DE69417611T2

DE69417611T2 - Verfahren zum stabilen Betrieb eines aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers

Info

Publication number: DE69417611T2
Application number: DE69417611T
Authority: DE
Inventors: Sergio Bosso; Flavio Fontana
Original assignee: Pirelli Cavi e Sistemi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2014-01-29
Also published as: JPH06302881A; ITMI930325A0; DE69417611D1; US5381426A; CA2114089C; ES2131597T3; EP0612126B1; CA2114089A1; ITMI930325A1; EP0612126A1; IT1263613B

Description

Oft ist es auf dem Gebiet der Telekommunikation wünschenswert, pulsierende Laseremissionen einer bestimmten begrenzten Dauer zu erzeugen.
Impulse der genannten Art haben eine Dauer von δt < 100 ps und werden allgemein als ultrakurze Impulse oder "Solitonen" bezeichnet. Unter Bedingungen der gelenkten Propagation werden sie zum Beispiel auf dem Gebiet der digitalen Hochgeschwindigkeitstelekommunikation (bis zu GBit/s), zum Herstellen optischer Instrumente, beim Durchführen von Tests an Halbleiterkomponenten und auch für die Fernmessung, zum Beispiel bei der Topographie oder beim Atmosphärenradar, eingesetzt.
Zu diesem Zweck sind modengekoppelte Lasergeneratoren bekannt. Mit Modenkoppeln ist ein Verfahren gemeint, bei dem in einem Laser mehrere Moden in einem gegenseitigen Konstant- Phasen-Verhältnis zueinander oszillieren, was durch ein im Laserhohlraum vorhandenes Element bewirkt wird, das sich nicht linear verhält.
Modengekoppelte Lasergeneratoren des passiven Typs sind bekannt, die Optofaser-Laservorrichtungen unter Verwendung mit Erbium dotierter Fasern aufweisen (zum Beispiel der in Fig. 8 gezeigte Laser), wobei ein einen optischen Verstärker enthaltender Faserring zum Beispiel bei der Wellenlänge von 1,5 um als ein sättigbarer Absorber wirkt. In diesen Lasern erzeugte Impulse hängen von der Laserringgröße ab.
Vorrichtungen dieser Art sind in ELECTRONICS LETTERS, Vol. 26, Nr. 6, 14. März 1991, S. 542-543, von D. J. Richardson, R. I. Laming, D. N. Payne, V. Matsas, M. W. Phillips, in ELECTRONICS LETTERS, Vol. 27, Nr. 9, 25. April 1991, S. 730- 732 von den gleichen Autoren, in ELECTRONICS LETTERS, Vol. 27, Nr. 6, 14. März 1991, S. 544-545, von I. N. Duling und in ELECTRONICS LETTERS, Vol. 27, Nr. 3, 31. Januar 1991, S. 229- 230 von G. J. Cowle und D. N. Payne beschrieben.
Außerdem sind Laservorrichtungen bekannt, bei denen eine aktive Modulationsvorrichtung des elektrooptischen Typs in den einen Laserhohlraum bildenden Laserpfad geschaltet wird, um so den Laser dazu zu zwingen, Modenkopplungsimpulse mit der gewünschten Frequenz zu erzeugen.
Solche Vorrichtungen werden als aktive modengekoppelte Vorrichtungen bezeichnet, weil die darin vorhandene von außen betriebene Modulationsvorrichtung auf die im Laser erzeugten Moden wirkt, wodurch eine Verstärkung auf einen Pegel ermöglicht wird, der die Laseremission auf Moden beschränkt, die von der angewendeten Modulation ausgewählt werden.
Vorrichtungen des genannten Typs sind zum Beispiel beschrieben in OPTICS LETTERS, Bd. 14, Nr. 22, 15. November 1989, S. 1269-1271, von J. D. Kalta, T. Baer und D. W. Hall, in ELECTRONICS LETTERS, Bd. 26, Nr. 3, 1. Februar 1990, S. 216- 217, von A. Takada und H. Miyazawa, in CLEO '92 Anaheim, Beitrag CW 14, von C. Harvey und L. Mollenauer, und in PROCEE- DINGS OF II TOPICAL MEETING ON OPTICAL AMPLIFIERS, Optical Society of America, 1991, Snowmass Village, Colorado, USA, S. 116-119, von T. Pfeiffer und H. Schmuck (SEL Alcatel Research Centre).
Theoretische Grundlagen über das Phasenkoppeln sowohl des aktiven als auch des passiven Typs sind zum Beispiel in WAVES AND FIELDS IN OPTOELECTRONICS von Hermann A. Haus, veröff. 1984 von Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, U.S.A., S. 254-290 beschrieben.
Passive modengekoppelte Generatoren, deren Betrieb eine Erregermodulation außer Betracht läßt, haben die besondere Eigenschaft, daß sie eine solitonpulsemittierende Frequenz aufweisen, die sehr stark von den physischen Gegebenheiten des Generators abhängt, insbesondere der Größe des das Lasersystem bildenden Faserrings, in dem sich für jede Reflexion ein einzelner Impuls fortbewegt.
Bei aktiven modengekoppelten Generatoren hängt dagegen die Impulsemissionsfrequenz von der Erregerfrequenz eines Modulators ab und ermöglicht es einer großen Anzahl gekoppelter Impulse, sich gleichzeitig im Ring fortzubewegen, und ermöglicht daher ein vorheriges Auswählen der Impulsemissionsfrequenz, die viel höher ist als in Vorrichtungen des passiven Typs, zum Beispiel in der Größenordnung von GHz.
Zusätzlich zum Vorhergehenden können modengekoppelte Lasergeneratoren ein Filter haben zur Auswahl der Emissionswellenlänge der emittierten Impulse innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes, zum Beispiel im Band zwischen 1530 und 1560 nm, das das üblicherweise in der Telekommunikation verwendete Band ist, sowohl zum Einspeisen unterschiedlicher Quellen in die gleiche Faser und zur Angleichung der chromatischen Dispersionseigenschaften der Faser in der angeschlossenen Leitung.
T. Pfeiffer und H. Schmuck (SEL Alcatel Research Centre) haben in der oben genannte Publikation einen Ringlaser des genannten Typs beschrieben, mit einer mit Erbium dotierten aktiven Faser, einem Pumplaser, der die optische Faser beschickt, einem Optoisolator, einem elektrooptischen Breitenmodulator aus LiNbO&sub2;, in dem ein Fabry-Perot-Abstimmfilter zur Auswahl der Emissionswellenlänge verwendet wurde.
Nach Untersuchungen des Anmelders funktioniert der beschriebene Laser zwar unter experimentiellen Bedingungen, doch hat er sich bezüglich der Betriebsstabilität als äußerst kritisch herausgestellt.
Erfindungsgemäß wird das kritische Verhalten auf Veränderungen zurückgeführt, die sowohl aufgrund von Temperaturschwankungen als auch aufgrund von Vibrationen oder dergleichen in der Vorrichtung auftreten.
Aufgrund dieses kritischen Zustands wird aus mechanischer Sicht eine besonders komplizierte Struktur benötigt, um befriedigende Ergebnisse zu erzielen, was die Struktur folglich zur praktischen Anwendung, außer für bloße Laborexperimente, unbrauchbar macht.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß ein Faserlaser mit einer mit Erbium dotierten aktiven optischen Faser des aktiven modengekoppelten Typs, die zur Wellenlängenabstimmung fähig ist, eine große Betriebsstabilität und Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Störungen haben kann, wenn er ohne Vorrichtungen zur Einstellung durch räumliche Bewegungen hergestellt wird.
Insbesondere hat sich herausgestellt, daß ein aktives modengekoppeltes Lasersystem, bei dem ein Filter zum Einstellen der Emissionwellenlänge in planarer Optik realisiert wurde, eine große Emissionsstabilität beim Betrieb erreicht, auch wenn keine spezifischen Versteifungs- und mechanischen Stabilisierungsstrukturen vorgesehen sind.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum stabilen Betreiben eines aktiven modengekoppelten Impulslasergenerators mit den folgenden Elementen vorzusehen:
- eine mit einer fluoreszierenden Dotiersubstanz dotierte aktive Faser,
- eine Einrichtung zum Einspeisen von Lichtpumpenergie in ein Ende der aktiven Faser, die zum Anregen der fluoreszierenden Dotiersubstanz auf einen Laseremissionszustand geeignet ist, von dem die Dotiersubstanz auf einen Basiszustand abfallen kann, wobei die eine vorbestimmte Wellenlänge aufweisende Lichtemission ein Lichtsignal darstellt,
- einen elektrooptischen Modulator, der von außen angesteuert wird und in Reihe mit der aktiven Faser verbunden ist,
- eine Einrichtung zum Herausleiten der Emission aus der aktiven Faser,
- eine Einrichtung zum Definieren eines Laserhohlraums, die die aktive Faser, die Einrichtung zum Einspeisen von Pumpenergie, den Modulator, ein Filter und die Herausleiteinrichtung aufweist, wobei der ansteuerbare Modulator zum Erzeugen einer Modulation des von der aktiven Faser erzeugten Emissionssignals geeignet ist, so daß eine Modenkopplung des oszillierenden Emissionssignals im Hohlraum verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das wellenlängenselektive Filter aus einem Lichtwellenleiter-Monolithfilter auf einem Kristallsubstrat besteht, ohne daß dabei Komponenten verwendet werden, deren räumliche Konfiguration verändert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Anspruch 1 definiert. Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Vorzugsweise ist die fluoreszierende Dotiersubstanz in der aktiven Faser Erbium.
Die Einrichtung zum Einspeisen von Pumpenergie weist einen dichroitischen Koppler auf, der an ein Ende der aktiven Faser und an einen Pumplaser einer vorbestimmten Wellenlänge angeschlossen ist.
Bei einer bestimmten Ausführungsform ist der elektrooptische ansteuerbare Modulator ein Mach-Zehnder-Intensitäts-Modulator mit einem Wellenleiter in Form eines optischen Kanals, der mit einem elektronischen Generator einer vorgewählten Frequenz verbunden ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der ansteuerbare elektrooptische Modulator ein Phasenmodulator mit einem Wellenleiter in Form eines optischen Kanals, der mit einem elektronischen Generator einer vorgewählten Frequenz verbunden ist.
Insbesondere ist das Filter zur Auswahl der Wellenlänge ein akustooptisches Filter, und insbesondere ist das akustooptische Filter ein Filter mit einem Wellenleiter in der Form eines optischen Kanals, der mit Hilfe eines Lithiumniobatkristallsubstrats aus Lithiumniobat hergestellt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden der Modulator und das Filter auf einem einzigen gemeinsamen Kristallsubstrat ausgebildet.
Insbesondere besteht das gemeinsame Substrat für den Modulator und das Filter aus einem Lithiumniobatkristall, der mindestens einen Wellenleiter in der Form eines optischen Kanals aufweist.
Bei einer bestimmten Ausführungsform werden der Modulator und das Filter aus einem einzigen gemeinsamen Kristallsubstrat ausgebildet, und der ansteuerbare Modulator ist ein Mach- Zehnder-Intensitäts-Modulator. Alternativ dazu ist der ansteuerbare Modulator ein Phasenmodulator.
Vorzugsweise ist das Lichtwellenleiter-Filtersubstrat ein Kristall aus Lithiumniobat mit einer x-Schnitt-Ausrichtung und einer y-Propagation.
Noch mehr vorzuziehen ist es, wenn das gemeinsame Substrat für das akustooptische Filter und den elektrooptischen Modulator ein Kristall aus Lithiumniobat mit einer x-Schnitt- Ausrichtung und einer y-Propagation ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das aus einem Stück bestehende Lichtwellenleiter-Filter eine Temperatur- Überwachungs- und -Einstelleinrichtung auf, die fest mit dem Kristallsubstrat verbunden ist. Insbesondere weist die Temperatur-Überwachungs- und -Einstelleinrichtung ein Peltier- Element auf.
Insbesondere weist das akustooptische Filter sowohl in einer unabhängigen Form als auch in Kombination mit dem elektrooptischen Modulator einen Schallwellenleiter auf, der parallel zum Lichtwellenleiter verläuft und mit diesem über eine vorbestimmte Länge überlagert ist, an dessen einem Ende ein in einer Richtung arbeitender Wandler vorhanden ist, der eine Schallwelle erzeugt, wenn eine Einrichtung zum Polarisieren eines im Lichtwellenleiter geleiteten Signals vorhanden ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat der Laserhohlraum die Form eines Rings und weist vorzugsweise mindestens einen Optoisolator auf.
Bei einer alternativen Ausführungsform hat der Laserhohlraum eine lineare Konfiguration und weist eine Lichtreflexionseinrichtung an dessen jeweiligen Enden auf.
Weitere Einzelheiten werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, die anhand der Zeichnungen vorgenommen wird. Es zeigt:
Fig. 1 einen allgemeinen Schaltplan einer aktiven modengekoppelten Laservorrichtung,
Fig. 2 einen Schaltplan einer aktiven modengekoppelten Laservorrichtung,
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein planares Optikfilter, das in einem Laser erfindungsgemäß eingesetzt werden kann,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 3 gezeigten planaren Optikfilters,
Fig. 5 eine Kurvendarstellung, das die Autokorrelationszahl des erfindungsgemäßen Lasers für eine ausgewählte Wellenlänge zeigt,
Fig. 6 das Emissionsspektrum für die Wellenlänge der in Fig. 5 gezeigten Kurve,
Fig. 7 einen Schaltplan der Laservorrichtung nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 eine Draufsicht auf ein integriertes Element mit einem Filter und einem Amplitudenmodulator für den in Fig. 7 gezeigten Laser,
Fig. 9 eine Draufsicht auf ein integriertes Element mit einem Filter und einem Phasenmodulator für den in Fig. 7 gezeigten Laser und
Fig. 10 einen Schaltplan der Laservorrichtung nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Ein aktiver modengekoppelter Optofaserlaser wird allgemein so hergestellt, wie er im Schaltplan von Fig. 1 gezeigt ist.
Ein solcher Laser weist eine mit einer fluoreszierenden Substanz, z. B. Erbium, dotierte aktive Faser 1 auf, die mit einem Ende mit der hinteren Faser 2 eines dichroitischen Kopplers 3 verbunden ist, dessen eine vordere Faser 4 mit einem Pumplaser 5 und eine zweite vordere Faser 6 mit einem Opto-Faserring 7 verbunden ist, in den ein Optoisolator 8 und ein Richtungskoppler 9, durch dessen hintere Faser 10 das erzeugte Signal emittiert wird, eingefügt sind. Eine Polarisationssteuereinrichtung 11 ermöglicht einen Ausgleich der Polarisationseigenschaften der den Ring bildenden unterschiedlichen Fasern oder allgemein des Laserhohlraums.
Der so hergestellte Laser funktioniert durch Einspeisen von Lichtpumpenergie in die aktive Faser mit einer Wellenlänge, die geeignet ist, die in der aktiven Faser enthaltene fluoreszierende Dotiersubstanz auf einen Laseremissionszustand anzuregen. Von einem solchen Laseremissionszustand kann die Dotiersubstanz auf einen Basiszustand abfallen, wobei ein Lichtsignal mit einer vorbestimmten Wellenlänge sowohl spontan emittiert wird, als auch nachdem durch die Faser ein Lichtsignal der gleichen Wellenlänge hindurchgegangen ist.
Ein solches Lichtsignal durchquert aufgrund der Laserhohlraumkonfiguration die aktive Faser viele Male und wird daher viele Male verstärkt, bis es einen Pegel erreicht, der zum Überwinden etwaiger Verluste ausreicht, wodurch ein Lasersignal bzw. ein Emissionssignal erzeugt wird, das herausgeführt werden kann.
Ein elektrooptischer Amplituden- oder Phasenmodulator 12 wird zusätzlich in den Faserring eingeschaltet und ermöglicht einen Betrieb des aktiven modengekoppelten Lasers aufgrund einer elektrischen Ansteuerung von außen mit einer entsprechenden Frequenz über einen nicht dargestellten HF-Rechteck- oder -Sinuswellengenerator.
Zum Zweck der vorliegenden Beschreibung ist mit HF eine Frequenz zwischen 100 MHz bis 2-3 GHz oder höher gemeint.
Außerdem kann der Laser über ein Filter 13 auf die Emissionswellenlänge eingestellt werden.
Ein solches Filter besteht bekanntermaßen typischerweise aus einem Fabry-Perot-Filter, das im wesentlichen zwei Linsen mit variablem Brechungsindex aufweist, die mit den Enden zweier optischer Fasern verbunden sind, die zwei entsprechende parallele und sich gegenüberliegende Flächen aufweisen, die reflektierend beschichtet sind. Der die beiden Flächen trennende Abstand, zwischen dem das Signal einer Vielzahl unterschiedlicher Reflexionen unterworfen wird, wodurch eine Konstruktionsinterferenz mit einer vom Abstand abhängigen Wellenlänge erzeugt wird, kann über angetriebene Einrichtungen, wie zum Beispiel piezoelektrische Elemente eingestellt werden, wodurch eine Auswahl der gewünschten Wellenlänge ermöglich wird.
Bei einem Fabry-Perot-Filter ist der Wert der Entfernung zwischen den reflektierenden Flächen und ihrer Zeitkonstante sehr kritisch, da sie Veränderungen aufgrund sowohl von Temperaturschwankungen als auch von Vibrationen und dergleichen in der Vorrichtung unterliegen.
Diese kritische Eigenschaft im wesentlichen zusammen mit der fehlenden Beibehaltung der relativen Position der Filterkomponenten beeinträchtigt den gesamten Betrieb des Lasers, weil von außen einwirkende Störungen sowohl die Ringgröße als auch die Filtermerkmale verändern.
Zum Beibehalten der Modenkopplung im Laser ist es daher notwendig, periodisch die Anregungsfrequenz des Modulators zu überprüfen und nachzustellen, was auch dazu führt, daß die Länge der emittierten Welle in der Zeit nicht konstant ist.
Zum Beispiel war es bei einem Laser der genannten Typs in einem Labor unter Verwendung eines Fabry-Perot-Filters nötig, die Treiberfrequenz des elektrooptischen Modulators alle 15 Minuten nachzustellen, um so den modengekoppelten Betrieb aufrechzuerhalten, wobei Veränderungen der Frequenzmodulation von 3-4 kHz auftraten.
Die Betriebsbedingungen in einem Labor sind jedoch viel konstanter und leichter zu vergleichen als diejenigen, die bei einer Anwendung in der Industrie zu erwarten wären, so daß der so konstruierte Laser zur praktischen Anwendung außerhalb bloßer Experimente nicht brauchbar wäre.
Zur Sicherstellung einer für die Praxis ausreichenden Zuverlässigkeit bei einer Vorrichtung des genannten Typs, insbesondere bei der Verwendung in der Praxis, d. h. nicht in einer kontrollierten Laborumgebung, wird eine wirksame Isolations- und Temperatursteuereinrichtung schwieriger Bauart benötigt, sowie hochentwickelte Verstärkungs- und Isolationssysteme gegen mechanische Störungen, optische Vorrichtungen zum Einstellen der Entfernung zwischen den reflektierenden Filteroberflächen und weitere ähnliche Vorrichtungen.
Ein erfindungsgemäßer modengekoppelter Laser, der die erforderliche Zuverlässigkeit in der praktischen Anwendung bietet, wurde nach dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau hergestellt, wobei die schon in der allgemeinen Struktur von Fig. 1 beschriebenen Komponenten mit den gleichen Referenznummern bezeichnet sind.
Der Laser weist eine mit Erbium dotierte aktive Faser 1 auf, die mit einem dichroitischen Koppler 3 verbunden ist, in die von einem Pumplaser 5, der mit 980 nm Wellenlänge betrieben wird, ein Signal eingespeist wird. Das gegenüber dem dichroitischen Koppler 3 gelegene Ende der aktiven Faser 1 ist über einen Optoisolator 8, der eine einseitige Fortbewegung im Ring ermöglicht, mit dem Richtungskoppler 9 verbunden, an dessen Ausgang 10 das emittierte Signal ausgegeben wird.
Außerdem ist ein Polarisationskontrollelement 11 vorgesehen. Das Modenkoppeln wird über einen Amplitudenmodulator 14 erreicht, in dem ein Mach-Zehnder-Interferometer vorgesehen ist, der mit einem elektronischen HF-Impulsgenerator 15 verbunden ist.
Die Emissionswellenlänge wird über ein akustooptisches Filter 16 eingestellt, das seinerseits mit einem HF-Generator 17 verbunden ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform wurde die aus dem Richtungskoppler 9 herauskommende optische Faser 9 mit einer Empfangsvorrichtung R verbunden, durch die die emittierten Lasersignale analysiert wurden.
Die Gesamtlänge des Rings war ungefähr 20 m.
Die Merkmale der verwendeten aktiven Faser 1 sind die folgenden:
Faserlänge 15 m
Faserart Si/Al
numerische Apertur NA = 0,2
Grenzwellenlänge λc = 900 nm
Erbiumgehalt im Kern 100 ppm
Der dichroitische Koppler 4 ist ein Koppler mit verschmolzener Faser, der aus zwei monomodalen Fasern mit 980 bzw. 1536 nm Wellenlänge gebildet wird, bei denen die Veränderung der von der Polarisation abhängigen optischen Ausgangsleistung < 0,2 dB ist.
Dichroitische Koppler des genannten Typs sind bekannt und werden zum Beispiel von Gould Inc., Fibre Optic Division, Baymeadow Drive, Glem Burnie, M. D. (USA) und Sifam Ltd., Fibre Optic Division, Woodland Road, Torquay, Devon (GB) hergestellt.
Der Pumplaser 6 ist ein Laser eines als "Strained Quantum Well" (Belastete Quantenquelle) bekannten Typs mit den folgenden Merkmalen:
Emissionswellenlänge λp = 980 nm
maximale Lichtausgangsleistung Pu = 60 mW
Laser des genannten Typs werden zum Beispiel von David Sarnoff Research Center, Washington Rd, Princetown, N. J. (USA) hergestellt.
Der Richtungskoppler 9 ist eine Vorrichtung, die ein an einem seiner Eingänge vorhandenes Signal in vorbestimmte Teile an seinen Ausgängen aufteilt.
Der Richtungskoppler 9 ist ein im Handel erhältlicher Koppler mit einem Teilungsverhältnis von 50/50, zum Beispiel ein 1550 POH 50/50 2 · 2, der von der genannten Firma Gould Inc. hergestellt wird.
Die die verschiedenen beschriebenen Komponenten verbindenden optischen Fasern sind monomodale optische Fasern des Typs 8/125 (wobei 8 den Kerndurchmesser und 125 den Ummantelungsdurchmesser der Faser in um bezeichnet), wobei der Kern mit Germanium dotiert ist und eine numerische Apertur von NA = 0,13 hat.
Das Polarisationssteuerelement 11 besteht aus mehreren optischen Faserspulen, die aufeinanderfolgend angeordnet sind und auf verstellbare Weise im Verhältnis zu einer gemeinsamen Ausrichtungsachse zum Durchführen der erwünschten Einstellung angebracht sind.
Vorrichtungen des genannten Typs sind von GEC MARCONI MATERIALS TECHNOLOGY Ltd., Caswell, Twocester Northants NN12 8EQ (GB) erhältlich.
Der Optoisolator 8 ist ein optischer Isolator, der unabhängig von der Polarisation des übertragenen Signals eine Polarisationssteuerung durchführt, wobei die Isolation größer als 35 dB und das Reflexionsvermögen niedriger als -50 dE ist.
Der verwendete Isolator ist ein MDL I-15 PIPT-A S/N 1016, der von ISOWAVE, 64 Harding Avenue, Dover, New Jersey, USA erhältlich ist.
Die Empfangsvorrichtung R ist ein nicht kolinearer Autokorrelator, ein FR-1 3KR, der von FEMTO-CHROME INC., USA hergestellt wird.
Das Emissionsband wurde auch mit einem Licht-Spektrums- Analysator gemessen. Die verwendete Vorrichtung ist ein TQ8346, der von AVANTEST, 300 Knightsbridge Parkway, Lincolnshire IL 60069, Illinois, USA hergestellt wird.
Der Intensitätsmodulator ist ein Mach-Zehnder-Tnterferometer-Modulator mit einem als Kanal geformeten Wellenleiter aus Lithiumniobat (LiNbO&sub3;) und einer Elektrode für die sich fortbewegende Welle eines im Handel erhältlichen Typs. Dieses Modell wird vom Anmelder hergestellt und unter der Handelsbezeichnung PIRMZM 15 3 00 vertrieben.
Das akustooptische Filter 16 ist in Fig. 3 und 4 im einzelnen gezeigt.
Wie in den Figuren gesehen werden kann, ist das Filter 16 auf einem Substrat 18 aus LiNbO&sub3; mit einer x-Schnitt-Ausrichtung im Kristall, auf dem ein Lichtwellenleiter 19 in Form eines Kanals mit einer y-Propagations-Ausrichtung und einer monomodalen Eigenschaft im Emissionswellenlängenband ausgebildet ist, durch Diffusion von Titan gemacht, aufgrund dessen der Brechungsindex des Substrat-Lithiumniobats lokal erhöht wird, wodurch das Lichtsignal im erforderlichen Pfad gehalten wird.
Entlang des Lichtwellenleiters 19 ist ein Paar akustooptischer Wandler 20 vorhanden, die aus Metallplatten bestehen, in denen mehrere kammförmige Elektroden ineinander verzahnt sind und sich mit dem Wellenleiter überlagern, die durch einen piezoelektrischen Effekt eine sich im Kristall fortbewegende Schallwelle erzeugen, wenn eine elektrische Erregung angelegt wird.
Ein Schallwellenleiter 22 ist auf den Seiten des Lichtwellenleiters 19 definiert. Er ist durch zwei Seitenflächen 23 eingefaßt, in denen Titan im Lithiumniobatsubstrat diffundiert ist, um die Propagationsgeschwindigkeit einer Schallwelle in diesen Seitenbereichen im Verhältnis zum mittleren Bereich 22 zu erhöhen, so daß die Schallwelle in diesen mittleren Bereich geleitet wird.
Ein Polarisierer 24 des TE-Durchleittyps ist den Elektroden 21 vorgeschaltet, während ein Polarisierer 25 des TM- Durchleittyps den Elektroden 21 nachgeschaltet ist.
Der TE-Durchleit-Polarisierer 24 setzt sich zusammen aus einer auf dem Lichtwellenleiter 19 angebrachten Schicht aus einem dielektrischen Material (wie zum Beispiel Siliziumoxid) einer bestimmten Dicke, auf der eine Metallschicht liegt. Dieser Polarisierer ermöglicht es der polarisierten Lichtkomponente, in der Ebene der LiNbO&sub3;-Kristalloberfläche hindurchzugelangen.
Der TM-Durchleit-Polarisierer 25 setzt sich seinerseits zusammen aus zwei Protonen-Austausch-Bereichen, die seitlich vom Wellenleiter über einige Millimetern Länge ausgebildet sind. Dieser Polarisierer ermöglicht es der polarisierten Lichtkomponente, in einer zur LiNbO&sub3;-Kristalloberfläche senkrechten Richtung hindurchzugelangen.
Ein Schallabsorbierer 26 ist in einem vorbestimmten Abstand vom TM-Durchleit-Polarisierer 25 auf der den Elektroden 21 entgegengesetzten Seite vorhanden. Er besteht aus einer schallabsorbierenden Materialschicht, die auf die Kristalloberfläche aufgetragen ist, die die Schallwelle schluckt und sie daher an einer weiteren Wechselwirkung mit der Lichtwelle hindert.
Wie in Fig. 4 schematisch gezeigt, sind an den Enden des Wellenleiters 19 Verbindungsfasern 27 angeschlossen, über die das Filter mit den restlichen Laserkomponenten verbunden ist.
Der den Intensitätsmodulator ansteuernde HF-Generator 15 hatte eine wählbare Frequenz zwischen 100 MHz und 2,4 GHz im Verhältnis zur erwünschten Emissionsfrequenz der vom Laser erzeugten Lichtimpulse (gleich der Frequenz des Generators 15) und den Eigenschaften des Laserhohlraums, der seine eigene Grund-(Übergangs-)Frequenz hat, von der die Erregerfrequenz eine Vielfache sein muß. Die im beschriebenen Experiment verwendete Frequenz war ungefähr 635 MHz.
Der das akustooptische Filter ansteuernde HF-Generator 17 hatte eine wählbare Frequenz, die zum Auswählen der Wellenlänge der Laserlichtimpulse im erwünschten Bereich (1530 < λ < 1560) zwischen 170 MHz und 180 MHz lag.
Vorzugsweise wird der Intensitätsmodulator mit Frequenzen eingesetzt, die höher als 300 MHz sind, sowohl zum Erzeugen von Impulsen mit den besten Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Pulskürze und -gleichmäßigkeit, als auch hinsichtlich der erwünschten Anwendungsgebiete, insbesondere in der Hochgeschwindigkeitstelekommunikation.
Das akustooptische Filter hat eine Wärme-Steuerungs- und Einstellvorrichtung 28, die während des Experiments nicht eingeschaltet war, und der gesamte Laser wurde bei Zimmertemperatur getestet.
Der Laser mit dem beschriebenen Aufbau wurde in einem Labor in Betrieb genommen und zeigte einen stabilen Betrieb, wobei Impulse in regelmäßigen Intervallen in allen Wellenlängen im ausgewählten Wellenlängenbereich (zwischen 1530 und 1560 nm) emittiert wurden, wobei nach acht Stunden Dauerbetrieb lediglich zum Optimieren des Profils der emittierten Impulse ein Nachstellen der Emissionsfrequenz des HF-Generators 15 von weniger als 1 kHz nötig war. Die getesteten Emissionswellenlängen waren bis auf 0,1 nm stabil, was der Auflösung des Spektrum-Analysators entsprach.
Auch wenn dies nicht extra aufgezeichnet wurde, so geht man davon aus, daß die Temperatur in der Umgebung, in der der Laser getestet wurde, während des Tests in einem Bereich von 2ºC um einen Mittelwert von 21ºC geschwankt hat, während gleichzeitig keine besonderen Maßnahmen getroffen wurden, um die mechanischen Störungen auszuschließen oder abzumildern.
Eine Autokorrelationszahl für einen Impuls und das relevante Spektrum für eine der ausgewählten Wellenlängen sind in Fig. 5 bzw. 6 gezeigt.
Die folgende Tabelle 1 gibt lediglich als Beispiel einige der ausgewählten Emissionswellenlängen und die relevanten Treiberfrequenzen des elektrooptischen Modulators und akustooptischen Filters an.
Ein Fachmann wird sogleich erkennen, daß die angegebenen Frequenzen dem Aufbau des beschriebenen Experiments entsprechen und bei einem anderen Aufbau der Anordnung und der entsprechenden Komponenten andere Frequenzen zum Erreichen der gleichen Ergebnisse benötigt würden. TABELLE 1
Wie aus dem bisherigen ersichtlich ist, zeigte der Laser viel bessere Ergebnisse hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der Leistungsgleichmäßigkeit als bekannte Vorrichtungen. Zum weiteren Verbessern der Betriebsstabilität des Lasers, insbesondere hinsichtlich seiner möglichen Verwendung in Umgebungen mit beträchtlichen Temperaturschwankungen, ist es günstig, die am akustooptischen Filter angebrachte und ein Peltier- Element, einen Wärmesensor und eine entsprechende Regelungsschaltung aufweisende Temperaturregelungsvorrichtung 28 einzuschalten, wodurch die Filtertemperatur auch bei großen Schwankungen in der Außentemperatur sehr genau konstant gehalten werden kann.
Es ist zu bemerken, daß außerdem die Monolithstruktur und die verringerte Größe des Filters, dessen Gesamtlänge ein paar Zentimeter nicht überschreitet und dessen Dicke und Breite in der Größenordnung von wenigen Millimetern sind, eine einfache Regelung der Temperatur sowohl durch eine Wärmeisolation als auch durch die Wärmeregelungsvorrichtung ermöglichen.
Das Polarisations-Steuerelement 11 wurde im Laser des beschriebenen Beispiels zum Ausgleichen der durch die Fasern und die zum Erzeugen des Lasers verwendeten Komponenten verursachten Polarisationsschwankungen verwendet. Wenn im Laser jedoch polarisationserhaltende Fasern und Komponenten ver wendet werden, kann das Polarisationselement 11 weggelassen werden.
Außerdem ermöglicht in einer weiteren, noch weitere Vorteile bietenden Ausführungsform die Verwendung eines akustooptischen Filters mit integrierter Optik eine Fertigung des Filters und Modulators aus einem einzigen Planar-Optik-Element 29, wie in Fig. 7, 8, 9 gezeigt.
Wie in Fig. 8 gezeigt, ist auf einem einzigen Substrat 30 aus einem x-geschnittenen Lithium-Niobat-Kristall mit einer y- Propagationsrichtung ein Teil 31, das das akustooptische Filter bildet, dessen Komponenten durch die gleichen Referenznummern identifiziert sind, wie sie in Fig. 3 verwendet wurden, auf dessen Beschreibung Bezug genommen werden kann, und daran anschließend ein Teil 32, das einen elektrooptischen Modulator mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bildet, wodurch eine integrierte Modulations- und Abstimmeinrichtung entsteht.
Im den Modulator 32 bildenden Teil ist der Lichtwellenleiter 33, der die Verlängerung des Wellenleiters 19 des Filters 31 bildet, in zwei Teile 33a und 33b aufgeteilt, die danach am Ausgang 34 des Modulators wieder zusammengeführt sind.
Die Elektroden 35, 36, 37, die alternierend an die Ausgänge des elektronischen HF-Generators 15 angeschlossen sind, erzeugen durch einen elektrooptischen Effekt eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilen, in die das Signal aufgeteilt wurde, so daß bei der Zusammenführung durch Interferenz die erwünschte Intensitätsmodulation erzeugt wird.
Die beschriebene integrierte Ausführungsform ermöglicht eine starke Vereinfachung der Laserstruktur, insbesondere dadurch, daß die Anzahl der zwischen den Fasern und den verschiedenen Komponenten nötigen Verbindungen verringert werden kann.
Dies ist besonders nützlich, wenn polarisationserhaltende Fasern zur Herstellung des Lasers verwendet werden, wie im Schaltplan von Fig. 7 gezeigt, der keine Polarisations-Abgleichseinrichtungen aufweist. Aufgrund der komplexen Schweiß vorgänge, die zur Erzielung richtig ausgerichteter Spleiße in der Polarisierungsebene notwendig sind, ist es nämlich bei solchen Fasern ratsam, die Anzahl der erforderlichen Schweißungen auf ein Minimum zu reduzieren.
Nach einer weiteren günstigen Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 9 gezeigt ist, kann der in ein einziges Substrat in der Anordnung 29 integrierte elektrooptische Modulator aus einem Phasenmodulator 38 bestehen. Dieser Frequenzmodulator wird mit einem Lichtwellenleiter 39 hergestellt, der als Verlängerung des Wellenleiters 19 im Kristall des Substrats 30 ausgebildet wird, und daneben verlaufen die Elektroden 40, 41, die mit dem HF-Generator 15 verbunden sind.
Nach bekannten Gesetzen der Optik modifizieren die an die Elektroden 40, 41 angelegten elektrischen Signale die Propagationseigenschaften des im Lichtwellenleiter 39 weitergeleiteten Lichts, was eine Phasenmodulation des sich im Wellenleiter selbst fortbewegenden Lichtsignals hervorruft.
Diese Modulation führt zu einer sich linear erhöhenden Phasenverschiebung zwischen den im Laser erzeugten Moden und verursacht deren Kopplung, wodurch die sehr kurzen Impulse entstehen.
Das akustooptische Filter kann sowohl in der getrennten Form als auch in der im elektrooptischen Modulator integrierten Form vorzugsweise einen zweiten TE-Durchleit-Polarisierer 24 aufweisen, der in Klammern in Fig. 3, 8, 9 gezeigt ist, der ein Hindurchlassen von nur dem erwünschten Polarisationszustand ermöglicht, wodurch mögliche Restkomponenten ausgeschlossen werden. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform kann, wenn die den Laserhohlraum bildenden Fasern den Polarisationszustand gut beibehalten können, der TE-Durchleit- Polarisierer weggelassen werden.
Zum Zweck der vorliegenden Erfindung kann der Optoisolator 8 und gegebenenfalls der Polarisationsselektor 11 im Laserhohlraum angeordnet sein. Auch der Pumplaser 5 und der entsprechende dichroitische Koppler 3 können in Verbindung mit dem einen oder dem anderen Ende der aktiven Faser 1 angeordnet sein, falls die Pumpenergie ohne wesentliche Dämpfungen in die aktive Faser selbst eingeleitet werden kann.
Zwar bezieht sich die vorliegende Beschreibung auf einen Faserlaser des Ringtyps, der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt, doch bezieht sich die Erfindung auch auf Laser eines anderen Aufbaus, wie zum Beispiel des als Beispiel in Fig. 10 gezeigten, bei dem der Laserhohlraum linear ist.
Bei dieser Ausführungsform ist eine aktive Faser 1 in einen durch einen hochreflektierenden Spiegel 42 und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler 43 abgegrenzten Laserhohlraum eingebaut. Der Pumplaser 5 wird über den Koppler 3 zugeschaltet, und die integrierte Modulations- und Abstimmanordnung 29, zusammen mit den relevanten HF-Generatoren 15, 17, wird in den durch die reflektierenden Elemente 42 und 43 definierten Laserhohlraum eingebaut.
Die Anordnung 29 kann nach der obigen Beschreibung durch einen elektrooptischen Modulator und ein akustooptisches Filter, die voneinander getrennt sind, ersetzt werden.
Außerdem ist es einem Fachmann ersichtlich, daß abstimmbare Filter mit einem anderen als dem beschriebenen Aufbau im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind, sowie mögliche unterschiedliche Modulatorkonfigurationen, vorausgesetzt der Modulator kann aktive modengekoppelte Impulse erzeugen, ohne daß dazu Elemente verwendet werden, die räumlich bewegt werden und deren eigene räumliche Anordnung und die Größe des Laserhohlraums, in dem sie sich befinden, sich zufällig verändert oder verändert werden kann.

Claims

1. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers mit den folgenden Schritten:

- Einspeisen von Licht-Pumpenergie (5) in ein Ende einer aktiven Faser (1), die zum Anregen einer fluoreszierenden Dotiersubstanz in der Faser zu einem Laser-Emissionszustand geeignet ist, von dem die Dotiersubstanz auf einen Grundzustand abfallen kann, wobei die Lichtemission ein Emissionssignal bildet;

- Resonieren des Emissionssignals in einem optischen Hohlraum mit einer Grundfrequenz, wobei der Hohlraum die aktive Faser, eine Auskoppeleinrichtung für das Emissionssignal aus der aktiven Faser, einen Modulator, der von außen getrieben wird und in Reihe mit der aktiven Faser (1) geschaltet ist, und ein abstimmbares Filter (16; 31), das von außen getrieben wird und in Reihe mit der aktiven Faser (1) geschaltet ist, aufweist;

- Auswählen einer Wellenlänge des resonierten Signals durch das Filter;

- Modulieren des resonierten Signals durch den elektrooptischen Modulator (14) mit einem externen HF-Signal (15) mit einer Frequenz, die ein Vielfaches der Grundfrequenz des optischen Hohlraums ist, damit so ein Modenkoppeln des resonierten Signals im Hohlraum verursacht wird;

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Auswählens einer Wellenlänge des resonierten Signals den Schritt des Filterns des resonierten Signals durch ein Filter aufweist, wobei das Filter (16; 31) keine gegeneinander beweglichen Teile aufweist und ein aus einem Stück bestehendes Filter auf einem Kristallsubstrat ist.

2. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Auswählens einer Wellenlänge aufweist, daß die Wellenlänge des resonierten Signals innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs während der Betriebszeit im wesentlichen konstant gehalten wird, wenn keine zum Steuern der HF-Frequenz betriebene Einrichtung vorhanden ist.

3. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge über einen Zeitraum von länger als 15 Minuten konstant ist.

4. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wellenlängenbereich kleiner oder gleich 0,1 nm ist.

5. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Modulierens aufweist, daß die Amplitude des resonierten Signals moduliert wird.

6. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Modulierens aufweist, daß die Phase des resonierten Signals moduliert wird.

7. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem Stück bestehende Filter (16; 31) ein akustooptisches Filter ist.

8. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem Stück bestehende Filter (16; 31) ein Filter ist, das einen als ein optischer Kanal ausgebildeten Wellenleiter (19) aufweist, der aus einem Lithiumniobatkristallsubstrat (18) gefertigt ist.

9. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lithiumniobatkristall eine x- Schnitt-Ausrichtung und eine y-Propagation aufweist.

10. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter den Schritt des Steuerns der Temperatur des Substrats aufweist.

11. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Modulierens und der Schritt des Auswählens durch eine auf einem einzigen Substrat (30) integrierte Vorrichtung (29) ausgeführt werden.

12. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Substrat aus einem Lithiumniobatkristall besteht und mindestens einen als ein optischer Kanal ausgebildeten Wellenleiter darin aufweist.

13. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lithiumniobatkristall eine x- Schnitt-Ausrichtung und eine y-Propagation aufweist.

14. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem den Schritt des Steuerns der Temperatur des einzelnen Substrats aufweist.

15. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlraum die Form eines Rings hat.

16. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Hohlraum eine lineare Konfiguration hat und optische Reflexionseinrichtungen (42, 43) an seinen entsprechenden Enden aufweist.

17. Verfahren zum stabilen Betrieb eines abstimmbaren aktiven modengekoppelten optischen Faser-Lasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fluoreszierende Dotiersubstanz in der aktiven Faser (1) Erbium ist.