DE2216747B2 - Optischer Verstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Verstärker 40 der Faser austreten würde. Man könnte zwar in (Laser), dessen hohlrohrförmig gestaltetes stimulier- Fig. 2 die zu verstärkende Signal welle gegen die bares Medium einen faserförmigen passiven Kern Anregungswelle austauschen und diese auch in der höheren Brechwerts umschließt und das in Längs- Faser führen, nicht aber das zu verstärkende Signal richtung optisch angeregt ist. direkt in den dotierten Mantel einspeisen, da dieses

Es sind bereits optische Verstärker bekannt, deren 45 dann wegen n₃ >n ₂ nicht mehr in der Faser geführt Grundlage die Inversion diskreter Energieniveaus würde. Somit würde nur der in den Kern eingespeiste eines optischen Materials und stimulierte Emission Anteil verstärkt und der in den relativ großen, ringist und bei denen das stimulierbare Material den förmig ausgebildeten dotierten Mantel eingespeiste Kern einer Lichtleitfaser bildet, die von einem Man- Anteil ginge verloren.

tel aus optisch passivein Material umgeben ist. Es 50 Ferner zeigt und beschreibt die DT-AS 18 87 733 können auch mehrere Fasern zu einem solchen Ver- einen Verstärker mit einem ummantelten faserförstärker gebündelt werden. Derartige Laser-Verstärker migen, stimulierbaren Medium. Aus dieser Drucksind z. B. in der DT-OS 15 89 740 und in der DT-AS schrift sowie aus der GB-PS 10 70 947 ist eine end-58 172 beschrieben. Das optische Anregen erfolgt seitig mit einer Schräge versehene Faser bekannt, hierbei durch eine Anregungslichtquelle, die die SS Insbesondere aus den Fig. 2 und 3 sowie aus der Lichtleitfaser entweder wie eine zylinderförmige US-PS 34 16 089 ist schließlich auch noch ein strahl-Hülse umgibt oder die sich — stabförmig ausgebil- teilerartiges Gebildes für Lichtleit-Verstärker erkenndet — in der Längsachse eines Faserbündels er- bar, das in der US-PS 34 16 089 an ein Medium streckt. In beiden Fällen sind Anregungslichtquelle gleichen Brechwertes angekoppelt ist. und Lichtleitfaser konzentrisch zueinander angeord- 60 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine net. Eine Energieleitung in mit dielektrischen Ver- Vorrichtung zur Verstärkung eines kohärenten oplusten behafteten optischen Wellenleitern oder Licht- tischen Signals der eingangs beschriebenen Art anleitfasern ist auch aus der Zeitschrift »Experimen- zugeben, die einen höheren optischen Wirkungsgrad teile Technik und Physik, Bd. 18,1970, Heft 6, S. 439 aufweist und die einen geringeren Raumbedarf als die bis 444, bekannt. Diese Verstärkervorrichtungen 65 bekannten optischen Verstärker besitzt. Diese Aufweisen insofern Nachteile auf, als die dabei benutz- gäbe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das ten optischen Anregungsverfahren sehr unbequem zu stimulierbare Medium des optischen Verstärkerteils handhaben und die mit ihnen erzielten Wirkungs- seinerseits von einem passiven Mantel mit kleinerem

Brechwert umgeben ist und daß an das optische Verstärkerteil unmittelbar eine passive Lichtleitung von gleichem Durchmesser und Brechwert entsprechender Schichten angeschlossen ist, bei der aber ein dem äußersten Mantel des Verstärkerteils entsprechender Mantel fehlt.

Bei der Erfindung wird also ein neuer Weg zum optischen Anregen einer stimulierbaren Lichtleitfaser beschriften, was durch die Entwicklung spezieller Glaslasern möglich wurde. Der optisch wirksame innere Mantel kann beispielsweise aus neodymdotiertem Glas bestehen, während der unwirksame Kern und der zweite äußere Mantel aus undotiertem Glas hergestellt sind. Als Anregungsquelle kommt z.B. ein GaALAs-Laser in Betracht. Wird nun die Anregungsenergie in den unwirksamen Kern der Verstärker-Lichtleitfaser eingespeist, so kann der den Kern umgebende wirksame Mantü nach dem Prinzip der verhinderten Totalreflexion optisch angeregt werden, d. h., die eingekoppelte Welle greift in den Mantel über und wird in ihm absorbiert. Von Vorteil ist somit, daß nicht nur der in den Mantel eingespeiste Anteil der Signalenergie verstärkt wird, sondern auch ein gewisser Anteil der in den Kern gelangenden Signalenergie.

Für das zu verstärkende Signal dient als Einkoppelspiegel zweckmäßigerweise eine unter 45 zur optischen Achse verlaufende Spiegelfläche, die in die gemeinsame Trenn- und Begrenzungsflädie des optischen Verstärkerteils und der Lichtleitung eingefügt ist und so beschaffen ist, daß sie als Strahlteiler das zu verstärkende Signal in den Verstärkerteil reflektiert, die axiale Anregungsstrahlung aber ungehindert durchläßt. Die in dem wirksamen Mantel erzeugte stimulierte Emission wird in ihm weitergeleitet, wenn durch Auswahl entsprechender Bedingungen dafür gesorgt ist, daß an der Grenzfläche zwischen dem inneren wirksamen Mantel und dem äußeren unwirk · samen Mantel Totalreflexion auftritt. Es findet dann an dieser Grenzfläche eine Absorption weder der Anregungsenergie noch des zu verstärkenden Signals statt, und der äußere Mantel dient lediglich zur optischen Isolation gegenüber der Umgebung. Die bei der Energieleitung in einem optischen Wellenleiter oder in einer Lichtleitfaser auftretenden Verluste ermöglichen also das optische Anregen des stimulierbaren Mediums, wobei die Länge der Faser und der Durchmesser des wellenleitenden Kerns so auszulegen sind, daß die eingespeiste Anregungsenergie gerade aufgezehrt wird. Weiter muß vorausgesetzt werden, daß die Eindringtiefe in dis stimulierbare Medium groß genug gegenüber der Wellenlänge ist und daß die Dämpfungskonstante des Wellenleiters selbst klein gegenüber derjenigen des stimulierbaren 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 Vorteil liegt ferner auch darin, daß der erfindungsgemäße Verstärker ohne weiteres mit quasimonochromatischen Anregungslichtquellen, z. B. Laser-Oszillatoren, die auch quasipunktförmig sind, betrieben werden kann, wodurch eine unnötige Erwärmung vermieden wird. Die räumlich getrennte Anordnung von Anregungsiichtquelle und Verstärker-Lichtleitfaser ist als ein weiterer Vorteil zu werten, von dem bei vielen praktischen Anwendungsfällen der Erfindung Gebrauch gemacht werden kann.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung wird schließlich auch darin gesehen, daß die Nonnale zur Stirnfläche am Ausgang des optischen Verstärkeiteiis einen spitzen Winkel mit der optischen Achse bildet.

ίο In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Verstärkervorrichtimg gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

In Längsrichtung der Fasern sind zwei Lichtleitungen hintereinandergeschaltet, von denen die eine als Verstärkerteil 1 und die andere passive Lichtleitung 2 als Zubringer für die Anregungsstrahlung dient. Zwischen beiden ist — unter einem Winkel von 45° zur Fasern-Längsrichtung — ein Strahlteiler 3 vorgesehen.

Die Lichtleitfaser 1 besitzt einen passiven Kern 11 aus undotiertem Glas mit einem Brechwert n_K sowie einen neodymdotierten Glasmantel 12 mit einem Brechwert «vi ρ dieser stimulierbare Mantel ist von einem weiteren — passiven — Glasmantel umgeben, dessen Brechwert mit n_Ui bezeichnet ist. Die Brechwerte sind so gewählt, daß n_K größer ist als n_M , und dieser wiederum größer als n_M2. Das dem Strahlteiler 3 abgewandte Ende der Lichtleitfaser 1 wird von einer abgeschrägten Fläche 4 gebildet, die mit der Normalen zur Fasern-Längsrichtung einen spitzen Winkel einschließt.

Die Anregungslichtleitfaser 2 weist ebenfalls einen passiven Kern 21 mit demselben Brechwert n_K auf, der von einem passiven Mantel 22 umgeben ist. Letzterer besitzt den Brechwert n_M , wie der ihm benachbarte Mantel der Lichtleitfaser. Die von der Anregungsfaser 2 übertragene, z. B. in einem GaALAs-Laser erzeugte Strahlung hat eine Wellenlänge von etwa 0,9 um.

Das zu verstärkende Signal mit einer Wellenlänge von 1,06 μχη (durch einen Pfeil 5 angedeutet) wird über den Strahlteiler 3 unmittelbar in den verstärkenden Mantel 12 oder in den passiven Kern 11 eingespeist, in den auch die Anregungsenergie 7 eingekoppelt wird. Die Anregungsenergie greift in den verstärkenden 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 stimulierbaren Mantel 12 und dem passiven Mantel 13. Wird das zu verstärkende Signal in den passiven Kern 11 eingespeist, so muß es unter einem solchen Winkel auf die Grenzfläche zum stimulierbaren Mantel 12 einfallen, der kleiner ist als der Grenzwinkel der Totalreflexion, da diese Strahlung im Gegensatz zur Anregungsstrahlung im stimulierbaren 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 Pfeil 6 angedeutet), während der an der Fläche 4 reflektierte Teil des Signals in Richtung der Pfeile 9 ausgekoppelt wird, so daß keine durch Rückkopplung angefachte Oszillation in der Lichtleitfaser 1 entstehen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

grade zu gering and. Sie haben sich daher in der Patentansprüche- Praxis noch nicht durchsetzen können. Die FR-PS 13 44970 beschreibt ein stimulierbares

1. Optischer Verstärker (Laser), dessen hohl- Festkörpermedium für optische Sender oder Verstärrohrförmig gestaltetes stimulierbares Medium 5 ker, wobei ein zentral angeordneter Kern einer oder einen faserförmigen passiven Kern höheren mehrerer Fasern von einem oder mehreren Mänteln Brechwerts umschließt und das in Längsrichtung umgeben ist. Hierbei ist die Dotierung im Mantel optisch angeregt ist, dadurch gekennzeich- vorgesehen, jedoch besitzt der Kern einen kleineren net, daß das stimulierbare Medium (12) des Brechungsindex als der stimulierbare Mantel. Zum optischen Verstärkerteils (1) seinerseits von io Anregen durch verhinderte Totalreflexion wäre es einem passiven Mantel (13) mit kleinerem Brech- aber notwendig, daß der Brechwert im Kern größer wert umgeben ist und daß an das optische Ver- ist als derjenige im dotierten Mantel.

stärkerteil (1) unmittelbar eine passive Licht- Bei der US-PS 34 56 211 besitzt das Ausführungs-

leirung (2) von gleichem Durchmesser und beispiel gemäß F i g. 5 — im Gegensatz zu demjeni-

Brechwert entsprechender Schichten (?1, 21 und 15 gen von Fig. 2 — keinen zum Leiten von Signal-

12, 22) angeschlossen ist, bei der aber ein dem energie längs der Faser erforderlichen zweiten Man-

äußersten Mantel (13) des Verstärkerteils (1) te!; ohne einen solchen besteht jedoch die Gefahr,

entsprechender Mantel fehlt. daß die vom ersten Mantel kommenden Signale her-

2. Optischer Verstärker nach Anspruch 1, da- auslaufen würden. Auch ist es grundsätzlich schwiedurch gekennzeichnet, daß als Einkoppelspiegel 20 rig. die Energie auf einen Kern von relativ geringem für das zu verstärkende Signal (5) eine unter 45^? Durchmesser zu bekommen; meist gelangt ein Teil zur optischen Achse verlaufende Spiegelfläche (3) der Energie von vornherein nur auf den Mantel; beim dient, die in die gemeinsame Trenn- und Begren- Fehlen eines zweiten Mantels geht dann dieser Teil zungsfläche des optischen Verstärkerteils (1) und mit großer Wahrscheinlichkeit verloren. Dies ist soder Lichtleitung (2) eingefügt ist und so beschaf- 25 wohl für eine Signalverstärkung als auch für die Verfen ist. daß sie als Strahlteiler (3) das zu verstär- Stärkung eines ganzen Bildes von Bedeutung. Letzkende Signal (5) in den Verstärkelteil (1) reflek- teres insbesondere wegen eines möglichen Übertiert, die axiale Anregungsstrahlung aber unge- Sprechens, das eine fehlerhafte Bildinformation zur hindert hindurchläßt. " Folge hätte. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2

3. Optischer Verstärker nach den Ansprüchen 1 30 dagegen ist zwar ein zweiter Mantel vorhanden, je- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Normale doch wird die zu verstärkende Welle in die Achse zur Stirnfläche (4) am Ausgang des optischen des Kerns eingespeist. Diese Welle greift in das wirk-Verstärkerteils (1) einen spitzen Winkel mit der same Medium über, so daß nur innerhalb des kegeloptischen Achse bildet. förmigen Abschnittes der Totalreflexion eine Verstär-

35 kung funktioniert. Die Interpretation der Beziehung n_i<n₃<n, ergibt, daß das zu verstärkende Signal

im Kern geführt werden muß. Damit aber ist es nicht

möglich, den dotierten Mantel beliebig dünn zu wählen, ohne daß die zu verstärkende Signalwelle aus