DE60131494T2

DE60131494T2 - Wellenleiterlaser und optischer Verstärker mit erhöhter thermischer Stabilität

Info

Publication number: DE60131494T2
Application number: DE60131494T
Authority: DE
Inventors: Douglas P. Morris Plains Holcomb; Jane Deborah Princeton Legrange; Gerald E. Convent Station Tourgee; Eva Milar Berkeley Heights Vogel
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: EP1160941A1; US6456637B1; JP2002016306A; EP1160941B1; DE60131494D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Lichtwellenleiterlaser und -verstärker, und insbesondere Lichtwellenleiterlaser und -verstärker, die eine erhöhte Wärmestabilität aufweisen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Lichtwellenleiterlaser und -verstärker sind wichtige Bestandteile in optischen Kommunikationssystemen. Sie sind kritische Bestandteile in Sendern, Empfängern und Zwischenverstärkern. Es ist wichtig, dass die Laser und Verstärker in derartigen Komponenten sowohl hinsichtlich der Wellenlänge als auch hinsichtlich der Leistung stabil sind.
Ein typischer Wellenleiterlaser oder -verstärker umfasst eine Länge einer Lichtleitfaser aus Glas, die mit einem oder mehreren Seltenerden-Dotiermitteln wie etwa Erbium und/oder Ytterbium dotiert ist. Die dotierte Faser weist aufgrund der Seltenerden-Dotiermittel ein Absorptionsband auf und wird durch Licht von mehreren Halbleiterlichtemittern wie etwa Leuchtdioden gepumpt. Die Leistungsfähigkeit des Lasers oder Verstärkers hängt von der Überlappung zwischen dem Absorptionsband der Faser und den Ausgangsspektren der Pumpemitter ab.
Eine Schwierigkeit bei Wellenleiterlasern und -verstärkern in Kommunikationssystemen ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperaturveränderungen. Wenn sich die Emitter erhitzen, verschieben sich ihre Ausgangsspektren zu höheren Wellenlängen. Zur gleichen Zeit nehmen ihre Ausgangsleistungen ab. Diese Schwankungen verändern die Ausgangsleistung des Lasers oder Verstärkers und das Ansprechen des Senders oder Empfängers, der sie einsetzt. Demgemäß besteht ein Bedarf an Wellenleiterlasern und -verstärkern, die eine erhöhte Wärmestabilität aufweisen.
Die US-Patentschrift Nr. 5,930,030 ist ein Beispiel für einen herkömmlichen Verstärker, der mehrere Pumpemitter umfasst, die mehrere verschiedene räumlich getrennte oder vielfache Wellenlängen oder Wellenlängenbänder aufweisen, welche optisch in das Faserverstärkungsmedium gekoppelt sind und dafür sorgen, dass mindestens eine oder mehrere Wellenlängen in das Absorptionsband eines Faserverstärkungsmediums fallen, wodurch trotz Wellenlängenverschiebungen in den Pumpemitterwellenlängen aufgrund von Veränderungen in ihrer Betriebstemperatur eine Verstärkung erzeugt wird.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Lichtwellenleiterlaser oder -verstärker ist im unabhängigen Anspruch, auf den der Leser nun verwiesen wird, dargelegt. Bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt.
Nach der Erfindung ist ein Welleleiterlaser oder -verstärker, der eine Spitzenabsorptionswellenlänge aufweist, mit Pumpemittern versehen, die Wellenlängen aufweisen, welche absichtlich von der Spitzenabsorptionswellenlänge versetzt sind. Die versetzten Wellenlängen der Emitter sind gewählt, um die Wärmestabilität des Lasers oder Verstärkers zu erhöhen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird der Laser oder Verstärker, der eine Spitzenabsorption aufweist, durch eine bimoda le Verteilung von Emittern gepumpt, die Ausgangsspitzen an der Seite der kurzen Wellenlängen und an der Seite der langen Wellenlängen der Wellenleiterabsorptionsspitze aufweisen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Vorteile, die Natur und verschiedene zusätzliche Merkmale der Erfindung werden sich bei Betrachtung der erläuternden Ausführungsformen, die nun in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden sollen, ausführlicher zeigen. In den Zeichnungen
ist 1 eine graphische Darstellung, die zum Verständnis des Problems, auf das die Erfindung abzielt, nützlich ist.
2A bis 2E veranschaulichen einen Lichtwellenleiterverstärker, der eine erhöhte Wärmestabilität aufweist, schematisch.
3 ist eine schematische Darstellung eines Lichtwellenleiterlasers, der eine erhöhte Wärmestabilität aufweist; und
4 bis 6 sind graphische Darstellungen, die zur Erklärung des Betriebs der Vorrichtungen von 2 und 3 nützlich sind.
Es versteht sich, dass diese Zeichnungen dem Zweck der Erläuterung der Konzepte der Erfindung dienen und mit Ausnahme der Diagramme nicht maßstabsgetreu sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht ein typisches Absorptionsspektrum für eine Er/Yb-Faser. Die Breite beim halben Maximum der Spitze bei 975 nm liegt in der Größenordnung einiger weniger nm. Dies ist deutlich schmäler als der Ausgang einer einzelnen Diode (der typischerweise etwa 6 nm beträgt). Wie ersichtlich ist, würde die Ausgangsleistung des Verstärkers fallen, wenn sich ein Diodenausgangsspektrum, das sich anfänglich bei 975 nm befindet, von der Absorptionsspitze weg verschiebt. Der spektrale Ausgang typischer Dioden kann sich um so viel wie 0,5 nm pro Grad C verschieben. Sollten alle Dioden für die höchste Absorption pro Einheitslänge der Faser auf 975 nm gewählt sein, würde der Verstärker sogar bei kleinen Temperaturveränderungen sehr empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen sein, die die Ausgangsspektren von der Spitzenabsorption weg verschieben würden.
Zusätzlich zu den Wellenlängenveränderungen wird auch die Ausgangsleistung der Dioden durch die Temperatur beeinflusst. Wenn die Diodentemperatur ansteigt und der Antriebsstrom konstant gehalten wird, nimmt die Ausgangsleistung ab.
Nach der Erfindung weisen die Pumpdioden Ausgangsspitzen auf, die absichtlich von der Absorptionsspitze versetzt sind. Typischerweise wird der Versatz im Bereich von 0,5% bis 1% der Spitzenabsorptionswellenlänge liegen. Diese Wahl kann getroffen werden, um sicherzustellen, dass sich die versetzten Dioden bei einer Temperaturabwanderung verschieben werden, um mit der Absorptionsspitze zu überlappen und somit die Temperatur abwanderung auszugleichen. Wenn die Temperatur zum Beispiel unter einen Mittelpunkt (d. h., 25°C) abwandern würde, würden sich Dioden mit einer Emissionswellenlänge, die größer als die Absorptionsspitze ist, für eine größere Überlappung mit der Spitze abwärts verschieben, was einen Ausgleich für Dioden an der anderen Seite der Spitze, die sich weiter von der Spitze weg verschieben würden, schafft. Aufgrund der Asymmetrie in der Wellenleiterabsorptionsspitze befinden sich 50 bis 80% der Diodenleistung vorteilhaft an der Seite der kurzen Wellenlängen der Spitzenabsorptionswellenlänge.
Unter Verwendung eines numerischen Modells der Abhängigkeit des Diodenausgangs von der Temperatur kann man die Verteilung der Diodenwellenlängen optimieren, um eine minimale Empfindlichkeit der Verstärkerausgangsleistung gegenüber der Temperatur zu erreichen.
2A bis 2E sind schematische Diagramme eines beispielhaften Lichtwellenleiterverstärkers 10, der eine erhöhte Wärmestabilität aufweist. 2A ist ein Längsschnitt, und 2B bis 2E zeigen entsprechende Querschnitte. Der Verstärker 10 umfasst eine Länge eines Lichtwellenleiters 15, der mit Seltenerden-Dotiermitteln wie etwa Er⁺³ oder Yb⁺³ dotiert ist oder mit einem Gemisch dieser Dotiermittel co-dotiert ist. Vorteilhaft handelt es sich um einen mantelgepumpten Faserverstärker.
Wie in 2E (ein Querschnitt entlang E-E) gezeigt ist der Wellenleiter 15 eine Lichtleitfaser aus Glas, die einen Einmodenkern 16 umfasst, der aufgrund des Vorhandenseins der Seltenerden-Dotiermittel ein Verstärkungsmedium bildet, und befindet sich der Kern 16 in einer ersten Schicht aus einem Mantel 17 und einer Außenschicht aus einem Mantel 18, die einen verringerten Brechungsindex aufweist. Der äußere Mantel 18 kann aus einem fluorierten Polymer mit niedrigem Index hergestellt sein. Der doppelte Mantelaufbau stellt die Wellenleitung des Lichts sicher.
Der Wellenleiter wird durch mehrere Halbleiterdioden 9A, 9B über eine jeweilige Mehrzahl von Mehrmodenfasern 11, die an ein verjüngtes Faserbündel 13 schmelzgespleißt sind, gepumpt.
Wie am besten in 2D gezeigt umfasst das verjüngte Faserbündel 13 mehrere Mehrmoden-Eingangsfasern 11 (hier sechs), und eine Einmodenfaser 31, um das zu verstärkende Signal zu tragen. Die Fasern 11 und 31 sind zu einem einzelne Aufbau 13 zusammengeschmolzen, der verjüngt wird, um der Größe und der numerischen Apertur (N.A.) der mantelgepumpten Faser zu entsprechen. Typischerweise wird die Länge der dotierten Faser 15 so gewählt, dass mindestens 90% des Pumplichts durch den dotierten Kern absorbiert werden. 2C und 2B zeigen die Querschnitte der Fasern 11 und 31.
Die mehreren Pumpemitter umfassen Emitter 9A, die Pumplicht mit einer ersten, verhältnismäßig kurzen Wellenlänge bereitstellen, die kürzer als die Spitzenabsorptionswellenlänge ist, und Emitter 9B, die Pumplicht mit einer zweiten, verhältnismäßig langen Wellenlänge bereitstellen, die länger als die Spitzenabsorptionswellenlänge ist. Die erste und die zweite Wellenlänge stellen eine bimodale Verteilung der Pumplichtwellenlänge bereit, die die Wärmeempfindlichkeit des Verstärkers verringert. Als ein repräsentatives Beispiel kön nen sich die Emitter 9A für eine dotierte Faser, die eine Spitzenabsorptionswellenlänge bei 975 nm aufweist, bei 970 nm und die Emitter 9B bei 978 nm befinden. Vorzugsweise befinden sich 2/3 der Emitter bei 970 nm und 1/3 bei 978 nm.
3 ist eine schematische Längsansicht eines Lichtwellenleiterlasers 19, der eine erhöhte Wärmestabilität aufweist. Der Laser 19 ist im Wesentlichen dem Verstärker von 2 gleich, außer dass der Wellenleiter 15 mit einem optischen Resonator 20 versehen ist, der zum Beispiel durch ein Paar von Bragg-Beugungsgittern 21 und 22 gebildet ist.
4 zeigt Ergebnisse der Modellierung der Absorption für zwei unterschiedliche Wellenlängenverteilungen, eine, bei der die Diodenmittenwellenlängen alle gleich (975 nm) sind, und eine zweite bimodale, bei der sich eine Anzahl der Dioden bei einer von zwei unterschiedlichen Wellenlängen befindet (2/3 bei 965 und 1/3 bei 975 nm). Obwohl die Absorption des Pumplichts am höchsten ist, wenn sich alle Dioden bei 975 nm befinden, ist die erste Anordnung gegenüber der Temperatur sehr empfindlich. Die bimodale Lösung andererseits ist gegenüber der Temperatur sehr unempfindlich, obwohl eine größere Faserlänge benötigt würde, um die gewünschte Pumpabsorption zu erzielen. Auf Basis dieser Ergebnisse werden Pumpdioden in zwei Gruppen mit Spitzen gewählt, die in Bezug auf das Absorptionsmaximum blau- und rotverschoben sind. Der Verstärker oder Laser wird dann so aufgebaut, dass die Dioden, die jeden seltenerdendotierten Faserabschnitt 15 pumpen, zwischen den beiden Wellenlängen der Verteilung geteilt würden. Das Modell kann auch verwendet werden, um eine Feinabstimmung der Anzahl der Dioden, die sich bei jeder Wellenlänge befinden sollten, vorzunehmen.
Es müssen zwei wichtige Temperaturauswirkungen berücksichtigt werden: die Veränderung in der Diodenausgangsleistung mit der Temperatur und die Veränderung in der Diodenwellenlänge mit der Temperatur. Nachstehend beschreiben wir einen Ansatz zur Wahl eines Subsatzes von Dioden, damit die beiden Auswirkungen einander ausgleichen.
Der Schlüssel ist, einen Gütefaktor (figure of merit, FOM) zu definieren, der den Grad der Temperaturunempfindlichkeit quantifiziert, die über einen bestimmten Temperaturbereich ΔT zwischen einer Mindest- T_min und einer Höchsttemperatur T_max erreicht wird. Wenn wir die gesamte Pumpabsorption in der Faser als Abs(T) schreiben, ist die mittlere Absorption
Dann definieren wird den Gütefaktor als die quadratische Mittelabweichung der Absorption vom Mittelwert:
Das Ziel ist, diesen FOM zu minimieren, wodurch die Temperaturempfindlichkeit minimiert wird. Die perfekte Lösung erzielt FOM_Abs = 0, obwohl dies im Allgemeinen nicht erzielbar ist.
Die Weise, auf die Abs(T) beeinflusst. wird, und daher FOM_Abs minimiert wird, wird hier beschrieben.
P(T) ist die Diodenleistung als eine Funktion der Temperatur T für einen konstanten Diodenantriebsstrom.
λ(T) ist die Dioden(mitten)wellenlänge als eine Funktion der Temperatur, und
A(λ) ist der Anteil der Pumpung, der in einer gegebenen Faserlänge absorbiert wird, als eine Funktion der Diodenwellenlänge λ.
Dann ist die gesamte Pumpabsorption in der Faser, von einer durch i bezeichneten Diode, Absi(T) = Pi(T)·A(λi(T)) Abs(T) – P(T)·A(λ(T)),und für eine Gruppe von Dioden, die durch den Index i bezeichnet ist, Abs(T) = Summe über i von [Pi(T)·A(λi(T))].
Ein Diodenbenutzer kann P(T) oder λ(T) nicht steuern, kann aber durch Wählen von Dioden auf Basis der Pumpwellenlänge bei irgendeiner Bezugstemperatur A(λ_i(T)) beeinflussen. Dies ist in 5 veranschaulicht, die zeigt, dass die Abhängigkeit von A von λ in verschiedenen Wellenlängenbereichen ziemlich unterschiedlich sein kann. Das Ziel ist, das einzelne λ_i so zu wählen, dass über den benötigten Temperaturbereich (ΔT) ein so kon stantes Abs(T) als möglich erreicht wird. Wenn ΔT klein genug ist, sind alle drei Funktionen P, λ und A in diesem Temperaturbereich beinahe linear, und kann man sich dem Problem durch Betrachten nur von Ableitungen zuwenden:
Für eine Temperaturunempfindlichkeit ist dA/dT = 0, weshalb die λ_i so gewählt werden, dass jene ∂A/∂λ_i erhalten werden, die dies erreichen.
Wenn ΔT groß genug wird, nimmt der Diodenwellenlängenbereich Δλ zu und befindet sich A(λ) über den Temperaturbereich nicht länger dicht an der Linearen. Daher müssen die λ_i so gewählt werden, dass die Krümmung von A(λ) (zweite Ableitung) wie auch die Neigung gehandhabt werden. Wie gut der Ansatz die gewünschte Temperaturempfindlichkeit erreicht, wird durch den erreichten FOM-Wert bestimmt.
6A und 6B veranschaulichen zwei Bereiche von A(λ), die unterschiedlichen λ_i entsprechen und so gewählt sind, dass sie versetzende Krümmungen aufweisen und (wenn sie summiert sind) eine bestimmte Neigung erzeugen. Die durchgehende Kurve beruht auf der Summierung der einzelnen (gestrichelten) Kurven. Das Ergebnis in 6B ist ein sehr lineares Absorptionsansprechen, während sich die Wellenlänge verschiebt. In diesem Fall ist die Anzahl der Dioden an den beiden Wel lenlängen nicht die gleiche.
Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen für nur einige wenige der vielen bestimmten Ausführungsformen, die Anwendungen der Grundsätze der Erfindung darstellen können, veranschaulichend sind. Zahlreiche und verschiedene andere Anordnungen können durch Fachleute leicht erdacht werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Lichtwellenleiterlaser oder -verstärker, umfassend: eine Länge eines seltenerdendotierten Lichtwellenleiters (15), der eine Spitzenabsorptionswellenlänge aufweist; mehrere Halbleiterpumpemitter, die Lichtausgangswellenlängen aufweisen, wobei die mehreren Halbleiterpumpemitter bestehen aus; und gekennzeichnet sind durch: eine erste Mehrzahl von Halbleiterpumpemittern (9A), die Lichtausgangswellenlängen aufweisen, welche von der Spitzenabsorptionswellenlänge um 0,5 bis 1,0% zur Seite der kurzen Wellenlängen der Absorptionsspitze hin versetzt sind; eine zweite Mehrzahl von Halbleiterpumpemittern (9B), die Lichtausgangswellenlängen aufweisen, welche von der Spitzenabsorptionswellenlänge um 0,5 bis 1,0% zur Seite der langen Wellenlängen der Absorptionsspitze hin versetzt sind; und wobei die erste Mehrzahl von Halbleiterpumpemittern und die zweite Mehrzahl von Halbleiterpumpemittern in der Wellenlänge derart um die Wellenleiterspitzenabsorptionswellenlänge beabstandet sind, dass sich dann, wenn sich der Beitrag des Pumplichts von einer Mehrzahl von Halbleiterpumpemittern innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs mit der Temperatur verändert, der Beitrag des Pumplichts von der anderen Mehrzahl von Halbleiterpumpemittern in einer komplementären Weise verändert, um eine Pumpabsorption im Lichtwellenleiter zu erzielen, um die Wärmestabilität des Lasers oder Verstärkers zu erhöhen.
Lichtwellenleiterlaser oder -verstärker nach Anspruch 1, wobei die erste Mehrzahl von Pumpemittern 50 bis 80% der Pumpleistung bereitstellt.
Lichtwellenleiterlaser oder -verstärker nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter mit Erbium dotiert ist.
Lichtwellenleiterlaser oder -verstärker nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter mit Ytterbium dotiert ist.
Lichtwellenleiterlaser oder -verstärker nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter mit Erbium und Ytterbium co-dotiert ist.