DE197943T1 - Verst(gamma)rker frr optischen wellenleiter und laser. - Google Patents

Verst(gamma)rker frr optischen wellenleiter und laser.

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DE197943T1 DE198585903560T DE85903560T DE197943T1 DE 197943 T1 DE197943 T1 DE 197943T1 DE 198585903560 T DE198585903560 T DE 198585903560T DE 85903560 T DE85903560 T DE 85903560T DE 197943 T1 DE197943 T1 DE 197943T1
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Claims (60)

0137943 Patentansprüche:
1. Optischer Wellenleiter, umfassend:
einen Verstärker-Resonanzhohlraum mit einer optischen Monomode-Wellenleiterfaser, die einen Kern und einen Überzug aufweist, wobei der Brechungsindex des Kerns höher ist als der Brechungsindex des Überzuges und wenigstens der Kern oder der überzug ein Verstärkermaterial enthält, welches Licht in einem oder mehreren spektralen Absorptionsbändern absorbiert und hierauf ansprechend spontane Lichtenergieemissionen in einem oder mehreren Emissionsbändern erzeugt;
einen Diskriminator, der nur ein gewähltes spektrales Band der spontanen Lichtenergie-Emission zur Resonanz in den Hohlraum eintreten läßt;
eine Pumpvorrichtung, um Lichtenergie eines der Absorptionsbänder in die optische Wellenleiterfaser in einer Menge einzuführen, die durch den Laserschwellwert des Hohlraumes wenigstens innerhalb des gewählten spektralen Bandes spontaner Emissionen bestimmt wird; und
Mittel, die einen Ausgang für die Lichtenergie innerhalb des gewählten Spektralbandes aus dem Hohlraum definieren .
2. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, bei welchem die Wellenleiterfaser wenigstens ein lineares Fasersegment umfaßt.
3. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, bei welchem die Wellenleiterfaser eine geschlossene Faserschleife umfaßt.
4. Optischer Wellenleiter nach einem der
Ansprüche 2 oder 3, mit wenigstens einem Koresonanzhohlraum, der zwischen den Verstärkerhohlraum und den Ausgang geschaltet ist.
5. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 4,
bei welchem der Koresonanzhohlraum auch Verstärkermaterial enthält, das Licht in einem oder mehreren spektralen Absorptionsbändern absorbiert und hierauf ansprechend, spontane Emissionen von Lichtenergie in einem oder mehreren Emissions-&igr; bändern erzeugt.
6. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 2,
bei welchem der Verstärkerhohlraum aus zwei linearen Fasersegmenten besteht und der Diskriminator eine dispersive seitliche Kopplung zwischen dem Paar von Fasersegmenten aufweist.
7. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 2,
bei welchem der Diskriminator wenigstens einen dichroitischen Spiegel an einem Ende des linearen Fasersegmentes umfaßt.
8. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 3,
bei welchem der Diskriminator eine dispersive seitliche Kopplung aufweist, die die Schleife schließt.
5
9. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1,2,3,6,7 oder 8, mit Mitteln zur Betätigung der Pumpeinrichtung, um Lichtenergie in einem der Absorptionsbänder in die optische Wellenleiterfaser in einer Menge unterhalb des Laserschwellwertpegels einzuführen, wodurch die Einrichtung als Verstärker für Lichtenergie wirkt, die sich in einem optischen Leiter ausbre itet.
10. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1,2,3,6,7 oder 8, mit Mitteln zur Betätigung der Pumpeinrichtung, um Lichtenergie in einem der Absorptionsbänder in die optische Wellenleiterfaser in einer Menge über dem Laserschwel lwertpegel des Verstärkerhohlraums einzuführen, wodurch die Vorrichtung als Signalgenerator-Laser arbeitet.
11. Optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1,2,3,6,7 oder 8, mit einer variablen Leistungsquelle für die Pumpeinrichtung,· wodurch die Pumpeinrichtung so betrieben werden kann,daß Licht in einem der Absorptionsbänder in die optische Wellenleiterfaser in einer Menge sowohl
unter als auch über dem Laserschwellwertpegel eingeführt werden kann, so daß die Einrichtung als Verstärker arbeitet, wenn Lichtenergie unter dem Laserschwellwertpegel eingepumpt wird und die Einrichtung als Signalgenerator arbeitet, wenn die Pumpeinrichtung Lichtenergie über dem Laserschwellwertpegel einführt.
12. Optischer Wellenleiter zur Filterung und Verstärkung von Lichtenergie einer gewählten Wellenlänge aus einer Leitung, die mehrere Wellenlängen führt, wobei die Einrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen Hohlraum mit einem optischen Wellenleiterabschnitt, der einen Kern und einen überzug besitzt, wobei der Brechungsindex des Kerns größer ist als der Brechungsindex des Überzuges, so daß eine Wellenleiter-Übertragung von Lichtenergie stattfindet, wobei der Hohlraum eine gewählte optische Länge aufweist, die so ausgebildet ist, daß eine Resonanz von Lichtenergie wenigstens des gewählten Wellenlängenbandes in dem gegebenen Emissionsband erzeugt wird;
eine Einkoppelvorrichtung mit einem optischen Wellenleiterabschnitt, um den Verstärkerhohlraum an die Leitung anzukoppeln, die mehrere Wellenlängen führt;
einen Ausgangskoppler mit einem optischen Wellenleiterabschnitt, um den Hohlraum an einen Ausgang anzukoppeln;
wenigstens einer der folgenden optischen Wellenleiterabschnitte, nämlich Hohlraum-Eingangskoppler oder Ausgangskoppler enthält ein Verstärkermaterial, das Lichtenergie in einem oder mehreren spektralen Absorptionsbändern absorbiert und demgemäß eine spontane Lichtenergie-Emission in wenigstens einem gegebenen Emissionsband erzeugt; und
eine Pumpeinrichtung, um Lichtenergie in einem der Absorptionsbänder in ein Wellenleitersegment in einer Menge einzuführen, die ausreicht um eine spontane Emission zu erzeugen, um hierdurch die gewählte Wellenlänge zu verstärken.
13. Die Erfindung gemäß Anspruch 12, bei welcher wenigstens einer der Wellenleiterabschnitte eine optische Faser ist.
14. Die Erfindung nach Anspruch 12, bei welcher das Verstärkermaterial gemäß der Absorption von Lichtenergie eine spontane Emission sowohl in dem gegebenen Emissionsband als auch in einem anderen Emissionsband erzeugt und die Vorrichtung Mittel aufweist, um bevorzugt den Durchlaß von Wellenlängen in dem gegebenen Emissionsband durchzulassen und Übertragungen von Wellenlängen in dem anderen Emissionsband zu dämpfen, so daß die Vorrichtung als Verstärkermedium nur für Wellenlängen des gegebenen Bandes wi rkt.
15. Die Erfindung gemäß Anspruch 14, bei welcher der Hohlraum mit Abschnitten ausgebildet ist, die durch einen Koppler verbunden sind und der Koppler Mittel aufweist, um bevorzugt eine Übertragung in den gegebenem Emissionsband zuzulassen.
16. Die Erfindung gemäß Anspruch 15, bei welcher der Koppler ein dispersiver Koppler ist, welcher so ausgebildet ist, daß die Übertragung von Wellenlängen in dem gegebenen Emissionsband zwischen den gekoppelten Abschnitten des Hohlraums verbessert wird, während die Übertragung von Wellenlängen in den anderen Emissionsbändern vermindert wird.
17. Die Erfindung gemäß Anspruch 16, bei welcher das andere Emissionsband das dominierende spontane Emissionsband des Verstärkermaterials ist.
18. Die Erfindung nach Anspruch 15, bei welcher der Kern des Hohlraums aus dem Verstärkermaterial besteht und der Hohlraum eine Schleife einer optischen Wellenlängenfaser ist, die seitlieh in sich selbst an einer gegebenen Stelle geschlossen ist, die die optische Resonanzhohlraumlänge hiervon definiert, wobei ein Ende der Faser vorsteht, um die Pumplichtenergie einzuführen .
19. Die Erfindung nach Anspruch 12, welche weiter eine wellenlängen-selektive Kopplung der Dispersionsbauart aufweist, die nur Wellenlängen innerhalb des gegebenen Emissionsbandes hindurchtreten läßt und Übertragungen in anderen Wellenlängenbändern dämpft.
20. Die Erfindung nach Anspruch 19, bei welcher
die wellenlängen-selektive Kopplung vorzugsweise Wellenlängen in einem Band durchtreten läßt, welches Wellenlängen von 1,3 um enthält.
21. Die Erfindung gemäß Anspruch 20, wobei das Verstärkermaterial Neodymium ist.
22. Die Erfindung gemäß Anspruch 12, bei welcher wenigstens der Eingangskoppler oder der Ausgangskoppler einen zweiten optischen Resonanz-Wellenleiter-Hohlraum aufweist.
23. Die Erfindung gemäß Anspruch 22, bei welcher der zweite Hohlraum mit dem ersten Hohlraum über eine Koppel verbindung angekoppelt ist, die ein optisches Wellenlängensegment besitzt, das einen Kern aus optischem Verstärkermaterial aufweist, wobei die Pumpeinrichtung Licht in die Verbindung einführt, um die zwischen den Hohlräumen getragenen Wellenlängen zu verstärken
24. Die Erfindung gemäß Anspruch 23, bei welcher die Verbindung aus einer optischen Wellenleiterfaser besteht.
25. Die Erfindung gemäß Anspruch 23, bei welcher wenigstens ein Ende der Verbindung so ausgebildet ist, daß Reflexionen der Pumpenergie zurück längs der Verbindung vermindert werden.
26. Die Erfindung nach Anspruch 23, bei welcher der ersterwähnte Hohlraum und der zweite Hohlraum von unterschiedlicher Länge sind, wobei diese jedoch bei der gewählten Wellenlänge in Resonanz sind.
27. Die Erfindung nach Anspruch 23, bei welcher das Verstärkermaterial der Verbindung gemäß der Lichtenergieabsorption eine spontane Emission in dem gegebenen Emissionsband und einem anderen Emissionsband erzeugt, und Filter/ Verstärker-Mittel aufweisen, um bevorzugt die Übertragung von Wellenlängen in dem gegebenen Emissionsband zu ermöglichen und Wellenlängen in dem anderen Emissionsband zu dämpfen, wobei das andere Emissionsband das dominierende spontane Emissionsband des Verstärkermaterials ist.
28. Die Erfindung gemäß Anspruch 12, bei welcher der Hohlraum aus einer Wellenleiterschleife besteht, die in sich selbst an einer gegebenen Stelle geschlossen ist, die die optische Resonanz-
q 7 Q Z1 &tgr;
•J I \j -l &ogr;
Hohlraumlänge hiervon ist, wobei ein Ende vorsteht, um die Pumplichtenergie einführen zu können.
29. Die Erfindung nach Anspruch 28, bei welcher das Verstärkermaterial gemäß der Lichtenergieabsorption spontane Emission in beiden gegebenen Emissionsbändern um die Schleife herum erzeugt, während wiederholte Übertragungen von Wellenlängen des anderen Emissionsbandes gedämpft werden .
30. Die Erfindung gemäß Anspruch 29, bei welcher das Verstärkermaterial Neodymium ist und das gegebene Emissionsband bei etwa 1,34 pm liegt, während das andere Band bei etwa 1,06 pm liegt.
31. Ein Laser umfassend folgende Merkmale:
einen Verstärkerhohlraum mit einer optischen Monomode-Wellenleiterfaser, die Kern und Überzug aufweist, wobei der Brechungsindex des Kerns größer ist als der des Überzugs und der Kern Verstärkungsmaterial enthält, das Licht in einem oder mehreren gegebenen spektralen Absorptionsbändern absorbiert und hierauf ansprechend spontane Emissionen von Licht· energie in einem oder mehreren Emissionsbändern erzeugt, wobei die Wellenleiterfaser seitlich an einer gegebenen Stelle mit sich selbst gekoppelt ist um eine Schleife zu bilden, deren eines Ende
vorsteht, wobei der Kopplungspunkt eine optische Resonanz-Hohlraumlänge gegebener Wellenlänge mit einem gegebenen Transmissionsband definiert;
eine Pumpeinrichtung, um Pumplichtenergie mit einem der Absorptionsbänder in den Kern der Wellenleiterfaser an ihrem vorstehenden Ende einzuführen und um den Faserwellenleiter in einem solchen Ausmaß zu erregen, daß eine spontane Emission über dem Laseransprechpegel erfolgt und Schwingungen stimulierter Emission darin bei wenigstens dem einen Emissionsband erfolgen ; und
Mittel, um Lichtenergie innerhalb des Emissionsbandes aus der Schleife abzuziehen.
32. Laser nach Anspruch 31, bei welchem das andere Ende der Faser als Ausgangsfaser vorsteht, um jene Mittel zu bilden, durch die die Lichtenergie aus der Schleife abgezogen werden kann.
33. Laser nach Anspruch 31, bei dem das Verstärkermaterial mehrere Emissionsbänder aufweist und der Laser außerdem Mittel aufweist, um wenigstens die Übertragung von Wellenlängen in einem der Emissionsbänder nach dem Auskoppler zu dämpfen.
34. Laser nach Anspruch 31, bei welchem das Verstärkermaterial mehrere Emissionsbänder aufweist, wobei eines der Emissionsbänder ein dominierendes Emissionsband des Verstärkermaterials ist, während das gegebene Emissionsband ein anderes Emissionsband des Verstärkermaterials ist, wobei die Schleife Mittel aufweist, die vorzugsweise wiederholte übertragung von Wellenlängen in dem gegebenen Emissionsband durchtreten lassen, während wiederholte Übertragungen in dem dominierenden Emissionsband gedämpft werden, so daß der Laser Schwingungen stimulierter Emission innerhalb des gegebenen Bandes erzeugt, nicht aber in dem dominierenden Band.
35. Laser nach Anspruch 34, bei welchem die Mittel zur bevorzugten Übertragung und zur Dämpfung eine dispersive seitliche Kopplung aufweisen, die an dem Koppler der Schleife mit sich selbst ausgebildet ist.
36. Laser nach Anspruch 34, bei welchem die Pumpeinrichtung einen Laser aufweist, der Laserenergie innerhalb des gegebenen Emissionsbandes des Hohlraums liefert, wodurch der Laserausgang gegebener Wellenlänge des Pumplasers in einen Laserausgang unterschiedlicher Wellenlänge innerhalb des gegebenen Emissionsbandes umgesetzt wird.
37. Laser nach Anspruch 36, bei welchem der Pumplaser von einer Laserdiode gebildet ist.
38. Laser nach Anspruch 36, bei welchem das aktive Verstärkermaterial Neodymium ist und der Pumplaser im Bereich zwischen 0,8 und 0,88 pm arbeitet.
39. Laser nach Anspruch 36, bei welchem das
Verstärkermaterial mehrere Emissionsbänder aufweist und Mittel vorgesehen sind, um den Durchlaß von Wellenlängen in einem der Emissionsbänder zu dämpfen.
40. Laser nach Anspruch 39, bei welchem das Verstärkermaterial mehrere Emissionsbänder umfaßt, wobei eines der Emissionsbänder ein dominierendes Emissionsband des Verstärkermaterials ist und das gegebene Emissionsband ein anderes Emissionsband des Verstärkermaterials ist, während der Hohlraum Mittel aufweist, die vorzugsweise wiederholte Übertragungen von Wellen längen des gegebenen Emissionsbandes zulassen und wiederholte Übertragungen des dominierenden Emissionsbandes dämpfen, so daß der Laser Schwingungen stimulierter Emissionen innerhalb des gegebenen Bandes erzeugt und nicht innerhalb des vorherrschenden Bandes.
41. Laser nach Anspruch 39, bei welchem die Mittel zum bevorzugten Durchlaß bzw. zum Dämpfen eine dispersive seitliche Kopplung zwischen dem Ausgang und dem Hohlraum aufwei sen .
42. Laser mit folgenden Bestandteilen:
einem Paar optischer Wellenlängen-Hohlräume, von denen einer ein Verstärker-Hohl raum ist, der eine optische Monomode-Wellenleiterfaser umfaßt, die einen Kern und einen Überzug besitzt, wobei wenigstens Kern oder Überzug ein Verstärkermaterial enthält, das Licht in einem gegebenen spektralen Absorptionsband absorbiert und daraufhin spontane Emissionen von Lichtenergie in einem oder mehreren Emissionsbändern erzeugt, wobei die Wellenleiter-Hohlräume unterschiedlich lang sind, um eine Resonanz in einem der Emissionsbänder mit einer Resonanzwellenlänge zu liefern;
eine Pumpeinrichtung, um Pumplichtenergie in einem der Absorptionsbänder in den Verstärker-Hohlraum einzuführen, um den Wellenleiter über den Laseransprechpegel zu erregen und Schwingungen stimulierter Emission darin wenigstens in einem Emissionsband zu erzeugen;
Mittel, um Lichtenergie innerhalb des einen Emissionsbandes von den Hohlräumen abzuziehen, wodurch der Ausgang des Lasers nur bei den koresonanten Wellenlängen erfolgt.
43. Laser nach Anspruch 42, bei welchem ein Ende des Verstärkerhohlraums vorsteht, um die Pumplichtenergie einzuführen.
44. Laser nach Anspruch 42, bei welchem wenigstens einer der Hohlräume eine lineare optische WeIlenleiter-Monomodefaser ist.
45. Laser nach Anspruch 42, mit Mitteln, um
wenigstens einen der Hohlräume abstimmen zu können, damit die Wellenlänge des koresonanten Ausgangs verändert werden kann.
46. Laser nach Anspruch 42, bei dem das Paar
optischer Wellenleiter von linearen Wellenleitern gebildet ist, die seitlich miteinander gekoppelt sind, um relativ lange bzw. relativ kurze Koresonanz-Hohlräume zu schaffen, wodurch in dem kurzen Hohlraum ein großer freier Spektralbereich relativ zu dem freien Spektralbereich in dem langen Hohlraum gebildet wird.
47. Laser nach Anspruch 46, mit Mitteln, um eine gewählte Spektral 1inie des langen Hohlraums in bezug auf eine Linie des kurzen Hohlraums zentrieren zu können.
48. Laser nach Anspruch 46, bei welchem die Länge des langen Hohlraums zehnmal so groß ist wie die Länge des kurzen Hohlraums.
ft 1 q 7 Q /. Q 15 -
49. Wellenleiter mit integrierter Optik zur Verstärkung von Lichtenergie gemäß einer Pumplichtenergie, umfassend:
ein Substrat optisch durchlässigen Materials zum Einführen der Pumplichtenergie;
ein optischer Wellenleiter-Resonanzhohlraum, der in dem Substrat ausgebildet ist, wobei ein Kern einen höheren Brechungsindex aufweist als das Umgebungsmaterial, und der Kern ein Ver-Stärkermaterial enthält, welches Lichtenergie in einem oder mehreren spektralen Absorptionsbändern absorbiert und demgemäß spontane Emissionen in einem oder mehreren spektralen Emissionsbändern 'erzeugt, wobei der Hohlraum eine gewählte optische Länge besitzt,um eine Resonanz wenigstens einer gewählten Wellenlänge in einem gegebenen Emissionsband zu erzeugen ;
ein Eingangskoppler zur Einführung der einen gewählten Wellenlänge in den Hohlraum; und
ein Ausgangskoppler zum Abziehen verstärkter Lichtenergie gegebener Wellenlänge aus dem Hohl raum.
50. Die Erfindung gemäß Anspruch 49 mit Mitteln, um bevorzugt Energie eines Emissionsbandes nach dem Ausgang zu übertragen und eine Übertragung anderer Emissionsbänder zu dämpfen.
51. Die Erfindung nach Anspruch 50, bei welcher die Mittel zum bevorzugten Durchlaß und zur Dämpfung eine dispersive Kopplung umfassen.
52. Die Erfindung gemäß Anspruch 49, bei welcher das Substrat eine ebene Oberfläche umfaßt und der Hohlraum als geschlossene Schleife innerhalb der ebenen Oberfläche des Substrates ausgebildet ist.
53. Die Erfindung gemäß Anspruch 52, bei welcher der Eingangskoppler bzw. der Ausgangskoppler aus einem Paar optischer Wellenleiter bestehen, die seitlich mit gegenüberliegenden Abschnitten der Schleife gekoppelt sind.
54. Die Erfindung gemäß Anspruch 49, bei welcher das Substrat eine zylindrische Oberfläche umfaßt und der Hohlraum als geschlossene Schleife innerhalb des zylindrischen Hohlraums ausgebi ldet ist.
55. Die Erfindung gemäß Anspruch 54, bei welcher der Einlaßkoppler und der Auslaßkoppler aus zwei optischen Wellenleiterfasern bestehen, die seitlich mit gegenüberliegenden Abschnitten der Schleife gekoppelt sind.
56. Laser umfassend folgende Bestandteile:
zwei Resonanzhohlräume unterschiedlicher Resonanzlänge, die miteinander gekoppelt sind,
um eine gegebene Koresonanzfrequenz zu liefern;
Mittel zur Einführung von Pumpenergie in die Hohlräume, um darin Laserlichtenergie innerhalb eines Bandes zu erzeugen, das die Koresonanzfrequenz umfaßt und um Lichtenergie von den Hohlräumen auszukoppeln, um den Lichtenergieausgang des Lasers zu erzeugen;
Mittel, um einen der Hohlräume mit einem Wechselsignal etwas abstimmen zu können; und Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem Wechselsignal und dem Lichtenergieausgang und zur Abstimmung des anderen Hohlraums gemäß der Phasendifferenz, um einen Laserausgang mit schmalem Band zu schaffen, der weitgehend stabilisiert ist.
57. Laser nach Anspruch 56, bei welchem wenigstens einer der Hohlräume ein optischer Monomode-Wellenleiter ist.
58. Laser nach Anspruch 57, bei welchem beide Hohlräume optische Monomode-Wellenleiterfasern sind und wenigstens eine der Fasern aktives Verstärker· material enthält.
59. Laser gemäß Anspruch 56, bei welchem ein erster der Hohlräume ein relativ langer Hohlraum mit einem relativ kleinen freien Spektral bereich ist, während der zweite Hohlraum ein relativ
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kurzer Hohlraum mit relativ großem freiem Spektralbereich ist.
60. Laser nach Anspruch 59, bei welchem das Wechsel signal dem etwas abgestimmten zweiten Hohlraum zugeführt wird.
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