DE4028821A1 - Optische faser aus einem mit kationen eines elements aus den seltenen erden dotierten glas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Faser aus einem mit Kat­ ionen eines Elements der seltenen Erden dotierten Glas nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fasern der genannten Art sind aus D.N. Payne et al: Rare­ earth-doped fibre lasers and amplifiers, Proc. 14th Europ. Conf. Opt. Comm., Brighton, U.K. 1988, S. 49-53, bekannt. Sie können mit Pumplicht gepumpte Faserlaser und Faserverstärker, insbesondere für optische Übertragungsstrecken, beispielsweise Unterwasserkabel oder auch lokale optische Netze, verwendet werden.

Für das für die Langstreckenübertragung in der optischen Kom­ munikationstechnik vorrangig benutzte und bei der Wellenlänge λ=1,5 µm liegende Übertragungsfenster ist der 3-Niveau-Er³⁺- Faserlaser hervorragend geeignet, und zwar nicht nur von der Wellenlänge her, sondern auch wegen seiner hohen Verstärkung im Wirtsmaterial Quarzglas.

Allerdings muß bei einem 3-Niveau-System für eine Verstärkung ein wesentlicher Anteil der Ionen im oberen Laserniveau gehal­ ten werden. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß durch Ab­ sorption aus diesem Niveau heraus in einen der meist zahlrei­ chen höheren Zustände Pumplicht verbraucht wird. Dieser auch als Exicted Stated Absorption (ESA) bekannte Vorgang limitiert die erreichbare Besetzungsinversion und schränkt die ohnehin begrenzte Auswahl an Pumpwellenlängen zusätzlich ein. Insbe­ sondere scheidet die Verwendung leistungsstarker Laserdioden aus GaAlAs für die Anregung durch Einstrahlen in die 800 nm- Bande des Er³⁺ aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Faser der eingangs ge­ nannten Art anzugeben, die optische Signale mit einer im Übertragungsfenster bei 1,5 µm liegenden Wellenlänge bei einer in den Wellenlängenbereich der GaAlAs-Emission von 700 bis 890 nm fallenden Pumpwellenlänge laserverstärken kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungs­ gemäßen Faser, insbesondere Ausgestaltungen, die einen CW- Betrieb ermöglichen, gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 zum Vergleich nebeneinander angeordnete Termschemen für Ionen verschiedener Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer optischen Signal- Übertragungsstrecke mit einem eingefügten, beispiels­ weise eingespleißten, erfindungsgemäßen Faserverstär­ ker.

Die Fig. 1 zeigt die aus G.H. Dieke "Spectra and Energy Levels of Rare Earth lons in Crystals" Interscience, New York, 1968, S. 134, entnehmbaren Termschemen für die Ionen Tm³⁺, Ho³⁺, Tb³⁺, Eu³⁺ und Pr³⁺ in dieser Reihenfolge von links nach rechts.

Für das Thulium-Ion Tm³⁺ sind die Laserübergänge ³F₄-³H₅ mit einer Emission bei der Wellenlänge 2,3 µm und ³H₄-³H₆ mit einer Emission bei der Wellenlänge 1,8 µm gut bekannt, wobei zu beachten ist, daß von einigen Autoren die Zuordnung der ³F₄- und ³H₆-Zustände vertauscht bevorzugt wird.

Der Übergang ³F₄-³H₄ kann normalerweise nicht als Laserüber­ gang betrieben werden, da sein terminales Niveau im Vergleich zum darüberliegenden Niveau eine um etwa zwei Größenordnungen kleinere Abklingrate aufweist. Die Ursache ist im größeren Abstand zum nächtstieferen Zustand zu suchen, der eine klei­ nere Multiphononen-Emissionsrate bedingt.

Russischen Experimentatoren gelang es allerdings, diesen Über­ gang ³F₄-³H₄ in mit Tm³⁺-dotierten BaYb₂F₆- oder LiYbF₄- Kristallen durch Pumpen mit einem Nd-YAG-Laser zu erzwingen. Laseremission bei einer Wellenlänge von 1,48 µm wurde beobach­ tet (siehe G. Huber et al: Laser Pumping of Ho-, Tm-, Er-Doped Garnet Lasers at Room Temperature, IEEE J. Quant. Electron. 24 (6), 1988, S. 920-923).

Die Erfindung beruht auf dem wesentlichen Gedanken, daß es möglich ist, diesen Übergang auch in mit Tm³⁺-Ionen als Aktivator-Ionen dotiertem Glas anzuregen und mit einer Faser aus solchem Glas einen brauchbaren Faserlaser oder -verstärker für optische Signale mit einer bei 1,5 µm liegenden Wellen­ länge herzustellen, der mit der Emission einer GaAlAs-Emission gepumpt werden kann.

Der Übergang ³F₄-³H₄ ist bei Tm³⁺ ein selbstsättigender Über­ gang, so daß zur Erzielung eines Dauerstrich-Laserbetriebs (CW-Betrieb) besondere Maßnahmen getroffen werden müssen.

Wie aus IEEE J. Quantum Electron. 24 (6), 1988, S. 920-923 her­ vorgeht, trägt eine Entleerung des unteren Laserniveaus durch ESA des Pumplichts zur Aufrechterhaltung der Besetzungsinver­ sion bei, so daß die Möglichkeit gegeben ist, das terminale Niveau auf optischem Wege durch Einstrahlen einer geeigneten Wellenlänge zu entleeren. Daneben ist es beispielsweise wohlbekannt, daß bei dem zwischenionischen Energietransfer zwischen Tm³⁺ im Zustand ³H₄ und Ho³ im Zustand ⁵I₇ bei niedrigen Ho³ -Konzentrationen in Gegenwart von höheren Tm³⁺- Konzentrationen rasch abläuft - dieser Mechanismus wurde ver­ schiedentlich bei Ho³⁺ zur Stabilisierung des Laserübergangs ⁵I₇-⁵I₈ bei der Emissionswellenlänge 2,1 µm benutzt (siehe IEEE J. Quant. Electron.) - so daß neben der optischen auch die Desaktivierung durch Energietransfer zu energetisch günstigen Termen einer kodotierten zweiten Ionenart möglich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Faser wird umgekehrt wie bei Ho³⁺- Ionen vorteilhafterweise eine Desaktivierung von in niedriger Konzentration vorliegenden Tm³⁺-Ionen im Zustand ³H₄ durch hohe Konzentrationen mit anderen Ionen, insbesondere der sel­ tenen Erden erreicht. Möglich ist beispielsweise eine Desakti­ vierung mit Hilfe von Ho³⁺-Ionen. Limittierend ist allerdings bei diesen Ionen die vergleichsweise hohe Lebensdauer des Ak­ zeptor-Zustandes ⁵I₇. Zudem kann ein gleichzeitiger, wenn auch zwischenionischer Energietransfer zwischen Tm³⁺ im Zustand ³F₄ und Ho³⁺ im Zustand ⁵I₅ die Besetzungsdichte des Laserniveaus vermindern. Demgegenüber günstiger ist die Verwendung von Tb³⁺, Eu³⁺ und/oder Pr³⁺, für die eine hohe Transferrate in Wechselwirkung mit den Tm³⁺-Ionen im ³H₄-Zustand erwartet werden darf. Diese Ionen, insbesondere Tb³⁺, verfügen über eine dichte Abfolge von niedrigliegenden Termen, die die rasche Relaxation dieser Niveaus durch Multiphononen-Emission erklärt. Zudem ist bei diesen Ionen eine schädliche Desakti­ vierung des ³F₄-Zustandes mangels geeigneter Akzeptorterme ausgeschlossen. Vorteilhaft kann auch eine Kodotierung mit zwei oder mehr Desaktivatioren, beispielsweise mit Ho³⁺- und Tb³⁺-Ionen, sein zum Zwecke der Kombination der positiven Merkmale der beiden oder mehreren Ionen, beispielsweise der raschen Transferrate einer Ionenart mit der hohen Relaxations­ geschwindigkeit einer anderen Ionenart.

Als Wirtsmaterial für die Ionen ist bei der erfindungsgemäßen Faser Quarzglas möglich. Vorteilhaft ist die Verwendung eines sauerstoff-freien Fluoridglases aus der Gruppe der Schwer­ metall-Fluoridgläser (HMF-Gläser), weil diese Materialgruppe aufgrund ihrer kleinen Phononenenergien durch niedrige Multi­ phononen-Emissionsraten charakterisiert ist. Andernfalls wäre eine zum Laserübergang konkurrierende strahlungslose Desakti­ vierung des Übergangs ³F₄-³H₄ die Folge. Die Thulium-Konzen­ tration wird zweckmäßigerweise kleiner als 1 Mol-% gewählt, zur Vermeidung eines Konzentrationsquenchings. Bei Faserlasern kann dies ohne weiteres ohne Verlust an Pumpleistung reali­ siert werden, weil das über die Endfläche eingekoppelte Pumplicht längs der Faser geführt wird. Die Konzentration an Desaktivator-Ionen kann besonders im HMF-Glas bis auf das 50fache der Aktivator-Ionen-Konzentration oder 5 Mol.-% gesteigert werden, denn Fluoridglas enthält typischerweise 4 bis 5 Mol.-% LaF₃, das durch andere Fluoride der seltenen Erden ersetzt werden kann.

In der Fig. 1 weist das Bezugszeichen c auf zwischenionische Übergänge zwischen dem Term ³H₄ von Tm³⁺ und dem Term ⁵I₇ von Ho³⁺, dem Term ⁷F₂ von Tb³⁺, dem Term ⁷F₆ von Eu³⁺ bzw. dem Term ⁷F₂ von Pr³⁺ hin, die durch gestrichelte Linien angedeu­ tet sind. Das Bezugszeichen d weist auf optische Übergänge zwischen Termen hin, die durch geradlinie Pfeile dargestellt sind, während das Bezugszeichen e Phononenübergänge zwischen Termen andeutet, die durch wellige Pfeile dargestellt sind. Insbesondere bei Tb³⁺ und Eu³⁺ fällt die dichte Abfolge von niedrigliegenden Termen auf, die eine rasche Relaxation dieser Terme durch die von den zahlreichen Phonenübergängen hervor­ gerufene Multiphononen-Emission bewirkt.

Die in der Fig. 2 dargestellte und einen optischen Sender 10 mit einem optischen Detektor 15 verbindende optische Signal­ übertragungsstrecke besteht aus einer senderseitigen Faser 11, der erfindungsgemäßen Faser 12, einem optischen Koppler 13 und einer empfängerseitigen Faser 14.

Die an den Sender 10 angeschlossene empfängerseitige Faser 11 ist bei 112 mit der erfindungsgemäßen Faser 12 verbunden, beispielsweise durch Stoßkopplung mit Immersion. Andererseits ist die Faser 12 bei 123 mit einem senderseitigen Tor des Kopplers 13 verbunden, der mit einem empfängerseitigen Tor bei 134 an die empfängerseitige Faser 14 angeschlossen ist, die zum optischen Detektor 15 führt.

Der optische Sender 10 sendet optische Signale mit einer Wellenlänge von etwa 1,5 µm aus, die durch die Faser 11, die Faser 12, den Koppler 13 und die Faser 14 zum Empfänger 15 übertragen werden. Der Koppler 13 dient zum Einkoppeln von Pumplicht mit einer Wellenlänge λ aus dem Wellenlängenbereich von 700 bis 890 nm, beispielsweise von 720 nm, in die Faser 12. Dieses Pumplicht wird durch eine Laserdiode 16, beispiels­ weise eine Mehrstreifen-Laserdiode, erzeugt und über ein bei Position 135 liegendes Tor des Kopplers 13 eingekoppelt, bei­ spielsweise über eine Einkoppeloptik 17. In der Übertragungs­ strecke breitet sich das Pumplicht entgegengesetzt zu den darin geführten optischen Signalen aus.

Der Koppler 13 kann beispielsweise ein faseroptischer oder integriert optischer Richtkoppler sein. In diesem Fall können die Verbindungen bei 123 und 134 ebenfalls Stoßkopplungen mit Immersion sein.

Die als Verstärker dienende Faser 12 besteht beispielsweise aus einem HMF-Glas, das mit Tm³⁺ und Tb³⁺ dotiert ist.

Claims (8)

1. Optische Faser aus einem mit laseraktiven Ionen eines Ele­ ments aus der Stoffgruppe der seltenen Erden dotierten Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen Thulium-Ionen sind.

2. Faser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das mit Thulium-Ionen dotierte Glas mit Ionen einer anderen Art dotiert ist, die im Vergleich zu Thulium eine höhere Dotierungskonzentration und einen Energie­ term (⁵I₇, ⁷F₂, ⁷F₆) aufweisen, der nahe bei dem Niveau des Energieterms ³H₄ der Thulium-Ionen liegt.

3. Faser nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionen der anderen Art eine dichte Abfolge relativ niedrigerliegender Energieterme (⁷F₃ bis ⁷F₆ bei Tb³⁺, ⁷F₅ bis ⁷F₀ bei Eu³⁺) aufweisen, die eine Multi­ phononen-Emission bewirken.

4. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ionen der anderen Art aus der Stoffgruppe Ho, Tb, Eu, Pr ausgewählt sind.

5. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Glas aus einem sauerstoff-freien Fluoridglas aus der Gruppe der Schwer­ metallfluoridgläser besteht.

6. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Glas aus Quarzglas besteht.

7. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Thulium- Dotierungskonzentration kleiner als 0,1 Mol.-% gewählt ist.

8. Faser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins­ besondere nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der Ionen der anderen Art bis zum 50fachen der Thulium- Dotierungskonzentration beträgt.