DE19531059A1 - Optische Impulsverstärkung unter Verwendung chirp-modulierter Bragg-Gitter - Google Patents
Optische Impulsverstärkung unter Verwendung chirp-modulierter Bragg-GitterInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und
Gerät zum Strecken bzw. Dehnen ultrakurzer optischer Impulse
vor der Verstärkung und zum darauffolgenden Wieder-
Komprimieren der verstärkten Impulse zum Vermeiden von
Verstärkungs-Verzerrung; und insbesondere auf die Verwendung
von chirp-modulierten bzw. chirped Bragg-Gittern, um die
Dehn- und Wieder-Kompressionsfunktion durchzuführen.
Kompakte Faser- und Diodenquellen für ultrakurze optische
Impulse sind nicht in der Lage gewesen, signifikante
Impulsenergien im Vergleich zu den entsprechenden Festkörper-
Gegenstücken mit großer Größe zu erzeugen. Die Impulsenergien
von Dioden- und Faserlasern schwanken bestenfalls
typischerweise zwischen mehreren Pikojoule und dem Nanojoule-
Niveau. Diese eingeschränkten Energien sind für einen breiten
Bereich von praktischen Anwendungen, in denen die Verwendung
von kompakten Ultrakurz-Impulsquellen hoch erwünscht sind,
nicht ausreichend.
Möglicherweise können viel höhere Impulsenergien von
seltenerddotierten Faserverstärkern entzogen werden. Zum
Beispiel sind die Sättigungsenergien von erbiumdotierten
Einzelmoden-Faserverstärkern (EDFA′s) ungefähr 1 µJ. Bei
solchen Energien würde jedoch die Spitzenleistung der
verstärkten ultrakurzen Impulse unannehmbar hoch für eine
Einzelmoden-Faser (ungefähr 1 MW für einen 1 ps Impuls). Wenn
Licht mit solch einer hohen Leistung in dem kleinen Kern
einer Faser eingeschlossen wäre, ergäben sich hohe
Spitzenintensitäten, die unvermeidlich zu starken
nichtlinearen Effekten und Aufbrechen von Impulsen führen
würde. Die einzige Möglichkeit, dieses Problem zu vermeiden
ist, ausreichend niedrige Spitzenleistungen in dem Verstärker
zu erhalten, d. h. gedehnte, relativ lange Impulse zu
verstärken. Unter der Voraussetzung, daß die Anfangs-Impulse
eine breite Bandbreite haben und geeignet chirp-moduliert
sind, kann durch lineare Kompression der verstärkten Impulse
(z. B. durch Verwendung von Beugungsgittern) eine kurze
Impulsdauer erreicht werden.
Verfahren zur Verstärkung chirp-modulierter Impulse werden in
den meisten der Lasersysteme verwendet, die ultrakurze
Impulse mit hoher Energie erzeugen. In den letzten zehn
Jahren beruhten Verstärkungssysteme für chirp-modulierte
Impulse auf Volumen-Beugungsgitter-Dehnvorrichtungen und
-Kompressionvorrichtungen. Die Idee der Verstärkung chirp
modulierter Impulse ist, daß ein ultrakurzer optischer Impuls
vor der Verstärkung gedehnt wird und dann zu seiner
Originalbreite wieder komprimiert wird, nachdem die
Verstärkung beendet ist. Diese Verarbeitung läßt eine
Verringerung der Verzerrung von ultrakurzen Impulsen in dem
Verstärker zu und hohe Impulsenergien, während kurze
Impulsdauern aufrecht erhalten werden. Kürzlich wurden chirp
modulierte lange Impulse direkt von einer abstimmbaren
Laserquelle vor der Verstärkung erzeugt, und ultrakurze
Energieimpulse wurden durch Komprimieren der verstärkten
Impulse erhalten. Eine detaillierte Diskussion dieser Technik
kann gefunden werden in: Galvanauskas et al., "Hybrid diode
laser fiber-amplifier source of high-energy ultrashort
pulses" 19 Optics Letters 1043 (1994), welches hiermit durch
Bezugnahme enthalten ist. Obwohl nach diesem Verfahren die
Notwendigkeit der Gitter-Dehnvorrichtung beseitigt ist,
erfordert sie noch eine Beugungsgitter-
Kompressionsvorrichtung.
In herkömmlichen Systemen waren Beugungsgitter-
Dehnvorrichtungen und -Kompressionsvorrichtungen der einzige
Typ der dispersiven Verzögerungsleitung, der für praktische
Verstärkungssysteme für chirp-modulierte Impulse geeignet
ist. Durch Verwendung verschiedener Konfigurationen können
sowohl negative als auch positive Dispersionen erzielt
werden. Die Größe der Dispersion reicht aus, um optische
Impulse um das zehn- und hundertfache zu dehnen/wieder zu
komprimieren, d. h. von Femtosekunden zur Größenordnung von
zehn und hundert Pikosekunden. Solche Beugungsgitter-
Anordnungen können Impulse mit sehr hohen Energien ohne jede
Impulsverzerrung aufgrund von nichtlinearen optischen
Effekten handhaben.
Solche dispersiven Verzögerungsleitungen können jedoch
mehrere Haupt-Nachteile haben: Beugungsgitter-Anordnungen
sind empfindlich hinsichtlich der Polarisation und
typischerweise groß (bis zu einige Meter lang), haben eine
eingeschränkte Robustheit und einen eingeschränkten
Energiedurchsatz (aufgrund der Beugungsverluste) und
verzerren das Profil des ausgegebenen Strahls. Diese Merkmale
sind insbesondere in Verstärkungssystemen von chirp
modulierten Impulsen auf der Grundlage von kompakten Fasern
und Laser-Dioden unerwünscht.
Bragg-Gitter sind für zahlreiche andere Zwecke bei der
optischen Signalverarbeitung wie beispielsweise akusto
optischen Filtern, wie in Tamir, Intearated Optics (Springer-
Verlag New York, 1979) (hiermit durch Bezugnahme enthalten)
beschrieben, und als dispersive Elemente verwendet worden.
Bragg-Gitter können in optischen Fasern, in integrierten
optischen Wellenleiterstrukturen und in Volumen-Materialien
hergestellt werden. Ein Bragg-Gitter in einer Germanosilikat-
Faser kann in dem Kern über eine lichtinduzierte periodische
Brechungsindex-Veränderung hergestellt werden. Das Gitter
kann direkt von der Seite einer Faser unter Verwendung von
Ultraviolettlicht strukturiert werden, wie in Meltz
"Formation of Bragg gratings in optical fibers by a
transverse holographic method", Optics Letters, Bd. 14,
Nr. 15, 1. August, 1989, S. 823, deren Offenbarung hiermit
durch Bezugnahme enthalten ist, diskutiert. Unter Verwendung
von Techniken zur Verstärkung der Photoempfindlichkeit können
Gitter in jede Germanosilikat-Faser geschrieben werden,
einschließlich Standard-Telekommunikationsfasern. Optische
Wellenleitergitter können direkt unter Verwendung eines
Halbleitermaterials gewachsen werden und werden am meisten
als integrierte Bestandteile von Halbleiterlaserstrukturen
verwendet (z. B. Laserdioden mit verteiltem Bragg-Reflektor
DBR oder mit verteilter Rückkopplung DFB). Weitere
Materialien (z. B. LiTaO₃ oder LiNbO₃) werden jedoch auch für
integrierte Wellenleiterstrukturen mit zahlreichen
Gitterstrukturen verwendet. Ein Beispiel für ein Volumen-
Bragg-Gitter ist ein akustisch-optischer Filter. Durch Chirp-
Modulation der elektrischen FR-Modulationswellenform kann ein
chirp-moduliertes bzw. chirped Bragg-Gitter erhalten werden.
Neuerdings sind chirp-modulierte Bragg-Gitter auch verwendet
worden, um Dispersion in optischen Wellenleitern zu
kompensieren, wie in Fig. 1 veranschaulicht und detailliert
in: Ouellette, F. "Dispersion cancellation using linearly
chirped Bragg grating filters in optical waveguides", Optics
Letters Bd. 12, Nr. 10, Okt. 1987, S. 847, beschrieben,
welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Da optische
Wellen bei Raten wandern, die von ihren Frequenzen abhängen,
erreichen Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen einen
bestimmten Ort zu unterschiedlichen Zeiten, womit ein
Dispersionsproblem erzeugt wird. Durch Anordnen von Bragg-
Gitterfiltern in dem Wellenleiter kann dieses
Dispersionsproblem in großem Maße reduziert werden.
Wie bei Ouellette diskutiert, ist die Wellenlänge λB einer
optischen Welle, die von einer periodischen Bragg-Struktur
reflektiert wird, λB = 2nΛ, worin Λ die Periode und n der
Brechungsindex der Struktur ist. Wenn die Periode von solch
einer Struktur entlang des Gitters variiert, werden optische
Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen bei
unterschiedlichen Positionen reflektiert. Dies ergibt eine
wellenlängenabhängige Verzögerung τλ:
τλ= 2 L/Vg
Hier ist Vg die Gruppengeschwindigkeit von Licht in der
Struktur und L ist der Abstand, den eine optische Welle mit
Wellenlänge λ in das Bragg-Gitter eindringt. Daher bestimmt
die Länge des Bragg-Gitters die maximale
Verzögerungsdifferenz zwischen zwei unterschiedlichen
Wellenlängen und die Größe der Gitterperiodenschwankung
(Gitter-Chirp) bestimmt die Reflexionsbandbreite der
Struktur. Das maximale τλ für eine wenige Zentimeter lange
Struktur kann Hunderte von Pikosekunden sein, und die
Bandbreite kann wenige zehn Nanometer erreichen.
Während Bragg-Fasergitter als optische Filter verwendet
worden sind und chirp-modulierte Bragg-Fasergitter auch als
dispersive Elemente als Komponenten zur
Dispersionskompensation verwendet worden sind, ist die
Verstärkung von ultrakurzen optischen Impulsen auf die
Verwendung von großen und ineffizienten Beugungsgitter-
Dehnvorrichtungen und -Kompressionsvorrichtungen beschränkt
gewesen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, chirp-modulierte
Bragg-Reflexionsgitter in Verstärkungssystemen für chirp
modulierte Impulse zu verwenden, um die vorstehend
festgestellten Nachteile von Beugungsgitteranordnungen zu
beseitigen und solche Systeme kompakt, robust, zuverlässig
und kosteneffektiv zu machen.
Es ist weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
faserinterne chirp-modulierte Bragg-Gitter als dispersive
Komponenten zu verwenden, die Femtosekunden-Impulse ohne
großen Verlust von Impulsqualität und -form dehnen und wieder
komprimieren.
Es ist weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Bragg-
Gitter zu verwenden, um maximalen Energiedurchsatz und
minimalen Verlust an Impulsqualität und -dauer zu erreichen.
Es ist weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
entgegengesetzte Fortbewegungsrichtungen in einem chirp
modulierten Bragg-Gitter zum Dehnen und Wieder-Komprimieren
von ultrakurzen optischen Impulsen in einem chirp-modulierten
Impuls-Verstärkungssystem zu verwenden.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind
nun unter Verwendung der zahlreichen Ausführungsformen, wie
nachstehend diskutiert, möglich, bei denen allen mindestens
ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter verwendet wird, um
ultrakurze Impulse zu dehnen und/oder wieder zu komprimieren.
Bei Betrieb werden die Impulse in bezug auf die Zeit gedehnt,
wodurch ihre Spitzenenergie vor der Verstärkung verringert
wird, und darauffolgend werden sie auf ihre ursprüngliche,
schon verstärkte Form wieder komprimiert.
Damit die Erfindung vollständig verstanden wird, wird nun
eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 das Prinzip von Impuls-Chirpen bzw. Impuls-Chirp-
Modulation in einem Bragg-Gitter veranschaulicht;
Fig. 2 eine grundlegende Anordnung für die Verstärkung
chirp-modulierter Impulse als Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung von zwei Bragg-Gittern zeigt;
Fig. 4a eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung eines optischen Zirkulators zur Verstärkung
der Impulsenergie zeigt;
Fig. 4b eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung eines Polarisations-Strahlteilers und einer
λ/4-Wellenplatte zeigt;
Fig. 5a eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung zweier zwischengeschalteter Bragg-Gitter
zeigt;
Fig. 5b eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
unter Verwendung eines einzelnen Gitters und einer Standard-
Faser als Dehnvorrichtung zeigt;
Fig. 5c eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
zum Verstärken von chirp-modulierten langen Impulsen zeigt;
Fig. 6 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
die zum Testen verwendet wird, zeigt;
Fig. 7a eine graphische Darstellung der
Signalverarbeitung zeigt, die von der in Fig. 6 gezeigten
Ausführungsform durchgeführt wird;
Fig. 7b eine graphische Darstellung der
Signalverarbeitung zeigt, die von einem System unter
Verwendung einer Faser-Dehnvorrichtung und einer Bragg-
Gitter-Kompressionvorrichtung durchgeführt wird.
Fig. 1 veranschaulicht das Konzept, nach dem ein chirp
moduliertes Bragg-Gitter 1 einen optischen Impuls 2 oder 3
ausdehnet, der sich von einem Ende zum anderen bewegt und
darauffolgend aus demselben Ende reflektiert wird, von dem
er eingetreten ist. Dasselbe Gitter 1 kann auch die
ausgebreiteten Impulse 4 und 5 wieder komprimieren, wenn sie
wiederum in das Gitter 1 von der entgegengesetzten Richtung
reflektiert werden. Somit ist der Prozeß unter Verwendung
desselben Gitters 1 reversibel.
Die grundlegende Anordnung für die Verstärkung chirp
modulierter Impulse gemäß der vorliegenden Erfindung ist in
Fig. 2 gezeigt, in der 50 : 50 Strahlteiler 6a und 6b verwendet
werden, um hereinkommende und reflektierte Strahlen an jeder
Seite des Bragg-Gitters 1 zu trennen, und der gedehnte Impuls
10b in einem optischen Verstärker 9 verstärkt wird. Da die
Impulse gedehnt werden, wird die Spitzenleistung in dem
Verstärker 9 relativ niedrig gehalten, und Impulsverzerrungen
aufgrund von nichtlinearen und Sättigungseffekten in dem
Verstärker 9 werden vermieden. Daher kann die anfängliche
Impulsform und -dauer bei viel höheren Impulsenergien als den
anfänglichen wieder hergestellt werden.
Der Vorteil der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist, daß
daßelbe Gitter 1 sowohl zum Dehnen als auch zum Wieder-
Komprimieren verwendet werden kann. Natürlich wird mangelnde
Perfektion des Gitters 1 (z. B. Unregelmäßigkeiten in der
Gitterperiode oder Schwankungen des Brechungsindex entlang
des Gitters 1) die Qualität der reflektierten Impulse
beeinträchtigen. Wenn jedoch dasselbe Gitter 1 zum Dehnen und
Wieder-Komprimieren verwendet wird, wird der Effekt der
longitudinalen Unregelmäßigkeiten beseitigt, und die
Verzerrung der wieder-komprimierten Impulse ist minimiert.
Wie in Fig. 3 gezeigt, können auch zwei Bragg-
Gitterstrukturen 1a und 1b verwendet werden, um separat
Impulse in einem chirp-modulierten Verstärkungssystem zu
dehnen und wieder zu komprimieren. In dieser Ausführungsform
sollten die zwei Gitter 1a und 1b dieselben Eigenschaften
haben. In der Praxis werden jedoch einige Unterschiede
zwischen zwei Gittern 1a und 1b während des
Herstellungsverfahrens auftreten. Daher werden einige
zusätzliche Verzerrungen der wieder komprimierten Impulsform
10d auftreten. Die Dauer und Form der wieder komprimierten
Impulse 10d wird durch die Unterschiede der zwei Gitter
stärker beeinträchtigt werden, wenn die anfängliche
Impulsdauer kleiner wird und/oder die Dauer des gedehnten
Impulses 10c länger wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt das System mit einem einzelnen
Bragg-Gitter 1 eine Dispersions-Kompensationsvorrichtung 7,
um die Dispersion des optischen Verstärkers 9 oder von
beliebigen weiteren zusätzlichen optischen Komponenten auf
dem Weg des optischen Strahls zu kompensieren. Das System mit
zwei Gittern 1a und 1b, wie in Fig. 3 gezeigt, kann auch den
Unterschied der Dispersionen dieser zwei Gitter 1a und 1b
über die Dispersions-Kompensationsvorrichtung 7 kompensieren.
Solch eine Dispersions-Kompensation kann unter Verwendung von
beispielsweise einem geeigneten Material, einer Wellenleiter-
Struktur oder einer optischen Faser mit positiver oder
negativer Dispersion (je nach Anforderungen in einem
speziellen System) erreicht werden. Dies läßt zu, daß das
System Impulse mit beschränkter Bandbreite selbst bei
Ausgangssignalen des Systems mit optischen Femtosekunden-
Impulsen erreicht.
In den in Fig. 2 und 3 gegebenen Beispielen wurden 50 : 50-
Strahlteiler 6a und 6b als Mittel zum Separieren einfallender
und reflektierter Wellen von den Bragg-Gittern 1a und 1b
verwendet. Obwohl diese Ausführungsform leicht unter
Verwendung teilweise reflektierender Spiegel oder
Faserkopplern mit vier Öffnungen ("4-port fiber couplers")
verwirklicht werden kann, werden nur bis zu 25% der
Impulsenergie nach Dehnen oder Kompression verbleiben.
Weitere Lösungen sind möglich, um den Energie-Durchsatz zu
maximieren. Beispielsweise läßt ein optischer Zirkulator 11,
wie in Fig. 4a gezeigt, bis zu 100% der Impulsenergie
durchgehen.
Die Anordnung in Fig. 4b verwendet einen Polarisations-
Strahlteiler 12 und eine λ4-Wellenplatte 14, wobei fast 100%
Transmission erreicht werden. Linear polarisiertes Licht 15
mit einer Polarisationsrichtung in einer parallelen Ebene
wird durch den Polarisations-Strahlteiler 12 ohne großen
Verlust durchgehen. Reflektiertes Licht 16 von dem Gitter
geht zweimal durch die λ/4-Wellenplatte 14 durch, wodurch es
eine senkrechte Richtung in bezug auf den eingegebenen Strahl
erhält und wird somit von dem Strahlteiler 12 reflektiert.
Polarisations-Strahlteiler 12 sind insbesondere nützlich,
wenn nur ein Bragg-Gitter 1 zum Dehnen und Wieder-
Komprimieren verwendet wird. Ein kleiner Bruchteil Licht wird
immer durch das ferne Ende des Gitters 1 transmittiert
werden, daher wird es mit nur einem Gitter 1 insbesondere
notwendig, zu verhindern, daß dieser transmittierte Impuls in
dem Verstärker 9 verstärkt wird. Mit der Verwendung von
Polarisations-Strahlteilern 12 kann dies leicht erreicht
werden, indem man die Polarisations-Strahlteiler 12 an jedem
Ende des Gitters 1 (und die Polarisationsrichtungen der
entsprechenden eingegebenen Strahlen) senkrecht zu einander
orientiert. Das transmittierte Licht in einem Strahlteiler 12
wird dann senkrechte Polarisation in bezug auf das
reflektierte Licht haben und nicht von dem Strahlteiler 12
abgelenkt werden.
Fig. 5a zeigt eine der vielen verschiedenen Variationen bei
der Verwendung der Bragg-Gitter 1a und 1b in
Verstärkungssystemen für chirp-modulierte Impulse gemäß der
vorliegenden Erfindung. Bei Ouellette, Optics Letters,
Bd. 16, Nr. 5, März 1991, S. 303 wurde gezeigt, daß
wellenleiterinterne oder faserinterne chirp-modulierte Gitter
gestaltet werden können, so daß sie in Transmission arbeiten,
indem man gedehnte/komprimierte Impulse in eine
Wellenleitermode einkoppelt, die von der des eingegebenen
Impulses unterschiedlich ist. Gitter 1a und 1b vereinfachen
das System, es wurden jedoch zusätzliche bekannte
Einrichtungen (nicht gezeigt) allgemein hinzugefügt, um den
verbleibenden verstärkten, nicht komprimierten Impuls 10c zu
unterdrücken, der zusammen mit dem komprimierten Impuls 10d
transmittiert werden kann. Es ist auch möglich, das System
unter Verwendung weiterer bekannter Typen von dispersiven
Verzögerungsleitungen in Kombination mit einem Bragg-Gitter 1
zu vereinfachen.
Fig. 5b zeigt ein Beispiel zur Verwendung der Standardfaser
13 als eine Dehnvorrichtung und eines faserinternen Gitters 1
als eine Kompressionsvorrichtung. In Verstärkungssystemen von
chirp-modulierten Impulsen, in denen chirp-modulierte lange
Impulse direkt von einer Laserquelle erzeugt werden, gibt es
nur Bedarf für eine Bragg-Kompressionsvorrichtung 1, wie in
Fig. 5c gezeigt.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
mit zwei chirp-modulierten faserinternen Bragg-Gittern 1a und
1b.
Femtosekunden-Impulse wurden mit einem passiv
modenverkoppelten Faserlaser (nicht gezeigt) erzeugt. Die
anfänglichen Impulse 10a hatten eine 330 fs
bandbreitenbeschränkte Dauer und eine Repetitionsrate von
8 MHz. Bragg-Gitter 1a und 1b wurden verwendet, wobei die
Chirp-Modulation durch Faser-Deformation während der
Belichtung erzeugt war. Die Gitter 1a und 1b waren 5 mm lang
und hatten eine Reflexionsbandbreite von 20 nm und ein
Reflexionsvermögen von 65%. Femtosekunden-Impulse 10a wurden
durch das Gitter 1a auf 30 ps gedehnt. Die gedehnten Impulse
10b wurde in einem erbiumdotierten Faserverstärker verstärkt.
Der Verstärker wurde mit ≈ 200 mW bei 980 nm von einer
Laserdiode MOPA 17 gepumpt. Um die Dispersion zu minimieren,
wurde eine 4,5 m lange erbiumdotierte Faser 13, die eine
ungefähr 6-mal niedrigere negative Dispersion als die
Standardfaser (D ≈ --3ps/nm-km) hatte, als der Verstärker 9
verwendet. Um den Effekt der negativen Dispersion von allen
Fasern in dem Weg des Strahl zu kompensieren, wurden 70 cm
Länge einer positiv dispersiven optischen Faser 13
(D = 86 ps/nm-km) am Beginn des Systems splice-verbunden bzw.
gespleißt. Einfallende und reflektierte Strahlen wurden an
einem Ende des Fasergitters unter Verwendung von
standardisierten 50 : 50 Faserkopplern 18a und 18b getrennt.
Der Durchsatz der Energie einschließlich Gitter-Verlusten war
16% sowohl für Dehnen als auch für Wieder-Komprimieren. Die
Energie der gedehnten Impusle beim Eingang des Verstärkers
war 20 pJ. Der Gewinn des Verstärkers wurde durch Anordnen
von Pump- und Signalstrahlen, so daß sie sich in
entgegengesetzte Richtungen bewegen, und durch Verwendung von
zwei faserinternen optischen Isolatoren 19a und 19b bei
beiden Enden des Verstärkers 9 zur Verhinderung von
Rückreflexionen maximiert. Die Energie der Impulse am Ende
des Verstärkers 9 war 4 bis 6 nJ.
Um zu verifizieren, daß mehr Energie nach Dehnen und Wieder-
Komprimieren wiederhergestellt werden kann, wurde die in
Fig. 4b gezeigte Anordnung unter Verwendung von Volumen-
Komponenten getestet. In dieser Ausführungsform war der
Energie-Durchsatz auf 50% erhöht. Die verbleibenden 3 dB-
Verluste wurde durch beschränktes Reflexionsvermögen des
verwendeten Bragg-Gitters 1 und durch die 80%ige
Kopplungseffizienz in die Gitterfaser verursacht. Viel
höherer Durchsatz kann durch Verwendung von Gittern mit
höherem Reflexionsvermögen und Ganzfaser-
Polarisationskomponenten in der Anordnung von Fig. 4b
erreicht werden.
Ausführungsformen mit einem einzelnen Bragg-Gitter 1 zum
Dehnen und Wieder-Komprimieren und mit einer Standard-
Faserdehnvorrichtung 13 anstelle des ersten Bragg-Gitters
(wie in Fig. 5b) wurden auch aufgebaut; experimentelle
Ergebnisse sind in den Fig. 7a bzw. 7b gezeigt. Unter
Verwendung von zwei Fortbewegungsrichtungen in einem
einzelnen chirp-modulierten Bragg-Gitter zum Dehnen und
Wieder-Komprimieren wurden wieder-komprimierte 408 fs-Impulse
für anfängliche, bandbreitenbeschränkte 330 fs-Impulse
erhalten. Somit wurde durch die Gitteranordnung die
Impulsbreite um nur 20% erhöht. Wie in Fig. 7a gezeigt, blieb
hier die Impulsform nach der Wieder-Kompression im
wesentlichen dieselbe wie beim Eingang in das System. Dies
ist beträchtlich besser als die typischen Ergebnisse mit
Beugungsgitter-Dehnvorrichtungen und
-Kompressionsvorrichtungen. Wenn die Standard-
Faserdehnvorrichtung 13 verwendet wurde (170 m der optischen
Standardfaser; D = 17 ps/nm-km), war der kürzeste
wiederkomprimierte Impuls 544 fs, und die Impulsform war
signifikant verändert (Fig. 7b).
Ein wichtiger Vorteil der Verwendung von Bragg-Gittern zum
Dehnen und zur Wieder-Kompression ist, daß sie kleine Größen
haben. Um Femtosekunden-Impulse auf die Dauer von Hunderten
von Pikosekunden zu dehnen, ist nur ein wenige Zentimeter
langes Gitter erforderlich (im Vergleich zu ≈ 1 m, was für
eine Volumen-Beugungsgitter-Dehnvorrichtung erforderlich
ist). Aufgrund dieser kurzen Wechselwirkungslänge können in
einer Bragg-Kompressionsvorrichtung hohe Impulsenergien
erreicht werden. Auch kann in einem Volumen-Bragg-Gitter die
Strahlgröße groß sein, und hohe Spitzenintensitäten können
vermieden werden. Chirp-modulierte bzw. chirped Bragg-Gitter
können gestaltet werden, so daß sie bei jeder Wellenlänge
arbeiten und ein hoher Energiedurchsatz kann erreicht werden.
Bragg-Reflexion ist im allgemeinen Polarisations
unempfindlich. Doppelbrechung von Materialien und verwendeten
Wellenleiterstrukturen kann jedoch einige
Polarisationsempfindlichkeit verursachen. Im allgemeinen
können Verzerrungen der Strahlqualität, die durch Bragg-
Gitter eingeführt werden, vermieden werden.
Wellenleiterinterne und faserinterne Strukturen sind
insbesondere attraktiv zur Verwendung in Ganzfaser-,
Ganzwellenleiter- oder Hybrid-Faser-Wellenleiter-Halbleiter
Lasergestaltungen, die robuste, zuverlässige und
kosteneffektive Systeme zur Verstärkung von chirp-modulierten
Impulsen bieten.
Daher werden gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgreich
ihre Aufgaben gelöst, durch Bereitstellung eines kompakten
Diodenlaser- und einer Faserquelle mit ultrakurzen Impulsen
mit hoher Energie. Die Impulsenergie kann viel höher als für
frühere Systeme sein, und die Verstärkungsverzerrung des sich
ergebenden Impuls kann wesentlich reduziert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt, sondern es ist beabsichtigt,
daß alle Veränderungen und Modifikationen der Erfindung, die
keine Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung
darstellen, enthalten sind.
Chirp-modulierte Bragg-Gitter werden sowohl zum Dehnen als
auch zum Komprimieren von ultrakurzen optischen Impulsen in
einem Verstärkungssystem für chirp-modulierte Impulse
verwendet, so daß selbst Femtosekundenimpulse gedehnt und zu
ihrer anfänglichen Form und Dauer wiederkomprimiert werden
können. Wenn in chirp-modulierten Impulsverstärkungssystemen
anstelle von Volumen-Beugungsgitterdehnvorrichtungen und
-Kompressionsvorrichtungen verwendet können Bragg-Gitter
Kompaktheit, Robustheit und System-Effizienz ohne Beispiel
bieten.
Claims (18)
1. Gerät zum Verstärken eines optischen Impulses, umfassend:
Erzeugungseinrichtungen zum Erzeugen eines optischen Impulses;
Ausdehnungseinrichtungen, die optisch mit den Erzeugungseinrichtungen verbunden sind, zum Reduzieren der Spitzenamplitude des optischen Impulses und zum Erhöhen der Dauer des optischen Impulses;
Verstärkungseinrichtungen, die optisch mit der Ausdehnungseinrichtung verbunden sind, zum Erhöhen der Amplitude des optischen Impuls, nachdem der optische Impuls von der Ausdehnungseinrichtung ausgegeben worden ist; und
Einrichtungen zum Wieder-Komprimieren, die optisch mit der Verstärkungseinrichtung verbunden sind, zum Verringern der Dauer des optischen Impuls, nachdem der optische Impuls von der Verstärkungseinrichtung ausgegeben worden ist;
worin die Ausdehnungseinrichtung und/oder die Wieder- Kompressionseinrichtung ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter umfaßt.
Erzeugungseinrichtungen zum Erzeugen eines optischen Impulses;
Ausdehnungseinrichtungen, die optisch mit den Erzeugungseinrichtungen verbunden sind, zum Reduzieren der Spitzenamplitude des optischen Impulses und zum Erhöhen der Dauer des optischen Impulses;
Verstärkungseinrichtungen, die optisch mit der Ausdehnungseinrichtung verbunden sind, zum Erhöhen der Amplitude des optischen Impuls, nachdem der optische Impuls von der Ausdehnungseinrichtung ausgegeben worden ist; und
Einrichtungen zum Wieder-Komprimieren, die optisch mit der Verstärkungseinrichtung verbunden sind, zum Verringern der Dauer des optischen Impuls, nachdem der optische Impuls von der Verstärkungseinrichtung ausgegeben worden ist;
worin die Ausdehnungseinrichtung und/oder die Wieder- Kompressionseinrichtung ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter umfaßt.
2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Ausdehnungseinrichtung
und die Wieder-Kompressionseinrichtung dasselbe chirp
modulierte Bragg-Gitter umfassen.
3. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Ausdehnungseinrichtung
ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter zum Ausdehnen umfaßt und
die Wieder-Kompressionseinrichtung ein chirp-moduliertes
Bragg-Gitter zum Wieder-Komprimieren umfaßt.
4. Gerät nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Dispersionskompensationseinrichtungen zum Verringern der restlichen optischen Wellendispersion in den optischen Impulsen.
Dispersionskompensationseinrichtungen zum Verringern der restlichen optischen Wellendispersion in den optischen Impulsen.
5. Gerät nach Anspruch 2, ferner umfassend:
Dispersionskompensationseinrichtungen zum Verringern der restlichen optischen Wellendispersion in den optischen Impulsen.
Dispersionskompensationseinrichtungen zum Verringern der restlichen optischen Wellendispersion in den optischen Impulsen.
6. Gerät nach Anspruch 3, ferner umfassend:
Dispersionskompensationseinrichtungen zum Verringern der restlichen optischen Wellendispersion in den optischen Impulsen.
Dispersionskompensationseinrichtungen zum Verringern der restlichen optischen Wellendispersion in den optischen Impulsen.
7. Gerät nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Strahlteilereinrichtungen, die optisch mit mindestens einem der chirp-modulierten Bragg-Gitter verbunden sind, zum Trennen von optischen Impulsen, die auf die chirp-modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
Strahlteilereinrichtungen, die optisch mit mindestens einem der chirp-modulierten Bragg-Gitter verbunden sind, zum Trennen von optischen Impulsen, die auf die chirp-modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
8. Gerät nach Anspruch 2, ferner umfassend:
Strahlteilereinrichtungen, die optisch mit mindestens einem der chirp-modulierten Bragg-Gitter verbunden sind, zum Trennen von optischen Impulsen, die auf die chirp-modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
Strahlteilereinrichtungen, die optisch mit mindestens einem der chirp-modulierten Bragg-Gitter verbunden sind, zum Trennen von optischen Impulsen, die auf die chirp-modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
9. Gerät nach Anspruch 3, ferner umfassend:
Strahlteilereinrichtungen, die optisch mit mindestens einem der chirp-modulierten Bragg-Gitter verbunden sind, zum Trennen von optischen Impulsen, die auf die chirp-modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
Strahlteilereinrichtungen, die optisch mit mindestens einem der chirp-modulierten Bragg-Gitter verbunden sind, zum Trennen von optischen Impulsen, die auf die chirp-modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
10. Verfahren zum Verstärken von optischen Impulsen,
umfassend die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines optischen Impulses;
Ausdehnen der Dauer des optischen Impulses über eine Zeitdauer, die länger als die ursprüngliche Dauer des optischen Impulses ist, während die Spitzenamplitude des optischen Impulses verringert wird, wobei ein ausgedehnter Impuls erzeugt wird;
Verstärken des ausgedehnten Impulses, wobei ein verstärkter ausgedehnter Impuls erzeugt wird; und
Wieder-Komprimieren des verstärkten ausgedehnten Impulses zur Originalform des optischen Impulses;
wobei mindestens einer der Schritte zum Ausdehnen und Wieder-Komprimieren unter Verwendung eines chirp-modulierten Bragg-Gitters durchgeführt wird.
Bereitstellen eines optischen Impulses;
Ausdehnen der Dauer des optischen Impulses über eine Zeitdauer, die länger als die ursprüngliche Dauer des optischen Impulses ist, während die Spitzenamplitude des optischen Impulses verringert wird, wobei ein ausgedehnter Impuls erzeugt wird;
Verstärken des ausgedehnten Impulses, wobei ein verstärkter ausgedehnter Impuls erzeugt wird; und
Wieder-Komprimieren des verstärkten ausgedehnten Impulses zur Originalform des optischen Impulses;
wobei mindestens einer der Schritte zum Ausdehnen und Wieder-Komprimieren unter Verwendung eines chirp-modulierten Bragg-Gitters durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei sowohl der Schritt zum
Ausdehnen als auch zum Wieder-Komprimieren unter Verwendung
eines einzigen chirp-modulierten Bragg-Gitters durchgeführt
wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schritte zum
Ausdehnen und Wieder-Komprimieren unter Verwendung separater
chirp-modulierter Bragg-Gitter durchgeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt
zum:
Verarbeiten des optischen Impulses zum Reduzieren der optischen Wellendispersion.
Verarbeiten des optischen Impulses zum Reduzieren der optischen Wellendispersion.
14. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt
zum:
Verarbeiten des optischen Impulses zum Reduzieren der optischen Wellendispersion.
Verarbeiten des optischen Impulses zum Reduzieren der optischen Wellendispersion.
15. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt
zum:
Verarbeiten des optischen Impulses zum Reduzieren der optischen Wellendispersion.
Verarbeiten des optischen Impulses zum Reduzieren der optischen Wellendispersion.
16. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend den Schritt
zum:
Trennen der optischen Impulse, die auf die chirp modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
Trennen der optischen Impulse, die auf die chirp modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
17. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt
zum:
Trennen der optischen Impulse, die auf die chirp modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
Trennen der optischen Impulse, die auf die chirp modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
18. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt
zum:
Trennen der optischen Impulse, die auf die chirp modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
Trennen der optischen Impulse, die auf die chirp modulierten Bragg-Gitter einfallen, von optischen Impulsen, die von den chirp-modulierten Bragg-Gittern reflektiert worden sind.
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