DE19838602B4

DE19838602B4 - Verstärker für optische Impulse

Info

Publication number: DE19838602B4
Application number: DE19838602A
Authority: DE
Inventors: Joo-nyung Yongin Jang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2018-08-26
Also published as: GB2328787A; FR2767996A1; CN1113491C; CN1213910A; DE19838602A1; KR19990018106A; JPH11150317A; GB9817988D0; US5999309A; FR2767996B1; CA2245423C; JP2988915B2; CA2245423A1; GB2328787B; KR100248056B1

Abstract

Optischer Impulsverstärker, welcher aufweist:
a) 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;
b) 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;
c) 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;
d) 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
e) 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, wobei der zweite Anschluss an das erste und der dritte Anschluss an das zweite Gitter angeschlossen sind, sowie des optischen Impulses, der nach Reflexion am ersten und zweiten Gitter erneut einfällt, an den vierten Anschluß.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärker für optische Impulse oder einen optischen
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 Beugungsgitteranordung empfindlich auf die Polarisation reagiert. Weiterhin ruft die herkömmliche Vorgehensweise erhebliche Beugungsverluste hervor, und verzerrt das Profil eines Ausgangsstrahls.

Dokument DE 195 31 059 A1 offenbart die Verwendung von chirp-modulierten Bragg-Gittern, sowohl zum Dehnen als auch zum Komprimieren von ultrakurzen optischen Impulsen in optischen Verstärkungssystemen. In einer Ausführungsform werden zwei Optokoppler zum Trennen von einfallenden und reflektierten Strahlen eingesetzt. Reflektiert werden die Strahlen an zwei chirp-modulierten Bragg-Gittern, wobei das erste zum Dehnen eines optischen Impulses vor dem Verstärken und das zweite zum Komprimieren des optischen Impulses nach dem Verstärken eingesetzt wird. Das offenbarte Impulsverstärkungssystem bietet eine hohe Kompaktheit und Robustheit, bietet aber in Bezug auf Leistung und Verzerrung des verstärkten optischen Impulses noch Raum für Verbesserungen.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines optischen Impulsverstärkers, der eine höhere Leistung und geringere Verzerrungen zur Verfügung stellt.

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 auszugeben, der von dem optischen Verstärkungsabschnitt einfällt, der an den ersten Anschluß angeschlossen ist, und zwar an den zweiten und dritten Anschluß, wobei der zweite Anschluss an das erste und der dritte Anschluss an das zweite Gitter angeschlossen sind, sowie des optischen Impulses, der erneut einfällt, nachdem er am 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:

1 schematisch den Aufbau eines optischen Impulsverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung;

2 eine Detaildarstellung eines Chirp-Gitters von 1;

3 eine Eingangs/Ausgangssignalform eines in 1 dargestellten ersten Optokopplers;

4 eine Eingangs/Ausgangssignalform eines zweiten Optokopplers, der in 1 gezeigt ist; und

5A den Aufbau eines Polarisationsstrahlteilers, und

5B den Aufbau eines Lichtleiterpolarisationsstrahlteilers.

In 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 Wellenlängenmultiplex (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 2 hervorgeht, ändert sich der Gitterabstand des Chirp-Gitters entsprechend seiner Länge. Nimmt man an, daß unterschiedliche Wellenlängen λ₁, λ₂, ..., λ_n vorhanden sind, und daß die Wellenlängen die Beziehung λ₁ > λ₂ > ... > λ_n 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. λi = 2⋅neff⋅di ... (1)

In Gleichung (1) bezeichnet λ_i die Wellenlänge des einfallenden Lichts, n_eff den effektiven Brechungsindex, und d_i 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 100 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.

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 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.

4 zeigt die Eingangs/Ausgangswellenlänge des zweiten Optokopplers 120. In 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 Lichtleiterpolarisationsstrahlteiler ausgebildet sein, oder als ein Koppler 3dB zum Auf teilen 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. 5A zeigt den Aufbau des Polarisationsstrahlteilers und 5B zeigt den Aufbau des Lichtleiterpolarisationsstrahlteilers.

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

Optischer Impulsverstärker, welcher aufweist: a) 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; b) 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; c) 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; d) 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 e) 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, wobei der zweite Anschluss an das erste und der dritte Anschluss an das zweite Gitter angeschlossen sind, sowie des optischen Impulses, der nach Reflexion am ersten und zweiten Gitter erneut einfällt, an den vierten Anschluß.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Optokoppler ein 3dB Koppler sind.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Optokoppler als Polarisationsstrahlteiler ausgebildet sind.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Optokoppler als Lichtleiterpolarisationsstrahlteiler ausgebildet sind.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Gitter als Chirp-Gitter ausgebildet sind, die entsprechend der Position im jeweiligen Gitter jeweils unterschiedliche Gitterperioden aufweisen.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärkungsabschnitt aufweist: eine Pumplichtquelle zur Erzeugung von Pumplicht; einen Wellenlängenmultiplexer 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 Wellenlängenmultiplexer gemultiplext wird.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplichtquelle eine Laserdiode ist.
Optischer Impulsverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Verstärkungsabschnitt weiterhin aufweist: einen ersten Isolator, der vor dem Wellenlängenmultiplexer angeordnet ist, um zu verhindern, daß eine verstärkte spontane Emission, die von dem Erbium-dotierten Lichtleiter erzeugt wird, erneut einfällt, nachdem sie von dem 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 von dem ersten Anschluß des zweiten Optokopplers reflektiert wurde, der an den optischen Verstärkungsabschnitt angeschlossen ist.