DE19838602A1 - Verstärker für optische Impulse - Google Patents
Verstärker für optische ImpulseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker für
optische Impulse oder einen optischen Impulsverstärker, und
betrifft insbesondere einen derartigen optischen
Impulsverstärker, der ein Chirp-Gitter verwendet.
Ein Verstärker mit Erbium-dotierten Lichtleitern weist eine
Sättigungsenergie von etwa 1 µJ auf, bei welcher die Leistung
eines Ausgangssignals nicht weiter ansteigt, selbst wenn die
Leistung eines Eingangssignals erhöht wird. Die
Spitzenleistung eines ultrakurzen Impulses, der bei dieser
Energie verstärkt wird, ist äußerst hoch, beispielsweise ein
Megawatt bei einem Impuls von einer Picosekunde, so daß die
Impulsintensität sehr stark ansteigt, wenn die Energie auf
den Kern eines Lichtleiters begrenzt wird, wodurch nicht
lineare Effekte hervorgerufen werden, und der Impuls verzerrt
wird. Außerdem tritt der Effekt auf, daß ein spektrales
Lochbrennen hervorgerufen wird, bei welchem infolge eines
Absinkens der Verstärker der stimulierten Emission keine
Verstärkung erzielt wird.
Um diese Schwierigkeiten auszuschalten wird der ultrakurze
Impuls verlängert, unter Einsatz einer
Volumenbeugungsgitterverlängerungseinrichtung, um den
Leistungsspitzenwert innerhalb eines Verstärkers abzusenken.
Eine Schwierigkeit bei der herkömmlichen Vorgehensweise, bei
welcher die Volumenbeugungsgitterverlängerungseinrichtung
eingesetzt wird, besteht jedoch darin, daß die
Beugungsgitteranordnung empfindlich auf die
Polarisationseinrichtung reagiert, und nicht stark ist.
Weiterhin ruft die herkömmliche Vorgehensweise erhebliche
Beugungsverluste hervor, und verzerrt das Profil eines
Ausgangsstrahls.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung
der voranstehenden Schwierigkeiten und in der Bereitstellung
eines optischen Impulsverstärkers, der eine höhere Leistung
und geringere Verzerrungen zur Verfügung stellt, unter
Verwendung eines Chirp-Gitters und eines Kopplers.
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erzielen, wird
ein optischer Impulsverstärker zur Verfügung gestellt,
welcher aufweist: einen optischen Impulsverstärker mit einem
ersten Optokoppler, der einen ersten, zweiten, dritten und
vierten Anschluß aufweist, zur Ausgabe eines optischen
Impulses, der auf den ersten Anschluß einfällt, an den
zweiten und dritten Anschluß, sowie des optischen Impulses,
der erneut von dem zweiten und dritten Anschluß einfällt, an
den vierten Anschluß; ein erstes Gitter, welches an den
zweiten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist,
um den einfallenden optischen Impuls für jede Wellenlänge
einer Position zu reflektieren, welche die Bragg-Bedingung
erfüllt; ein zweites Gitter, das an einen dritten Anschluß
des ersten Optokopplers angeschlossen ist, und dieselben
optischen Eigenschaften wie das erste Gitter aufweist, und
dazu dient, den einfallenden optischen Impuls für jede
Wellenlänge an einer Position zu reflektieren, welche die
Bragg-Bedingung erfüllt; einen optischen
Verstärkungsabschnitt, der an den vierten Anschluß des ersten
Optokopplers angeschlossen ist, um den optischen Impuls zu
verstärken, der von dem ersten und zweiten Gitter reflektiert
und von dem vierten Anschluß des ersten Optokopplers
ausgegeben wird; und einen zweiten Optokoppler, der einen
ersten, zweiten, dritten und einen vierten Anschluß aufweist,
und dazu dient, den optischen Impuls aus zugeben, der von dem
optischen Verstärkungsabschnitt einfällt, der an den ersten
Anschluß angeschlossen ist, und zwar an den zweiten und
dritten Anschluß, der an das erste bzw. zweite Gitter
angeschlossen ist, sowie des optischen Impulses, der erneut
einfällt, nachdem er von dem ersten und zweiten Gitter
reflektiert wurde, und zwar an den vierten Anschluß.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch
dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines optischen
Impulsverstärkers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 eine Detaildarstellung eines Chirp-Gitters von
Fig. 1;
Fig. 3 eine Eingangs/Ausgangssignalform eines in Fig. 1
dargestellten ersten Optokopplers;
Fig. 4 eine Eingangs/Ausgangssignalform eines zweiten
Optokopplers, der in Fig. 1 gezeigt ist; und
Fig. 5A den Aufbau eines Polarisationsstrahlteilers, und
Fig. 5B den Aufbau eines Lichtleiterpolarisationsteilers.
In Fig. 1 weist ein optischer Impulsverstärker gemäß der
vorliegenden Erfindung einen ersten Optokoppler 100 auf, der
mit vier Anschlüssen versehen ist, ein erstes und ein zweites
Chirp-Gitter 110 bzw. 115, einen zweiten Optokoppler 120 mit
vier Anschlüssen, und einen optischen Verstärkungsabschnitt
130.
Der erste Optokoppler 100 weist einen ersten, zweiten,
dritten bzw. vierten Anschluß 102, 104, 106 bzw. 108 auf,
teilt einen optischen Eingangsimpuls in einem Verhältnis von
50 : 50 auf, und verschiebt die Phase des optischen Impulses
jedesmal dann um π/2, wenn einmal eine Kopplung auftritt.
Das erste und das zweite Chirp-Gitter 110 bzw. 115 weisen die
gleichen optischen Eigenschaften auf, und bei jedem ist das
eine Ende an den zweiten und dritten Anschluß 104 und 106 des
ersten Kopplers 100 angeschlossen, und das andere Ende an den
zweiten Optokoppler 120. Das erste und das zweite
Chirp-Gitter 110 bzw. 115 reflektieren das einfallende Licht an
unterschiedlichen Positionen in Abhängigkeit von der
Wellenlänge.
Der optische Verstärkungsabschnitt 130 ist an den vierten
Anschluß 108 des ersten Optokopplers 100 angeschlossen, und
verstärkt einen optischen Impuls, der von dem vierten
Anschluß 108 zugeführt wird. Der optische
Verstärkungsabschnitt 130 weist einen ersten Isolator 131
auf, eine Pumplichtquelle 132, einen mit
Wellenlängenunterteilungsmultiplex (WDM) arbeitenden Koppler
133 zum Multiplexen des optischen Impulses mit
unterschiedlichen Wellenlängen und von Pumplicht, welches von
der Pumplichtquelle 132 erzeugt wird, einen Erbium-dotierten
Lichtleiter (EDF) 134, und einen zweiten Isolator 135.
Der zweite Optokoppler 120 weist einen ersten, zweiten,
dritten bzw. vierten Anschluß 122, 124, 126 bzw. 128 auf. Der
zweite und dritte Anschluß 124 bzw. 126 sind an das erste und
zweite Chirp-Gitter 110 bzw. 115 angeschlossen, der erste
Anschluß 122 ist mit dem optischen Verstärkungsabschnitt 130
verbunden, und der vierte Anschluß 128 ist ein
Ausgangsanschluß. Der zweite Optokoppler 120 teilt den
optischen Impuls, der eingegeben wird, nachdem er durch den
optischen Verstärkungsabschnitt 130 verstärkt wurde, in einem
Verhältnis von 50 : 50 auf, und gibt die aufgeteilten optischen
Impulse aus. Jedesmal dann, wenn einmal eine Kopplung
auftritt, wird die Phase des optischen Ausgangsimpulses π/2
verschoben.
Als nächstes wird der Betriebsablauf des optischen
Impulsverstärkers mit dem voranstehend geschilderten Aufbau
beschrieben. Zuerst wird, wenn ein optischer Impuls über den
ersten Anschluß 102 des ersten Optokopplers 100 zugeführt
wird, der optische Impuls mit der Hälfte der Leistung ohne
Phasenverschiebung an den zweiten Anschluß 104 ausgegeben,
und wird der optische Impuls mit der halben Leistung, dessen
Phase um π/2 infolge einer einmaligen Kopplung verschoben
wurde, an den dritten Anschluß 106 ausgegeben. Der zweite und
dritte Anschluß 104 und 106 sind an das erste und zweite
Chirp-Gitter 110 bzw. 115 angeschlossen, welche dieselben
optischen Eigenschaften aufweisen, und die dort eingegebenen
optischen Impulse werden an unterschiedlichen Positionen des
ersten und zweiten Chirp-Gitters 110 bzw. 115 in Abhängigkeit
von der Wellenlänge reflektiert. Die Reflexion durch das
ersten und zweite Chirp-Gitter 110 bzw. 115 erfolgt
folgendermaßen.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ändert sich der Gitterabstand des
Chirp-Gitters entsprechend seiner Länge. Nimmt man an, daß
unterschiedliche Wellenlängen λ1 λ2, . . ., λn vorhanden sind,
und daß die Wellenlängen die Beziehung λ1 < λ2 < . . . < λn
erfüllen, so reflektiert ein Chirp-Gitter einen optischen
Impuls für jede Wellenlänge an einer Position, welche die
Bragg-Bedingung erfüllt. Die Bragg-Bedingung, die eine
Reflexion im Inneren des Kerns des Lichtleitergitters
hervorruft, ist durch folgende Gleichung (1) festgelegt.
λ1 = 2.neff.di (1).
In Gleichung (1) bezeichnet λi die Wellenlänge des
einfallenden Lichts, neff den effektiven Brechungsindex, und
di den Gitterabstand (Gitterperiode).
Wenn der Gitterabstand größer wird, wird daher die
Wellenlänge größer, welche die voranstehende Gleichung
erfüllt. Ein optischer Impuls mit großer Wellenlänge wird
daher an einem Abschnitt mit großem Gitterabstand
reflektiert, und ein optischer Impuls mit kurzer Wellenlänge
wird an einem Abschnitt reflektiert, der einen kürzeren
Gitterabstand aufweist als der optische Impuls mit der großen
Wellenlänge. Der optische Impuls wird daher im Verlauf der
Zeit über die Chirp-Gitter verbreitert, wodurch die
Impulsbreite erhöht wird.
Der optische Impuls, der erneut auf den zweiten und dritten
Anschluß 104 und 106 des ersten Optokopplers 110 einfällt,
nachdem er von dem ersten und zweiten Chirp-Gitter 110, 115
reflektiert wurde, wird mit einem Anteil von 50 : 50 an den
ersten und vierten Anschluß 102 bzw. 108 ausgegeben. Der
optische Impuls ohne die Phasenverschiebung, der erneut von
dem zweiten Anschluß 104 einfällt, und der optische Impuls
mit einer Phasenverschiebung von π, der erneut von dem
dritten Anschluß 106 aus einfällt, werden an den ersten
Anschluß 102 ausgegeben, so daß sich diese optischen Impulse
auslöschen. Daher gibt der ersten Anschluß 102 keinen
optischen Impuls aus. Der optische Impuls, der erneut von dem
zweiten Anschluß 104 aus einfällt, und infolge einer
einmaligen Kopplung eine Phasenverschiebung π/2 aufweist, und
der optische Impuls, der erneut von dem dritten Anschluß 106
aus einfällt, und mangels einer Kopplung eine
Phasenverschiebung von π/2 beibehält, werden an den vierten
Anschluß 108 ausgegeben. Der optische Impuls, der von dem
vierten Anschluß 108 ausgegeben wird, ist daher ein
intensiverer optischer Impuls.
Fig. 3 zeigt einen Impuls, der an den vierten Anschluß 108
ausgegeben wird, nachdem er über das erste und zweite Chirp-Gitter
110 bzw. 115 verbreitert wurde. In Fig. 3 ist mit "A"
ein Eingangsimpuls bezeichnet, und mit "B" ein
Ausgangsimpuls.
Der optische Impuls, der von dem vierten Anschluß 108
ausgegeben wird, wird auf folgende Weise durch den optischen
Verstärkungsabschnitt 130 verstärkt. Zuerst wird Pumplicht,
welches von der Pumplichtquelle 132 erzeugt wird,
beispielsweise einer Laserdiode, durch den WDM-Koppler 133
mit dem optischen Impuls gemultiplext, der über den vierten
Anschluß 108 einfällt. Das Eingangspumplicht erregt
Erbium-Ionen Er3+ im Grundzustand, die in den EDF 134 als
Verstärkungsmedium vorhanden sind, wodurch eine
Besetzungsinversion hervorgerufen wird. Der EDF 134 verstärkt
den optischen Impuls durch stimulierte Emission des
besetzungsinvertierten Erbiums.
Der erste Isolator 131 verhindert, daß eine durch den EDF 134
erzeugte, verstärkte spontane Emission erneut einfällt,
nachdem sie von dem vierten Anschluß 108 des ersten
Optokopplers 100 reflektiert wurde. Der zweite Isolator 135
verhindert, daß verstärkte spontane Emission, die von dem
EDF 134 verstärkt wird, erneut einfällt, nachdem sie von dem
ersten Anschluß 122 des zweiten Optokopplers 120 reflektiert
wurde, der an den optischen Verstärkungsabschnitt 130
angeschlossen ist.
Ein derartiger verstärkter optischer Impuls wird in den
ersten Anschluß 122 des zweiten Optokopplers eingegeben, und
an den zweiten und dritten Anschluß 124 und 126 mit einem
Anteil von 50 : 50 ausgegeben, wie bei dem ersten Optokoppler
100. Jeder abgegebene optische Impuls fällt erneut in das
erste und zweite Chirp-Gitter 110 bzw. 115 in
entgegengesetzter Richtung ein, im Vergleich zur
Einfallsrichtung von dem ersten Optokoppler 100. Der optische
Impuls, der eine kurze Wellenlänge aufweist, wird daher
früher reflektiert, und der optische Impuls, der eine lange
Wellenlänge aufweist, wird später reflektiert, was zu einer
Impulskompression führt. Der komprimierte Impuls wird an den
vierten Anschluß 128 des zweiten Optokopplers 120 durch
dieselben Operationen wie bei dem ersten Optokoppler 100
ausgegeben.
Fig. 4 Zeit die Eingangs/Ausgangswellenlänge des zweiten
Optokopplers 120. In Fig. 4 ist mit "A" der verstärkte
Eingangsimpuls bezeichnet, und mit "B" der an den vierten
Anschluß 128 ausgegebene Impuls.
Hierbei können der erste und zweite Optokoppler 100 bzw. 120
als Polarisationsstrahlteiler oder
Lichtleiterpolarisationsteiler ausgebildet sein, oder als ein
Koppler 3 dB zum Aufteilen des einfallenden optischen Impulses
in einem Verhältnis von 50 : 50, der einen Ausgangsanschluß
entsprechend dem Polarisationszustand festlegen kann, und den
optischen Impuls, der von dem Chirp-Gitter reflektiert wird,
an einen gewünschten Anschluß ausgeben kann, unter Verwendung
einer Polarisationssteuerung. Fig. 5A zeigt den Aufbau des
Polarisationsstrahlteilers, und Fig. 5B zeigt den Aufbau des
Lichtleiterpolarisationsteilers.
Wie voranstehend geschildert kann bei dem optischen
Impulsverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung die
Erzeugung nicht-linearer Effekte und des Brennens spektraler
Löcher verhindert werden, durch Verstärkung und Verbreiterung
des optischen Impulses, und darüber hinaus treten geringere
Beugungsverluste auf, und ist die Herstellung einfach.
Weiterhin kann ein Ausgangsimpuls, der ebenso wie der
Eingangsimpuls ausgebildet ist, und eine verstärkte
Intensität aufweist, durch Verbreiterung und Kompression
erhalten werden. Weiterhin ist der Einsatz des Optokopplers
kostengünstiger, als wenn ein teures Gerät wie ein Zirkulator
verwendet wurde.
Claims (8)
1. Optischer Impulsverstärker, welcher aufweist:
einen ersten Optokoppler mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluß, zur Ausgabe eines optischen Impulses, der auf den ersten Anschluß einfällt, an den zweiten und dritten Anschluß, sowie des optischen Impulses, der erneut von dem zweiten und dritten Anschluß aus einfällt, an den vierten Anschluß;
ein erstes Gitter, welches an den zweiten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist, zum Reflektieren des einfallenden optischen Impulses für jede Wellenlänge an einer Position, welche die Bragg-Bedingung erfüllt;
ein zweites Gitter, welches an den dritten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist, und dieselben optischen Eigenschaften aufweist wie das erste Gitter, zum Reflektieren des einfallenden optischen Impulses für jede Wellenlänge an einer Position, welche die Bragg-Bedingung erfüllt;
einen optischen Verstärkungsabschnitt, der an den vierten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist, zum Verstärken des optischen Impulses, der von dem ersten und zweiten Gitter reflektiert und durch den vierten Anschluß des ersten Optokopplers ausgegeben wird; und
einen zweiten Optokoppler, der einen ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluß aufweist, zur Ausgabe des optischen Impulses, der von dem optischen Verstärkungsabschnitt aus einfällt, der an den ersten Anschluß angeschlossen ist, an den zweiten und dritten Anschluß, der an das erste bzw. zweite Gitter angeschlossen ist, sowie des optischen Impulses, der nach Reflexion durch das erste und zweite Gitter erneut einfällt, an den vierten Anschluß.
einen ersten Optokoppler mit einem ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluß, zur Ausgabe eines optischen Impulses, der auf den ersten Anschluß einfällt, an den zweiten und dritten Anschluß, sowie des optischen Impulses, der erneut von dem zweiten und dritten Anschluß aus einfällt, an den vierten Anschluß;
ein erstes Gitter, welches an den zweiten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist, zum Reflektieren des einfallenden optischen Impulses für jede Wellenlänge an einer Position, welche die Bragg-Bedingung erfüllt;
ein zweites Gitter, welches an den dritten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist, und dieselben optischen Eigenschaften aufweist wie das erste Gitter, zum Reflektieren des einfallenden optischen Impulses für jede Wellenlänge an einer Position, welche die Bragg-Bedingung erfüllt;
einen optischen Verstärkungsabschnitt, der an den vierten Anschluß des ersten Optokopplers angeschlossen ist, zum Verstärken des optischen Impulses, der von dem ersten und zweiten Gitter reflektiert und durch den vierten Anschluß des ersten Optokopplers ausgegeben wird; und
einen zweiten Optokoppler, der einen ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluß aufweist, zur Ausgabe des optischen Impulses, der von dem optischen Verstärkungsabschnitt aus einfällt, der an den ersten Anschluß angeschlossen ist, an den zweiten und dritten Anschluß, der an das erste bzw. zweite Gitter angeschlossen ist, sowie des optischen Impulses, der nach Reflexion durch das erste und zweite Gitter erneut einfällt, an den vierten Anschluß.
2. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste
und zweite Optokoppler ein Koppler mit 3 dB sind.
3. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste
und zweite Optokoppler als Polarisationsstrahlteiler
ausgebildet sind.
4. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste
und zweite Optokoppler als
Lichtleiterpolarisationsstrahlteiler ausgebildet sind.
5. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste
und zweite Gitter als Chirp-Gitter angeordnet sind, die
entsprechend der Position jeweils unterschiedliche
Gitterperioden aufweisen.
6. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der optische
Verstärkungsabschnitt aufweist:
eine Pumplichtquelle zur Erzeugung von Pumplicht;
einen Wellenlängenunterteilungsmultiplexer zum Multiplexen des Pumplichtes, welches von der Pumplichtquelle ausgegeben wird, und des optischen Impulses, der von dem ersten Optokoppler aus einfällt;
und
einen Erbium-dotierten Lichtleiter zum Verstärken des optischen Impulses, der von dem Wellenlängenunterteilungsmultiplexer gemultiplext wird.
eine Pumplichtquelle zur Erzeugung von Pumplicht;
einen Wellenlängenunterteilungsmultiplexer zum Multiplexen des Pumplichtes, welches von der Pumplichtquelle ausgegeben wird, und des optischen Impulses, der von dem ersten Optokoppler aus einfällt;
und
einen Erbium-dotierten Lichtleiter zum Verstärken des optischen Impulses, der von dem Wellenlängenunterteilungsmultiplexer gemultiplext wird.
7. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Pumplichtquelle eine Laserdiode ist.
8. Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der optische
Verstärkungsabschnitt weiterhin aufweist:
einen ersten Isolator, der vor dem Wellenlängenunterteilungsmultiplexer angeordnet ist, um zu verhindern, daß eine verstärkte spontane Emission, die von dem Erbium-dotierten Lichtleiter erzeugt wird, erneut einfällt, nachdem sie durch den vierten Anschluß des ersten Optokopplers reflektiert wurde, der an den optischen Verstärkungsabschnitt angeschlossen ist; und
einen zweiten Isolator, der hinter dem Erbium-dotierten Lichtleiter angeordnet ist, um zu verhindern, daß verstärkte spontane Emission, die von dem Erbium dotierten Lichtleiter erzeugt wird, erneut einfällt, nachdem sie durch den ersten Anschluß des zweiten Optokopplers reflektiert wurde, der an den optischen Verstärkungsabschnitt angeschlossen ist.
einen ersten Isolator, der vor dem Wellenlängenunterteilungsmultiplexer angeordnet ist, um zu verhindern, daß eine verstärkte spontane Emission, die von dem Erbium-dotierten Lichtleiter erzeugt wird, erneut einfällt, nachdem sie durch den vierten Anschluß des ersten Optokopplers reflektiert wurde, der an den optischen Verstärkungsabschnitt angeschlossen ist; und
einen zweiten Isolator, der hinter dem Erbium-dotierten Lichtleiter angeordnet ist, um zu verhindern, daß verstärkte spontane Emission, die von dem Erbium dotierten Lichtleiter erzeugt wird, erneut einfällt, nachdem sie durch den ersten Anschluß des zweiten Optokopplers reflektiert wurde, der an den optischen Verstärkungsabschnitt angeschlossen ist.
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