DE60018908T2

DE60018908T2 - Verstärkungsglättung in faserverstärkern

Info

Publication number: DE60018908T2
Application number: DE60018908T
Authority: DE
Inventors: J. Michel DIGONNET; Silviu Savin
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1999-02-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-01-06
Also published as: WO2000046890A1; CN1339188A; JP2002539601A; US6356385B1; EP1151505B1; CA2360925A1; CN100592582C; KR20010113677A; CA2360925C; JP4574861B2; EP1151505A1; DE60018908D1; KR100695376B1; AU3207100A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Verstärker und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verstärken von optischen Signalen bei unterschiedlichenie optischen Signale im Wesentlichen die gleiche Verstärkung erfahren Wellenlängen, sodass d.
BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN SACHSTANDES
Kommerziell erhältliche Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) weisen gegenwärtig eine Verstärkung über eine große optische Bandbreite auf (bis zu ungefähr 50 nm in siliziumoxyd-gestützten Fasern). Über dieser Bandbreite kann die Verstärkung stark von der Wellenlänge des Eingangssignals abhängen. Für viele Anwendungen, insbesondere Faser-Fernkommunikationen, ist es jedoch höchst wünschenswert mit einer wellenlängen-unabhängigen Verstärkung zu arbeiten. Um die enorme Faserbandbreite auszunutzen werden Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen, die in die Verstärkungsbandbreite des EDFA fallen, gleichzeitig auf dem gleichen Faserbus transportiert. Wenn diese Signale unterschiedliche Verstärkungen erfahren werden sie an dem Ausgang des Busses unterschiedliche Leistungen aufweisen. Dieses Ungleichgewicht wird noch ausgeprägter, wenn die Signale durch jeden sukzessiven EDFA laufen und kann für sehr große Übertragungsentfernungen signifikant sein. An dem Ausgangsende eines Transozeanbusses, der Dutzende von EDFAs beinhaltet, können Signale, die eine niedrigere Verstärkung pro EDFA erfahren, unter Umständen zum Beispiel mehrere Zehn dB weniger Leistung führen als Signale, die eine höhere Verstärkung erfahren. Für digitale Systeme darf der Unterschied in dem Signalleistungspegel 7 dB nicht überschreiten, sonst werden die Signale mit niedrigerer Leistung zu sehr durch Rauschen gestört, um nützlich zu sein. Eine Abflachung der Verstärkung der EDFAs würde dieses Problem beseitigen und Verstärker erzeugen, die eine beträchtliche optische Bandbreite und somit eine höhere Datenrate unterstützen können. Weil der vorhergesagte weltweite Bedarf für EDFAs extrem groß ist, ist die Entwicklung von Verfahren zum Abflachen der Verstärkung von Verstärkern, während eine hohe Leistungseffizienz beibehalten wird, sehr wichtig gewesen und bleibt sehr wichtig weiterhin.
In der jüngsten Vergangenheit sind mehrere Verfahren entwickelt worden, um EDFAs mit einer möglichst flachen Verstärkung über einem möglichst breiten spektralen Bereich zu erzeugen. Ein erstes Verfahren besteht darin die Parameter sowohl der Faser (Erbiumkonzentration, Indexprofil, Typ und Konzentration der Kern-Co-Dotierungsstoffe) als auch der Pumpe (Leistung und Wellenlänge) einzustellen. Dieses Verfahren kann Verstärkungen erzeugen, die relativ flach sind (± 1–2 dB), aber nur über einem spektralen Bereich mit einer spektralen Breite in der Größenordnung von 10 nm, was für die meisten Anwendungen zu beschränkt ist.
Ein anderes Verfahren besteht darin jeden EDFA durch eine Kombination von zwei zusammengehängten Faserverstärkern zu ersetzen, bei der die zwei Verstärker unterschiedliche jeweilige Verstärkungsabhängigkeiten von der Signalwellenlänge aufweisen. Diese Abhängigkeiten sind dafür ausgelegt, um einander zu kompensieren und eine Faserverstärkerkombination mit einer Verstärkung zu erzeugen, die über einem breiten spektralen Bereich nahezu unabhängig von der Wellenlänge ist (siehe zum Beispiel M. Yamada, M. Shimizu, Y. Ohishi, M. Horigushi, S. Sudo und A. Shimizu, „Flattening the Gain Spectrum of an Erbium-Doped Fibre Amplifier by Connecting an Er³⁺-Doped SiO₂-Al₂O₃ Fibre and an Er³⁺-doped Multicomponent Fibre," Electron. Lett., vol. 30, No. 21, Seiten 1762–1765, Oktober 1994). Dies ist duch Verwendung von Fasern mit unterschiedlichen Hosts (z.B. ein Fluorid und eine Siliziumoxyd-Faser) und mit einem EDFA kombiniert mit einem Ramanfaserverstärker erreicht worden.
Ein drittes Verstärkungsausgleichsverfahren besteht darin an dem Signalausgangsende der Erdotierten Faser ein Filter hinzuzufügen, wobei das Filter an denjenigen Abschnitten des Spektrums, welche eine höhere Verstärkung aufzeigen, einen Verlust einführt. Dieser Ansatz ist unter Verwendung von Filtern, die aus einem standardmäßigen gefeuerten Fasergitter hergestellt worden sind (siehe zum Beispiel R. Kashyap et al., „Wideband Gain Flattened Erbium Fibre Amplifier Using a Photosensitive Fibre Blazed Grating," Electron. Lett., vol. 29, Seiten 154–156, 1993). Dieser Ansatz ist unter Verwendung von Filtern von langperiodischen Fasergittern demonstriert worden (siehe zum Beispiel A. M. Vengsarkar et al., „Long-Period Fiber-Grating-Based Gain Equalizers," Opt. Lett., vol. 21, Seiten 336–338, März 1996).
Ein viertes Verfahren ist das Festklemmen der Verstärkung. Mit diesem Ansatz wird der EDFA in einen optischen Resonator gebracht, wo er gezwungen wird einen Lasingvorgang auszuführen. In einem Laserhohlraum über der Schwelle ist die umlaufende Verstärkung, bei einer gegebenen Laserwellenlänge, gleich zu dem Umlaufverlust, und zwar unabhängig von der Pumpleistung (siehe zum Beispiel Y. Zhao, J. Bryce, und R. Minasian, „Gain Clamped Erbium-doped Fibre Amplifiers-Modeling and Experiment," IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electron, vol. 3, No. 4, Seiten 1008–1011, August 1997).
In dem Experiment zum Festklemmen der Verstärkung von Zhao et al. wurde der Resonator aus zwei Fasergittern gebildet, die eine hohe Reflektivität nur über einer sehr schmalen Bandbreite um eine bestimmte Wellenlänge λ₀ herum (und eine geringere Reflektivität bei anderen Wellenlängen innerhalb des Verstärkungsspektrums der mit Erbium dotierten Faser) aufweisen, sodass ein Lasingvorgang nur bei dieser Wellenlänge λ₀ stattfindet. Die Wahl von λ₀ beeinflusst die spektrale Form der EDFA-Verstärkung stark. Durch Wählen der richtigen Laserwellenlängen ₀ (1508 nm in ihrem Experiment) kann das Verstärkungsspektrum über einem relativ breiten Bereich relativ flach sein. Ferner wird die Verstärkung bei λ₀ auf den Wert des Hohlraumverlusts bei dieser Wellenlänge fürvgendeine Pumpleistung über der Schwelle festgeklemmt. Wenn die Verstärkung homogen verbreitert ist, bleibt auch die Verstärkung bei anderen Wellenlängen unabhängig von der Pumpleistung (unter der Annahme, dass die Pumpleistung über der Schwelle ist).
Eine andere Vorgehensweise zum Abflachen der Verstärkung eines in der Verstärkung festgeklemmten EDFA besteht darin sich auf die inhomogene Verbreiterung der Laserionen zu stützen. Obwohl hier auf „Laserionen" Bezug genommen wird, kann die Diskussion auf irgendein Partikel angewendet werden, welches einen Lasingvorgang über eine stimulierte Emission erzeugt, wie beispielsweise Ionen, Atome, und Moleküle. In einem Lasermedium, welches rein homogen verbreitert ist, zeigen sämtliche Ionen die gleiche Absorption und die gleichen Emissionsspektren auf. Wenn ein derartiges Material unter der Laserschwelle gepumpt wird, ist die Umlaufverstärkung niedriger als der Lasenesonator – Umlaufverlust bei sämtlichen Frequenzen über das Laserverstärkungs-spektrum, wie in 1A dargestellt, ohne Verlust der Verallgemeinerung angenommen wird, dass der Umlaufverlust über dem spektralen Verstärkungsbereich frequenzunabhängig ist. Wenn lediglich über der Schwelle gepumpt beginnt er bei der Wellenlänge λ₁ zu oszillieren, die die Bedingung Verstärkung = Verlust erfüllt (siehe 1B).
Wenn die Pumpleistung weiter erhöht wird (1C), wird die Bedingung Verstärkung = Verlust weiter bei λ₁ erfüllt, d.h. die Verstärkung bei λ₁ bleibt konstant. Dies kann von einem physikalischen Standpunkt her wie folgt verstanden werden. Wenn die Pumpleistung erhöht wird, nimmt die Populationsinversion zu, was eine intensivere Laseremission erzeugt. Während es durch die Faser zirkuliert verarmt dieses größere Lasersignal die Populationsinversion über eine stimulierte Emission, die gerade ausreichend ist, sodass die Verstärkung gleich zu dem Verlust bleibt. Da ferner die Verbreiterung homogen ist, tragen sämtliche Ionen gleichermaßen zu der Verstärkung bei λ₁ bei und deshalb verändert sich das Verstärkungsspektrum nicht. Als Folge davon bleibt auch die Laserwellenlänge (λ₁) und die Laserlinienbreite die gleichen (siehe 1C), d.h. sie sind unabhängig von der Pumpleistung. Dies ist die Basis für das voranstehend erwähnte Verstärkungsstabilisationsverfahren.
In einem Lasermedium, welches inhomogen stark verbreitert ist, zeigen andererseits nicht alle Ionen die gleichen Absorptions- und Emissionsspektren auf. Ein Grund für dieses Verhalten ist, dass nicht sämtliche physikalischen Stellen, wo die Laserionen vorhanden sind, identisch sind. Zum Beispiel kann ein Laserion in der Nähe zu einem Siliziumion, einem Sauerstoffion, oder einem Aluminiumion für den Fall eines mit aluminiumdotierten auf Siliziumoxyd gestützten Host vorhanden sein. Laserionen, die an identischen Stellen (z.B. alle Laserionen neben einem Si Ion) vorhanden sind, werden die gleiche Absorption und die gleichen Emissionsspektren aufweisen, d.h. sie werden sich in Bezug zueinander homogen verhalten. Andererseits werden Laserionen, die an unterschiedlichen Stellen vorhanden sind, z.B. eines, welches in der Nähe eines Si Ions vorhanden ist, und ein anderes Laserion, welches in der Nähe eines Al Ions vorhanden ist, eine unterschiedliche Absorption und unterschiedliche Emissionsspektren aufzeigen, d.h. sie werden sich in Bezug zueinander inhomogen verhalten. Für den Fall einer inhomogenen Verbreiterung kann das Lasermedium somit als eine Sammlung von Untersätzen von Laserionen angesehen werden. Ionen innerhalb eines gegebenen Untersatzes verhalten sich homogen, während Ionen in unterschiedlichen Untersätzen sich inhomogen verhalten.
Wenn ein inhomogen verbreitetes Material unter der Laserschwelle gepumpt wird, ist die Umlaufverstärkung geringer als der Laserresonator-Umlaufverlust bei sämtlichen Frequenzen über dem Laserverstärkungsspektrum, wie in 2A dargestellt, wobei ein Umlaufverlust angenommen wird, der über dem spektralen Verstärkungsbereich frequenzunabhängig ist. Wenn dieses Material eben gerade über der Schwelle gepumpt wird, wird es zunächst bei der Wellenlänge λ₁ oszillieren, die die Bedingung Verstärkung = Verlust erfüllt (siehe 2B und im Vergleich mit 2A, die der Fall unter der Schwelle ist). Diese Laseremission beinhaltet vorwiegend die Ionenuntersätze, die eine wesentliche Verstärkung bei λ₁ aufzeigen. Wenn die Pumpenleistung erhöht wird, wird eine Laseremission bei anderen Wellenlängen beginnen zu erscheinen, obwohl die Bedingung Verstärkung = Verlust weiter bei λ₁ erfüllt ist, wie in 2C dargestellt. Wiederum erfüllt das Lasermedium diese Bedingung durch Erzeugen von lediglich ausreichender Laserleistung, um die Populationsinversion um genau den Betrag zu verringern, um den die Populationsinversion als Folge der Erhöhung in der Pumpenleistung angestiegen ist. Die Verstärkung bei λ₁ wird somit auf den Wert des Verlusts „festgeklemmt". Da jedoch die Verbreiterung inhomogen ist, ist die Verstärkung, die von den anderen Ionenuntersätzen erhältlich ist, die bei anderen Wellenlängen als λ₁ ein Maximum aufweisen, nicht annähernd so stark durch die Laserleistung bei λ₁ verarmt. Demzufolge steigt die Verstärkung, wenn die Pumpenleistung erhöht wird, bei diesen anderen Wellenlängen (z.B. bei der Wellenlänge λ₂) an, bis sie den Pegel des Verlusts bei dieser Wellenlänge erreicht, und das Medium bei λ₂ beginnt einen Lasingvorgang auszuführen. An diesem Punkt wird die Verstärkung sowohl bei λ₁ als auch λ₂ festgeklemmt. Weil die Verstärkungskurve glockenförmig ist, ist im Allgemeinen λ₂ sehr nahe zu λ₁ (2C). Wenn noch mehr Pumpleistung in die Faser eintritt (2D), beginnen immer mehr Wellenlängen ein Lasing auszuführen. In der Praxis weist jede von diesen diskreten Laserlinien tatsächlich eine endliche Linienbreite auf. Wenn somit diese diskreten Linien ausreichend eng zueinander sind, fallen sie miteinander zusammen und der Nettoeffekt dieser Erhöhung in der Anzahl von Lasing-Linien ist, dass sich die Laser-Linienbreite verbreitert. Im Allgemeinen weist ein inhomogen verbreitertes Lasermedium eine Tendenz auf eine Laseremission zu erzeugen, die sich mit der Erhöhung der Pumpleistung verbreitert. Die Laser-Linienbreite kann im Prinzip in dieser Weise ansteigen, bis sie die Verstärkungs-Linienbreite erreicht.
Im Allgemeinen werden die Laserübergänge von dreifach ionisierten Edelerdenelementen wie Er³⁺ durch sowohl einen homogenen als auch einen inhomogenen Prozess verbreitert. Homogene Mechanismen verbreitern die Linienbreite der Übergänge zwischen den Stark-Unterebenen der Erbium-Ionen in der gleichen Weise für sämtliche Er-Ionen in dem Host. Andererseits erzeugen einige inhomogene Mechanismen Änderungen in der Verteilung der Stark-Unterebenen, die nicht die gleichen für sämtliche Ionen sind, die aber von dem Ionen-Untersatz abhängen.
Bei Raumtemperatur wird der 1,55 m Übergang in Er-dotierten Siliziumoxyd vorwiegend homogen verbreitert. Durch Abkühlen des Materials auf cryogenische Temperaturen ist es jedoch möglich die homogene Verbreiterung zu verringern und einen Laser zu erzeugen, der über einen relativ breiten Spektralbereich mit einer konstanten Verstärkung (gleich zu dem Resonatorverlust) oszilliert. Dieser Effekt ist verwendet worden, um eine flache Verstärkung im einem EDFA zu erzeugen, der bei 77° K betrieben wird (siehe zum Beispiel V. L. da Silva, V. Silberberg, J. S. Wang, E. L. Goldstein, und M. J. Andrejco, „Automatic gain flattening in optical fiber amplifiers via clamping of inhomogeneous gain," IEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 5, No. 4, Seiten 412–14, April 1993). Jedoch ist dieser Ansatz im Allgemeinen unpraktisch wegen der Vorrichtung, die benötigt wird, um die Faser zu kühlen.
Die US-A-4964131 offenbart einen Breitbandlaser mit optischer Faser zum Erzeugen einer nicht festgeklemmten breiten Linienbreite.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist ein optischer Verstärker, wie im Anspruch 1 beansprucht, und ein Verfahren zum Erzeugen eines optischen Verstärkers, wie im Anspruch 29 beansprucht.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet die inhomogene Verbreiterung des 1,55 μm Übergangs von Erbium, um eine flache Verstärkung in einem Verstärker mit einer erbium-dotierten Faser ohne die Notwendigkeit zum Kühlen der Faser auf die cryogenische Temperaturen zu erzeugen. Eine Verstärkungsverbreiterung kann durch Pumpen der Faser an der Kante des Absorptionsbands der Erbium-Ionen stimuliert werden, im Gegensatz zu existierenden Verstärkern mit einer erbium-dotierten Faser (EDFAs), die bei oder in der Nähe der Mitte des 980 nm Absorptionsbands gepumpt werden. Alternativ kann die mit Erbiumdotierte Faser gleichzeitig bei mehreren Wellenlängen gepumpt werden, um größere Anzahlen von Untersätzen von Erbiumionen anzuregen, wobei eine Verstärkung über dem breitest möglichen spektralen Bereich erzeugt wird. Ein Pumpen des ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 Übergangs können zum Beispiel die Pumpwellenlängen gleichförmig oder in einer anderen Art zwischen ungefähr 970 nm und ungefähr 990 nm herum verteilt werden, um einen wesentlichen Abschnitt des Absorptionsspektrums abzudecken. Das ideale spektrale Ausmaß des Pumpspektrums hängt von dem Absorptionsspektrum der bestimmten verwendeten mit Erbium dotierten Faser ab, welches selbst von dem Co-Dotierungsstoffen abhängt, die in dem Kernbereich der Faser vorhanden sind.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein optischer Verstärker, der einen optischen Resonator zum Erzeugen einer geklemmten Verstärkung einschließt, bei dem der Resonator ein Verstärkungsmedium einschließt, welches ein Absorptionsprofil und ein Verstärkungsprofil aufweist, wobei das Verstärkungsprofil wenigstens teilweise durch eine inhomogene Verbreiterung gekennzeichnet ist. Der optische Verstärker umfasst ferner eine optische Pumpquelle zum Pumpen des Verstärkerungsmediums bei wenigstens einer Wellenlänge an dem Ende eines Absorptionsübergangs des Verstärkungsmediums, um die inhomogene Verbreiterung zu verwenden, um die Verstärkung abzuflachen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der optische Resonator ein Ringresonator und das Verstärkungsmedium umfasst eine dotierte Faser.
Noch eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein optischer Verstärker, der einen optischen Resonator zum Erzeugen einer festgeklemmten Verstärkung einschließt, wobei der Resonator ein Verstärkungsmedium mit einem Absorptionsprofil und einem Verstärkungsprofil einschließt, wobei das Verstärkungsprofil wenigstens teilweise durch eine inhomogene Verbreiterung gekennzeichnet ist. Dieser Ausführungsform umfasst ferner eine optische Pumpquelle zum Pumpen des Verstärkungsmediums in einem Ende eines Absorptionsübergangs des Verstärkungsmediums, um die inhomogene Verbreiterung zu verwenden, um die Verstärkung zu modifizieren, und außerdem umfasst sie ein Wellenlängen-abhängiges Verlustelement zum Einstellen des Verlusts, um ein gewünschtes Verstärkungsprofil zu erzeugen.
Noch eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines optischen Verstärkers mit einer im Wesentlichen flachen Verstärkung, bei der das Verfahren das Einführen eines Pumpsignals in ein Verstärkungsmedium mit einem Absorptionsprofil und einem Verstärkungsprofil einschließt, wobei das Verstärkungsmedium innerhalb eines Resonators angeordnet ist. Das Verstärkungsprofil ist wenigstens teilweise durch eine inhomogene Verbreiterung gekennzeichnet, und der spektrale Ausgang des Pumpsignals wird gewählt, um ein Ende des Absorptionsprofils zu pumpen, um die inhomogene Verbreiterung des Verstärkungsmediums zu verwenden. Dieses Verfahren umfasst ferner das Initiieren einer Vielzahl von optischen Signalen mit unterschiedlichen Wellenlängen in das Verstärkungsmedium hinein, um die optischen Signale zu verstärken, wobei die jeweiligen Wellenlängen der optischen Signale innerhalb des Verstärkungsprofils des Verstärkungsmediums fallen, und ein Verwenden einer stimulierten Emission innerhalb des Verstärkungsmediums, um die Verstärkung des Verstärkungsmediums über einen spektralen Bereich festzuklemmen, der die Wellenlängen der optischen Signale einschließt. Verstärkte optische Signale werden dann aus dem Verstärkungsmedium extrahiert. In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens können ein oder mehrere Co-Dotierungsstoffe zu dem Verstärkungsmedium hinzugefügt werden, um die inhomogene Verbreiterung des Verstärkungsprofils zu verbessern. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens kann die Verstärkung durch Verändern des Verlusts innerhalb des Resonators gesteuert werden. In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens kann die Verstärkungsflachheit durch Einstellen eines Wellenlängen-abhängigen Verlustelements innerhalb des Resonators gesteuert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A, 1B und 1C illustrieren für eine homogene Verbreiterung, wie die Verstärkung sich mit der Frequenz verändert, wenn die Pumpleistung unter, auf, und über der Lasing-Schwelle ist.
2A, 2B, 2C und 2D illustrieren für eine inhomogene Verbreiterung, wie sich die Verstärkung mit der Frequenz verändert, wenn die Pumpleistung unter, auf, über bzw. signifikant über der Lasing-Schwelle ist. In 2C tritt ein Lasingvorgang über einem relativ schmalen spektralen Bereich auf, wo hingegen in 2D ein Lasingvorgang über einem relativ breiten spektralen Bereich auftritt.
3A und 3B illustrieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung, bei denen Eingangssignale in einen optischen Verstärker initiiert werden, der eine flache, festgeklemmte Verstärkung über dem Verstärkungsprofil des Verstärkungsmediums erzeugt.
4 illustriert einen experimentellen Testaufbau zum Analysieren des spektralen Ausgangs von einer mit Erbium dotierten Faser, die innerhalb eines Ringlasers angeordnet ist.
5 zeigt, wie der spektrale Ausgang von dem Aufbau der 4 sich als eine Funktion des Pumpspektrums verändert.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 3A gezeigt. Ein Verstärkungsmedium 20 ist vorzugsweise ein mit Erbium dotierter Faserverstärker (EDFA), in dem Erbium als das Laserion dient. Das Verstärkungsmedium 20 bildet einen Teil eines optischen Resonators 30. Ein anderes optisches Verstärkungsmedium kann verwendet werden, wie dotierte integrierte optische Wellenleiter, Blockverstärkungsmedien, und Halbleiter, die GaAs. Eine optische Pumpquelle 34 zum Pumpen des erbium-dotierten Verstärkungsmediums 20 kann in vorteilhafter Weise einen Diodenlaser im nahen Infrarot umfassen, der bei einer oder mehreren Linien in dem spektralen Bereich 950–1000 nm emittiert. Pumplicht wird an die erbium-dotierte Faser durch einen dichroitischen Koppler 38 gekoppelt, z.B. einen Wellenlängen-Teilungs-Multiplexer, der im Wesentlichen die gesamte Pumpleistung in Resonator 30 einkoppelt, aber im Wesentlichen keinen Teil des Lasersignals 54 aus dem Ring herauskoppelt. 3A zeigt nur eine von mehreren möglichen Pumpkonfigurationen. Zum Beispiel könnte die mit Erbium dotierte Faser 20 vorwärts, rückwärts oder gleichzeitig in beiden Richtungen (bidirektionales Pumpen) gepumpt werden, und zwar durch die geeignete Anordnung von ein oder mehreren dichroitischen Koppler 38 oder Kombinierern auf jeder Seite der erbium-dotierten Faser. Der Kombinierer kann ein standardmäßiger Faser-Wellenlängen-Teilungs-Multiplexer, ein Polarisationsstrahl-Kombinierer, oder irgendeine Anzahl von Wellenleiter- oder optischen Blockkombinierem sein, wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist. Der spektrale Ausgang der optischen Pumpquelle 34 wird gewählt, um den Vorteil der inhomogenen Verbreiterung auszunutzen, die in der erbium-dotierten Faser inhärent ist, um ein Festklemmen der Verstärkung über dem gesamten oder einem wesentlichen Abschnitt des Verstärkungsprofils, entweder in einem einzelnen spektralen Bereich oder einer Serie von kleineren, eng beabstandeten spektralen Bereichen, zu erlauben. Zum Beispiel kann die optische Pumpquelle 34 bei einer diskreten Wellenlänge in einem Absorptionsende (Flügel) eines Absorptionsübergangs in Erbium bei entweder der langen Wellenlängenseite oder der kurzen Wellenlängenseite des Absorptionsübergangs betrieben werden. Wenn das Verstärkungsmedium eine Er-dotierte Faser ist, umfassen mögliche Pumpabsorptionen de ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 Übergang in der Nähe 1480 nm und den ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 Übergang in der Nähe von 980 nm. Jedoch ist das Pumpen an dem Ende der langen Wellenlänge nicht möglich, wenn auf dem ⁴I_15/2 → ⁴I_11/2 Übergang gepumpt wird. Alternativ kann sowohl das kurze Wellenlängenende als auch das lange Wellenlängenende des Absorptionsübergangs gepumpt werden. Entweder eine Breitband-Pumpquelle oder eine Quelle mit mehreren Wellenlängen kann verwendet werden. Durch Pumpen des Verstärkungsmediums 20 in dieser Weise verhält sich die Verbreiterung des Verstärkungsprofils der erbium-dotierten Faser inhomogener als in dem Fall, bei dem es in der Nähe des Linienzentrums gepumpt werden würde, wodurch eine Verstärkungsfestklemmung über einem breiteren Bereich ermöglicht wird. Die optische Pumpquelle 34 ist vorzugsweise in den Resonator 30 mit einem dichroitischen Koppler 38 gekoppelt. Wie hier verwendet bedeutet eine Breitband-Pumpquelle eine Lichtquelle, die Licht über einen breiten spektralen Bereich emittiert (d.h. einen spektralen Bereich mit einer Breite, die ein bemessbarer Anteil, z.B. 20 %, der Linienbreite des verwendeten Pumpbands ist), wie beispielsweise eine superfluoreszierende Faserquelle (SFS) oder eine Quelle auf Grundlage einer verstärkten Spontanemission. Zum Beispiel kann die erbiumdotierte Faser 20 mit Ytterbium co-dotiert werden, wie zum Beispiel in P. F. Wysocki, P. Namkyoo, und D. DiGiovanni, „Dualstage erbium-doped„ erbium/ytterbium-codoped fiber amplifier with up to +26-dBm output power and a 17-nm flat spectrum", Optics Letters, Vol. 21, No. 21, Seiten 1744–1746, November 1, 1996 gelehrt wird. Wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist kann eine derartige Er/Yb Faser in der Nähe von 1060 nm gepumpt werden, wobei die Pumpstrahlung durch die Yb Ionen der Verstärkerfaser absorbiert wird, was deren angeregte Energie an die Erbium Ionen transferiert, was zu einer Populationsinversion der Erbiumionen führt. Ein derartiger Er/Yb dotierter Faserverstärker kann mit einer Yb dotierten Superfluoreszenzfaserquelle (bei der Ytterbium als das Laserion der Superfluoreszenzfaserquelle dient), einer Quelle, die dafür konstruiert ist, um eine hohe Leistung über einen breiten spektralen Bereich in der Nähe des 1040–1080 nm Fensters zu emittieren, gepumpt werden (siehe zum Beispiel L. Goldberg, J. P. Koplow, R. P. Moeller, und D. A. V. Kliner, „Highpower superfluorescent source with a side-pumped Yb-doped double-cladding fiber," Optics Letters, Vol. 23, No. 13, Seiten 1037–1039, 1. Juli 1998). Die Bandbreite der Breitband-Pumpquelle kann auf den gewünschten Wert zugeschnitten werden, z.B. mit internen oder externen Filtern oder durch andere optische Mittel.
Der Resonator 30 ist vorzugsweise ein Ringresonator, bei dem eine Laseremission von der erbiumdotierten Faser 20 durch einen optischen Isolator 42 dazu gezwungen wird, unidirektional durch den Resonator, nämlich in der mit den Pfeilen 46 angedeuteten Richtung, zu zirkulieren. Wenigstens ein Dämpfer 50 innerhalb des Resonators 30 wird vorzugsweise verwendet, um den Verlust innerhalb des Resonators zu steuern. Weil bei einer bestimmten Laserwellenlänge der Umlaufverlust innerhalb des Laserresonators 30 gleich zu der Umlaufverstärkung ist, steuert der Dämpfer 50 effektiv auch die gesamte Resonatorverstärkung. Der Dämpfer 50 kann in vorteilhafter Weise variabel sein (d.h. einen variablen Verlust aufweisen), oder sein Verlust kann wellenlängen-abhängig sein, um ein gewünschtes Verstärkungsprofil zu erzeugen (z.B. um das Verstärkungsprofil zu verflachen), oder es kann sowohl variabel als auch wellenlängen-abhängig sein. Durch Einführen eines nicht-gleichförmigen Verlustelements innerhalb des Verstärkungsprofils ist es zum Beispiel möglich eine Kompensation für ein ansonsten nicht-gleichförmiges Verlustspektrum innerhalb des Resonators 30 bereitzustellen und ein im Wesentlichen flaches Verstärkungsspektrum zu erzeugen. Ferner kann ein wellenlängen-abhängiger Dämpfer 50 extern zu dem Resonator 30 angeordnet sein, und zwar an Stelle von dem oder zusätzlich zu dem Dämpfer 50 innerhalb des Resonators. Verschiedene Modelle von variablen Dämpfern sind kommerziell erhältlich, beispielsweise diejenigen, die von der Firma Johanson, Boonton, N. J. hergestellt werden, (z.B. das Modell #2504F7B50C). Der Dämpfer 50 kann ein wellenlängen-abhängiges Verlustelement, beispielsweise ein photoinduziertes Fasergitter (siehe zum Beispiel A. M. Vengsarkar et al., „Long-Period Fiber-Grating-Based Gain Equalizers," Opt. Lett., Vol. 21, Seiten 336–338, März 1996) oder ein mechanisches Fasergitter umfassen.
Eingegebene optische Signale 54 betreten den optischen Resonator 30 durch einen optischen Isolator 58 an eine erste Kopplungseinrichtung, beispielsweise einen optischen Koppler 61 (z.B. einen Koppler mit einer 10 % Kopplung (oder einer 90 % Transmission) bei den Signal- und Laserwellenlängen), sodass sich die Eingangssignale entgegengesetzt zu der Richtung der erbium-dotierten Laseremission ausbreiten, d.h. die Eingangssignale 54 breiten sich in der Richtung aus, die mit den Pfeilen 66 angedeutet wird. Nach Durchlaufen durch das Verstärkungsmedium 20 und den dichroitischen Koppler 38 verlassen die optischen Signale den Resonator 30, indem sie durch eine zweite Kopplungseinrichtung, beispielsweise einen optischen Koppler 62 (z.B. wiederum ein 10 % Koppler) an dem Anschluss (Port) 63 und dann einen zweiten Isolator 70 gehen, wo die optischen Signale als optische Ausgangssignale 74 bezeichnet werden. Weil die Ringlaseremission in der Richtung entgegengesetzt zu derjenigen, in der die Signale 54 verstärkt werden, zirkuliert, wird das Ringlasersignal nicht an dem Koppler 62, sondern an einem anderen Anschluss dieses Kopplers, nämlich an dem Anschluss (Port) 64 ausgegeben. Die Ausführungsform der 3A erlaubt somit, dass die ausgegebenen optischen Signale 74 sauber von der Laseremission der Erbiumfaser 20 getrennt werden können.
Die Koppler 61, 62 weisen vorzugsweise ein Kopplungsverhältnis so klein wie möglich bei der Signalwellenlänge auf, um den Verlust, der auf die Eingangssignale 54 ausgeübt wird, zu minimieren. Dies bedeutet, dass man sich in Richtung auf die Grenze von 0 % Kopplern bewegt. Mit 1 % Kopplern würde der Kopplungs"Verlust", der durch die Eingangssignale 54 an dem Koppler 61 (und den abgezogenen Signalen 74 an dem Koppler 62) wahrgenommen werden würden, sehr gering (1 %) sein, was gut ist. Mit der gleichen Vorgehensweise würde der Kopplungs"Verlust" für das Ringlasersignal sehr hoch (99 %) sein, was ebenfalls gut ist, da ein hoher Hohlraumverlust wünschenswert ist (um eine hohe EDFA Verstärkung zu erhalten). Somit können die Koppler 61 und 62 verwendet werden, um den Ringverlust und deshalb die Verstärkung, die von diesen Signalen wahrgenommen wird, einzustellen (obwohl die Beziehung zwischen den Kopplungsverhältnissen der Koppler und der Nettoverstärkung, die durch die Signale wahrgenommen werden würde, genau modelliert werden müsste). Somit besteht eine Alternative zu der Verwendung des variablen Dämpfers 50 darin, die Kopplungsverhältnisse von einem Koppler oder beiden Kopplern zu verwenden, um den Verstärkungsgrad zu verändern.
Unter Bezugnahme auf 3A gilt, dass je niedriger das Kopplungsverhältnis des Kopplers 61 ist, desto niedriger ist der Verlust, der durch den Koppler 61 auf die Eingangssignale 54 ausgeübt wird. In ähnlicher Weise gilt, dass je niedriger das Kopplungsverhältnis des Kopplers 62 ist, desto niedriger ist der Verlust, der durch den Koppler 62 auf die verstärkten Signale ausgeübt wird. Deshalb gilt, dass je niedriger die Kopplungsverhältnisse der Koppler 61 und 62 sind, desto niedriger ist der Verlust, der von dem Signal wahrgenommen wird, wenn es sich durch den Verstärker der 3A bewegt, und demzufolge desto höher die Nettoverstärkung ist, die von dem Signal gesehen wird (oder umgekehrt, desto niedriger ist die Pumpleistung, die benötigt wird, um eine gegebene Nettoverstärkung zu erzielen). Im Hinblick auf die voranstehenden Ausführungen ist es, wiederum für eine gegebene geforderte Nettoverstärkung, vorteilhaft beide Kopplungsverhältnisse zu verringern. Eine Vorgehensweise zum Verringern der Kopplungsverhältnisse besteht darin, den Verlust der anderen Elemente in der Schleife, insbesondere des Dämpfers 50 und des Isolators 42, zu verringern (ferner sollte der Verlust des dichroitischen Kopplers 38 so gering wie möglich sein. Dies hat drei Vorteile: die Pumpleistung, die in dem dichroitischen Koppler 38 verloren geht, wird verringert; der Betrag der Signalleistung, die in dem dichroitischen Koppler 38 verloren geht, wird verringert; und niedrigere Kopplungsverhältnisse für Koppler 61 und 62 können gewählt werden). Wenn zum Beispiel 20 dB der festgeklemmten Verstärkung benötigt wird, besteht eine mögliche Konfiguration in einem wellenlängen-abhängigen Dämpfer 50 mit einem Hintergrund (wellenlängenunabhängigen) Verlust von 2 dB und Kopplungsverhältnissen von jedem der Koppler 61 und 62 von 12,6 (einer Transmission von 9 dB), d.h. einen gesamten Schleifenverlust von 2 × 9 + 2 = 20 dB (unter der Annahme, dass sämtliche andere Schleifenelemente einen vernachlässigbaren Verlust aufweisen). Eine zu bevorzugende Lösung besteht darin einen wellenlängen-abhängigen Dämpfer 50 mit einem Hintergrund (wellenlängen-unabhängigen) Verlust von 0 dB und Kopplungsverhältnissen für jeden der Koppler 61 und 62 von 10 % (oder eine Transmission von 10 dB) zu verwenden, d.h. einen Gesamtschleifenverlust von 2 × 10 + 0 = 20 dB. In dem ersteren Fall übt jeder der zwei Koppler 61 und 62 einen Verlust von 12,6 % auf das Signal aus. In dem zweiten Fall übt jeder der zwei Koppler 61 und 62 einen Verlust von 10 % auf das Signal, entsprechend zu einem 2 dB wenigeren Umlaufsignalverlust als in dem ersten Fall, aus.
Alternativ kann einer (oder beide) der Koppler 61 und 62 durch eine andere Kopplungseinrichtung (andere Kopplungseinrichtungen), wie beispielsweise einen optischer Zirkulator (optische Zirkulatoren), ersetzt werden. Dies ist in 3B gezeigt, die ähnlich wie 3A ist, außer dass die Koppler 61 und 62 mit optischen Zirkulatoren 81 und 82 ersetzt worden sind und die Eingangs- und Ausgangsisolatoren 58 und 70 entfernt worden sind. In dieser Ausführungsform erleiden die Eingangssignale 54 keinen Aufteilungsverlust in dem Eingangszirkulator 81 und die Ausgangssignale 74 erleiden keinen Aufteilungsverlust in dem optischen Zirkulator 82. Der Nutzen ist, dass der Signalverlust geringer ist, so dass eine geringere Verstärkung für den Verstärker 20 (und somit eine geringere Pumpleistung benötigt wird) benötigt wird. Im Gegensatz zu den Kopplern 61 und 62 können die Zirkulatoren 81 und 82 andererseits nicht den erforderlichen hohen Resonatorverlust (für den Fall eines Verstärkers mit hoher Verstärkung) bereitstellen – der variable Dämpfer 50 muss in dieser Hinsicht verwendet werden. Gegenwärtige kommerzielle Zirkulatoren zeigen einen kleinen internen Verlust, von ungefähr oder eben unter eins dB auf. Es gibt jedoch eine grundlegende Grenze für diesen Verlust und es wird erwartet, dass er bei zukünftigen Zirkulator-Konstruktionen fällt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der optische Zirkulator 81 (und der optische Zirkulator 82) eine Einrichtung mit drei Anschlüssen (Port) ist, der in einer altbekannten Weise arbeitet, um zu bewirken, dass im Wesentlichen das gesamte durch den Anschluss 84 eintretende Licht von dem nächsten angrenzenden Anschluss, d.h. dem Anschluss 83, herausgekoppelt wird. Ein optischer Zirkulator ist eine unidirektionale Einrichtung, was bedeutet, dass Licht in dem Zirkulator nur in einer Richtung (d.h. in einer Gegenuhrzeigerrichtung in 3B) zirkuliert. Somit wird Licht, das von dem Resonatorring zurückkehrt und in den Anschluss 83 des Zirkulators 81 eintritt, durch den dritten Anschluss 85 des Zirkulators 81 gekoppelt, und verlässt nicht den Anschluss 84 des Zirkulators 81. Der Zirkulator 81 arbeitet somit als ein Isolator, um zu verhindern, dass sich Licht, das in den Ringresonator von dem Anschluss 84 eintritt, direkt an den Anschluss 85 ausbreitet. Ein beispielhafter optischer Zirkulator ist von E-TEK Dynamics, Inc., 1185 Lundy Avenue, San Jose, California 95131 erhältlich.
Ein anderer Vorteil der in 3B gezeigten Ausführungsform ist, dass die Eingangs- und Ausgangsisolatoren 58 und 70 der 3A nicht mehr benötigt werden. Der Grund ist, dass der Isolator 42 innerhalb des Rings mit den Zirkulatoren 81 und 82 arbeitet, um als ein Isolator zu wirken. Soweit die Ausgangsisolation betroffen ist, wird irgendein Streusignal, das von dem Ausgangsanschluss 83 (des Zirkulators 81) in den Ausgangszirkulator 82 zurückkommt, in Richtung auf den Isolator 42 gerichtet werden, wo es effektiv verloren geht, ohne jemals in den Er-dotierten Faserverstärker 20 einzutreten. Somit wird der Verstärker 20 von irgendeiner Rückkopplung von dem Ausgangsanschluss 83 isoliert. Im Hinblick auf die Eingangsisolation kommt kein Licht von dem Ring in den Eingangsanschluss 84 (des Zirkulators 81) heraus. Der Grund ist, dass irgendein zurücklaufendes Signal, das von der Er-dotierten Phase 20 in Richtung auf den Eingangszirkulator 81 kommt (insbesondere unechte Reflexionen in der Signale und ein ASE Signal, das durch die Er-dotierte Phase erzeugt wird), in den Eingangszirkulator eintreten werden, der diese in den Ring hineinrichten wird. Somit geht dieses zurücklaufende Signal niemals in den Eingangsanschluss 84 hinein. Dies ist nicht der Fall in der Ausführungsform der 3A, bei der der Eingangskoppler 61 90 % der unechten Signale in dem Eingangsanschluss 88 des Kopplers 61 richtet, was der Grund dafür ist, warum diese Ausführungsform einen Eingangsisolator 58 benötigt. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Eingangs- und Ausgangs-Isolator noch in der Ausführungsform der 3B verwendet werden kann, wenn eine bessere Isolation benötigt wird als diejenige, die durch die Zirkulatoren 81 und 82 und den Isolator 42 bereitgestellt wird. Alternativ kann nur einer der Zirkulatoren verwendet werden. Zum Beispiel kann auf der Signalausgangsseite der 3B der Zirkulator 82 durch die auf der Signalausgangsseite der 3A gezeigte Koppler 62/Isolator 70 Anordnung ersetzt werden.
Die Wellenlängen der Eingangssignale 54 sind vorzugsweise gewählt, um in das Verstärkungsprofil des Verstärkungsmediums 20 zu fallen, was für eine mit Erbium dotierte Faser breit ist und vorzugsweise wenigstens 5 Nanometer (nm) breit ist. Wenn die Pumpleistung ausreichend hoch ist, dass die Verstärkung den Verlust übersteigt, klemmt der Resonator 30 effektiv die Verstärkung über dem Verstärkungsprofil fest, sodass sämtliche Eingangssignale eine gleiche Verstärkung erfahren, wenn sie durch die mit Erbium dotierte Faser 20 gehen. Das Ergebnis ist, dass die Eingangssignale 54 gleichförmig verstärkt werden. Die Ausführungsformen der 3A und 3B bieten auch den Vorteil, dass eine Verstärkung erzeugt wird, die gegenüber Pumpleistungsveränderungen über einen breiten Bereich der Pumpleistung unempfindlich ist (d.h. einen Bereich zwischen der Pumpleistungsschwelle und der höchsten Pumpleistung, die von der Pumpquelle erhältlich ist).
Der Grund für diese Unempfindlichkeit ist, dass dann, wenn der Ringlaser 30 relativ weit über der Schwelle gepumpt wird, die Verstärkung signifikant von ihrem Kleinsignalwert durch die zirkulierende Ringlasermission verarmt wird. Wenn die Pumpleistung von ihrem nominellen Wert ansteigen würde, wie früher in Bezug auf die 2C und 2D erläutert, würde die Verstärkung auf dem gleichen Wert festgeklemmt bleiben, aber die Verstärkungsbandbreite würde ansteigen (unter der Annahme, dass die Verstärkungsbandbreite ihren optimalen Wert für diese nominale Pumpleistung noch nicht erreicht hat). Wenn die Pumpleistung von ihrem nominellen Wert abfallen würde, würde die Verstärkung wieder auf den gleichen Wert festgeklemmt werden (vorausgesetzt, dass die Pumpleistung nicht unter die Schwelle verringert wird), und die Verstärkungsbandbreite würde ebenfalls abnehmen. Demzufolge ist (1) der Verstärkungswert gegenüber Veränderungen in der Pumpleistung immun, vorausgesetzt, dass die Pumpleistung nicht unter die Schwelle abfällt, und (2) die Verstärkungsbandbreite hängt von der Pumpleistung ab. Dadurch, dass sichergestellt wird, dass für den niedrigsten erwarteten Wert der Pumpleistung die Verstärkungsbandbreite größer als die spektrale Bandbreite ist, die durch die kombinierten Eingangssignale belegt wird, wird die Verstärkungsbandbreite jedoch immer ausreichend breit sein und sämtliche Eingangssignale 54 werden die gleiche Verstärkung unabhängig von den Pumpleistungsveränderungen erfahren.
In ähnlicher Weise bieten die Ausführungsformen der 3A und 3B den Vorteil, dass eine Verstärkung erzeugt wird, die gegenüber der Leistung der Eingangssignale 54 über einem bestimmten Bereich der Signalleistung unempfindlich ist und gegenüber Veränderungen in der Anzahl von Eingangssignalen unempfindlich ist, und zwar über einem gewissen Bereich von Veränderungen in der Anzahl von Eingangssignalen. Dieses Verhalten kann wie folgt erläutert werden. Wenn die Anzahl von Eingangssignalen 54 konstant gehalten wird, aber die Leistungen von einigen oder von allen Eingangssignalen erhöht wird, wird die Populationsinversion der mit Erbium dotierten Faser konstant bleiben, sodass die Verstärkung konstant bleibt. Der Laser erreicht dies durch Absenken der Ringlaserleistung. Wenn die Pumpleistung ausreichend hoch ist, wird der Laser jedoch einen Lasingvorgang fortsetzen, obwohl über einer schmäleren Linienbreite. Somit wird die Verstärkung auf ihrem ursprünglichen Wert festgeklemmt bleiben, obwohl die Verstärkungsbandbreite abnehmen wird. Wie in dem vorangehenden Paragraph erläutert ist dieses Absinken in der Verstärkungsbandbreite ohne Folge, vorausgesetzt dass an ihrem minimalen möglichen Wert die Bandbreite noch ausreichend breit ist, um eine flache Verstärkung für sämtliche Eingangssignale 54 bereitzustellen. Ein ähnliches Argument kann gemacht werden, wenn sich die Anzahl von Eingangssignalen 54 ändert, während die individuelle Eingangsleistung konstant gehalten wird. Wenn zum Beispiel eines oder mehrere der Eingangssignale fallen gelassen wird, wird die Verstärkung auf dem gleichen Wert geklemmt bleiben, und die Verstärkungslinienbreite wird ansteigen (unter der Annahme wiederum, dass sie nicht bereits auf ihrem maximalen möglichen Wert ist).
Diese Unempfindlichkeit gegenüber der Pumpleistung, der Signalleistung, und der Anzahl von Eingangssignalen 54 ist besonders wichtig in optischen Kommunikationssystemen. Zum Beispiel kann die Anzahl von Eingangssignalen, die durch einen Verstärker gehen, wie demjenigen, der in dieser Erfindung beschrieben wird, über der Zeit sich ändern, wenn die Anzahl von Benutzern schwankt, oder für den Fall eines zufälligen Ausfalls von einer der Lichtquellen, die die optischen Signale zuführen. In ähnlicher Weise kann sich auch die Eingangssignalleistung und die Eingangspumpleistung über der Zeit verändern, zum Beispiel als Folge einer Alterung oder eines Ausfalls der Lichtquellen, die sie zuführen.
Obwohl ein Pumpen mit mehreren Wellenlängen verwendet werden kann, wird erwartet, dass ein breitbandiges Pumpen bessere Ergebnisse hervorbringt. Eine Breitband-Pumpquelle für die mit erbium dotierte Faser 20 ist eine Superfluoreszenz-Faserquelle (SFS), die aus einer ytterbium-dotierten Faser gebildet ist, die bei 980 nm gepumpt wird und die mehrere zehn mW einer Superfluoreszenzemission in dem 0,97–1,04 μm Bereich erzeugen kann (siehe zum Beispiel D. C. Hanna, I. R. Perry, P. J. Suni, J. E. Townsend und A. C. Tropper, „Efficient superfluorescent emission at 974 nm and 1040 nm from an Ybdoped fiber," Opt. Comm., Vol. 72, Nos. 3–4, Seiten 230–234, Juli 1989). Der spektrale Ausgang von diesen Fasern hängt teilweise von deren Länge ab, wobei längere Fasern eine Emission bei längeren Wellenlängen begünstigen. Eine kurze Faser (0,5 m) erzeugte eine Emission bei 974 nm mit einer 2 nm Bandbreite, während eine lange Faser (5 m) eine Emission bei 1040 nm mit einer 19 nm Bandbreite erzeugte (siehe D. C. Hanna et al., was voranstehend angegeben wurde). Eine derartige SFS kann in ihrem kurzen Wellenlängenbereich verwendet werden, um breitbandig eine Er-dotierte Faser zu pumpen (vorausgesetzt, dass dann, wenn die SFS lang genug ist, um bei 980 mit zu laufen, ihre Linienbreite breit genug ist). Die SFS kann auch in ihrem langen Wellenlängenbereich verwendet werden, um breitbandig eine Er/Yg-dotierte Faser (die typischerweise in den 0,98–1,064 μm Bereich gepumpt wird) zu pumpen.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf die Zusammensetzung des Kerns der mit Erbium dotierten Faser 20. Eine Erhöhung der Anzahl der Co-Dotierungsstoff-Arten in dem Kern schafft eine größere Vielfalt von physikalischen Stellen, in denen die Erbium-Ionen vorhanden sein können. Da jede Stelle eine geringfügig andere Stark-Aufteilung der Erbium-Ionen hervorruft, wird die inhomogene Verbreiterung der Erbium-Ionen zunehmen, wenn Co-Dotierstoff-Arten hinzugefügt werden. Im Allgemeinen gilt, dass je größer die Anzahl von Netzmodifikations-Co-Dotierstoffen ist, desto mehr wird erwartet, dass die Verstärkung inhomogen ist. Dieses Prinzip gilt für irgendein Laserion (nicht nur Er³⁺ und jedem Fiber-Host (nicht nur Siliziumoxyd oder Fluoridgläser).
Die Co-Dotierstoffe die vorzugsweise in den Kern der Faser 20 eingeführt werden, sind sogenannte Netzmodifizierer, die eine Tendenz aufweisen die Lösbarkeit der Edelerdenionen in dem Glas-Host zu verbessern. Co-Dotierstoffe, die wenigstens teilweise als Netzmodifizierer arbeiten, umfassen: K, Ca, Na, Li, und Al, sind aber nicht darauf beschränkt. Co-Dotierstoffe, die als Indexmodifizierer bekannt sind, wie Ge, verbessern im Allgemeinen die Lösbarkeit der Edelerdenionen nicht, können aber in die Faser eingeführt werden, um zum Beispiel den Brechungsindex der Faser zu steuern. Jedoch weist Ge eine Tendenz auf die inhomogene Linienbreite der Verstärkung der mit Erbium dotierten auf Siliziumoxyd gestützten Faser zu erhöhen (siehe V. L. da Silva et al., was voranstehend angegeben wurde).
Die Verbesserung der inhomogenen Verstärkungsverbreiterung durch Pumpen in dem Ende des Absorptionsprofils ist unter Verwendung des Faserringlasers 100 demonstriert worden, der in 4 gezeigt ist. Der Laser 100 umfasst eine 3-m Länge einer Er-dotierten Faser 104, zwei WDM Faserkoppler 108 und 110, und einen optischen Isolator 112, um eine Laseroszillation in einer einzelnen Richtung zu erzwingen. Der Faserringlaser 100 wird mit zwei Pumplaserdioden 116 und 118, die bei 980 nm arbeiten, gepumpt. Die Laserdioden 116 und 118 werden in den Ringlaser 100 über die jeweiligen ersten und zweiten WDM Faserkoppler 108 und 110 eingekoppelt. Der zweite WDM Koppler 110 wird auch verwendet, um ein Lasersignal aus dem Ringlaser 100 zu extrahieren. Ein dritter WDM Koppler 120, der an dem Ausgang des Ringlasers 100 angeordnet ist, wird verwendet, um eine nicht absorbierte 980 nm Pumpe aus dem Lasersignal des Ringlasers 100 herauszutrennen, wobei das Lasersignal in dem Bereich von ungefähr 1530 bis ungefähr 1570 nm ist. Die Spektren von jedem dieser zwei Signale werden unabhängig auf einem optischen Spektrumanalysator 130 beobachtet.
5 zeigt das Spektrum des Ausgangs des Faserringlasers 100, das unter zwei unterschiedlichen Pumpbedingungen gemessen wird. Wenn der Ringlaser 100 mit nur einer Laserdiode bei 978 nm gepumpt wird, d.h. in der Nähe der Mitte des ⁴I_15/2→ ⁴I_11/2 Absorptionsübergangs der Er-dotierten Faser, dann zeigt der Ringlaserausgang ein relativ schmales Spektrum (einige wenige Zehntel von einem nm), zentriert um 1560,8 nm, auf. Wenn der Ringlaser 100 andererseits mit zwei Laserdioden gepumpt wird, eine bei 974 nm und die andere bei 985 nm, ist das Spektrum des Ringlasers beträchtlich breiter, wobei es sich von ungefähr 1561 nm bis 1563 nm erstreckt. Andere Experimente legen nahe, dass eine Bandbreite von 14 nm oder mehr erreicht werden kann. Obwohl das Verstärkungsspektrum der Er-dotierten Faser nicht mit jeder Pumpanordnung gemessen worden ist, zeigen die Ergebnisse der 5, dass ein Pumpen einer Er-dotierten Faser auf dem Ende (auf den Enden) von ihrem Absorptionsband eine breitere Emission von der Faser im Vergleich mit der Situation, wenn lediglich bei der Absorptionsmitte gepumpt wird, erzeugt, was wahrscheinlich die Folge der gleichzeitigen Anregung einer größeren Anzahl von Er³⁺ Untersätzen in dem End-Pumpfall ist. Zusätzlich zu dem Pumpen des Endes des 980 nm Absorptionsbands, wie hier offenbart, könnte eine inhomogene Verbreiterung ebenfalls durch Pumpen des Endes des 1480 nm Absorptionsbands beobachtet werden.
Die Erfindung kann in anderen spezifischen Ausbildungen ohne Abweichen von ihrem Grundgedanken oder wesentlichen Charakteristiken verkörpert werden. Die beschriebenen Ausführungsformen werden in sämtlicher Hinsicht nur als illustrativ und nicht als einschränkend eingesehen. Der Umfang der Erfindung wird deshalb durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die voranstehende Beschreibung angegeben. Sämtliche Änderungen, die in den Grundgedanken und den Equivalenzbereich der Ansprüche fallen, sind in diesem Umfang mit eingeschlossen.

Claims

Optischer Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass er umfasst: einen optischen Resonator (30), der derart konfiguriert ist, dass er ein geklemmtes Verstärkungsprofil erzeugt, wobei der Resonator (30) ein Verstärkungsmedium (20) mit einem Absorptionsprofil und einem Verstärkungsprofil einschließt, wobei das Verstärkungsprofil wenigstens teilweise durch eine inhomogene Verbreiterung gekennzeichnet ist; und eine optische Pumpquelle (34) zum Pumpen des Verstärkungsmediums bei wenigstens einer Wellenlänge in einem Ende eines Absorptionsübergangs des Verstärkungsmediums, um die inhomogene Verbreiterung zu verwenden, um die Verstärkung wesentlich zu verflachen.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die Verstärkung über dem Verstärkungsprofil im wesentlichen konstant ist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpquelle (34) die Seite der langen Wellenlänge des Absorptionsübergangs pumpt.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpquelle (34) das Ende der kurzen Wellenlänge des Absorptionsübergangs pumpt.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpquelle (34) sowohl das Ende der kurzen Wellenlänge als auch das Ende der langen Wellenlänge des Absorptionsübergangs pumpt.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) eine dotierte Faser umfasst.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) Erbium umfasst, wobei das Erbium als ein Laser-Ion wirkt.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpquelle (34) einen Ausgang aufweist, der breitband ist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpquelle (34) einen Ausgang bei wenigstens einer diskreten Wellenlänge aufweist.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei der optische Resonator (30) einen optischen Isolator (42) umfasst, um eine Laser-Oszillation auf eine einzelne Richtung einzuschränken.
Verstärker nach Anspruch 10, bei dem Eingangssignale (54) zu dem optischen Verstärker sich in die entgegengesetzte Richtung (46) der Laser-Oszillation ausbreiten.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner umfassend ein von der Wellenlänge abhängiges Verlustelement (50) zum Kompensieren eines nicht-gleichförmigen Verlustprofils, um ein gewünschtes Verstärkungsprofil zu erzeugen.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei die optische Pumpquelle (34) eine Superfluoreszenz-Faserquelle ist.
Verstärker nach Anspruch 13, wobei die Superfluoreszenz-Faserquelle Ytterbium als ein Laser-Ion umfasst.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) wenigstens ein Co-Dotierungsmittel zur Erhöhung der Inhomogenität des Verstärkungsmediums umfasst.
Verstärker nach Anspruch 15, wobei das Co-Dotierungsmittel einen Netzmodifizierer umfasst.
Verstärker nach Anspruch 16, wobei das Co-Dotierungsmittel wenigstens ein Element einschließt, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus K, Ca, Na, Li, Al und Ge besteht.
Verstärker nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (20) eine flache, breite Verstärkung über einem Spektralbereich von wenigstens 5 Nanometern bereitstellt.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner umfassend einen variablen Dämpfer (50) zum Steuern des Grads eines Verlusts, um einen gewünschten Grad einer Verstärkung in dem Verstärkungsmedium zu erzeugen.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner umfassend eine optische Quelle (34) zum Erzeugen von Eingangssignalen mit unterschiedlichen Wellenlängen.
Verstärker nach Anspruch 20, wobei die Eingangssignale (54) und die Laser-Oszillation von dem Verstärkungsmedium (20) sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner umfassend Kopplungseinrichtungen (61, 62) zum Koppeln von Signalen in den optischen Resonator (30) hinein und davon heraus.
Verstärker nach Anspruch 22, wobei die Kopplungseinrichtungen (61, 62) wenigstens einen optischen Koppler umfassen.
Verstärker nach Anspruch 22, wobei die Kopplungseinrichtungen (61, 62) wenigstens einen optischen Zirkulator umfassen.
Verstärker nach Anspruch 1, ferner umfassend ein von der Wellenlänge abhängiges Verlustelement (50) zum Einstellen des Verlusts, um ein gewünschtes Verstärkungsprofil zu erzeugen.
Verstärker nach Anspruch 25, wobei der optische Resonator (30) das von der Wellenlänge abhängige Verlustelement (50) umfasst.
Verstärker nach Anspruch 25, wobei das von der Wellenlänge abhängige Verlustelement (50) den Verlust des Resonators (30) einstellt, um eine im wesentlichen flache Verstärkung zu erzeugen.
Verstärker nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der optische Resonator (30) einen uni-direktionalen Ringresonator umfasst.
Verfahren zum Erzeugen eines optischen Verstärkers mit einer im wesentlichen flachen Verstärkung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Einleiten eines Pumpsignals (54) in ein Verstärkungsmedium (20) mit einem Absorptionsprofil und einem Verstärkungsprofil, wobei das Verstärkungsmedium (20) innerhalb eines optischen, unidirektionalen Ringresonators (30) vorhanden ist, der derart konfiguriert ist, dass er ein geklemmtes Verstärkungsprofil erzeugt, wobei das Verstärkungsprofil wenigstens teilweise durch eine inhomogene Verbreiterung gekennzeichnet ist, wobei der spektrale Ausgang des Pumpsignals gewählt ist, um ein Ende des Absorptionsprofils zu pumpen, um die inhomogene Verbreiterung des Verstärkungsmediums (20) zu verwenden; Injizieren einer Vielzahl von optischen Signalen mit unterschiedlichen Wellenlängen in das Verstärkungsmedium (20) hinein, um die optischen Signale (54) zu verstärken, wobei die jeweiligen Wellenlängen der optischen Signale (54) in das Verstärkungsprofil des Verstärkungsmediums (20) fallen; Verwenden einer stimulierten Emission innerhalb des Verstärkungsmediums (20), um die Verstärkung des Verstärkungsmediums (20) über einen Spektralbereich zu klemmen, der die Wellenlängen der optischen Signale (54) einschließt; und Extrahieren von verstärkten optischen Signalen (74) von dem Verstärkungsmedium (20).
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend das Hinzufügen von Co-Dotierungsmitteln zu dem Verstärkungsmedium (20), um die inhomogene Verbreiterung des Verstärkungsprofils zu vergrößern.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend ein Steuern der Verstärkung durch Verändern eines Verlusts innerhalb des Resonators (30).
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend das Einschränken einer Laser-Oszillation auf eine Richtung (46) entgegengesetzt zu derjenigen der Ausbreitungsrichtung (66) der injizierten optischen Signale (54).
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Verstärkungsmedium (20) eine dotierte Faser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner umfassend ein Steuern der Verstärkungsflachheit durch Hinstellen eines von der Wellenlänge abhängigen Verlustelements (50) innerhalb des Resonators (30).
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die stimulierte Emission eine Laseremission umfasst.