DE69115620T2

DE69115620T2 - Stabilisierung einer superfluoreszierenden Quelle

Info

Publication number: DE69115620T2
Application number: DE69115620T
Authority: DE
Inventors: Bernard G Fidric; David F Libman
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1991-09-19
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: CA2051308A1; JP3133411B2; EP0477021A3; KR920007280A; JPH04234182A; DE69115620D1; US5136600A; EP0477021B1; EP0477021A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Optik und insbesondere das Gebiet von Lichtquellen, die auch als Laser mit verstärkter spontaner Emission (ASE) bezeichnet werden, die in Anwendungen wie z.B. Interferometer-Sensoren, z.B. einem faseroptischen Kreisel, verwendet werden.
Das U.S.-Patent 4,637,025 für eine "Super Radiant Light Source (superstrahlende Lichtquelle)", das am 13. Januar 1987 an E. Snitzer et al ausgegeben wurde, beschreibt die Verwendung einer optischen Monomodenfaser, die einen Kern hat, der mit einem aktiven Lasermaterial wie z.B. Neodymium dotiert ist. Die Faser wird mit Pumplicht gepumpt, das dazu ausreicht, eine Verstärkung mit spontanen Emissionen zu erzeugen. In einer Ausführungsform wird ein dichroitischer Spiegel verwendet, um einen Doppeldurchlaß für Licht in dem Faserkern für eine zusätzliche Verstärkung bereitzustellen. Snitzer zeigt nicht oder schlägt nicht vor einen Steuerprozeß zum Steuern der Wellenlänge des Pumpquellenlichts.
Fiber Laser Sources and Amplifiers II, SPIE Procs. Vol. 1373, 18. September 1990, Seiten 234-245 und Electronics Letters, Vol. 13, Nr. 584, 21. Juni 1990, Seiten 870-879 schlagen ein superfluoreszierendes Faser-Quellensystem als eine Breitbandquelle vor, die eine SFS (superfluorescent source = Superfluoreszenzquelle)-Einrichtung zum Erzeugen von SFS- Licht aufweist, das eine SFS-Wellenlänge hat, wenn sie mit Pumplicht von einer Lichtquelle gepumpt wird, die eine Pumplicht-Wellenlänge hat. Sie diskutieren die Stabilisierung der SFS-Ausgangswellenlänge. Die Temperaturempfindlichkeit der mittleren Wellenlänge wird als abhängig von verschiedenen Parametern vorgeschlagen und es wird angeregt, daß, indem die Werte dieser Parameter ausgewählt werden, ein stabiler Arbeitspunkt erreicht werden kann, d.h. eine Beziehung zwischen diesen Parametern, die die Temperaturempfindlichkeit definieren, wird im wesentlichen auf Null reduziert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Superfluoreszenz-Faser-Quellensystem bereitgestellt, das aufweist:
eine SFS (Superfluoreszenzquelle)-Einrichtung zum Erzeugen von SFS-Licht, das eine SFS-Wellenlänge hat, wenn sie mit Pumplicht von einer Lichtquelle gepumpt wird, das eine Pumplichtwellenlänge hat, wobei das System durch eine Steuereinrichtung gekennzeichnet ist, die aufweist:
eine Ausgangscontrollereinrichtung, die auf einen Abtastwert bzw. eine Probe von Licht von der SFS-Einrichtung antwortet, um die Leistung des SFS-Lichts zu maximieren, indem automatisch die Pumplichtwellenlänge eingestellt wird.
In einer Ausführungsform der Ausgangscontrollereinrichtung hat eine Pumplichtquelle eine Temperatursteuereinrichtung, die auf ein Thermo-Antriebssignal reagiert, zum Steuern der Temperatur der Pumplichtquelle und eine Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung zum Erfassen der Leistung eines Abtastwerts des SFS-Lichts und zum Steuern des Thermo- Antriebssignals, um die Temperatur der Pumplichtquelle um eine Betriebstemperatur herum zu variieren, wobei die Variation der Pumplichtquelle-Temperatur in einer entsprechenden Variation der Pumplichtquelle-Wellenlänge resultiert, wobei die SFS-Quelle auf die Variation der Pumplichtquelle- Wellenlänge reagiert, um eine entsprechende Variation der Leistung des Abtastwertes des SFS-Lichts bereitzustellen, wobei die Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung auf die Variation der Leistung des Abtastwertes des SFS-Lichts zum Einstellen des Thermo-Antriebssignales reagiert, um die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle einzustellen, um die Leistung des Abtastwert-SFS-Lichts zu maximieren.
In einer weiteren Ausführungsform hat die Ausgangscontrollereinrichtung eine Pumplichtquelle-Temperatursteuereinrichtung, die auf ein Thermo-Antriebssignal reagiert, zum Steuern der Temperatur der Pumplichtquelle und eine Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung zum Erfassen der Leistung einer Restpumpstrahlung, die aus der SFS-Einrichtung austritt, und zum Einstellen des Thermo-Antriebssignals, um die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle einzustellen, um die Leistung der Restpumpstrahlung zu minimieren.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Stabilisierungsverfahren zum Stabilisieren einer Superfluoreszenzfaserquelle bereitgestellt, die die Schritte aufweist:
Pumpen einer SFS (Superfluoreszenzquelle)-Faser, um ein SFS-Licht, das eine SFS-Wellenlänge hat, mit Pumplicht von einer Pumplichtquelle zu erzeugen, das eine Pumplichtwellenlänge hat, gekennzeichnet durch Abtasten von Licht von der SFS und durch Maximieren der Leistung des SFS-Lichts durch automatisches Einstellen der Pumplichtwellenlänge.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese in der Praxis ausgeführt werden kann, wird nun Bezug mittels Beispiel auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
Figur 1 ein Blockdiagramm des Steuersystems für eine Breitband-Superfluoreszenz-Lichtquelle (SFS) ist;
Figur 2 eine graphische, schematische Wiedergabe der Pumpabsorption durch die SFS-Faser ist, gemessen als Verhältnis der Restpumpleistung, die die Superfluoreszenzquelle- Faser verläßt, gegenüber der Leistung in die SFS-Faser hinein als eine Funktion der Pumpwellenlänge;
Figur 3 eine graphische, schematische Wiedergabe der SFS-Faseremissionsleistung als eine Funktion der Pumpwellenlänge ist, wobei die Pumpleistung konstant gehalten ist;
Figur 4a eine graphische, schematische Wiedergabe der SFS-Faser-Emissionswellenlänge als eine Funktion der Pumpwellenlänge ist, wobei die Pumpleistung auf einem ersten Niveau und einem zweiten Niveau konstant gehalten ist;
Figur 4b eine graphische, schematische Wiedergabe ist, die zeigt, daß die SFS-Faser-Emissionswellenlänge Ls der SFS Emissionsstrahlung 32 als eine Funktion der Pumplichtstrahlung 16 der Pumplichtleistung PMPPWR variiert;
Figur 5 eine graphische, schematische Repräsentation der Pump-Wellenlänge als eine Funktion der Temperatur ist;
Figur 6 eine graphische, schematische Wiedergabe der SFS-Emissionswellenlänge Ls als eine Funktion der Temperatur der SFS-Faserquelle ist;
Figur 7 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform des Steuersystems für eine Breitband-Superfluoreszenz-Lichtquelle (SFS) ist;
Figuren 8a, 8b und 8c graphische, schematische Wiedergaben sind, die die Werte der SFS-Faseremissionsleistung zeigen, die an den Extrema einer festgelegten Variation in der Temperatur der Pumpe in Antwort auf die Variationen in der TEC-Temperatur resultieren;
Figur 9 eine graphische, schematische Wiedergabe der TDITHER Antriebsspannung von dem Referenzoszillator als eine Funktion der Zeit ist;
Figur 10 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Ausgangscontrollers für das Steuersystem für eine Breitband- Superfluoreszenz-Lichtquelle (SFS) ist;
Figur 11 ein detaillierteres Blockdiagramm einer Ausführungsform des Ausgangscontrollers für eine Breitband-Superfluoreszenz-Lichtquelle (SFS) ist;
Figur 12 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Pumpleistungscontrollers für das Steuersystem für eine Breitband-Superfluoreszenz-Lichtquelle (SFS) ist;
Figur 13 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Temperaturcontrollers für die SFS-Faserquelle ist.
Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems 10 zum Stabilisieren der Wellenlänge einer SFS-Faserquelle 12. Eine Pumplichtquelle 14 stellt eine Pumplichtstrahlung 16 mit einer Pumpwellenlänge PMPLNTH und mit einer Pumpleistung PMPPWR der SFS(Superfluoreszenzquelle)-Faser 12 über einen optischen Pumplichtweg 18 zu einem WDM(Wellenlängendivisionsmultiplexer) 20 bereit.
Der WDM 20 teilt die Pumplichtstrahlung 16 in einem vorgegebenen Verhältnis auf und koppelt einen ersten Teil der Pumplichtstrahlung 16, der sich auf eine Pumpmonitor- Lichtstrahlung 22 mit einer Pumpleistung Pp1 bezieht, über einen Pumpmonitor-Faseranschluß 24 mit einem Pumpmonitor- Faseranschluß 25 und einem Pumpmonitordetektor 26. Ein Pumpleistungscontroller 27 repräsentiert eine Pumpleistungs- Steuereinrichtung, die auf ein Pumpdetektorsignal vom Pumpmonitordetektor 26 reagiert, zum Einstellen der Amplituden des Pumpantriebsstromes IPMDRV, um die Pumpmonitor-Lichtstrahlung 22 vom Pumpmonitor-Faseranschluß 25 auf einer konstanten Leistung zu halten. Ein zweiter Teil der Pumplichtstrahlung 16, der sich auf die Hauptstrahlung des Pumplichts 28 mit einer Pumpleistung Pp2 bezieht, wird in die SFS-Faserquelle 12 über den optischen Weg 30 eingekoppelt.
Die SFS-Faserquelle 12 enthält eine optische Monomodenfaser, die einen Kern hat, der mit zumindest einem aktiven Lasermaterial wie z.B. Neodymium oder Erbium dotiert ist. Die SFS-Faser wird durch die Hauptstrahlung des Pumplichts 28 über den optischen Weg 30 mit ausreichender Leistung Pp2 gepumpt bzw. versorgt, um eine Verstärkung mit spontaner Emission des aktiven Lasermaterials zu erzeugen, um eine SFS- Emissionsstrahlung 32 des Lichts bereitzustellen, das aus der SFS-Faserquelle 12 über den optischen SFS-Weg 30 austritt.
Ein dichroitischer Spiegel 58, der an der Endoberfläche der SFS-Faserquelle 12 ausgebildet ist, reflektiert Licht bei der Wellenlänge der SFS-Emissionsstrahlung 32, um einen Doppeldurchgang für SFS-Licht in der SFS-Faserquelle für eine zusätzliche Verstärkung bereitzustellen. Der dichroitische Spiegel 58 ist dafür ausgelegt, eine Restpumplicht-Strahlung 36 durch den dichroitischen Spiegel 58 hindurchzulassen, um eine Reflexion des nichtabsorbierten Teils der Hauptstrahlung des Pumplichts 28 zurück zu dem WDM 20 zu vermeiden. Die Verwendung des dichroitischen Spiegeis 58 verbessert den Betrieb der Erfindung. Das System arbeitet jedoch auch ohne diesen, aber mit vermindertem Wirkungsgrad.
Die SFS-Emissionsstrahlung 32 kehrt zu dem WDM 20 über den optischen SFS-Weg 30 mit einer SFS-Emissionsleistung PS und mit der SFS-Emissionswellenlänge Ls zurück. Der WDM 20 leitet die SFS-Emissionsstrahlung 32 über den WDM-Ausgangsweg 38 als SFS-Ausgangsemissionsstrahlung 39 zu dem Koppeleingang des Kopplers 42. Der Koppler 42 teilt die SFS-Ausgangsemissionsstrahlung 39 in eine SFS-Ausgangsstrahlung 44 am SFS- Systemausgang 46 und in eine SFS-Erfassungsstrahlung 47 um, die am SFS-Erfassungsausgang 48 ausgegeben ist. Der Koppler 42 ist typischerweise dafür ausgelegt, über 90% der Leistung der SFS-Ausgangsemissionsstrahlung 39 an dem SFS-Systemausgang 44 bereitzustellen und weniger als 10% Leistung an dem SFS- Erfassungsausgang 48 bereitzustellen.
Die SFS-Erfassungsstrahlung 47 wird über die SFS-Ausgangsfaser 50 durch den SFS-Ausgangsdetektoranschluß 51 zu dem SFS-Ausgangsdetektor 52 geleitet. Der SFS-Ausgangscontroller 54 stellt eine Temperatursteuereinrichtung, die auf ein SFS-Ausgangserfassungssignal, das durch die Phantomlinie 55 wiedergegeben wird, vom SFS-Ausgangsdetektor 52 reagiert, zum Einstellen der Wellenlänge der Pumplichtstrahlung 16 dar, indem die Pumptemperatur Tp der Pumplichtquelle 14 eingestellt wird, um die Amplitude der SFS-Erfassungsstrahlung 47 durch Einstellen des Antriebsstromes ITHERMDV zu einem elektrischen Thermokühler (TEC) 56 zu maximieren.
Der Pumpleistungscontroller 27 stellt eine Pumpleistungssteuereinrichtung, die auf ein Pumpdetektorsignal von dem Pumpmonitordetektor reagiert, zum Einstellen der Amplitude des Pumpantriebstromes IPMDRV dar, um die Pumpmonitor- Lichtstrahlung 22 von dem Pumpmonitorfaseranschluß 25 auf einer konstanten Leistung zu halten.
Figur 2 ist eine graphische, schematische Wiedergabe der Pumpabsorption durch die SFS-Faser, gemessen als das inverse Verhältnis der Restpumpleistung in der Erfassungsstrahlung 36, die die Superfluoreszenz-Quellenfaser über den dichroitischen Spiegel 58 verläßt, zu der Leistung, die an die SFS-Faser 12 durch die Hauptstrahlung des Pumplichts 28 über den optischen SFS-Weg geliefert wird, als eine Funktion der Pumpwellenlänge PMPLNTH der Pumplichtstrahlung 16. Die Spitze in der Absorption der Pumpleistung bei "A" wurde erhalten, indem ein Abtastwert aus einer erbiumdotierten Aluminiumsilikatfaser verwendet wurde. Von der Spitze bei "A" wurde beobachtet, daß sie bei ungefähr 980 nm auftritt, wenn die Pumpwellenlänge PMPLNTH von 900 nm bis 1000 nm variiert wird, während die Leistung in der Pumpmonitor-Lichtstrahlung 22 in Figur 1 im wesentlichen konstant gehalten ist.
Eine Laserdiode mit einer Mittenwellenlänge bei 980 nm wurde zur Verwendung in der Pumplichtquelle 14 ausgewählt. In den alternativen Ausführungsformen können jedoch Laserdioden mit Wellenlängen, die bei 810, 980 oder 1475 nm in der Mitte auftreten, in Abhängigkeit von den Erfordernissen der jeweiligen Ausführungsformen verwendet werden. Eine Diode vom Modell 0L452A, die von OKI in Japan vertrieben wird, war für die Anwendung geeignet.
Figur 3 ist eine graphische, schematische Wiedergabe der SFS-Faseremissionsleistung in der SFS-Emissionsstrahlung 32 als eine Funktion der Pumpwellenlänge, wobei die Pumpleistung konstant gehalten ist. Dieser Kurvenverlauf zeigt, daß die Spitzenausgangsleistung der SFS-Emissionsstrahlung 32 zum WDM 20 auch mit der Pumpwellenlänge von 980 nm übereinstimmt.
Figur 4a ist eine graphische, schematische Wiedergabe von Daten, die zeigen, daß die SFS-Faseremissionswellenlänge Ls der SFS-Emissionsstrahlung 32 als eine Funktion der
Pumplichtstrahlung 16 mit der Pumplichtwellenlänge PMPLNTH variiert. Die Variation der SFS-Faseremissionswellenlänge Ls als eine Funktion der Pumpwellenlänge wird gezeigt, wobei die SFS-Emissionsleistung auf einem ersten Niveau von 4 mW und auf einem zweiten Niveau von 10 mW konstant gehalten ist.
Figur 4a zeigt, daß die Stabilität der SFS-Wellenlänge am größten ist, wenn die Änderung der SFS-Wellenlänge bezüglich einer Änderung der Pumpwellenlänge am kleinsten ist. Der Punkt der größten Stabilität tritt auch auf, wenn die Pumpwellenlänge PMPLNTH auf oder nahe an 980 nm ist.
Figur 4b ist eine graphische, schematische Wiedergabe von Daten, die zeigen, daß die SFS-Faseremissionswellenlänge Ls der SFS-Emissionsstrahlung 32 als eine Funktion der Pumplicht leistung PMPPWR der Pumplichtstrahlung 16 variiert. Z.B. ist das Leistungsniveau dieser Strahlung typischerweise in der Größenordnung von 30 mW. Eine Pumpleistungstabilität von ungefähr 1% ist erforderlich, um eine SFS-Emissionswellen längenstabilität von ungefähr 30 ppm zu erreichen.
Figur 5 ist eine graphische, schematische Wiedergabe, die zeigt, daß die Pumpwellenlänge PMPLNTH als eine Funktion der Pumptemperatur variiert. Die Wellenlänge PMPLNTH der Pumplichtstrahlung 16 wird durch eine Einrichtung zum Steuern der Pumpquellentemperatur, z.B. dem thermoelektrischen Kühler (TEC) 56, gesteuert. Die Figur 5 zeigt auch, daß, wenn die Temperatur des TECS 56 über einen gesteuerten Bereich moduliert wird, die Pumpwellenlänge dementsprechend variiert.
Figur 6 zeigt graphisch in schematischer Form, daß die SFS-Emissionswellenlänge Ls auch als eine Funktion der Temperatur der SFS-Faserquelle variiert. Da die Pumplichtquelle 14 typischerweise eine Diode mit einer Dissipation ist, die von ihrem Durchlaßspannungsabfall und dem Antriebsstrom, der durch sie hindurchgeht, abhängt, und da es keinen Mechanismus oder Vorgang gibt, der vorliegt, um die Temperatur der SFS- Faserquelle 12 mit der der Pumplichtquelle 14 zu koppeln, sind Auswirkungen auf eine Änderung in der Wellenlänge der SFS-Quelle 12 aufgrund von Änderungen der Temperatur der Pumplichtquelle 14, die PMPLNTH ändert, und von Änderungen der SFS-Quellenwellenlänge Ls von Änderungen in der Temperatur der SFS-Faserquelle 12 im wesentlichen unabhängig voneinander.
Die untenstehende Gleichung 1 zeigt, daß die Variation der SFS-Emissionsstrahlungswellenlänge DLS eine Funktion der partiellen Ableitung von Ls bezüglich der Pumpleistung PMPPWR mal einer inkrementalen Änderung der Pumpleistung DPMPPWR plus die partielle Ableitung von Ls bezüglich der Pumpwellenlänge PMPLNTH mal einer inkrementäle Änderung der Pumpwellenlänge DPMPLNTH plus der partiellen Ableitung von Ls bezüglich der Temperatur der SFS-Quellenfaser Ts mal einer inkrementalen Änderung in der Temperatur der Quellenfaser Dts ist.
Eine Nettoabsenkung des maximalen, absoluten Wertes des DLS-Terms auf der linken Seite der Gleichung impliziert eine Erhöhung in der Stabilität der SFS-Emissionsstrahlungswellenlänge Ls.
Es ist klar, daß die Stabilität der SFS-Emissionsstrahlungswellenlänge Ls am größten ist, wenn der Term DLs auf Null geht. Der DLS-Term ist Null, wenn die drei Terme auf der rechten Seite der Gleichung 1 sich zu Null summieren.
Gleichung 1. DLs = (DLS/DPMPPWR) *DPMPPWR + (DLS/DPMPLNTH) *DPMPLNTH + (DLs/DTs) *DTS
Figur 7 zeigt eine Mechanisierung einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform, in der der dritte Term in der Gleichung 1, der die Temperatur der SFS-Faserquelle 12 be trifft, herausfällt. Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, in der der dritte Term der Gleichung 1 ermittelt wird. Gemäß Figur 1 erfaßt der SFS-Thermistor 59 die Temperatur der SFS-Faserquelle und erzeugt ein SFS-Temperatursignal für einen Signalformer 60 innerhalb eines verwendeten Systems innerhalb des Phantomblocks 62.
Der Signalformer 60 wandelt das SFS-Temperatursignal in eine Serie von abgetasteten Digitalwerten um, die über einen Bus 61 mit einem Signalprozessor 64 zur Verwendung beim Korrigieren von Faktoren gekoppelt sind, die auf die Wellenlänge des SFS-Ausgangssignals über die Strahlung 44 vom Ausgangsanschluß 46 des Kopplers 42 empfindlich sind.
Das verwendete System 62 ist typischerweise ein Instrument wie z.B. ein Interferometer, ein faseroptischer Kreisel oder ein Triax-Faseroptik-Kreisel, der die stabilisierte Ausgangslichtstrahlung 44 an einem Empfangskoppler 66 oder einer anderen internen Optikanordnung oder einem anderen Instrument empfängt und verwendet. Der Empfangskoppler wird dazu eingesetzt, zumindest einen ersten Teil des Ausgangssignals 44 zumindest an ein erstes, internes Instrument oder einen Systemdetektor 68 des verwendeten Systems 62 auszugeben.
Der Ausgang jedes Systemdetektors 68 koppelt das Signal mit einem Former 70. Nach der Verstärkung und der Formung durch den Former 70 wird das geformte Signal vom Former 70 auch einem Signalprozessor 64 zugeführt, in dem die Kompensationseffekte von dem SFS-Temperatursignal dazu verwendet werden, Variationen in dem Systemsignal vom Former 70 zu kompensieren, die aufgrund des Einflusses von Temperatureffekten auf die SFS-Quelle entstehen.
Gemäß Figur 6, wenn die Temperatur der SFS-Quelle 12 variiert, bezieht sich der Signalprozessor 64 auf eine Beziehung, z.B. die Beziehung der Figur 6, und auf den gemessenen Wert der Temperatur der SFS-Faserquelle 12 für eine bestimmte Faser und berechnet die Kompensation, die erforderlich ist, um den Effekt des dritten Terms in Gleichung 1 auszulöschen.
In einer weiteren, alternativen Ausführungsform der Erfindung wie z.B. der, die in Figur 13 gezeigt ist, ist die SFS-Faserquelle 12 an einem Temperaturcontroller, wie z.B. dem SFS-TEC 72 angeordnet. Der SFS-Thermistor 59 erfaßt die Temperatur und erzeugt das SFS-Temperatursignal für einen SFS-Fasertemperaturcontroller, der durch den Phantomblock 74 wiedergegeben wird, zum Steuern der Temperatur der SFS- Faserquelle 12.
In einer alternativen Ausführungsform der Figur 13 antwortet die SFS-Faser-Temperatur-Steuereinrichtung auf das SFS-Temperatursignal und auf ein vorgegebenes Temperaturreferenzsignal Ts zum Stabilisieren der Temperatur der SFS- Faser 12 auf einen Wert, der dem vorgegebenen Temperaturreferenzsignal Ts entspricht.
Es ist aus den Blockdiagrammen der Figuren 1 und 7 ersichtlich, daß es durch das Erfassen der Temperatur der SFS- Faserquelle 12 und durch die Verwendung des Temperatursteuerprozesses für die SFS-Faserquelle 12, wie z.B. der oben in Verbindung mit Figur 13 beschriebene, ermöglicht wird, die Superfluoreszenzquelle weiter zu stabilisieren, indem der dritte Term in Gleichung 1 im wesentlichen auf einen konstanten Vorterm gebracht wird.
In jeder der obenstehenden, alternativen Ausführungs formen wird der auftretende Wellenlängenfehler in dem SFS- Systemausgangssignal 44 durch das nachfolgende, verwendete System 62 durch Softwarekorrekturen optional kompensiert, die durch den Systemsignalprozessor 64 ausgeführt werden.
Der Steuerprozeß, derverbleibt, erfordert, daß der Wert des ersten Terms und des zweiten Terms so klein wie möglich ist oder von gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen ist. In der Ausführungsform der Figur 1 stellt der Pumpmonitordetektor 26 ein Signal, das für die Amplitude des ersten Teils der Pumpleistung Pp1 repräsentativ ist, dem Pumpleistungscontroller 27 zur Verfügung.
Der Pumpleistungscontroller 27 stellt eine Einrichtung, die auf das Pumpleistungssignal vom Pumpmonitordetektor 26 reagiert, zum Einregeln des Wertes von IPMPDRV dar, um die Ausgangsleistung des Lichts von der Pumplichtquelle 14 auf einen vorgegebenen Wert festzulegen. Somit wird der erste Term in Gleichung 1 oben nahezu Null, da (DPMPPWR 0) durch den Betrieb des Controllers ist.
Figur 12 zeigt eine Ausführungsform des Pumpleistungscontrollers 27, in der der Detektor 26 die Lichtstrahlung 22 erfaßt, die proportional zur Ausgangsleistung des Pumplichtquelle-Lichts ist, das der SFS-Quelle 12 zugeführt ist. Das Signal vom Detektor 26 wird vom Verstärker KA verstärkt und konditioniert. Das Ausgangssignal des Verstärkers KA wird durch den Filter H12(S) tiefpaß-gefiltert. Das gefilterte Ausgangssignal wird dem Addierer zugeführt und mit einem vorgegebenen Signal ISET summiert, das den gewünschten Strom in der Pumpleistungsquelle angibt. Das Ausgangssignal des Addierers wird mit GI(S) integriert und das integrierte Ausgangssignal wird über HI1(S) zum Addierer zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Integrators wird dazu verwendet, Strom zur Pumpleistungsquelle zu treiben.
Figur 13 zeigt eine Ausführungsform des SFS-Fasertemperaturcontrollers, in der der Thermistor T1 die Temperaturder SFS-Faser 12 erfaßt. Das SFS-Temperatursignal vom Thermistor T1 wird durch den Verstärker KB geformt und ist proprotional zur Temperatur der SFS-Faserquelle 12. Das SFS- Temperatursignal wird durch den Filter HF2(S) tiefpaß-gefiltert. Das gefilterte Ausgangssignal wird dem Addierer zugeführt und mit einem vorgegebenen Signal Ts summiert, das die gewünschte Temperatur der SFS-Faserquelle 12 wiedergibt.
Das Ausgangssignal des Addierers wird von GF(S) integriert und das integrierte Ausgangssignal wird über HF1(S) zum Addierer zurückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Integrators wird dazu verwendet, den TEC 72 anzutreiben, um die Temperatur der SFS-Faserquelle 12 zu steuern.
Wieder mit Bezug auf Figur 1 ist eine Ausführungsform der Erfindung am besten als Wellenlängenstabilisierungsvorrichtung für eine Superfluoreszenzquelle 10 zu charakterisieren. Eine SFS-Faserquelle 12 stellt eine SFS(Superfluoreszenzquelle)-Einrichtung zum Erzeugen von SFS-Licht dar, die eine SFS-Wellenlänge hat, wenn sie mit einem Pumplicht von einer Pumplichtquelle 14 gepumpt wird, die eine Pumplichtwellenlänge hat, typischerweise im Bereich von 978 bis 983 nm. In einer einfachen Form hat die Ausführungsform eine Ausgangscontrollereinrichtung, die durch den Ausgangscontrollerblock 54 repräsentiert ist, der auf einen Abtastwert des SFS-Lichts in der Strahlung 47 reagiert, zum Maximieren der Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts, indem automatisch die Pumplichtwellenlänge eingestellt wird. Durch Maximieren der Leistung der Strahlung 47 maximiert die Ausgangscontrollereinrichtung die Stabilität des SFS-Faser- Quelle-Ausgangssignals.
Die Durchführung der Stabilisierungsvorrichtung für die Superfluoreszenzquelle verbessert, indem eine Pumpleistung- Controllereinrichtung 27 der Ausgangscontrollereinrichtung hinzugefügt wird, um das Pumplicht von der Pumplichtquelle über die Strahlung 22 abzutasten, die aus dem Faserpumpmonitor-Faseranschluß 25 austritt, daß die Ausgangsleistung des Abtastwerts des Pumplichts bezüglich einem vorgegebenen Referenz-Ausgangsleistungsniveau stabilisiert wird.
In jeder der bevorzugten Ausführungsformen der Wellen längenstabilisierungsvorrichtung für die Superfluoreszenzquelle enthält die SFS-Faserquelle eine optische Monomodenfaser, die einen Kern hat, der mit zumindest einem aktiven Lasermaterial dotiert ist, das aus der Gruppe von Seltenerde- Materialien wie z.B. Neodymium oder Erbium oder Aluminium ausgewählt ist.
Man beziehe sich nun wiederum auf die Ausführungsform der Figur 1 und der Figur 7, worin der SFS-Ausgangscontroller 54 derart betrachtet werden kann, daß er eine Ausgangscontrollereinrichtung repräsentiert, die eine Pumplichtquelle-Temperatursteuereinrichtung wie z.B. den TEC (thermischen Elektrokühler) 56, der auf ein Thermoantriebssignal, z.B. das ITHERMDV, reagiert, zum Steuern der Temperatur der Pumplichtquelle 14 und eine Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung 54 hat, um die Leistung des Abtastwerts dieses SFS-Lichts über die SFS-Erfassungsstrahlung 47 oder die Reststrahlung 36 zu erfassen und um das Thermo-Antriebssignal zum Zittern bzw. Schwanken zu bringen, indem ein kleines Oszillationssignal mit dem ITHERMDV überlagert wird, um die Temperatur der Pumplichtquelle um eine Betriebstemperatur herum leicht zu variieren. Eine Variation der Pumplichtquelle Temperatur resultiert in einer entsprechenden Variation der Pumplichtquelle-Wellenlänge in der Pumplichtstrahlung 16.
Die SFS-Faserquelle 12 antwortet auf die Variation der Pumplichtquelle-Wellenlänge und erzeugt eine entsprechende Variation in der Leistung der SFS-Erfassungsstrahlung 47 des Abtastwerts des SFS-Lichts. Figuren 8a bis 8c zeigen, wie die SFS-Emissionsleistung in Antwort auf eine Variation in der Temperatur der Pumplichtquelle 14 bei drei unterschiedlichen Temperaturen in Synchronisation mit der Referenzsignalwellenform von dem OSCL Oszillator in Figur 9 variiert. Der OSCL Referenzoszillator 112 ist in Verbindung mit den Figuren 10 und 11 gezeigt und diskutiert.
Figur 8a zeigt den Zustand des Zitterbereichs DT an der unabhängigen variablen Achse, zentral an der gewünschten Temperatur To.
Figur 8b illustriert den Zustand des Zitterbereichs DT bezüglich der unabhängigen, variablen Achse, die in einen Betriebsbereich versetzt ist, der bei einer Temperatur unterhalb der gewünschten Temperatur To zentriert ist. Die Differenz aus der Amplitude der SFS-Emissionsleistung bei der Grenze B2 mit hoher Temperatur des Zitterbereichs minus dem Wert der Emissionsleistung bei der niedrigen Grenze des Temperaturbereichs B1 resultiert in einem positiven Wert.
Alternativerweise zeigt Figur 8c, daß die Differenz aus der Amplitude der SFS-Emissionsleistung bei der hohen Temperaturgrenze C2 des Zitterbereichs minus dem Wert der Emissionsleistung bei der niedrigen Temperaturgrenze des Temperaturbereichs C1 in einem negativen Wert resultiert. Der SFS-Ausgangscontroller der Figur 1 antwortet auf die Variation der Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts in der SFS-Erfassungsstrahlung 47, indem er das Thermo-Antriebssignal ITHERMDV einstellt, um die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle 14 einzustellen, damit die Leistung der Abtastwert-SFS Erfassungsstrahlung, d.h. des Ausgangserfassungssignals als Erfassungsstrahlung 47, maximiert wird.
Die Stabilität der Wellenlängenstabilisierungsvorrichtung wird erhöht, indem die Verwendung der Pumpleistungscontrollereinrichtung, die obenstehend in Verbindung mit Block 27 erläutert wurde, in Kombination mit der Pumplichtquelle- Temperatursteuereinrichtung, wie z.B. dem TEC 56, kombiniert wird. Der TEC 56 antwortet auf das Thermo-Antriebssignal, um die Temperatur der Pumplichtquelle 14 zu steuern. Eine Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung, z.B. der oben diskutierte SFS-Ausgangscontroller 54, erfaßt die Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts mit der SFS-Ausgangsdetektordiode 52, wenn sie beleuchtet wird, das ausgehend von der Strahlung 39, über den WDM 20 zu der Faser 38, zum Eingang 40 am Ausgangskoppler 42 und dann über die Faser 50 als SFS- Erfassungsstrahlung 47 auf die Diode 52 fällt.
Die Diode 52 ist eine herkömmliche Detektordiode und kann hermetisch in einem Metall untergebracht sein und kann einen Vorverstärker und eine Eingangslinse enthalten, die es der Erfassungsstrahlung 46 erlaubt, hindurchzugehen. Detektordioden sind manchmal PIN-Dioden. In einer Alternative ist die Diode 52 innerhalb des SFS-Ausgangscontrollers 54 enthalten. Bei dieser Anordnung ist die Erfassungsstrahlung 47 ausgedehnt&sub1; damit sie die Strahlung 55, die in den SFS- Ausgangscontroller 54 eintritt, enthält, so daß sie auf einen Detektor (nicht gezeigt) fällt.
Figur 10 zeigt eine Ausführungsform eines SFS-Ausgangscontrollers 54 oder eines Ausgängserfassungs- und Steuerprozesses oder einer Schaltung zum Empfangen des erfaßten Signals, wie in Figur 7, über die Strahlung 36 über Signalleitungen 114, 115. Der Block 116 repräsentiert einen SFS- Emissionsausgangsverstärker, der eine Spannungsverstärkung typischerweise im Bereich von 20 bis 100 hat. Das verstärkte Erfassungssignal wird vom Verstärkerausgang 118 zu dem Eingang eines PSD (phasenempfindlichen Demodulator) 120 an einem ersten Eingang 122 gekoppelt. PSD bezieht sich auf den Ausgang des OSCL durch das Signal FDITHER am zweiten Eingang 124. Figur 9 zeigt einen typischen Wellenverlauf für OSC1.
Das demodulierte Ausgangssignal des PSD 120 wird dem LPF (Tiefpaßfilter) 126 zugeführt. Das gefilterte Erfassungssignal wird dem Integratoreingang 128 zum Integrieren durch den Integrator HT2(S), 130 zugeführt. Das demodulierte, gefilterte, integrierte Erfassungssignal wird mit einem ersten Subtraktionseingang 134 des Addierers 136 zum Subtrahieren von dem Rückkoppelsignal von ITHERMDV über das Rückkoppelelement 138 gekoppelt.
Das Ausgangssignal des Addierers 136 ist mit dem ersten Eingang 140 des zweiten Addierers 142 gekoppelt. Ein vorgegebenes Temperaturreferenzsignal am zweiten Addierereingang 144 vom Potentiometer 146 wird dem FDITHER Signal vom OS1 112 hinzugefügü, um ein kombiniertes Signal oder das rückkoppelkorrigierte, demodulierte, gefilterte, integrierte Erfassungssignal an dem Eingang 148 des GT(S) Blocks 150 auszubilden. Der GT(S) Block 150 filtert und integriert das kombinierte Signal im Block, um das ITHERMDV Antriebssignal für den TEC 56 auszubilden. Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß das FDITHER Signal dem Eingangssignal des GT(S) Steuerblocks 150 an einem Punkt überlagert ist, der sicherstellt, daß das Ausgangssignal des GT(S) Blocks das gewünschte Zittersignal enthält.
Der Steuerprozeß 210 der Figur 11 enthält viele Elemente, die identisch zu jenen des Steuerprozesses der Figur 10 sind; aber er enthält auch eine Möglichkeit zum Empfangen eines Temperaturrückkoppelsignals TOFF von dem TEC-Thermistor auf der Signalleitung 214. Der Steuerprozeß der Figur 11 enthält auch den Kompensationsblock GC2(S) 216 und GCl(S) 218 mit kompensierenden Pol- und Nullstellen, die eingeführt wurden, um die Antwortcharakteristik des TEC 56 zu berücksichtigen, wenn er durch DTHERMDV auf der Signalleitung 220 angetrieben wird. Der Steuerprozeß 210 erzeugt eine TEC-Thermosteuerung in Übereinstimmung mit dem Steuersignal auf der Signalleitung 222.
Die Vorrichtung der Figur 1 stellt einen Weg zur Verfügung, um das Verfahren oder den Prozeß für die Wellenlängenstabilisierung einer Superfluoreszenz-Faserquelle auszuführen, der die Schritte aufweist:
A. Pumpen einer SFS (Superfluoreszenzquelle), um ein SFS-Licht zu erzeugen, das eine SFS-Wellenlänge hat, mit Pumplicht von einer Pumplichtquelle, das eine Pumplichtwellenlänge hat;
B. Abtasten des SFS-Lichts von dem SFS und Maximieren der Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts durch automatisches Einstellen der Pumplichtwellenlänge; und
C. Wiederholen der Schritte A und B.
Die Vorrichtung der Figur 7 stellt einen Weg zur Verfügung, um das Verfahren der Stabilisierung einer Superfluoreszenzquelle auszuführen, das die folgenden Schritte aufweist:
A. Erzeugen eines SFS-Lichts von einer SFS-Quelle, die eine SFS-Wellenlänge hat, durch Pumpen der SFS-Quelle mit Pumplicht von einer Pumplichtquelle, die eine Pumplichtwellenlänge hat, wobei ein erster Teil des Pumplichts beim Pumpen der SFS-Quelle absorbiert wird, und wobei ein zweiter Teil des Pumplichts aus der SFS-Quelle als eine Restpumpstrahlung austritt; gefolgt von dem Schritt:
B. Erfassen der Restpumpstrahlung und Antworten auf die Restpumpstrahlung, um die Leistüng der Abtastung des SFS- Lichts zu Maximieren, indem automatisch die Pumplicht wellenlänge eingestellt wird, um die Leistung der Restpumpstrahlung zu minimieren.
Dementsprechend wurde eine Wellenlänge-Stabilisierungsvorrichtung und ein Verfahren für eine Superfluoreszenz- Faserquelle beschrieben. Obwohl die Erfindung im Detail offenbart und erläutert wurde, sollte verstanden werden, daß dies nur mittels Erläuterung und Beispiel geschehen ist und nicht als Beschränkung anzusehen ist.

Claims

1. Superfluoreszenz-Faserquelle-System, das aufweist:

eine SFS(Superfluoreszenzquelle)-Einrichtung (12) zum Erzeugen eines SFS-Lichts, das eine SFS-Wellenlänge hat, wenn sie mit Pumplicht von einer Lichtquelle (14) gepumpt wird, die eine Pumplichtwellenlänge hat, wobei das System gekennzeichnet ist durch eine Steuereinrichtung, die aufweist:

eine Ausgangscontrollereinrichtung (54), die auf einen Abtastwert von Licht (39, 36) von der SFS-Einrichtung reagiert und dazu neigt, die Leistung des SFS-Lichts durch automatisches Einstellen der Pumplichtwellenlänge zu maximieren.

2. System gemäß Anspruch 1, das aufweist eine Pumpleistungs-Controllereinrichtung (27), die auf den Abtastwert von Pumplicht von der Pumplichtquelle (14) reagiert, zum Stabilisieren der Ausgangsleistung des Abtastwerts des Pumplichts mit Bezug auf ein vorgegebenes Referenz-Ausgangsleistungs-Niveau.

3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgangscontrollereinrichtung, eine Pumplichtquelle-Temperatursteuereinrichtung (56), die auf ein Thermo-Antriebssignal reagiert, zum Steuern der Temperatur der Pumplichtquelle (14) aufweist.

4. System gemäß Anspruch 3, das aufweist eine Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung (54), die die Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts erfaßt und das Thermo- Antriebssignal zum Zittern bringt, um die Temperatur der Pumplichtquelle um eine Betriebstemperatur herum leicht zu variieren, wobei die Variation der Pumplichtquelle-Temperatur in einer entsprechenden Variation der Pumplichtquelle- Wellenlänge resultiert, wobei die SFS-Faserquelle auf die Variation in der Pumplichtquelle-Wellenlänge reagiert, um eine entsprechende Variation in der Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts zu erzeugen, wobei die Ausgangserfassungsund Steuereinrichtung auf die Variation in der Leistung des Abtastwerts des SFS-Lichts zum Einstellen des Thermo-Antriebssignales reagiert, um die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle einzustellen, damit die Leistung des SFS- Lichtabtastwerts maximiert wird.

5. System gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, das derart angeordnet ist, daß ein erster Teil des Pumplichts beim Pumpen der SFS-Einrichtung absorbiert wird und daß ein zweiter Teil (36) des Pumplichts aus der SFS-Einrichtung als eine Restpumpstrahlung (36) austritt, wobei die Steuereinrichtung auf die Restpumpstrahlung zum Maximieren der Leistung des SFS-Lichts durch automatisches Einstellen der Pumplichtwellenlänge reagiert.

6. System gemäß Anspruch 5, worin die Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung (54) zum Erfassen der Leistung der Restpumpstrahlung angeordnet ist, wobei die Leistung der Reststrahlung in einer inversen Funktion zu der Leistung des SFS-Lichtausgangs variiert, wobei die Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung auf die Variation in der Leistung der Restpumpstrahlung zum Einstellen des Thermo-Antriebssignales reagiert, um die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle einzustellen, damit die Leistung der Restpumpstrahlung minimiert wird.

7. System gemäß Anspruch 5 oder 6, worin die SFS-Einrichtung einen dichroitischen Spiegel (58) zum Durchlassen von Licht bei der Pumpwellenlänge und zum Reflektieren von Licht bei der SFS-Quelle-Wellenlänge in die SFS-Quelle hinein umfaßt.

8. System gemäß Anspruch 3 oder irgendeinem der Ansprüche 4 bis 7, wenn sie auf Anspruch 3 zurückbezogen sind, wobei die Pumplichtquelle-Temperatursteuereinrichtung aufweist:

einen thermoelektrischen Kühler (56), mit dem die Pumplichtquelle thermisch gekoppelt ist; und

einen Thermistor (T2) zum Messen der Temperatur der Pumplichtquelle und zum Erzeugen eines Pumptemperatursignals entsprechend der Temperatur der Pumplichtquelle;

wobei die Ausgangserfassungs- und Steuereinrichtung auf das Pumptemperatursignal zum Einstellen des Thermo-Antriebssignales reagiert, um die Betriebstemperatur der Pumplichtquelle (14) einzustellen, damit die Leistung des SFS-Lichts maximiert wird.

9. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Superfluoreszenzquelle-Einrichtung (12) eine Superfluoreszenz-Faserquelle aufweist.

10. System gemäß Anspruch 9, worin die SFS-Faserquelle eine optische Monomodenfaser enthält, die einen Kern hat, der mit zumindest einem aktiven Lasermaterial dotiert ist, das aus der Gruppe von Seltenerde-Materialien ausgewählt ist, die Neodymium oder Erbium aufweist.

11. System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung aufweist:

eine Temperatursteuereinrichtung (62), die auf ein SFS- Temperatur-Steuersignal reagiert, zum Steuern der Temperatur der SFS-Quelle, damit sie einem vorgegebenen, festgelegten Wert entspricht; und

eine Temperatursteuer-Meßeinrichtung (59), die mit der SFS-Quelle gekoppelt ist, zum Erzeugen des SFS-Temperatursignals.

12. Stabilisierungsverfahren zum Stabilisieren einer Superfluoreszenz-Faserquelle, das die Schritte aufweist:

Pumpen einer SFS (Superfluoreszenzquelle)-Faser, um ein SFS-Licht zu erzeugen, das eine SFS-Wellenlänge hat, mit Pumplicht von einer Pumplichtquelle, das eine Pumplichtwellen länge hat, gekennzeichnet durch Abtasten von Licht von der SFS und durch Maximieren der Leistung des SFS-Lichts durch automatisches Einstellen der Pumplichtwellenlänge.

13. Stabilisierungsverfahren gemäß Anspruch 12, das die Schritte aufweist:

Pumpen der SFS-Quelle mit Pumplicht derart, daß ein erster Teil des Pumplichts beim Pumpen der SFS-Quelle absorbiert wird und daß ein zweiter Teil des Pumplichts aus der SFS-Quelle als Restpumpstrahlung austritt;

Erfassen der Restpumpstrahlung; und

Antworten auf die Restpumpstrahlung, um die Leistung des SFS-Lichts durch automatisches Einstellen der Pumplicht wellenlänge zu maximieren und um die Leistung der Restpumpstrahlung zu minimieren.