DE19943370A1 - Breitbandige faseroptische Lichtquelle mit hoher Leistung - Google Patents

Abstract

Eine breitbandige faseroptische Lichtquelle mit hoher Leistung umfaßt eine erste mit seltenen Erden dotierte optische Faser, eine zweite mit seltenen Erden dotierte optische Faser, einen optischen Koppler, der zwischen der ersten und der zweiten mit seltenen Erden dotierten optischen Faser angeordnet ist, und ausgelegt ist, um eingegebenes Pumplicht zur zweiten mit seltenen Erden dotierten optischen Faser zu übertragen, und eine Pumplichtquelle, die ausgelegt ist, um Pumplicht als einzugebendes Pumplicht an den optischen Koppler zu liefern.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine faseroptische Lichtquelle und insbesondere auf eine breitbandige faseropti­ sche Lichtquelle hoher Leistung, die ausgelegt ist, um Licht einer verstärkten spontanen Emission (ASE) als sekundäre Pumpquelle zu verwenden.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Es hat eine kontinuierliche Forschung für breitbandige Licht­ quellen stattgefunden, da diese eine Vielzahl von Anwendungen haben, die sich beispielsweise auf Kreiselsensoren, Licht­ quellen für das Testen optischen Elemente und Lichtquellen eines Chirp-Spektrums für preiswerte Netzzugänge erstrecken.

Insbesondere Lichtquellen, die ASE-Licht verwenden, das von einer Faser ausgestrahlt wird, die mit einem Metall der sel­ tenen Erden, beispielsweise Erbium, dotiert ist, sind als ausgezeichnete breitbandige Lichtquelle bekannt, dadurch daß sie ein breites Spektrum, eine hohe Leistung und geringe Ver­ lusteigenschaften zeigen. Alle Forschungsanstrengungen, die in Bezug auf solche breitbandige Lichtquellen mit einer Erbi­ um-dotierten Faser (EDF) gemacht wurden, sind mit einem Wel­ lenlängenband von 1520 bis 1560 nm verbunden, in welchem die meisten optischen Kommunikationselemente und konventionelle EDF-Verstärker arbeiten.

Die neuerdings aufgetretene Forderung nach einer Erweiterung der optischen Kommunikation resultiert in aktiven Entwicklun­ gen von optischen Verstärkern, die in langwelligen Bändern arbeiten. In dieser Hinsicht wurde es auch notwendig, Pumpen mit hohem Wirkungsgrad und breitbandige Lichtquellen hoher Leistung, die in langwelligen Bändern arbeiten, zu ent­ wickeln.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine konventionel­ le EDF-Lichtquelle zeigt. Unter Bezug auf Fig. 1 wird ein Lichtstrahl, der oszilliert, während er durch ein erstes EDF- Gebiet EDF I hindurchgeht, durch eine Vorwärtspumpvorrichtung und ein zweites nicht gepumptes EDF-Gebiet, gepumpt, und als ein Ausgangslicht 20 ausgegeben.

Die Vorwärtspumpvorrichtung umfaßt eine Laserdiode 10, die eine Betriebswellenlänge von 980 nm aufweist. Die Laserdiode 10 ist mit der EDF-Lichtquelle durch einen Wellenlängenmulti­ plex-(WDM)-Koppler 301 gekoppelt. Im dargestellten Fall ist auch ein optischer Isolator 40 am Ausgangsanschluß der EDF- Lichtquelle angeordnet, um die Ausbreitungsrichtung des Lich­ tes in einer Richtung zu führen. Diese EDF-Lichtquelle ergibt jedoch eine geringe Intensität des Ausgangslichtes und ein enges Betriebswellenlängenband.

Fig. 2 ist eine Graphik, die die ASE-Ausgangsspektren kon­ ventioneller EDF-Lichtquellen zeigt, die die oben erwähnte Konfiguration aufweisen, während sie für optische EDF II Fa­ sern verschiedener Länge verwendet werden. Betrachtet man Fig. 2, so kann man sehen, daß die Intensität und die Emissi­ onsbandbreite des ASE-Lichts, das in der oben erwähnten Kon­ figuration ausgegeben wird, in Abhängigkeit von der Länge des zweiten EDF-Gebietes, nämlich EDF II, abrupt abnimmt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eile Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine faseroptische Lichtquelle zu liefern, die eine hohe Lei­ stung zusammen mit einem hohen Pumpwirkungsgrad zeigt.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine faseroptische Lichtquelle zu liefern, die mit einem breiten Band langer Wellenlängen arbeitet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können diese Aufgaben durch das Bereitstellen einer faseroptischen Lichtquelle gelöst werden, wobei diese folgendes umfaßt: eine Pumplichtquelle für das Ausgeben von Pumplicht, einen ersten optischen Faser­ abschnitt, der ausgebildet ist, damit er optisch durch das Pumplicht von der Pumplichtquelle gepumpt wird, einen opti­ schen Koppler, der zwischen der Pumplichtquelle und dem er­ sten optischen Faserabschnitt verbunden und so ausgeführt ist, daß er das Pumplicht von der Pumplichtquelle zum ersten optischen Faserabschnitt überträgt, und einen zweiten opti­ schen Faserabschnitt, der mit einem Eingabeende des ersten optischen Faserabschnittes verbunden ist, an dem der erste optische Faserabschnitt mit dem optischen Koppler gekoppelt ist, wobei der zweite optische Faserabschnitt so ausgebildet ist, daß er durch das Pumplicht von der Pumplichtquelle nicht optisch gepumpt wird, sondern ein verstärktes Spontanemissi­ onslicht, das vom ersten optischen Faserabschnitt ausge­ strahlt wird, als zweite Pumpquelle verwendet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorangehende Aufgabe und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn diese in Ver­ bindung mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die eine konventionel­ le EDF-Lichtquelle zeigt;

Fig. 2 ist eine Graphik, die ASE-Ausgabespektren konventio­ neller EDF-Lichtquellen, die die Konfiguration der Fig. 1 aufweisen, zeigt, während sie für eine zweite Erbium-dotierte optische Faser EDF II verwendet werden, wobei die optischen Fasern jeweils verschiedene Längen aufweisen;

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine breitbandige mit seltenen Erden dotierte faseroptische Lichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 4 ist eine Graphik, die ASE-Ausgabespektren der breit­ bandigen mit seltenen Erden dotierten faseroptischen Licht­ quelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von verschiedenen Längen der zweiten opti­ schen Faser zeigt;

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung für das Identifizieren des Vorhandenseins einer ausreichenden umgekehrten ASE (reverse ASE), um eine größere Verbesserung bei der Ausgangsleistung zu erreichen, zeigt.

Fig. 6 ist eine Graphik, die das Spektrum des umgekehrten ASE-Lichtes, das von der ersten mit seltenen Erden dotierten optischen Faser, die in der faseroptischen Lichtquelle der Fig. 4 enthalten ist, und das an Punkt A in Fig. 5 gemessen wird, zeigt; und

Fig. 7 ist eine Graphik, die das Spektrum eines Vorwärts- ASE-Lichts, das an Punkt B in Fig. 5 gemessen wird, zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Es erfolgt nun ein detaillierterer Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine breitbandige mit seltenen Erden dotierte faseroptische Lichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die breitbandige Lichtquelle eine erste optische Faser EDF I, die aus einer mit seltenen Erden dotierten optischen Faser besteht, die ausgebildet ist, damit sie durch Pumplicht, das von einer Pumplichtquelle 10' ausgegeben wird, optisch gepumpt wird. Ein optischer Koppler 30 ist zwischen der Pumplichtquelle 10' und dem ersten opti­ schen Faserabschnitt EDF II gekoppelt. Für die Pumplichtquel­ le 10' wird eine Laserdiode verwendet. Der optische Koppler 30 dient zur Übertragung der Pumplichts von der Pumplicht­ quelle 10' zum ersten optischen Faserabschnitt EDF II. Die breitbandige Lichtquelle der vorliegenden Erfindung hat auch eine Konfiguration für das Verwenden eines verstärkten Spon­ tanemissionslichtes (ASE), das von der ersten optischen Faser EDF I ausgegeben wird, als eine zweite Pumpquelle für die zweite optische Faser EDF II. Gemäß der dargestellten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung wird diese Konfiguration durch das Koppeln der zweiten optischen Faser EDF II an ein Eingangsende des ersten optischen Faserabschnittes EDF I, an dem die erste optische Faser EDF I mit dem optischen Koppler so verbunden ist, daß ASE-Licht, das vom ersten optischen Fa­ serabschnitt EDF I ausgestrahlt wird, als eine zweite Pumpquelle der zweiten optischen Faser EDF II verwendet wird, erreicht.

Um einen unerwünschten Oszillationseffekt zu vermeiden, hat die zweite optische Faser EDF II ein gewinkeltes spaltverar­ beitendes Eingabeende 50 (angled cleaving-processed input end). Auch ein optischer Isolator 40 ist mit dem Ausgabeende der ersten optischen Faser EDF I verbunden. Statt des gewin­ kelten spaltverarbeitenden Eingabeendes 50 kann ein optischer Isolator mit dem Eingabeende der zweiten optischen Faser EDF II verbunden sein.

Nach dem Vergleichen der Konfiguration der dargestellten Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung mit der konventionel­ len Konfiguration durch Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3, kann man erkennen, daß sie sich in der Anordnung der zweiten optischen Faser EDF II unterscheiden, während sie die gleiche gesamte optische Faserlänge verwenden. Die bemerkenswerteste Differenz der Konfiguration, die in Fig. 3 gezeigt ist, ge­ genüber der, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist die, daß die zweite optische Faser EDF II gemäß der vorliegenden Erfindung stromaufwärts der Laserdiode 10' angeordnet ist, so daß kein Pumplicht durch die zweite optische Faser EDF II hindurch­ geht.

Um die Spektren der breitbandige Lichtquelle gemäß der Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung zu messen, wurde ein Spektrummeßtest durchgeführt, nachdem alle Elemente der breitbandige Lichtquelle, die die ersten und zweiten opti­ schen Fasern EDF I und EDF II einschließen, mit Ausnahme der kennzeichnenden Konfiguration der vorliegenden Erfindung, die mit der Wiederverwendung von Rückwärts-ASE-Licht verbunden ist, in einer Art konfiguriert wurden, daß sie dieselben Kon­ figurationen aufweisen, wie die einer konventionellen Licht­ quelle.

Die ersten und zweiten optischen Fasern EDF I und EDF II, die im Test verwendet wurden, wurden unter Verwendung einer Erbi­ um-dotierten optischen Silika-Faser, die gleichzeitig mit Aluminium dotiert wurde, so daß sie einen maximalen Absorpti­ onskoeffizienten von 4,5 dB/m bei einer Wellenlänge von 1,530 nm zeigen, hergestellt. Die erste optische Faser EDF I hatte eine feste Länge von 135 m. Die Pumpleistung der 980 nm La­ serdiode, die als Pumplichtquelle verwendet wird, wurde auf 60 mW eingestellt.

Um die Abhängigkeit der Intensität des Ausgabelichts gegen­ über der Länge des mit selten Erden dotierten optischen Fa­ serabschnittes, der nicht gepumpt wurde, das heißt, der Länge der zweiten optischen Faser EDF II, zu beobachten, wurde der Test durchgeführt, während die Länge der zweiten optischen Faser EDF II auf 0 m, 5 m, 35 m, 75 m, 110 m beziehungsweise 200 m eingestellt wurde. In der vorliegenden Erfindung wurde keine breitbandige Lichtquelle, die eine Umkehr-Pumpkonfi­ guration verwendet, in Betracht gezogen. Das kommt daher, daß die spontane Emission von Licht in einer solchen Konfigura­ tion hauptsächlich in den Bändern mit kurzer Wellenlänge auf­ tritt.

Fig. 4 ist eine Graphik, die ASE-Ausgangsspektren der breit­ bandigen mit selten Erden dotierten faseroptischen Licht­ quelle gemäß der dargestellten Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung in Abhängigkeit von verschiedenen Längen ihrer zweiten optischen Faser zeigt. Betrachtet man Fig. 4, so kann man erkennen, daß die breitbandige Lichtquelle der vor­ liegenden Erfindung dicht nur eine Zunahme der Intensität der ASE-Ausgangsgröße sondern auch eine erweiterte Emissionsband­ breite bei einer zunehmenden Länge der zweiten optischen Fa­ ser EDF II zeigt.

Eine solche Verbesserung der Ausgabeleistung ergibt sich aus der Bereitstellung der Licht-Wiederverwendungskonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, die es gestattet, daß nutz­ loses ASE-Licht, das sich in einer Richtung umgekehrt zu der des Pumplichts ausbreitet, wieder als eine 1550 nm Pumpquelle verwendet wird, um somit Photonen zu erzeugen, die als Samen bei einer stromabwärtigen Verstärkungsstufe bei einer Wellen­ länge von 1600 nm dienen. Wenn man die Ergebnisse des Tests betrachtet, die in Fig. 4 dargestellt sind, so kann man er­ kennen, daß die gesamte Ausgangsleistung 6,7 mW beträgt, wenn die Länge des zweiten optischen Faser EDF II, die nicht ge­ pumpt wird, 200 m beträgt. Dieser Wert zeigt eine Erhöhung um 10 dB oder mehr im Vergleich zu der einer konventionellen Breitbandlichtquelle.

Um eine optimale Länge der zweiten optischen Faser EDF II, die nicht gepumpt wird, zu finden, wurde dieselbe Beobachtung wie oben vorgenommen, während die Länge der zweiten optischen Faser EDF II auf 235 m und 270 m variiert wurde. Es wurde je­ doch keine bemerkbare Variation in der Ausgangsleistung beob­ achtet. Basierend auf solchen Ergebnissen des Tests kann man erkennen, daß es wirksam ist, die Länge der zweiten optischen Faser EDF II, die nicht gepumpt wird, auf ungefähr 200 m zu setzen. Natürlich kann es sein, daß diese Länge der zweiten optischen Faser EDF II in einigen Fällen keine optimale Länge der zweiten optischen Faser EDF II darstellt, da sie von ver­ schiedenen Gestaltungsparametern der Lichtquelle, wie der Wellenlänge und der Pumpleistung des Pumplichts abhängt.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung für das Identifizieren des Vorhandenseins einer ausreichenden umgekehrten ASE zeigt, um eine größere Verbesserung bei der Ausgangsleistung zu erreichen. Fig. 6 ist eine Graphik, die ein Spektrum einer umgekehrten ASE zeigt, das von der ersten mit seltenen Erden dotierten optischen Faser ausgeht, gemes­ sen an einem Punkt A in Fig. 5. Fig. 7 ist eine Graphik, die ein Spektrum einer Vorwärts-ASE zeigt, das am Punkt B in Fig. 5 gemessen wird.

Die Messungen des umgekehrten ASE-Lichts, das von der breit­ bandigen Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausge­ geben wird, wurden unter Verwendung der Identifikationsvor­ richtung der Fig. 5 vorgenommen, die einen Zirkulator 60 verwendet. Die Identifikationsvorrichtung ist ausgelegt, um Pumpeffekte zu identifizieren, die durch das umgekehrte ASE- Licht erhalten werden, das sich von der ersten mit seltenen Erden dotierten optischen Faser EDF I zur zweiten mit selten Erden dotierten optischen Faser EDF II bewegt.

Betrachtet man Fig. 6, so kann man sehen, daß eine Ausgangs­ leistung, die eine Intensität von -30 dBm oder mehr zeigt, in einem Wellenlängenband von ungefähr 60 nm, das sich im Be­ reich von 1520 nm bis 1580 nm bewegt, erhalten wird. Die ge­ samte Ausgangsleistung des umgekehrten ASE-Lichts betrug 19,9 mW nach einer Normalisierung eines 1 dB Einschubverlustes, der durch die Verwendung des Zirkulators 60 verursacht wurde. Dieser Wert entspricht ungefähr 33,2% der gesamten Pumplei­ stung, die sich bei 980 nm zeigt. Diese Messung wurde unter Verwendung einer Auflösungsbandbreite von 0,2 nm durchge­ führt.

Betrachtet man Fig. 7, so kann man sehen, daß Photonen in einem Wellenlängenband im Bereich von 1525 nm bis 1630 nm in einer Menge erzeugt werden, die ausreichend ist, um es sol­ chen Photonen zu gestatten, als Photonensamen für eine Ver­ stärkung des mit seltenen Erden dotierten optischen Faserge­ bietes, das vorwärts gepumpt wird, zu dienen. Das heißt, es kann herausgefunden werden, daß die zweite mit seltenen Erden dotierte optische Faser EDF II, die nicht gepumpt wird, die stromaufwärts der Pump-Laserdiode angeordnet ist, als Photo­ nensamen-Generator für die erste mit seltenen Erden dotierte optische Faser EDF I dient, die eine stromabwärtige Verstär­ kungsstufe darstellt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine breit­ bandige Lichtquelle hoher Leistung zu liefern, die in einem Wellenlängenband arbeitet, das sich im Bereich von 1520 nm bis 1560 nm erstreckt, wie das aus der obigen Beschreibung deutlich wurde. Das heißt, gemäß der vorliegenden Erfindung wird das nutzlose umgekehrte ASE-Licht im nicht gepumpten op­ tischen Fasergebiet in Photonensamen für die Vorwärtsverstär­ kungsstufe umgewandelt, um somit den Hochleistungsbetrieb der breitbandigen faseroptischen Lichtquelle zu ermöglichen.

Eine Erhöhung der Intensität des ausgegebenen ASE-Lichts um 10 dB oder mehr wurde ebenfalls im gesamten Emissionsband be­ obachtet. In dieser Hinsicht wird auch ein verbesserter Wir­ kungsgrad der breitbandigen faseroptischen Lichtquelle hoher Leistung der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die Pump­ wellenlängen, die sich von den oben beschriebenen Wellenlän­ gen unterscheiden, erwartet. Das umgekehrte ASE-Licht in ei­ nem kurzwelligen Band kann ebenfalls als eine zweite Pumpquelle erneut verwendet werden. In diesem Fall wird eine Verbesserung des Pumpwirkungsgrades für 1,58 µm EDF Verstär­ ker erwartet.

Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben wurde, was aktuell als die praktischste und bevorzugteste Ausführungsform angesehen wird, sollte verständlich sein, daß die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform be­ schränkt ist, sondern daß sie verschiedene Modifikationen in­ nerhalb der Idee und dem Umfang der angefügten Ansprüche ab­ decken soll.

Claims (7)

1. Faseroptische Lichtquelle, umfassend:
eine Pumplichtquelle für das Ausgeben von Pumplicht;
einen ersten optischen Faserabschnitt, der ausgebildet ist, um durch das Pumplicht von der Pumplichtquelle optisch gepumpt zu werden;
einen optischen Koppler, der zwischen der Pumplichtquel­ le und dem ersten optischen Faserabschnitt gekoppelt und aus­ gelegt ist, um das Pumplicht von der Pumplichtquelle zum er­ sten optischen Faserabschnitt zu übertragen;
einen zweiten optischen Faserabschnitt, der mit einem Eingabeende des ersten optischen Faserabschnitts verbunden ist, an welchem der erste optische Faserabschnitt mit dem op­ tischen Koppler verbunden ist, wobei der zweite optische Fa­ serabschnitt so ausgelegt ist, daß er nicht durch das Pumplicht von der Pumplichtquelle optisch gepumpt wird, son­ dern um verstärktes Licht einer spontanen Emission, das vom ersten optischen Faserabschnitt ausgestrahlt wird, als eine zweite Pumpquelle zu verwenden.

2. Faseroptische Lichtquelle gemäß Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten optischen Faserabschnitte aus einer mit seltenen Erden dotierten optischen Faser besteht.

3. Faseroptische Lichtquelle gemäß Anspruch 2, wobei die mit seltenen Erden dotierte optische Faser eine mit Erbium do­ tierte optische Faser ist.

4. Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 1, weiter umfas­ send:
eine Vorrichtung für das Vermeiden der Erzeugung uner­ wünschter Oszillationseffekte, wobei sie an einem Ende des zweiten optischen Faserabschnittes gegenüber dem ersten opti­ schen Faserabschnitt angeordnet ist.

5. Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 4, wobei der zwei­ te optische Faserabschnitt ein gewinkeltes spaltverarbeiten­ des Eingabeende als Vorrichtung aufweist, um die Erzeugung der unerwünschten Oszillationseffekte zu vermeiden.

6. Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die Pumplichtquelle eine Laserdiode umfaßt.

7. Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 1, weiter umfas­ send:
einen optischen Isolator, der mit einem Ausgangsende des ersten optischen Faserabschnittes verbunden ist, und ausge­ legt ist, um ein Wiedereinfallen des Lichtes zu verhindern.