DE69303857T2

DE69303857T2 - Optischen Faserlaser enthaltender Artikel

Info

Publication number: DE69303857T2
Application number: DE69303857T
Authority: DE
Inventors: David John Digiovanni; Victor Mizrahi; John Lehrer Zyskind
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1992-05-05
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2013-04-27
Also published as: CA2092589A1; DE69303857D1; JP2816291B2; EP0569174A1; JPH0621536A; EP0569174B1; US5237576A; CA2092589C

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf faseroptische Laser, und insbesondere auf Seltene-Erden-dotierte faseroptische Laser, in denen die optische Kavität mindestens teilweise durch ein oder mehrere, in der Faser gebildete, verteilte Bragg- Reflektoren definiert ist.

Hintergrund der Technologie

Ein faseroptischer Laser enthält im Allgemeinen eine in einer optischen Faser Faser definierte, optisch aktive Kavität, und reflektierende Vorrichtungen, zur teilweisen Begrenzung elektromagnetischer Strahlung innerhalb der Kavität. Unter "optisch aktiv" wird verstanden, daß zumindest ein Teil der Kavität mit einer Verteilung von Ionen oder Atomen dotiert ist, die in der Lage ist, bei Pumpen mit elektromagnetischer Strahlung einer (im Allgemeinen kürzeren) Wellenlänge oder Bereich von Wellenlängen, stimulierte Emission bei der gewünschten Laser-Wellenlänge zu zeigen.
In optischen Fasern auf Quarz-Basis (d.h. optischen Fasern mit einem Kern, der mindestens 80% Siliziumdioxid umfaßt), sind Ionen der seltenen Erden, wie Er&spplus;³ , brauchbare Dotierungsstoffe für diesen Zweck. Die reflektierenden Vorrichtungen werden bequemerweise in der Form von mindestens einem, typischer zwei, verteilter Bragg- Reflektoren (engl. distributed Bragg reflectors, DBRs) bereitgestellt. DBRs werden beispielsweise durch Exposition einer optischen Faser gebildet, welche zumindest etwas Photosensitivität zur Erzeugung von Brechungsindexvariationen durch ultraviolette Strahlung einer wirksamen Wellenlänge aufweist. Ein periodisches Muster wird durch eine wirksame Strahlung aufgeprägt, z.B. durch Überlagern eines Paares von Strahlen im Wesentlichen monochromatischer Strahlung zur Erzeugung eines Interferenzmusters. Wenn solch ein, mit einem Muster versehenes Strahlungsfeld auf eine optische Faser der geeigneten Photosensitivität aufgeprägt wird, wird ein korrespondierendes Muster auf den Kern der Faser aufgeprägt, in Form periodischer (oder quasiperiodischer) Fluktuationen des Brechungsindes des Kerns.
Eine Technik zur Erzeugung solcher Reflektoren wird in U.S.Patent No. 4,725,110 beschrieben, ausgegeben an W.H.Glenn et al am 16. Februar, 1988, und U.S. Patent No. 4,807,950 ausgegeben an W.H.Glenn et al am 28.Februar, 1989. Ein optisches Filter, welches ein in einer optischen Faser gebildetes Bragg-Gitter umfaßt, ist in U.S. Patent No. 5,007,705 beschrieben, ausgegeben an W.W.Morey et al am 16. April, 1991.
Jeder DBR wirkt als ein Wellenlängen-selektiver Reflektor mit einer Reflektivitäts-Kurve (als Funktion der Wellenlänge) mit mindestens einem wohldefinierten Peak. Die genaue Arbeitswellenlänge des Lasers wird zumindest teilweise durch die Beziehung zwischen der Moden-Struktur der Kavität und der Reflektivitätskurve festgelegt. Dies bedeutet daß die gegebene Wellenlänge nicht nur auf einen Reflektivitäts-Peak fallen muß, damit der Laser bei einer gegebenen Wellenlänge (unter geeigneter Anregung) eine Verstärkung aufweist, sondern auch mit einer Fabry-Perot- Resonanz (d.h. einer Mode) der Laser-Kavität korrespondieren muß.
Wie auf diesem Fachgebiet wohlbekannt ist, nimmt der Abstand zwischen mit aufeinanderfolgenden Moden korrespondierenden Wellenlängen mit abnehmender Kavitäts-Länge zu. Als Folge hiervon kann eine Reduktion der Kavitäts-Länge dazu neigen, die Laser-Verstärkung auf einige wenige Moden zu beschränken, oder sogar eine einzelne Mode. Dies kann in einem Laser mit einer hohen Moden-Stabilität resultieren. Moden-Stabilität ist vorteilhaft, wenn z.B.eine Laser- Strahlungsquelle einer präzise definierten Wellenlänge gewünscht wird.
Es kann allerdings in einer verkürzten Kavität nur durch damit einhergehende Erhöhung des Dotierungs-Niveaus eine merkbare Verstärkung aufrechterhalten werden. Das Dotierungs-Niveau kann nicht unbegrenzt erhöht werden. Eine Beschränkung des Dotierungs-Niveaus ist die Tendenz der Dotier-Ionen, wie Erbium-Ionen, bei hohen Konzenztrationen Agregate zu bilden, ein Phänomen, das manchmal als "Cluster- Bildung" bezeichnet wird. Cluster-Bildung wurde mit parasitären deaktivierenden Effekten assoziiert, die die Effizienz des Lasers herabsetzen. Wir haben festgestellt, daß überaschenderweise ein Dotierungs-Niveau, welches ausreicht, um einer Laser-Kavität von 5 cm oder kürzerer Länge eine brauchbare Laser-Verstärkung zu verleihen, erreicht werden kann, ohne einen nicht mehr tolerierbaren Anteil parasitärer Verluste zu erleiden.
Ein faseroptischer Laser mit einer DBR-begrenzten Kavität wird z.B. in G.A. Ball und W.W. Morey, "Continuously tunable single-mode erbium fiber laser", Optics Lett. Vol 17(1992), 420-422 beschrieben. Hierin ist ein einmodiger Faserlaser mit stehender Welle beschrieben, hergestellt aus einer Germanium-Silikat-Faser, die mit Erbium auf ungefähr 550 parts per million (ppm) dotiert ist. Interferierende ultraviolette Strahlen wurden verwendet, um ein Paar von DBRs mit 10 cm Abstand einzuschreiben. Von dem resultierenden Laser wurde eine optische Ausgangsleistung von 100 µW berichtet, sowie ein Flankenwirkungsgrad (engl.: Slope Efficiency) von ungefähr 0,25%.
Der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert auf einem Neodymdotierten faseroptischen Laser mit einer von geätzten Gittern begrenzten Kavität, wie beschrieben in I.M. Jauncey et al, "Single-longitudinal-mode Operation of an Nd ³&spplus;-doped fibre laser", Electronic Letters, Vol 24, No. 1 (1988), S. 24-26. Dieser Laser besitzt eine Kavitäts-Länge von 5.1 cm.
Von B.J. Ainslie et al, "Fabrication and optimisation of the erbium distribution in silica based doped fibres", Bericht einer Konferenz über optische Kommunikation (ECOC 88), GB (Brighton), September 1988, veröffentlicht von der Institution of electrical Engineers (GB), S. 62-65, ist es bekannt, Aluminium als ein Mit-Dotierungsstoff mit Erbium zu verwenden, um die Er³&spplus; Ionen in Erbium-dotierten Fasern zu koordinieren und um sie auf den Kern zu begrenzen.
Obwohl eine erfolgreiche Laser-Tätigkeit in Faser-Kavitäten von 10 cm Länge oder mehr berichtet worden ist, haben Praktiker dieses Gebietes es bis jetzt nicht erreicht, einen brauchbaren Faser-Laser mit einer deutlich kürzeren Kavität, wie etwa einer 1-cm Kavität bereitzustellen. Solch ein Laser ist wünschenswert, weil er möglicherweise eine erhöhte Moden-Stabilität bieten kann , wie oben beschrieben. Solch ein Kurz-Kavitäts-Laser ist außerdem wünschenswert, da er die Integration von Faserlasern mit Halbleiter-Pump-Lasern in kompakten Packungsformen erleichtern kann. Weiterhin ist solch ein laser wünschenswert, da seine kompakte Natur seine Anfälligkeit gegenüber Temperaturschwankungen und mechanischen Störungen herabsetzt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Laser nach der Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte Formen finden sich in den abhängigen Ansprüchen. Eine Herstellungs-Methode ist in Anspruch 9 dargelegt.
Wir haben festgestellt, daß erfolgreiche Laser-Tätigkeit mit einer Beispiel-Kavität erreicht werden kann, die eine Länge von weniger als etwa 5 cm aufweist, und sogar so klein wie 2 cm, 1 cm oder sogar kleiner.
Dementsprechend beinhaltet die Erfindung, in Übereinstimmung mit Anspruch 1, einen Laser, der als ein Abschnitt einer optischen Faser ausgeführt ist, welche einen Kern und ein Cladding enthält. Der Faser-Abschnitt enthält mindestens einen Wellenlängen-selektiven Reflektor, der mindestens teilweise eine optisch-resonante Kavität bestimmt, und zumindest ein Teil des Kernes innerhalb der Kavität ist mit Erbium dotiert. Der Reflektor umfaßt ein Muster von Brechungsindex-Variationen, die sich axial in zumindest einem Teil des Kerns erstrecken. Im Gegensatz zum Stand der Technik, ist die Länge der Kavität 5 cm oder weniger.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen faseroptischen Lasers.
Fig. 2 eine schematische Querschnitts-Ansicht einer Erbium-dotierten optischen Faser zur Integration in den Laser, in einer Ausführungsform.
Fig. 3 ein schematisches optisches Diagramm einer interferometrischen Anordnung, die zur Herstellung der verteilten Bragg-Reflektoren (DBRs) des Lasers gemäß der Erfindung nützlich ist.
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Einschreiben oder Modifizieren eines DBR in dem Laser von Fig. 1, mit simultaner Überwachung der Transmission.
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Modifizierung der optischen Weglänge in der Kavitätdes Lasers von Fig. 1, mit simultaner Überwachung der Transmission.
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer optischen Wellenlängen-Verteilungs-Multiplexer-Quelle (WDM) die mehrere Faserlaser des in Fig. 1 dargestellten Typs integriert.
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Abschnittes eines optischen Kommunikations-Systems, die mehrere Faserlaser des in Fig. 1 dargestellten Typs integriert.
Fig. 8 ein Graph von optischer Ausgangsleistung gegen optische Pumpleistung für einen Beispiel-Laser, der nach der Erfindung hergestellt ist.
Fig. 9 ein Graphen der Transmission gegen die Wellenlänge für den Laser von Fig. 8.
Fig. 10 einen Graphen der Transmission gegen die Wellenlänge für einen zweiten Beispiel-Laser, der nach der Erfindung hergestellt ist.

Ausführliche Beschreibung

Unter Bezug auf Fig. 1, in einer momentan bevorzugten Ausführungsform, werden die DBRs 10, 20 in dem dotierten Faser-Abschnitt 30 gebildet. Dies ist vorteilhaft, da es hilft, die Gesamtlänge der Laser-Vorrichtung zu reduzieren. Allerdings werden die DBRs optional in einem separaten Teil der Faser gebildet, der zum Beispiel undotiert sein kann. Jeder Faser-Abschnitt, der ein DBR enthält, wird dann mittels eines Verbindungs-Spleißes 40 letztlich mit dem Haupt-Kavitäts-Abschnitt verbunden.
In dem nach der Erfindung hergestellten Beispiel-Laser war jeder DBR durch ein in etwa gausförmiges Interferenzmuster gebildet, mit einer Halbwertsbreite (engl.: full width at half maximum, FWHM) von ungefähr 0,5 cm. Die nominale 1-cm Länge der Kavität war der Mitte-Mitte Abstand den Beispiel- DBRs. Die Gesamtlänge des optischen Faser-Segmentes, in dem die Kavität gebildet ist, war 3 cm. Zum optischen Pumpen wurde ein Faserende über einen kommerziell erhältlichen optischen Koppler mit drei Anschlüssen optisch an eine 980 nm Laserdiode gekoppelt.
Die Erbium-dotierte Faser wurde durch modifizierte chemische Dampf-Deposition (engl.: modified chemical vapor deposition, MCVD) auf der Innenseite einer 22mm x 25mm Röhre aus natürlichem Quarz hergestellt, um nacheinander das cladding und den äußeren Kern zu bilden, gefolgt bei teilweiser Kollabierung , Deposition des inneren Kerns, und Kollabierung zur Erzeugung einer Vorform. Die Vorform wurde mit Cladding überzogen und gezogen, um eine optische singlemode Faser mit einem äußeren Durchmesser von 125 µm und einem Kerndurchmesser von 2,5 µm zu ziehen. Die verwendeten Techniken werden im wesentlichen beschrieben in U.S. Patent No. 4,666,247, angegeben an J.B. MacChesney et al am 19 Mai, 1987. Wie in diesem Patent beschrieben ist, wurde eine Mischung aus Chlor und Helium verwendet, um flüchtige Metall-Chloride zu mobilisieren, und sie in die Reaktions- Zone zu bringen. Die Flußraten von Reagenz und Träger in jeder Stufe des MCVD-Prozesses sind in Tab. 1 aufgeführt. Die Reaktionszone wurde durch eine Flamme mit einer Transversalgeschwindigkeit von 12 cm/Minute erhitzt. Die Quarzröhre wurde mit 60 rpm rotiert.
Das äußere Cladding wurde in 9 Lagen bei 1900 C deponiert. Das innere Cladding in 2 Lagen bei 1980 C. Der äußere Kern wurde in 6 Lagen bei 1850 C deponiert. Die Quarzröhre wurde dann partiell kollabiert zu einem Kerndurchmesser von 3 mm. Der innere Kern wurde dann in in einer Lage bei 2000 C deponiert. Während der Deposition bestand die Erbium-Quelle in einer offenen Quarzglas-Ampulle, die direkt einem Strom von Helium und Aluminium-Trichlorid ausgesetzt war, und auf 930 C erhitzt wurde. Das Aluminium-Trichlorid wurde mittels Durchfluß eines Stroms von Helium und Chlor durch ein Bett aus Aluminium-Schrot bei 350 C erzeugt. (Aluminium- Trichlorid wurde während des Wachstums sowohl der äußeren und inneren Kern-Region erzeugt.) Nachdem der innere Kern deponiert war wurde die Quarz-Röhre in einem Schritt vollständig kollabiert, mit Cladding überzogen, und gezogen.
Mit Bezug auf Fig. 2, besaß die resultierende Faser eine Fluor-Phosphor-dotiertes, Brechungsindex-angepasstes Cladding 50, einen Germanium-Aluminium-dotierten äußeren Kern 60 und einen Aluminium-Erbium-dotierten inneren Kern 70. Der innere Kern-Durchmesser war ungefähr 0,3 mal dem gesamten Kerndurchmesser. Wir glauben, daß während des Ziehens der Faser, Diffusion sowohl von Erbium als auch Aluminium stattgefunden hat, und daß als Konsequenz der äußere Kern ebenfalls mit Erbium dotiert wurde. Region 75 der Faser war undotiertes Quarz, korrespondierend mit der natürlichen Quarz-Substratröhre und der mit Cladding überziehenden Röhre.
Basierend auf Brechungsindex-Messungen haben wir abgschätzt, daß der in der inneren Kern-Region der Vorform durch die oben beschriebene Technik erzeugte Aluminium-Gehalt etwa 20% betrug. (Zusammensetzungen werden hierin als Kationen-% spezifiziert, definiert als die molare Konzentration des spezifizierten Kations, geteilt durch die molare Konzentration aller Kationen im Glas, einschließlich, wenn anwendbar, Si, Ge und Al). Optische Absorptionsmessungen deuteten darauf hin, daß der Erbium zuweisbare Verlust im Faser-Kern bei einer Wellenlänge von 1530 nm ungefähr 50 dB/m beträgt. Ein gleichmäßig dotierter Kern würde diesen Verlust bei einer Erbium-Konzentration von etwa 0,25% zeigen. Dieser Wert ist allerdings nur eine grobe Schätzung, da nach unserer momentanen Vermutung die Erbium-Verteilung eher gaußförmig ist als gleichförmig.
Wie angegeben, wurden die DBRs in der dotierten Faser durch Exposition zu einem ultravioletten Interferenz-Spektrum erzeugt. Wir haben es als vorteilhaft empfunden, das Interferenzspektrum mit einem Scanning-Interferometer zu erzeugen, mit einem Design, bei dem die Translation eines einzelnen, translatierbaren Spiegelsdie Position des Interferenz-Musters entlang der Faser verschieben kann, während seine Registrierung beibehalten werden kann. Als Konsequenz kann die Faser optional zwischen den jeweiligen Bestrahlungs-Schritten stationär gehalten werden, was zu der Bildung des ersten DBR und der Bildung des zweiten DBR führt. Ein Beispiel eines solchen Interferometers ist z.B. in U.S. Patent No. 4,093,338 beschrieben, ausgegeben an G.C. Bjorklund et al am 6. Juni, 1978. Die optische Anordnung des Beispiel-Interferometers in einer Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Eine solche optische Anordnung enthält eine Laserquelle 80, einen translatierbaren Spiegel 85, einen rotierbaren Spiegel 120, und Spiegel 90,100 und 110. Die interferierenden Spiegel konvergieren auf dem photosensitiven Medium 130. Das Interferenzmuster wird durch Transiation von Spiegel 85 entlang der Faser verschoben. Im Allgemeinen kann die Periodizität des Interferenzmusters durch Anpassen des Schnittwinkels φ der interferierenden Strahlen verändert werden. In dem Beispiel-Interferometer wird dies, ohne Änderung der Weglängen-Differenz zwischen den interferierenden Strahlen, durch Drehung des Spiegels 120 erreicht.
Nach einer bevorzugten Methode zur Herstellung von DBRs wird die Faser zuerst in Position festgeklammert, um sicherzugehen, daß die zu bestrahlenden Gebiete und der beteiligte Kavitäts-Anteil gerade sind. Die Faser wird einer effektiven Bestrahlung mit ultravioletter Strahlung ausgesetzt. Verschiedene geeignete Quellen ultravioletter Strahlung sind verfügbar, und den Fachleuten dieser Technologie bekannt. Zur Illustration haben wir herausgefunden, daß ein Excimer-gepumpter, Frequenzverdoppelter Farbstoff-Laser, der bei ungefähr 240 nm emittiert, eine geeignete Bestrahlungs-Quelle darstellt. Wir verwendeten solch einen Laser zur Bestrahlung der oben beschriebenen, hoch Erbium-dotierten Faser mit 2-mJ-Pulsen bei einer Repetitionsrate von 20 Pulsen pro Sekunde. Wir verwendeten eine Zylinderlinse, um das Licht in einen ungefähr 0,5 cm langen und 100-200 µm breiten Streifen zu fokussieren. Typische Bestrahlungen hatten ungefähr eine Dauer von 30 Sekunden. Die Periode der DBRs ist exemplarisch eine konstante Periode von ungefähr 0,5 µm.
Wir bemerkten, daß die Reflexivität eines gegebenen DBR dazu neigte, sich mit der Bestrahlungszeit zu erhöhen. Wir fanden es hilfreich, DBRs mit ungefähr einer vorbestimmten Reflexivität herzustellen, duch Überwachung der Reflexivität in Echtzeit, während der Ultraviolett-Bestrahlung , und Abschalten der Bestrahlung, wenn der gewünschte Wert erreicht war.
Nachdem das erste DBR durch Ultraviolett-Bestrahlung geschrieben ist, wird der translatierbare Spiegel um eine Strecke korrespondierend der Kavitätslänge translatiert (d.h. 1 cm), und eine zweite Bestrahlung wird durchgeführt, um das zweite DBR einzuschreiben. Momentan bevorzugte Reflektivitäten sich ungefähr 90% für den als Ausgangs- Koppler dienenden DBR, und ungefähr 95% für den DBR, der als Rückreflektor dient.
Wir fanden, daß ein DBR, der wie oben beschrieben hergestellt wurde, direkt modifiziert werden kanndurch darauffolgende Ultraviolett-Bestrahlung. Zum Beispiel kann ein DBR mit einem Interferenz-Muster überschrieben werden, daß beispielsweise eine andere Periodizität aufweist. Darüberhinaus kann die Reflektivität eines DBR vermindert werden, indem es einem einzelnen (d.h. nicht interferierenden) ultravioletten Strahl ausgesetzt wird. Eine solche Bestrahlung kann während aktive Überwachung der Transmission der Kavität, oder der Reflektion des DBR durchgeführt werden, um die Leistungsfähigkeit eines gegebenen Lasers zu optimieren. Zum Beispiel zeigt Fig. 4 eine Anordnung, in der die Transmission von Licht von der Quelle 140 (z.B. ein Laser, oder vorzugsweise eine breitere Lichtquelle, wie etwa eine LED) durch die Überwachungseinrichtung 150 gemessen wird, während die Bestrahlung mit der Ultraviolett-Quelle 80 durchgeführt wird.
Wir haben auch herausgefunden, daß die optische Länge der Kavität feinjustiert werden kann, indem ein kleiner Kavitäts-Bereich 160 zwischen den DBRs mit einem einzelnen Ultraviolettstrahl bestrahlt wird. Solch eine Technik ist in Fig. 5 dargestellt. Wie oben beschrieben, kann der Laser auf Single-Mode-Betrieb gebracht werden, indem die Kavität genügend klein gemacht wird. Allerdings wird die Laserleistung nicht optimiert sein, soweit nicht die Mode mit dem Reflexivitäts-Peak der DBRs komzidiert. (Es sollte angemerkt werden, daß sich brauchbare Laser herstellen lassen, bei denen ein DBR einen breiten Peak besitzt, und der andere DBR einen schmalen Peak. In solchen Fällen ist es der schmale DBR, der in diesem Zusammenhang von Bedeutung ist). Ultraviolett-Bestrahlung (eines photosensitiven Mediums) wird eine lokale Erhöhung des Brechungsindexes erzeugen,welche in einem Anstieg der optischen Gesamtlänge der Kavität resultiert. Als Konsequenz können die Kavitäts- Moden relativ zum Reflexivitäts-Peak verschoben werden. (Ähnliche Einstellungen können auch durchgeführt mittels einer Bestrahlung durchgeführt werden, welche den Brechungsindex eher erniederigt, als ihn zu erhöhen). Um die Leistungsfähigkeit des Lasers zu optimieren, kann die Laser -Ausgangsleistung aktiv überwacht werden, während die optische Länge wie beschrieben justiert wird. In Fig. 5 ist eine Anordnung gezeigt, in der der Faserlaser durch Laser 170 gepumpt wird, und der Ausgang des Faserlasers von der Überwachungseinrichtung 150 gemessen wird.
Wir fanden, daß wir durch Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von DBRs direkt Paare von DBRs herstellen konnten, die akurat ausgerichtet sind, d.h. ihre jeweiligen Wellenlängen der Peak-Reflektivität differierten um weniger als die Gesamtbreite des Reflexivitäts-Peaks des DBR, die typischerweise ungefähr 3Å beträgt. Eine so genaue Ausrichtung wird im Allgemeinen benötigt, um die performance des Lasers zu optimieren. Der Bedarf für akkurate Ausrichtung jedoch etwas reduziert werden, indem einer der DBRs breiter als der andere gemacht wird. Das heißt, es ist wünschenswert für mindestens einen der DBR, eine Breite des Reflexivitäts-Peaks (in der zum Lasen relevanten spektralen Region) von weniger als ungefähr 3Å FWHM aufzuweisen. Es wird allerdings auch ein brauchbarer Laser resultieren, wenn der andere DBR einen Reflexivitäts-Peak aufweist, der breiter ist, und sogar so breit, daß er keine effektive Wellenlängen-Selektivität zu der Funktion des Lasers beisteuert. (Es sollte allerdings angemerkt werden, daß es oft wünschenswert ist, zwei DBRs mit relativ schmalen Peaks zu verwenden, um sicherzugehen, daß der Laser eine hohe selektive Verstärkung haben wird).
Wir haben herausgefunden, daß die Breite eines DBR durch Kontrolle der Dauer der Ultraviolett-Bestrahlung kontrolliert werden kann. Eine Erhöhung der Dauer neigt dazu, den Reflexivitäts-Peak des DBR zu verbreitern. Darüberhinaus neigt für schwache DBRs (d.h. DBRs, die durch Bestrahlungen von relativ kurzer Dauer erzeugt wurden) eine Erniedrigung der Länge des DBR dazu, die Peak-Breite zu erhöhen.
Wir haben entdeckt, daß die oben beschriebene Methode zur Herstellung von DBRs hochgradig reproduzierbar ist. Das heißt, in vielfachen Versuchen haben wir DBRs mit einer einzelnen Ziel-Wellenlänge in einer ACCUTETHER 220 Faser hergestellt, einer Hoch-Index-Germanosilikat-Kern-Faser, die kommerziell von AT&T erhältlich ist. Die Peak-Wellenlängen der resultierenden DBRs waren mit einer Standardabweichung von ungefähr 2Å um die Ziel-Wellenlänge verteilt. Darüberhinaus glauben wir momentan, daß herkömmliche Verbesserungen in unseren Arbeitstechniken zu einer Standardabweichung von 0,5 Å oder sogar weniger führen werden, zumindest in ACCUTETHER 220 Faser und Fasern ähnlicher Zusammensetzung.
Wir haben herausgefunden, daß zumindest einige Laser, die nach der oben beschriebenen Methode hergestellt wurden, einen Output erzeugen, der nicht nur einmodig ist im spektralen Sinn, sondern der auch eine einzelne, wohldefinierte Polarisation aufweist. Insbesondere haben wir gefunden, daß Laser mit Kavitäts-Längen von ungefähr 1 cm mit hoher Wahrscheinlichkeit einmodig waren und eine einzelne Polarisation aufwiesen.
Eine nützliche Anwendung von faseroptischen Lasern besteht aus einer Wellenlängen-Verteilungs-Multiplexer-Quelle (WDM) Eine WDM Quelle ist eine Quelle elektromagnetischer Strahlung von vielen Wellenlängen, die optisch in eine einzelne optische Faser gekoppelt werden kann. Typischerweise wird eine korrespondierende Vielfalt von Ein- Wellenlängen-Lasern bereitgestellt, von denen jeder eine der jeweiligen Wellenlängen erzeugt. Ein Wellenlängen- Verteilungs-Multiplexer (WDM) wird verwendet, um die vielen Laser in eine einzelne Faser zu koppeln. Da die DBRs des Lasers nach der Erfindung hochgradig reproduzierbar sind, und als Konsequenz ökonomisch hergestellt werden können, um enge Toleranzen einzuhalten, stellt der Laser nach der Erfindung eine brauchbare Einzel-Wellenlängen-Lichtquelle zur Verwendung in einer WDM-Quelle mit schmalen oder nahe benachbarten Kanälen dar.
Wellenlängen-Verteilungs-Multiplexer, die für diesen Zweck verwendbar sind, sind in der Technologie bekannt. Zum Beispiel werden WDMs, die auf einem Silizium-Substrat hergestellt werden können, in C. Dragone, "An NxN Optical Multiplexer Using a Planar Arrangement of Two Star Couplers", IEEE Photon. Techn Lett. 3( 1991) 812-815, und C. Dragone et al., "Integrated Optics NxN Multiplexer on Silicon", IEEE Photon. Techn Lett. 3(1991) 896-899.
Unter Bezug auf Fig. 6, kann eine brauchbare WDM-Quelle zum Beispiel acht individuelle Ein-Wellenlängen Faserlaser 180 enthalten , von denen jeder optisch an eine Zuführungs-Faser 185 gekoppelt ist, welche durch ein WDM 190 an eine Faser 200 mit einzelnem Ausgang gekoppelt ist. Ein optischer Modulator 210, z.B. ein Lithium-Niobat-Modulator, wird bereitgestellt, um den Ausgang jedes Faserlasers zu modulieren. Eingearbeitet in jede Zuführungs-Faser ist ein Faser-Verstärker 220 zur Verstärkung des Ausganges des Faser-Lasers. Alternativ können die Faserverstärker 220 durch einen einzelnen Verstärker ersetzt werden, der sich hinter WDM 190 befindet.
Nach unserer momentanen Annahme ist eine solche WDM-Quelle in der Lage, z.B. acht Kommunikations-Kanäle mit einem Zentrum-Zentrum-Abstand so klein wie ungefähr 5 Å bereitzustellen, und eine Kanalbreite von ungefähr 2 Å oder weniger.
Mit Bezug auf Fig. 7 ist eine andere brauchbare Anwendung des Lasers nach der Erfindung in einem optischen Kommunikations-System dargestellt. Solch ein System enthält einen Pump-Laser 230, der optisch über ein WDM 240 mit einem Faserlaser 250 gekoppelt ist. Der Pumplaser ist zum Beispiel ein Halbleiter-Diodenlaser, der bei 980 nm oder 1480 nm emittiert. In der Folge emittiert der Faserlaser Strahlung von z.B. 1550 nm. Die emittierte Laserstrahlung durchläuft dann einen Faserverstärker 260, wie etwa einen Erbiumdotierten Verstärker.

Beispiel I

Ein faseroptischer Laser wurde wie im wesentlichen oben beschrieben hergestellt. Zwei DBRs wurden in eine 3-cm-lange Erbium-dotierter Faser eingeschrieben, die wie oben beschrieben hergestellt wurde. Der Zentrum-Zentrum-Abstand der Gitter betrug 1 cm. Der Laser wurde durch einen 980 nm Halbleiter-Dioden-Laser gepumpt, der durch einen Wellenselektiven Koppler mit drei Anschlüssen optisch angekoppelt wurde.
In Fig. 8 ist ein Graph der optischen Ausgangsleistung gegen die optische Pumpleistung des Lasers zu sehen. Der Faserlaser erzeugte eine optische Ausgangsleistung von ungefähr 50 µW bei einer Pumpleistung von ungefähr 24 mW, und zeigte einen Flanken-Wirkungsgrad (engl.: slope efficiency) von ungefähr 0,25%. Die angestrebte Peak- Ausgangsleistung war größer als 100 µW. Die optische Eingangs-Schwelle betrug ungefähr 4,4 mW.
In Fig. 9 ist das kombinierte Transmissions-Profil von zwei DBRs gezeigt. Ein Kombinations-Peak ist in der Figur evident, dajeder der beiden DBRs durch mehrfache Ultraviolett-Bestrahlungen hergestellt wurde.
Wir haben Relaxations-Oszillationen in Faserlasern beobachtet, die mit der oben beschriebenen Methode mit Kavitäts-Längen im Bereich von 1cm bis 8cm hergestellt wurden. Wir glauben momentan, daß diese Oszillationen sich durch Anwendung verbesserter Herstellungsmethoden, die die Defekt-Dichte in der Erbium-dotierten Faser reduzieren oder eliminieren lassen.

Beispiel II

Ein faseroptischer Laser wurde im wesentlichen wie oben beschrieben hergestellt, aber ungefähr mit einem 2-cm Zentrum-Zentrum-Abstand zwischen den DBRs. Jeder der DBRs war mit einer einzelnen Ultraviolett-Bestrahlung eingeschrieben worden. Das kombinierte Transmissions-Profil der beiden DBRs ist in Fig. 10 dargestellt. Wie aus der Figur ersichtlich wird, betrug die kombinierte Peakbreite ungefähr 2,5 Å. Tabelle 1

Claims

1. Laser mit einem Abschnitt einer optischen Faser, welche einen Kern (60, 70) und eine Ummantelung (50) umfaßt, wobei:

der Faserabschnitt wenigstens einen wellenlängenselektiven Reflektor (10, 20) in der Form eines Gitters enthält, der wenigstens teilweise eine optische resonante Kavität definiert,

wobei wenigstens ein Abschnitt des Kerns innerhalb der Kavität einen Seltenen-Erden-Dotierstoff enthält,

wobei dem Reflektor eine Wellenlänge mit einem Spitzenwert des Reflexionsvermögens zugeordnet ist, die wenigstens ungefähr mit einer Emissionswellenlänge der Ionen des Seltenen-Erden-Dotierstoffs übereinstimmt, der Kavitat eine optische Weglänge zugeordnet ist und der optischen Weglänge eine resonante optische Wellenlänge zugordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Reflektor ein Muster von sich axial innerhalb wenigstens eines Abschnittes des Faserkerns erstreckenden photoinduzierten Brechungsindexmodulationen umfaßt;

der Seltenen-Erden-Dotierstoff Erbium umfaßt,

der Erbium-dotierte Abschnitt des Kerns auch Aluminium enthält und

die Länge der optischen resonanten Kavität kleiner als 5 cm ist.

2. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die Länge der optischen resonanten Kavität ungefähr 2 cm oder weniger beträgt.

3. Laser nach Anspruch 1, bei welchem die Länge der optischen resonanten Kavität ungefähr 1 cm oder weniger beträgt.

4. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche&sub1; bei welchem:

der optische Faserkern wengistens einen als "Bereich mit geändertem Brechungsindex" bezeichneten Bereich (160) umfaßt, welcher innerhalb der Kavität liegt und einen mittleren Brechungsindex aufweist, der wenigstens von einem benachbarten Kernbereich innerhalb der Kavität verschieden ist, und

der mittlere Brechungsindex des Bereichs mit geändertem Brechungsindex derart angepaßt ist, daß die resultierende optische weglänge der Kavität eine resonante Wellenlänge umfaßt, die ungefähr mit der wellenlänge des Spitzenwertes des Reflexionsvermögens übereinstimmt.

5. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Seltene Erden-dotierte Kavitätsabschnitt mit einer ausreichenden Konzentration von Erbium dotiert ist, um eine Ausgangsleistung von etwa 50 µW Laserlicht oder mehr aus einer identisch dotierten 1 cm langen und mit einer optischen Eingangsleistung von etwa 24 mW gepumpten Laserkavität zu erzeugen.

6. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, welcher ferner einen optisch an den Faserabschnitt gekoppelten Halbleiterdiodenlaser umfaßt, um den Seltenen Erdendotierten Kavitätsabschnitt optisch zu pumpen.

7. Optisches Kommunikationssystem, welches umfaßt:

einen ersten Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche;

wenigstens einen zweiten Laser, welcher einen Abschnitt einer optischen Faser umfaßt, und fähig ist, elektromagnetische Strahlung bei einer zweiten resonanten optischen Wellenlänge auszustrahlen, die von der resonanten optischen Wellenlänge des ersten Lasers verschieden ist;

eine optische Faser zur Signalübertragung; und eine Einrichtung zum optischen Koppeln des ersten und zweiten Lasers in die Übertragungsfaser.

8. System nach Anspruch 7, welches ferner wenigstens eine erste und eine zweite Einrichtung zum Modulieren der jeweils durch den ersten und/oder den zweiten Laser ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei jede Modulationseinrichtung zwischen der entsprechenden Kopplungseinrichtung und dem entsprechenden ersten oder zweiten Laser liegt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Lasers, welches die Schritte umfaßt:

Bereitstellen eines Abschnitts einer optischen Faser mit einem Seltenen Erden-dotierten photoempfindlichen Kern;

Aussetzten eines ersten Abschnitts des optischen Faserkerns einem festen Interferenzmuster, das durch Überkreuzen von Strahlen elektromagnetischer Strahlung mit einer wellenlänge gebildet wird, die es gestattet, den Brechnungsindex des Kerns derart zu ändern, daß ein sich wiederholendes Muster von Brechungsindexmodulationen im ersten Abschnitt gebildet wird;

axiales Verschieben des Interferenzmusters relativ zum Abschnitt der optischen Faser ohne den Abschnitt der optischen Faser wesentlich zu verschieben, derart, daß ein zweiter Kernabschnitt, der zum ersten Kernabschnitt physikalisch versetzt ist, dem Interferenzmuster ausgesetzt werden kann; und

Aussetzen des zweiten Kernabschnitts einem Interferenz muster, derart, daß ein sich wiederholendes Muster von Brechnungsindexmodulationen in dem zweiten Abschnitt gebildet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ferner die Schritte umfaßt:

optisches Pumpen des Abschnitts der optischen Faser, derart, daß Laserstrahlung durch den ersten oder zweiten Kernabschnitt ausgestrahlt wird;

Messen der Intensität der ausgesendeten Laserstrahlung; Vergleichen der gemessenen Intensität mit einem vorbestimmten Schwellenwert; und

falls die gemessene Intensität kleiner als der Schwellenwert ist, optisches Pumpen des Abschnitts der optischen Faser derart, daß Laserstrahlung durch den ersten oder zweiten Kernabschnitt ausgestrahlt wird;

Überwachen der Intensität der ausgesendeten Laserstrahlung; und Aussetzen eines dritten Kernabschnittes zwischen dem ersten und zweiten Kernabschnitt einer brechungsindexändernden Strahlung während des Pumpens und Überwachens für eine ausreichende Zeitdauer, um die ausgestrahlte, überwachte Intensität wenigstens auf den Schwellenwert anzuheben.