DE68928713T2

DE68928713T2 - Breitbandige Superfluoreszenz-Faserlaserquelle

Info

Publication number: DE68928713T2
Application number: DE68928713T
Authority: DE
Inventors: Michel J F Digonnet; John J Fling; Byoung Y Kim; Karen Liu; Herbert J Shaw
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2009-12-06
Also published as: EP0372907B1; DE68928713D1; KR900011082A; KR100256435B1; JPH0328830A; CA2004716C; JPH07117669B2; DE68929397D1; EP0372907A2; DE68929397T2; EP0372907A3; CA2004716A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Faseroptikanordnungen, insbesondere superfluoreszierende Faser-Laserquellen zum Emittieren breitbandiger Lichtsignale mit niedriger zeitlicher Kohärenz.

Hintergrund der Erfindung

Das Aufkommen optischer Anordnungen mit Lichtsignalen niedriger zeitlicher Kohärenz, wie etwa optische Gyroskope oder optische Prozessoren, hat zu einem Bedarf an Breitbandlichtquellen geführt, die eine relativ hohe Ausgangsleistung aufweisen und relativ inkohärente Lichtsignale emittieren. In einem Gyroskop wird z.B. eine optische Faser mit einer üblichen Länge von einem Kilometer oder mehr in eine Schleife gelegt, und in der Schleife wird ein Lichtsignal in beiden Richtungen im Kreis geführt. Die Schleifenbewegung erzeugt eine Phasendifferenz zwischen den entgegenlaufenden Lichtsignalen entsprechend den bekannten "Sagnac"-Effekt. Diese Phasendifferenz dient dann zur Messung der gyroskopischen Rotation. Aufgrund des "Sagnac"-Effektes verstärkt eine Rotation der Schleife die effektive Weglänge eines der beiden gegeneinanderlaufenden Lichtsignale. Deshalb tritt in den nach dem Schleifendurchlauf austretenden gegenläufigen Lichtsignalen eine relative Weglängendifferenz auf. Diese Weglängendifferenz wird von einem Detektor als Phasendifferenz gemessen, die damit das Ausmaß der Drehwinkelverstellung anzeigt, dem das gyroskopische System unterworfen worden ist. Die in die Schleife eingegebenen Lichtsignale sollten eine niedrige temporäre Kohärenz aufweisen, um Interferenzeffekte aus der Rayleighschen Rückstreustrahlung zu vermeiden. Da die durch die Phasenverschiebung induzierte Rotation relativ klein ist, könne jegliche Interferenzeffekte deutlich die von dem Detektor gemessene Phasendifferenz ändern und zu einer falschen Messung der aktuellen Winkelverstellung der Schleife führen. Abweichungen zwischen theoretischen Vorhersagen und aktuellen Ergebnissen sind außerdem auch anderen, nichtrotativen induzierten Phasendifferenzen zugeschrieben worden, wie z.B. solchen, die mit einer remanenten Doppelbrechung der Faser assoziiert sind. Desgleichen ist nachgewiesen worden, daß der Einsatz einer Breitbandlichtquelle mit einer niedrigen temporären Kohärenz den Kerr-Effekt ausgleicht. Eine Beschreibung dieses Nachweises findet sich in der PCT-Patentanmeldung Serial Nr. 82/01542 vom 1. November 1982 auf den Namen der Anmelders der vorliegenden Anmeldung.
Zum Einleiten von Licht in eine optische Anordnung wie etwa ein Gyroskop ist daher eine Lichtquelle von Vorteil, die eine niedrigere temporäre Kohärenz als Laserquellen, jedoch eine höhere räumliche Kohärenz als reguläre thermale inkohärente Lichtquellen aufweist. Solche Lichtquellen sollten außerdem klein und kompakt sein und einen geringen Energieverbrauch aufweisen.
Zum Einleiten von Licht in eine optische Faser werden allgemein lichtemittierende Dioden (LED, light emitting diodes) verwendet. Eine LED emittiert unter Beaufschlagung eines hindurchfließenden Stromes Licht. Das Licht kommt von Photonen der durch Loch-Elektron-Kombinationen verursachten Energie. Die Diode wird von einer externen Quelle unter Vorspannung gesetzt. Einzelheiten über den Aufbau von LED zum Einleiten eines Lichtsignals in eine optische Faser finden sich in: Robert G. Seippel, Fiber Optics, Reston Publishing Company, Inc., Reston, Virginia, S. 107-116. Während eine LED Licht emittiert, das im wesentlichen inkohärent und deshalb zur Anwendung in einem Gyroskop geeignet ist, ist die Ausgangsleistung des von einer LED emittierten Lichtes im allgemeinen in der Intensität unzureichend und macht die Erfassung sehr kleiner Drehverstellungen schwierig. Weiterhin ist das Wellenlängenspektrun des von einer LED emittierten Lichtes deutlich temperaturabhängig, was einen unerwünschten Effekt für viele optische Faseranwendungen wie auch Gyroskope darstellt. Schließlich ist auch die Kupplung einer LED an ein optisches Fasergyroskop im allgemeinen von schlechter Qualität.
Um die mit der geringen Ausgangsleistung üblicher LED verbundene Schwierigkeit zu vermeiden, sind auch superstrahlende LED eingesetzt worden. Wenn auch eine superstrahlende LED gegenüber üblichen LED eine Verbesserung bringt, ist das in eine optische Faser, insbesondere eine Einfach-Modus-Faser, eingekuppelte Lichtsignal einer superstrahlenden LED niedrig. Weiterhin ist die temporäre Kohärenz einer superstrahlenden LED nicht so niedrig wie mit einer üblichen LED. Da außerdem das von superstrahlenden LED emittierte Licht das Ergebnis von Bandübergängen ist, ist es anfälliger für Temperaturabhängigkeiten und weist deshalb nicht die Stabilität auf, die für den Einsatz in Gyroskopen und anderen optischen Systemen erforderlich ist.
Halbleiter-Laserdioden wie etwa GA(Al)As-Diodenlaser, die bei Raumtemperatur kontinuierlich in der Nähe des Infrarotbereiches arbeiten, emittieren eine hohe Lichtleistung, die zur Anwendung als Lichtquelle in optischen Systemen sehr geeignet ist. Die temporäre Kohärenz des von einer Halbleiter-Laserdiode emittierten Lichtes ist jedoch üblicherweise sehr hoch und kann unerwünschte Effekte in einem optischen System verursachen, das wie etwa ein Gyroskop wenig temporäres Licht erfordert.
Weitere auch in optischen Fasergyroskopen verwendete Miniatur- Breitbandlichtquellen sind superlumineszierende Dioden (SLD, superluminescent diodes) .LSD erfüllen jedoch generell nicht das Erfordernis der Wellenlängenstabilität, da ihre Emissionswellenlänge sehr abhängig gegenüber der Temperatur (300 ppm/ºC) und dem optischen feedback ist. Zusätzlich weisen sie einen hohen Kupplungsverlust in die Einfachmodus-Faser auf, was normalerweise zu einer nutzbaren Leistung von nur wenigen mW führt. Handelsübliche superlumineszierende Dioden haben auch nur eine kurze Lebensdauer. Das Einkuppeln in eine Einfachmodus-Faser wird darüber hinaus durch die schwache räumliche Kohärenz der superlumineszierenden Dioden behindert. Dementsprechend kann keine der vorstehend beschriebenen faserfreien Lichtquellen als optimale Lichtquelle für Gyroskope und andere optische Anordnungen angesehen werden, da sie sämtlich die die Tenperaturempfindlichkeit und die Wellenlängenstabilität betreffenden Erfordernisse nicht erfüllen.
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung hochverstärkter Fasern, die zum Erzeugen einer signifikanten superfluoreszierenden Leistung mittels verstärkter Spontanemission (ASE, Amplified Spontaneous Emission) optisch auf ein ausreichend hohes Niveau gepumpt sind, auch als Superlunineszenz bezeichnet. Gut geeignet als superfluoreszierende Quellen sind Einfachmodus-Glasfasern, die mit einen aktiven Ion dotiert sind, wie sich durch die hohe optische Verstärkung erweist, die sie liefern können. Hoch verstärkende Stoffe wie Nd:YAG in einer Faser sind besonders vorteilhaft in einer Faserausbildung. Dotierte Fasern bilden jedoch den wünschenswerten Vorteil, daß sie Licht mit einem breiteren Spektralbereich emittieren. Neuere Verbesserungen in der Art des für dotierte Fasern verwendeten Wirtsmaterials haben das Entstehen von Superfluoreszenz in dotierten Fasern ermöglicht, ohne daß auf hohe Pumplichtintensitäten zurückgegriffen werden mußte. Ein theoretische Analyse von ASE in dotierten Fasern ist in einem Artikel von Michael Digonnet niedergelegt: Tytheory of Superfluorescent Fiber Lasers", Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, Nr. 11, November 1986. Auf diesen Artikel wird hiermit Bezug genommen. Eine experimentelle Anordnung mit dotierten, Licht mittels ASE emittierenden Fasern ist ferner in den folgenden beiden Artikeln beschrieben worden: K. Liu et al., "Superfluorescent Single Mode ND:Fiber Source at 1060 nm", Electronics Letter, Vol. 23, Nr. 24, November 1987, sowie Po et al., "Neodymium Fiber Laser at 0.905, 1.06 and 1.3 microns", Optical Society of America Annual Meeting, Seattle, Washington, Oktober 1986. Auf diese beiden Artikel wird hiermit Bezug genommen.
Eine Lichtquelle wird ferner in dem US Patent 4.637.025, Snitzer et al, beschrieben, sowie in EP-A-179320 mit einer Erläuterung der verstärkten Spontanemission. Auf dieses Patent wird hiermit Bezug genommen. Die in dem genannten Patent beschriebene Lichtquelle weist eine Pumpquelle auf, die an eine mit einem aktiven Laserstoff dotierte Faser gekuppelt ist. Das von der Pumpe in die optische Faser emittierte Licht hat eine ausreichende Intensität, um in der dotierten Fasern eine verstärkte Spontanemission zu erzeugen. Die entstehende Emission tritt an dem einen Ende der Faser aus, das nicht mit der Pumpquelle verbunden ist. In einer in dem genannten Patent beschriebenen alternativen Ausführungsform wird die Rückwärtskomponente der auftretenden ASE-Laseremission auf einen dichroitischen Spiegel reflektiert, der sich zwischen der Pumpquelle und der dotierten Faser befindet und mit der Vorwärtskomponente kombiniert ist.
Wenn auch die von Snitzer beschriebene superstrahlende Lichtquelle gegenüber den bislang in Gyroskopen eingesetzten Lichtquellen eine Verbesserung darstellt, so weist sie doch einige Nachteile auf, die durch die erfindungsgemäße Lichtquelle behoben werden. In der von Snitzer beschriebenen ASE-Laserquelle hat das erzeugte Lichtsignal zumindest dieselbe Temperaturabhängigkeit wie die ASE-Quelle, von der es emittiert wird. Da die Temperaturabhängigkeit einer ASE-Laserquelle für bestimmte Anwendungen relativ hoch sein kann, könnte die Temperaturabhängigkeit der von Snitzer beschriebenen ASE-Laserquelle für bestimmte Anwendungen nicht akzeptierbar sein. In der ersten Ausführungsform des Snitzer-Patents wird ferner das von der Pumpquelle emittierte Licht unmittelbar in die dotierte Faser eingeleitet. Die Vorwärtskomponente durchläuft einmal die Faser und wird deshalb mit einen Faktor eG verstärkt, wobei G die Verstärkung der dotierten Faser ist. Die Rückwärtskomponente des ASE-Lichtsignals wird in die Pumpe zurückgeführt, wobei sie in dem Pumpenraum Resonanz induziert und die Abgabe der Pumpquelle ändern kann. In der zweiten von Snitzer beschriebenen Ausführungsform wird ein dichroitischer Spiegel eingesetzt, der das ASE-Signal reflektiert. Ein dielektrischer Spiegel, wie etwa ein dichroitischer Spiegel, besteht normalerweise aus mehreren dielektrischen Schichten, die mit ihren Oberseiten übereinandergelegt sind. Diese dielektrischen Schichten reflektieren zwangsläufig einen Teil des auf ihre Oberflächen fallenden Lichtes und reflektieren damit etwas der von der Quelle emittierten Pumpenbelichtung auf diese zurück, wobei sie ein feedback in dem Raum der Pumpquelle erzeugen. Dieser optische feedback verringert die Leistung der Pumpquelle und verursacht außerdem Schwankungen in der superfluoreszierenden Ausgangsleistung. Zusätzlich wird das Pumplichtsignal durch den Reflektor geleitet, wodurch sich die Kupplungseffizienz der Pumpquelle verringert. Weiterhin ermöglicht ein Reflektor zwangsläufig auch dann die Übertragung eines Lichtanteils, wenn er zum Reflektieren von Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ausgelegt ist. Die Zwischenschaltung eines Spiegels zwischen die Pumpquelle und die dotierte Faser verringert den von der Rückwärtskomponente in den Raum der Pumpe induzierten feedback, jedoch eliminiert sie keinesfalls einen solchen feedback.
Die Kupplung zwischen der Pumpquelle und der dotierten Faser bei der Ausführungsform nach Snitzer hat noch weitere Nachteile, die sämtlich in der vorliegenden Anmeldung vermieden werden. So ist die Pumpquelle bei Snitzer an die dotierte Faser mittels einer longitudinalen, einen parabolischen Index aufweisenden, selbst-lokalisierenden Faserlinse, einer Transvers-Faserlinse oder einfach mit dem sphärischen Ende an den Kern der dotierten Faser gekuppelt. Optische Kupplungselemente wie Linsen oder Spiegel haben keine sehr gute Kupplungseffizienz. Nach Möglichkeit sind nur Kupplungsverfahren unter Verwendung von optischen Fasern bevorzugt worden. Insbesondere erhöht die Verjüngung einer an eine Pumpquelle zu kuppelnden optischen Faser am Ende deutlich die Kupplungseffizienz zwischen der Pumpquelle und der optischen Faser. Dies bringt es jedoch mit sich, daß die zu kuppelnden optischen Elemente im wesentlichen aus optischen Fasern bestehen. Die in der Anordnung von Snitzer eingesetzten Kupplungsoptiken verwenden dagegen keine optischen Fasern. Die Anordnung von Snitzer macht von den hervorragenden Kupplungseigenschaften optischer Fasern keinen Gebrauch und ist auch nicht darauf ausgerichtet, sie anwenden zu können.
Bestimmte Kupplungsverfahren, die im Zusammenhang mit dem Einleiten von Licht in eine mit einem Lasermedium dotierte optische Faser eingesetzt wurden, sind in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0143561 vom 2. November 1984 beschrieben. Diese Druckschrift beschreibt einen optischen Faserverstärker, bei dem ein ND:YAG-Kristall in Serie mit einem optischen Wellenlängenmultiplexer gelegt ist. Der Multiplexer kuppelt sowohl die Pumpstrahlung und das zu verstärkende Signal simultan und effektiv an die den Kristall enthaltenden Faser.
Es besteht daher ein Bedarf an einer Lichtquelle, die Licht mit einer niedrigen temporären Kohärenz, hoher Intensität, hoher räumlicher Kohärenz, sowie geringer Temperaturabhängigkeit emittiert und für den Einsatz in optischen Faseranordungen gut geeignet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft in einer ersten Ausbildung ein optisches Fasersystem, wie es im Anspruch 1 angegeben ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bewirkt der Kuppler ein im wesentlichen vollständiges Kuppeln des Pumplichtes in dem ersten Wellenlängenspektrum und unterdrückt im wesentlichen das Kuppeln des Laserlichtes in dem zweiten Wellenlängenspektrum.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bewirkt der Kuppler ein im wesentlichen vollständiges Kuppeln des Laserlichtes in den zweiten Wellenlängenspektrum und unterdrückt im wesentlichen das Kuppeln des Pumplichtes in dem ersten Wellenlängenspektrum.
Der Kuppler kann auch ein im wesentlichen Soprozentiges Kuppeln des Laserlichtes in dem zweiten Wellenlängenspektrum erzeugen und das Kuppeln des Pumplichtes in den ersten Wellenlängenspektrum im wesentlichen verhindern.
Der Reflektor ist vorzugsweise an ein zweites Ende der dotierten Faser gekuppelt, wobei das Laserlicht über das erste Ende der dotierten Faser aus der dotierten Faser austritt.
Bei einer solchen Ausführungsform verläßt das Laserlicht üblicherweise die dotierte Faser über den Kuppler an einem anderen Anschluß des Kupplers.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Kuppler einen dritten und einen vierten Anschluß aufweisen, und der Reflektor kann eine optische Faser enthalten, die eine Schleife zwischen dem dritten und dem vierten Anschluß bildet.
Im Idealfall ist die dotierte Faser eine mit dem Lasermaterial dotierte Einfachmodusfaser. Das Einkuppeln des Lichtes in den Kuppler erfolgt normalerweise in Abhängigkeit von dämpfender Feldkupplung. Das erste Wellenlängenspektrum umfaßt in wesentlichen die Wellenlänge bei 806 nm, während das zweite Wellenlängenspektrum im wesentlichen die Wellenlänge bei 1060 nm umfaßt. Das Lasermaterial enthält vorzugsweise ein Ion der seltenen Erden, während die dotierte optische Faser vorzugsweise aus einem Wirtsglas aus der Gruppe gewählt ist, die in wesentlichen aus Alkali, Erdalkalisilikaten, Silikaten, Keimen, Phosphaten oder Boratgläsern besteht. Das Material der seltenen Erde ist vorzugsweise Neodym, Ytterbium oder Erbium.
In den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die dotierte Faser an eine optische Faser entweder angeschmolzen oder angespleißt, um sie mit dem zweiten Anschluß des Kupplers zu verbinden. Der Reflektor ist vorzugsweise ein dielektrischer Spiegel, kann jedoch auch einen metallischen Spiegel aufweisen. Bei der Quelle handelt es sich vorzugsweise um eine Laserdiode oder einen Farbstofflaser.
In einer zweiten Ausbildung betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Fasersystem, wie es im Anspruch 21 angegeben ist.
In einer weiteren Ausbildung betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Licht mit niedriger temporärer Kohärenz entsprechend den Anspruch 28.
Nach einer anderen Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, um Licht mit einer niedrigen temporären Kohärenz und einer niedrigen Temperaturabhängigkeit zu erzeugen, wie es im Anspruch 30 angegeben ist.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich vorzugsweise aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher zeigen:
Figur 1a und 1b vereinfachte Energieniveaudiagramme einer Vierfach-Niveau dotierten Faser mit einem Dotiermaterial wie etwa Nd:YAG;
Figur 2 eine Kurve zur Darstellung des Absorptionsspektrums von Nd:YAG bei 300 K;
Figur 3 eine schematische Darstellung der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 einen Schnitt durch den optischen Faserkuppler, wie er vorzugsweise als Multiplexer in der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, mit der Darstellung eines Paares optischer Faserstränge, die jeweils in einer bogenförmigen Vertiefung mit einem gegebenen Krümmungsradius eingesetzt, mechanisch poliert und derart angeordnet sind , das sie ein Kuppeln zwischen den beiden optischen Fasersträngen bewirken;
Figur 5 eine Kurve der gegen die Signalwllenlänge für einen Faserkuppler relativ gekuppelten Leistung, wie etwa an den in Figur 4 gezeigten Kuppler, für ausgewählte Werte des minimalen Faserabstandes und der Versetzung und für einen Radius der Faserkrümmung von 25 cm;
Figur 6 eine Kurve der gegen die Signalwellenlähge für einen Faserkuppler relativ gekuppelten Leistung entsprechend Figur 5 für einen Faserkuppler mit einem Radius der Faserkrümmung von 200 cm;
Figur 7 eine Kurve der gegen die Signalwellenlänge für einen Faserkuppler relativ gekuppelten Leistung mit einem minimalen Faserabstand von 4 Mikrometer, einem Faserradius von 200 cm und einem anderen Werte der Faserversetzung;
Figur 8 eine Kurve zur Darstellung des Ausgangs der superlumineszenten Quelle der vorliegenden Erfindung gegen die Eingangspumpleistung;
Figur 9 eine Kurve zur Darstellung der vollen Breite bei dem halben Maximum des superlumineszenten Quellenspektrums der vorliegenden Erfindung als Funktion der Ausgangsleistung mit einer Pumpwellenlänge bei 825 nm;
Figur 10 das Spektrum der 1060-nm-Linie der superlumineszenten Quelle der vorliegenden Erfindung mit einer Gesamtleistung von 4,8 mW für eine Pumpwellenlänge bei 825 nm;
Figur 11a, 11b und 11c den Aufbau des Verstärkungsfaktors und die gesamte fluoreszierende Leistung über die Länge einer verlustfreien superfluoreszierenden dotierten Einfachmodusfaser bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 12 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 13a und 13b Kurvendarstellungen betreffend die Temperaturabhängigkeit der Filterfunktion des in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendeten Kupplers bzw. betreffend die Temperaturabhängigkeit eines Faserquellenspektrums entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Figur 14 eine Kurve der Nettoverbesserung in der Temperaturstabilität der durchschnittlichen Spektrumswellenlänge der erfindungsgemäßen Faserquelle als Funktion der Temperaturabhängigkeit des bei der erfindungsgemäßen Faserquelle verwendeten Kupplers;
Figur 15 eine Kurve der Stabilität als Funktion des Verhältnisses der ganzen Breite beim halben Maximum des Filters über die ganze Breite bein halben Maximum der Faserquelle, und der übertragenen Leistung als Funktion dieses Verhältnisses;
Figur 16 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 17 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 18 eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einen Ganzfaserreflektor;
Figur 19 und 20 schematische Blockdiagramme der fünften und sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Verwendung eines Filters.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf einem als "Superfluoreszenz" oder "verstärkte Spontanemission" bezeichneten physikalischen Phänomen. Dieses Phänomen spielt eine wesentliche Rolle bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, und im folgenden wird eine Erläuterung der Superfluoreszenz vorgelegt.

Superfluoreszenz: Theoretischer Hintergrund

Superfluoreszenz ist von Laser-Experimentatoren und -Forschern als ein parasitärer Effekt angesehen worden, der die in einem Laserhohlraum erfolgende Signalverstärkung überlagert bzw. stört. Insbesondere spielte die Superfluoreszenz eine äußerst unerwünschte Rolle in vielen hochverstärkenden Lasersystemen, wie nachfolgend beschrieben wird.
Es ist bekannt, eine pumpende Lichtquelle und ein Lasermaterial in einen rohrförmigen Hohlraum zu plazieren, so daß die Lichtquelle Licht bei Wellenlängen emittiert, die den Absorptionsspektren des Lasermaterials entsprechen. Die Ionen, Moleküle oder Atome des Lasermaterials werden dann auf ein Energieniveau über dem oberen Laserniveau invertiert. Nach der Umkehrung setzt eine Initialentspannung der Moleküle, Ionen oder Atome des Lasermaterials durch Phononstrahlung eine Ionen- Moleküloder Atompopulation auf dem oberen Laserniveau frei. Von diesem Niveau wollen die Ionen, Moleküle oder Atome auf ein niedrigeres Laserniveau entspannen, wobei sie Licht mit einer Wellenlänge emittieren, die charakteristisch für das Lasermaterial ist. Das untere Laserniveau sollte vorzugsweise über dem Grundniveau sein, so daß eine schnelle, phononemitierende Entspannung zwischen dem unteren Laserniveau und dem Grundniveau auftritt und das Vorhandensein einer hohen Umkehrrate zwischen dem oberen und dem unteren Laserniveau innerhalb der gepumpten Ionen, Moleküle oder Atome ermöglicht.
Wie in der Lasertechnologie bekannt, erzeugt mit einer derart invertierten Population das Lasermaterial eine sehr langsame Fluoreszenz, d.h. eine diffuse Emission von inkohärentem Licht. Bei einem Nd:YAG-Kristall ist die durchschnittliche Lebensdauer der Neodymionen im invertierten Status 230 Picosekunden. Die von der Populationsinversion gebildete Energie kann daher als Breitbandstrahlung abgeleitet werden und sehr intensiv sein. Dieses Phänomen ist generell als verstärkte Spontanemission (ASE, amplified spontaneous emission) oder auch Suuperfluoreszenz bekannt. Ungeachtet einiger unterschiedlicher Ansichten von Puristen hinsichtlich der Verwendung der Bezeichnungen ASE und Superfluoreszenz werden sie im folgenden wechselweise verwendet. In einem optischen Verstärker begrenzt ASE das Maß der Verstärkung und ist ein unerwünschter Effekt. In üblichen Verstärkersystemen kann die von irgendeinem Punkt in dem Lasermeterial herrührende ASE die Integrität des Laserpulses selbst beeinträchtigen und die von dem Lasermedium gespeicherte Energie deutlich absenken. Desgleichen kann ASE die in einem Verstärkersystem gespeicherte Energie durch parasitäre Modusgeneration in einzelnen Verstärkereinheiten und in Kombination mit bestimmten optischen Elementen innerhalb des optischen Systems herabsetzen. Theoretische Berechnungen zeigen, daß unter bestimmten Bedingungen ASE die Energie aus der Inversion genauso schnell abzieht wie die Pumpquelle sie erzeugen kann. Verstärkte Spontanemission wird in hochverstärkenden Lasersystemen als ernsthaftes Problem angesehen, das zu Beschädigungen der optischen Komponenten des Lasersystems führen kann. Technische Einzelheiten über die von ASE verursachten Schwierigkeiten und Erläuterungen dieses Phänomens finden sich in folgenden Schriften: John T. Verdeyen, Laser Electronics, Prentice Hall, S. 179-183, und Siegman, Lasers, University Science Books, S. 555- 556.
Figur 1a stellt die mit spontanen und stimulierten Emissionen verbundenen unterschiedlichen Energieniveaus für den Nd:YAG- Kristall dar. Es ist zu bemerken, daß dann, wenn das Pumplicht bei der Absorptionswellenlänge des Kristalls von dem Nd:YAG- Kristall absorbiert wird, die Neodymionen vom Grundstatus auf das Pumpband angeregt werden. Vom Pumpband entspannen die Ionen schnell durch Phononwechselwirkungen auf das obere Laserniveau. Von diesem oberen Laserniveau erfahren die Neodymionen eine relativ langsame Fluoreszenz auf das untere Laserniveau. Von diesem letzteren Niveau erfolgt eine endgültige schnelle Phononentspannung auf den Grundstatus. Diese letztere schnelle Entspannung in einem Lasersystem mit vollem Niveau der in Figur 1a gezeigten Art ist wesentlich vorteilhafter, da die schnelle Phononentspannung zwischen dem unteren Laserniveau und dem Grundstatus ein praktisch leeres unteres Laserniveau schafft. Eine solche Ausbildung ist in Figur 1b dargestellt, in der die Populationsdichten im Pumpband, im oberen Laserniveau, im unteren Laserniveau und im Grundstatus für das Nd:YAG-Kristall bei kontinuierlichem Pumpen dargestellt sind. Da der Fluoreszenzanteil zwischen dem oberen Laserniveau und dem unteren Laserniveau im Vergleich mit der Phononentspannung zwischen dem Pumpband und dem oberen Laserniveau relativ langsam ist, wie auch zwischen dem unteren Laserniveau und dem Grundstatus, ist die Populationsdichte im oberen Laserniveau wesentlich höher als in dem unteren Laserniveau und bringt eine hohe Inversionsrate hervor. Die durchschnittliche Lebensdauer von Neodymionen im oberen Laserniveau vor der spontanen Fluoreszenz beträgt etwa 230 Picosekunden bei 300ºK in Nd:YAG. Um das Pumplicht auf superfluoreszente Emission anzuheben, muß die Intensität des Pumplichtes ausreichend hoch sein, so daß eine Populationsinversion erfolgt, die die Voraussetzungen vorgibt, welche zu einer verstärkten Spontanemission mit stimulierter Emission führen.
Aus Figur 2, welche eine Kurve des Absorptionsspektrums des ND:YAG-Kristalls bei 300ºK darstellt, ist ersichtlich, daß das Nd:YAG-Material eine relativ hohe optische Dichte und damit eine kurze Absorptionslänge bei bestimmten Wellenlängen hat. Aus diesem Grund sollte die Wellenlänge der Pumplichtquelle so ausgewählt werden, daß die Absorptionslänge so kurz als möglich werden kann. Dies ermöglicht eine im wesentlichen vollständige Absorption der Pumpbelichtung innerhalb einer sehr kurzen Länge des Nd:YAG-Kristalls. Obgleich in Figur 2 die Wellenlänge von 0,58 Mikrometer als am besten für die Pumpbelichtung erscheint, wird in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Wellenlänge von 0,81 Mikrometer bei Verwendung eines Nd:YAG- Kristalls als das Lasermedium genommen.
Superfluoreszente Quellen werden neuerdings als aussichtsreich für Quellen niedriger temporärer Kohärenz in zahlreichen optischen Bereichen angesehen, insbesondere in Fasergyroskopen und in einigen signalverarbeitenden Fasersystemen. Eine superfluoreszente Quelle hat im allgemeinen einen von einer Pumpquelle endgepumpten Laserzylinder. Die in den Laserzylinder mittels bekannter Kupplungsverfahren eingeleitete Pumpbelichtung ist ausreichend intensiv, um die zur ASE führenden Voraussetzungen zu schaffen. Der entstehende Ausgangslaser wird an einem Ende des Laserzylinders emittiert, nachdem der Strahl den Zylinder durchquert hat, und einer Verstärkung durch die Gruppe von Atomen unterzogen, die anfänglich den Strahl emittiert haben. Der Ausgangsstrahl weist Charakteristiken auf, die zwischen einem echten kohärenten Lasersignal und einem vollständig inkohärenten thermischen Quellensignal liegen. Im einzelnen hat der Ausgangsstrahl eine niedrige temporäre Kohärenz, jedoch einen beträchtlichen Anteil von räumlicher Kohärenz. Wie bereits dargelegt wurde, wird ASE von Laser-Theoretikern als das Phänomen der Lichtemission charakterisiert, bei dem die aus einer Verteilung invertierter Laseratome stammende spontane Emission von derselben Gruppe von Atomen linear verstärkt wird. Die Verstärkung sollte zumindest in einer Richtung durch die Atome beträchtlich sein. Ist das Lasermedium groß genug (ein langer, dünner Zylinder invertierter Atome), dann kann das emittierte und durch diese Atome verstärkte Signal einen Ausgangsstrahl erzeugen, welcher eine hohe Intensität, mittlere Richtungscharakteristik und sehr niedrige temporäre Kohärenz aufweist. Wenn die Ausgangsstrahlung ausreichend stark wird, kann eine deutliche Sättigung in dem Verstärkermaterial erhalten werden, so daß der Hauptanteil der Inversionsenergie in den gerichteten Ausgangsstrahl abgegeben wird. Eine vollständige Erläuterung der ASE findet sich in Siegman, Lasers, University Science books, S. 547-556.
Ungeachtet unechter Effekte in manchen hochgradigen Verstärkern bietet somit Superfluoreszenz zahlreiche Vorteile, insbesondere in Verbindung mit optischen Fasern. Diese Vorteile eröffnen neue Anwendungsbereiche, wie es im folgenden anhand der Erläuterung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im einzelnen beschrieben wird.

Beschreibung der ersten Ausführungsform

Es wird nunmehr auf Figur 3 Bezug genommen, die die erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Eine Quelle 100 zur pumpenden Belichtung ist an eine Faser 102 eines Multiplexkupplers 104 angekuppelt, um am Anschluß A des Kupplers 104 eine pumpende Belichtung zu bewirken. Der Kuppler 104 weist vorzugsweise zwei Stränge optischer Fasern auf, nämlich die obere Faser 102 und eine untere Faser 106. Die Pumpbelichtung aus der Quelle 100 wird dann durch den Kupplungsvorgang des Kupplers 104 an den Anschluß B übertragen, wie nachfolgend noch im einzelnen beschrieben wird. Der Kuppler 104 ist dabei so eingestellt, daß er bei der Wellenlänge der Quelle 100 0% Kupplungswirkung aufweist. An den Anschluß B des Kupplers 104 ist eine dotierte Faser 108, vorzugsweise eine Nd: Silikadotierte Faser, durch Spleißung oder einen anderen Faserverbinder (beispielsweise durch Stumpfstoß- oder Schmelzspleißung) angekuppelt. Das Belichtungssignal ist ausreichend intensiv, um innerhalb der dotierten Faser 108 verstärkte Spontanemission zu erzeugen und dabei ein Vorwärtssignal 114 und ein Rückwärtssignal 112 anzuheben, wie durch die Pfeile in Figur 3 angedeutet. Im Fall einer Nd:Silika-dotierten Faser liegt das emittierte Signal in einem Wellehlängenbereich mit einem Zentrum um 1060 nm mit einer vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM, full width at half maximum) von generell etwa 17 nm. Das Vorwärtssignal 114 liegt in der dotierten Faser 108 an deren Ende 120 nach Durchlaufen einer Länge der dotierten Faser 108 vor. Das Rückwärtssignal 112 wird in den Kuppler 104 am Anschluß B eingespeist und durch die Kupplungswirkung des Kupplers 104 an den Anschluß C des Kupplers 104 übertragen. Der multiplexierende Kuppler 104 zur Verwendung in der Erfindung ist spezifisch dafür ausgelegt, ein vollständiges Kuppeln des Laserlichtes bei 1060 nm zu bewirken, während er praktisch keine Kupplung bei der Wellenlänge des Pumplichtes von 800 nm erzeugt. Am Ende der unteren Faser 106 des Kupplers 104 ist ein Spiegel oder Reflektor 118 befestigt, vorzugsweise geklebt. Der Spiegel 118 ist so ausgelegt, daß er eine vollständige oder nahezu vollständige Reflexion bei der Wellenlänge des Ausgangssignals bewirkt. Vorzugsweise ist der Spiegel 118 ein dielektrischer Spiegel aus mehreren Schichten eines dielektrischen Materials. Üblicherweise ist der Spiegel 118 an einem Ende der Faser 106 kalt angelegt oder mit diesem Ende durch bekannte Techniken verbunden. Ferner ist der Spiegel 118 so ausgelegt, daß die Reflexion des Rückwärtssignals 112 nicht dessen Wellenlänge ändert. Damit wird das Rückwärtssignal 112 zurück zu dem Anschluß C reflektiert und in den Anschluß B des Kupplers 104 durch dieselbe Kupplungswirkung des Kupplers 104 reinjiziert. Das Rückwärtssignal 112 durchläuft die gesamte Länge der dotierten Faser 108 und liegt an dessen Ende 120 vor. Wenn G die Verstärkung angibt, die das Signal beim Durchlauf der dotierten Faser 108 erfährt, ist ersichtlich, daß das Vorwärtssignal 114 etwa um einen Faktor eG verstärkt wird, wenn es sich in der dotierten Faser 108 befindet, während das Rückwärtssignal 112 um einen Faktor e2G verstärkt wird, wenn es die dotierte Faser 108 in zwei Richtungen durchläuft. Wenn die Verstärkung G groß ist, ist es ersichtlich, daß das Ausgangssignal hauptsächlich aus dem Rückwärtssignal 112 besteht. Eine solche Gegebenheit ist äußerst vorteilhaft für das Verstärken der Intensität des gesamten Ausgangssignals.
Es ist anzumerken, daß die Reflexion nur an einem Ende der dotierten Faser 108 auftritt und dabei resonante Laserschwingungen verhindert sowie die Voraussetzungen für die verstärkte Spontanemission aufrechterhält.
Das optische System der vorliegenden Erfindung schafft damit eine geeignete Einrichtung zum Erzeugen eines superfluoreszenten Signals durch wellenlängenabhängiges Kuppeln einer Pumpquelle an eine dotierte Faser unter Verhinderung eines Verlustes des rückwärtigen Lasersignals mittels eines an einem Ende der an den Kuppler gekuppelten Faser angebrachten Spiegels. Übliche Ausgänge in der Größenordnung von 10 bis 15 mW sind bei einer Linienbreite von etwa 17 nm (FWHM) in einer Einfachmodus-Faser Nd:SiO&sub2; erzielt worden, die bei 810 nm mit einem CW-Styryl-9-Farblaser gepumpt war. Der größte Teil des Ausgangs besteht aus der 1060-nm-Emission.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf Figur 3 werden nachfolgend die in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzten verschiedenen optischen Komponenten in einzelnen beschrieben.
Die Pumpquelle 100 kann eine Laserdiode sein, die hohe Konzentrationen an Pumpleistung in der Faser und damit in der dotierten Faser ermöglicht. Unabhängig vom Typ der verwendeten Pumpquelle kann der Wirkungsgrad des Systems erhöht werden, wenn die Wellenlänge der von der Quelle kommenden Strahlung mit einem Scheitelpunkt in dem Absorptionsspektrum der dotierten Faser übereinstimmt, beispielsweise einer mit Nd:Silika dotierten Faser gemäß Figur 2. Elektrolumineszente Dioden stehen handelsüblich zur Verfügung mit geeigneten Dotierungen zum Emittieren von Licht im Bereich von 800 nm. Das Spektrum solcher Dioden paßt recht gut zu dem Absorptionsspektrum von Nd:Silika- Material bei Raumtemperatur. Handelsübliche Ga(Al)As-LED liefern z.B. Strahlungspektren, die fest im Bereich von 800 nm liegen. Desgleichen sind Bauarten von Laserdioden handelsüblich, die Energie über den Bereich von 850 nm emittieren. Die Pumpwellenlänge sollte zusätzlich so nahe bei der Signalwellenlänge liegen, wie es die Spektroskopie des Nd:Silika-Materials erlaubt, um den Gesamtpumpwirkungsgrad zu maximieren. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet eine im Handel fertig verfügbare cw-styryl-Laser-Farbpumpquelle zum Emittieren im Bereich von 800 bis 830 nm. Eine derart in eine optische Faser gekuppelte Laserquelle ermöglicht eine 80%ige Übertragung bei der Wellenlänge des von der Quelle emittierten;Lichtes. Die FWHM einer solchen Laserpumpquelle liegt üblicherweise bei 30 mm.
Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Wellenlänge des Pumpquellenlichtes vorzugsweise mit einem Scheitelpunkt in dem Absorptionsspektrum des Lasermaterials übereinstimmt. Für Nd wird dieser Scheitel bei 804 nm gewählt. Für praktische Erwägungen ist jedoch auch eine angenäherte Wellenlänge wie etwa 820 nm akzeptabel. Wenn Silika als das Wirtsmaterial der dotierten Faser benutzt wird, ist beobachtet worden, daß von den beiden Emissionslinien von Nd:SiO&sub2; (900, 1060 nm) nur die von dem Spiegel reflektierte 1060-nm-Linie eine große Nettoverstärkung aufweist. Die 900-nm-Linie wird in der Faser einfach selbstabsorbiert. Es mögen noch weitere schwächere Emissionslinien vorhanden sein, die jedoch zu schwach sind, um von handelsüblichen Siliziumdetektoren erfaßt werden zu können.
Die in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete dotierte Faser 108 steht im Handel fertig zur Verfügung. Sie weist einen Kern auf, der vorzugsweise aus einem mit aktivem Lasermaterial dotierten Wirtsglas besteht, sowie eine den Kern umgebende Plattierung.
Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die dotierte Faser 108 einen Kern auf, der aus einem mit aktivem Lasermaterial dotierten Wirtsglas besteht, sowie eine den Kern umgebende Plattierung. Wahlweise kann auch die Plattierung das aktive Lasermaterial in einer dünnen, an den Kern angrenzenden Schicht enthalten, so daß die Einfachmodus-Lichtverteilung das aktive Material überlappt Das bevorzugte aktive Material ist Neodym, wenngleich aäch andere Seltene Erden einschließlich Ytterbium und Erbium in gleicher Weise geeignet sind. Die Konzentration des Dopants in dem Wirtsglas kann schwanken zwischen einer unteren Grenze, die von der geeigneten Länge abhängt, um das Pumplicht zu absorbieren und Lichtverluste aus übermäßigen Längen für spezielle Anwendungen zu vermeiden, und einer von der Konzentationslöschung bestimmten oberen Grenze. Im allgemeinen ist ein Konzentrationsbereich zwischen 0,1 und 30 Gew.% geeignet. Bevorzugte Wirtsgläser enthalten Alkali, bzw. alkalische Erdsilikate, wenn auch andere Silikate, Germinate, Phosphate und einige Boratgläser in gleicher Weise verwendbar sind. Der Brechungsindex des Kerns wird höher angesetzt als der der Plattierung, so daß das in den Kern eingeleitete Pumplicht und das von dem aktiven Material emittierte Licht innerhalb oder in der Nähe des Kerns vorhanden ist. Der Durchmesser "D" des Kern wird bevorzugt teilweise durch die spezielle Anwendung bestimmt, nämlich durch den Durchmesser der optischen Faser, in die der Lichtausgang der Lichtquelle 100 eingeleitet wird. Der Durchmesser des Kerns ist generell vorzugsweise das notwendige Minimum, in das das Pumplicht für den gegebenen Anwendungsfall effektiv eingekuppelt werden kann, um die Strahlungsenergie zu maximieren, die je Bereichseinheit für ein bestimmtes Pumplichtniveau emittiert wird. Wenn demnach die Lichtquelle 100 Licht an eine Einfachmodusfaser oder -anordnung abgeben soll, wird der Durchmesser des Kerns so ausgewählt, daß eine Einfachmodus-Lichtübertragung bei der Emissionswellenlänge erfolgt. Für eine Einfachmodusübertragung hängt der Durchmesser des Kerns von den Brechungsindizes des Kerns und der Plattierung ab; ein Durchmesser von 1 bis 20 Mikrometer, auch bis hinauf zu 50 Mikrometer, kann für Wellenlängen im nahen Infrarot und im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums eine Einfachmodusübertragung bewirken. Im Bedarfsfall kann der Durchmesser des Kerns größer sein als das Minimum für die gegebene Anwendung. Soll z.B. die Lichtquelle 100 an eine dotierte Einfachmodusfaser mit einem Kerndurchmesser von 4 Mikrometer gekuppelt werden, so kann der Kern einen etwas größeren Durchmesser von beispielsweise 6 Mikrometer haben, um das Kuppeln zu erleichtern. Im allgemeinen wird für einen Kreisguerschnitt des Kerns die Kerngröße dadurch bestimmt, daß man (πd/u)NA gleich oder kleiner als 2,4 setzt, worin d der Kerndurchmesser ist, λ die Wellenlänge des emittierten Lichtes und NA die numerische Öffnung bezogen auf die Brechungsindizes des Kerns und der Plattierung, n&sub1; und n&sub2;, durch NA gleich (n&sub1;n²-n&sub2;²)1/2.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird Silika oder YAG als Wirtsmaterial eingesetzt, während Neodym oder Erbium das Lasermaterial bilden. Der Durchmesser der dotierten Faser 108, vorzugsweise eine Nd:Silika-dotierte Faser, kann im Vergleich mit dem Durchmesser von in bislang verwendeten optischen Systemen eingesetzten Nd:Silika-Stäben extrem klein sein. So ist beispielsweise ein optisches System erstellt worden, bei welchem die Faser einen Durchmesser von 100 Mikrometer aufweist. Sogar kleinere, dem Durchmesser einer Einfachmodusfaser angenäherte Durchmesser sind realisierbar. Das Kuppeln zwischen der Faser und dem Kristall in Einfachkristall-Faserlasern wird besser, wenn der Durchmesser des Kristalls verringert und die Signalverstärkung erhöht wird, da die Dichte der Pumpbelichtung aus der Quelle ansteigt, wenn der Kristalldurchmesser verringert wird.
Die Vorteile dotierter Fasern sind vielfältig und umfassen ihre hohe Verstärkung, den hervorragenden Konversionswirkungsgrad und die Schnittstellen-Anpassungsfähigkeit an Einfachmodus-Silikafasern, sowie geringen Übertragungsverlust und Kompaktheit. Eine ausführlichere Übersicht über die Charakteristiken dotierter Fasern findet sich in dem US Patent 3.456.211, Koester, vom 15. Juli 1969.
Der Multiplexkuppler bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kuppelt selektiv eine erste optische Frequenz, während er eine zweite optische Frequenz nicht kuppelt. In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden polierte Faserkuppler benutzt. Andere Faser-Multiplexer sind ebenfalls geeignet, wie etwa geschmolzene doppeltkonische Kegelkuppler oder integrierte optische Kuppler. Polierte Faserkuppler für ein solches selektives Kuppeln sowie für ihre Herstellung geeignete Verfahren sind in dem US Patent 4.556.279 vom 3. Dezember 1985 offenbart, mit Herbert J. Shaw und Michael J. F. Digonnet als Erfinder, eingetragen für den Anmelder der vorliegenden Erfindung.
Hintergrundinformationen über optische Kuppler finden sich in den US Patenten 4.515.431 und 4.674.830, eingetragen für den Anmelder der vorliegenden Erfindung.
Die wesentlichen Charakteristiken polierter Plattier-Multiplexkuppler und das Verfahren zu ihrer Herstellung finden sich in den vorstehend angegebenen Patenten und können wie folgt zusammengefaßt werden.
Figur 4 zeigt einen polierten Plattier-Multiplexkuppler. Ein aus zwei Hälften 210a und 210b bestehender Kuppler 210 enthält zwei Stränge 212a und 212b eines optischen Fasermaterials, vorzugsweise Einfachmodusfasern, die in längsverlaufenden bogenförmigen Vertiefungen 213a bzw. 213b angeordnet sind, welche ihrerseits in einander zugewandtem optischen Flächen rechteckiger Basen oder Blöcke 216a bzw. 216b ausgeformt sind.
Jeder Strang 212a, 212b enthält eine optische Faser, die zur Ausbildung eines zentralen Kerns und einer äußeren Plattierung bzw. Umhüllung dotiert ist. Die Stränge haben üblicherweise einen Kerndurchmesser in der Größenordnung von 5 Mikrometer und einen Plattierdurchmesser in der Größenordnung von 125 Mikrometer.
Die bogenförmigen Vertiefungen 213a und 213b haben einen im Vergleich zum Durchmesser der Fasern 212 sehr großen Krümmungsradius und eine etwas größere Breite als die darin eingesetzten Fasern, um einen durch die Bodenwände der Vertiefungen 213 definierten Weg zu bilden. Die Tiefe der Vertiefungen 213a und 213b ändert sich von einem Minimum in der Mitte der Blöcke 216a bzw. 216b auf ein Maximum an den Enden der Blöcke 216a bzw. 216b. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, daß die in die Vertiefungen 213a und 213b eingesetzten optischen Faserstränge 212a und 212b zur Mitte der Blöcke 216a, 216b hin allmählich zusammenlaufen und zu deren Enden hin auseinandergehen, womit jegliche scharfen Biegungen oder abrupte Richtungswechsel der Fasern 212 ausgeschlossen werden, was ansonsten zu Leistungsverlust infolge von Modusstörung führen könnte.
Von den beiden Strängen 212a und 212b ist das optische Fasermaterial beispielsweise durch Polieren entfernt worden, um die beiden ovalförmigen ebenen Flächen 218a bzw. 218b auszubilden, die mit den gegeneinanderliegenden Flächen 214a bzw. 214b koplaner sind. Die Menge des entfernten optischen Fasermaterials wächst damit allmählich von Null an den Rändern der Blöcke 216 auf ein Maximum zum Zentrum der Blöcke 216 hin an. Dieser schräg verlaufende Abtrag des optischen Fasermaterials ermöglicht es, daß die Faserkerne allmählich konvergieren und divergieren, was zum Vermeiden von Rückwärtsreflexion und übermäßigern Verlust von Lichtenergie von Vorteil ist.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Kupplerhälften 210a und 210b identisch und durch Gegeneinanderlegen der einander zugewandten Flächen 214a und 214b der Blöcke 216a und 216b miteinander vereinigt, so daß die gegeneinanderliegenden Flächen 214a und 214b der Stränge 212a und 212b einander zugekehrt sind.
Zwischen den gegeneinanderliegenden Flächen 214 ist eine (nicht dargestellte) Paßsübstanz, z.B. index matching oil, in Form eines dünnen Filmes vorgesehen.
An der Verbindung der beiden Stränge 212 ist ein Interaktionsbereich 232 ausgebildet, in welchem Licht durch gedämpfte (evaneszente) Feldkupplung übertragen wird. Es hat sich herausgestellt, daß zum Gewährleisten einer guten gedämpften Feldkupplung die Menge des von den Fasern 212 entfernten Materials sorgfältig bemessen werden muß, so daß der Abstand zwischen den Kernteilen der Stränge 212 innerhalb einer vorgegebenen "kritischen Zone" liegt. Die Dämpfungsfelder verlaufen bis in die Plattierung und verringern sich schnell mit dem Abstand außerhalb ihrer jeweiligen Kerne. Die Blöcke oder Basen 216 können aus jedem geeigneten harten Material bestehen.
Versuche haben ergeben, daß polierte evaneszente Wellenkuppler einen Kupplungswirkungsgrad von bis zu 100% haben können. Desgleichen ist aber auch beobachtet worden, daß diese Kuppler "abgestimmt" werden können, um den Kupplungswirkungsgrad auf jeden gewünschten Wert zwischen Null und dem Maximum einzustellen. Ein solches Abstimmen bzw. Tunen kann z.B. durch seitliches Verschieben der Fasern in Richtung rechtwinklig zu ihrer Länge erfolgen. Die relativen Stellungen der Fasern kann durch ihre Versetzung ausgedrückt werden, d.h. durch den Abstand zwischen den Mittelachsen der Faserkerne entlang den gegenüberliegenden Flächen, in Richtung rechtwinklig zu ihrer Länge gemessen. Wenn somit, bezugnehmend auf Figur 4, die ovalen Flächen 218 übereinandergelegt sind, ist die Versetzung Null, und die Versetzung nimmt zu, wenn die Fasern 212 durch relatives Verschieben der Blöcke 216 seitlich getrennt werden.
Der in Figur 4 gezeigte Kuppler 210 ist hoch richtungsabhängig, indem im wesentlichen die gesamte an einem Ende des Kupplers zugeführte Leistung am anderen Ende des Kupplers ausgegeben wird. Die Richtfähigkeit des Kupplers wird als das Verhältnis der Leistung am Anschluß D zu der Leistung am Anschluß C definiert, mit am Anschluß A zugeführter Eingabe. Ferner ist die Richtfähigkeit des Kupplers symmetrisch für einen gegebenen Fortpflanzungsmodus. Dies besagt, daß der Kuppler mit derselben Charakteristik arbeitet, unabhängig davon, welche Seite des Kupplers die Eingangsseite und welche die Ausgangsseite ist. Darüber hinaus erzielt der Kuppler 210 diese Ergebnisse mit sehr geringen Durchgangsverlusten.
Der Kuppler 210 arbeitet nach dem Prinzip der evaneszenten (gedämpften) Feldkupplung, wobei die durchgeleiteten Modi der Stränge 212 sich durch ihre gedämpften Felder beeinflussen, um eine Übertragung des Lichtes zwischen den Strängen 212 zu bewirken. Wie bereits angemerkt, erfolgt diese Lichtübertragung in dem Interaktionsbereich 232. Die Menge des übertragenen Lichtes hängt von der Nähe und der Ausrichtung der Kerne ab, außerdem von der effektiven Länge des Interaktionsbereichs 232. Wie ferner noch genauer erläutert wird, ist die übertragene Lichtmenge außerdem von der Wellenlänge des Lichtes abhängig. Andererseits ist die Länge des Interaktionsbereichs 232 vom Krümmungsradius der Fasern 212 und in gewissem Umfang vom Kernabstand abhängig, wenngleich festgestellt worden ist; daß die effektive Länge des Interaktionsbereichs 232 im wesentlichen unabhängig von dem Kernabstand ist. Die "Kupplungslänge", d.h. die Länge innerhalb des Interaktionsbereichs 232, die für eine einfache, vollständige Übertragung eines Lichtsignals von der einen Faser 212a auf die andere 212b erforderlich ist, ist dagegen eine Funktion sowohl des Kernabstandes als auch der Wellenlänge. Wenn dagegen die Länge des Interaktionsbereichs 232 vergrößert oder der Kernabstand verringert wird, tritt ein hier als "Überkuppeln" bezeichnetes Phänomen auf, da die Kupplungslänge kürzer ist als die Interaktionslänge. Unter diesen Voraussetzungen wird das Licht in den Strang zurückübertragen, aus dem es kommt. Wird die Interaktionslänge weiter vergrößert und/oder der Kernabstand weiter verringert, nimmt die effektive Interaktionslänge gegenüber der Kupplungslänge weiter zu, und zumindest einiges von dem Licht gelangt zurück in den anderen Strang. Auf diese Weise kann das Licht mehrfache Wechsel zwischen den beiden Strängen 212 zurück und vor machen, während es den Interaktionsbereich 232 durchläuft, wobei die Anzahl solcher Wechsel von der Länge des Interaktionsbereichs 232, der Lichtwellenlänge (wie noch erläutert) und dem Kernabstand abhängig ist.
Da die Kupplungslänge in einem Faserkuppler, wie vorstehend erläutert normalerweise eine Monomodusfaser, eine starke Abhängigkeit von der Signalwellenlänge aufweist, wie es in den oben einbezogenen Patenten beschrieben ist, ist es mit geeignet ausgewählten geometrischen Parametern für den Kuppler 210 möglich, eine Wellenlänge vollständig zu kuppeln, während eine zweite Wellenlänge im wesentlichen ungekuppelt bleibt. Dieses Phänomen ermöglicht die Trennung zweier in die Anschlüsse an den beiden Seiten des Kupplers 210 eingespeister Signale. Wenn somit, wie in Figur 4 gezeigt, ein Pumpsignal mit einer Wellenlänge λ&sub1; in den Anschluß A des Kupplers 210 eingespeist wird, und ein superfluoreszentes Signal mit der Wellenlänge λ&sub2; wird an den Anschluß B gekuppelt, und ferner die Geometrie geeignet ausgewählt wird, können beide Signale derart getrennt werden, daß das superfluoreszente Signal vollständig vom Anschluß B an den Anschluß C gekuppelt wird, während das Pumpsignal keine Kupplung vom Anschluß A zum Anschluß B erfährt.
Zur Darstellung dieser Wellenlängenabhängigkeit gibt Figur 5 die Aufzeichnung der gekuppelten Leistung gegenüber der Signalwellenlänge im sichtbaren und nahen infraroten Spektrum für eine spezielle Kupplergeometrie wieder. Da bei dieser Kupplerausbildung die effektive Interaktionslänge des Kupplers ein umgerades Vielfaches der Kupplungslänge für die gewählte Wellenlänge von 720 nm und ein gerades Vielfaches der Kupplungslänge für die gewählte Wellenlänge von 550 nm ist, wird die Wellenlänge 720 nm 100%ig gekuppelt, während die Wellenlänge 550 nm praktisch ungekuppelt bleibt. Unterschiedliche Wellenlängen können mit unterschiedlichen Wirksamkeiten kombiniert oder getrennt werden. Beispielsweise können 590 nm und 650 nm mit einem Wirkungsgrad von 80% getrennt oder kombiniert werden.
Nahezu alle Wellenlängenpaarungen (λ&sub1;, λ&sub2;) können effektiv kombiniert oder getrennt werden, so lange die effektive Interaktionslänge ein gerades Vielfaches der Kupplungslänge für die eine Wellenlänge und ein ungerades Vielfaches der Kupplungslänge für die andere Wellenlänge ist. Mit wachsender Anzahl der Kupplungslängen innerhalb der effektiven Interaktionslänge wird die Auflösung des Multiplexers durch Vergrößerung des Krümmungsradius der Fasern 212a, 212b verbessert. Unter der Voraussetzung, daß die Interaktionslänge des Kupplers groß genug ist, können nahezu alle beliebigen Signalpaarungen exakt gemischt oder getrennt werden, unabhängig davon, wie dicht ihre Wellenlängen beabstandet sind.
Die Interaktionslänge ist eine Funktion der Wellenlänge, und die Auflösung ist annähernd proportional zu (R) -1/2 mit R als dem Krümmungsradius der Stränge 212. Mit zunehmendem R nimmt auch die Interaktionslänge zu und wird ein höheres Vielfaches der Kupplungslänge unter Verbesserung der Auflösung. Das Ergebnis ist in Figur 6 dargestellt, die mit der Kurve von Figur 5 vergleichbar ist mit der Ausnahme, daß der Krümmungsradius auf 200 Zentimeter vergrößert ist. Erwartungsgemäß verbessert diese Zunahme des Radius die Kupplerauflösung in der Nähe von λ = 600 nm von angenähert 170 nm beim Beispiel des 25-cm-Radius gemäß Figur 5 auf angenähert 60 nm für 200 Zentimeter.
Die Auflösung eines Multiplexkupplers ist von zwei unabhängigen Parametern abhängig, H (Faserabstand) und R (Krümmungsradius der Fasern). Für ein gegebenes Paar von Signalwellenlängen kann man eine effiziente Mischung erzielen, indem man zunächst einen zutreffenden Faserabstand H für den Kuppler auswählt, der eine starke Wellenlängenabhängigkeit für die interessierenden Wellenlängen liefert (Auswahl von H), und dann den Krümmungsradius wählt, der eine der Differenz zwischen den Wellenlängen gleiche Auflösung liefert (Auswahl von R).
Nachdem die Auflösung des Kupplers entsprechend den zu trennenden Wellenlängen eingestellt worden ist, kann der Kuppler abgestimmt werden, um die Kupplungslängen für die interessierenden Wellenlängen so einzustellen, daß die effektive Interaktionslänge ein gerades Vielfaches der Kupplungslänge einer Wellenlänge und ein ungerades Vielfaches der Kupplungslänge der anderen Wellenlänge ist. Dies erfolgt durch Versetzen der Fasern durch Verschieben der Blöcke 216a, 216b (Figur 4) gegeneinander in einer zur Achse der Fasern 212a, 212b normal verlaufenden Richtung. Ein solcher Versatz bewirkt eine Zunahme des minimalen Faserabstandes H und eine Zunahme des effektiven Krümmungsradius der Fasern. Wenn der benötigte Versatz klein genug ist, wird er die Multiplexerauflösung nicht stören. Dies beruht darauf, daß die Trennung von H eines Kupplers mit großem Radius sich schnell mit dem Faserversatz ändert im Vergleich zum effektiven Krümmungsradius mit dem Faserversatz.
Figur 7 zeigt diese Abstimmfähigkeit von Multiplexkupplern an der Darstellung der gekuppelten relativen Leistung gegenüber der Wellenlänge für drei ansteigende Werte des Faserversatzes (0 Mikrometer, 0,5 Mikrometer und 1,0 Mikrometer). Die Kurve verschiebt sich mit zunehmendem Versatz erkennbar zu den anwachsenden Wellenlängen hin, während die Schwingungsperiode (oder Auflösung) nahezu unverändert bleibt. Bei diesem spezifischen Beispiel (R = 200 cm, H = 4 Mikrometer) verschiebt ein 1- Mikrometer-Versatz die Kurve um etwa 45 nm.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer bei 820 nm emittierenden Laserquelle und einer bei 1060 nm emittierenden superfluoreszenten dotierten Faser erfolgt das selektive Kuppeln nach der vorstehend beschriebenen Technik durch eine geeignete Auswahl des Faserabstandes H zum Erlangen einer großen Wellenlängenabhängigkeit für Wellenlängen zwischen 0,8 Mikrometer und 1,06 Mikrometer, und durch nachfolgendes Auswählen eines Krümmungsradius für die Fasern zum Erlangen einer Auflösung gleich der Differenz zwischen 1,06 Mikrometer und 0,8 Mikrometer, oder 0,26 Mikrometer. Nachdem die Auflösung de Kupplers auf diese Weise eingestellt ist, kann der Kuppler wie vorstehend beschrieben abgestimmt werden, um die Kupplungslängen für die wellenlängen 0,8 Mikrometer und 1,06 Mikrometer so einzustellen, daß die effektive Interaktionslänge ein gerades Vielfaches der Kupplungslänge für eine Wellenlänge dieses Paares und ein ungerades Vielfaches der Kupplungslänge für die verbleibenden Wellenlänge ist.
Da in der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform die Ausgabe der dotierten Faser in die Faser 106 gekuppelt werden soll, sollte die effektive Interaktionslänge für den Kuppler auf ein ungerades Vielfaches der Kupplungslänge der Wellenlänge der dotierten Faser eingestellt werden, 1,06 Mikrometer, und auf ein gerades Vielfaches der Quellenlichtfrequenz, 0,8 Mikrometer. Dies führt zu einem vollständigen Kuppeln des von der dotierten Faser kommenden Laserlichtes von der Faser 102 in die Faser 106 ohne wesentliches Kuppeln des Quellenbelichtungssignals, das von der Faser 102 auf die Faser 106 übertragen werden soll. In diesem Fall bedeutet verständlicherweise fehlendes Kuppeln eine gerade Anzahl von vollständigen Kupplungen, so daß beispielsweise dann, wenn die Interaktionslänge im dem Interaktionsbereich 232 das Zweifache der Kupplungslänge bei 1,06 Mikrometer beträgt, der Laserausgang zweimal vollständig gekuppelt wird, einmal von der Faser 102 an die Faser 106 und dann von der Faser 106 an die Faser 102. Wenngleich bei der Verwirklichung der vorliegenden Erfindung einstellbare Kuppler experimentell eingesetzt worden sind, ist für einen Fachmann ersichtlich, daß auch andere Kuppler verwendet werden können. Einstellbare Kuppler sind insofern vorteilhaft, als sie leicht "getunt" werden können, obwohl das index-matching oil an der Schnittstelle der beiden Blöcke eines einstellbaren Kupplers zu thermischer Ausdehnung neigt. In vielen Anwendungsfällen sind geschmolzene Kuppler den einstellbaren Kupplern vorzuziehen, da sie weniger temperaturabhängig sind.
Wenn gemäß Figur 3 in der unteren Faser 106 ein Signal vorhanden ist, kann das erfindungsgemäße System als ein Verstärker arbeiten, wie es sich aus der Lehre der Stammanmeldung, US Patent 4.674.830 ergibt. Das zu verstärkende Signal wird mit einer Wellenlänge bei der Laserübergangswellenlänge, 1,064 Mikrometer, ausgewählt, d.h. der Wellenlänge des von den Nd-Ionen während der Entspannung zwischen dem oberen und dem unteren Laserniveau emittierten Lichtes. Wenn das zu verstärkende Signal in die untere Faser 106 eingeleitet und von dem Kuppler der dotierten Faser zugeleitet wird, löst es die Emission stimulierter Photonen mit derselben Frequenz wie das Signal, mit dem Signal kohärent ist, aus und wird dabei verstärkt. Der Durchritt von Licht bei dieser Frequenz verursacht eine photonemittierende Entspannung zwischen dem oberen Laserniveau und dem unteren Laserniveau, wie aus Figur 1a und 1b ersichtlich, in Phase mit dem zu verstärkenden Lichtsignal, und erzeugt eine effektive Verstärkung bei dem Eingangslichtsignal. Das erfindungsgemäße optische System wirkt somit als Verstärker. Bei dieser spezifischen Ausführung befindet sich kein Reflektor am Ende der unteren Faser 106, so daß das Signal durchgeleitet werden kann. Das verstärkte Signal wird am Ende 120 der dotierten Faser 108 ausgegeben.
Es wird nunmehr auf Figur 8 Bezug genommen, welche den Verlauf der Ausgangsleistung gegenüber der berechneten absorbierten Pumpleistung für eine superfluoreszente Quelle darstellt, wie sie in Verbindung mit der Erläuterung von Figur 3 erörtert worden ist. Der Faserausgang ist im wesentlichen unpolarisiert. Bei 10 mW Ausgangsleistung ist der Wandlungswirkungsgrad 45% mit einem Nettowandlungswirkungsgrad zwischen der absorbierten Pumpleistung und dem 1060-nm-Signal von 12%. Bei niedriger Pumpleistung steigt die Ausgangsleistung infolge der zusätzlichen Spontanemission linear mit der Pumpleistung an. Wenn die stimulierte Emission signifikant wird, wächst der Ausgang nichtlinear im wesentlichen mit e2G mit G als die Linien-Mittenverstärkung von einem Signal, das die gesamte Länge der Anordnung durchlaufen hat. Die Anordnung des Spiegels 118 an einem Ende der Faser 106 verdoppelt praktisch die aktive Länge und verdoppelt die Verstärkung unter Blockierung jeglicher Sättigungseffekte. Dies ist als ein sehr starker Effekt zu bewerten, da der Ausgang nunmehr mit e2G zunimmt. Die Ausgangsleistung fällt auf etwa 300 uW für 80 mW absorbierte Pumpleistung ab, wenn der Spiegel 118 entfernt wird.
Figur 9, auf die nunmehr Bezug genommen wird, zeigt, wie sich die gemessene Linienbreite infolge der größeren Erweiterung asymptotisch am Scheitelpunkt des Ausgangsspektrums verengt und bei etwa 16 nm für die Gesamtausgangsleistung im mW-Bereich nahezu konstant wird. In Figur 9 ist die ausgewählte Pumpwellenlänge 825 nm. Figur 10 zeigt ein typisches Ausgangsspektrum der 1060-um-Linie mit 4,8 mW Gesamtleistung für eine Pumpwellenlänge von 825 nm.
Die nunmehr zu erörternden Figuren 11a, 11b und 11c zeigen die Entwicklung des Verstärkungsfaktors und der gesamten Fluoreszenzleistung über die Länge einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer 1%ig Nd-dotierten superfluoreszent dotierten YAG-Faser. Die Materialeigenschaften sind s = 3.2.10&supmin;¹&sup9; cm², τf = 230us und n&sub1; =1,820, wobei s simulierte Querschnitt in der Linienmitte ist, τf die Fluoreszenzlebensdauer des Materials und n&sub1; der Kernindex der dotierten Faser. Die Pumpwellenlänge der Quelle wird als λp = 810 nm angesetzt und der Absorptionskoeffizient αa des Materials mit etwa 4 cm&supmin;¹. Figur 11a zeigt, daß bei niedriger Pumpleistung die Spontanemission dominiert und die Vorwärts- und Rückwärtswellen W und P nahezu linear aufgebaut werden. Der Verstärkungsfaktor ist im wesentlichen ungesättigt und zerfällt exponentiell von links (Eingangsseite) nach rechts als Ergebnis der Pumpabsorption. Bei hoher Pumpleistung (Figur 11b) ist die stimulierte Emission dominant, und die Fluoreszenzleistung nimmt exponentiell zu. Bei ausreichend hoher Pumpleistung wächst die Fluoreszenz auf sehr hohe Werte an den Eingangs- und Ausgangsenden der Faser an, wo der Verstärkungsfaktor durch Erschöpfung der Populationsinversion stark reduziert wird (Figur 11c). Der Verstärkungsfaktor zeigt ein deutliches Maximum beim Zentrum der Faser, wo die Gesamt-Fluoreszenzleistung, nämlich die Summe der Leistung des Vorwärtssignals P&spplus; und der Leistung des Rückwärtssignals P&supmin;, ein Minimum ist.

Beschreibung der zweiten Ausführungsform

Wie ersichtlich können die mit der vorliegenden Erfindung erzielten Ergebnisse auch mit einem Kuppler erreicht werden, dessen Kupplungswirkung bei der Pumpbelichtungswellenlänge 100% beträgt, während die Kupplungswirkung bei der Laserausgangswellenlänge 0% ist.
Figur 12 stellt eine solche Ausführungsform dar. Bei dieser Ausführungsform sind die Pumpquelle und der Spiegel in gleicher Weise an den Kuppler angeschlossen wie vorstehend für die erste Ausführungsform in Verbindung mit Figur 3 beschrieben worden ist. Da Figur 12 dieselben Elemente aufweist, wie in Verbindung mit Figur 3 beschrieben, werden die in Figur 3 verwendeten Bezugszeichen zur Bezeichnung derselben Elemente in Figur 12 benutzt. Allerdings hat der Multiplexkuppler in Figur 12 vom Kuppler 104 der Figur 3 abweichende Charakteristiken und wird daher mit der Ziffer 304 bezeichnet. Die Pumpquelle 100 erzeugt somit eine Pumpbelichtung am Anschluß A eines Multiplexkupplers 304 über eine Faser 102, wobei ein Spiegel 118 am Anschluß C an ein Ende einer Faser 106 gekuppelt ist. Eine dotierte Faser 108 ist an den Anschluß D in der Weise angeschlossen, wie es in Verbindung mit der Beschreibung der Figur 3 erläutert worden ist. Die dotierte Faser 108 ist vorzugsweise mittels eines Spleißes 110 an die optische Faser angeschlossen oder kann einfach mit der optischen Faser 106 verschmolzen sein. Der Anschluß B bleibt vorzugsweise ungekuppelt.
Bei dieser Ausführungsform wird der Kuppler 304 so eingestellt, daß er einen praktisch 100%igen Kupplungswirkungsgrad bei der Wellenlänge der Pumpquelle hat und einen Kupplungswirkungsgrad von 0% bei der Wellenlänge des von der dotierten Faser 108 emittierten Lichtsignals.
Das von der Pumpquelle 100 kommende Licht wird zunachst in der Faser 102 übertragen und vom Anschluß A zum Anschluß D in die dotierte Faser 108 eingekuppelt. Die dotierte Faser, vorzugsweise eine Nd:Silika-Faser, emittiert ein superfluoreszentes Signal sowohl in der Rückwärts- als auch in der Vorwärtsrichtung, wie durch die Pfeile 112 und 114 in Figur 12 bezeichnet. Das Vorwärtssignal 114 wird ungekuppelt an das Ausgangsende 120 der dotierten Faser 108 abgegeben. Das Rückwärtssignal 112 wird dagegen am Anschluß D zurück in den Kuppler 304 eingespeist und zurück zu der Faser 106 übertragen, nachdem es eine gerade Anzahl von Malen durch die Kupplungsfunktion des Kupplers gekuppelt worden ist. Das Rückwärtssignal 112 wird deshalb vom Anschluß D zu dem Anschluß C übertragen und in die optische Faser 106 eingeleitet, an der der Spiegel 118 angebracht ist. Das Rückwärtssignal 112 wird somit durch die Wirkung des Spiegels 118 zurück zu dem Kuppler 304 reflektiert und durch den Anschluß D des Kupplers 304 übertragen. Nach der Reflexion an dem Spiegel wird das Rückwärtssignal 112 schließlich am Ausgangsende 120 der dotierten Faser 108 ausgegeben.

Arbeitsweise der ersten und zweiten Ausführungsform

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die vorstehend erläuterten Ausführungsformen nach demselben Prinzip arbeiten. Ein wichtiger Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich aus der Tatsache, daß die Pumpbelichtung unmittelbar in die dotierte Faser eingespeist wird, ohne über den Spiegel zu gehen, wie es bislang im Stand der Technik der Fall war. Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die in die optische Faser 102 eingeführte Pumpbelichtung gleich anschließend durch die Kupplungswirkung des Kupplers 104 (304) entweder an den Anschluß B oder den Anschluß D gekuppelt, je nach der gewählten Ausführungsform Das Pumpsignal wird niemals auf die angrenzende optische Faser 106 und den Spiegel 118 übertragen. Für einen Fachmann ist ersichtlich, daß bei der vorliegenden Erfindung der Kupplungswirkungsgrad deutlich erhöht wird. Dies ist von beträchtlichem Vorteil, da die Pumpleistung bei der Erzeugung der Superfluoreszenz in der dotierten Faser entscheidend ist.
Der Einsatz des Spiegels 118 zum Reflektieren des superfluoreszenten Signals erhöht erheblich die Gesamtverstärkung der Faser und erlaubt es, die Leistung der Pumpquelle zu reduzieren. Als praktisches Beispiel ist für eine dotierte Faser mit einer Verstärkung von etwa 0,3 dB/mW im allgemeinen eine Laserquelle mit einem Ausgang von etwa 60 bis 70 mW erforderlich, um eine Gesamtverstärkung von 9 dB zu erhalten. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung verringert der doppelte Durchlauf des Pumpsignals mittels der Reflektors 118 die nötige Quellenleistung dramatisch um einen Faktor 2, indem eine Laserquelle von 30 bis 35 mW ausreicht, um dieselbe Verstärkung von 9 dB zu erlangen. Die erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsformen vereinfachen auch erheblich sowohl den Kupplungsvorgang als auch die mit der Funktion des Spiegels verbundenen Erfordernisse. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Spiegel vorzugsweise ein Hochreflektor und braucht nicht nach anderen Kriterien ausgewählt zu werden wie etwa seinen Multiplexeigenschaften. Außerdem braucht bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Pumpsignal keinen Spiegel zu kreuzen, bevor es in die dotierte Faser eingespeist wird. Deshalb können unterschiedliche Kupplungsverfahren zum Verbessern des Kupplungwirkungsgrades ins Auge gefaßt werden. Das gilt insbesondere für Pumpquellen wie Laserdioden, deren Kupplungwirkungsgrad generell niedrig ist. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird dieser Wirkungsgrad auch bei Pumpquellen wie Laserdioden erheblich verbessert. Deswegen können im Stand der Technik bekannte Kupplungstechniken bei der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzt werden. Solche Kupplungstechniken schließen unter anderem auch ein Abschrägen des Endes der Faser am Anschluß A ein. Abgeschrägte Fasern dienen allgemein zum Kanalisieren von Licht aus einer Quelle oder einer Faser von verhältnismäßig großem Querschnitt in eine Faser mit kleinerem Querschnitt. Durch die Ausbildung einer Faser in der Weise, daß eines ihrer Enden einen größeren Querschnitt aufweist als das andere, kann auf wirkungsvolle Weise das von einer Lichtquelle emittierte Licht in eine optische Faser eingekuppelt werden. Ebenso können vorteilhaft auch in das Faserende integrierte Mikrolinsen verwendet werden. Bekanntermaßen verbessern derartige Kupplungstechniken auch die Frequenzstabilität des Systems und verbessern dessen Wirksamkeit. Eine ausführliche Erörterung abgeschrägter Fasern findet sich bei Allan Snyder und John Love, Optical Waveguide Theory, Chapman and Hall, 183, London, Großbritannien, S. 107-112.
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Modusanpassung ebenfalls optimiert und ist deutlich besser als mit üblichen optischen Komponenten wie etwa Linsen. Durch stumpfes Ansetzen der Faser unmittelbar an die dotierte Faser ist die derartige erfindungsgemäße Anordnung sehr robust, kompakt und wenig fehleranfällig oder beispielsweise transportgefährdet. Ein weiterer beträchtlicher Fortschritt der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gegenüber dem Stand der Technik liegt in der vorteilhaften Konstruktion, die eine Trennung des Quellensignals und des Lasersignals ermöglicht. In bekannten Anordnungen laufen sowohl das Quellensignal als auch der Laserausgang auf denselben optischen Wellenleitern. Das Laserlicht sollte vorzugsweise weder in die Pumpquelle noch in die Kupplungsoptik zurückgelangen, weil eine derartige Signalausbreitung zum Raum der Pumpquelle hin eine Rückkopplung auf dem Signalweg verursachen kann. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das Ausgangslasersignal über den Kuppler an den Spiegel entweder nach einer 100%igen Übertragung durch den Kuppler gekuppelt (erste Ausführungsform gemäß Figur 3) oder nach einer 0%igen Übertragung durch den Kuppler (zweite Ausführungsform gemäß Figur 12). Deshalb "sieht" das Lasersignal nicht die Öffnung der Pumpquelle oder die Kupplungsoptiken, was zu einer reduzierten Rückkopplung in den aus der Pumpquelle kommenden Signalweg führt. Hierin liegt ein wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber bekannten Anordnungen, welche das Lasersignalspektrum nicht von unerwünschten strukturindizierten Resonanzeffekten freigehalten haben. Der Kuppler wirkt somit als Isolator, indem er ein Rücklaufen des Laserausgangssignals in die Öffnung der Pumpquelle verhindert.
Ein weiterer und wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der deutlichen Verbesserung der Temperaturabhängigkeit der superfluoreszenten Quelle Infolge des von dem Kuppler bewirkten Filtereffekts.
Der in den Figuren 3 und 12 gezeigte Kuppler 104 bzw. 304 erfüllt in vorteilhafter Weise zumindest zwei wichtige Funktionen. Erstens arbeitet er insofern als Multiplexer, als er für die durchlaufenden Signale spezifische Wege in Abhängigkeit der Frequenzen dieser Signale schafft. Diese Multiplexfunktion ist weiter oben im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 12 beschrieben worden. Zweitens kann der erfindungsgemäße Kuppler vorteilhaft dazu verwendet werden, das von der dotierten Faser 108 emittierte superfluoreszente Signal gegen Temperaturänderungen zu stabilisieren.
Ein Kuppler wird üblicherweise durch eine Filterfunktion charakterisiert, die von der Strukturausbildung des Kupplers abhängt. Einige Filterfunktionen, dargestellt als die Kupplerleistung gegenüber der Signalwellenlänge sind weiter oben in Verbindung mit den Figuren 5, 6 und 7 beschrieben worden. Zum genaueren Verständnis der durch die Filterfunktionen des Kupplers und die Temperaturabhängigkeit des Kupplers erreichten Frequenzstabilität wird nun auf Figur 13a Bezug genommen, die in einer Kurve die Temperaturabhängigkeit einer gegebenen Kupplerfunktion zeigt. Die Abhängigkeit der Kupplerwellenlänge ist in Figur 13a mit der durch den Kuppler übertragenen Leistung η als Ordinate und der Wellenlänge X als Abszisse aufgetragen. Theoretische Berechnungen und experimentelle Ergebnisse zeigen, daß ein Temperaturanstieg die durch die Kurve 400 dargestellte Filterfunktion in Richtung zu den niedrigeren Wellenlängen verschiebt, in Figur 13 somit nach links, und dabei eine neue Kurve 400a für eine höhere Temperatur hervorbringt. Desgleichen zeigen theoretische Berechnungen, daß die horizontalen Verlagerungen der Kurve 400 in Figur 13a im wesentlichen unabhängig von der vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) des Kupplers sind. Zur Beschreibung der Temperaturabhängigkeit der Filterfunktion eines optischen Kupplers mit Ganzglasfaser ist folgende Formel vorgeschlagen worden:
δλf/δT = -λf (α + ) (1)
worin λf eine Wellenlänge der Filterfunktion um die zentrale Wellenlänge ist, T die absolute Temperatur, α der Expansionskoeffizient und p der thermo-optische Koeffizient des Kupplers. Einzelheiten dieser theoretischen Berechnungen finden sich in einem Artikel von G. Meltz et al. mit dem Titel "Cross-Talk Fiber-Optic Temperature Sensor", Applied Optics, Vol. 22, Nr. 3, 1. Februar 1983.
Der Koeffizient (α + ) ist quasi-abhängig von der Glasart und hat einen Wert in der Größenordnung von 10&supmin;&sup5;/ºC für Ganzglaskuppler. Somit ist die Größe 1/λf δλf/δT typisch um -10 ppm/ºC für einen Ganzglaskuppler. In einstellbaren Faserkupplern dagegen, bei denen eine flüssige Schicht an der Verbindung zwischen den Kernen der gekuppelten Fasern eingefügt ist, ist der thermo-optische Koeffizient des Kupplers höher. Eine Temperaturabhängigkeit in der Größenordnung von einigen hundert ppm/ºC ist bei polierten Faserkupplern nicht ungewöhnlich. Weitere Einzelheiten zur Temperaturabhängigkeit von einstellbaren polierten Kupplern finden sich bei Michael Digonnet et al., "Analysis of a Tunable Single Mode Optical Fiber Coupler", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, Nr. 4, April 1982, S. 746-754, und bei M. Digonnet et al., "Wavelength Multiplexing in Single-Mode Fiber Couplerslt, Applied Optics, Vol. No. 22, Nr. 3, 1. Februar 1983, S. 484-491.
Was die Linienbreite des Kupplers betrifft, so kann diese von wenigen Angström (enger Filter) bis zu einigen hundert Nanometer (200 nm o.ä) schwanken, in Abhängigkeit von der ausgewählten Faser und dem Krümmungsradius der Faser. Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) wird üblich durch Δλf dargestellt und ist die Linienbreite der Filterfunktion beim halben Maximum der übertragenen Leistung. Δλf ist in Figur 13a eingezeichnet.
Andererseits ist die Wellenlänge des von der Faserquelle emittierten superfluoreszenten Signals auch von der Temperatur abhängig. Für einen Fachmann ist ersichtlich, daß alle Faserquellen einschließlich resonanter und nichtresonanter Quellen eine inherente Wellenlängenabhängigkeit ihrer Emissionswellenlänge λ von der Temperatur aufweisen, charakterisiert durch den Koeffizienten δλ /δT. Eine Bezugnahme auf Figur 13b zeigt die Temperaturabhängigkeit des Emissionsspektrums einer erfindungsgemäßen superfluoreszenten Faserquelle. In Figur 13b wird das Emissionsspektrum durch die Kurve 402 dargestellt. Temperatur beeinflußt dieses Spektrum durch Verschieben nach rechts, so daß es die Kurve 402a hervorbringt. Die Temperaturabhängigkeit einer Faserquelle liegt typisch in der Größenordnung einiger ppm pro ºC ( 10 bis 20 ppm/ºC).
Die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) einer Faserquelle, Δλ , kann üblicherweise vom Unter-Nanometerbereich bis zu einigen zehn Nanometer schwanken. Für die meisten optischen Anwendungsbereiche einschließlich Fasergyroskopen kommt jedoch vorzugsweise eine FWHM in der Größenordnung von 20 bis 30 nm zur Anwendung.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung eines Kupplers mit vorgewählter Temperaturabhängigkeits-Charakteristik, um damit zumindest teilweise die Temperaturverschiebung des Emissionsspektrums aufzuheben. Figur 13b zeigt, daß das Emissionsspektrum der Faserquelle bei einem Temperaturanstieg zu den größeren Wellenlängen hin versetzt wird; gleichzeitig verlagert derselbe Temperaturanstieg the Multiplexkurve des Kupplers zu den kleineren Wellenlängen hin.
Wenn das von der Quelle mit einem gegebenen Spektrum emittierte Licht von einem Kuppler mit einer gegebenen Filterfunktion gefiltert wird, ist die Intensität des gefilterten Lichtes einfach das Produkt der Spektrumsfunktion mit der Filterfunktion für eine bestimmte Wellenlänge. Das Spektrum des gefilterten Lichtes ist deshalb durch die folgende Gleichung gegeben:
Pgefiltert(λ), = PQuelle(λ) PKuppler(λ) (2)
worin Pgefiltert die gesamte Ausgangssignalleistung ist, PQuelle die Leistung des Quellensignals vor dem Kuppeln von PKupller, ubertragen von dem Kuppler für eine gegebene Wellenlänge.
Durch passendes Ansetzen der Wellenlängenänderung mit Bezug auf den in der erfindungsgemäßen Anordnung eingesetzten Kuppler ist es möglich, die Temperaturverschiebung des Faserquellen-Emissionsspektrums aufzuheben oder zumindest zu minimieren.
Für einen Fachmann ist ersichtlich, daß bei vielen Anwendungsbereichen, auch solchen mit Gyroskopen, die Quantität des gegenüber der Temperatur stabil zu haltenden Emissionsspektrums eher die durchschnittliche Spektrumswellenlänge < λ> ist als die zentrale Wellenlänge λ des Spektrums.
Die durchschnittliche Spektrumswellenlänge < λ> wird für ein von einer Quelle emittiertes und von einem Multiplexkuppler gefiltertes Signal durch folgende Gleichung definiert:
< λ> = Spektrum λ P(λ) F(λ) dλ/ Spektrum P (λ) F (λ) dλ (3)
worin P(λ) die Emissionsspektrumsfunktion der Quelle und F(λ) die Filterfunktion des Kupplers ist. Der untere Index "Spektrum" unter dem Integralzeichen beruht darauf, daß die Integrationen für die Werte λ des Emissionsspektrum ausgeführt werden.
Theoretische Berechnungen haben zu den nachfolgend in Tabelle 1 und Tabelle 2 zusammengefaßten Ergebnissen geführt: Tabelle 1
mit Δλ = 0.7215 und Δλf = 2.0. Tabelle 2
mit Δλ = 0.7215 und Δλf = 5.0.
Die Variablen in den obigen Tabellen sind wie folgt definiert:
- ΔT: Temperaturänderung in ºC;
- Δλ : FWHM der Quelle;
- Δλf: FWHM des Kupplers;
- δλf/Δλ : Änderung der Zentrumswellenlänge des Quellenemissionsspektrums bezogen auf die FWHM der Quelle infolge der Temperaturänderung ΔT;
- δλf/Δλf: Änderung der auf die FWHM normalisierten Kupplerfunktionswellenlänge infolge der Temperaturänderung ΔT;
- (δ< λ> /Δλ ): (ungefiltert) Änderung der durchschnittlichen Spektrumswellenlänge < λ> infolge der Temperaturänderung ΔT ohne Verwendung eines Multiplexkupplers;
- (δ< λ> /Δλ ) : (gefiltert) Anderung der durchschnittlichen Spektrumswellenlänge < λ> infolge der Temperaturänderung ΔT unter Verwendung eines Multiplexkupplers.
Die letzte Spalte in Tabelle 1 und 2 gibt die Nettoverbesserung an, die mit einem Kuppler der vorliegenden Erfindung erlangt werden kann. Die Tabellen 1 und 2 beziehen sich auf einen engen Filter (Δλf = 2,0) mit einer Temperaturabhängigkeit des Kupplers δλf/δT von etwa 11 ppm/ºC und einen breiteren Filter (Δλf = 5,0) mit einer Temperaturabhängigkeit des Kupplers δλf/δT von etwa 88 ppm/ºC. In den in Tabelle 1 und 2 zusammengefaßten theoretischen Berechnungen sind unterschiedliche Annahmen vorgegeben worden, die den Bereich der Ergebnisse nicht einschränken. So wird das Emissionsspektrum der Quelle als Gaußsches Spektrum angesehen. Ferner wird die Kupplerfunktion durch eine sin²-Funktion angenähert aufgrund einer Hypothese, die sich sowohl in theoretischen Modellen als auch in experimentellen Werten gefestigt hat. Es wird auch angenommen, daß die Filterfunktion des Kupplers keine Seitenbänder aufweist. Ein Filter mit einer diese Vorgaben erfüllenden Funktion kann leicht durch Verknüpfen geeigneter Faserkuppler erstellt werden. Andererseits kann die Unterdrückung von Seitenbändern mittels eines optischen Massenfilters erfolgen. Obwohl solch ein optischer Massenfilter eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist (normal in der Größenordnung von 100 ppm pro ºC oder mehr), ist dieser Effekt geringfügig, weil die Filterränder so ausgewählt werden, daß sie in die Nähe der Nuliwerte der Kupplerfunktion fallen. Eine Verlagerung der optischen Massenfilterfunktion hat damit eine geringe Auswirkung auf den erzielten Filterdurchgang.
Die Ergebnisse der Tabellen 1 und 2 zeigen deutlich eine Nettoverbeserung in der Temperaturabhängigkeit der Quelle, wenn das Quellensignal vorab mittels eines Multiplexkupplers gekuppelt wird. Als Nettoeffekt des Filters ergibt sich somit ein Rückgang der durch Temperatureinfluß verursachten Schwankungen in dem durchschnittlichen Wellenlängenspektrum um einen Faktor von etwa 50 dB. Die Verbesserung in der Temperaturabhängigkeit des Lasersignals ist bei einem Kuppler mit einer höheren Temperaturabhängigkeit (Tabelle 2) ebenfalls beachtlich und liegt gleichermaßen in der Größenordnung von 50 dB.
In den vorstehend beschriebenen theoretischen Berechnungen wird der Wert δλf berechnet, um die durchschnittliche Spektrumswellenlänge < λ> für einen gegebenen speziellen Temperaturwechsel zu minimieren. Die Nettoverbesserung in der Temperaturabhängigkeit des Quellensignals hängt somit von dem für δλf ausgewählten Wert ab. Zusätzliche Berechnungen zeigen, daß die Verbesserung geringer wird, wenn δλf nicht genau auf den optimalen Wert festgesetzt wird. Hiermit wird auf Figur 14 Bezug genommen, welche in einem Diagramm zeigt, wie sich die Verbesserung mit dem für δλf= gewählten Wert ändert. Der Wert δλf/δλf (optimal) ist auf der Abszissenachse aufgetragen, während die Verbesserung δ< λ> /δT in dB auf der Ordinatenachse dargestellt ist. Für einen Fachmann ist ersichtlich, daß die Verbesserung der Temperaturabhängigkeit der Quelle so lange beachtlich bleibt (größer als 10 dB), wie der Wert von δλf innerhalb von 10% seines optimalen Wertes ausgewählt wird. Durch Anwendung des Kupplers in der erfindungsgemäßen Anordnung und durch geeignete Auswahl der Temperaturabhängigkeit des Kupplers innerhalb 10% seines optimalen Wertes ist es möglich, die Temperaturabhängigkeit der Faserquelle von einem Wert von 10 bis 20 ppm/ºC auf 1 bis 2 ppm/ºC oder weniger herabzusetzen. Die vorstehenden theoretischen Berechnung setzen voraus, daß die Temperaturabhängigkeit des Kupplers linear ist. Zieht man die Nichtlinearität des Kupplers in Betracht und geht davon aus, daß die kombinierten Effekte aus der Wahl von δλf/δT und der Nichtlinearität von λf(T) den Wert δλf nur in den Bereich von 30% des originalen Wertes von δλf(optimal) bringen, dann zeigt Figur 14 deutlich, daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung noch eine Verbesserung um den Faktor 3 erreicht werden kann. Die Verbesserung in der Temperaturabhängigkeit der Quelle kann in den meisten der erfindungsgemäß relevanten optischen Anwendungsbereiche erlangt werden, insbesondere bei Gyroskopen.
Der Filtereffekt des Kupplers kann in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen insoweit gesteigert werden, als wenigstens eine Komponente des Quellensignals den Kuppler zweimal durchläuft. Hierbei ist die Intensität des gefilterten Lichtes gleich dem Produkt aus der Intensität des von der Quelle emittierten ungefilterten Lichtes und dem Quadrat des Filterkoeffizienten für eine gegebene Wellenlänge. Dies läßt sich am besten in der Gleichung zusammenfassen:
Pgefiltert(λ), = PQuelle(λ) P²Kuppler(λ) (4)
Die erfindungsgemäße Anordnung ist somit gegenüber dem Stand der Technik äußerst vorteilhaft, indem sie zahlreiche vorhandene Einschränkungen umgeht. Durch passende Auswahl des Kupplers dahingehend, daß seine Temperaturabhängigkeit sich in der entgegengesetzten Richtung zum Quellenspektrum ändert, kann wirkungsvoll die von der Temperatur beeinflußte Durchschnittswellenlängenverlagerung des Quellenspektrums reduziert werden. Bei geeigneter Auswahl der Temperaturabhängigkeit des Kupplers kann eine Nettoverbesserung bis zu 50 dB erzielt werden. Die Verbesserung in der Temperaturabhängigkeit der Quelle bleibt auch dann beträchtlich, (in der Größenordnung von 10 dB), wenn der Wert von δλf/δT innerhalb von 10% seines optimalen Wertes ausgewählt wird. Die Verstärkung ist auch dann noch bemerkenswert (um 3), wenn der Wert von δλf/δT innerhalb von 30% seines optimalen Wertes ausgewählt wird. Der Wert von δλf/δT ist mit den bislang bekannten Kupplern voll kompatibel.
Diese Ergebnisse bleiben auch dann erhalten, wenn sie mit anderen als superfluoreszenten Faserquellen erlangt werden. So kann die Temperaturabängigkeit des Ausgangs eines resonanten Breitbandfaserlasers entscheidend herabgesetzt werden, indem ein Multiplexkuppler verwendet und der Wert von δλf/δT in geeigneter Weise angesetzt wird. In gleicher Weise sind auch die dargelegten Ergebnisse auf Faserlaserquellen mit niedrigerem Band erreichbar.
Eine Bezugnahme auf Figur 15 zeigt die Abhängigkeit der Stabilität und der übertragenen Leistung in Abhängigkeit des Verhältnisses der Filter-FWHM von der Quellen-FWHM. Dieses Verhältnis ist in der Darstellung auf der Abszisse aufgetragen. Die linke Ordinatenachse gibt die Stabilität des superfluoreszenten Ausgangssignals an, während die rechte Achse die übertragene Ausgangsleistung des superfluoreszenten Signals zeigt. Zum besseren Verständnis der die Auswahl des Filters betreffenden Kriterien wird der in Figur 15 wiedergegebene Filter als gegenüber der Temperatur unbegrenzt stabil angenommen. Der Zuwachs in der Stabilität des Ausgangssignals wird als die Hauptwellenlängenstabilität einer fixierten stabilen Filterfunktion (d.h. einer cos²-Funktion) über einer unstabilen Quelle (d.h. einer Lorentzschen Quelle) definiert. Die Stabilität der Kurve 600 zeigt deutlich, daß für eine gegebene Quellen-FWHM die Stabilität des Ausgangssignals zunimmt, wenn die Filter-FWHM abnimmt. Das von einem engeren Filter (kleine FWHM) gefilterte Ausgangsspektrum ist deshalb weniger temperaturabhängig als das von einem breiteren Filter (große FWHM) gefilterte Ausgangsspektrum. Diesem Zuwachs in der Stabilität für enge Filterfunktionen steht allerdings entgegen, daß weniger Leistung durch den Kuppler übertragen wird, wie es durch die Kurve 602 bezeichnet wird. Ein Fachmann erkennt damit, daß je enger eine Filterfunktion ist, umso weniger Wellenlängen übertragen werden und deshalb umso weniger Leistung durch den Kuppler übertragen wird.
Durch geeignete Wahl der Kupplerparameter kann man daher für den Kuppler eine Filterfunktion erhalten, die die Temperaturabhängigkeit des Quellenspektrums um einiges herabsetzt. Diese Filterfunktion ist jedoch ausreichend durchlässig, so daß die Intensität des Ausgangslichtes für die verschiedenen Anwendungsbereiche dieses Lichtes genügend hoch ist. Ein Wert von 0,20 für das Verhältnis der Filter-FHWM zur Quellen-FHWM dürfte diese Voraussetzungen optimieren, wie durch die Kurve zum Ausdruck kommt. Dieser Werte entspricht dem Schnittpunkt der beiden Kurven 600 und 602.
Die im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausbildungen der optischen Elemente ist daher insoweit äußerst vorteilhaft, als das von der superfluoreszenten Quelle emittierte Licht weniger temperaturabhängig gemacht wird, als es bei dem Licht superfluoreszenter Quellen bekannter Art der Fall ist.
Die mit einer erfindungsgemäßen superfluoreszenten Quelle mit einer Nd-dotierten Faser erzielbare Verstärkung ist von der Dichte der invertierten Neodymionenpopulation in der Nd-dotierten Faser abhängig. Theoretische Berechnungen des Verstärkungssignals weisen darauf hin, daß der Verstärkungsfaktor recht groß sein kann, in der Größenordnung von 15 dB für einen einfachen Durchgang. Eine Verstärkung von 15 dB besagt, daß ein den Laserstab entlanglaufendes Signal eine Verstärkung um einen Faktor von annähernd 31,6 erfährt.
Ein neuerlicher Bezug auf Figur 3 und 12 zeigt, daß die Verstärkung des Vorwärtssignals 114 deutlich von der Verstärkung des Rückwärtssignals 112 abweicht. Das Vorwärtssignal 114 wird zum Ausgang des dotierten Faserstabes 108 emittiert (rechtes Ende der dotierten Faser 120) und erfährt eine Verstärkung um einen Faktor g. Das Vorwärtssignal hat daher am Ausgangsende der dotierten Faser eine Leistung P&spplus;, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann:
P&spplus; = Po [eg - 1] (5)
wobei Po die Initialleistung des in die dotierte Faser 108 eingeleiteten Signals und g die Gesamtverstärkung ist, und der Faktor 1 dem Leistungsverlust Rechnung trägt, der zum Induzieren der Superfluoreszenz erforderlich ist.
Das Rückwärtssignal 112 erhält eine zweimalige Verstärkung, erstens wenn es die dotierte Faser 108 zum Kuppler 104 oder 304 hin verläßt, und zweitens, wenn es die dotierte Faser 108 zurückläuft, um abschließend ausgegeben zu werden. Einfache theoretischen Berechnung ergeben die Leistung P&supmin; des Vorwärtssignals 114 am Ausgang mit
P&supmin; = Po [e2g - 1] (6)
Die Reflexion an dem Reflektor 118 ermöglicht es daher, daß die Verstärkung des Rückwärtssignals 112 weit über der Verstärkung des Vorwärtssignals 114 liegt. Das Rückwärtssignal 112 macht nur einen kleinen Teil das Gesamtausganges aus. Allerdings wird daran erinnert, daß die Filterfunktion des Kupplers sich nicht auf das Vorwärtssignal 114 auswirkt. Wenn die Verstärkung g ausreichend groß ist, ist das Vorwärtssignal 114 ein vernachlässigbarer Anteil des Ausgangs, und die Temperaturabhängigkeit des Vorwärtssignals 114 hat deshalb keine merkliche Auswirkung auf das Gesamtausgangssignal.
Bei einer Reduzierung der Verstärkung wird der Anteil des Vorwärtssignals deutlich, und die Temperaturabhängigkeit des ungefilterten Vorwärtssignals 114 kann im Ergebnis die Temperaturfunktion des Gesamtausgangssignals beeinflussen.
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entwickelt worden, worin sowohl das Vorwärtssignal als auch das Rückwärtssignal durch den Kuppler gefiltert werden.

Beschreibung der dritten und vierten Ausführungsform

Figur 16 ist eine schematische Darstellung der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform Dieselben optischen Komponenten, wie sie in Verbifidung mit den Figuren 3 und 12 beschrieben worden sind, kommen auch in dieser dritten Ausführungsform zur Anwendung. Demgemäß enthält das System eine Pumpquelle 100, zwei optische Fasern 102 und 106, eine dotierte Faser 108, einen Spiegel 118 und einen Kuppler 104. Der Spiegel 118 ist jedoch an einem Ende der dotierten Faser 108 angeordnet, während das andere Ende 116 der dotierten Faser an die optische Faser 102 gekuppelt ist, vorzugsweise mit Hilfe eines Spleißes 110, und außerdem an den Kuppler 104 angekuppelt ist.
Das Gesamtsystem in der dritten Ausführungsform arbeitet damit auffolgende Weise. Das Pumpsignal wird von der Pumpquelle 100 emittiert und an die optische Faser 102 gekuppelt, da der Kuppler 104 so ausgelegt ist, daß er Signale mit der Quellenwellenlänge nicht kuppelt. Die dotierte Faser 108 superfluoresziert unter diesen Voraussetzungen und bringt zwei Komponenten hervor, nämlich ein Vorwärtssignal 114 und ein Rückwärtssignal 112, wie durch die Pfeile in Figur 16 angegeben. Das (in der Zeichnung nach links gerichtete) Vorwärtssignal 114 geht durch den Kuppler 104 und wird an die optische Faser 106 gekuppelt, da der Kuppler 104 so ausgewählt ist, daß er bei der Laserfrequenz die Signale zu 100% kuppelt. Das Ausgangssignal wird auf der optischen Faser 106 gesammelt.
Das Rückwärtssignal 112 wird von dem Spiegel 118 reflektiert und in gleicher Weise wie das Vorwärtssignal 114 an die optische Faser 106 ausgegeben. Dabei werden jedoch erkennbar sowohl das Vorwärtssignal als auch das Rückwärtssignal einmal von dem Kuppler gefiltert. Die Filterfunktion des Kupplers kann dabei aus den oben erläuterten Gründen die Temperaturabhängigkeit des gesamten Ausgangssignals herabsetzen. Damit führt die in Figur 16 dargestellte Anordnung zu einer verbesserten Temperaturstabilität. Wie ersichtlich weicht die Nettofilterfunktion des Ausgangssignals in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung von der in den beiden ersten Ausführungsformen gemäß das gesamte Ausgangssignal einmal gefiltert, während in der ersten und der zweiten Ausführungsform nur die Rückwärtskomponente zweimal gefiltert wird und die Vorwärtskomponente ungefiltert bleibt. Alle in Verbindung mit der ersten und der zweiten Ausführungsform beschriebenen Vorteile bleiben auch bei dieser dritten Ausführungsform erhalten.
Es ist auch noch eine andere Ausführungsform entsprechend der in Verbindung mit Figur 12 beschriebenen Anordnung vorstellbar. Bei dieser in Figur 17 dargestellten vierten Ausführungsform werden die Eigenschaften des Kupplers 304 so ausgewählt, daß der Kuppler die Wellenlänge des Pumpquellensignals vollständig und die Lasersignalwellenlänge nicht kuppelt. Die dotierte Faser 108 und der Spiegel 118 sind zu diesem Zweck an den Anschluß D des Kupplers 304 gekuppelt. Das Pumpsignal wird über den Kuppler 304 vollständig an die dotierte Faser 108 gekuppelt. Die Vorwärts- und die Rückwärtskomponente des emittierten Lasersignals sind im wesentlichen ungekuppelt und werden auf die optische Faser 106 übertragen. Alle mit den vorherigen Ausführungsformen verbundenen Vorteile bleiben dabei erhalten (insbesondere die Temperaturabhängigkeit).

Beschreibung der fünften Ausführungsform

Es kommt auch eine fhnfte Ausführungsform in Frage, die mit einem Ganzfaserreflektor mit einer gyroskopähnlichen Faser schleife arbeitet.
Ganzfaserreflektoren gehöreh züm Stand der Technik. So wird ein Nd³&spplus;-dotierter cw-Faserlaser mit Ganzfaserreflektoren in dem Artikel beschrieben: J. D. Miller et al., "A Nd³&spplus;-doped cw fiber laser using all-fiber reflectors", Applied Optics, Vol. 26, Nr. 11, S. 2197-2201, 1. Juni 1987. Ganzfaserreflektoren werden dadurch erzeugt, daß man die Ausgänge eines gerichüeten Kupplers in einer Schleife zurückführt. Ein passiver Ganzfaserreflektor hat von einem normalen dielektrischen Reflektor oder Metallreflektor abweichende Eigenschaften. Auf den Kuppler einfallendes Licht wird geteilt, so daß zwei Teile des Feldes in entgegensetzten Richtungen um den Kuppler umlaufen. Über den Kuppler gekuppeltes Licht erfährt eine Phasenverschiebung von π/2.
Zum vollständigen Verständnis der mit einem Ganzfaserreflektor verbundenen Vorteile wird auf Figur 18 Bezug genommen, die einen Ganzfaserreflektor schematisch darstellt. Die in Verbindung mit Figur 3 und 12 beschriebenen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. In diesem Reflektor wird eine Faser 102, vorzugsweise eine Einfachmodusfaser, verwendet, die zwischen zwei aneinandergrenzenden Anschlüssen eines Kupplers 704 in einer Schleife geführt ist. Der Kuppler 704 ist vorzugsweise ein geschmolzener Kuppler. Ein Eingangssignal wird von einer Quelle 100 in einen Anschluß des Kupplers 704 eingeleitet. Ein Komponente I&sub1; des Eingangssignals kreuzt den Kuppler 704 nicht und durchläuft die Schleife im Gegenuhrzeigersinn. Die andere Komponente I&sub2; durchläuft die Schleife im Uhrzeigersinn mit zweimaliger Kreuzung des Kupplers 704. Diese beiden Komponenten I&sub1; und I&sub2; werden dann ausgegeben, um ein Ausgangssignal in einer dotierten Faser 108 und ein Rücklaufsignal in der Faser 102 zu bilden. Einfache theoretische Berechnungen zeigen, daß sich das Verhältnis t Ausgangsfeld/Eingangsfeld Eaus/Eein aus folgender Gleichung ergibt:
t = (1 - 2K) (1 - η) exp [(-α+jβ)l] (7)
worin bedeuten:
K die Intensitätskupplungsrate des Kupplers;
η den Kuppler-Intensitätsverlust;
α den Feldverlust;
β die Fortpflanzungskonstante;
l die Gesamtlänge der Schleife; und
j die Komplexnummernbasis.
Das reflektierte Signal besteht aus der Überlagerung zweier gegeneinander laufender Komponenten, die beide während des Umlaufs einem Durchgang durch den Kuppler unterworfen werden. Das Verhältnis des Eingangsfeldes zum Ausgangsfeld für das reflektierte Signal ergibt sich aus:
jr (Eaus/Eein) 2j K1/2 (1-K)1/2(1-η)exp [(-α+jβ)l] (8)
Für einen Fachmann ist ersichtlich, daß t eine reelle Zahl ist, während jr eine imaginäre Zahl ist. Bei der Reflexion erfolgt deshalb ein Phasenwechsel von π/2. Bei der Übertragung erfolgt dagegen bei K < 0,5 ein Null-Phasenwechsel und bei K > 0,5 ein Phasenwechsel von π. Das maximale Reflexionsvermögen ist bei dR/dK 0 gegeben, was für alle Faser- und Kupplerverlustwerte erfüllt ist, wenn K = 1/2.
Unter neuerlicher Bezugnahme auf Figur 18 mit der schematischen Darstellung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Pumpquelle 100 an die Faser 102 des Kupplers 704 gekuppelt, um eine Pumpbelichtung am Anschluß A des Multiplexkupplers 704 zu bewirken. Die optische Faser 102 an den Anschlüssen B und D ist in der vorbeschriebenen Weise zur Bildung eines Ganz faserreflektors zurückgeführt.
Die Faser 102 am Anschluß C ist an eine dotierte Faser 108 gekuppelt, d.h. stumpf verbunden oder schmelzgespleißt, wie es bei einer der vorherigen Ausführungsformen der Fall ist. Die dotierte Faser 108 ist vorzugsweise eine Neodym-Glasfaser (NGF) . Die geometrischen Parameter des Kupplers sind außerdem so gewählt, daß das Kupplungsverhältnis bei der Mittenwellenlänge der dotierten Faseremission 0,5 ist (entsprechend einem Kupplungsverhältnis von 3 dB), und so, daß das Kupplungsverhältnis für die Wellenlänge der Pumpe 0 ist. Das Pumpsignal wird daher vollständig von der Schleife übertragen und vollständig an die dotierte Faser gekuppelt. Der Kuppler ist jedoch derart ausgewählt, daß das Lasersignal mit dem größten Reflexionsvermögen reflektiert wird (K = 0,5). Das reflektierte Lasersignal erfährt dadurch einen Phasenwechsel von π/2, wie es in den vorstehenden theoretischen Berechnungen bezüglich der Ganzfaserreflektoren gezeigt worden ist. Die Reflexion R des Ganzfaserreflektors ergibt sich aus der Gleichung:
R = 4K (1-K) (1-η)² exp (-2αl) (9)
während die Übertragung T sich ergibt aus:
T = (1-2K)² (1-η) exp (-2αl) (10)
Wenn K = 1/2, ergeben die Gleichungen (9) und (10):
R = (1-η)² exp (-2αl) (11)
T = 0 (12)
Die Gleichungen (11) und (12) lassen zwei Schlußfolgerungen zu. Ein Ganzfaserreflektor mit geringen Verlusten kann nahezu Totalreflexion ergeben. Das reflektierte Signal zirkuliert daher entlang der dotierten Faser und wird dem Filtereffekt des Multiplexkupplers unterworfen, was zu einer besseren Temperaturstabilität führt. Ferner hat der Signalweg eine verringerte Rückkopplung, da das Lasersignal nicht zu der Pumpe zurückübertragen wird (T = 0).
Bei dieser Ausführungsform wird wie bei der ersten und der zweiten Ausführungsform nur das Rückwärtssignal von dem Multiplexkuppler gefiltert. Wie ersichtlich besteht dann, wenn die Verstärkung ausreichend groß ist, das Ausgangssignal nahezu vollständig aus dem Rückwärtssignal. Desgleichen ist offensichtlich, daß alle im Zusammenhang mit den vorherigen Ausführungsformen erläuterten Vorteile auch bei einem Ganzfaserreflektor vorhanden sind. Diese fünfte Ausführungsform arbeitet nicht mit einem dielektrischen Spiegel und besitzt alle Vorteile optischen Ganzfasersystems.

Beschreibung der sechsten und siebten Ausführungsform

Eines der wesentlichen Merkmale der vorstehenden Ausführungsformen liegt in der von dem Multiplexkuppler ausgeführten Filterfunktion. Eine solche Filterfunktion ermöglicht eine größere Temperaturstabilität. Es ist möglich, den in den bisherigen Ausführungsformen eingesetzten Multiplexkuppler durch einen optischen Filter zu ersetzen, dessen Parameter sorgfältig im Hinblick auf die Übertragung einer spezifischen Wellenlänge ausgewählt worden sind. Hierzu wird auf die Figuren 19 und 20 Bezug genommen, die in Form eines Blockdiagrammes schematisch zwei weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die Figuren 19 und 20 zeigen jeweils vier Blöcke, die eine Pumpe 100, einen hochreflektierenden Spiegel 118 und einen Filter 804 mit hoch ausgewählter Temperaturabhängigkeit darstellen. Das in Figur 19 dargestellte System arbeitet folgendermaßen. Eine Pumpquelle 100 emittiert ein einen Spiegel 118 belichtendes Lichtsignal. Der Spiegel 118 ist so ausgesucht, daß er für die Wellenlänge der Pumpquelle durchlässig ist. Ferner ist der Spiegel 118 an eine dotierte Faser 108 gekuppelt. Das übertragene Pumpsignal fällt in die Faser 108, vorzugsweise eine Nd:Glasfaser (NGF), und erzeugt bei adäquaten Pumpbedingungen Superfluoreszenz. Das Lasersignal hat zwei Komponenten, eine Vorwärtskomponente 114, die an einem Ende der dotierten Faser 108 ausgegeben wird, und eine Rückwärtskomponente 112. Der Spiegel 118 ist für die Rückwärtskomponente 112 reflektierend ausgelegt, und die Rückwärtskomponente 112 wird zum dem Ausgangsende der dotierten Faser 108 zurück reflektiert. Anschließend wird das ausgegebene Lasersignal von dem Filter 804 gefiltert, so daß es weniger temperaturempfindlich wird. Entsprechend den vorherigen Erläuterungen der Temperaturabhängigkeit von optischen Kupplern wird die Temperaturabhängigkeit des Filters so ausgewählt, daß ein von der Faserquelle emittiertes und von dem Filter gefiltertes Signal eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweist als ein ungefiltertes Lasersignal.
Bei der in Figur 20 gezeigten Ausführungsform ist der Filter 804 zwischen den Spiegel 118 und die dotierte Faser 108 gesetzt. Dadurch wird nur die Rückwärtskomponente 112 von dem Filter 804 gefiltert. Die Rückwärtskomponente 112 durchquert den Filter 804 zweimal, einmal auf dem Weg zum Spiegel 118 hin und ein zweites Mal auf dem Weg zurück zum Ausgangsende der dotierten Faser 108. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Verstärkung ausreichend groß ist.
In den Ausführungsformen der Figuren 19 und 20 können unterschiedliche Filter eingesetzt werden. Wie in der Erörterung der vorherigen Ausführungsformen aufgezeigt, ist ein Multiplexkuppler sehr gut geeignet, als Filter zu wirken. Jedoch kommen auch verschiedene andere Filter in Frage, die in der Lage sind, die Temperaturabhängigkeit des superfluoreszenten Ausgangssignals herabzusetzen.
Weiterhin ist es für einen Fachmann ersichtlich, daß die in Figur 19 und 20 gezeigte Ausbildung auf jede dotierte Faserquelle übertragen werden kann, sei sie nichtresonant, wie bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben (kein Spiegel an beiden Seiten des Faser), oder resonant (typische dotierte Faser mit Spiegeln an beiden Enden).
Bei den Ausführungsformen der Figuren 19 und 20 kann ein zweiter (nicht dargestellter) Spiegel an dem zweiten Ende der dotierten Faser 108 angeordnet werden, um in der Faser 108 Resonanz zu induzieren. Das von der Faserquelle emittierte Ausgangssignal wird anschließend von dem Filter 804 gefiltert, was eine außerordentliche Verringerung der Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals ermöglicht. Für einen Fachmann ist es verständlich, daß die superfluoreszente Natur des von der Faserquelle emittierten Ausgangssignals keine Rolle in dem von dem Filter bewirkten Filtereffekt spielt und damit die hier erörterten Konzepte in weitem Umfang auf andere Arten von Lichtsignalen übertragen werden können. Außerdem kann das Emissionsspektrum der Faserquelle eine große Bandbreite haben, wie bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, oder auch eine engere Bandbreite. Schließlich sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Verwendung von polierten optischen Faserkupplern beschrieben worden. In gleicher Weise können aber auch andere, bekannte Arten von Kupplern eingesetzt werden, wie etwa integrierte optische Kuppler, doppelkonisch abgeschrägt geschmolzene Kuppler u.a.
Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, so sind für einen Fachmann doch verschiedene Änderungen und Abwandlungen ersichtlich, und solche Änderungen und Abwandlungen sollen mit umfaßt werden, soweit sie in den Rahmen der anliegenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Faseroptiksystem mit:

einer Pumpquelle (100) zum Emittieren von Pumplicht mit einem ersten Wellenlängenspektrum;

einer mit Lasermaterial dotierten optischen Faser (108), wobei die Intensität des Pumplichts in dem ersten Wellenlängenspektruh ausreicht, um superfluoreszente Emission von Laserlicht in dem Lasermaterial bei einem zweiten Wellenlängenspektrum zu induzieren; und wobei das Laserlicht ein Vorwärtssignal (114) und ein Rückwärtssignal (112) aufweist, die an den Stellen, wo das Laserlicht emittiert wird, im wesentlichen einander entgegengerichtet sind, gekennzeichnet durch

einen Multiplexkuppler (104) zum Leiten von durch die Pumpquelle (100) emittierten Licht mit dem ersten Wellenlängenspektrum in ein Ende der dotierten Faser (108), wobei die Intensität dieses Pumplichtes ausreicht, um die Emission von superfluoreszentem Licht mit dem zweiten Wellenlängenspektrum in dem Lasermaterial zu induzieren, und wobei der Multiplexkuppler (104) für das erste Wellenlängenspektrum einen anderen Kupplungswirkungsgrad hat als für das zweite Wellenlängenspektrum;

einen an den Multiplexkuppler (104) gekuppelten Reflektor (118), um das Vorwärtssignal (114) und/oder das Rückwärtssignal (112) in und durch den Multiplexkuppler (104) zu reflektieren; und

eine für den Multiplexkuppler (104) gewählte niedrige Temperaturabhängigkeit, um die Temperaturverschiebung des Emissionsspektrums aufzuheben, so daß das von dem Multiplexkuppler (104) gefilterte Laserlicht weniger temperaturabhängig ist als das ungefilterte Laserlicht.

2. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Multiplexkuppler (104) ein im wesentlichen vollständiges Kuppeln des Pumplichtes bei dem ersten Wellenlängenspektrum bewirkt und ein Kuppeln des Laserlichts bei dem zweiten Wellenlängenspektrum im wesentlichen hemmt.

3. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Multiplexkuppler (104) ein im wesentlichen vollständiges Kuppeln des Laserlichtes bei dem zweiten Wellenlängenspektrum bewirkt und ein Kuppeln des Pumplichts bei dem ersten Wellenlängenspektrum im wesentlichen hemmt.

4. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Multiplexkuppler (104) ein im wesentlichen 50%iges Kuppeln des Laserlichts bei dem zweiten Wellenlängenspektrum bewirkt und ein Kuppeln des Pumplichtes bei dem ersten Wellenlängenspektrum im wesentlichen hemmt.

5. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Reflektor (118) an ein zweites Ende der dotierten optischen Faser (108) gekuppelt ist, wobei das Laserlicht aus der dotierten Faser (108) über das erste Ende der dotierten Faser (108) austritt.

6. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem das Laserlicht aus der dotierten Faser (108) über den Multiplexkuppler (104) an einem anderen Anschluß des Kupplers (104) austritt.

7. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Multiplexkuppler (104) einen dritten und einen vierten Anschluß hat und bei dem der Reflektor (118) eine optische Faser aufweist, die eine Schleife zwischen dem dritten und dem vierten Anschluß bildet.

8. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die dotierten optische Faser (108) eine mit dem Lasermaterial dotierte Einfachmodus-Faser ist.

9. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Kuppeln von Licht in dem Multiplexkuppler (104) evaneszenter Feldkupplung unterliegt.

10. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste Wellenlängenspektrum im wesentlichen die Wellenlänge bei 806 nm umfaßt.

11. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das zweite Wellenlängenspektrum im wesentlichen die Wellenlänge bei 1060 nm umfaßt.

12. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Lasermaterial ein Ion der Seltenen Erden enthält und die dotierte optische Faser (108) aus einem Wirtsglas aus einer Gruppe besteht, die im wesentlichen Alkali, Erdalkalisilikate, Silikate, Keime, Phosphate oder Boratgläser enthält.

13. Faseroptiksystem nach Anspruch 12, bei dem das Material der seltenen Erde vorzugsweise Neodym, Ytterbium oder Erbium ist.

14. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die dotierte optische Faser (108) an eine optische Faser angeschmolzen oder gespleißt ist, um sie mit dem zweiten Anschluß des Multiplexkupplers (104) zu kuppeln.

15. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Reflektor (118) einen dielektrischen Spiegel aufweist.

16. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Reflektor (118) einen metallischen Spiegel aufweist.

17. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Quelle (100) eine Laserdiode ist.

18. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Quelle (100) ein Farbstofflaser ist.

19. Faseroptiksystem nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das mit dem zweiten Frequenzspektrum emittierte Licht eine große Bandbreite aufweist.

20. Faseroptiksystem nach Anspruch 1, bei dem der Multiplexkuppler (104) eine erste und eine zweite Länge einer optischen Faser nebeneinanderliegend aufweist, um ein Kuppeln von Licht zwischen der ersten und der zweiten Länge zu bewirken, wobei die erste und die zweite Länge der optischen Faser einen ersten Endteil und einen zweiten Endteil besitzen, die Pumpquelle (100) an den ersten Endteil der ersten Länge der optischen Faser gekuppelt ist, die erste und die zweite Länge der optischen Faser einen einfachen, durchgehenden Strang einer optischen Faser bilden, und der optische Faserstrang einen Schleifenbereich und zwei Linienbereiclie bildet, die mit der Pumpquelle (100) bzw. der dotierten optischen Faser (108) verbunden sind.

21. Faseroptiksystem mit:

einer mit Lasermaterial dotierten optischen Faser (108), wobei die Intensität des Pumplichts ausreicht, um die Emission von superfluoreszentem Laserlicht in dem Lasermaterial bei einem zweiten Wellenlängenspektrum zu induzieren, wenn das Lasermaterial mit dem Pumplicht gepumpt wird, wobei der Laserlicht wenigstens ein Vorwärtssignal (114) und ein Rückwärtssignal (112) aufweist; und einem Reflektor (118) zum Reflektieren der ersten und/oder der zweiten Komponente des Laserlichts, gekennzeichnet durch

einen optischen Filter (804) zum Filtern des Vorwärtsund/oder des Rückwärtssignals (114, 112), wobei der Filter mit einer niedrigen Temperaturabhängigkeit ausgewählt ist, um die Temperaturverschiebung des Emissionsspektrums zu hemmen, so daß das von dem optischen Filter (804) gefilterte Laserlicht weniger temperaturabhängig ist als das ungefilterte Laserlicht.

22. Faseroptiksystem nach Anspruch 21, bei dem der Reflektor (118) zwischen die Pumpquelle (100) und die dotierte optische Faser (108) eingefügt ist, wobei der Reflektor (118) selektiv das Pumplicht in dem ersten Wellenlängenspektrum durchläßt und das Laserlicht in dem zweiten Wellenlängenspektrum reflektiert.

23. Faseroptiksystem nach Anspruch 21, bei dem die dotierte optische Faser (108) zwischen den Reflektor (118) und den optischen Filter (804) eingefügt ist.

24. Faseroptiksystem nach Anspruch 21, bei dem der optische Filter (804) zwischen den Reflektor (118) und die dotierte optische Faser (108) eingefügt ist.

25. Faseroptiksystem nach Anspruch 21, weiterhin mit einem zweiten Reflektor (118) zum Bilden eines Resonanzraums in der dotierten optischen Faser (108).

26. Faseroptiksystem nach Anspruch 21, bei dem das Laserlicht eine große Bandbreite aufweist.

27. Faseroptiksystem nach Anspruch 21, bei dem das Laserlicht eine enge Bandbreite aufweist.

28. Verfahren zum Erzeugen von Licht geringer zeitlicher Kohärenz, mit folgenden Schritten:

Vorsehen einer Quelle (100) zur Pumpbelichtung bei einem ersten Wellenlängenspektrum;

Pumpen eines Endes einer mit Lasermaterial dotierten optischen Faser (108) mit der Pumpbelichtung, um eine Emission von superfluoreszentem Licht in dem Lasermaterial bei einem zweiten Wellenlängenspektrum zu erzeugen, wobei das superfluoreszente Licht wenigstens ein Vorwärtssignal (114) und ein Rückwärtssignal (112) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Multiplexen des Pumplichts und des superfluoreszenten Lichts in einem optischen Kuppler (104), der mit der dotierten optischen Faser (108) und der Quelle (100) verbunden ist und für das erste Wellenlängenspektrum und das zweite Wellenlängenspektrum einen unterschiedlichen Kupplungswirkungsgrad aufweist, und Reflektieren des Vorwärtsund/oder des Rückwärtssignals in und durch den optischen Kuppler (104);

Auswählen des optischen Kupplers (104) mit einer niedrigen Temperaturabhängigkeit, um die Temperaturverschiebung des Emissionsspektrums aufzuheben, so daß das von dem optischen Kuppler (104) gefilterte Laserlicht weniger temperaturabhängig ist als das ungefilterte Laserlicht.

29. Verfahren zum Erzeugen von Licht geringer zeitlicher Kohärenz nach Anspruch 28, mit dem weiteren Schritt das Leitens der reflektierten Komponente in die dotierte optische Faser (108).

30. Verfahren zum Erzeugen von superfluoreszentem Licht mit geringer zeitlicher Kohärenz und geringer Temperaturabhängigkeit, mit folgenden Schritten:

Pumpen einer mit Lasermaterial dotierten optischen Faser (108) mit der Pumpbelichtung, um eine Emission von Laserlicht in dem Lasermaterial bei einem zweiten Wellenlängenspektrum zu erzeugen, wobei das Laserlicht wenigsten eine Vorwärtskomponente und eine Rückwärtskomponente aufweist; und

Reflektieren der Vorwärts- und/oder der Rückwärtskomponente in die dotierte optische Faser (108) zurück, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Filtern der ersten und/oder der zweiten Komponente des Laserlichts mittels eines optischen Filters (804) mit einer ausgewählten Temperaturabhängigkeit, um die Temperaturverschiebung des Emissionsspektrums aufzuheben, so daß die gefilterte Komponente eine geringere Temperaturabhängigkeit aufweist als das ungefilterte Licht.

31. Verfahren zum Erzeugen von Licht geringer zeitlicher Kohärenz nach Anspruch 30, bei dem der Schritt des Pumpens den Schritt umfaßt, in der dotierten Faser (108) Superfluoreszenz zu induzieren.

32. Verfahren zum Erzeugen von Licht geringer zeitlicher Kohärenz nach Anspruch 30, bei dem der Schritt des Filterns folgende Schritte umfaßt:

Vorsehen eines optischen Kupplers (104) mit einer vorgegebenen zweiten Temperaturverschiebung, die mit der ersten Temperaturverschiebung des Laserlichts im wesentlichen gleich und dieser entgegengerichtet ist; und

Kuppeln der Vorwärts- und/oder der Rückwärtskomponente des Laserlichts mittels des optischen Kupplers (104) zum Erzeugen einer gekuppelten Komponente mit einer dritten Temperaturverschiebung, wobei die dritte Temperaturverschiebung der gekuppelten Komponente im wesentlichen aufgehoben oder minimiert wird.