DE60310363T2 - Raman Faserlaser mit mehrwellenlängiger, stabiler, kleiner Ausgangsleistung für Anwendungen als Seed-Laser - Google Patents

Raman Faserlaser mit mehrwellenlängiger, stabiler, kleiner Ausgangsleistung für Anwendungen als Seed-Laser Download PDF

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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/30Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H01S3/302Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects in an optical fibre

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Raman-Lasereinrichtung mit einem ersten Resonator, in dem ein Laser-Betrieb mit einer ersten Frequenz erfolgt, und mit mindestens einem zweiten Resonator, in dem ein Laser-Betrieb mit einer zweiten Frequenz erfolgt, wodurch im Inneren der jeweiligen Resonatoren erste und zweite Wellen mit einer ersten und einer zweiten Leistung erzeugt werden und wodurch Strahlen erzeugt werden, die sich außerhalb der Resonatoren ausbreiten durch Auskopplung eines Teils der ersten Leistung und eines Teils der zweiten Leistung unter Verwendung entsprechender Auskoppelspiegel und unter Dämpfung des ausgekoppelten Teils der zweiten Leistung, ohne den im Resonator verbleibenden ergänzenden Teil der zweiten Leistung zu dämpfen.
  • Eine solche Raman-Lasereinrichtung ist an sich bekannt. Raman-Lasereinrichtungen mit mehreren Ausgangs-Wellenlängen sind ein viel versprechendes Mittel für Pumpanwendungen der zweiten Ordnung in optischen Telekommunikationssystemen.
  • Darüber hinaus wird im Dokument US 6 407 855 eine optische Breitbandquelle beschrieben, die zwei kaskadierte Raman-Resonatoren („Cascaded Raman Resonators", CRR) umfasst. Beide kaskadierten Raman-Resonatoren umfassen ein individuelles Set von Gittern, die die entsprechenden Resonatoren im gleichen Verstärkungsmedium abschließen. Gemäß diesem Dokument stehen die beiden CRR-Strukturen im Wettbewerb um die optische Leistung, weil sie das gleiche Verstärkungsmedium überlappen. Ein durchstimmbares Gitter innerhalb eines der Gitter erlaubt eine Verringerung der Effizienz des betreffenden CRRs und damit die Verringerung der Ausgangsleistung des betreffenden CRRs, während andererseits die Ausgangsleistung des anderen CRRs erhöht wird. Dieses Dokument strebt somit ein geglättetes Verstärkungsprofil an. In einer Ausführungsform werden langperiodische Gitter zur Dämpfung der Leistung bestimmter Wellenlängen an der Eingangsseite der CRRs verwendet, um an der Ausgangsseite der CRRs ein geglättetes Verstärkungsprofil zu erzielen.
  • Der Artikel „Slanted gratings UV-written in photosensitive cladding fibre" (in lichtempfindliche ummantelte Fasern UV-eingeschriebene geneigte Gitter), Electronics Letters, IEE Stevenage, GB, Vol. 35, Nr. 3, Seite 234–236, zeigt experimentelle Ergebnisse zu geneigten Gittern, die in eine lichtempfindliche ummantelte Faser UV-eingeschrieben wurden und die statt langperiodischer Gitter (LPGs) zur Glättung des Verstärkungsspektrums Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFAs) eingesetzt werden können. Gemäß diesem Dokument haben geneigte Fasergitter eine niedrigere Temperaturempfindlichkeit als LPGs und können einfach thermisch stabilisiert werden. Darüber hinaus beschreibt dieses Dokument, dass sich bei Einbindung solcher Gitter in Verstärkermodulen die Rausch-Kennzahlen verschlechtern können. Zur Abmilderung dieses Nachteils wird in diesem Dokument vorgeschlagen, die Rück-Reflexion des Gitters zu verringern.
  • Im Bereich der optischen Telekommunikation ist es allgemein bekannt, dass optische Signale, die sich in einer Transmissionsfaser ausbreiten, mithilfe des Raman-Effekts durch eine Pumplichtwelle mit gleicher oder entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung verstärkt werden können. Bedingt durch den Raman-Effekt unterliegt Pumplicht mit einer kurzen Wellenlänge einer Streuungs-Interaktion mit dem Fasermaterial. Die Frequenz des emittierten Lichts wird heruntergeschaltet. Wenn die heruntergeschaltete Frequenz der Signalfrequenz entspricht, kann das Signal durch eine stimulierte Raman-Emission verstärkt werden, in der das Signallicht die Emission von Streulicht auslöst.
  • Der Energietransfer kann direkt zwischen einer Pumpwelle und der Signalwelle erfolgen. Ein solcher Transfer wird im Allgemeinen als Pumpen der ersten Ordnung bezeichnet. Darüber hinaus kann die erste Pumpwelle, also die Pumpwelle, die Energie an das Signal überträgt, selbst von einer zweiten Pumpwelle mit Pumplicht versorgt werden.
  • Ein solcher Pumpprozess mit einer zweiten Pumpwelle wird als Pumpen der zweiten Ordnung bezeichnet.
  • Bei Pumpanwendungen der zweiten Ordnung ist es wünschenswert, dass eine leistungsstarke Pumpwelle der zweiten Ordnung die Faser pumpt, die ihre Leistung entlang der Faser an die Pumpwelle der ersten Ordnung mit einer längeren Wellenlänge transmittiert. Ein solcher Energietransfer setzt jedoch auch voraus, dass in den Pumpwellen der ersten Ordnung bereits eine geringe Leistung vorliegt. Eine solche Pumpwelle der ersten Ordnung mit geringer Leistung wird auch als „Seed" (Keim) bezeichnet. Ein allgemein bekanntes Verfahren zum Erzeugen eines solchen Seed ist die Verwendung einer Laserdiodenquelle im Bereich 14xx nm zum Starten der Seeds in der Faser sowie die Verwendung eines Raman-Lasers mit einer einzigen leistungsstarken Wellenlänge von ca. 1360 nm zum Pumpen der Seeds. Die Verwendung von Laserdioden zum Starten der Seeds erfordert jedoch Multiplexing-Schemata, die die Kosten der Einrichtung in die Höhe treiben.
  • Die in diese Seeds eingespeiste Leistung sollte einerseits niedrig sein, um die Verstärkung in die Leitungsfaser zu pushen und damit die Rauschleistung der Übertragung zu verbessern. Außerdem muss die Leistung in den Seeds über dem Laser-Schwellenwert liegen, um einen stabilen Seed aufrechtzuerhalten. Dementsprechend ist es wünschenswert, eine Raman-Lasereinrichtung zu verwenden, die mit einer leistungsstarken Wellenlänge und (mindestens) einer Seed- Wellenlänge gleichzeitig emittiert, wobei die in den Seed emittierte Leistung stabil sein und nahe am Laser-Schwellenwert liegen muss.
  • Die eingangs erwähnte, an sich bekannte Raman-Lasereinrichtung emittiert gleichzeitig im Bereich der Wellenlänge 1360 nm und im Bereich 14xx nm. Damit eine stabile Leistung in den Seeds des Bereichs 14xx vorliegt, arbeitet der bekannte Laser deutlich über dem Laser-Schwellenwert (im jeweiligen Laser-Resonator), und die vom Laser ausgekoppelte Leistung der Seed-Welle wird mithilfe eines langperiodischen Gitters (LPG) gedämpft. Eine solche Raman-Lasereinrichtung ist im Artikel „Dual-Order Raman pump providing improved noise figure and large gain bandwidth" (Raman-Pumpe der zweiten Ordnung mit verbesserter Rauschleistung und großer Verstärkungs-Bandbreite), Proceedings OFC 2002 (Anaheim, CA), Postdeadline Paper FB3 von JC Bouteiller et al. beschrieben.
  • Ein langperiodisches Gitter ist jedoch temperaturempfindlich. Außerdem muss ein langperiodisches Gitter ca. 50 mm lang sein, um eine Spektralbreite zu haben, die klein genug ist, um verschiedene Ausgangs-Wellenlängen im Bereich 14xx nm auswählen zu können; dies verträgt sich nicht mit den derzeitigen Anforderungen hinsichtlich der Kompaktheit im entsprechenden Bereich der Raman-Lasereinrichtungen. Darüber hinaus erfordert ein langperiodisches Gitter wegen seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen eine spezielle Verpackung.
  • Vor dem Hintergrund des oben beschriebenen Stands der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Raman-Lasereinrichtung zu schaffen mit einer niedrigen und stabilen Ausgangsleistung für Seed-Wellen, die für Pumpanwendungen der zweiten Ordnung gestartet wurden, wobei die vorliegende Erfindung die Nachteile bei der Verwendung langperiodischer Gitter vermeidet.
  • Dieses Ziel wird erreicht durch eine Raman-Lasereinrichtung nach Anspruch 1.
  • Die vorgeschlagene Lösung schafft die gewünschten Eigenschaften und kann problemlos implementiert werden. Insbesondere die herkömmlichen Raman-Lasereinrichtungen, die Faser-Bragg-Gitter als Auskoppelspiegel verwenden, können durch Verwendung von Faser-Bragg-Gittern zur Dämpfung der ausgekoppelten Welle modifiziert werden. Zur Unterscheidung zwischen der vorliegenden Erfindung und herkömmlichen Raman-Lasereinrichtungen mit Faser-Bragg-Gittern als Auskoppelspiegel ist zu beachten, dass herkömmliche Auskoppelspiegel zum Erzielen einer maximalen Ausgangsintensität konzipiert wurden. Das Erzielen einer maximalen Ausgangsintensität ist allem Anschein nach ein Gegensatz zu der Anforderung, eine gedämpfte Welle zu erzielen.
  • Da nur der aus dem Resonator ausgekoppelte Teil gedämpft wird, treten keine nachteiligen Auswirkungen auf das Erzeugen des Seed-Strahls im Inneren des Resonators auf. Entsprechend kann im Inneren des Resonators eine stabile Seed-Welle erzeugt werden, während der Leistungsteil der Seed-Welle in der Faser außerhalb des Resonators gedämpft werden kann, um die Rauschleistung des Systems zu verbessern.
  • Ein höherer Reflexionsgrad verringert den Teil der aus dem Resonator ausgekoppelten Leistung und vergrößert den reflektierten Anteil der Energie, der im Inneren des Resonators verbleibt. Entsprechend wird das Absenken des Laser-Schwellenwerts veranlasst. Der Laser-Resonator funktioniert somit gut oberhalb des entsprechenden Schwellenwerts, und die Ausgangsleistung ist stabil.
  • Es ist des Weiteren bevorzugt, dass es sich bei mindestens einem Faser-Bragg-Gitter um ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter handelt.
  • Ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter ist ein Standardgitter, das beim Licht-Einschreiben um einen Winkel zwischen dem Saum und der Normalen der Faserachse geneigt wurde. Ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter kann einfach in den Ausgangsabschnitt einer Raman-Lasereinrichtung eingebunden werden.
  • Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Dämpfung des geneigten Faser-Bragg-Gitters durch Variieren der zentralen Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters einstellbar ist.
  • Im Fall einer Raman-Lasereinrichtung für Pumpanwendungen der zweiten Ordnung ist es von Vorteil, dass die Leistung im Seed einstellbar ist. Es ist an sich bekannt, dass die Dämpfung eines geneigten Faser-Bragg-Gitters durch Anlegen mechanischer Druck- oder Temperaturvariationen eingestellt werden kann.
  • Entsprechend wird bevorzugt ein solcher bekannter Mechanismus verwendet, der die Dämpfung des geneigten Faser-Bragg-Gitters über die Anwendung eines mechanischen Drucks oder einer Temperatur einstellt.
  • Zum Erzielen des gewünschten Reflexionsgrads umfasst die Raman-Lasereinrichtung vorzugsweise eine Steuereinheit zur Einstellung des Reflexionsgrads des Faser-Bragg-Gitters.
  • Als Alternative zur Einstellung des Reflexionsgrads des Auskoppelspiegels sollte der ausgekoppelte Teil der zweiten Leistung vorzugsweise über ein zusätzliches geneigtes Faser- Bragg-Gitter, das räumlich vom Auskoppelspiegel getrennt ist, gedämpft werden.
  • Aus Gründen der einfacheren Fertigung sollte es sich bei dem Auskoppelspiegel vorzugsweise ebenfalls um ein Faser-Bragg-Gitter handeln. Dies bietet außerdem noch den Vorteil, dass sich die Eigenschaften der Kombination aus Auskoppelspiegel-Gitter und des gedämpften geneigten Gitters addieren. Die Eigenschaften der Kombination können daher bei der Konzeption eines der beiden Gitter oder bei der Konzeption beider Gitter abgestimmt werden.
  • Es ist daher zu bevorzugen, dass mindestens eines der Faser-Bragg-Gitter als Auskoppelspiegel dient und dass die Faser des geneigten Faser-Bragg-Gitters einstellbar ist. Es ist insbesondere zu bevorzugen, dass beide Gitter voneinander unabhängig einstellbar sind, um einen maximalen Freiheitsgrad bei der Einstellung der Kombination zu erzielen.
  • Es ist des Weiteren zu bevorzugen, dass das geneigte FBG zum Schließen des Resonators wie auch zum Dämpfen des ausgekoppelten Teils der Leistung verwendet wird.
  • Es ist des Weiteren bevorzugt, dass der ausgekoppelte Teil der zweiten Leistung gedämpft wird durch Überlagerung der beiden geneigten Faser-Bragg-Gitter oder die Überlagerung mindestens eines geneigten Faser-Bragg-Gitters und eines Standard-Faser-Bragg-Gitters.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine solche Überlagerung die erforderlichen Eigenschaften zur Nutzung der beiden separaten Gitter schafft und gleichzeitig den Vorteil hinsichtlich der auftretenden Kosten bewahrt, den ein einziges Gitter bietet.
  • Weitere Vorteile lassen sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ersehen, in denen gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente verweisen.
  • Es ist klar, dass die oben erläuterten Eigenschaften und die weiter unten noch folgenden Eigenschaften nicht nur in der jeweiligen Kombination verwendet werden können, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung ausführlich erläutert. Für die Zeichnungen gilt:
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Raman-Lasereinrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Leitungsfaserbereich, der von der Raman-Lasereinrichtung aus 1 gepumpt wird;
  • 3 illustriert den Energietransfer in Pumpanwendungen der zweiten Ordnung;
  • 4 zeigt die Ausgangsintensität gegenüber der Transmission einer Ausgangskopplung;
  • 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Kombination eines reflektierenden Gitters und eines geneigten Gitters im Ausgangsabschnitt der Raman-Lasereinrichtung;
  • 6 zeigt die Transmission/Reflexion des reflektierenden Gitters in Relation zur Wellenlänge;
  • 7 zeigt die Transmission des geneigten Gitters im Vergleich zur Wellenlänge für einen optimierten Winkel, der keine Reflexion zulässt;
  • 8 zeigt die Transmission eines Reflexionsspektrums eines einzelnen geneigten Faser-Bragg-Gitters; und
  • 9 zeigt das Transmission-Reflexionsspektrum in Relation zur Wellenlänge einer Überlagerung von zwei geneigten Faser-Bragg-Gittern.
  • In 1 kennzeichnet die Kennungsreferenz 10 eine vollständige Raman-Lasereinrichtung. Die Raman-Lasereinrichtung 10 umfasst einen kontinuierlichen Wellen-Pumplaser 12, eine Länge 20 einer Raman-Verstärkungsfaser, eine erste Gruppe 18 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen, eine zweite Gruppe 22 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen und eine dritte Gruppe 24 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen.
  • Bei Betrachtung in Richtung der Lichtausbreitung vom kontinuierlichen Wellen-Pumplaser 12 über die Länge 20 der Raman-Verstärkungsfaser ist die erste Gruppe 18 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen vor dem Zwischenbereich 20 der Faser angeordnet, während die zweite Gruppe 22 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen und die dritte Gruppe 24 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen hinter dem Zwischenbereich 20 der Faser angeordnet sind.
  • Die Länge der Raman-Verstärkungsfaser 20 zwischen dem Pumplaser 12 und der Wellenlängen-Auswahleinrichtung 28 bildet einen integrierten Pump-Resonator, in dem die vom Pumplaser 12 emittierte Pumpwelle ein Mal vom FBG 28 reflektiert wird. Ebenso bilden die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 30 und 32, die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 34 und 36 sowie die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 38 und 40 weitere in die Länge 20 der Raman-Verstärkungsfaser eingebettete Resonatoren.
  • Die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 2840 lassen sich als Fabry-Perot Interferometer realisieren. Alternativ dazu können sie auch als um die entsprechenden ausgewählten Wellenlängen herum zentrierte Faser-Bragg-Gitter realisiert werden. Für eine kontinuierliche Pumpwellenlänge von 1117 nm können die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 30 und 32 um eine Wellenlänge von 1167 nm herum zentriert sein, also einen Stokes von der Pumpwellenlänge von 1117 nm entfernt. Ebenso können die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 34 und 36 eine Wellenlänge von 1223 nm auswählen, und die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 38 und 40 können eine Wellenlänge von 1284 nm auswählen.
  • Die Frequenz der vom kontinuierlichen Pumpwellenlaser 12 emittierten Pumplichtwelle wird mithilfe des Raman-Effekts sukzessive auf die ausgewählte Wellenlänge von 1167 nm, 1223 nm und 1284 nm heruntergeschaltet. Entsprechend werden die ausgewählten Wellenlängen im Allgemeinen so festgelegt, dass sie um die einer Stokes-Frequenz entsprechende Wellenlänge voneinander abgesetzt sind.
  • Wie allgemein bekannt, gibt die Stokes-Frequenz die Größe der Frequenzverschiebung durch den Raman-Effekt an. Entsprechend wird eine von der Frequenz einer Pumpwelle um eine Stokes-Frequenz heruntergeschaltete Welle häufig als ein Stokes bezeichnet. Da alle Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 28 bis 40 einen hohen Reflexionsgrad in der Größenordnung von 99% aufweisen, schwingt jeweils Licht der ausgewählten Frequenzen in den von dem entsprechenden Wellenlängen-Auswahleinrichtungspaar 30, 32; 34, 36 und 38, 40 gebildeten Resonatoren ohne größere Verluste.
  • Im Gegensatz dazu wird eine Vielzahl weiterer Resonatoren geschaffen, die die gewünschte Vielzahl von Wellenlängen emittieren, wobei jeder Resonator eine einzige Wellenlänge emittiert. In 1 werden zwei solcher Resonatoren durch die Wellenlängen-Auswahleinrichtungspaare 42, 44; 46, 48 gebildet. Es können jedoch mehr als zwei solcher Resonatoren bereitgestellt werden, je nach der gewünschten Anzahl von Ausgangs-Wellenlängen der Raman-Lasereinrichtung 10.
  • Die beiden Resonatoren, die die Ausgangs-Wellenlängen bereitstellen, werden nachfolgend als erster Resonator und zweiter Resonator bezeichnet. Die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 44 der ersten Gruppe 18 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen und die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 42 der dritten Gruppe 24 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen bilden den ersten Resonator, in dem ein Laser-Betrieb mit einer ersten Ausgangsfrequenz erfolgt. Ebenso bilden die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 46 der dritten Gruppe 24 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen und die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 48 der ersten Gruppe 18 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen den zweiten Resonator, in dem ein Laser-Betrieb mit einer zweiten Ausgangsfrequenz erfolgt.
  • Entsprechend werden die jeweiligen ersten und zweiten Wellen mit einer ersten Leistung und einer zweiten Leistung im ersten Resonator bzw. im zweiten Resonator gebildet. Da die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 42 und die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 46 der dritten Gruppe 24 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen einen Reflexionsgrad aufweisen, der im Vergleich zu dem Reflexionsgrad von 99% der Wellenlängen-Auswahleinrichtungen der ersten Gruppe 18 und der zweiten Gruppe 22 von Wellenlängen-Auswahleinrichtungen reduziert ist, werden erste und zweite Strahlen erzeugt, die von dem jeweiligen über die Wellenlängen-Auswahleinrichtungen 42, 44 und 46, 48 in der Raman-Verstärkungsfaser 20 eingebetteten Resonator emittiert werden.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 42 einen Reflexionsgrad von ca. 10% haben, während die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 46 einen hohen Reflexionsgrad von über 40%, konkret sogar einen Reflexionsgrad von ca. 60% haben kann. In Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik liegt der Reflexionsgrad normalerweise unter 40%, und der Ausgang ist bei einer niedrigen Ausgangsleistung bei 14xx nm nicht stabil. Entsprechend hat der mit der Wellenlängen-Auswahleinrichtung 42 gekoppelte erste Strahl eine höhere Leistung als die über die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 46 ausgekoppelte zweite Wellenlänge. Sowohl die erste als auch die zweite Wellenlänge mit 1351 nm und 14xx nm gelangen über die gleiche Faser aus dem Laser heraus. Die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 42 des ersten Resonators kann eine zentrale Wellenlänge von 1351 nm aufweisen, und die Wellenlängen-Auswahleinrichtung 46 des zweiten Resonators kann eine zentrale Wellenlänge von 1428 nm aufweisen. Wie bei den anderen zuvor beschriebenen Wellen stellen die beiden Ausgangswellen aufeinander folgende Stokes-Wellen dar, die mithilfe des Raman-Effekts in der Raman-Lasereinrichtung 10 erzeugt wurden. Der Reflexionsgrad des Faser-Bragg-Gitters 46 kann mithilfe eines bekannten Einstellungsmechanismus eingestellt werden, d. h. über mechanischen Druck oder Hitze über entsprechende Mittel 47, die über eine Steuereinrichtung 49 gesteuert werden.
  • 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Bereich 50 einer Leitungsfaser, der von der Raman-Lasereinrichtung 10 aus 1 gepumpt wird. Der Pfeil 52 gibt die Richtung der Signalausbreitung in der Leitungsfaser 50 an. Gemäß dieser Darstellung breiten sich die Signale über die Leitungsfaser 50 von links nach rechts aus. Die ersten und zweiten von der Raman-Lasereinrichtung 10 erzeugten Wellen werden so in die Leitungsfaser 50 eingespeist, dass sie sich in der umgekehrten Richtung ausbreiten, also von rechts nach links. Die Verwendung solcher Pumpwellen mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung statt Pumpwellen mit gleicher Ausbreitungsrichtung reduziert das Erzeugen von Rauschstörungen in der Leitungsfaser 50.
  • Die erste (leistungsstarke) Stokes-Welle von potenziell 1351 nm pumpt die Leitungsfaser 50 mit einer Leistung von ca. 1 W. Entlang der Faser 50 transmittiert dieser Stokes seine Leistung an die Wellenlänge mit 1428 nm (geringe Leistung), die von der Raman-Lasereinrichtung 10 als Seed in Leitungsfaser 50 gestartet wird. Eine typische Leistung einer Seed-Welle beim Starten liegt bei weniger als 100 mW. Des Weiteren wird die Leistung von der Pump-Seed-Welle an die Signal-Wellenlänge, die im Bereich von 1530 nm–1550 nm liegt, transmittiert.
  • Diese Übertragung von Energie ist in 3 schematisch dargestellt; hierbei kennzeichnet der Pfeil 56 die zentrale Wellenlänge 1351 nm des Stokes, der die Leitungsfaser 50 (erste aus der Raman-Lasereinrichtung 10 ausgekoppelte Leistung) pumpt. Ebenso zeigt der Pfeil 58 die zentrale Wellenlänge 1428 nm des Seeds (zweite aus der Raman-Lasereinrichtung 10 ausgekoppelte Leistung), und der Pfeil 58 zeigt eine zentrale Wellenlänge der sich in der Leitungsfaser 50 ausbreitenden Signale. Der Seed mit 1428 nm wird als Pumpe der ersten Ordnung bezeichnet, während der Stokes mit 1351 nm als Pumpe der zweiten Ordnung bezeichnet wird. Voraussetzung dafür, dass der Pump-Stokes mit 1351 nm seine Leistung an die Seed-Wellenlänge mit 1428 nm während der Ausbreitung entlang der Leitungsfaser 50 transmittieren kann, ist, dass im Seed bereits eine geringe Leistung vorhanden ist.
  • Gemäß der Erfindung wird eine geringe aber stabile Leistung im Seed erzielt durch Dämpfung der mithilfe mindestens eines Faser-Bragg-Gitters aus der Raman-Lasereinrichtung ausgekoppelten zweiten Leistung.
  • Die Dämpfung kann erzielt werden durch eine einzelne Faser-Bragg-Gitter Wellenlängen-Auswahleinrichtung 46 mit einem Reflexionsgrad, der höher liegt als der Reflexionsgrad, bei dem die höchste Ausgangsleistung erzielt wird. 4 zeigt die Ausgangsintensität eines Lasers als Funktion der Transmission. Wie allgemein bekannt, entspricht der Reflexionsgrad 1-Transmission. Entsprechend impliziert ein Maximum bei der Transmission ein Minimum beim Reflexionsgrad. Wie aus 4 ersichtlich, vergrößert sich die Ausgangsintensität I zunächst mit der Vergrößerung der Transmission bis zu einem Maximalwert I_max bei einem bestimmten optimalen Transmissionswert T_opt, der niedriger liegt als der maximale Transmissionswert (100%). Die weitere Vergrößerung der Transmission über T_opt hinaus führt zu einem Abfallen der Intensität.
  • Zum Erzielen einer hohen Ausgangsintensität, d. h. einer hohen Ausgangsleistung, ist ein Auskoppelspiegel zum Abschließen eines Laser-Resonators normalerweise so konzipiert, dass er eine Transmission (und einen entsprechenden Reflexionsgrad) aufweist, die für eine maximale Ausgangsintensität sorgt. Dies gilt auch für den Fall, in dem ein Faser-Bragg-Gitter als Auskoppelspiegel verwendet wird. Eine solche Nutzung eines Faser-Bragg-Gitters mit der Transmission T_opt ist allgemein bekannt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Reflexionsgrad (und die Transmission) dieses bestimmten Faser-Bragg-Gitters 46, das zum Koppeln des Seed-Strahls aus dem jeweiligen Resonator einer Raman-Lasereinrichtung 10 verwendet wird, jedoch so konzipiert, dass der Reflexionsgrad suboptimal gewählt wird, sodass es den Transmissionswerten links vom Transmissionswert T_opt mit der maximalen Intensität entspricht.
  • Entsprechend wird weniger Leistung aus dem jeweiligen Laser-Resonator ausgekoppelt, und daher verbleibt mehr Leistung im jeweiligen Laser-Resonator. Daher werden zwei gewünschte Effekte gleichzeitig erzielt: Der im Inneren des jeweiligen Laser-Resonators verbleibende höhere Betrag der Leistung macht es möglich, dass die im Resonator schwingende Welle den Laser-Schwellenwert übersteigt. Dadurch wird die Stabilität der im Resonator schwingenden Welle verbessert. Da die Stabilität des emittierten Seeds von der Stabilität der im Resonator schwingenden Welle abhängt, wird die Stabilität des emittierten Seeds ebenfalls verbessert.
  • Des Weiteren wird durch das Verringern des Betrags der ausgekoppelten Leistung auch die Leistung der erzeugten Seed-Welle gedämpft. Es ist zu beachten, dass die Vergrößerung und Verringerung der entsprechenden Werte im Vergleich zu einem Fall erfolgt, bei dem eine maximale Ausgangsleistung wünschenswert ist.
  • Als Alternative dazu wird eine klassische Raman-Lasereinrichtung 10 mit eingebetteten Resonatoren durch zusätzliche, über geneigte Faser-Bragg-Gitter realisierte Dämpfer ergänzt, die bei jeder Ausgangs-Wellenlänge zentriert sind und die räumlich hinter dem Auskoppelspiegel angeordnet sind. In einer solchen Ausführungsform addieren sich die Transmissions- und Reflexionsmerkmale der beiden Gitter einfach.
  • Ein geneigtes Bragg-Gitter ist ein Standardgitter, das beim Licht-Einschreiben um einen Winkel zwischen dem Saum und der Normalen der Faserachse geneigt wurde. Bedingt durch diesen Winkel, koppelt das Gitter einen Teil der Leistung im kontrollierten Modus entgegen der Ausbreitungsrichtung in den Cladding-Modus. Die Dämpfungs-Spektralform wird anschließend durch den Kopplungsumschlag in den Cladding-Modus erzielt.
  • Durch die Auswahl eines geeigneten Winkels kann der Wert der Rückwärts-Reflexion (d. h. der Dämpfung, also der im Cladding-Modus rückwärts gekoppelten Leistung) und damit die Kopplung des Basismodus entgegen der Ausbreitungsrichtung verringert oder optimiert werden.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Länge einer Raman-Verstärkungsfaser 16 mit einem reflektierenden Faser-Bragg-Gitter 46, das als Auskoppelspiegel zum Erzeugen des Seed-Strahls verwendet wird und das zusätzlich ein räumlich hinter dem Auskoppelspiegel angeordnetes Faser-Bragg-Gitter 62 umfasst. Wie beim Reflexionsgrad des Faser-Bragg-Gitters 46 kann die Dämpfung des geneigten Faser-Bragg-Gitters 62 mithilfe eines bekannten Mechanismus eingestellt werden, d. h. über mechanischen Druck oder Hitze über entsprechende Mittel, die über eine Steuereinrichtung gesteuert werden.
  • Kurve 64 in 6 verdeutlicht die Transmission des reflektierenden Faser-Bragg-Gitters 46, und Kurve 66 zeigt die entsprechende Reflexion. Kurve 68 in 7 zeigt die Dämpfungstransmission des geneigten Faser-Bragg-Gitters 68 in den Strahlungsmodi. Wie oben beschrieben, addieren sich die beiden Transmissionen der beiden Gitter einfach.
  • Im Folgenden werden zwei Variationen dieser Lösung betrachtet.
  • Als erste Variation wird nur ein einziges geneigtes Faser-Bragg-Gitter 62 verwendet statt einer Kombination eines reflektierenden Faser-Bragg-Gitters 46 und eines geneigten Faser-Bragg-Gitters 62. Die sekundäre Reflexion des geneigten Faser-Bragg-Gitters 62 wird anschließend zum Abschließen des Resonators an den einzelnen Ausgangs-Wellenlängen und zum Realisieren der Reflexionsfunktion verwendet. Die Wellenlänge im Cladding-Modus wird an der Wellenlänge dieser sekundären Reflexion ausgerichtet und erlaubt die Transmission der Ausgangs-Wellenlänge mit einer vom geneigten Faser-Bragg-Gitter definierten Dämpfung.
  • 8 verdeutlicht die resultierende Transmissions- und Reflexionseigenschaften, die durch eine solche Variation zum Auskoppeln eines Seeds und durch das Dämpfen dieses Seeds zum Erzielen eines stabilen Seeds mit niedriger Leistung erhalten wurden. Kurve 70 entspricht der Transmission des geneigten FBGs. Die Keule 75 zeigt die Transmission in den Strahlungsmodi, wie Kurve 68 in 7. Durch die angemessene Auswahl eines Winkels kann der gewünschte Dämpfungswert in den Cladding-Modi und der entsprechenden sekundären Reflexion gewählt werden. Kurve 72 zeigt die Reflexion des geneigten FBGs. Die kleinen Keulen auf der rechten und linken Seite werden durch die sekundäre Reflexion verursacht, und die Hauptkeule zwischen den kleinen Keulen wird durch die Hauptreflexion hervorgerufen, die dem als kontrolliert transmittierten und zurück-reflektierten Modus entspricht.
  • Die hohe Reflexion ist die Hauptreflexion entsprechend dem kontrollierten Modus, und die kleinen Keulen werden durch die sekundäre Reflexion dieses Führungsmodus hervorgerufen. Die sekundäre Reflexion 72 auf der linken Seite wird zur Annahme der Reflexionsfunktion verwendet. Pfeil 73 von der ersten kleinen Keule 75 der Transmission (an Kurve 70) zur linken sekundären Reflexion von Kurve 72 zeigt die Wellenlänge, in der der Laser arbeitet.
  • Die zweite Ausführungsform schafft eine Überlagerung der beiden geneigten Faser-Bragg-Gitter oder eines FBGs und eines geneigten FBGs oder des äquivalenten Moiré-Gitters.
  • Das resultierende Transmissionsspektrum im Vergleich zu einer Überlagerung der beiden geneigten Faser-Bragg-Gitter ist in 9 dargestellt. Die primäre Reflexion des ersten geneigten Faser-Bragg-Gitters ist mit dem Cladding-Modus des zweiten geneigten Faser-Bragg-Gitters zentriert. Das Transmissions-Minimum entspricht dem Strahlungsmodus des ersten geneigten Faser-Bragg-Gitters, während das Minimum 76 der Transmission des ersten geneigten Faser-Bragg-Gitters und dem Strahlungsmodus des zweiten geneigten Faser-Bragg-Gitters entspricht. Das Minimum 78 entspricht der Transmission des zweiten geneigten Faser-Bragg-Gitters. Die Spitze 76 ist die verwendete Spitze.
  • Figures:
    • wavelength – Wellenlänge

Claims (9)

  1. Raman-Lasereinrichtung (10) mit einem ersten Resonator, in dem ein Laser-Betrieb mit einer ersten Frequenz erfolgt, und mit mindestens einem zweiten Resonator, in dem ein Laser-Betrieb mit einer zweiten Frequenz erfolgt, wodurch im Inneren der jeweiligen Resonatoren erste und zweite Wellen mit einer ersten und einer zweiten Leistung erzeugt werden, und wodurch Strahlen erzeugt werden, die sich außerhalb der Resonatoren ausbreiten durch Auskopplung eines Teils der ersten Leistung und eines Teils der zweiten Leistung unter Verwendung entsprechender erster und zweiter Auskoppelspiegel und unter Dämpfung des ausgekoppelten Teils der zweiten Leistung, ohne den im Resonator verbleibenden ergänzenden Teil der zweiten Leistung zu dämpfen, wobei der ausgekoppelte Teil der zweiten Leistung gedämpft wird durch mindestens ein Faser-Bragg-Gitter (46, 62), dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Auskoppelspiegel einen Reflexionsgrad aufweist, der höher liegt als der Reflexionsgrad, bei dem die höchste Ausgangsleistung erzielt wird.
  2. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Faser-Bragg-Gitter (46, 62) ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter (62) ist.
  3. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des geneigten Faser-Bragg-Gitters (46, 62) einstellbar ist.
  4. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung des geneigten Faser-Bragg-Gitters (62) durch Anlegen von mechanischem Druck oder Temperatur eingestellt werden kann.
  5. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuereinheit (47, 49) umfasst, die den Reflexionsgrad des Faser-Bragg-Gitters einstellt.
  6. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgekoppelte Teil der zweiten Leistung über ein geneigtes Faser-Bragg-Gitter (62), das räumlich vom Auskoppelspiegel getrennt ist, gedämpft wird.
  7. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Auskoppelspiegel um ein Faser-Bragg-Gitter (46, 62) handelt.
  8. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das als Auskoppelspiegel verwendete Faser-Bragg-Gitter (46) als auch das geneigte Faser-Bragg-Gitter (62) einstellbar sind.
  9. Raman-Lasereinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgekoppelte Teil der zweiten Leistung gedämpft wird durch Überlagerung von zwei geneigten Faser-Bragg-Gittern oder eines geneigten Faser-Bragg-Gitters und eines Standard-FBGs.
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