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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft die Stabilisierung eines Lasers, insbesondere
eines Halbleiterdiodenlasers des Typs, der üblicherweise in der Optoelektronik eingesetzt
wird, hauptsächlich
als so genannte Pumplaser für
Faserverstärker
auf dem Gebiet der optischen Kommunikation, z. B. für Erbium-dotierte
Faserverstärker.
Derartige Laser sind so konstruiert, dass sie in einem bestimmten
Frequenzband eine schmalbandige optische Strahlung mit einer stabilen Ausgangsleistung
liefern. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine verbesserte Ausführung des
externen Resonators, welcher eine wesentlich verbesserte Stabilität im Vergleich
zu aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen aufweist.
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Hintergrund und Stand
der Technik
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Halbleiterlaser
des oben genannten Typs sind mittlerweile zum Beispiel wichtige
Bauteile in der optischen Kommunikationstechnologie, insbesondere,
da derartige Laser zur unmittelbaren Verstärkung optischer Signale durch
optische Mittel genutzt werden können.
Dies ermöglicht
die Konstruktion von rein faseroptischen Kommunikationssystemen,
wodurch eine komplizierte Umwandlung der zu übertragenden Signale vermieden
und somit die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit innerhalb derartiger
Systeme verbessert wird.
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Bei
einer Art von faseroptischen Kommunikationssystemen werden die Laser
zum Pumpen von Erbium-dotierten Faserverstärkern, so genannten EDFA, eingesetzt,
welche in verschiedenen, dem Fachmann bekannten Patenten und Veröffentlichungen
beschrieben wurden. Ein technisch bedeutsames Beispiel sind 980-nm-Laser
mit einer Ausgangsleistung von 150 mW oder mehr, deren Wellenlänge der
980-nm-Erbiumabsorptionslinie entspricht und somit eine rauscharme
Verstärkung
ermöglicht.
Es wurde erkannt, dass InGaAs-Laser diesen Zweck gut erfüllen, und
sie werden heute in beträchtlicher
Anzahl eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf
InGaAs-Laser begrenzt.
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Es
gibt noch andere Beispiele für
Laser mit anderen Wellenlängen
und aus anderen Materialien, auf welche die vorliegende Erfindung
anwendbar ist. Im Allgemeinen arbeiten die in Faserverstärkeranwendungen
eingesetzten Laserdioden-Pumpquellen für ein wirksames Einkoppeln
in Einmodenfasern in einem einzigen transversalen Mode und sind
hauptsächlich
Laser mit vielfachem Longitudinalmode, d. h. Fabry-Perot-Laser (oder
FP-Laser). Entsprechend den Absorptionswellenlängen von Erbium werden für Erbiumverstärker üblicherweise
drei Haupttypen eingesetzt: InGaAsP- und Vielfachquantentopf-InGaAs-Laser
bei 1480 nm; InGaAs-Laser mit verspannten Quantentöpfen bei
980 nm; und GaAIAs-Laser bei 820 nm.
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Eines
der bei Verwendung von Halbleiterlasern für den oben genannten Zweck
auftretenden Probleme besteht in der Instabilität ihrer Wellenlänge und
Ausgangsleistung, welche, obgleich gering, die Verstärkung dennoch
so stark beeinträchtigt,
dass nach einer Lösung
für dieses
Problem gesucht werden muss. Dieses Problem wurde bereits im US-Patent
5 563 732 von Erdogan et al. mit dem Titel "Laser Pumping of Erbium Amplifier" erwähnt, welches
die Stabilisierung eines Pumplasers des oben beschriebenen Typs
durch Verwendung eines Bragg-Gitters vor dem Laser beschreibt. Dieses
Gitter bildet mit dem Laser einen externen Resonator. Die Laserbandbreite
wird durch die Reflexion vom Gitter erweitert und stabilisiert.
Es wird angenommen, dass der Laserbetrieb im so genannten "Kohärenzkollaps" durch das Vorsehen
einer ausreichenden externen optischen Rückkopplung erreicht wird, in
diesem Fall von einem Faser-Bragg-Gitter innerhalb der optischen
Faser, in welche das Laserlicht üblicherweise eingekoppelt
wird. Dieses Gitter wird innerhalb des Bereichs des geführten Modes
der optischen Faser in einem bestimmten Abstand zum Laser gebildet.
Ein derartiges Faser-Bragg-Gitter ist eine periodische Struktur
von Schwankungen des Brechungsindex in oder in der Nähe des Abschnitts
des geführten
Modes der optischen Faser, wobei die Schwankungen Reflexionslicht
einer bestimmten Wellenlänge
sind, welches sich entlang der Faser ausbreitet. Die Spitzenreflektivitäten und
Reflexionsbandbreiten des Gitters bestimmen die in den Laser zurückgestrahlte Lichtmenge.
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Das
US-Patent 5 715 263 von Ventrudo et al. mit dem Titel "Fibre-grating-stabilized
Diode Laser" beschreibt
einen im Wesentlichen ähnlichen
Ansatz zur Bereitstellung eines stabilisierten Lasers, wobei eine
Ausführung
gezeigt wird, in welcher das Laserlicht durch Fokussierung durch
eine Faserlinse in die Faser eingekoppelt wird. Auch hier wird ein
Faser-Bragg-Gitter im Abschnitt des geführten Modes der Faser vorgesehen,
wodurch ein Teil des einfallendes Lichts durch die Linse zurück zum Laser
gestrahlt wird. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass
bei Positionierung eines Faser-Bragg-Gitters außerhalb der Kohärenzlänge des
Lasers und bei einer nicht zu weit von der Schwerpunktwellenlänge des
Bragg-Gitters entfernten Laserverstärkungsspitze davon ausgegangen
wird, dass der Laser im Kohärenzkollaps-Betrieb
gezwungen ist, innerhalb der optischen Bandbreite des Gitters zu
arbeiten und somit wellenlängenstabilisiert
ist. Zusätzlich
scheinen sich Niederfrequenz-Leistungsschwankungen durch die Wirkung
eines induzierten Hochfrequenz-Vielmodenbetriebs zu verringern.
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Im
Allgemeinen müssen
die oben beschriebenen Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik eine
Länge des
externen Resonators, d. h. der optischen Faser, von mindestens 0,5
bis 1 m aufweisen, um den Laserbetrieb im Kohärenzkollaps definitiv sicherzustellen.
Einige Vorrichtungen erfordern sogar optische Fasern mit einer Länge von
bis zu 2 m. Diese relativ lange Faser bestimmt die Größe der Laserquelle
und macht diese vergleichsweise sperrig.
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Das
US-Patent 5 721 636 von Erdogan et al. zeigt eine etwas andere Ausführung, wobei,
beruhend auf dem oben zitierten US-Patent 5 563 732 von Erdogan
die durch eine Mehrzahl von Pumplasern erreichten Ausgangsleistungen
gesammelt und durch Fasern in übliche
Führungsvorrichtungen
eingespeist werden. Es wird gezeigt, dass eine der Fasern von einem
Laser ein einzelnes Fasergitter enthält, welches einen externen
Resonator bildet, und es wird beschrieben, dass weitere Fasern ein ähnlich positioniertes
Gitter enthalten. Es wird jedoch keine Mehrzahl von Gittern oder
Resonatoren erwähnt,
die mit einem einzelnen Laser in Zusammenhang stehen oder mit dieser
verbunden sind oder in einer durch einen einzelnen Laser gespeisten
Führungsvorrichtung
positioniert sind.
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Einige
Halbleiterlasertypen, besonders Typen, die sich von den in den oben
genannten Patenten unterscheiden, z. B. Laser mit einer schmalen spektralen
Verstärkungsbreite,
weisen bei bestimmten Betriebsbedingungen Unstabilität bei, insbesondere
ein unerwünschtes
Umschalten vom Vielmodenin den Einmodenbetrieb innerhalb der Gitterbandbreite.
Dieses Modenumschalten (ein Kohährenzkollaps
findet in beiden Fällen
statt) führt
zu einer Schwankung der effektiven Laserausgangsleistung, welche
wiederum Rauschen erzeugt und dadurch den Verstärkungsprozess negativ beeinflusst
oder sogar stört.
Das Problem der Modenumschaltung wird noch verstärkt durch neue Generationen
von Halbleiterlaserdioden mit einer mindestens doppelt so hohen
Ausgangsleistung wie die Laser im Vetrudo- oder Erdogan-Patent sowie
durch den Wunsch der Industrie nach einer Wellenlängenstabilisierung für alle möglichen
Betriebsbedingungen eines Lasers.
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Zur
Korrektur von Schwankungen der Faserverstärkerausgangsleistung wurden
auch andere Verfahrensweisen vorgeschlagen, z. B. aktive Verfahren
zur Steuerung der Schwankungen der Faserverstärkerausgangsleistung durch
Rückführung eines
elektrischen Signals, welches eine Korrektur der Laserleistung bewirkt.
Eine weitere Lösung
ist eine von Heidemann et al. im US-Patent 5 297 154 mit dem Titel "Fiber-Optic Amplifier
with Feedback-Insensitve Pump Laser" beschriebene elektronische Zittersignalschaltung,
welche den Laser in den Vielmodenbetrieb zwingt. Die Erfordernis
aktiver Bauteile für
diese Lösungen
erhöht
jedoch die Komplexität und
die Kosten.
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Für einen
gänzlich
anderen Zweck beschreiben Fischer et al. in "High-dimensional Chaotic Dynamics of
an External Cavity Semiconductor Laser", Phys. Review Letters, Bd. 73, Nr.
16, Oktober 1994, S. 2188-2191, einen experimentellen Laseraufbau mit
einem externen T-förmigen
Resonator, welcher einen Strahlteiler und hochreflektierende Goldspiegel an
jedem der beiden Enden der beiden Resonatorarme umfasst. Obwohl
dieses Layout eine Anordnung mit zwei externen Resonatoren zeigt,
ist sie für
den Zweck der vorliegenden Erfindung vollkommen ungeeignet, da die
für die
Resonatorarme gewählten Längen und
die Reflektivitäten
der Austrittsfacette des Lasers sowie die oben erwähnten Goldspiegel gewählt werden,
um den Kohärenzkollaps
zu vermeiden – genau
im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Kohärenzkollaps
eine Voraussetzung ist.
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Ebenfalls
auf einem völlig
anderen Gebiet offenbaren Wang Xianghyang et al. in der Zeitschrift Optical
Fiber Technology: Materials, Devices and Systems, Bd. 3, Nr. 2,
S. 189-193, eine "Theoretical and
Experimental Study on the Fabrication of Double Fiber Bragg Gratings". Doppelgitter sind
an derselben Stelle innerhalb der Faser angeordnet, und dieses "gechirpte" Gitter soll das
Transmissionsspektrum der Faser erweitern. Auch diese Veröffentlichung spricht
an keiner Stelle das Problem an, welches durch die Erfindung gelöst werden
soll.
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Daher
ist es die Hauptaufgabe der Erfindung, ein einfaches und zuverlässiges Laserquellenlayout zu
erarbeiten, besonders für
Pumplaser in faseroptischen Kommunikationssystemen, welches bei
sämtlichen
Betriebsbedingungen eine stabile Ausgangsleistung liefert. Eine
spezielle Aufgabe ist die Vermeidung der nachteiligen Modenumschaltung
des Lasers, selbst für
eine Laserausgangsleistung von mehr als 150 mW, und somit die Erhöhung der
Stabilität
der Ausgangsleistung von Hochleistungslaserquellen. Die Stabilität der Ausgangsleistung
soll für eine
hohe optische Leistung mit reduziertem Niederfrequenzrauschen, Wellenlängenstabilität und hoher Nebenkeulenunterdrückung außerhalb
der Faser-Bragg-Gitter-Bandbreiten erreicht werden.
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Eine
weitere Aufgabe ist es, die größtmögliche Flexibilität für eine Auswahl
der Laserparameter ohne Stabilitätsprobleme
zu ermöglichen.
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Darüber hinaus
ist es eine Aufgabe, eine weitere Komplexität zu vermeiden und die Anzahl
zusätzlicher
Laserquellenbauteile in einem lasergepumpten optischen Verstärker auf
einem Mindestmaß zu
halten.
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Eine
besondere Aufgabe ist es, durch Verwendung eines wesentlich verkürzten externen
Resonatorbereichs eine stabilisierte Laserquelle von verringerter
Größe zu erzeugen.
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Die Erfindung
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Die
Erfindung ist in den Ansprüchen
1 und 12 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Kurz
zusammengefasst verwendet die vorliegende Erfindung zur Lösung der
oben erwähnten Probleme
kein einzelnes Gitter oder keinen einzelnen Resonator außerhalb
des Lasers, sondern eine Mehrzahl von auf geeignete Weise angeordneten Resonatoren.
Diese Resonatoren sind vorzugsweise in einer Reihe angeordnet, können jedoch
auch parallel angeordnet sein. Bei entsprechender Wahl der Längen der
Resonatoren, ihrer Reflektivitäten
und Spitzenwellenlängen
wird der Laser bei allen oder praktisch allen Betriebsbedingungen
in den Vielmodenbetrieb gezwungen.
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Während ein
einzelnes Gitter bekanntermaßen
als wellenlängenerweiterndes
und -stabilisierendes Element wirkt, wird davon ausgegangen, dass mehrere
Resonatoren gemäß der Erfindung
nur innerhalb der zusammengesetzten Bandbreite sämtlicher Gitter eine nützliche
Destabilisierung bewirken, welche hoch genug ist, um den Laser in
den Vielmodenbetrieb zu zwingen. In gewisser Weise kann dieses Phänomen als
ein "photonisches
Zittersignal" bezeichnet
werden, das ähnlich
wie ein elektronisches Zittersignal wirkt, jedoch ausschließlich durch
passive Bauteile erzeugt wird.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gesamtlänge der
externen Resonatoren auf eine Länge
reduziert werden kann, welche geringer ist als die Länge der
Ausführungen
gemäß dem Stand
der Technik. Dadurch lassen sich kleinere Laserquellen erreichen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
gemäß der Erfindung
weist einen ersten Reflektor vor einer Halbleiterlaserdiode auf,
wodurch ein erster Resonator gebildet wird, und in einem optimierten
Abstand einen zweiten Reflektor vor dem ersten Reflektor, wodurch
zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor innerhalb der optischen
Faser ein zweiter Resonator gebildet wird. Die Spitzenwellenlänge des
zweiten Reflektors kann so gewählt
werden, dass sie nahe an der des ersten Reflektors liegt, jedoch
nicht notwendigerweise mit dieser identisch ist. Außerdem kann
eine gewisse Verschiebung der Spitzenwellenlängen und/oder Bandbreiten der
beiden Reflektoren die Funktion verbessern. Des Weiteren kann jeder einzelne
Resonator oder können
beide Resonatoren kürzer
als die Kohärenzlänge der
Laserdiode sein.
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Vorzugsweise
wird die Phasenbeziehung zwischen den beiden Reflektoren so gewählt, dass die
resultierenden Wellen oder Felder – statistisch gesehen – praktisch
phasenverschoben sind.
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Es
kann jede für
den gewünschten
Zweck geeignete Art von Reflektoren verwendet werden; sie werden
vorzugsweise als Bragg-Gitter innerhalb der optischen Faser bereitgestellt,
wodurch ihre Fertigung vereinfacht und die Erfordernis zusätzlicher
Teile oder Bauteile vermieden wird.
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Ein
bevorzugtes Verfahren zur Bereitstellung der gewünschten Mehrzahl von Resonatoren
besteht darin, diese durch gleichzeitige Erzeugung der gewünschten
Bragg-Gitter innerhalb der optischen Faser zu bilden. Dadurch wird
der zusätzliche
Aufwand der Fertigung zusätzlicher
Resonatoren auf einem Mindestmaß gehalten,
und gleichzeitig werden enge Toleranzen des gewünschten Layouts ermöglicht.
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Detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben,
in welchen:
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1 das Layout einer ersten Ausführungsform
unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern zeigt;
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2 das Layout einer zweiten Ausführungsform
darstellt, wobei stattdessen andere Reflektoren verwendet werden;
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3 eine dritte Ausführungsform mit Resonatoren
an beiden Enden des Lasers zeigt;
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4 eine vierte Ausführungsform mit frontalen und
seitlichen Resonatoren ist;
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5 die grafische Darstellung der optischen
Bandbreite eines Lasers bei –20
dB vom Höchstwert
abwärts
ist, stabilisiert durch ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter gemäß dem Stand
der Technik;
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6 eine grafische Darstellung ist, welche die
Verbesserung bei erfindungsgemäßer Ausführung eines
zweiten Resonators zeigt (hier unter Verwendung eines zweiten Faser-Bragg-Gitters).
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1 zeigt das Grundlayout einer ersten ertindungsgemäßen Ausführungsform.
Ein Halbleiterdiodenlaser 1, hier ein InGaAs-Quantentopflaser,
erzeugt einen Laserlichtstrahl 3, welcher überwiegend von
der Laserfrontfacette 2 ausgesendet wird. Dieser Strahl
wird über
eine Faserlinse 4, welche den Strahl auf das Eintrittsende
der Faser 5 fokussiert, in eine geeignete optische Faser 5 eingekoppelt.
Innerhalb der optischen Faser 5 ist ein erstes Faser-Bragg-Gitter 6a in
einem Abstand L1 zum Laser 1 angeordnet. In einem Abstand
L2 zu diesem ersten Gitter 6a ist ein zweites Faser-Bragg-Gitter 6b angeordnet.
Der gesteuerte und nun – wie
oben beschrieben – inkohärente austretende
Lichtstrahl 7 verlässt
die optische Faser 5 und wird in einen Faserverstärker eingespeist,
z. B. einen hier nicht gezeigten Erbium-dotierten Faserverstärker.
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Der
Halbleiterlaser ist üblicherweise
ein Typ, der begrenztes Licht in einem einzelnen transversalen und
lateralen Mode aussendet, jedoch auf Grund des zwischen Front- und
Rückfacette
gebildeten Fabry-Perot-Resonators mehrere longitudinale Moden aufweist.
Wenn die Laserfacettenreflektivität einen so niedrigen Wert wie
10–5 aufweist,
erstreckt sich der Laserresonator in wesentlichem Maße in die
Faser hinein, wobei das Faser-Bragg-Gitter die Endfacette bestimmt.
In diesem Fall ist es wahrscheinlicher, dass der Laser in Kohärenz mit
dem Faser-Bragg-Gitter arbeitet. Somit ist zur Sicherstellung des
Kohärenzkollapses
eine höhere
Frontfacettenreflektivität
des Lasers, üblicherweise
in einer Größenordnung
von 4 %, erwünscht.
Andererseits wird bei einer zu hoch gewählten Reflektivität die optische Ausgangsleistung
verringert. Der Wirkungsgrad des vom Laser durch die Faserlinse
in die Faser eingekoppelten Lichts kann in der Produktion etwa 70
% und im Labor und/oder bei besonderen Laserausführungen nahezu 85 % betragen.
Der Wirkungsgrad der Rückstrahlung
vom Faser-Bragg-Gitter in den Laser ist daher gegeben durch den
Einkopplungswirkungsgrad zum Quadrat, multipliziert mit der Reflektivität des Bragg-Gitters. Üblicherweise
treten mehr als 90 % des Lichts durch das erste Bragg-Gitter hindurch,
während
der Rest zurück
in den Laser gestrahlt wird oder durch ein weiteres Faser-Bragg-Gitter
hindurchtritt, wobei ein Teil wieder zurückgestrahlt wird.
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Wenn
die Wellenlänge
des frei laufenden Lasers ohne Rückstrahlung,
die in etwa der Laserverstärkungsspitze
entspricht, zu weit von der Spitze des Faser-Bragg-Gitters entfernt
liegt, kann der Laser von der Kopplung an das Bragg-Gitter abfallen. Üblicherweise
kann ein als so genannter Fangbereich bezeichneter Wellenlängenbereich
von 20 nm an die Spitze des Bragg-Gitters gekoppelt werden. Die
Gitterbandbreite ist bestimmt durch die Erfordernis einer Trennung
der Pumpwellenlängenkanäle in EDFA
mit einer üblichen
Höchstgrenze
von 2 nm. Vom herstellerischen Standpunkt aus betrachtet können die
Halbwertsbandbreiten für
eine bestimmte Spitzenreflektivität zwischen 0,4 und 0,8 nm gewählt werden.
Ein Abstand von > 50
cm zwischen Laser und Gitter stellt den Kohärenzkollaps sicher, dieser Abstand
kann jedoch bei Verwendung mehrerer Gitter (Resonatoren) auch geringer
sein. Die bekannte Fertigung von Faser-Bragg-Gittern beruht auf
einer periodischen UV-Bestrahlung entlang eines Stücks der
optischen Faser, wie z. B. von Raman Kashyap in "Fiber Bragg Gratings", Academic Press, 1999, beschrieben.
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Die
Reflektivität
der mehreren Gitter ist eine Optimierung im Verhältnis zur Ausgangsleistung.
Die durch sämtliche
Gitter gegebene effektive oder zusammengesetzte Reflektivität kann im
gleichen Bereich liegen wie die Laserfacettenreflektivität. Eine Wellenlängenüberlappung
ist auch zur Bildung eines weiteren Resonators erforderlich. Ein
konkretes Beispiel mit zwei Gittern mit einer Reflektivität von jeweils
3 % (d. h. einer Reflektivität
von 2 × 3
%) und einer Bandbreite von 0,6 nm bei gleicher Spitzenwellenlänge führt zu ausgezeichneten
Ergebnissen. Die Funktion für
mehrere Resonatoren ist gegeben durch die Umlaufzeit, die der Teil
des zurückgestrahlten Lichts
bis zur Rückkehr
in den Laserresonator benötigt.
Es kann als "photonisches
Zittersignal" mit
Frequenzen betrachtet werden, die den Umlaufzeiten durch die verschiedenen
Resonatoren entsprechen. Ein praktisches Beispiel weist einen Laser-Gitter-Abstand
L1 von 1 m und einen Gitter-Gitter-Abstand L2 von 10 cm auf, was
Umlauffrequenzen von 100 MHz bzw. 1 GHz ergibt. Verzerrungen bei
unterschiedlichen Frequenzen, welche durch die Umlaufzeit (Länge) der
mehreren Resonatoren bestimmt sind, zwingen den Laser in den Vielmodenbetrieb.
Das Licht, welches das letzte Faser-Bragg-Gitter am Eintritt des Pfades
zum EDFA verlässt,
zeigt ein minimales Niederfrequenzrauschen, wobei üblicherweise
90 % des Lichts auf die durch das Gitter bestimmte Bandbreite begrenzt
sind. Durch Modenüberlagerung
tritt bei hohen Frequenzen ein gewisses Rauschen auf, welches jedoch
nicht zu Interferenzen mit den langsam reagierenden Ionen des nachfolgenden
Erbium-dotierten Verstärkers
führt.
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Ein
sich davon unterscheidendes Verfahren zur Rückstrahlung von durch Licht
verursachte Verzerrungen in den Laser besteht in unterschiedlichen Gitterwellenlängen, wobei
das erste Gitter als Originalgitter wirkt, welches die Pumpwellenlänge koppelt, und
das zweite Gitter mit einer niedrigeren Reflektivität als ein
Rausch erzeugendes Element wirkt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform,
im Wesentlichen eine Anordnung, bei welcher die Faser-Bragg-Gitter 6a und 6b von 1 durch die Reflektoren 16a und 16b ersetzt
wurden, welche z. B. eine Gruppe interterometrischer Filter sein
können. Diese
Gruppe von Filtern hat im Wesentlichen die gleiche Funktion wie
die Bragg-Gitter, mit ähnlichen Reflektions-
und Transmissionsmerkmalen. Sie können entweder diskrete Elemente
zwischen den Fasern sein (wie in 2 gezeigt)
oder unmittelbar auf der Faser abgelegt sein. Außerdem wurde die Faserlinse 4 durch
eine weitere Kollimationsvorrichtung ersetzt, hier ein Linsensystem 14.
Die optische Faser ist in drei Abschnitte 15a, 15b und 15c unterteilt.
Der Lichtstrahl 7 tritt aus dem letzten Abschnitt der optischen
Faser 15c aus, wie in 1 gezeigt.
Hinsichtlich der Abmessungen dieser zweiten Ausführungsform gelten die gleichen
Regeln und Berechnungen wie oben im Zusammenhang mit der Ausführungsform
von 1 beschrieben.
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Am
Laser 1 ist weder in 1 noch
in 2 ein hinterer Reflektor gezeigt,
dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass ein derartiger Reflektor oder Spiegel üblicherweise
vorgesehen ist.
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3 zeigt ein Layout mit Resonatoren sowohl
vor als auch hinter dem Laser. Während
die Resonatoren 5a und 5b im Wesentlichen auf ähnliche Weise
angeordnet sind wie bei der Ausführungsform in 1 gezeigt, tritt eine gewisse Lichtmenge
aus der Rückfacette 22 von
Laser 1 aus und tritt, vorzugsweise durch eine Faserlinse 24,
in die beiden durch ein Faser-Bragg-Gitter 26a und einen
hinteren Faserreflektor 26b gebildeten hinteren Resonatoren 25a und 25b ein.
Die Reflektivität
an der hinteren Laserfacette und/oder die zusammengesetzte Reflektivität sämtlicher
hinterer Gitter sollte mehr als 90 %, vorzugsweise 100 %, betragen,
um die Ausgangsleistung an der Frontfacette des Lasers zu maximieren. Hinsichtlich
der Abmessungen und Reflektivitäten dieser
dritten Ausführungsform
gelten wiederum die oben in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Regeln
und Berechnungen.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform
der Erfindung mit "parallelen" Resonatoren statt
einer Reihe von Resonatoren, hier ein "frontaler" Resonator 15a und ein "seitlicher" Resonator 33.
Diese Ausführungsform
wird gezeigt, um zu erklären,
wie die Funktionalität
der Erfindung durch eine quasiparallele Anordnung der Rückkopplungsresonatoren
statt deren Anordnung in einer Reihe erreicht werden kann. Ein Strahlteiler/-kombinierer 31 teilt
den Laserstrahl, wobei üblicherweise
mehr als 90 % des Laserlichts zum Verlassen des Systems in die Faser 15c ausgekoppelt
werden, während
ein bestimmter Teil in die als erster Resonator wirkende Faser 15a reflektiert
wird. Ein kleinerer Teil des Laserlichts wird in den Resonator 33 abgelenkt
und dort zurück
zum Spiegel 34 gestrahlt. Dieser Spiegel 34 weist
im Idealfall eine Reflektivität
von 100 % auf, ebenso wie der hintere Laserreflektor 32.
Die Umlauffrequenz wird wiederum durch die Resonatorlängen bestimmt,
welche als die notwendigen Verzerrungselemente wirken, die den Laser 1 in
den Vielmodenbetrieb zwingen.
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Das
in 4 gezeigte Layout kann, ähnlich wie
das Layout von 2 mit zwei Resonatoren, durch
Hinzufügen
eines weiteren Resonators auf der rechten Seite des Strahlteilers/-kombinierers 31 modifiziert
werden. Bei einer weiteren Modifikation des Layouts von 4 könnten
ein oder mehrere hintere Resonatoren hinzugefügt werden, ähnlich wie bei dem in 3 gezeigten Layout. Zusammenfassend lässt sich
sagen, dass es auf der Grundlage dieser Erläuterungen und ohne Abweichung
vom Geist und Umfang der Erfindung für den Fachmann relativ leicht sein
sollte, die gezeigten Ausführungen
zu kombinieren oder Teile einer Ausführung einer anderen hinzuzufügen und
die Abmessungen gemäß den besonders
im Zusammenhang mit 1 gegebenen Erläuterungen
zu bestimmen.
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5 zeigt in grafischer Form die Ausgangsleistung
eines aus dem Stand der Technik bekannten Lasers, wobei die Bandbreitenstabilisierung
durch ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter erreicht werden soll. Die
senkrechte Achse ist die optische Bandbreite des Lasers bei –20 dB vom
Höchstwert
abwärts; die
waagerechte Achse ist der Laserstrom. Die Grafik zeigt deutlich
die Schwankungen durch das Umschalten des Lasers von der Vielmodenbandbreite (a)
zum/zur schmalbandigen einmodigen (b) Betrieb oder Bandbreite, während der
Antriebsstrom des Lasers erhöht
wird. Anders ausgedrückt
verdeutlicht die dargestellte Kurve genau das Problem, das durch
die vorliegende Erfindung gelöst
werden soll.
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6 schließlich verdeutlicht in einer
der 5 ähnlichen Grafik den durch die
vorliegende Erfindung erreichten Fortschritt. Die senkrechte Achse stellt
wiederum die optische Bandbreite des Lasers bei –20 dB vom Höchstwert
abwärts
dar; die waagerechte Achse ist der Strom einer Laserquelle gemäß der Erfindung.
Durch Verwendung eines durch ein zweites Gitter oder durch ein anderes
Reflektorsystem gebildeten zusätzlichen
Resonators, z. B. wie im Zusammenhang mit 1 detailliert
beschrieben, arbeitet die Laserquelle ausschließlich im Vielmodenbetrieb.
Es treten keine Schwankungen durch Umschalten auf, die wesentliche
Verbesserung ist deutlich erkennbar.