DE2216747A1

DE2216747A1 - Vorrichtung zur verstaerkung eines kohaerenten optischen signals

Info

Publication number: DE2216747A1
Application number: DE2216747A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Friedl
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1972-04-07
Filing date: 1972-04-07
Publication date: 1973-11-29
Also published as: US3826992A; GB1381695A; FR2178860A1; DE2216747C3; DE2216747B2; FR2178860B3

Description

P 72/2 5.4.72 - 377

ELTRO GMBH & CO., GESELLSCHAFT Fl)E STRAHLUNGSIECHNIK, 6900 Heiderb erg, Kurpfalzring 106

Vorrichtung zur Verstärkung eines kohärenten optischen Signals

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung eines kohärenten optischen Signals mit einem selektiv fluoreszenten Medium, bestehend aus einer oder mehreren Lichtleitfasern, die einen Kern und einen diesen umgehenden Mantel aufweisen, wobei der Realteil des Brechungsindex des Mantels insbesondere für die Pumpwellenlänge kleiner ist als der des Kerns. '

Es sind bereits optische Signalverstärker bekannt, deren Grundlage die Inversion diskreter Energieniveaus eines optischen Materials und stimulierte Emission ist und bei denen das stimulierbare Material den Kern einer Lichtleitfaser bildet, die von einem Mantel aus optisch passivem Material umgeben ist. Es können auch mehrere Fasern zu einem Verstärker gebündelt sein. Derartige Laser-Verstärker sind z.B. in der Offenlegungsschrift 1 589 740, in der Auslegeschrift 1 158 172 sowie in der US-Patentschrift 3>395i366 beschrieben. Das optische Pumpen erfolgt bei diesen bekannten Vorrichtungen durch eine Pumplichtquelle, die die Lichtleitfaser entweder wie eine zylinderförmige Hülse oder wie eine Schraubenwendel umgibt oder die sich - stabförmig ausgebildet - in der Längsachse eines Faserbündels erstreckt. In allen Fällen sind Pumplichtquelle und Lichtleitfaser konzentrisch zueinander angeordnet. Eine theoretische Abhandlung über die Energieleitung in mit dielektrischen Verlusten behafteten optischen Wellenleitern oder Lichtleitfasern findet sich in der Zeitschrift "Experimentelle Technik der Physik", ZVIII, 1970, Heft 6, auf den Seiten

Diese bekannten Verstärkervorrichtungen weisen einige schwerwiegende Nachteile auf, weil die dabei benutzten optischen Pumpvorfahren sehr unbequem zu handhaben sind und die mit ihnen

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erzielten Wirkungsgrade zu gering sind. Sie haben sich daher in der Praxis noch nicht durchsetzen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verstärkung eines kohärenten optischen Signals der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die einen höheren optischen Wirkungsgrad aufweist und die einen geringeren Raumbedarf als die bekannten optischen Verstärker besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das selektiv fluore^ente oder optisch aktive Material in einem ersten Mantel enthalten ist, der einen optisch passiven Kern umschließt und seinerseits von einem zweiten, optisch passiven Mantel umgeben ist, dessen Brechungsindex kleiner als der Realteil des Brechungsindex des ersten Mantels ist, daß zum optischen Pumpen der Vorrichtung eine in Reihe mit der Verstärker-Lichtleitfaser angeordnete ummantelte Lichtleitfaser aus optisch passivem Material vorgesehen ist, bei der die Brechungsindizes von Kern und Mantel die gleichen sind wie die Realteile der Brechungsindizes von Kern und erstem Mantel der Verstärker-Lichtleitfaser, und daß zum Einkoppeln sowohl des Pumpsignals als auch des zu verstärkenden Signals in die Verstärker-Lichtleitfaser ein Spektralteiler vorgesehen ist, der sich zwischen letzterer und der Pumplichtleitfaser befindet.

Bei der Erfindung wird also ein völlig neuer Weg zum optischen Pumpen einer stimulierbaren Lichtleitfaser beschritten, was durch die Entwicklung spezieller Glasfasern möglich wurde. Der optisch aktive innere Mantel kann beispielsweise aus neodymdotiertem Glas bestehen, während der passive Kern und der zweite, äußere Mantel aus Glas hergestellt sind. Als Pumpquelle kommt z.B. ein GaAlAs-Laser in Betracht.

Wird nun das Pumpsignal in den passiven Kern der Verstärker-Lichtleitfaser eingespeist, so kann der den Kern umgebende aktive Mantel nach dem Prinzip der verhinderten Totalreflexion optisch gepumpt werden, d.h. die eingekoppelte Welle greift in den Mantel über und wird in ihm absorbiert. Das zu verstärkende Signal wird mit Hilfe eines geeigneten Spektralteilers, der zwischen der Verstärker- und der Pump-Lichtleitfaser angeordnet ist, in den passiven Kern der ersteren eingespeist und greift von dort ebenfalls in den aktiven Mantel über oder er wird direkt

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in diesen eingespeist. Die in diesem erzeugte stimujnLerte Emission wird in dem Mantel weitergeleitet, wenn durch Auswahl entsprechender Bedingungen dafür gesorgt ist * daß an der Grenzfläche zwischen dem inneren - aktiven - Mantel und dem äußeren passiven - Mantel Totalreflexion auftritt. Es findet dann an dieöer Grenzflücho eino Absorption weder de£$ PumpsignalR noch des zu verstärkenden Signals statt, und der äußere Mantel dient lediglich zur optischen Isolation gegenüber der Umgebung.

Die hei der Energieleitung in einem optischen Wellenleiter oder in einer Lichtleitfaser auftretenden Verluste ermöglichen also das optische Pumpen des aktiven Mediums, wobei die Länge der Faser und der Durchmesser des weilenleitenden Kerns· so auszulegen sind, daß die eingespeiste Pumpenergie gerade aufgezehrt wird. Weiter muß vorausgesetzt werden, daß die Eindringtiefe in das aktive Medium groß genug gegenüber der Wellenlänge ist und daß die Dämpfungskonstante des Wellenleiters selbst klein gegenüber derjenigen des aktiven Mediums in dem ersten Mantel ist. Letzteres ist dadurch gegeben, daß die Dämpfung nur durch die an der Grenzfläche zwischen Kern und Mantel übergreifende Welle erfolgt.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Verstärkervorrichtung liegt darin, daß diese ohne weiteres mit quasimonochromatischen Pumpquellen ,z.B. Laser-Oszillatoren, die auch quasipunktförmig sind, betrieben werden kann.und daher eine unnötige Erwärmung der Vorrichtung weitestgehend vermieden wird. Die räumlich getrennte Anordnung von Pumpquelle und Verstärker-Lichtleitfaser ist als ein weiterer Vorteil zu werten, von. dem bei vielen Anwendungsfällen der Erfindung Gebrauch gemacht werden wird.

Zweckmäßig ist das der Pump-Lichtleitfaser abgewandte Ende der Verstärker-Lichtleitfaser derart abgeschrägt, daß es einen spitzen Winkel mit der Normalen zur Längsachse der Lichtleitfaser bildet. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein Teil der in dem aktiven Mantel weitergeleiteten Welle in den Mantel zurückgeworfen wird und eine Oszillation entstehen kann. Das verstärkte Signal wird ebenfalls an dieser schrägen Fläche ausgekoppelt.

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Wird eine Anzahl der im Vorhergehenden beschriebenen Lichtleitfasern mit ihren jeweiligen Pumpquellen zu einem flachen Bündel zusammengefaßt, so kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch dazu benutzt werden, -«ffl~ eindimensionale Bilder zu verstärken. In der Zeichnung ist ein Ausführungcbeispiel der Verstärkervorrichtung gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

In Längsrichtung der Fasern sind zwei Lichtleitfasern hintereinander angeordnet, von denen die eine als Verstärkerfaser 1 und die andere als Pumpfaser 2 dient. Zwischen beiden ist - unter einem Winkel von 4-5 zur Fasern-Längsrichtung - ein 'Spektralteiler 3 vorgesehen.

Die Lichtleitfaser 1 besitzt einen passiven Kern 11 aus Glas mit einem Brechungsindex n^· sowie einen nebdym-dotierten Glasmantel 12 mit einem Brechungsindex n*» ,·; dieser optisch aktive Mantel ist von einem weiteren - passiven - Glasmantel umgeben, dessen Brechungsindex mit n^ ρ bezeichnet ist. Die Brechungsindizes sind so gewählt, daß n^ größer ist als n.» ■, und dieser wiederum größer als n™ ~· ^^as ^^em Spektralteiler 3 abgewandte Ende der Lichtleitfaser 1 wird von einer abgeschrägten Fläche M-gebildet, die mit der Normalen zur Fasern-Längsrichtung einen spitzen Winkel einschließt.

Die Pump-Lichtleitfaser 2 weist einen passiven Kern mit dem Brechungsindex n^- auf, der von einem ebenfalls passiven Mantel umgeben ist. Letzterer besitzt den Brechungsindex n», -, . Die von der Pumpfaser 2, z.B. einem GaAlAs-Laser, erzeugte Strahlung hat eine Wellenlänge von etwa 0,9 /um.

Das zu verstärkende Signal mit einer Wellenlänge von 1,06 /um (durch einen Pfeil 5 angedeutet) wird über den Spektralteiler direkt in den aktiven Mantel 12 oder in den passiven Kern 11 eingespeist, in den auch die Pumpenergie (mit 7 bezeichnet") eingekoppelt wird. Die Pumpenergie greift in den aktiven Mantel 12 über und erzeugt hier stimulierte Emission. Diese · wird in dem Mantel 12 als Welle 10 weitergeleitet, und zwar durch Totalreflexion.:, an der Grenzfläche 8 zwischen dem aktiven Mäntel 12 und dem passiven Mantel 13· Wird das zu verstärkende Signal in den passiven Kern 11 eingespeist, so muß so verfahren werden, daß die Strahlung unter einem Winkel auf die Grenzfläche zum aktiven Mantel 12 einfällt, der kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, da diese Strahlung

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im Gegensatz zur Pumpstrahlung im aktiven Medium nicht absorbiert wird, weil anderenfalls Totalreflexion auftreten würde. Der größte Teil des verstärkten Signals tritt dann nach Brechung an der Fläche 4 aus dem Verstärker aus (durch Pfeile 6 angedeutet), während der an der Fläche 4 reflektierte Teil des Signals in Richtung der Pfeile 9 ausgekoppelt wird, so daß keine Oszillation in der Lichtleitfaser 1 entstehen kann.

- Patentansprüche -

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Claims

P 72/2 5.4.72 - 377

OS 16747

Patentansprüche

Vorrichtung zur Verstärkung eines kohärenten optischen Signals mit einem selektiv fluoreszenten Medium, bestehend aus einer oder mehreren Lichtleitfasern, die einen Kern und einen diesen umgebenden Mantel aufweisen, wobei der Realteil des Brechungsindex des Mantels insbesondere für die Pumpwellenlänge kleiner ist als der des Kerns, dadurch gekennzeichnet, daß das selektiv fluoreszente oder optisch aktive Material in einem ersten Mantel (12) enthalten ist, der einen optisch passiven Kern (11) umschließt und seinerseits von einem zweiten, optisch passiven Mantel (13) umgeben ist, dessen Brechungsindex kleiner als der Realteil des Brechungsindex des ersten Mantels ist, daß zum optischen Pumpen der Vorrichtung nötigenfalls eine in Reihe mit der Verstärker-Lichtleitfaser (1) angeordnete ummantelte Lichtleitfaser (2) aus optisch passivem Material vorgesehen ist, bei der die Brechungsindizes von Kern (21) und Mantel (22) die gleichen sind wie die Realteile der Brechungsindizes von Kern (11) und erstem Mantel (12) der Verstärker-Lichtleitfaser (1), und daß zum Einkoppeln sowohl des Pumpsignals (7) als auch des zu verstärkenden Signals (5) in die Verstärker-Lichtleitfaser (l) ein Spektralteiler (3) vorgesehen ist, der sich zwischen letzterer und der Pump-Lichtleitfaser (2) befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das der Pump-Lichtleitfaser (2) abgewandte Ende (4·) der Verstärker-Lichtleitfaser (1) einen spitzen Winkel mit der Normalen zur Längsachse dieser Faser bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Verstärker-Lichtleitfasern (1) und zugehörigen Pump-Lichtleitfasern (2) zu einem flachen Bündel zusammengefaßt ist und zur eindimensionalen Bildverstärkung verwendet wird.

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