo zu steuern, verwendet wird, gechirpt.
  • Wie in 8B gezeigt ist, kann die Abhängigkeit der Wiederholungsfrequenz des Lasers von der Spannung bei den piezoelektrischen Transducern 826 und 824 zur Phasenverriegelung einer gewählten Harmonischen fn,rep des Photodetektorsignals auf einen externen Takt verwendet werden. Derartige Transducer verändern vorzugsweise die Kavitätslänge und passen dadurch die Wiederholungsfrequenz fn,rep an. Die Transducer können jedoch auch die fceo beeinflussen. Beispielsweise kann das Anlegen von Druck an die Faser eine Belastung hervorrufen, durch die der Brechungsindex und die Dispersion der optischen Faser verändert werden. Daraus folgende Änderungen der Phase können fceo verschieben. Mit mehreren Rückkopplungsschleifen für fn,rep und fceo kann jedoch die Abhängigkeit sowohl von fn,rep als auch fceo von dem durch die Transducer gelieferten Stimulus entkoppelt werden. Die Entkopplung kann durch Betreiben der Rückkopplungsschleifen bei einer anderen Bandbreite oder durch Verwendung einer Orthogonalisierungsschaltung erreicht werden. Andere Techniken zur Entkopplung können ebenso verwendet werden.
  • Obwohl oben mehrere Konfigurationen zur Steuerung von fceo und frep basierend auf einer Rückkopplung vom Interferometer beschrieben wurden, sind andere Ansätze möglich. Beispielsweise können anstelle eines Variierens der Pumpleistung zum Oszillator, um die Selbstphasenmodulation zu variieren und dadurch die Phase zu beeinflussen, um fceo einzustellen, andere Mechanismen, die die Phase beeinflussen, ebenso eingesetzt werden. Andere Komponenten können im Weg des Signals angeordnet sein, um eine steuerbare Phasenänderung einzuführen. Andere Techniken zum Variieren von frep können ebenso verwendet werden. Es können auch mehrere Rückkopplungsschleifen mit unterschiedlichen Reaktionszeiten verwendet werden, um eine wirksame Steuerung zu gewährleisten.
  • 8A und 8B beschreiben den grundlegenden Aufbau einer auf einem phasenverriegelten Faserlaser mit niedrigem Rauschen zur Frequenzmetrologie basierenden Frequenzkammquelle. Mehrere Abwandlungen an diesem grundlegenden Aufbau können einfach realisiert werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
  • 8F veranschaulicht eine Ausführungsform einer auf einer Faser basierenden Kontinuumsquelle 850, bei der der Verstärker (803 in 8A) weggelassen ist. Da die Erzeugung des Kontinuums eine Pulsenergie von etwa 1 nJ umfassen kann, kann bei einer derartigen auf einer Faser basierenden Kontinuumsquelle der Verstärker 803 weggelassen werden. Im Vergleich zu einem Oszillator-Verstärkersystem kann eine absolute Phasenverriegelung bei einem lediglich einen Oszillator umfassenden System stabiler sein und daher bei bestimmten Anwendungen bevorzugt sein. Bei der beispielhaften Kontinuumsquelle 850 werden Pulse unter 200 fs mit hoher Qualität vorzugsweise in eine stark nicht lineare Faser 854 injiziert (805 in 8A). Um derartige kurze Pulse zu erzeugen, erzeugt die Nur-Oszillator-Kontinuumsquelle 850 vorzugsweise positiv ge-chirpte Pulse im Oszillator 801, die vor einer Injektion in die stark nicht lineare Faser 854 in einer geeigneten Länge einer Faser mit negativer Dispersion 852 komprimiert werden. Für die Nur-Oszillator-Kontinuumsquelle 850 wird der Verstärker somit durch die Faser 852 mit negativer Dispersion ersetzt. Eine derartige Faser mit negativer Dispersion kann beispielsweise mit einer herkömmlichen Silika-Faser, einer Holey-Faser oder Faser mit photonischen Bandlücke aufgebaut sein. Sogar die Oszillator-Verstärker-Kontinuumsquelle 800 aus 8A kann vom Einfügen einer Länge einer Dispersionskompensationsfaser (in 8A nicht gezeigt) vor der Injektion in die stark nicht lineare Faser 805 profitieren.
  • Wie in 8F gezeigt ist, umfasst die Nur-Oszillator-Kontinuumsquelle 850 ein Interferometer 856, das die beiden Frequenzkomponenten interferiert, wie oben beschrieben wurde. Das Interferometer 856 kann ähnlich dem in 8A gezeigten zweiarmigen Interferometer sein (basierend auf Fasern oder äquivalenten Bulk-Optikkomponenten) oder kann einem nachfolgend beschriebenen einarmigen Interferometer ähnlich sein. Der Ausgang des Interferometers 856 kann von einem Detektor 858 erfasst werden und ausgewählte Signale vom Detektor 858 können zur Rückkopplungssteuerung 860 in einer ähnlichen Weise, wie sie oben unter Bezugnahme auf 8A-8E beschrieben wurde, verwendet werden.
  • 8G veranschaulich ein beispielhaftes einarmiges Interferometer 870. Ein derartiges Interferometer kann durch Entfernen eines der Arme (Arm 809 in 8A) und Modifizieren des verbleibenden Arms erhalten werden. Wie in 8G gezeigt ist, umfasst das Interferometer 870 einen Gruppenverzögerungskompensator 872 Inline mit einem Dopplerkristall 874. Der Gruppenverzögerungskompensator 872 empfängt ein Kontinuumsignal von einer vorgeschalteten stark nicht linearen Faser und gewährleistet, dass die frequenzverdoppelten und nicht frequenzverdoppelten spektralen Komponenten vom Kontinuum, die vom Dopplerkristall ausgegeben werden, sich zeitlich überlappen. Darüber hinaus, da die verdoppelten und nicht verdoppelten spektralen Komponenten so gewählt werden, dass sie sich bezüglich der optischen Frequenz überlappen, interferieren diese Komponenten und das Interferenzsignal wird mit einem nachgeschalteten Detektor erfasst.
  • Bei dem beispielhaften einarmigen Interferometeraufbau aus 8G kann der zeitliche Überlapp der der beiden interferierenden Signale durch den Gruppenverzögerungskompensator 872 gesteuert werden, der die Gruppenverzögerung der verdoppelten und nicht verdoppelten Frequenzkomponenten, die während der Ausbreitung in der stark nicht linearen Faser und im Dopplerkristall entsteht, kompensiert. Der Gruppenverzögerungskompensator 872 liefert eine geeignete negative Gruppenverzögerung. Falls beispielsweise die Dispersion so ist, dass die Gruppengeschwindigkeit der frequenzverdoppelten Komponenten die Gruppengeschwindigkeit der nicht verdoppelten Frequenzkomponenten übersteigt, umfasst der Gruppenverzögerungskompensator vorzugsweise ein Medium mit einer entgegengesetzten Dispersion, so dass die Gruppengeschwindigkeit der frequenzverdoppelten Frequenzen niedriger ist als die der nicht verdoppelten Frequenzkomponenten, um eine geeignete Kompensation zu liefern. Vorzugsweise wird eine geeignete Phasenverzögerung bereitgestellt, so dass die frequenzverdoppelten Pulse und die nicht frequenzverdoppelten Pulse sich zeitlich wesentlich überlappen, um eine erhöhte oder maximale Interferenz zu erhalten. Dieser Gruppenverzögerungskompensator kann durch eine oder mehrere Komponenten implementiert werden, die beispielsweise eine dispersive optische Faser, Wellenleiter oder andere durchlässige oder reflektierende optische Elemente umfassen. Beim Gebrauch dispersiver optischer Fasern oder Wellenleiter können diese Elemente direkt auf die stark nicht lineare Faser gespleißt sein, wodurch ein kompakter Aufbau sichergestellt wird.
  • Bei dem beispielhaften einarmigen Interferometeraufbau aus 8G kann die Versorgungsfaser zum Photodetektor weggelassen werden. Jedoch wird eine Faserversorgung bevorzugt, um einen räumlichen Überlapp der beiden interferierenden Signale zu erleichtern.
  • Bei einem beispielhaften Aufbau (Aufbaubeispiel Nr. 3), der der Superkontinuumerzeugung und der absoluten Phasenkopplung gemäß 8 entspricht, liefert der Oszillator positiv gechirpte Pulse von ungefähr 2 ps mit einer Bandbreite von ungefähr 20 nm bei einer Wiederholungsfrequenz von ungefähr 51 MHz und einer Wellenlänge von ungefähr 1,56 µm. Die Oszillatorfaser 825 umfasst eine ungefähr 1 m lange Er-dotierte Faser mit einer Dispersion von ungefähr +70000 fs2/m. Das Fasergitter 827 umfasst eine Dispersion von ungefähr 100000 fs2 und eine Reflexionsbandbreite von ungefähr 40 nm, die um eine Wellenlänge von ungefähr 1560 zentriert ist. Das Reflexionsvermögen des Gitters ist ungefähr 10%. Ein zusätzlicher näherungsweise 1 m langer Fasergitter-Pigtail mit einer Dispersion von ungefähr -20000 fs2/m bildet einen Teil der Oszillatorkavität 801. Die Gesamtkavitätsdispersion beträgt somit ungefähr ≈ 0 fs2 und ist wesentlich kleiner als die absolute Dispersion der verschiedenen Kavitätselemente.
  • Beim Betriebsbeispiel (Aufbaubeispiel Nr. 3) werden eine die Polarisation nicht aufrecht erhaltende Oszillatorfaser sowie die Polarisation nicht aufrecht erhaltende Faserkoppler verwendet. Daher sind ein zusätzliches Wellenlängenplättchen und ein drehbarer Polarisator zwischen die Linsen 821 und 822 eingefügt (der Polarisator neben der Linse 822 und das Wellenlängenplättchen neben der Linse 821). Das Hinzufügen einer Polarisationssteuerung erlaubt des Weiteren die Ausnutzung der Entwicklung der nicht linearen Polarisation im Innern des Lasers zur Stabilisierung des modengekoppelten Betriebs. Zusätzliche Informationen über die Entwicklung der nicht linearen Polarisation in Faserlasern ist im US-Patent 5,689,519 von Fermann et al zu finden.
  • Der sättigbare Absorber 823 ist im Wesentlichen ähnlich zu dem oben unter Bezugnahme auf das Betriebsaufbaubeispiel Nr. 2 beschriebenen. Hier kann aufgrund der kurzen Lebensdauer des sättigbaren Absorbers 823 die Entwicklung der nicht linearen Polarisation auch ein nicht linearer Begrenzungsmechanismus verwendet werden, der das Rauschen des Oszillators 801 und das Rauschen der erzeugten Offset-Frequenz der Trägereinhüllenden weiter reduziert. Der Oszillator 801 kann mit einer Leistung bis zu ungefähr 500 mW gepumpt werden.
  • Der Verstärker 803 umfasst eine Länge von ungefähr 1 m, eine Dispersion von ungefähr - 20000 fs2/m und einen Kerndurchmesser von ungefähr 9 µm, um die Nicht-Linearität des Verstärkers 803 zu minimieren. Der Verstärker 803 behält bei diesem Arbeitsbeispiel die Polarisation aufrecht. Der Verstärker 803 wird mit einer Leistung bis zu ungefähr 400 mW gepumpt.
  • Hinter dem Verstärker 803 werden Pulse von näherungsweise unter 70 fs mit einer durchschnittlichen Leistung von bis zu ungefähr 120 mW erzielt. Die verstärkten Pulse werden in die stark nicht lineare Faser 805 injiziert. Die Länge der Faser 805 beträgt ungefähr 10 cm und die Faser 805 umfasst eine Dispersion zweiter Ordnung von weniger als ungefähr 2000 fs2/m, wobei ein Bereich von -5000 fs2/m bis + 2000 fs2/m bevorzugt wird. Die stark nicht lineare Faser 805 liefert ein kohärentes Kontinuum, das einem Bereich von näherungsweise 1100-2300 nm überspannt.
  • Zur Frequenzverdopplung des Lichts mit einer Wellenlänge von ungefähr 2200 nm, wird ein PPLN-Kristall 814 mit einer Länge von ungefähr 4 nm verwendet. Das nicht verdoppelte Licht bei ungefähr 1100 nm vom Interferometerarm 809 und das verdoppelte Licht vom Arm 808 werden kombiniert und im Koppler 817 zeitlich überlappt. Das resultierende Offset-Frequenz-Schwebungssignal der Trägereinhüllenden umfasst eine spektrale Breite von ungefähr 200 kHz, wodurch eine absolute Phasenverriegelung des Oszillators 801 über eine Modulation des Pumpstroms zum Oszillator 801 mit einer Phasenregelungsschleife mit einer Bandbreite von ungefähr 300 kHz ermöglicht wird.
  • 9A veranschaulicht eine typische Messung eines Offset-Frequenz-Schwebungssignals der Trägereinhüllenden. Hier sind sowohl die zur Wiederholungsfrequenz des Lasers bei ungefähr 51 MHz in Beziehung stehende Frequenz als auch die Schwebungssignale bei ungefähr 47 MHz und 55 MHz gezeigt. Die spektrale Breite des Schwebungssignals bei weniger als ungefähr 200 kHz ist vergleichbar mit den Breiten, die mit Frequenzkammquellen erzielt werden, die auf herkömmlichen Ti: Sapphire-Lasern basieren. Somit veranschaulicht dieses Ergebnis weiter den einzigartigen Nutzen von Faser-basierten Superkontinuumquellen. Der durch Verpacken einer auf Faserlasern basierenden Frequenzkammquelle erzielte signifikante Vorteil deckt sich nicht mit einer Reduzierung der Präzision. Die Erzeugung eines Offset-Frequenz-Schwebungssignals der Trägereinhüllenden mit schmaler Bandbreite ist für die langfristige Stabilität und Genauigkeit der mit einem modengekoppelten Faserlaser, der eine absolute Phasenkontrolle miteinbezieht, erzeugten Frequenzkämme.
  • 9B veranschaulicht ein beispielhaftes RF-Spektrum einer oben unter Bezugnahme auf 8A beschriebenen Frequenzkammquelle mit einer verriegelten Offset-Frequenz der Trägereinhüllenden. Hier ist die Offset-Frequenz der Trägereinhüllenden bei etwa 60 MHz auf einen Frequenzstandard bei ungefähr 10 MHz verriegelt, der auf dem Rb-Atomübergang verriegelt ist. Ein weiterer Frequenzsynthesizer ist auf diesen Frequenzstandard verriegelt, um das Referenzsignal bei ungefähr 60 MHz zu liefern. Verschiedene in 9B gezeigte RF-Auflösungsbandbreiten (RBW) veranschaulichen weiter den Unterschied zwischen einer verriegelten Offset-Frequenz der Trägereinhüllenden im Vergleich zu einer nicht verriegelten Offset-Frequenz der Trägereinhüllenden, wie sie in 9A gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass verschiedene Auflösungsbandbreiten lediglich an der 60 MHz zentrierten Spitze realisiert sind. Die schmale spektrale Spitze wurde mit einer Auflösungsbandbreite von 1 Hz erzielt und umfasst eine Intensität von bis zu -70 dBm/Hz. Der Boden des Rauschens für das 60 MHz-Signal wurde bei etwa -112 dBm/Hz beobachtet und wurde mit einer Auflösungsbandbreite von 100 kHz gemessen. Der Boden des Rauschens ist derselbe, der bei der sich bei 40 MHz befindenden Spitze beobachtet wurde. In 9B kann der Übergang von einer Auflösungsbandbreite von 1 Hz zu 100 kHz nicht unterschieden werden.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird die Erzeugung eines Schwebungssignals schmaler Bandbreite durch die Verwendung einer Oszillator-Kavität mit geringer Dispersion in Verbindung mit dem Gebrauch eines Bandpassfilters deutlich erhöht. Dieses Konzept ist weiter in 10A dargestellt. Ein Faseroszillator 1000 umfasst einen Bereich von Intrakavitätsfasern 1001, 1002 (wovon zur Vereinfachung lediglich zwei gezeigt sind) mit unterschiedlichen Dispersionseigenschaften.
  • Zusätzliche Kavitätselemente umfassen ein Element 1003, das eine Pumpinjektion und auch eine Auskopplung zulässt. Ein derartiges Element kann beispielsweise einen Faserkoppler umfassen, um Pumplicht in die Kavität zu richten, sowie einen zusätzlichen Koppler, um ein Ausgangssignal aus der Kavität und zu den anderen Systemkomponenten zu richten.
  • Das sättigbare Absorberelement 104 kann verwendet werden, um eine passive Modenkopplung zu injizieren. Ein Element 1005 umfasst einen Bandpassfilter. Ein Element 1006 kann ein Element sein, dass eine Polarisationskontrolle zulässt, und kann einen Polarisator sowie zwei drehbare Wellenlängenplättchen umfassen, wobei sich der Polarisator näher an einem Reflektor 1007 befindet.
  • Sowohl mit einem Faser-Pigtail versehene Kavitätskomponenten als auch Bulk-optische Kavitätskomponenten können in der Kavität 1000 verwendet werden. Obwohl die Kavität 1000 als eine Fabry-Perot-Kavität gezeigt ist, ist auch ein Aufbau als Ringkavität möglich. Vorzugsweise wird ein Bandpassfilter mit einer Einstellung der gesamten absoluten Kavitätsdispersion von weniger als ungefähr (10000 fs2) × L einbezogen, wobei L die Intra-Kavitäts-Faserlänge ist. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Dispersion beispielsweise ungefähr 20000 fs2 oder weniger, ungefähr 10000 fs2 oder weniger, oder ungefähr 5000 fs2 oder weniger betragen, obwohl die Bereiche darauf nicht beschränkt sein sollen.
  • Das Rauschen derartiger Faseroszillatoren für die Frequenzmetrologie kann allgemein durch die Implementierung von Diodenpumplasern mit geringem Rauschen reduziert oder minimiert werden. Derartige Diodenpumplaser mit geringem Rauschen sind durch eine geringe Rest-Rausch-Intensität (RIN) gekennzeichnet. Hochleistungsquellen können ein RIN-Rauschen von ungefähr -150 dB/Hz und weniger liefern. Im Vergleich dazu kann eine Gitterstabilisierte Standardpumpquelle ein RIN-Rauschen von ungefähr -130 dB/Hz erzeugen. Derartige Pumpquellen wurden für vorwärts gepumpte Faser-Raman-Verstärker entwickelt und können die Leistungsfähigkeit faserbasierter Frequenzstandards wesentlich verbessern. Es ist zu beachten, dass aufgrund eines großen Frequenzabstands der Moden bei diesen Pumpquellen von mehr als ungefähr 10 GHz derartige Pumpquellen mit geringem RIN-Rauschen nicht im Einzelmoden-Betrieb sind. Eine Schwebung zwischen den Moden hat aufgrund der langen Er-Lebensdauer (10 Millisekunden), wodurch derartige hochfrequente Modulationen gemittelt werden, im Wesentlichen keine ungünstige Auswirkung auf die Stabilität eines Erbasierenden Lasers.
  • 10B veranschaulicht eine weitere Ausführungsform einer Kavität 1008, wo anstelle von Fasern mit unterschiedlichen Dispersionscharakteristiken ein Bulk-Dispersionskompensationselement im Innern eines dispersionskompensierten Faserlaser umfasst sein kann, der sich zur Präzisionsmetrologie eignet. Die Kavität 1008 umfasst ähnliche Elemente 1001, 1003, 1004, 1005, 1006 und 1007 wie die oben mit Bezugnahme auf 10A beschriebene Kavität 1000. Die Kavität 1008 umfasst des Weiteren ein zusätzliches Dispersionskompensationselement 1009, wie beispielsweise ein Gitter oder ein Prismenpaar. Zusätzlich können auch eines oder mehrere Gires-Tournois-Interferometer oder dispersive Spiegel verwendet werden, um eine Dispersionskompensation zu erreichen. Andere Konfigurationen sind auch möglich.
  • Sowohl das Gires-Tournois-Interferometer als auch der dispersive Spiegel können anstelle des Reflektorelements 1007 verwendet werden. Der Gebrauch der dispersiven Spiegel und von Gires-Tournois-Interferometern erweist sich für Intrakavitätsfaserlängen von weniger als ungefähr 10 cm besonders praktisch. Somit können derartige Systeme für auf Fasern oder allgemein auf Wellenleitern basierende optische Kammquellen verwendet werden, die mit Pulsen mit Wiederholungsfrequenzen von ungefähr 1 GHz und höher arbeiten. Bei Wiederholungsfrequenzen von ungefähr 1 GHz ist eine Verwendung von dispersionskompensierten Wellenleiterkavitäten für Frequenzkammquellen aufgrund der reduzierten Dispersion derartiger kurzer Kavitäten im Vergleich zu einer Kavität, bei der eine Wellenleiterlänge in der Größenordnung von ungefähr 2 m verwendet wird, nicht notwendig. Somit kann bei auf Wellenleitern basierenden Frequenzkammquellen mit hoher Wiederholungsfrequenz, wie in 10B gezeigt ist, das Dispersionskompensationselement (wie beispielsweise die dispersiven Spiegel, die Gires-Tournois-Interferometer und das Element 1009) ganz weggelassen werden. Wie hier betont wird, werden besonders kompakte Realisierungen des Oszillators des Weiteren durch Ersetzen des Reflektorelements 1007 durch ein Wellenleitergitter ermöglicht.
  • Es ist verständlich, dass die Reihenfolge der verschiedenen Kavitätselemente in den 10A und 10B beispielhaft ist und geändert werden kann. Als ein Beispiel sind die Kavitätselemente 1005 (Filter) und 1006 (Polarisationskontrolle) in den 10A und 10B unterschiedlich angeordnet, wobei sie jedoch auf ähnliche Weise zusammenarbeiten.
  • In 11 ist eine generische, auf einem Wellenleiter basierende Superkontinuumquelle 1100 dargestellt, die die Polarisation Aufrecht erhaltende Elemente umfasst. Für industrielle Anwendungen von Superkontinuumquellen und auf Wellenleitern basierenden Frequenzkämmen werden Systemkonstruktionen bevorzugt, die auf die Polarisation Aufrecht erhaltenden Elementen basieren. Das Superkontinuumquellensystem 1100 umfasst einen Oszillator 1101 mit einem Einzelpolarisationsausgang. Der Oszillator 1101 kann beispielsweise auf oben mit Bezugnahme auf 1C, 4, 8A und 8B beschriebenen Konstruktionen basieren.
  • Alternativ können bezüglich der Umgebungsbedingungen stabile Kavitätskonstruktionen auf Kombinationen aus die Polarisation aufrechterhaltenden und die Polarisation nicht aufrechterhaltenden Fasern (oder nur auf die Polarisation nicht aufrechterhaltenden Fasern) in Verbindung mit Faraday-Rotatoren basieren. Derartige Konstruktionen werden in weiteren Einzelheiten im US-Patent 5 689 515 A von Fermann et al. beschrieben.
  • Der Oszillatorausgang wird dann vorzugsweise in einen die Polarisation aufrechterhaltenden Faserverstärker 1102 injiziert. Der Verstärker 1102 kann auch mit einer die Polarisation nicht beibehaltenden Faser in Verbindung mit einem Faraday-Rotator-Spiegel aufgebaut sein. Für Oszillatoren mit hoher Ausgangsleistung kann der Verstärker 1102 weggelassen werden. Vorzugsweise wird der Verstärker 1102 jedoch in einem nicht linearen Bereich betrieben, so dass die verstärkten Pulse bis zu einem wesentlichen Grad einer Selbstphasenmodulation unterworfen werden, wodurch eine wahrnehmbare spektrale Verbreiterung im Verstärkerausgang erzeugt wird. Somit werden aufgrund der hohen Grade der Selbstphasenmodulation, die typischerweise im Pulskompressionsfaserverstärker hervorgerufen werden, die Polarisation aufrechterhaltende Faserverstärker für eine Konstanz der Umgebungsbedingungen bevorzugt.
  • Der Ausgang vom Verstärker 1102 kann weiter durch ein Kompressorelement 1105 komprimiert werden. Das Kompressorelement 1105 kann beispielsweise eine Holey-Faser, eine photonische Bandlückenfaser oder eine herkömmliche Faser umfassen. Das Kompressorelement 1105 kann auch Bulk-Beugungsgitter, Fasergitter oder periodisch gepolte nicht lineare Elemente zweiter Ordnung, wie beispielsweise ein ge-chirptes PPLN umfassen. Durch das gechirpte PPLN wird die Pulskompression mit der Erzeugung der zweiten Harmonischen kombiniert, was zur Änderung der Zentralfrequenz der Superkontinuumquelle verwendet wird. Andere Konzepte zur Bereitstellung einer Kompression sind ebenfalls möglich.
  • Als ein Beispiel eines ge-chirpten PPLN in Verbindung mit einem Er-Faserlasersystem kann eine in der Nähe von 800 nm zentrierte Superkontinuumquelle erzeugt werden, in direktem Wettbewerb mit herkömmlichen Ti:Sapphire-basierten Systemen. Der Kompressor kann Impulse mit einer Breite von weniger als ungefähr 200 fs, vorzugsweise weniger als ungefähr 100 fs und besonders bevorzugt weniger als ungefähr 70 fs erzeugen, um die Kohärenz bei der Superkontinuumerzeugung zu bewahren. Der Kompressor bewahrt vorzugsweise auch die Polarisation.
  • Für den Fall eines ge-chirpten PPLN Kompressors erfolgt die Beibehaltung der Polarisation im Wesentlichen automatisch. Bei Verwendung einer Faser mit photonischer Bandlücke zur Pulskompression wird die Verwendung von nicht-centrosymmetrischen Faserkonstruktionen bevorzugt.
  • Wie in 11 gezeigt ist, wird zumindest eine stark nicht lineare Faser 1103 hinter der Kompressorstufe 1105 zur Erzeugung des Superkontinuums eingefügt. Die Faser 1103 hält vorzugsweise auch die Polarisation aufrecht. Da bei bestimmten Konstruktionen jedoch lediglich sehr kurze Längen (ungefähr 5 mm-25 cm) der Superkontinuumfaser verwendet werden, sind auch stark nicht lineare Fasern, die die Polarisation nicht Aufrecht erhalten, akzeptabel. Die stark nicht linearen Fasern können beispielsweise aus Holey-Fasern, mit Gas gefüllten Fasern mit photonischer Bandlücke sowie herkömmlichen optischen Fasern aufgebaut sein. Ein Ausgang 1104 vom System 1100 kann für eine absolute Phasenverriegelung des Oszillators 1101 verwendet werden.
  • 12 veranschaulicht eine Ausführungsform einer hoch integrierten Frequenzkammquelle 1200. Vorzugsweise basiert ein derartiges System im Wesentlichen auf einer Faser und umfasst hauptsächlich Faserkomponenten. Ein derartiges hochintegriertes System wird für eine Massenanwendung dieser Technologie gegenüber Systemen, bei welchen viele getrennte Bulk-Komponenten verwendet werden (wie beispielsweise Bulk-Dopplerkristalle) für die f-2f Interferometer bevorzugt. Die kompakte Größe und die Unempfindlichkeit sind einige Beispiele von Vorteilen derartiger Systeme.
  • Das hochintegrierte System 1200 umfasst einen Oszillator 1201, einen Isolator 1202, einen Verstärker 1203 und eine stark nicht lineare Faser 1204, die ähnliche Rollen ausführen, wie sie oben unter Bezugnahme auf 8A (801, 802, 803 und 805) beschrieben wurden. Der Isolator 1202 und/oder Verstärker 1203 kann von diesem System 1200 ausgenommen sein, wie oben erläutert wurde. Die nicht lineare Faser 1204 kann auch durch andere Elemente realisiert sein. Das System 1200 umfasst des Weiteren eine oder mehrere zusätzliche Kopplungsfasern 1205, die an die stark nicht lineare Faser 1204 gespleißt sind, um näherungsweise eine Modenanpassung an einen nicht linearen Wellenleiter 1206 zu gewährleisten. Die Kopplungsfaser 1205 ermöglicht eine Kopplung des Superkontinuumausgangs von der stark nicht linearen Faser 1204 zum nicht-linearen Wellenleiter 1206.
  • Der nicht-lineare Wellenleiter 1206 ist sowohl für das rote als auch das blaue Ende des Superkontinuums vorzugsweise im Einzelmoden-Betrieb und kann beispielsweise auf einem LiNbO3-Wellenleiter basieren. Ein periodisch gepolter Gitterabschnitt 1207 kann des Weiteren in den nicht linearen Wellenleiter 1206 einbezogen werden, um den roten Teil des Superkontinuums frequenzzuverdoppeln, wodurch eine Interferenz mit dem nicht verdoppelten (blauen) Teil des Superkontinuums ermöglicht wird. Bei diesem Inline-Interferometeraufbau umfasst ein Arm des Interferometers den Frequenzmultiplizierer 1207, der die frequenzverdoppelten Komponenten erzeugt hat. Die frequenzverdoppelten Komponenten interferieren mit den nicht frequenzverdoppelten Komponenten in dem einen Arm, wodurch Schwebungsfrequenzen in dem einen Arm erzeugt werden. Die Position des Gitters 1207 im nicht linearen Wellenleiter 1206 und die Länge der Kopplungsfaser 1205 kann zur Vereinfachung des zeitlichen Überlapps der verdoppelten und nicht verdoppelten Teile des Superkontinuums gewählt werden. Wie oben beschrieben wurde, verschieben vorzugsweise entgegengesetzte Gruppengeschwindigkeiten (z.B. Dispersionen) zumindest teilweise die Phasenverzögerungen für die verdoppelten und nicht verdoppelten Frequenzkomponenten des Kontinuums.
  • Das System 1200 umfasst des Weiteren eine Kopplungsfaser 1208, mit der das Licht aus dem Wellenleiter 1206 ausgekoppelt wird. Ein optischer Bandpassfilter 1209 kann vor einem Detektor 1210 eingefügt werden. Der Detektor 1210 kann dazu verwendet werden, das Offset-Frequenzschwebungssignal der Trägereinhüllenden sowie die Wiederholungsfrequenz des Oszillators auf eine ähnliche Weise zu beobachten, wie sie oben unter Bezugnahme auf 8A beschrieben wurde. Der Bandpassfilter 1209 kann so gewählt werden, dass er im Wesentlichen nur jene Teile des Spektrums des Superkontinuums durchlässt, die tatsächlich zum Schwingungssignal beitragen.
  • Das System 1200 umfasst des Weiteren eine Rückkopplungsleitung 1211, die eine Rückkopplung bzw. Rückkopplungen zur Steuerung der Wiederholungsfrequenz und der absoluten Phase des Oszillators 1201 gewährleistet. Das System 1200 kann des Weiteren einen Koppler 1212 mit breiter Bandbreite umfassen, der in die Kopplungsfaser 1205 eingefügt ist, um die stabilisierten Frequenzkämme zu einem externen Ausgang 1213 für externe Anwendungen zu entnehmen.
  • Ein weiteres Beispiel eines Inline-Faserlasersystems 1300 mit einem Rückkopplungsschleifenabschnitt 1302 zur Phasenverriegelung fceo ist in 13 gezeigt. Dieses Inline-System 1300 umfasst einen Laseroszillator 1304, einen Isolator 1306 (optional), einen Verstärker 1308 (optional) und eine stark nicht lineare optische Faser 1310. Der Oszillator 1304, der Verstärker 1308 und das nicht lineare Medium 1310 umfassen vorzugsweise im Wesentlichen faseroptische Komponenten. Es können jedoch andere Arten von Vorrichtungen ohne Fasern ebenso verwendet werden. Beispielsweise können auch stark nicht lineare Wellenleiterstrukturen integriert werden.
  • Der Oszillator 1304 kann mit einem passiven Modenkopplungselement, wie beispielsweise einem sättigbaren Absorber, der eines von einem Paar reflektierender optischer Elemente umfasst, das eine resonante Kavität im Oszillator bildet, modengekoppelt sein. Andere Konfigurationen und Konstruktionen zur Erzielung einer Modenkopplung sind jedoch ebenfalls möglich. Eine Modenkopplung des Oszillators 1304 führt zu einer Folge optischer Pulse mit einem entsprechenden Frequenzspektrum. Eine Ausbreitung dieser Pulse durch das stark nicht lineare Medium 1310 liefert ein breites Spektrum an Frequenzen, die oben als ein Kontinuum oder Superkontinuum bezeichnet wurden, wobei es sich vorzugsweise zumindest um eine Oktave handelt.
  • Ein einarmiges Interferometer 1312 mit einem im optischen Weg des Ausgangs der stark nicht linearen Faser 1310 angeordneten einzelnen Arm 1314 umfasst einen Frequenzdoppler 1316 oder allgemein einen nicht linearen Kristallwellenleiter in dem einzelnen Arm. Der Frequenzverdoppler 1316 erzeugt eine zweite Gruppe von Frequenzen sowie eine zweite entsprechende Folge optischer Pulse. Andere Komponenten oder Elemente, die eine zweite Gruppe von Frequenzkomponenten (und eine zweite Gruppe von Pulsen) erzeugen, können bei anderen Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise kann ebenso auch eine Differenzfrequenzerzeugung in einem nicht linearen Kristall realisiert werden. Diese zweite Gruppe von Frequenzkomponenten ist vorzugsweise bezüglich der Frequenz im Verhältnis zur ersten Gruppe von Frequenzkomponenten verschoben, wobei jedoch die dieser zweiten Gruppe von Frequenzen entsprechenden optischen Pulse, wie oben beschrieben wurde, die erste Gruppe von Pulsen zeitlich überlappen. Diese zweite Gruppe von Frequenzkomponenten kann ein Vielfaches oder ein Bruchteil der ersten Gruppe von Frequenzkomponenten sein.
  • Die erste und die zweite Folge von Pulsen interferieren miteinander im einzelnen Arm 1314 des einarmigen Interferometers 1312, wodurch ein optisches Interferenzsignal erhalten wird, das von einem optischen Sensor 1318 erfasst wird. Schwebungsfrequenzen von der ersten und zweiten Gruppe von Frequenzkomponenten werden vom optischen Sensor 1318 in einem elektrischen Ausgang eingespeist.
  • Das Rückkopplungssystem 1302 umfasst elektronische Filter 1320, 1322, die die Schwingungsfrequenzen frep und frep + fceo isolieren. Bei dem in 13 gezeigten Beispiel entsprechen diese Frequenzen 52 MHz bzw. 64 MHz. Ein Takt 1324, wie beispielsweise ein Rb-Takt mit einer Oszillationsfrequenz von 10 MHz kann als eine Referenz zur Phasenverriegelung auf die Schwebungsfrequenzen verwendet werden. Frequenzsynthesizer 1326, 1328 transformieren die Oszillationsreferenz bei 10 MHz in eine zur Synchronisation nützliche Frequenz. Bei dem in 13 gezeigten Aufbau liefern die Frequenzsynthesizer 1326, 1328 eine 52 MHz- bzw. 4 MHz-Synchronisation. Das 52 MHz-Synchronisationssignal ist unter Verwendung eines ersten Phasendetektors, der eine Rückkopplung zu einem Piezo- oder anderen elektromechanischen Transducer liefert, der die Kavität im Oszillator 1304 verändert und dadurch die Wiederholungsfrequenz verschiebt, auf frep phasenverriegelt. Die Schwebungsfrequenz frep + fceo, die durch den 64-MHz-Filter 1322 durchquert, wird herunterskaliert (hier um einen Faktor 16) und mit dem 4 MHz-Synchronisationssignal durch einen zweiten Phasendetektor 1332 verglichen. Die Phasenverriegelung dieser Schwebungsfrequenz wird durch Einstellen der Pumpleistung zum Oszillator 1304 erreicht, um fceo entsprechend zu ändern. Schleifenfilter 1334, 1336 werden in die Rückkopplungswege zum Oszillator einbezogen. Andere Konstruktionen, Konfigurationen und Anordnungen können ebenso realisiert werden.

Claims (43)

  1. Frequenzkammquelle (800), zur Erzeugung eines Frequenzkamms, wobei die Frequenzkammquelle umfasst: einen modengekoppelten Faseroszillator (801) mit einer resonanten Kavität, die eine optische Faser mit einer Länge L aufweist, und mit reflektierenden Elementen an den Enden, wobei die resonante Kavität mehrere optische Moden unterstützt und der modengekoppelte Faseroszillator (801) die mehreren optischen Moden modenkoppelt, um ein modengekoppeltes optisches Signal zu erzeugen, wobei das modengekoppelte optische Signal Frequenzkomponenten des Kamms aufweist, die um einen Frequenzabstand frep getrennt und von Null um eine Trägereinhüllende-Offset-Frequenz fceo versetzt sind; ein Rückkopplungssystem (819) zum Steuern und Stabilisieren der Offset-Frequenz, fceo, und des Frequenzabstands frep des modengekoppelten Faseroszillators (801) in Reaktion auf ein Rückkopplungssignal, das für eine Schwebungssignalfrequenz repräsentativ ist; eine stark nicht lineare optische Faser (805), die dem modengekoppelten Faseroszillator (801) nachgeordnet ist, wobei die stark nicht lineare optische Faser (805) eine optische Nicht-Linearität umfasst, um zusätzliche Frequenzkomponenten im Frequenzkamm zu erzeugen, die zusammen mit der Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die vom modengekoppelten Faseroszillator ausgegeben werden, eine erste Gruppe von Frequenzen bilden, die um den Frequenzabstand frep getrennt und von Null um die Offset-Frequenz fceo versetzt sind, wobei der modengekoppelte Faseroszillator ein erstes und ein zweites dispersives optisches Element umfasst, die so gewählt sind, dass sie eine positive bzw. negative Dispersion aufweisen, wobei das erste und das zweite dispersive optische Element weiter so gewählt sind, dass sie im modengekoppelten Faseroszillator eine Gesamtdispersion von weniger als 10.000 fs2 / m × L liefern, wodurch Rauschen in der Offset-Frequenz fceo reduziert wird.
  2. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element einen optischen Faserabschnitt und eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter aufweist.
  3. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei das erste dispersive optische Element eine optische Faser mit einer positiven Dispersion und das zweite dispersive Element eine optische Faser aufweist, die mit einer negativen Dispersion gewählt ist.
  4. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element einen Wellenleiter aufweist und eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element ein Bulk-Optik-Element aufweist.
  5. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, die weiter ein Interferometer (1207) aufweist, das optisch zum Empfang der ersten Gruppe von Frequenzen gekoppelt ist, wobei das Interferometer (1207) einen Frequenzschieber aufweist, der die erste Gruppe von Frequenzen empfängt und der eine zweite Gruppe von Frequenzen der ersten Gruppe von Frequenzen, die vom Frequenzschieber empfangen wurde, überlagert, wobei die zweite Gruppe von Frequenzen mit der ersten Gruppe von Frequenzen zur Erzeugung von Schwebungsfrequenzen interferiert, und einen optischen Detektor (1210) aufweist, der die Schwebungsfrequenzen optisch empfängt, wobei der optische Detektor (1210) einen Ausgang zum Ausgeben der Schwebungsfrequenzen aufweist.
  6. Frequenzkammquelle nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Frequenzen über denselben optischen Weg in einer Inline-Interferometer-Konfiguration interferiert werden.
  7. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, welche weiter einen nicht-linearen Wellenleiter aufweist, der zur Frequenzverdopplung mit einem periodisch gepolten Abschnitt konfiguriert ist.
  8. Frequenzkammquelle nach Anspruch 7, wobei der nicht-lineare Wellenleiter einen periodisch gepolten Abschnitt aufweist, der konfiguriert ist, um die Erzeugung von Schwebungsfrequenzen zu ermöglichen.
  9. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, welche weiter einen Kristall mit einem periodisch gepolten Abschnitt mit einer Länge zwischen 3-75 mm aufweist.
  10. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, welche weiter einen nicht-linearen Wellenleiter mit einem periodisch gepolten Abschnitt aufweist, der eine Interferenz und Erzeugung von Schwebungsfrequenzen im Interferometer ermöglicht.
  11. Frequenzkammquelle nach Anspruch 9, wobei der periodisch gepolte Abschnitt LiNbO3 aufweist.
  12. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei die Quelle mit einem oder mehreren Kopplern aufgebaut ist, um mehrere Frequenzkamm-Ausgänge (818 a,b,c) auszukoppeln, um zumindest einen Ausgang der Quelle herzustellen.
  13. Frequenzkammquelle nach Anspruch 12, wobei der zumindest eine Ausgang nur einen Teil des Kammspektrums abdeckt.
  14. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei der modengekoppelte Faseroszillator (801) mit einer Pumplaserdiode (830) gepumpt wird.
  15. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei die Dispersion des modengekoppelten Oszillators weniger als oder gleich 5000 femtosec2 beträgt.
  16. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei eine Länge der nichtlinearen optischen Faser weniger als 20cm beträgt, um die Kohärenz der Frequenzkomponenten zu bewahren.
  17. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei die nichtlineare optische Faser eine optische Holey-Faser oder eine optische Standard-Silica-Faser ist.
  18. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, die des Weiteren einen ersten und einen zweiten Piezo-elektrischen Transducer (824, 826) aufweist, die konfiguriert sind, die Kavitätslänge des Oszillators (801) und dadurch die Wiederholungsrate des Oszillators (801) einzustellen.
  19. Frequenzkammquelle, aufweisend: einen modengekoppelten Faseroszillator (1201), der eine optische resonante Fabry-Perot-Kavität mit einer Kavitätslänge L aufweist, wobei der modengekoppelte Faseroszillator (1201) optische Pulse und mit einem Frequenzabstand frep voneinander getrennte und von Null um eine Offset-Frequenz fceo verschobene entsprechende Frequenzkomponenten ausgibt; ein nicht lineares optisches Element (1204), das dem Oszillator nachgeordnet positioniert ist, wobei das nicht lineare optische Element (1204) eine optische Nicht-Linearität zur Erzeugung von zusätzlichen Frequenzkomponenten aufweist, die zusammen mit der Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die vom modengekoppelten Oszillator (1201) ausgegeben werden, eine erste Gruppe von Frequenzen bilden, die um den Frequenzabstand frep getrennt sind und von Null um die Offset-Frequenz fceo versetzt sind; ein Interferometer (1207), das optisch zum Empfang der ersten Gruppe von Frequenzen gekoppelt ist, wobei das Interferometer (1207) einen Frequenzschieber aufweist, der die erste Gruppe von Frequenzen empfängt und der eine zweite Gruppe von Frequenzen der ersten Gruppe von Frequenzen, die vom Frequenzschieber empfangen wurden, überlagert, wobei die zweite Gruppe von Frequenzen mit der ersten Gruppe von Frequenzen zur Erzeugung von Schwebungsfrequenzen interferiert; und einen optischen Detektor (1210), der die Schwebungsfrequenzen optisch empfängt, wobei der optische Detektor (1210) einen Ausgang zum Ausgeben der Schwebungsfrequenzen aufweist.
  20. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei der modengekoppelte Faseroszillator eine die Polarisation beibehaltende Faser aufweist und als ein die Polarisation beibehaltender Faseroszillator aufgebaut ist.
  21. Frequenzkammquelle nach Anspruch 20, wobei der modengekoppelte Faseroszillator zumindest ein erstes und ein zweites dispersives optisches Element aufweist, die so gewählt wurden, dass sie eine positive bzw. negative Dispersion aufweisen, wobei das erste und das zweite dispersive optische Element weiter so gewählt wurden, dass sie im modengekoppelten Faseroszillator eine Gesamtdispersion von weniger als 10000 fs2/ m × L liefern, wodurch Frequenzrauschen in der Offset-Frequenz-fceo reduziert wird.
  22. Frequenzkammquelle nach Anspruch 21, wobei das erste und das zweite dispersive optische Element eine optische Faser aufweisen und eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element ein gechirptes Faser-Bragg-Gitter aufweist.
  23. Frequenzkammquelle nach Anspruch 22, wobei das erste dispersive optische Element eine optische Faser mit positiver Dispersion aufweist und das zweite dispersive optische Element eine optische Faser mit negativer Dispersion aufweist.
  24. Frequenzkammquelle nach Anspruch 21, wobei eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element einen Wellenleiter und eines von dem ersten und zweiten dispersiven optischen Element ein Bulk-Optikelement aufweist.
  25. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, das weiter ein Rückkopplungssystem (1211) mit einem Eingang zum Empfangen der Schwebungssignalfrequenzen aufweist, wobei das Rückkopplungssystem (1211) sich in Kommunikation mit dem modengekoppelten Faseroszillator (1201) befindet, um die Offset-Frequenz, fceo, basierend auf den Schwebungssignalfrequenzen zu steuern.
  26. Frequenzkammquelle nach Anspruch 25, wobei das Rückkopplungssystem (1211) einen Eingang für ein Referenzsignal und Phasendetektionselektronik zum Vergleichen zumindest einer der Schwebungssignalfrequenzen mit dem Referenzsignal aufweist.
  27. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei das nicht lineare optische Element (1204) eine nicht lineare optische Faser aufweist.
  28. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei der Frequenzschieber einen Frequenzmultiplizierer aufweist.
  29. Frequenzkammquelle nach Anspruch 28, wobei der Frequenzmultiplizierer einen Kristallfrequenzdoppler aufweist.
  30. Frequenzkammquelle nach Anspruch 28, wobei der Frequenzmultiplizierer einen Kristalldifferenzfrequenzmischer aufweist.
  31. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei die erste und zweite Gruppe von Frequenzen über denselben optischen Weg im Interferometer, einem Inline-Interferometer, interferiert werden.
  32. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei das Interferometer (1207) einen Gruppenverzögerungskompensator aufweist, der eine Differenz des optischen Wegs zwischen der ersten und zweiten Gruppe von Frequenzen, die im Interferometer interferieren, kompensiert, wobei der Gruppenverzögerungskompensator die optische Wegdifferenz auf Null reduziert.
  33. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei das Interferometer (1207) einen optischen Weg mit einem ersten und einem zweiten Abschnitt mit entgegengesetztem ersten und zweiten Dispersionswert aufweist, wobei der erste Dispersionswert eine relativ niedrigere Gruppengeschwindigkeit für eine erste Folge von optischen Pulsen liefert, die der ersten Gruppe von Frequenzen entspricht, und der zweite Dispersionswert eine relativ höhere Gruppengeschwindigkeit für eine zweite Pulsfolge liefert, die der zweiten Gruppe von Frequenzen entspricht, so dass sich die erste und die zweite Pulsfolge zeitlich überlappen und dadurch interferieren.
  34. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei das Interferometer (1207) ein Gruppenverzögerungskompensatorelement aufweist, das in Transmission oder Reflexion betrieben wird.
  35. Frequenzkammquelle nach Anspruch 34, wobei das Gruppenverzögerungskompensatorelement aus der Gruppe gewählt wird, die einen Abschnitt einer dispersiven optischen Faser und ein planares Wellenleiterelement mit einer Gruppenverzögerungsdispersion, die für die erste und zweite Gruppe von Frequenzen unterschiedlich ist, umfasst.
  36. Frequenzkammquelle nach irgendeinem der Ansprüche 24 oder 35, wobei der Wellenleiter einen optischen Faserabschnitt aufweist.
  37. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, die weiter einen nichtlinearen Wellenleiter aufweist, der mit einem Gitterabschnitt zur Frequenzverdopplung, Ermöglichung von Interferenz und Erzeugung von Schwebungsfrequenzen im Interferometer konfiguriert ist.
  38. Frequenzkammquelle nach Anspruch 36, wobei der nichtlineare Wellenleiter einen periodisch gepolten Gitterabschnitt aufweist.
  39. Frequenzkammquelle nach Anspruch 19, wobei die Quelle aufgebaut ist, um mehrere Frequenzkamm-Ausgänge (818a, b, c) auszukoppeln.
  40. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1, wobei die Spektrallinienbreite des Offset-Frequenzschwebungssignals der Trägereinhüllenden des Frequenzkamms weniger als 200kHz beträgt.
  41. Frequenzkammquelle nach Anspruch 38, die des Weiteren einen PZT-Piezo-Transducer aufweist, der eingerichtet ist, einen Druck auf den Gitterabschnitt auszuüben, um die Offset-Frequenz fceo einzustellen.
  42. Frequenzkammquelle nach Anspruch 41, wobei der Transducer eine Komponente aufweist, die im Oszillator angeordnet ist, um steuerbare Phasenänderungen einzufügen.
  43. Frequenzkammquelle nach Anspruch 1 oder 25, wobei das Rückkopplungssystem mehrere Rückkopplungsschleifen aufweist, wobei die Rückkopplungsschleifen in der Weise konfiguriert sind, dass eine Änderung sowohl einer Wiederholungsrate als auch einer Trägereinhüllen-Offsetfrequenz entkoppelt werden, wobei die Änderung in Reaktion auf einen Stimulus verursacht wird, der an den modengekoppelten Faseroszillator angelegt wird.
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