DE3874701T2

DE3874701T2 - Faserlaser und verstaerker.

Info

Publication number: DE3874701T2
Application number: DE8888121151T
Authority: DE
Inventors: Farhad Hakimi; Hong Po; Elias Snitzer; Richard P Tumminelli
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1987-12-17
Filing date: 1988-12-16
Publication date: 1993-02-11
Anticipated expiration: 2008-12-17
Also published as: CA1324517C; JPH01260405A; DE320990T1; JP2781399B2; EP0320990A3; US4815079A; EP0320990A2; DE3874701D1; EP0320990B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Einkopplung von Strahlung in den Kern einer optischen Faser, und insbesondere auf eine Vorrichtung zur Einkopplung von Pumpstrahlung in den Kern einer optischen Laseroszillatorfaser oder einer optischen Laserverstärkerfaser.

2. Diskussion des Standes der Technik

In den vergangenen Jahren haben optische Laseroszillatoren und -verstärker in einer aktiven Faser zunehmend Beachtung gefunden. Dies liegt daran, daß derartige aktive Faservorrichtungen die ausgezeichneten Eigenschaften von Standardlasermaterialien mit dem hohen Energieeinschluß kombinieren, der in optischen Fasern verfügbar ist. Insbesondere wurde die runde Geometrie gewisser Monomodefasern für Fasersystemanwendungen eingerichtet. Derartige Fasern zeigen eine hohe Energieumsetzungsfähigkeit und ausgezeichnete Kopplungseigenschaften mit optischen Monomodeübertragungsfasern, und sie haben daher eine wichtige Anwendung in Faserübertragungssystemen und Netzen.
Die Leistungsfähigkeit einer Faserlaservorrichtung ist wie bei jedem aktiven oder nicht-linearen Wellenleiter eng verknüpft mit der Fähigkeit, mit der eine Pumpstrahlung durch das aktive Material absorbiert werden kann, und insbesondere durch das aktive Material im Faserkern. Insbesondere offenbart die am 24. April 1973 ausgegebene US-PS 3729690 in Fig. 11 eine Faserkonfiguration, die auf eine verbesserte wirksame Kopplung der Strahlung in einen aktiven Kern gerichtet ist.
Diese offenbarte Faserausbildung ist in Sp. 17, 1. 59 bis Sp. 18, 1. 8 wie folgt beschrieben:
Eine Laserkomponente oder ein Stab mit einer Geometrie sehr ähnlich jener, die in Fig. 6 dargestellt ist, kann dadurch erhalten werden, daß eine einzige Laserfaser 130 mit kleinem Durchmesser exzentrisch relativ zu ihrem Überzugsglas 132 angeordnet wird, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist. Sowohl die Geometrie, wie sie in Fig. 11 dargestellt ist, als auch die Geometrie gemäß Fig. 6 sind von Wichtigkeit bei Pumpanordnungen, bei denen das Pumplicht in den Stab durch das Ende des Stabes von im wesentlichen allen Richtungen eintritt. Ein Hauptvorteil dieser Geometrien besteht darin, daß bei Benutzung mit endseitigem Pumplicht die schrägen Strahlen, die innen im Stab fortschreiten, leichter durch das Laserelement abgefangen werden können als es der Fall wäre, wenn das aktive Laserglas in der Mitte des Stabes befindlich wäre. Die präzise Positionierung der aktiven Laserfaser 130 relativ zur Achse des ummantelten Stabes 132 und ihre relativen Querabmessungen sind eine Frage der Ausbildungsbetrachtungen im Detail, abhängig von den erforderlichen Endresultaten.
Die vorbeschriebene Faserkonfiguration bezieht sich speziell auf relativ kurze Glasfasern, die zur Zeit der Anmeldung des Patentes am 17. November 1969 wohlbekannt waren. Aus diesem Grunde waren die großen Strahlungsverluste, die von der Strahlung herrührten, die infolge von Schmutz, Feuchtigkeit oder anderen in Homogenitäten der Faseroberfläche jener Faserausbildung gestreut wurden, nicht wichtig. Eine solche Konfiguration ist jedoch infolge der großen Strahlungsverluste, die hieraus resultieren, ungeeignet zur Benutzung in Verbindung mit relativ langen Fasern, die heutzutage Anwendung finden. Die längeren Fasern, die heutzutage benutzt werden, sind eine Folge der Verfügbarkeit von Fasern mit geringem Verlust, wie diese beispielsweise in Nachrichtenübertragungssystemen Anwendung finden.
Eine weitere Faserkonfiguration, die auf eine verbesserte wirksame Kopplung der Strahlung in einen aktiven Kern gerichtet ist, beschreibt die US-PS 4546476, die am 8. Oktober 1985 ausgegeben wurde. Die hier beschriebene Faserkonfiguration umfaßt eine seitliche Nebeneinanderanordnung von zwei optischen Fasern, wobei die erste Faser als Mittel dient, die Pumpstrahlung zu empfangen, während die zweite Faser mit einem aktiven Lasermaterial dotiert ist. Die Brechungsindizes der ersten und zweiten Fasern sind so gewählt, daß die Strahlung in der ersten aktiven Faser geführt wird, während die Pumpstrahlung in der ersten Faser ungeführt ist. Die Brechungsindizes waren so gewählt, daß eine Übertragung von Pumpstrahlung von der ersten Faser nach der zweiten aktiven Faser verbessert wurde. Wie in Fig. 2 dieses Patentes dargestellt, bildet die Querschnittsfläche der zweiten aktiven Faser 14 einen wesentlichen Teil der Querschnittsfläche der seitlich aneinanderliegenden Konfiguration. Insbesondere sagt die Patentschrift in Sp. 3, 1. 31-38 aus: "Wenn der Durchmesser der Hülle nur etwas größer ist als die Faserdurchmesser, wird ein beträchtlicher Teil der Pumpbeleuchtung, die von der Pumpfaser gebrochen wird, in der ND:YAG-Kristallfaser absorbiert, und dies führt zu einer hohen Energiedichte und demgemäß zu einem hohen Inversionsverhältnis innerhalb der ND:YAG-Kristallfaser, um eine Verstärkung des optischen Signals zu erreichen, welches übertragen wird." Weiter beschreibt die Patentschrift die Benutzung eines dünnen Überzugs in Sp. 5, 1. 45-49 wie folgt "Aus diesem Grunde ist es klar, daß es vorteilhaft ist, die Umhüllungsbemessung des Überzugs 22 so klein wie möglich zu halten, um die Absorption durch die Hülle 22 so gering wie möglich zu halten und dadurch die Absorption in der ND:YAG-Faser 14 zu maximieren." Demgemäß ist für vergleichbare Brechungsindizes für den ersten Kern, den zweiten Kern und die Hülle die Zahl von Strahlungsmoden, die durch die Kombination von erster Faser und Hülle erlangt werden können, welche Zahl proportional zur Querschnittsfläche der ersten Faser und der Hülle ist, etwa gleich der Zahl von Moden, die direkt in den aktiven Kern eingekoppelt werden, weil die Querschnittsflächen gleich bemessen sind.
Infolgedessen wird bei dieser Faserkonfiguration aus dem Verhältnis der Fläche der kombinierten ersten Faser und der Hülle zu der Fläche der zweiten Faser kein Vorteil erlangt.
Abgesehen von den obigen Betrachtungen ist das Patent nicht auf eine Einkopplung von Strahlung in einen aktiven Monomodekern gerichtet, d. h. das Patent beschreibt in Sp. 4, 1. 50-51, daß die zweite aktive Faser 14 einen Kern mit einem Durchmesser von 100 um hat. Außerdem wird bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Überzug oder der Kern jeder Faser poliert wird, um im wesentlichen ebene Oberflächen zu erhalten, die benachbart zueinander angeordnet sind, um die Kopplung zu verbessern, keines der obengenannten Probleme gelöst.
Infolgedessen besteht auf diesem Gebiet eine Notwendigkeit für einen Faseraufbau, der einen Monomodekern besitzt und wirksam einen wesentlichen Teil des Strahlungsausgangs einer Pumpquelle, beispielsweise einer Laserdiode, empfängt und der nach Empfang jener Strahlung diese Strahlung wirksam in einen Monomodekern einkoppelt.

Zusammenfassung der Erfindung

Alternativen der Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 5 definiert. Die Ansprüche 11, 12 und 27 beziehen sich auf eine Vorrichtung, welche eine Faser gemäß Anspruch 5 aufweist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen in vorteilhafter Weise die oben beschriebenen dem Stand der Technik eigenen Probleme, indem ein Faseraufbau geschaffen wird, der: (1) einen Monomodekern enthält; (2) wirksam einen großen Teil der einfallenden Pumpstrahlung empfängt; und (3) einen wesentlichen Anteil jener Strahlung in den Monomodekern einkoppelt.
Gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein aktiver Kern, beispielsweise ein Nd- dotierter Monomodekern aus Quarzglas innerhalb einer ersten Multimodeüberzugsschicht aus Quarzglas angeordnet, die einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Das Verhältnis des Durchmessers des ersten Multimodeüberzugs zum Durchmesser des Monomodekerns liegt im wesentlichen in einem Bereich zwischen 10:1 und 20:1. Außerdem ist der Multimodeüberzug mit einer relativ dünnen Schicht von Siliziumdioxid umgeben, das mit Fluor oder Bor dotiert ist, und die relativ dünne Schicht aus mit Fluor oder Bor dotiertem Siliziumdioxid kann wahlweise mit einer weiteren Schicht aus Siliziumdioxid umschlossen sein. Außerdem ist der Monomodekern aus der Mitte der ersten Multimodeüberzugsschicht versetzt. Der Betrag der Versetzung wird durch die Bedingung bestimmt, daß ein beträchtlicher Anteil der Strahlung, der in dem ersten Multimodeüberzug fortschreitet, in den Monomodekern eingekoppelt wird. Diese Kopplung findet immer dann statt, wenn die Strahlung, die den Multimodeüberzug durchläuft, durch den Monomodekern an der versetzten Stelle hindurchtritt und darin absorbiert wird.
Außerdem verursachen geringe Biegungen in dem Faseraufbau Störungen in den Moden, die in dem Multimodeüberzug fortschreiten. Diese Störungen verursachen eine Strahlung von den Überzugsmoden, die gewöhnlich nicht durch den Monomodekern hindurchtreten, um in andere Überzugsmoden eingekoppelt zu werden, die durch die Stelle hindurchtreten, die von dem Monomodekern eingenommen wird. Infolgedessen kann im wesentlichen der gesamte Energieeingang in den Multimodeüberzug dieser gebogenen Faser durch den Monomodekern absorbiert werden. Außerdem kann man infolge der Tatsache, daß der erste Überzug der erfindungsgemäßen Faser einen Multimodeaufbau besitzt, in vorteilhafter Weise Strahlung einkoppeln, ohne daß die hohen Toleranzen erforderlich wären, die normalerweise zur Kopplung von Licht, beispielsweise von einer Laserdiodenpumpe direkt in einen Monomodekern hinein erforderlich sind. Außerdem werden die Sättigungswirkungen, die durch die hohe Intensität der Pumpstrahlung, die in den Monomodekern eingekoppelt wird, wesentlich verringert, weil eine Pumpstrahlungsquelle nunmehr in den Multimodeüberzug der erfindungsgemäßen Faser fokussiert wirden kann, anstatt in den Monomodekern.
Die numerische Appertur des ersten Multimodeüberzugs bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte etwa im Bereich zwischen 0,05 und 0,12 liegen, um zu gewährleisten, daß der Multimodeüberzug einen genügend großen Akzeptanzwinkel aufweist, um über seinen großen Querschnitt wirksam Strahlung aufnehmen zu können. Weiter sollte bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Durchmesser des ersten Überzugs der erfindungsgemäßen Faser 5 bis 20 Mikron größer sein als die Verbindungslänge einer Pumplaserdiode, um hohe Toleranzerfordernisse hinsichtlich der seitlichen Ausrichtung entbehrlich zu machen. Infolgedessen ist die Strahlungsübertragung zwischen der Pumpe und dem ersten Überzug so wirksam, daß der Modenaufbau der Pumplaserdiode unwichtig ist. Tatsächlich wurde eine Laserwirkung dadurch erreicht, daß eine erfindungsgemäße Faser, die einen mit Nd dotierten Kern aus Quarzglas aufwies, mit einer Xenon- Bogenlampe gepumpt wurde.
Ferner sollte der Durchmesser eines aktiven Monomodekerns bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, der aktives Lasermaterial, beispielsweise Nd3&spplus;-Ionen, enthält, bei 1,06 Mikron einen V-Wert von 2,0 bis 2,2 haben. In jedem Fall sollte der V-Wert des Kerns deutlich unter 2,405 liegen, nämlich unter dem Wert der Monomodeabsperrung. Tatsächlich sollte der V-Wert des Kerns nicht zu nahe an dem V-Wert der Monomodeabsperrung liegen, um ein fehlerhaftes Verhalten auszuschließen, das auftreten könnte infolge des gleichzeitigen Vorhandenseins von Multimode- und Monomodeübertragungen über die Länge des aktiven Kerns im Falle von Fluktuationen im Kerndurchmesser, die während der Herstellung der Faser eingeführt wurden.
Eine dünne Schnicht von mit Fluor oder Bor dotiertem Siliziumdioxid schafft Mittel zum Auffangen der Strahlung im Multimodeüberzug. Diese dünne Schicht verhindert, daß eine Strahlung aus den Seiten des Multimodeüberzugs entweicht, und löst das Problem, welches sich aus der Benutzung des Aufbaus ergibt, der in Fig. 11 der US-PS 3729690 offenbart ist, welcher Aufbau bereits oben diskutiert wurde. Wie bekannt, bewirkt eine Dotierung mit Fluor oder Bor bei Siliziumdioxid eine Erniedrigung des Brechungsindexes und dadurch wird bewirkt, daß die Strahlung in dem ersten Multimodeüberzug aufgefangen wird. Außerdem wird die gesamte Oberfläche des ersten Überzugs gegenüber Streuinhomogenitäten wie beispielsweise Staub- oder Feuchtigkeitseinschlüssen geschützt.
Ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, welches eine wirksame Strahlungskopplung in einen Monomodekern bewirkt, weist einen langgestreckten Plattenaufbau auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt ein aktiver Monomodekern im wesentlichen in der Mitte eines langgestreckten plattenartigen Multimodeüberzugs aus Quarzglas, wobei die Platte vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt besitzt. Die Abmessungen der rechteckigen Platte sind vorzugsweise derart, daß die Breite und die Höhe hiervon jene der Verbindung einer Pumplaserdiode überschreiten, die benutzt wird, um eine Pumpstrahlung zu liefern. Der rechteckige Multimodeplattenüberzug empfängt wirksam Strahlung von einer Pumpquelle und bewirkt seinerseits eine wirksame Kopplung in den Monomodekern. Der plattenartige Überzug ist weiter von einem Material mit niedrigem Index umgeben, beispielsweise mit einem durchsichtigen harten Plastikmaterial mit einem Brechungsindex in der Größenordnung von beispielsweise 1,39. Es ist vorteilhaft, den plattenartigen Überzug mit einem Plastikmaterial zu überziehen, weil Plastik genügend flexibel ist und nicht bricht, wenn die Faser gebogen wird. Die Brechungsindexbeziehung für diesen Aufbau ist die folgende: Der Brechungsindex n&sub1; des Monomodekerns ist größer als der Brechungsindex n&sub2; des plattenartigen Multimodeüberzugs und dieser ist wiederum größer als der Brechungsindex n&sub3; des umschließenden Materials. Wenn der erste Überzug aus Quarzglas besteht, dann kann die numerische Appertur für den ersten Multimodeüberzug relativ zu dem zweiten Überzug aus Plastikmaterial mit geringem Index 0,4 betragen.
Bei diesem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein stirnseitiges Pumpen beispielsweise durch eine Laserdiode erfolgen. Bei diesem Aufbau kann die Pumpstrahlung vorteilhafterweise in den Überzug gekoppelt werden, ohne daß eine Fokussierung mit hoher Präzision erforderlich wäre. Dies ist vorteilhaft, weil im Vergleich mit einem direkten Einpumpen in den Kern die Benutzung einer Multimodepumpe mit geringerer Helligkeit möglich wird. Außerdem kann bei einer numerischen Appertur von 0,4 und bei genügend großen Abmessungen des rechteckigen ersten Überzugs im wesentlichen das gesamte Licht von einer Laserdiode unter Vernachlässigung der Interface-Fresnel-Reflexionsverluste selbst ohne Benutzung einer Linse absorbiert werden, d. h. einfach dadurch, daß das Ende der Faser der emittierenden Fläche der Laserdiode mit geringem Abstand gegenübergestellt wird. Beispielsweise sind Laserdioden verfügbar, die eine wirksame Emissionsfläche von 2 Mikron mal 100 Mikron haben und die einen Multimodeleistungsausgang von etlichen Hundert Milliwatt besitzen. Typische Werte für die volle Breite des Strahls, der zur Laserdiodenemission in der Ebene ausgebreitet wird, welche die lange Abmessung der Emissionsfläche enthält, und in der einen orthogonal hierzu, betragen 15º bzw. 30º. Bei einer Faser mit einer numerischen Appertur von 0,4 und rechteckigen Abmessungen von 40 Mikron mal 120 Mikron und einem Abstand von 5 Mikron von der Emissionsfläche der Laserdiode wird im wesentlichen das gesamte Laserdiodenlicht von dem ersten Überzug mit komfortablen seitlichen Toleranzen an der Stelle der Faser relativ zur Laserdiodenemissionsoberfläche gesammelt.
Bei einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der oben beschriebene Plattenaufbau so ausgebildet, daß eine seitliche Lichteinkopplung in den Plattenüberzug auf unterschiedliche Weise erreicht werden kann. Beispielsweise wird bei einem ersten Verfahren der seitlichen Einkopplung von dem plattenartigen Überzug für zwei Fasern ein Teil des Plastikmaterials, welches den plattenförmigen Überzug umschließt, durch Ablösen oder auf andere Weise entfernt. Eine dieser Fasern weist einen Monomodelaserkern darinnen auf und die andere Faser enthält keinen darin angeordneten Kern. Die letztere ist gleich dem ersten Überzug der Laserfaser, besitzt jedoch die gleiche oder eine etwas geringere Fläche. Die freiliegenden Abschnitte des Plattenüberzugs werden dann für beide Fasern zusammengebracht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die ohne aktiven Kern ausgebildete Faser stirnseitig gepumpt werden. Infolgedessen koppelt die Strahlung von einer Platte nach der anderen, wenn die stirnseitig gepumpte Strahlung die Stelle erreicht, wo die beiden freiliegenden Platten miteinander verbunden sind. Es ist klar, daß dann, wenn ein Kleber benutzt wird, um die beiden Platten zu verbinden, dieser Kleber einen höheren Brechungsindex haben sollte als jede der beiden Platten, so daß die Strahlung von einer Platte in die zweite Platte eingekoppelt wird. Der Kopplungsbereich wird dann wieder mit dem Plastikmaterial von geringem Index überzogen, um die Faseroberflächen gegen Streuinhomogenitäten zu schützen.
Weitere Ausführungsbeispiele, die diese Konfiguration benutzen, umfassen mehrere Konfigurationen mit aneinanderliegenden Platten, die an verschiedenen Stellen über die Länge der Fasern angeordnet sind, die den aktiven Monomodekern enthalten. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann die Strahlung von mehr als einer Pumpquelle seitlich in den Plattenüberzug gepumpt werden, der den aktiven Kern enthält, und zwar in beiden Richtungen längs der Laserfaser.
Bei einem zweiten Verfahren zur seitlichen Einkopplung wird der Plattenüberzug der Faser einer Bearbeitung ausgesetzt, indem beispielsweise ein Teil des Plastikmaterials, das den Plattenüberzug umgibt, an verschiedenen Stellen längs der Faser entfernt wird. An den freiliegenden Abschnitten der Platte werden dann Prismen befestigt, deren Material hinsichtlich des Index angepaßt ist. Bei richtiger Einfallsrichtung des parallelisierten Strahles wird die Strahlung, die auf eine Fläche des Prisma auftrifft, von hier in den plattenartigen Überzug eingekoppelt. Diese Strahlung, die in den Plattenüberzug eingekoppelt ist, wird ihrerseits, wie oben beschrieben, in den aktiven Monomodekern eingekoppelt.
Dies bildet in vorteilhafter Weise ein weiteres Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung zum seitlichen Pumpen des aktiven Monomodekerns mit einer Strahlung von mehreren Pumpquellen.
Ein drittes Verfahren zur seitlichen Einkopplung wird unter Benutzung einer rechteckigen Faser durchgeführt, die ähnlich ist dem ersten Überzug der Laserfaser, aber ohne einen darin enthaltenen Laserkern, wobei die rechteckige Faser ebenfalls mit einem durchsichtigen Plastikmaterial überzogen ist, das einen niedrigen Brechungsindex besitzt. Ein Ende der Faser ist unter einem spitzen Winkel im Bereich von beispielsweise 5º bis 20º geschliffen und poliert, um eine verjüngte Stirnfläche zu schaffen, die an der Platte in ähnlicher Weise wie bei den beschriebenen Verfahren befestigt ist. Das andere Ende dieser Pumpzuführungsfaser ist mit einer Pumplichteinkopplung wie oben beschrieben versehen.
Der Vorteil der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung besteht darin, daß die Pumpstrahlung unpräzise in einen Multimodeüberzug fokussiert werden kann, wo die Pumpstrahlung einer Vielzahl von Reflexionen unterworfen wird und durch einen Monomodekern oft hin und her reflektiert wird, bis die gesamte Strahlung durch den Kern absorbiert ist. Es wird angenommen, daß ein Meter oder nur wenige Meter eine geeignete Länge für eine wirksame Absorption der Pumpstrahlung im Kern in den meisten Fällen ist. Außerdem kann bei diesen Ausführungsbeispielen die Faser zu einer Spule aufgewickelt werden, wenn die Längenerfordernisse größer sind als ein Meter und eine Kompaktheit gefordert wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können leicht durch Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung verstanden werden. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein seitliches Pumpen bewirkt wird,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein seitliches Einpumpen erfolgt, und
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der ein seitliches Pumpen erfolgt.
Zur Erleichterung des Verständnisses werden identische Bezugszeichen benutzt, um identische Elemente zu kennzeichnen, die den Figuren gemeinsam sind.

Einzelbeschreibung

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform 10 der vorliegenden Erfindung. Ein Monomodekern 100 hat einen Brechungsindex n&sub1; und kann beispielsweise als ein mit Nd3&spplus;-Ion dotierter Kern aus Quarzglas hergestellt sein. Eine erste Überzugsschicht 110 besitzt einen Brechungsindex n&sub2; und ist ein Multimodeüberzug, der beispielsweise aus Quarzglas hergestellt ist. Der Kern 100 ist aus der Mitte der ersten Überzugsschicht 110 versetzt. Eine zweite Überzugsschicht 120 umgibt den Überzug 110 und besitzt einen Brechungsindex n&sub3;, der kleiner ist als der Brechungsindex n&sub2; des Quarzglasüberzugs 110. Der Brechungsindex der Schicht 120 kann gegenüber jenem des Überzugs 110 durch irgendein bekanntes Verfahren vermindert werden, beispielsweise durch Ablagerung von Quarzglas auf einer Form in Gegenwart von Fluor oder von B&sub2;O&sub3; oder von beiden. Die zweite Überzugsschicht 120 ist ihrerseits von einer Überzugsschicht 130 überzogen, die beispielsweise aus Quarzglas besteht. Der Überzug 130 wird wahlweise vorgesehen und ist nicht wichtig für die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Faser 10 gemäß Fig. 1 unterscheidet sich von dem Aufbau gemäß Fig. 11 der US-PS 3729690, die bei der Hintergrundbetrachtung der Erfindung diskutiert wurde. Der Unterschied besteht darin, daß die zweite Überzugsschicht 120 des erfindungsgemäßen Aufbaus nicht in dem Aufbau enthalten ist, der in Fig. 11 des genannten US-Patentes beschrieben ist. Die Patentschrift befaßte sich mit relativ kurzen Längenabmessungen der Faser, und aus jenem Grund waren die Verluste, die dem Interface zwischen dem Überzug und der Luft zugeordnet waren, nicht wesentlich. Wenn die Länge einer Faser sich jedoch einem Meter annähert, wie es der Fall ist bei Fasern, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, dann besteht die Notwendigkeit, Streuverluste zu verhindern, die eine Folge der Ausbreitung von Licht außerhalb des Überzugs 110 durch Schmutz, Feuchtigkeit oder andere Oberflächeninhomogenitäten sind.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Faseraufbaus gemäß Fig. 1 zur Benutzung in Verbindung mit einem mit Nd3&spplus;- Ionen dotierten Monomodekern, der zusätzliche Verunreinigungen, beispielsweise aus Aluminium, Germanium oder Phosphor, aufweist, besitzt den Durchmesser des Multimodeüberzugs 110 und liegt im wesentlichen im Bereich von 40 bis 80 Mikron, und der Durchmesser des Monomodekerns 100 liegt etwa im Bereich zwischen 3 bis 8 Mikron.
Die Zahl der Moden, die in einem Multimodewellenleiter fortschreiten können, der einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt besitzt, ist gleich V2/2, wobei V gegeben ist durch:
V = nd(nguide² - nclad² )½/lpump (1)
wobei d der Durchmesser des Wellenleiters ist,
nguide der Brechungsindex des Wellenleiters ist,
nclad der Brechungsindex des Überzugs ist, und
lpump die Wellenlänge der Strahlung ist, die in den Wellenleiter eingekoppelt wird.
Durch Benutzung der Gleichung (1) ergibt sich die Zahl der Moden, die in dem Multimodeüberzug 110 der erfindungsgemäßen Faser fortschreiten, durch:
(2) 2nA(n²&sub2; - n&sub3;²)/lpump²
Dabei ist A die Querschnittsfläche des Überzugs 110, n&sub2; der Brechungsindex des Überzugs 110 und n&sub3; der Brechungsindex des Überzugs 120.
Die Gleichung (2) gilt für zwei Polarisationszustände der gekoppelten Strahlung. Für einen Monomodekern gibt es zwei Polarisationen für die Monomodeausbreitung. Deshalb ergibt sich die Zahl von Moden, die von einer Pumplichtquelle in den Multimodeüberzug 110 gepumpt werden können, im Vergleich mit der Zahl der Moden, die von der Pumplichtquelle direkt in den Kern 100 eingekoppelt werden können, durch die folgende Gleichung:
nA(n²&sub2; - n²&sub3;)/lpump² (3)
Da die Strahlung, die in den Multimodeüberzug 110 eingekoppelt wird, schließlich durch den Monomodekern 110 absorbiert wird, zeigt die Gleichung (3) die wesentliche Verbesserung, die durch Pumpen des erfindungsgemäßen Aufbaus gegenüber jenem Aufbau erreicht wird, bei dem die Strahlung direkt in einen Monomodekern durch Pumpen eingekoppelt wird. Diese Verbesserung wird gemäß der vorliegenden Erfindung erlangt, weil der Ausgang von einer Multimodepumpquelle in den Multimodeüberzug 110 eingekoppelt wird und die eingekoppelte Strahlung wiederum in den Monomodekern 100 eingekoppelt wird.
Wenn beispielsweise eine Laserdiodenpumplichtquelle benutzt wird, die eine langgestreckte Verbindungsgeometrie besitzt, dann sollte die erfindungsgemäße Faser 10 eine numerische Appertur des Multimodeüberzugs 110 - welche numerische Appertur durch die Brechungsindizes der Überzugsschicht 120 und der Überzugsschicht 110 bestimmt wird - haben, die etwa im Bereich von 0,10 bis 0,30 liegt. Dies ergibt eine vernünftig hohe numerische Appertur, die adäquat ist zum Auffangen des größten Teils der Strahlung, die von der Laserdiode emittiert wird. Außerdem ist diese numerische Appertur nicht so hoch, daß sich Fabrikationsprobleme im Hinblick auf Beanspruchungen ergeben, die aus der Herstellung einer Faser aus Materialien herrühren könnten, die außerordentlich unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, die erforderlich sind, um die erforderliche hohe numerische Appertur zu erzeugen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sollte die numerische Appertur zwischen dem Kern 100 und dem Überzug 110 so klein als möglich sein, d. h. im wesentlichen im Bereich zwischen 0,02 bis 0,15. Außerdem sollte der Durchmesser des Monomodekerns 100, der ein aktives Material, beispielsweise Nd3&spplus;-Ionen enthält, so groß als möglich sein, um eine große Zielfläche zur Einkopplung der Strahlungsausbreitung in dem Überzug 110 darin zu gewährleisten. Demgemäß sollte der Monomodekern 100 einen V-Wert mit einer typischen Laserstrahlungswellenlänge haben, die im wesentlichen in dem Bereich zwischen 2,0 bis 2,2 liegt. Es ist wichtig, daß dieser Wert unter 2,405 gehalten wird, d. h. jenem Wert, bei dem der Monomodebetrieb aussetzt, weil man nicht zu dicht an den Monomodeabschaltwert herankommen möchte und nicht das Risiko auf sich nehmen möchte, irgendein fehlerhaftes Verhalten infolge des Fehlens einer präzisen Durchmessersteuerung zu erzeugen. Außerdem sollte der Durchmesser des Überzugs 110 ungefähr 10- bis 20mal größer sein als der Durchmesser des Kerns 100, um einen hohen Einkoppelgrad zur Einkopplung der Strahlung in den Überzug 110 zu gewährleisten, im Gegensatz zur Strahlungseinkopplung direkt in den Kern 100. Wie oben beschrieben, ist der Kopplungsgrad direkt proportional zum Verhältnis der Flächen.
Wir haben festgestellt, daß bis zu 90 % des in dem Überzug 110 eingekoppelten Lichtes in dem Monomodekern 100 absorbiert werden können bei einer Konzentration von 1,0 Gew.% Nd&sub2;O&sub3;, d. h. 10²&sup0; Nd-Ionen/cm³ in 8 Metern, wenn das Verhältnis des Durchmessers vom Kern 100 zum Durchmesser des Überzugs 110 im wesentlichen in dem Bereich zwischen 1 zu 10 liegt. Dieses Verhältnis von Durchmessern liefert ein Verhältnis der Fläche des Überzugs 110 zur Fläche des Kerns 100 von 1 zu 100. Beispielsweise haben wir einen mit Neodym dotierten Faserkern mit einem Kern 100 von 5 um Durchmesser hergestellt mit einer numerischen Appertur von 0,15 relativ zu einem ersten Überzug 110, der einen kreisförmigen Querschnitt hatte. Der erste Überzug 110 hatte seinerseits eine numerische Appertur relativ zu dem zweiten Überzug 120 von 0,1.
Der Vorteil der Versetzung des Kerns 100 aus der Mitte des Überzugs 110 ergibt sich wie folgt. Wenn der Kern 100 und der erste Überzug 110 konzentrisch angeordnet würden, dann wäre die Wirksamkeit der seitlichen Einpumpung im Kern 100 durch den ersten Überzug 110 relativ gering, weil nur axiale Strahlen bei geringen Faserbiegungen absorbiert würden. Indem der Kern 100 jedoch um beispielsweise 5 um vom Rand des ersten Überzugs 110 entfernt angeordnet wird, können schräge Strahlen leichter absorbiert werden. Beispielsweise haben wir eine 8 m lange Faser hergestellt, die einen gegenüber der Mitte versetzten Kern mit einer Konzentration von 1,0 Gew.-% Neodym aufwies, und es wurde festgestellt, daß weniger als 10 % des Pumplichtes, das in die Faser bei 0,806 um eingekoppelt wurde, durch die Faser übertragen wurde.
Weiter haben wir festgestellt, daß durch das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine verbesserte Einkopplung zwischen einer Strahlung, die in dem Multimodeüberzug 110 fortschreitet, und einem Monomodekern 100 erlangt werden kann, wenn ein Mechanismus vorhanden ist, der die Moden in dem Überzug 110 stört. Ein solcher Mechanismus zum Stören der Moden kann durch geringe Biegungen der Faser 10 hervorgerufen werden. Die durch die Biegungen eingeführten Störungen verursachen eine Kopplung zwischen den Moden des Überzugs 110. Infolgedessen wird mehr Strahlung in den Monomodekern 100 von mehreren Moden, die in dem Überzug fortschreiten, eingekoppelt. Da die Biegungen auch Licht aus der Faser streuen, sollte die eingeführte Biegung zur Verbesserung der Einkopplung nur eine leichte Biegung sein.
Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel, welches oben beschrieben wurde, kann gemäß bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise durch modifizierte chemische Dampfablagerung, d. h. durch ein MCVD-Verfahren. Bei einem solchen Verfahren wird ein kleiner Kern innerhalb eines großen Überzugs ausgebildet, und es wird eine Vorform erzeugt mit einem Durchmesserverhältnis zwischen Überzug und Kern von 20 bis 40. Dann wird die aus dem MCVD-Verfahren resultierende Vorform geschliffen und poliert, um den Kern 100 innerhalb des Überzugs 110 aus der Mitte zu versetzen. Getrennt hiervon wird ein Quarzglasrohr mit einer partiell fluorisierten Schicht aus SiO&sub2; auf der inneren Oberfläche durch ein MCVD-Verfahren abgelagert. Dann wird die Vorform mit dem aus der Mitte versetzten Kern und ihrem Überzug in das Rohr eingefügt und das Rohr wird mit der eingefügten Vorform verschmolzen, um die endgültige Vorform zu bilden. Weil diese Fluor enthält, ist der Brechungsindex der dünnen Schicht 120 kleiner als der der Schicht 110, und dadurch bildet die Schicht 120 eine Grenzschicht für die Strahlung, die innerhalb des Multimodeüberzugs 110 fortschreitet. Schließlich wird eine erfindungsgemäße optische Faser aus der Endform in bekannter Weise gezogen. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann man anstelle der Erzeugung einer fluorisierten Quarzschicht 120, die den Multimodeüberzug 110 umgibt, eine mit Bor dotierte Quarzschicht 120 herstellen.
Wenn der Brechungsindex des Monomodekerns 100 mit n&sub1; bezeichnet wird, der Brechungsindex des Multimodeüberzugs 110 mit n&sub2;, der Brechungsindex der fluorisierten Quarzschicht 120 mit n&sub3; und der Brechungsindex der zweiten Quarzschicht 130 mit n&sub4;, ergibt sich die folgende Beziehung der Brechungsindizes:
n&sub1; > n&sub2; > n&sub3; und n&sub4; = n&sub2; (4)
Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform 20 der Erfindung. Der Monomodekern 200 hat einen Brechungsindex n&sub1; und kann beispielsweise als mit Nd3&spplus;-Ionen dotierter Quarzglaskern hergestellt sein. Die plattenartige Überzugsschicht 210 hat einen Brechungsindex von n&sub2;. Es ist ein Multimodeüberzug, der beispielsweise aus Quarzglas besteht und vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt besitzt. Die zweite Überzugsschicht 220 umgibt den Überzug 210 und besitzt einen Brechungsindex n&sub3;, der kleiner ist als der Brechungsindex n&sub2; des Quarzglasüberzugs 210. Als solches verhindert der Überzug 220 Strahlungsverluste der in dem Multimodeüberzug 210 fortschreitenden Strahlung. Der Überzug 220 wird vorzugsweise aus Hartplastikmaterial hergestellt, beispielsweise aus einem fluorisierten Polymer, welches ein hartes, klares Plastikmaterial mit geringem Brechungsindex ist. Beispielsweise beträgt der Brechungsindex n&sub3; etwa 1,39. Es ist zweckmäßig, den Überzug 220 aus Plastikmaterial herzustellen, weil Plastikmaterial flexibel ist und den Überzug 210 nicht beansprucht, wenn die Faser 20 gebogen wird. Außerdem kann der Brechungsindex n&sub3; bei Verwendung von Plastikmaterial kleiner gehalten werden als bei Quarzglas, welches mit Fluor oder Bor dotiert ist. Dadurch wird der Akzeptanzwinkel für die Pumpstrahlung vergrößert.
In analoger Weise zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel 10 wird das Verhältnis der Zahl der Moden, die in dem Multimodeüberzug 210 eingeschlossen sind, zur Zahl der Moden, die im Monomodekern 200 eingeschlossen sind, durch das Verhältnis der Querschnittsfläche von Überzug 210 zur Querschnittsfläche des Kerns 200 und das Quadrat der numerischen Appertur für die Multimodefaser bestimmt, die zwischen dem Bereich 210 und 220 liegt. Wie oben beschrieben, ist es zweckmäßig, daß dieses Flächenverhältnis im wesentlichen im Bereich zwischen 50 zu 1 und 400 zu 1 liegt, obgleich auch Verhältniswerte außerhalb des Bereiches, wenn auch mit geringerer Wirksamkeit, arbeitsfähig sind. Wenn der Durchmesser des Kerns 100 mit d bezeichnet wird, wie in Fig. 2 dargestellt, dann ist die Höhe des Überzugs 220 gegeben durch xd und die Breite durch yd. Dann ist es erwünscht, daß xy etwa in dem Bereich zwischen 50 bis 400 liegt. Demgemäß haben bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Faser Dimensionen von beispielsweise 2 < xd < 5 und 5 < yd < 100.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gefertigte Fasern können stirnseitig mit Strahlung gepumpt werden, und insbesondere sind solche Ausführungsbeispiele vorteilhaft für ein stirnseitiges Einpumpen mit Laserdioden, die im typischen Fall rechteckig gestaltete Verbindungen besitzen.
Für den Fachmann ist es klar, daß die Form des Überzugs 210 nicht notwendigerweise rechteckig sein muß und daß eine große Zahl von Formen mit unterschiedlichen Breiten und Höhen auch im Rahmen der Erfindung Anwendung finden können.
Bei der Herstellung von Ausführungsbeispielen der Erfindung zur Benutzung in Verbindung mit Lasern ist festzustellen, daß je höher die Konzentration der absorbierenden Laserionen ist, die pro Längeneinheit im Kern vorhanden sind, die Absorption um so stärker ist, und demgemäß kann die Faser kürzer für eine fast vollständige Pumpabsorption gestaltet werden. Demgemäß ist ein großer Kerndurchmesser vorteilhaft, solange er eine numerische Appertur NA besitzt, die klein genug ist, um noch einen V-Wert zu liefern, der kleiner ist als 2,405.
Wenn man bekannte Anordnungen benutzt, um stirnseitig direkt in einen Neodymkern zu pumpen, benutzt man Nd3&spplus;- Konzentrationen im Bereich von 10¹&sup7; bis 10²&sup0; Ionen/cm³. Der Grund dafür liegt darin, daß höhere Konzentrationen bei hochwertigen Quarzlasern mit niedrigen Verlusten eine Konzentrationstilgung bewirken. Wenn jedoch Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung benutzt werden, um ein seitliches Einpumpen durch einen ersten Überzug zu bewirken, kann man eine gewisse Konzentrationstilgung zulassen, und daher können Werte von Nd3&spplus;- Konzentrationen bis zu 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ benutzt werden. Infolgedessen wird die Faserlänge, die zur Absorption der meisten Pumpleistung benötigt wird, entsprechend vermindert oder die Fläche des ersten Überzugs wird vergrößert, um die gleiche Absorption pro Längeneinheit zu erzielen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einpumpen durch den ersten Überzug ist insbesondere dann wirksam, wenn eine Absorption im Kern in einem Ion auftritt und danach eine Energieübertragung nach einem zweiten Ion stattfindet, welches eine Laserwirkung hat. So kann beispielsweise Erbium (Er3&spplus;) bei 1,54 um leicht in den Laserzustand überführt werden, indem es mit Ytterbium (Yb3&spplus;) dotiert wird. Bei einer solchen Faser liegen die typischen Konzentrationsverhältnisse bei 15 x 10²&sup0; Yb3&spplus;- Ionen pro cm³ und 0,3 x 10²&sup0; Er3&spplus;-Ionen pro cm³. Mit einer so hohen Yb3&spplus;-Konzentration ergibt sich eine heftige Absorption im Wellenlängenbereich zwischen 0,92 und 0,98 um. In gleicher Weise ergibt eine gemeinsame Dotierung von Nd3&spplus; und Yb3&spplus; eine heftige Absorption durch Nd3&spplus;, gefolgt durch eine wirksame Energieübertragung auf Yb3&spplus;, was bei 1,02 um oder 1,06 um in den Laserzustand übergeht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 kann gemäß bekannten Verfahren hergestellt werden, beispielsweise nach dem MCVD- Verfahren. Bei einem solchen Verfahren wird ein Laserkern mit hohem Brechungsindex innerhalb eines Überzugs erzeugt, um eine Vorform zu bilden. Dann wird die Vorform geschliffen und poliert, um eine endgültige Vorform zu bilden, die die Gestalt eines plattenartigen Überzugs 210 aufweist, wie dieser in Fig. 2 dargestellt ist. Schließlich wird eine erfindungsgemäße optische Faser aus der Endvorform in der Weise gezogen, wie dies auf diesem Gebiet üblich ist, wobei klares Plastikmaterial als Pufferüberzug aufgebracht wird, unmittelbar nachdem die Faser den Ziehofen verläßt.
Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß bei einem Kern mit einem Durchmesser von 8 um, der 10²&sup0; dreiwertige Neodym(Nd3&spplus;)-Ionen pro cm³ enthält, dieser innerhalb eines ersten Überzugs rechteckiger Gestalt angeordnet wird, dessen Abmessungen 115 um x 40 um betragen, und der Kern in der langen Abmessung zentriert und in der kurzen Abmessung versetzt ist, so daß der Rand 8 um vom Rand des Rechtecks weg liegt, und ein klarer Plastiküberzug als zweiter Überzug mit einem Brechungsindex von 1,39 verwendet wurde, die Absorption bei einer Wellenlänge von 0,808 um 4 dB/Meter betrug. Demgemäß wurden bei dieser Faser 90 % des Pumplichtes auf eine Länge von 2,5 m absorbiert. Dieser Absorptionswert beträgt etwa 75 % von dem, was sich ergeben würde, wenn das Neodym in dem Kern gleichförmig in der zweiten Schicht dispergiert wäre. Bei einem kreisförmigen zweiten Überzug, dessen Durchmesser zehnmal so groß ist wie der des Monomodekerns und der die gleiche Ionenkonzentration enthält, wobei der Durchmesser wie oben angegeben war und der Rand des Kerns 6 um vom Rand des ersten Überzugs weg lag, betrug die Absorption 27 % von der, die dann erreicht würde, wenn die Ionen gleichförmig in dem ersten Überzug dispergiert wären.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, wo die Faser 20 gemäß Fig. 2 benutzt wird und vorteilhafterweise ein seitliches Einpumpen bewirkt wird. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird dadurch hergestellt, daß zunächst eine Faser 20 gemäß Fig. 2 hergestellt wird. Dann wird eine zweite Faser 25 hergestellt. Die Faser 25 ist wie die Faser 20 ausgebildet, sie hat jedoch keinen Kern, d. h. der Überzug 300 und der Überzug 310 der Faser 25 sind wie der Überzug 210 und der Überzug 220 der Faser 20. Dann wird der Überzug 210 über eine Länge lcoup beispielsweise dadurch bearbeitet, daß ein Teil des Überzugs 220 von der Faser 20 gelöst wird, und der Überzug 300 wird über eine Länge von lcoup gelöst, um einen Teil des Überzugs 310 von der Faser 25 wegzunehmen. Schließlich werden die Fasern 20 und 25 miteinander derart verbunden, daß der gelöste Abschnitt des Überzugs 220 und der gelöste Abschnitt des Überzugs 300 im wesentlichen über die volle Länge lcoup aneinanderliegen und durch Fixierungsmaterial 320 verbunden werden. Wenn der Brechungsindex des Überzugs 210 mit n&sub1; bezeichnet wird, der Brechungsindex des Überzugs 300 n&sub2; ist, der Brechungsindex des zweiten Überzugs 220 mit n&sub3; bezeichnet ist und der Brechungsindex des Befestigungsmaterials 320 nc ist, dann ergibt sich die Größenordnung der Strahlungskopplung vom Überzug 300 in den Überzug 210 wie folgt:
n&sub1; > n&sub3;; n&sub1; > n&sub2; > n&sub3;;
und nc > nl (5)
Wie leicht aus Fig. 3 erkennbar, ergibt dieses Ausführungsbeispiel ein seitliches Strahlungspumpen in den Überzug 210, wobei die Strahlung stirnseitig in den Überzug 300 eingepumpt wurde. Die Länge lcoup wird so gewählt, daß sie ausreichend groß ist, um einen wesentlichen Anteil der Strahlung, der im Überzug 300 fortschreitet, vom Überzug 300 in den Überzug 210 einzukoppeln. Stattdessen könnte eine kurze Länge benutzt werden, aber die Querschnittsfläche des Überzugs 300 sollte wesentlich kleiner sein als die des Überzugs 210. Der Bereich des Kopplers kann dann mit einem Plastikmaterial mit geringem Brechungsindex überzogen werden, um die Oberfläche gegen Streuwirkungen zu schützen, die infolge von Staub oder Feuchtigkeitstropfen auftreten können.
Wenn in Fig. 3 der Brechungsindex n&sub2; für den Überzug 300 gleich ist dem Brechungsindex n&sub1; für den Überzug 210, dann wird die Absorptionsrate pro Längeneinheit vom Kern 200 im Vergleich mit der Absorptionsrate für ein stirnseitiges Einpumpen in den Kern 210, ohne Vorhandensein der Faser 25, in dem Verhältnis von A1/(A1+A2) vermindert, wobei A1 die Querschnittsfläche des Überzugs 210 und A2 die Querschnittsfläche des Überzugs 300 ist. Das Licht, welches am Ende der Koppellänge lcoup ankommt, wird teilweise in den Überzug 300 und teilweise in den Überzug 210 eingekoppelt. Für Koppellängen von mehr als gerade zehnmal der Plattenbreite wird der Anteil von Licht, der am Ende der Koppellänge lcoup ankommt und der in den Überzug 210 eingekoppelt wird, durch A1/(A1+A2) gegeben. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, die Fläche A2 kleiner als die Fläche A1 zu gestalten, aber immer noch groß genug, um eine wirksame Kopplung des Laserdiodenlichts in das Eintrittsende zuzulassen. Wenn außerdem die Oberfläche 330 eine gut präparierte abgespaltete und polierte Oberfläche ist, bei der ein Reflektor hoher Reflektivität durch Verdampfung oder andere Mittel erzeugt ist, dann wird der Anteil A2/(A1+A2) des Lichtes, das nicht nach einem Durchtritt in den Überzug 210 eingekoppelt wird, so gemacht werden, daß der Koppelbereich in umgekehrter Richtung durchlaufen wird, um eine Kopplung mit dem Kern 200 wiederum herbeizuführen und dann einen Bruchteil A1/(A1+A2) zu haben, der zurückläuft nach dem Beginn der Koppellänge und in den Überzug 210 eingekoppelt wird, aber in der Gegenrichtung läuft. Wenn C der Anteil des Lichtes ist, das in den Koppelbereich eintritt und durch den Kern 200 absorbiert ist, und wenn R die Reflexionsfähigkeit des Reflektors auf der Stirnfläche 330 ist, dann ist der Gesamtanteil des einfallenden Pumplichtes, welches von der Faser 25 nach der Faser 20 eingekoppelt wird, durch die folgende Gleichung gegeben:
(C + (1 - C)A1/(A1+A2))(1 + R(1 - C)A2/(A1+A2)) (6)
Dieses Ergebnis vernachlässigt die Streuverluste, die bei ordnungsgemäßer Behandlung der Faser klein sind.
Wenn die Koppellänge lcoup kurz gehalten wird, so daß C sich Null annähert, und die Reflexionsfähigkeit R gleich 1 wird, dann wird unter Vernachlässigung der Streuverluste der Anteil des Pumplichtes, das in die Faser 20 eingekoppelt wird wie folgt:
(A1/(A1+A2))(1 + A2/(A1+A2)) (7)
Wenn die Flächen A1 und A2 gleich sind, beträgt die Kopplung 75 %. Wenn A2 gleich A1/2 ist, dann erhöht sich die Kopplung auf 89 %.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei eine Faser 20 gemäß Fig. 2 benutzt wird und eine seitliche Einpumpung erfolgt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 wird dadurch erzeugt, daß zunächst eine Faser 20 gemäß Fig. 2 hergestellt wird. Dann wird ein Teil des Überzugs 210 freigelegt, indem beispielsweise eine geringe Länge des Überzugs 220 von der Faser 20 abgelöst wird. Schließlich wird ein Prisma oder ein verjüngter Keil 360 auf dem freigelegten Teil des Überzugs 210 festgelegt, indem beispielsweise ein geeignetes im Index angepaßtes Material 350 benutzt wird, beispielsweise Indexanpaßöl. Im Betrieb wird die Strahlung, die auf die Fläche 370 des Keils 360 auftrifft, in den Überzug 210 eingekoppelt, um eine seitliche Pumpung zu bewirken. Der Keil 360 kann aus Glas oder irgendeinem durchsichtigen Plastikmaterial hergestellt werden, und vorzugsweise hat dieser Keil einen hohen Brechungsindex, um Pumplicht 380 in den Überzug 210 einzupumpen. Der Bereich des Kopplers kann dann mit einem Plastikmaterial mit geringem Brechungsindex überdeckt werden, um die Oberfläche gegen Streuung zu schützen, die infolge von Schmutz oder Feuchtigkeitstropfen auftreten könnte.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie bei Fig. 3 ist eine seitliche Kopplungsfaser 35 zur stirnseitigen Einpumpung durch eine Laserdiode vorgesehen. Das Ende der Faser 35 ist jedoch verjüngt, um einen Keil zu bilden, dessen Winkel 390 im wesentlichen im Bereich zwischen 5º und 20º liegt. Die seitliche Einkopplungsfaser 35 ist mit Material 395 verbunden, das einen Brechungsindex von nc > n&sub1; hat. Der Koppelbereich ist mit Plastikmaterial 400 mit geringem Brechungsindex umgeben.
Obgleich die Fig. 3 bis 5 eine Einkopplung durch eine einzige Faser oder einen einzigen keilartigen seitlichen Koppler zeigen, können weitere seitliche Kopplungen durch mehrere derartige zweite Fasern und/oder Keile vorgenommen werden.

Claims

1. Optische Faser, bestehend aus:

einem im wesentlichen als Monomode-Kern ausgebildeten Kern aus Lasermaterial, der in einen Multimode-Überzug eingebettet ist, und

einem weiteren Überzug, der den Multimode-Überzug umschließt;

wobei der Monomode-Kern gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt des Multimode-Überzugs versetzt ist.

2. Optische Faser nach Anspruch 1, bei welcher die Faser über ihre Länge Biegungen aufweist.

3. Optische Faser nach Anspruch 2, bei welcher die Querschnittsfläche des Multimode-Überzugs beträchtlich größer ist als die Querschnittsfläche des Monomode-Kerns.

4. Optische Faser nach Anspruch 3, bei welcher die Querschnittsfläche des Multimode-Kerns im Bereich zwischen 50 und 400 mal größer ist als die Querschnittsfläche des Monomode-Kerns.

5. Optische Faser, bestehend aus:

einem im wesentlichen als Monomode-Kern ausgebildeten Kern aus Lasermaterial, der in einem Multimode-Überzug angeordnet ist, und

einem weiteren Überzug, der den Multimode-Überzug umgibt;

wobei im Querschnitt betrachtet die Länge des Multimode- Überzugs beträchtlich von der Breite unterschieden ist.

6. Optische Faser nach Anspruch 5, bei welcher die Querschnittsfläche des Multimode-Überzugs im wesentlichen ein Rechteck bildet.

7. Optische Faser nach Anspruch 6, bei welcher der Monomode-Kern im wesentlichen im geometrischen Mittelpunkt des Multimode-Überzugs angeordnet ist.

8. Optische Faser nach Anspruch 5, welche über ihre Länge gebogen ist.

9. Optische Faser nach Anspruch 8, bei welcher die Querschnittsfläche des Multimode-Überzugs beträchtlich größer ist als die Querschnittsfläche des Monomode-Kerns.

10. Optische Faser nach Anspruch 9, bei welcher die Querschnittsfläche des Multimode-Kerns im Bereich zwischen 50 bis 400 mal größer ist als die Querschnittsfläche des Monomode-Kerns.

11. Einrichtung, bestehend aus:

einer ersten Faser, die einen im wesentlichen als Monomode- Kern ausgebildeten Kern aus Lasermaterial umfaßt, der in einen Multimode-Überzug eingebettet ist, wobei ein weiterer Überzug den Multimode-Überzug umschließt,

wobei im Querschnitt betrachtet die Länge des Multimode- Überzugs beträchtlich von der Breite unterschieden ist und wenigstens ein Teil des Multimode-Überzugs freigelegt ist, und

einer zweiten Faser, die aus einem Multimode-Wellenleiter und einem weiteren Überzug besteht, der den Multimode- Wellenleiter umschließt,

wobei im Querschnitt betrachtet die Länge des Multimode- Wellenleiters beträchtlich von der Breite unterschieden ist und wenigstens ein Teil des Multimode-Wellenleiters freigelegt ist, und

wenigstens einer der freigelegten Abschnitte des Multimode- Überzugs an dem wenigstens einen freigelegten Abschnitt des Wellenleiters festgelegt ist.

12. Einrichtung, bestehend aus:

einer Faser, die einen im wesentlichen als Monomode-Kern ausgebildeten Kern aus Lasermaterial aufweist, der in einen Multimode-Überzug eingebettet ist, wobei ein weiterer Überzug den Multimode-Überzug umschließt,

wobei wenigstens eine Koppeleinrichtung an dem wenigstens einen freigelegten Abschnitt festgelegt ist, um Strahlung in den Multimode-Überzug einzukoppeln.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Koppeleinrichtung ein Prisma ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher die Koppeleinrichtung ein Keil ist.

15. Optische Faser nach Anspruch 1, bei welcher das Lasermaterial aus Nd3&spplus; besteht, das Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 0,5 x 10²&sup0; Ionen pro cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ aufweist.

16. Optische Faser nach Anspruch 5, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen aufweist, die im wesentlichen im Bereich von 0,5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen.

17. Einrichtung nach Anspruch 11, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; aufweist, das Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 0,5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ besitzt.

18. Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen aufweist, die im wesentlichen in dem Bereich zwischen 0,5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ und 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen.

19. Optische Faser nach Anspruch 1, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen aufweist, die im wesentlichen in dem Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und außerdem Yb3&spplus; mit Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ und 10 x 10²&sup0; Ionen/cm³.

20. Optische Faser nach Anspruch 5, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen aufweist, die im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Yb3&spplus; mit Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 10 x 10²&sup0; Ionen/cm³.

21. Einrichtung nach Anspruch 11, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen umfaßt, die im wesentlichen im Bereich von 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Yb3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 10 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen.

22. Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen umfaßt, die im wesentlichen im Bereich von 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Yb3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 10 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen.

23. Optische Faser nach Anspruch 1, bei welcher das Lasermaterial Yb3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 3 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 20 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Er3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 0,1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 2 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, umfaßt.

24. Optische Faser nach Anspruch 5, bei welcher das Lasermaterial Yb3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 3 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 20 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Er3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 0,1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 2 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, umfaßt.

25. Einrichtung nach Anspruch 11, bei welcher das Lasermaterial Yb3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 3 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 20 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Er3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 0,1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 2 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, umfaßt.

26. Einrichtung nach Anspruch 12, bei welcher das Lasermaterial Yb3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 3 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 20 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und Er3&spplus; mit Konzentrationen, die im wesentlichen im Bereich von 0,1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ bis 2 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, umfaßt.

27. Einrichtung, bestehend aus:

einer ersten Faser, die einen im wesentlichen als Monomode- Kern ausgebildeten Kern umfaßt, der aus Lasermaterial besteht, das in einem Multimode-Überzug eingebettet ist, wobei ein weiterer Überzug den Multimode-Überzug umschließt,

wobei im Querschnitt betrachtet die Länge des Multimode- Wellenleiters von der Breite beträchtlich unterschieden ist und ein Ende der zweiten Faser zu einem Keil ausgebildet ist, und

wenigstens einer der freigelegten Abschnitte des Multimode- Überzugs am Keil am Ende des Wellenleiters festgelegt ist.

28. Einrichtung nach Anspruch 27, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; umfaßt, welches Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 0,5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ und 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ aufweist.

29. Einrichtung nach Anspruch 27, bei welcher das Lasermaterial Nd3&spplus; mit Konzentrationen umfaßt, die im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ und 5 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und außerdem Yb3&spplus; in Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ und 10 x 10²&sup0; Ionen/cm³.

30. Einrichtung nach Anspruch 27, bei welcher das Lasermaterial Yb3&spplus; mit Konzentrationen umfaßt, die im wesentlichen im Bereich zwischen 3 x 10²&sup0; Ionen/ cm³ und 20 x 10²&sup0; Ionen/cm³ liegen, und außerdem Er3&spplus; in Konzentrationen im wesentlichen im Bereich zwischen 0,1 x 10²&sup0; Ionen/cm³ und 2 x 10²&sup0; Ionen/cm³.

31. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei außerdem ein Reflektor am Ende des Wellenleiters vorgesehen ist.