DE69408801T2

DE69408801T2 - Polarisationsunabhängiger Picosekundenfaserlaser

Info

Publication number: DE69408801T2
Application number: DE69408801T
Authority: DE
Inventors: Kok Wai Chang; David K Donald; Hong Lin
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1993-12-09
Filing date: 1994-12-07
Publication date: 1998-06-18
Anticipated expiration: 2014-12-08
Also published as: DE69408801D1; EP0657974A2; EP0657974A3; US5448579A; EP0657974B1; JPH07202298A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Laser und insbesondere auf polarisationsunabhängige Faserlaser.
Seit seiner Entdeckung wurde der Laser als Lösung für Telekommunikationsprobleme wegen der hohen Kohärenz und Bandbreite eines Laserstrahls und der Einfachheit der Fokussierung des Laserstrahis betrachtet. Laserlicht und optische Fasern werden zunehmend in der Kommunikationsindustrie wichtig. Genauso wie die Lücke zwischen der Theorie Einsteins (1917) und dem Bauen des ersten Lasers (1960) an dem Fehlen von Geräten lag, verbleibt die maximale Ausnutzung von Lasern in der Telekommunikation theoretisch bis Schlüsseltechnologieentwicklungen verwirklicht wurden.
Laser (= Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation = Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung) können eine kontinuierliche oder eine gepulste Emission erzeugen. Es gibt zwei Arten, um eine Pulsemission zu erzeugen: ein verstärkungsschalten und ein Modenvernegeln. Es ist gut bekannt, daß Verstärkungsschaltlaser kurze optische Pulse in der Größenordnung von Millisekunden bis Mikrosekunden liefern können. Modenverriegelte Laser können kürzere optische Pulse in der Größenordnung von Picosekunden oder kürzer erzeugen.
Große Lasersysteme, die auf modenverriegelten YAG oder YIF basieren werden verwendet, um kurze optische Pulse zum Testen der Zeitreaktion von faseroptischen Kommunikationssystemen zu erzeugen. Die Zeitreaktion hängt mit der maximalen Informationsübertragungsrate zusammen. Sowie die Geschwindigkeit von Telekommunikationssystemen zunimmt, wird der Bedarf nach einer Subpicosekundentestimpulsquelle akuter.
Erbium-dotierte Fasern sind, seitdem dieselben kommerziell verfügbar sind, das bevorzugte verstärkungsmedium zum Verstärken von kurzen optischen Pulsen in aktiv und passiv modenverriegelten Lasern geworden. Folglich haben technologische Verbesserungen zu dem Fortschritt hin zum Erzeugen einer Laserpulsquelle zum Testen der Zeitreaktion von Telekommunikationssystemen und zum Erzeugen von wiederholten Pulsen bei hohen Datenraten beigetragen. Ein Laser, der einen Einzelpolarisationszustand beibehalten kann, was wesentlich für das Aufrechterhalten der optimalen Laseraktivität ist, ist jedoch eine technische Barriere geblieben.
Der Polarisationszustand von Licht kann durch die Amplituden- und Phasen-Beziehungen der zwei oszillierenden Felder einer Lichtwelle beschrieben werden. Allgemein weist das Ausgangssignal von einem Laser oder einem Faserlaser einen wohl definierten Einzelpolarisationszustand mit einem hohen Polarisationsgrad auf. Sowie sich dieses Ausgangslicht in einem isotropen Medium (d. h. ein Medium ohne Doppelbrechung - Licht läuft mit der gleichen Geschwindigkeit entlang beider Achsen) ausbreitet, wird sich der Polarisationszustand nicht verändern. Der Ausgangspolarisationszustand wird jedoch variieren, wenn das Licht nicht entlang der doppelbrechenden Achse eines anisotropen (doppelbrechenden) Mediums läuft. Obwohl bekannt ist, daß eine Einmodenfaser eine sehr kleine Eigendoppelbrechung aufweist, ist dieselbe gegenüber einer äußeren Störung (z. B. aufgrund eines Biegens, einer Temperaturveränderung) störanfällig, was zu Veränderungen in der Doppelbrechung und zu Veränderungen in dem Polarisationszustand führt.
Innerhalb eines Faserlaserhohlraums wird diese von außen hervorgerufene Doppelbrechung bewirken, daß der Austrittsoder Ausgangspolarisationszustand variiert, wenn der Effekt klein ist, oder daß die Laseraktivität vollständig beendet wird, wenn der Effekt groß ist. Ein inneres einstellbares Polarisationssteuerungselement ist erforderlich, um den Faserlaser bei einem optimalen Laserzustand beizubehalten. Dies erfordert eine konstante überwachung und Einstellung. Es besteht ein Bedarf nach einem polarisationsunabhängigen Faserlaser, der kein konstantes Einstellen des Polarisationszustands in der Einmodenfaser erfordert.
Versuche einen wohldefinierten Puls zu erhalten, der keine andauernde Einstellung der Polarisation erfordert, sind erfolglos gewesen. Derzeit werden Polarisationssteuerungen benötigt, um die Polarisationszustände innerhalb eines Faserlaserhohlraums in Einzelfrequenzringlasern und aktiven und passiven modenverriegelten Picosekundenfaserlasern einzustellen.
Die Polarisationseinstellung wird benötigt, da veränderungen in der äußeren Umgebung Variationen der Polarisationsdoppelbrechung erzeugen, was seinerseits eine Variation der Polarisationszustände bewirkt. Eine Variation der Polarisationszustände aufgrund von Veränderungen der Doppelbrechung in einer Einmodenfaser bedeutet, daß die Amplituden- und die Phasen-Beziehung gemäß der Polarisationszustandsvariation verändert werden.
Es wurde von Konfigurationen berichtet, die optische Doppelbrechungseffekte auf dem Polarisationszustand eines Einzeldurchlaufsstrahls eliminieren. Siehe Martinelli, "A Universal Compensator for Polarization changes Induced By Birefringence on a Retracing Beam", Optics Communications, Band 72, Nr. 6, ff 341-344 (1989). Dieses Bauelement, das in Fig. 1 dargestellt ist, wird basierend auf den Symmetrien, die durch einen 45-Grad-Faraday-Rotator 12 gefolgt von einem Spiegel 14 hervorgerufen werden, betrieben. Die Eintritts- und Austrittspolarisationszustände der Eingangs- und Ausgangsstrahlen 16, 18 erweisen sich als orthogonal und unabhängig von dem beliebigen Doppelbrechungsmaterial 20. Das beliebige Doppelbrechungsmaterial 20 verändert den bekannten Polarisationszustand des Eingangsstrahls 16 in einen beliebigen elliptischen unbekannten Polarisationszustand 22.
Der 45-Grad-Faraday-Rotator dreht die Hauptachsen des beliebig elliptisch polarisierten Lichtstrahls 22 um 45 Grad ohne die Elliptizität und den Drehsinn (rechts- oder linksdrehend) zu einem neuen Polarisationszustand 24 zu verändern. Der Spiegel 14 verändert den Drehsinn des reflektierten Strahls 26 von rechts nach links (oder links nach rechts, abhängig von dem Anfangszustand) ohne die Elliptizität und die Ausrichtung der Hauptachsen des elliptisch polarisierten Strahls zu beeinflussen. Der 45-Grad-Faraday- Rotator dreht die Hauptachse des elliptisch polarisierten reflektierten Strahls 26 um weitere 45 Grad, ohne den Drehsinn desselben (links- oder rechtsdrehend) und die Elliptizität zu dem orthogonal polarisierten Zustand 28 des Ausgangsstrahls 18 zu verändern, der orthogonal zu dem beliebig elliptisch polarisierten Zustand des Eingangsstrahls 16 ist.
Sowie der orthogonal polarisierte reflektierte Strahl 28 durch das beliebige Doppelbrechungsmaterial 20 läuft, sieht der Strahl eine entgegengesetzte Doppelbrechung im Vergleich zu dem Eingangsstrahl 16, und die Doppelbrechung, die auf dem Eingangsstrahl 16 hervorgerufen wurde, wird aufgehoben. Eine Aufhebung der Doppelbrechung hat den praktischen Effekt des Austauschens der schnellen und der langsamen Achse des beliebigen Doppelbrechungsmaterials 20 und des Rückgängigmachens des Doppelbrechungseffektes, der auf dem Eingangsstrahl 16 durch das beliebige Doppelbrechungsmaterial 20 hervorgerufen wurde. Als Resultat wird die Ausgangs- oder Austritts-Polarisation 18 trotzdem wohldefiniert sein, dieselbe wird jedoch orthogonal zu dem bekannten Polarisationszustand des Eingangs- oder Eintrittsstrahls 16 sein.
Zusammengefaßt bedeutet dies:
a) für einen linear polarisierten Eingangsstrahl wird der Ausgangspolarisations zustand linear polarisiert bleiben, wobei die Polarisationsachse um 90 Grad gedreht ist;
b) für einen zirkular polarisierten Eingangsstrahl (rechts- oder linksdrehend) wird der Ausgangspolarisationszustand zirkular polarisiert bleiben, mit einem entgegengesetzten Drehsinn (links- oder rechtsdrehend);
c) für eine elliptisch polarisierten Eingangsstrahl wird der Ausgangspolarisationszustand elliptisch polarisiert bleiben, mit um 90 Grad gedrehter Hauptachse, entgegengesetztem Drehsinn und einer unveränderten Elliptizität.
Ohne den 45-Grad-Faraday-Rotator wird die Beziehung des Ausgangspolarisationszustands 18 (nach dem Durchlaufen des beliebigen Materials 20, reflektiert durch den Spiegel 14, und dem zweiten Durchlaufen des beliebigen Mediums) zu der Eingangspolarisation zufällig, nicht wohidef iniert sein, und dieselbe wird mit Veränderungen der äußeren Umgebung variieren. Folglich erzeugt die Hinzufügung des 45-Grad-Faraday- Rotators eine fortdauernde wohldefinierte Beziehung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangs-Polarisationszustand.
Dieses Prinzip des Verwendens eines Faraday-Rotators, um die Doppelbrechung aufzuheben, wird durch Duling und Esman in ihrem jüngsten Artikel verwendet, der einen linearen Eingang gefolgt von einem 45-Grad-Faraday-Rotator und einem Spiegel beschreibt. Das resultierende Ausgangssignal ist orthogonal zu dem Eingangssignal, und die Amplitude des Ausgangssignals wird erhöht. Siehe Duling und Esman, "A Single Doped Er- Doped Fiber Amplifier". 1992 Conference of Lasers and Electro-optics. CPD 28-1/60. Duling und Esman (1992).
Wie in Fig. 2 dargestellt, berichten Duling u. a. von einem Einzelpolarisationsfaserverstärker, der aus einem Polarisationsstrahlteiler 30, einer (kommerziell verfügbaren) Standard-Erbium-dotierten-Faser 32 und einem Faraday-Rotatorspiegel 34 besteht. Das Licht ist beim Zurückverfolgen seines Weges überall orthogonal zu dem Erst-Durchlaufs-Licht und dasselbe ist linear, wenn es reflektiert wird. Horizontal linear polarisiertes Licht von einer polarisationserhaltenden Faser (PM-Faser; PM = Polarization Maintaining) wird von dem Tor 1 durch den Polarisationsstrahlteiler 30 und in die nicht-polarisationserhaltende Erbium-dotierte Faser 32 eingegeben. Das Licht wird dann von dem Faraday-Rotator 34 für einen zweiten Durchlauf durch die Erbium-dotierte Faser 32 zurückreflektiert. Der Polarisationszustand des Zweit- Durchlaufs-Lichts ist beim Zurückverfolgen des Wegs desselben überall orthogonal zu dem Polarisationszustand des Erst-Durchlaufs-Lichts, und dasselbe ist vertikal linear polarisiert, sowie dasselbe durch den Polarisationsstrahlteiler 30 hinaus zu dem Tor 2 austritt.
Duling hat ferner zwei mögliche Laserkonfigurationen basierend auf diesem Einzelpolarisationsfaserverstärker beschrieben. Die Fig. 3 zeigt eine schmale Linienbreite unter Verwendung eines zusätzlichen Spiegels 36 und eines Gitters 38, um eine Dauerstrich- (CW-; CW = Continuous Wave) Laserwirkung zu erzeugen, die unabhängig von der Doppelbrechung der Faser ist. In diesem Laserhohlraum sind zwei reflektierende Tore zusammen mit dem Faraday-Rotator 34 erforderlich, um die Las erwirkung aufrechtzuerhalten.
Duling hat ferner die Verwendung des Einzelfrequenz-, Einzelpolarisationsfaser-Laufwellen-Verstärkers zusammen mit einer polarisationserhaltenden Faser 40 demonstriert, um einen In-Line-Faserlaser (In-Line = in der Reihe liegend) mit schmaler Linienbreite zu bauen (siehe Fig. 4).
Zusammengefaßt gesagt hat Duling Zeilen-CW-Laser basierend auf der Verwendung eines Einzelpolarisationsfaserverstärkers demonstriert. Folglich wurde ein einziger Faraday-Rotator verwendet, um die Doppelbrechung in einem Faserlaser aufzuheben. Es besteht jedoch noch immer ein Bedarf nach einem Ultrakurzpulsfaserlaser, der kein konstantes Abstimmen und Einstellen erfordert, um die Polarisationszustände zu steuern, und dadurch die Laserwirkung zu optimieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Faserlaser mit folgendem Merkmal geschaffen: eine erste und eine zweite reflektierende Oberfläche, die einen optischen Weg zwischen sich definieren; eine Pulseinrichtung in dem optischen Weg benachbart zu der zweiten reflektierenden Oberfläche, ein erster Faraday-Rotator in dem optischen Weg benachbart zu der ersten reflektierenden Oberfläche, ein zweiter Faraday- Rotator in dem optischen Weg benachbart zu der Pulseinrichtung, ein optischer Verstärker zwischen den Faraday-Rotatoren, der aus einer Kombination einer Einmodenfaser und einer dotierten Faser besteht, mit einer umgebungsabhängigen Doppelbrechung; ein Pumplaser, der zu dem optischen Verstärker gekoppelt ist, um eine Verstärkung durch die Anregung der dotierten Faser zu schaffen; und ein Ausgangskoppler, der zu dem optischen Verstärker gekoppelt ist, der für das Laserlicht einen Austrittsweg aus dem Hohlraum schafft.
Die Pulseinrichtung kann ein Halbleiterverstärker, oder ein sättigbarer Absorber, oder ein Elektroabsorptionsmodulator oder ein LiNbO&sub3;-Phasenmodulator sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen einen Pulsfaserlaser bereit, der die Notwendigkeit des Einstellens der Polarisationszustände innerhalb des Faserlaserhohlraums eliminiert. Es ist keine Einstellung notwendig, da der Doppelbrechungseffekt in dem Faserlaserhohlraum kompensiert wird. Folglich unterstützt ein einmodenverriegelter Faserlaser die Laseraktivität eines Einzelpolarisationszustands, und derselbe eliminiert die Notwendigkeit einer Polarisationssteuerung.
Die Notwendigkeit einer Polarisationssteuerung wird durch Plazieren von zwei 45-Grad-Faraday-Rotatorspiegeln an beiden Enden der verstärkenden Faser in dem Laser eliminiert. Die Faraday-Rotatorspiegel heben die Doppelbrechung in der Faser auf, und dieselben ermöglichen eine Laseraktivität eines Einzelpolarisationszustands, der den niedrigsten Umlaufverlust innerhalb des Hohlraums aufweist. Für den Fall, bei dem kein polarisationsabhängiger Verlust in dem Faserhohlraum vorhanden ist, wird ein linearer Polarisator oder ein Polarisationsstrahlteiler an einem Ende des Laserhohlraums verwendet, um den Laser zu zwingen, bei einem Einzelpolarisationszustand zu funktionieren.
Eine Einrichtung eines amplitudenabhängigen Verlustes wird an einem Ende des Laserhohlraums verwendet, um die Erzeugung eines kurzen optischen Pulses zu fördern. Ferner weist der Laser den Vorteil einer Doppeldurchlaufverstärkung auf, da der modenverriegelte Puls orthogonale Polarisationszustände in der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung aufweist.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher werden, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird, wobei dieselbe durch Beispiele die Prinzipien der Erfindung darstellt.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes Diagramm einer bekannten Konfiguration, die die Ausgangszustandspolarisation steuert.
Fig. 2 ist ein vereinfachtes Diagramm eines bekannten Einmodenpolarisationsfaserverstärkers.
Fig. 3 ist ein vereinfachtes Diagramm des Stands der Technik.
Fig. 4 ist ein weiteres vereinfachtes Diagramm des Stands der Technik.
Fig. 5 ist ein vereinfachtes Diagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 6 stellt die Entwicklung der Polarisationszustände dar, die innerhalb einer in Fig. 5 gezeigten Konfiguration der Erfindung auftritt.
Fig. 7 ist ein vereinfachtes Diagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 8 stellt die Entwicklung der Polarisationszustände dar, die innerhalb des in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiels auftritt, mit der Viertelwellenplatte bei 0 Grad.
Fig. 9 stellt die Entwicklung der Polarisationszustände dar, die innerhalb des in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiels auftritt, mit der Viertelwellenplatte bei 45 Grad.
Fig. 10 stellt die Entwicklung der Polarisationszustände dar, die innerhalb des in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiels auftritt, mit der Viertelwellenplatte zwischen 10 und 15 Grad und einschließlich dem Effekt einer hohen Signalleistung.
Wie in Fig. 5 gezeigt, schafft die vorliegende Erfindung einen Faserlaser, der einen kurzen optischen Puls ohne die Notwendigkeit einer Polarisationseinstellung erzeugt.
Ein Laser gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen ersten und einen zweiten reflektierenden Spiegel 50, 52, die einen optischen Weg definieren; ein Bauelement (das ein sättigbarer Absorber, ein Halbleiterverstärker oder ein elektrooptischer Phasen- oder ein Amplituden-Modulator oder ein ähnlich funktionierendes Bauelement sein kann), um das Pulsen 54 zu fördern, das in dem optischen Weg positioniert ist; einen ersten Faraday-Rotator 56 in dem optischen Weg, der betreibbar ist, um das Licht um 45 Grad zu drehen; eine Verstärkungseinrichtung 58 in dem optischen Weg; und einen zweiten 45-Grad-Faraday-Rotator 60 in dem optischen Weg, der an dem Ende der Verstärkungseinrichtung 58 gegenüber dem ersten Faraday-Rotator 56 positioniert ist. Ein Wellenlängenmultiplexerkoppler 62 (WDM-Koppler; WDM Wavelength Division Multiplexer) ist zu einer Pumpe 64 gekoppelt, die eine Verstärkung für die Verstärkungseinrichtung 58 liefert.
Ein 90:10-Faserkoppler 66, der als Ausgabeeinrichtung dient, befindet sich an die Verstärkungseinrichtung 58 in dem optischen Weg gespleißt Ferner können eine erste und eine zweite Linse 68, 70 in dem optischen Weg umfaßt sein, und dieselben können an beiden Enden der Verstärkungseinrichtung 58 positioniert sein. Die Verstärkungseinrichtung 58 umfaßt eine Erbiurn-dotierte Faser 72, die zu einem WDM-Koppler 62 gekoppelt ist, und eine Einmodenfaser (SMF; SMF = Single Mode Fiber) 74. Es können andere dotierte Fasern oder Pumpvorrichtungen geeignet sein.
Diese Konfiguration wird eine Laseraktivität eines Einzelpolarisationszustands unterstützen, der den geringsten Verlust innerhalb des linearen Hohlraums erfährt, der die zwei 45- Grad-Faraday Rotatoren 56, 60 enthaltend gebildet ist. Der sättigbare Absorber sieht eine Einrichtung eines amplitudenabhängigen Verlustes vor, die ein passives oder aktives Modenverriegeln fördert. Wenn der Laser passiv modenverriegelt wird, wird derselbe im allgemeinen Subpicosekundenpulse oder kürzere Pulse erzeugen. Der Laser kann aktiv unter Verwendung einer äußeren RF-Treibfrequenz modenverriegelt werden, um die Phase in dem Faserhohlraum zu modulieren, um das aktive Modenverriegeln zu fördern. Dies kann Pulse mit einer höheren Wiederholrate mit Pulsabtastungen zwischen 10 und 20 Picosekunden erzeugen.
Bei dem Fall, bei dem kein polarisationsunabhängiger Verlust in dem Faserlaserhohlraum vorhanden ist, wird ein linearer Polarisator oder ein Polarisationsstrahlteiler 76 in dem optischen Weg zwischen dem zweiten 45-Grad-Faraday-Rotator 60 und dem Pulsbauelement 54 angeordnet, um das Einzelpolarisationspulsen zu fördern.
Fig. 6 zeigt einen linearen Polarisationszustand 80, der durch die Ausrichtung des linearen Polarisators definiert ist, der entweder auf die horizontale oder vertikale Achse eingestellt ist. Der zweite Faraday-Rotator ändert den Polarisationszustand 80 um 45 Grad zu einem neuen Polarisationszustand 82, sowie der Strahlungsstrahl durch den zweiten Faraday-Rotator von dem Polarisator oder dem Polarisationsstrahlteiler läuft.
Bezugnehmend auf Fig. 5 besteht die Funktion der Kombination des ersten 45-Grad-Faraday-Rotators 56 in Verbindung mit dem ersten Spiegel 50 und der Erbium-dotieren Faser 72 darin, sowohl eine Verstärkung des eingegebenen um 45 Grad gedrehten linearen Polarisationszustands (von dem zweiten Faraday-Rotator) vorzusehen, als auch den Polarisationszustand 84 (Fig. 6) desselben auf -45 Grad zu verändern, sowie derselbe hin zu dem zweiten Faraday-Rotator 60 zurückreflektiert wird. Es sei bemerkt, daß der Erst-Durchlaufs-Polarisationszustand 86 innerhalb des Faserabschnitts immer orthogonal zu dem Zweit-Durchlaufs-Polarisationszustand 88 ist, sowie das Licht durch den Faraday-Rotator 60 zurückreflektiert wird. Sowie das Licht durch den zweiten Faraday-Rotator 60 während des Ausbreitens von der Verstärkungseinrichtung 58 hin zu dem Bauelement läuft, um das Pulsen 54 (das ein sättigbarer Absorber sein kann) zu fördern, wird der zweite Faraday-Rotator 60 das Licht zurück zu seinem Anfangspolarisationszustand 90 (d. h. parallel zu dem linearen Polarisator) verändern. Folglich wird der Lichtstrahl den Polarisator oder den Polarisationsstrahlteiler 76 (Fig. 5) durchlaufen, ohne jeglichen Verlust zu erfahren. Der sättigbare Absorber, oder ein anderes Bauelement zum Fördern des Pulsens 54, sieht eine Einrichtung eines amplitudenabhangigen Verlustes vor, der abhängig von der Konfiguration entweder das passive Modenverriegeln oder das aktive Modenverriegeln fördert. Im allgemeinen wird der Laser, wenn derselbe passiv modenverriegelt ist, Subpicosekundenpulse oder kürzere Pulse erzeugen.
Der Laser kann unter Verwendung einer äußeren Radiofrequenztreibfrequenz (RF-Treibfrequenz) aktiv modenverriegelt werden, um den Verlust oder die Phase in dem Faserhohlraum zu modulieren, um ein aktives Modenverriegeln zu fördern. Dies erzeugt Pulse mit höheren Wiederholraten mit Pulsabtastungen zwischen 10 und 20 Picosekunden. Der Laser kann ferner einen Filter 92 (Fig. 5) umfassen, um das Licht für ein aktives Modenverriegeln abzustimmen, wobei derselbe in dem optischen Weg plaziert zwischen der Verstärkungseinrichtung 58 und dem zweiten Faraday-Rotator 60 positioniert ist.
Fig. 7 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein zusätzlicher Abschnitt einer Polarisationsfaser (PPF; PPF Polarization Fiber) 94 in den Laserhohlraum zwischen dem zweiten Faraday-Rotator 60 und dem Abschnitt der Einmodenfaser 74 des Verstärkers eingebracht wird. Eine der Doppelbrechungsachsen der PPF 94 wird horizontal ausgerichtet. Die Ausrichtung des linearen Polarisators oder Polarisationsstrahlteilers (PBS) 76 wird ferner mit der horizontalen Achse ausgerichtet. Eine Nullordnungsviertelwellenplatte 96 wird zwischen dem zweiten Faraday-Rotator 60 und dem PBS 76 eingebracht, um den Betrag der Lichtrückkopplung in die polarisationserhaltende Faser 94 einzustellen, und um eine nichtlineare Polarisationsdrehung innerhalb der polarisationserhaltenden Faser einzuführen.
Die Ausrichtung der Doppelbrechungsachse der Viertelwellenplatte 96 wird die Lasercharakteristik des Lasers von einem Lasen bei einer Dauerstrichbetriebsart zu einem Lasen bei einer passiv modenverriegelten Betriebsart oder zu einer nicht lasenden super luminesz ierenden Betriebsart verändern. Wenn die Doppeibrechungsachse der Viertelwellenplatte 96 mit dem linearen Polarisator oder dem PBS 76 ausgerichtet wird, weist der Faserlaserhohlraum einen minimalen Verlust dafür auf, daß der Laser in einer Dauerstrichbetriebsart last, wobei der Polarisationszustand sich durch den Faserlaserhohlraum, wie in Fig. 8 gezeigt, entwickelt.
Das Licht, das von dem zweiten Spiegel 52 reflektiert wird, wird horizontal durch den linearen Polarisator 76 polarisiert. Der horizontal polarisierte Lichtstrahl 98 läuft durch die Viertelwellenplatte 96, ohne seinen Polarisationszustand 100 zu verändern, da eine der Doppelbrechungsachsen der Viertelwellenplatte 96 auch horizontal ausgerichtet ist. Sowie der Strahl durch den zweiten Faraday-Rotator 60 läuft, ändert sich der Polarisationszustand 102 desselben von horizontal polarisiert zu 45 Grad linear polarisiert. Da eine der Doppelbrechungsachsen der polarisationserhaltenden Faser ferner horizontal ausgerichtet ist, wird der um 45 Grad linear polarisierte Strahl sich in gleichen Beträgen seines elektrischen Felds zwischen der schnellen und der langsamen Doppelbrechungsachse der PPF-Faser aufteilen, und der Polarisationszustand desselben wird sich von +45 Grad linear polarisiert zu elliptisch polarisiert (rechts- oder linksdrehend), zu zirkular polarisiert (rechts- oder linksdrehend) und dann zurück zu elliptisch polarisiert (rechtsoder linksdrehend), zu -45 Grad linear polarisiert, zu elliptisch polarisiert (links- oder rechtsdrehend) zu zirkular polarisiert (links- oder rechtsdrehend) zu elliptisch polarisiert (rechts- oder linksdrehend) und zurück zu +45 Grad linear polarisiert entwickeln, sowie der Strahl sich durch die PPF zu der Einmodenfaser ausbreitet.
Sowie sich das Licht weiter von dem Einmodenfaserabschnitt 74 durch den Abschnitt der Erbium-dotieren Faser 72 zu dem ersten 45-Grad-Faraday-Rotator 56 und dem ersten Spiegel 50 ausbreitet, entwickelt sich der Polarisationszustand nicht vorhersagbar (da derselbe eine Funktion von äußeren Einflüssen ist). Sowie sich jedoch der reflektierte Strahl zurück von dem ersten Spiegel 50 durch den ersten 45-Grad- Faraday-Rotator 56 ausbreitet, wird der Polarisationszustand 106 desselben orthogonal zu dem Polarisationszustand 104 des Vorwärts- oder Erst-Durchlaufs-Eingangslichts. Der Strahl wird sich weiter durch die Erbium-dotierte Faser 72 durch die SMF 74 und die PPF-Faser 94 ausbreiten, wobei derselbe diese orthogonale Beziehung durchgehend beibehält. Daher ist der Polarisationszustand des Lichts an dem Ausgang der PPF- Faser -45-Grad linear polarisiert.
Die Funktion des zweiten 45-Grad-Faraday-Rotators besteht darin, daß -45-Grad linear polarisierte reflektierte Licht 108 zu horizontal polarisiert 110 zurückzudrehen. Daher kann dieses rückwärts laufende Licht wiederum die Viertelwellenplatte 96 durchlaufen, ohne seinen Polarisationszustand zu verändern, und dasselbe kann ohne Verlust durch den linearen Polarisator laufen.
Eine weitere wichtige Tatsache besteht darin, daß das gegenausgebreitete Licht gleiche elektrische Feldbeträge aufweist, die auf die schnelle und die langsame Doppelbrechungsachse der polarisationserhaltenden Faser abgebildet werden. Daher findet keine nichtlineare Polarisationsdrehung innerhalb der PPF statt. Unter dieser Bedingung wird, wenn der Verstärkungsabschnitt (verstärkend) des Faserlasers genügend Verstärkung geliefert hat, um den Verlust in dem Laserhohlraum zu überwinden, der Laser in einer Dauerstrichbetriebsart lasen.
Wenn die Doppelbrechungsachse der QWP 45 Grad bezüglich des linearen Polarisators ausgerichtet ist, weist der Faserlaserhohlraum 40 einen maximalen Verlust auf, und der Hohlraum wird ein superlumineszierendes Rauschen an dem Ausgang erzeugen, derselbe wird jedoch nicht lasen. Der Polarisationszustand desselben wird sich, wie in Fig. 9 gezeigt, durch den Faserlaserhohlraum entwickeln.
Der Polarisationszustand der Strahlung 114, der sich von dem zweiten Spiegel durch den horizontal ausgerichteten Polarisator oder den PBS 76 ausbreitet, wird horizontal durch den linearen Polarisator polarisiert. Sowie der horizontal polarisierte Lichtstrahl die QWP 96 durchläuft, wird der Polarisationszustand 114 desselben zu zirkular polarisiert (rechts- oder linksdrehend) 116 verändert. Sowie der Strahl durch den zweiten Faraday-Rotator läuft verbleibt der Polarisationszustand 116 desselben zirkular polarisiert (rechtsoder linksdrehend) 118. Der zirkular polarisierte Strahl 118 wird gleiche Beträge seines elektrischen Felds zwischen der schnellen und der langsamen Doppelbrechungsachse der PPF Faser 94 aufteilen, und der Polarisationszustand des Strahls wird sich von zirkular polarisiert (rechts- oder linksdrehend), zu elliptisch polarisiert (rechts- oder linksdrehend) zu linear polarisiert (-45 Grad oder +45 Grad) und dann elliptisch polarisiert (links oder rechts) und dann zu zirkular polarisiert (links- oder rechtsdrehend), und dann zurück zu elliptisch polarisiert (links- oder rechtsdrehend), zu linear polarisiert +45 oder -45 Grad, zu elliptisch polarisiert (rechts- oder linksdrehend) und schließlich zurück zu zirkular polarisiert (rechts oder links) entwickeln, sowie sich der Strahl durch die PPF zu der Einmodenfaser ausbreitet.
Wie es vorher erörtert wurde, besteht die Funktion der Kombination des SMF-Abschnitts, des Erbium-dotierten Faserabschnitts, des ersten Faraday-Rotators und des ersten Spiegels darin, den Lichtstrahl orthogonal 120, 122 zurück zu dem PPF-Faserabschnitt zu reflektieren. Daher wurde der Polarisationszustand 124 an dem Ausgang der PPF-Faser zirkular polarisiert (links- oder rechtsdrehend). Das zirkular polarisierte Licht 124 wird seinen Polarisationszustand 126 nicht ändern, sowie dasselbe durch den zweiten Faraday- Rotator 60 zu der Viertelwellenplatte (QWP) 96 läuft. Die QWP 96 wird jedoch den Polarisationszustand des reflektierten Lichts von zirkular polarisiert (links- oder rechtsdrehend) 126 zu vertikal polarisiert 128 verändern. Daher kann das Licht nicht den PBS 76 durchlaufen, und der Strahl erfährt einen maximalen Verlust. Daher ist, obwohl der Erbium-dotierte Faserverstärkerabschnitt dem Hohlraum eine Verstärkung liefert, der Verlust zu groß, so daß derselbe überwunden werden kann, und der Hohlraum wird nicht lasen.
Schließlich weist, wie in Fig. 10 dargestellt, wenn die Doppelbrechungsachse der QWP 96 gedreht oder zwischen 0 Grad und 45 Grad bezüglich des linearen Polarisators oder des PBS 76 eingestellt wird, der Faserlaserhohlraum einen höheren Verlust für das CW-Lasen auf. In der Nachbarschaft von 10-15 Grad wird jedoch der nichtlineare Drehpolarisationseffekt in der PPF stark und derselbe bevorzugt das passive Modenverriegeln für den Hohlraum, was ultrakurze optische Pulse erzeugt. Dies kann wie folgt beschrieben werden. Der Polansationszustand 130 des Lichts, das von dem zweiten Spiegel 52 durch den horizontal ausgerichteten Polarisator oder den PBS 76 ausgebreitet wird, wird durch den linearen Polansator horizontal polarisiert. Der horizontal polarisierte Strahl läuft durch die 10-15 Grad gedrehte Viertelwellenplatte 96. Der Polarisationszustand 130 desselben wird sich zu elliptisch polarisiert (rechts- oder linksdrehend) 132 verändern, wobei die Hauptachse desselben um 10-15 Grad gedreht wird. Der zweite 45-Faraday-Rotator 60 wird die Hauptachse des elliptisch polarisierten Strahls 132 von 10-15 Grad zu 55-60 Grad 134 ändern.
Dieser elliptisch polarisierte Strahl 132 wird in die polarisationserhaltende Faser eintreten; der Polarisationszustand desselben entwickelt sich ähnlich zu demselben, der oben beschrieben ist. Da jedoch das Eingangslicht elliptisch polarisiert ist, wobei die Hauptachse bei 55-60 Grad ausgerichtet ist, sind die Beträge des elektrischen Feldes, die auf die schnelle und die langsame Achse abgebildet werden, nicht länger gleich. Dies bewirkt, daß der nichtlineare Polarisationseffekt zunimmt.
Obwohl der reflektierte Strahl einen orthogonalen Polarisationszustand 140 zu dem Eingangspolarisationszustand 134 an dem Ausgang des PPF aufweist, könnte die nichtlineare Polarisationsdrehung diese orthogonale Beziehung verändern. Wenn keine nichtlineare Polarisation vorliegt, ist der Zustand des reflektierten Strahls orthogonal zu dem Eingangspolarisationszustand, der elliptisch polarisiert (links- oder rechtsdrehend) ist, wobei sich die Hauptachse bei 145-150 Grad befindet. Wenn die nichtlineare Polarisation stark genug ist, wird der nichtlineare Effekt den Drehsinn des orthogonalen Strahls von einer links/rechtsdrehenden Ausrichtung zu einer rechts/linksdrehenden Ausrichtung umkehren.
Sowie dieser elliptisch polarisierte Strahl 140 den zweiten Faraday-Rotator durchläuft, wird die Hauptachse desselben um weitere 45 Grad zu 190-195 Grad (was äquivalent zu 10-15 Grad ist) 142 gedreht. Ohne den nichtlinearen Effekt wird der elliptisch polarisierte Strahl (links oder rechts), wobei die Hauptachse desselben bei 10-15 Grad ausgerichtet ist, die WP durchlaufen, und seine Polarisation zu linear polarisiertem Licht verändern, wobei die Polarisationsachse desselben einen 20-30 Grad Winkel bezüglich des linearen Polarisators bildet, und derselbe wird einen Verlust 144 erfahren. Auf der anderen Seite wird der nichtlineare Effekt, der den Drehsinn umkehrt, bewirken, daß das elliptisch polarisierte Licht (rechts- oder linksdrehend), mit seiner bei 10-15 ausgerichteten Hauptachse, seinen Polarisationszustand zu horizontal polarisiert 148 ändern wird, sowie dasselbe durch die QWP läuft. Daher sieht die nichtlineare Polarisationsdrehung den minimalen Verlust für den Laserhohlraum vor, und der Laserhohlraum bevorzugt das passive Modenverriegeln.
Im wesentlichen ist es die Kombination des nichtlinearen Effekts in der polarisationserhaltenden Faser (PPF) in Verbindung mit der Winkeleinstellung der Wellenplatte, was effektiv einen modenverriegelten Laserhohlraum konfiguriert. Der modenverriegelte Laser umfaßt keinen sättigbaren Absorber (oder ein anderes Bauelement zum Fördern der Verstärkung). Der modenverriegelte Laser beruht eher auf der Verstärkung von der Erbium-dotierten Faser und der nichtlinearen Polarisationsdrehung, die der PPF zuzuschreiben ist. Da die Erbium-Dotierung als ein Verstärker wirkt, bringt dieselbe die nichtlinearen Charakteristika der polarisationserhaltenden Faser (PPF) ins Spiel. Daher werden die verstärkungsfördernden Aspekte des sättigbaren Absorbers durch die nichtlinearen Effekte der polarisationserhaltenden Faser (PPF) ersetzt.
Dort wo ein sättigbarer Absorber oder ein ähnliches Merkmal zu dem Laserhohlraum zusätzlich zu der polarisationserhaltenden Faser hinzugefügt wird, ist das Resultat ein selbststartender Laser, der sowohl polarisationsunempfindlich als auch passiv modenverriegelt ist.
Der Laser kann aktiv unter Verwendung einer äußeren Radiofrequenztreibfrequenz (RF-Treibfrequenz) modenverriegelt werden, um die Phase in dem Faserhohlraum zu modulieren, um ein aktives Modenverriegeln zu fördern. Das aktive Modenverriegeln erzeugt Pulse mit höheren Wiederholraten mit Pulsabtastungen zwischen 10 und 20 Picosekunden. Der Laser kann ferner einen Filter 92 umfassen, um das Licht für eine aktive Modenverriegelung abzustimmen, der in dem optischen Weg plaziert zwischen der Verstärkungseinrichtung und dem zweiten Faraday-Rotator oder anderswo in dem optischen Weg positioniert ist.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, soll die Erfindung nicht auf spezifische Formen oder Anordnungen von so beschriebenen und dargestellten Teilen begrenzt sein, und verschiedene Modifikationen und Veränderungen können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, vorgenommen werden. Innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche kann daher die Erfindung auf eine andere Art und Weise als spezifisch beschrieben und dargestellt realisiert werden.

Claims

1. Ein Faserlaser mit folgenden Merkmalen:

einer ersten und einer zweiten reflektierenden Oberfläche (50, 52), die einen optischen Weg zwischen sich definieren;

einer modenverriegelnden, pulserzeugenden Einrichtung (54) in dem optischen Weg benachbart zu der zweiten reflektierenden Oberfläche (52);

einem ersten Faraday-Rotator (56) in dem optischen Weg benachbart zu der ersten reflektierenden Oberfläche (50);

einem zweiten Faraday-Rotator (60) in dem optischen Weg benachbart zu der Pulseinrichtung (54);

einem optischen Verstärker (58) zwischen den Faraday- Rotatoren, der aus einer Kombination einer Einmodenfaser (74) und einer dotierten Faser (72) mit einer umgebungsabhängigen Doppelbrechung besteht;

einem Pumplaser, der mit dem optischen Verstärker gekoppelt ist, um eine Verstärkung durch die Anregung der dotierten Faser zu liefern; und

einem Ausgangskoppler, der mit dem optischen Verstärker gekoppelt ist, der für das Laserlicht einen Austrittsweg aus dem Hohlraum schafft.

2. Ein Laser gemäß Anspruch 1, der ferner einen linearen Polarisator oder einen Polarisationsstrahlteiler (76) aufweist, der in dem optischen Weg zwischen der modenverriegelnden, pulserzeugenden Einrichtung (54) und dem zweiten Faraday-Rotator (60) angeordnet ist.

3. Ein Laser gemäß Anspruch 1, der ferner ein Paar von Linsen (68, 70) in dem optischen Weg aufweist, die an jedem Ende des optischen Verstärkers (58) positioniert sind.

4. Ein Laser gemäß Anspruch 1, bei dem der optischer Verstärker eine Erbium-dotierte Faser aufweist.

5. Ein Laser gemäß Anspruch 1, bei dem die Pulseinrichtung (54) ein Halbleiterverstärker, oder ein sättigbarer Absorber, oder ein Elektroabsorptionsmodulator oder ein LiNbO&sub3;-Phasenmodulator ist.

6. Ein Laser gemäß Anspruch 1, der ferner ein Filter (92) in dem optischen Weg aufweist.

7. Ein Laser gemäß Anspruch 6, bei dem die dotierte Faser eine Erbium-dotierte Faser ist.

8. Ein Laser gemäß Anspruch 1, bei dem der optische Verstärker einen Abschnitt einer polarisationserhaltenden Faser benachbart zu dem zweiten Faraday-Rotator und der dotierten Faser aufweist.

9. Ein Laser gemäß einem der Ansprüche 2 und 8, der ferner eine Viertelwellenplatte (96) aufweist, die zwischen dem linearen Polarisator oder dem Polarisationsstrahlteiler (76) und dem zweiten Faraday-Rotator eingebracht ist, um den Betrag der Lichtrückkopplung in den Laserhohlraum einzustellen.

10. Ein Laser gemäß einem der Ansprüche 2 und 8, bei dem die Polarisationsachse des linearen Polarisators oder des Polarisationsstrahlteilers (76) mit der Doppelbrechungsachse der polarisationserhaltenden Faser ausgerichtet ist.