DE19943370B4

DE19943370B4 - Faseroptische Lichtquelle

Info

Publication number: DE19943370B4
Application number: DE19943370A
Authority: DE
Inventors: Uh-Chan Ryu; Nam-Kyoo Park; Ju-Han Lee
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: KR100396285B1; CN1218446C; DE19943370A1; GB9921611D0; JP2000101172A; NL1013029A1; JP3145996B2; KR20000019993A; ITMI991901A0; IT1313753B1; GB2341719B; GB2341719A; NL1013029C2; ITMI991901A1; FR2784810A1; US6330384B1; CN1248706A

Abstract

Faseroptische Lichtquelle mit
einer Pumplichtquelle (101) zum Ausgeben von Pumplicht;
einem ersten optischen Faserabschnitt (EDF I), der mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle (101) optisch gepumpt wird;
einen optischen Koppler (30), der zwischen die Pumplichtquelle (101) und den ersten optischen Faserabschnitt (EDF I) gekoppelt ist und das Pumplicht von der Pumplichtquelle (101) zum ersten optischen Faserabschnitt (EDF I) überträgt und
einem zweiten optischen Faserabschnitt (EDF II)
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite optische Faserabschnitt (EDF II) mit einem Eingabeende des ersten optischen Faserabschnitts (EDF I) verbunden ist, an dem der erste optische Faserabschnitt (EDF I) mit dem optischen Koppler verbunden ist,
und der zweite optische Faserabschnitt (EDF II) vom verstärkten Licht einer spontanen Emission, das vom ersten optischen Faserabschnitt (EDF I), als eine sekundäre Pumpquelle ausgestrahlt wird, optisch gepumpt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine faseroptische Lichtquelle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Eine solche, aus der DE 198 29 307 A1 bekannte faseroptische Lichtquelle umfasst einen Lichtleiterverstärker mit einem Absorber in Form eines Erbium-dotierten Lichtleiters. Dabei wird Signallicht über einen Eingang und einen Isolator an eine erste Verstärkungseinheit gegeben, die eine Pumplichtquelle, einen optischen Koppler und einen ersten optischen Faserabschnitt umfasst. Das Ausgangsende des ersten optischen Faserabschnitts ist mit der Absorptionseinheit verbunden, die ihrerseits einen zweiten optischen Koppler, einen zweiten optischen Faserabschnitt und einen dritten optischen Koppler aufweist und damit Signallicht und Pumplicht von dem Ausgangslicht der ersten Verstärkungseinheit trennt und Signallicht mit einem vorbestimmten Wellenlängenbereich absorbiert. Mit dem Ausgang der Absorptionseinheit ist eine zweite Verstärkungseinheit verbunden, die das Ausgangssignallicht der Absorptionseinheit verstärkt und eine zweite Pumplichtquelle, einen dritten optischen Koppler sowie einen dritten optischen Faserabschnitt aufweist.

Insbesondere Lichtquellen, die ASE-Licht verwenden, das von einer Faser ausgestrahlt wird, die mit einem Metall der seltenen Erden, beispielsweise Erbium, dotiert ist, sind als ausgezeichnete breitbandige Lichtquelle bekannt, dadurch daß sie ein breites Spektrum, eine hohe Leistung und geringe Verlusteigenschaften zeigen. Alle Forschungsanstrengungen, die in Bezug auf solche breitbandige Lichtquellen mit einer Erbium-dotierten Faser (EDF) gemacht wurden, sind mit einem Wellenlängenband 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 Entwicklungen von optischen Verstärkern, die in langwelligen Bändern arbeiten. In dieser Hinsicht wurde es auch notwendig, Pumpen mit hohen Wirkungsgrad und breitbandige Lichtquellen hoher Leistung, die in langwelligen Bändern arbeiten, zu entwickeln.

1 ist eine schematische Ansicht, die eine konventionelle EDF-Lichtquelle zeigt. Unter Bezug auf 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 Wellenlängenmultiplex-(WDM)-Koppler 30 gekoppelt. Im dargestellten Fall ist auch ein optischer Isolator 40 am Ausgangsanschluß der EDF-Lichtquelle angeordnet, um die Ausbreitungsrichtung des Lichtes in einer Richtung zu führen. Diese EDF-Lichtquelle ergibt jedoch eine geringe Intensität des Ausgangslichtes und ein enges Betriebswellenlängenband.

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

Aufgabe der Erfindung ist es, eine faseroptische Lichtquelle der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, dass sie eine hohe Leistung zusammen mit einem hohen Pumpwirkungsgrad hat.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene erfindungsgemäße Lehre gelöst.

Die erfindungsgemäße faseroptische Lichtquelle zeichnet sich also dadurch aus, dass der zweite optische Faserabschnitt mit dem Eingabeende des ersten optischen Faserabschnitts verbunden ist, mit dem auch der optische Koppler verbunden ist. Der zweite optische Faserabschnitt wird daher optisch mit dem verstärkten Licht einer spontanen Emission gepumpt, die vom ersten optischen Faserabschnitt ausgestrahlt wird, der damit als eine sekundäre Pumpquelle wirkt. Der zweite optische Faserabschnitt trägt also zur Verstärkung durch Verwendung des sonst nutzlosen und vom ersten optischen Faserabschnitt in Rückwärtsrichtung abgestrahlten Lichtes einer spontanen Emission bei. Der zweite optische Faserabschnitt wird aber nicht vom Pumplicht der Pumplichtquelle optisch gepumpt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
1 eine schematische Ansicht, die eine konventionelle EDF-Lichtquelle zeigt;
2 eine Graphik, die ASE-Ausgabespektren konventioneller EDF-Lichtquellen, die die Konfiguration der 1 aufweisen, zeigt, während sie für eine zweite Erbium-dotierte optische Faser EDF II verwendet werden, wobei die optischen Fasern jeweils verschiedene Längen aufweisen;
3 eine schematische Ansicht, die eine breitbandige mit seltenen Erden dotierte faseroptische Lichtquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine Graphik, die ASE-Ausgabespektren der breitbandigen mit seltenen Erden dotierten faseroptischen Lichtquelle gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von verschiedenen Längen der zweiten optischen Faser zeigt;
5 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.
6 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 4 enthalten ist, und das an Punkt A in 5 gemessen wird, zeigt; und
7 eine Graphik, die das Spektrum eines Vorwärts-ASE-Lichts, das an Punkt B in 5 gemessen wird, zeigt.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine breitbandige mit seltenen Erden dotierte faseroptische Lichtquelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt. Wie in 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 optischen Faserabschnitt EDF I gekoppelt. Für die Pumplichtquelle 10' wird eine Laserdiode verwendet. Der optische Koppler 30 dient zur Übertragung der Pumplichts von der Pumplichtquelle 10' zum ersten optischen Faserabschnitt EDF I. Die breitbandige Lichtquelle der Erfindung hat auch eine Konfiguration für das Verwenden eines verstärkten Spontanemissionslichtes (ASE), das von der ersten optischen Faser EDF I ausgegeben wird, als eine zweite bzw. sekundäre Pumpquelle für die zweite optische Faser EDF II. Gemäß der dargestellten Ausführungsform der 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 Faserabschnitt 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 spaltverarbeitendes 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 gewinkelten 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 Ausführungsform der Erfindung mit der konventionellen Konfiguration durch Bezugnahme auf die 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. Der bemerkenswerteste Unterschied der Konfiguration, die in 3 gezeigt ist, gegenüber der, die in 1 gezeigt ist, ist die, daß die zweite optische Faser EDF II gemäß der Erfindung stromaufwärts der Laserdiode 10' angeordnet ist, so daß kein Pumplicht durch die zweite optische Faser EDF II hindurchgeht.
Um die Spektren der breitbandigen Lichtquelle gemäß der Ausführungsform der Erfindung zu messen, wurde ein Spektrummeßtest durchgeführt, nachdem alle Elemente der breitbandigen Lichtquelle, die die ersten und zweiten optischen Fasern EDF I und EDF II einschließen, mit Ausnahme der kennzeichnenden Konfiguration der Erfindung, die mit der Wiederverwendung von Rückwärts-ASE-Licht verbunden ist, in einer Art konfiguriert wurden, daß sie dieselben Konfigurationen aufweisen, wie die einer konventionellen Lichtquelle.
Die ersten und zweiten optischen Fasern EDF I und EDF II, die im Test verwendet wurden, wurden unter Verwendung einer Erbium-dotierten optischen Silika-Faser, die gleichzeitig mit Aluminium dotiert wurde, so daß sie einen maximalen Absorptionskoeffizienten 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 Laserdiode, die als Pumplichtquelle verwendet wird, wurde auf 60 mW eingestellt.
Um die Abhängigkeit der Intensität des Ausgabelichts gegenüber der Länge des mit seltenen Erden dotierten optischen Faserabschnittes, 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. Bei der Erfindung wurde keine breitbandige Lichtquelle, die eine Umkehr-Pumpkonfiguration verwendet, in Betracht gezogen. Das kommt daher, daß die spontane Emission von Licht in einer solchen Konfiguration hauptsächlich in den Bändern mit kurzer Wellenlänge auftritt.
4 ist eine Graphik, die ASE-Ausgangsspektren der breitbandigen mit seltenen Erden dotierten faseroptischen Lichtquelle gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung in Abhängigkeit von verschiedenen Längen ihrer zweiten optischen Faser zeigt. Betrachtet man 4, so kann man erkennen, daß die breitbandige Lichtquelle der Erfindung nicht nur eine Zunahme der Intensität der ASE-Ausgangsgröße sondern auch eine erweiterte Emissionsbandbreite bei einer zunehmenden Länge der zweiten optischen Faser EDF II zeigt.
Eine solche Verbesserung der Ausgabeleistung ergibt sich aus der Bereitstellung der Licht-Wiederverwendungskonfiguration gemäß der Erfindung, die es gestattet, daß nutzloses 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 Wellenlänge von 1600 nm dienen. Wenn man die Ergebnisse des Tests betrachtet, die in 4 dargestellt sind, so kann man erkennen, daß die gesamte Ausgangsleistung 6,7 mW beträgt, wenn die Länge der zweiten optischen Faser EDF II, die nicht gepumpt 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 jedoch keine bemerkbare Variation in der Ausgangsleistung beobachtet. 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 verschiedenen Gestaltungsparametern der Lichtquelle, wie der Wellenlänge und der Pumpleistung des Pumplichts abhängt.
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. 6 ist eine Graphik, die ein Spektrum einer umgekehrten ASE zeigt, das von der ersten mit seltenen Erden dotierten optischen Faser ausgeht, gemessen an einem Punkt A in 5. 7 ist eine Graphik, die ein Spektrum einer Vorwärts-ASE zeigt, das am Punkt B in 5 gemessen wird.
Die Messungen des umgekehrten ASE-Lichts, das von der breitbandigen Lichtquelle gemäß der Erfindung ausgegeben wird, wurden unter Verwendung der Identifikationsvorrichtung der 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 seltenen Erden dotierten optischen Faser EDF II bewegt.
Betrachtet man 6, so kann man sehen, daß eine Ausgangsleistung, die eine Intensität von –30 dBm oder mehr zeigt, in einem Wellenlängenband von ungefähr 60 nm, das sich im Bereich von 1520 nm bis 1580 nm bewegt, erhalten wird. Die gesamte 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 Pumpleistung, die sich bei 980 nm zeigt. Diese Messung wurde unter Verwendung einer Auflösungsbandbreite von 0,2 nm durchgeführt.
Betrachtet man 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 solchen Photonen zu gestatten, als Photonensamen für eine Verstärkung des mit seltenen Erden dotierten optischen Fasergebietes, 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 Photonensamen-Generator für die erste mit seltenen Erden dotierte optische Faser EDF I dient, die eine stromabwärtige Verstärkungsstufe darstellt.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, eine breitbandige 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 Erfindung wird das nutzlose umgekehrte ASE-Licht im nicht gepumpten optischen Fasergebiet in Photonensamen für die Vorwärtsverstärkungsstufe 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 beobachtet. In dieser Hinsicht wird auch ein verbesserter Wirkungsgrad der breitbandigen faseroptischen Lichtquelle hoher Leistung der Erfindung im Hinblick auf die Pumpwellenlängen, die sich von den oben beschriebenen Wellenlängen unterscheiden, erwartet. Das umgekehrte ASE-Licht in einem kurzwelligen Band kann ebenfalls als eine zweite Pumpquelle erneut verwendet werden. In diesem Fall wird eine Verbesserung des Pumpwirkungsgrades für 1,58 μm EDF Verstärker erwartet.

Claims

Faseroptische Lichtquelle mit einer Pumplichtquelle (101) zum Ausgeben von Pumplicht; einem ersten optischen Faserabschnitt (EDF I), der mit dem Pumplicht der Pumplichtquelle (101) optisch gepumpt wird; einen optischen Koppler (30), der zwischen die Pumplichtquelle (101) und den ersten optischen Faserabschnitt (EDF I) gekoppelt ist und das Pumplicht von der Pumplichtquelle (101) zum ersten optischen Faserabschnitt (EDF I) überträgt und einem zweiten optischen Faserabschnitt (EDF II) dadurch gekennzeichnet, dass der zweite optische Faserabschnitt (EDF II) mit einem Eingabeende des ersten optischen Faserabschnitts (EDF I) verbunden ist, an dem der erste optische Faserabschnitt (EDF I) mit dem optischen Koppler verbunden ist, und der zweite optische Faserabschnitt (EDF II) vom verstärkten Licht einer spontanen Emission, das vom ersten optischen Faserabschnitt (EDF I), als eine sekundäre Pumpquelle ausgestrahlt wird, optisch gepumpt wird.
Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten optischen Faserabschnitte (EDF I, EDF II) aus einer mit seltenen Erden dotierten optischen Faser besteht.
Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 2, wobei die mit seltenen Erden dotierte optische Faser eine mit Erbium dotierte optische Faser ist.
Faseroptische Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Vorrichtung (50) zum Vermeiden der Erzeugung unerwünschter Oszillationseffekte, die am vom ersten optischen Faserabschnitt (EDF I) abgewandten Ende des zweiten optischen Faserabschnittes angeordnet ist.
Faseroptische Lichtquelle nach Anspruch 4, wobei der zweite optische Faserabschnitt (EDF II) ein gewinkeltes spaltverarbeitendes Eingabeende als Vorrichtung (50) aufweist, um die Erzeugung der unerwünschten Oszillationseffekte zu vermeiden.
Faseroptische Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pumplichtquelle eine Laserdiode umfasst.
Faseroptische Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem optischen Isolator (40), der mit einem Ausgangsende des ersten optischen Faserabschnittes (EDF I) verbunden ist, um ein Wiedereinfallen des Lichtes zu verhindern.