ITMI930325A1

ITMI930325A1 - Generatore laser a fibra ottica a concatenamento modale attivo

Info

Publication number: ITMI930325A1
Application number: IT000325A
Authority: IT
Inventors: Sergio Bosso; Flavio Fontana
Original assignee: Pirelli Cavi S P A Ora Pirelli Cavi E Sistemi S P
Priority date: 1993-02-19
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1994-08-19
Also published as: CA2114089A1; JPH06302881A; CA2114089C; ES2131597T3; US5381426A; ITMI930325A0; IT1263613B; EP0612126B1; DE69417611D1; DE69417611T2; EP0612126A1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione dal titolo:

"Generatore laser a fibra ottica a concatenamento modale attivo",

D E S C R I Z I O N E

In molte circostanze nel campo delle telecomunicazioni ? desiderabile ottenere emissioni laser ad impulsi, di durata particolarmente limitata.

Impulsi di tale genere, con durata dt < 100 ps, detti impulsi ultracorti o "solitoni" {in condizioni di propagazione guidata), trovano applicazione in particolare per telecomunicazioni digitali ad alta velocit? (fino a 10 GBit/s) ed inoltre per la realizzazione di strumentazione ottica, per prove su componenti semiconduttori, ed anche per misure a distanza, ad esempio per topografia o per radar atmosferici.

A tale scopo sono noti generatori laser di impulsi "a concatenamento modale" (pi? comunemente definiti nel campo con la dizione inglese "mode locking"); per concatenamento modale, o "mode-locking", si intende un processo per cui, in un laser, diversi modi oscillano con relazione mutua di fase costante, per effetto di un elemento a comportamento non lineare presente nella cavit? laser.

Sono noti generatori laser a concatenamento modale di tipo passivo, che comprendono dispositivi laser a fibra ottica, facenti uso di fibre ottiche drogate con erbio, (per esempio laser a figura di 8) in cui un anello di fibra, contenente un amplificatore ottico, agisce come un assorbitore saturabile, per'esempio alla lunghezza d'onda di 1,5 uni; in tali laser si generano impulsi con frequenza dipendente dalla dimensione dell'anello laser.

Dispositivi di tal genere sono ad esempio descritti in ELECTRONICS LETTERS, voi. 27. No. 6, 14 Marzo 1991. pagg. 542-543. da D. J. Richardson, R. I. Laming, D. N. Payne, V. Matsas, M. W. Phillips, in ELECTRONICS LETTERS, voi. 27, No. 9. 25 Aprile 1991. pagg. 730-732, dagli stessi autori, in ELECTRONICS LETTERS, voi. 27, No. 6, 14 Marzo 1991. Pagg. 544-545, da I. N. Duling ed in ELECTRONICS LETTERS, voi.

27, No. 3. 31 Gennaio 1991. pagg. 229-230, G. J. Cowle e D. N. Payne.

Sono inoltre noti dispositivi laser a fibra ottica in cui un dispositivo modulatore attivo, di tipo elettro-ottico, viene inserito in un percorso ottico formante una cavit? laser, in modo da forzare il laser a generare impulsi a concatenamento modale con frequenza desiderata.

Tali dispositivi sono detti a concatenamento modale attivo, poich? il dispositivo modulatore in essi presente, azionato dall'esterno, agisce sui modi che si generano nel laser, consentendo la amplificazione fino al livello che sostenta l'emissione laser ai soli modi selezionati dalla modulazione applicata.

Dispositivi del tipo indicato sono ad esempio descritti in OPTICS LETTERS, voi. 14, No. 22, 15 Novembre 1989. pagg. 1269-1271. da J.D. Kafka, T. Baer e D.W. Hall, in ELECTRONICS LETTERS, voi. 26, No. 3, 1 Febbraio 1990, pagg. 216-217. da A. Takada e H. Miyazawa, ed in PROCEEDINGS 0F II TOPICAL MEETING 0N OPTICAL AMPLIFIERS, Optical Society of America, 1991. Snowmass Village, Colorado, USA, pagg.

116-119, da T. Pfeiffer e H. Schmuck (SEL Alcatei Research Centre). Fondamenti teorici del concatenamento modale, sia di tipo attivo, sia di tipo passivo, sono illustrati, ad esempio, in WAVES AND FIELDS IN OPTOELECTRONICS, (Onde e campi in optoelettronica), di Herman A, Haus, edito nel 1984 da Prentice-Hall, Ine., Englewood Cliffs, New Jersey, alle pagine 254-290.

I generatori a concatenamento modale passivo, il cui funzionamento prescinde da una modulazione di eccitazione, presentano la caratteristica di avere una frequenza di emissione degli impulsi solitonici che dipende strettamente dalle caratteristiche fisiche del generatore, in particolare dalle dimensioni dell'anello di fibra che costituisce il sistema laser, in cui viaggia un solo impulso per ciascuna riflessione.

Nei generatori a concatenamento modale attivo, invece, la frequenza di emissione degli impulsi dipende dalla frequenza di eccitazione di un modulatore e consente di avere un gran numero di impulsi concatenati viaggianti contemporaneamente nell'anello e quindi una frequenza di emissione degli impulsi stessi preselezionabile e ben pi? elevata che nei dispositivi di tipo passivo, per esempio dell'ordine dei GHz.

In aggiunta a ci?, i generatori laser a concatenamento modale possono essere dotati di un filtro atto a consentire la selezione della lunghezza d'onda di emissione degli impulsi emessi, entro una certa banda di frequenze, ad esempio nella banda 1530-1560 nm, comunemente usata nelle telecomunicazioni, sia per alimentare diverse sorgenti sulla stessa fibra, sia per adattarsi alle caratteristiche di dispersione cromatica della fibra della linea collegata.

T. Pfeiffer e H. Schmuck (SEL Alcatei Research Centre), nella pubblicazione sopra indicata, hanno descritto un laser ad anello del tipo suddetto, comprendente una fibra attiva drogata con erbio, un laser di pompa alimentante la fibra attiva, un isolatore ottico, un modulatore elettro-ottico di ampiezza in LiNbO , in cui ? stato usato un filtro di sintonizzazione Fabry-Perot per la selezione della lunghezza d'onda di emissione.

Il laser descritto, tuttavia, seppure funzionante nelle condizioni sperimentali descritte, ? estremamente critico per quanto riguarda la stabilit? di funzionamento, essendo soggetto ad alterazioni dovute sia alle escursioni termiche, sia a vibrazioni e simili dell'apparato.

Tale criticit? richiede pertanto una struttura particolarmente complessa dal punto di vista meccanico per ottenere risultati soddisfacenti, cos? da non risultare adatta per impieghi pratici, diversi dalla semplice sperimentazione di laboratorio.

Secondo l'invenzione si ? scoperto che un laser in fibra, facente uso di una fibra ottica attiva drogata con erbio, con concatenamento modale attivo, sintonizzabile in lunghezza d'onda, pu? avere una elevata stabilit? di funzionamento e resistenza alle perturbazioni meccaniche, se esso ? realizzato in assenza di dispositivi di regolazione a movimentazione spaziale.

In particolare si ? trovato che un sistema laser a concatenamento modale attivo, in cui il filtro di sintonizzazione della lunghezza d'onda di emissione ? realizzato in ottica planare, consente di operare con elevata stabilit? di emissione anche in assenza di specifiche strutture di supporto e stabilizzazione meccanica.

E' oggetto della presente invenzione un generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, comprendente:

una fibra attiva drogata con un drogante fluorescente;

mezzi di alimentazione di energia luminosa di pompaggio ad un estremo della fibra attiva, atta ad eccitare ad uno stato di emissione laser il drogante fluorescente, da cui detto drogante pu? decadere ad uno stato di base, con emissione luminosa ad una lunghezza d'onda prefissata, costituente un segnale di emissione; un modulatore elettro-ottico pilotabile dall'esterno, collegato in serie a detta fibra attiva;

un filtro di selezione di lunghezza d'onda, pilotabile dall'esterno, collegato in serie a detta fibra attiva;

mezzi di estrazione di detto segnale di emissione da detta fibra attiva;

mezzi di delimitazione di una cavit? laser, includente la fibra attiva, i mezzi di alimentazione di energia di pompaggio, il modulatore, il filtro ed i mezzi di estrazione,

in cui il modulatore pilotabile ? atto a generare una modulazione del segnale di emissione generato dalla fibra attiva, tale da causare un concatenamento modale del segnale di emissione oscillante nella cavit?,

caratterizzato dal fatto che detto filtro di selezione di lunghezza d?onda ? costituito da un filtro monolitico a guida d?onda ottica in un substrato cristallino, in assenza di componenti soggetti a modificazioni di configurazione spaziale.

Preferibilmente detto drogante fluorescente della fibra attiva ? erbio.

In particolare, i mezzi di alimentazione di energia di pompaggio comprendono un accoppiatore dicroico collegato ad un estremo della fibra attiva e ad un laser di pompaggio a lunghezza d'onda prefissata.

In una particolare forma di realizzazione il modulatore elettro-ottico pilotabile ? un modulatore di intensit? Mach-Zender, a guida d'onda ottica a canale, associato ad un generatore elettronico a frequenza preselezionabile.

In una forma alternativa di realizzazione il modulatore elettro-ottico pilotabile ? un modulatore di fase, a guida d'onda ottica a canale, associato ad un generatore elettronico a frequenza preselezionabile.

In particolare il filtro di selezione di lunghezza d'onda ? un filtro acusto-ottico e, pi? in particolare, il filtro acusto-ottico ? un filtro a guida d'onda ottica a canale in niobato di litio a substrato cristallino in niobato di litio.

In una forma preferita di realizzazione il modulatore ed il filtro sono formati su un unico substrato cristallino comune.

Pi? in particolare, il substrato comune del modulatore e del filtro ? costituito da un cristallo in niobato di litio, comprendente almeno una guida d'onda ottica a canale.

In una particolare forma di realizzazione il modulatore ed il filtro sono formati su un unico substrato cristallino comune ed il modulatore pilotabile ? un modulatore di intensit? Mach-Zender; in alternativa il modulatore pilotabile ? un modulatore di fase.

Preferibilmente, il substrato del filtro a guida d'onda ottica ? un cristallo di niobato di litio con orientamento x-cut e propagazione y.

Preferibilmente il substrato comune del filtro acusto-ottico e del modulatore elettro-ottico ? un cristallo di niobato di litio con orientamento x-cut e propagazione y.

In una forma preferita di realizzazione il filtro monolitico a guida d'onda ottica comprende mezzi di controllo e regolazione di temperatura, rigidamente collegati al substrato cristallino; in particolare i mezzi di controllo e regolazione di temperatura comprendono una cella di Peltier.

In particolare, il filtro acusto-ottico, sia in forma indipendente, sia in combinazione con il modulatore elettro-ottico, comprende una guida d'onda acustica parallela e sovrapposta alla guida d'onda ottica, di predeterminata lunghezza, ad uno dei cui estremi ? presente un trasduttore unidirezionale atto a generare un'onda acustica, in presenza di mezzi di polarizzazione di un segnale ottico guidato entro la guida d'onda ottica.

In una forma di realizzazione la cavit? laser ? configurata ad anello e preferibilmente include almeno un isolatore ottico.

In una forma alternativa di realizzazione, la cavit? laser ? configurata linearmente e comprende mezzi di riflessione ottica alle rispettive estremit?.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione, con riferimento alle figure allegate, in cui si mostra: in figura 1 uno schema generale di un dispositivo laser a concatenamento modale attivo;

in figura 2 uno schema di un dispositivo laser a concatenamento modale attivo secondo 1'invenzione;

in figura 3 una vista in pianta di un filtro in ottica planare, adatto all'applicazione in un laser secondo l'invenzione; in figura 4 uno schema prospettico del filtro in ottica planare di figura 3;

in figura 5 un diagramma rappresentante la figura di autocorrelazione del laser secondo l'invenzione ad una lunghezza d'onda selezionata;

in figura 6 lo spettro di emissione alla lunghezza d'onda del diagramma di figura 5;

in figura 7 uno schema del dispositivo laser secondo l'invenzione in una forma alternativa di realizzazione;

In figura 8 la vista in pianta di un elemento integrato comprendente un filtro ed un modulatore di ampiezza per il laser di figura 7:

in figura 9 la vista in pianta di un elemento integrato comprendente un filtro ed un modulatore di fase per il laser di figura 7;

in figura 10 uno schema del dispositivo laser secondo l'invenzione in una ulteriore forma alternativa di realizzazione.

Un laser a concatenamento modale attivo in fibra ottica ? in generale realizzato secondo lo schema di figura 1.

Tale laser comprende una fibra attiva 1, drogata con una sostanza fluorescente, ad esempio con erbio, collegata ad una estremit? alla fibra di uscita 2 di un accoppiatore dicroico 3. avente una prima fibra in ingresso 4 collegata ad un laser di pompa 5. ed una seconda fibra in ingresso 6, collegata ad un anello in fibra ottica 7? in cui sono inseriti un isolatore ottico 8 ed un accoppiatore direzionale 9. attraverso la cui fibra uscente 10 ? emesso il segnale generato; un controllore di polarizzazione 11 consente di compensare le caratteristiche proprie di polarizzazione delle varie fibre formanti l'anello, o, pi? in generale, la cavit? laser.

Il laser cos? costituito opera mediante l'alimentazione di energia luminosa di pompaggio alla fibra attiva, ad una lunghezza d'onda atta ad eccitare ad uno stato di emissione laser il drogante fluorescente contenuto nella fibra attiva; da tale stato di emissione laser detto drogante pu? decadere ad uno stato di base, con emissione di un segnale luminoso ad una lunghezza d'onda prefissata, sia spontaneamente, sia a seguito del passaggio attraverso la fibra di un segnale luminoso avente la stessa lunghezza d'onda.

Tale segnale luminoso ? soggetto a percorrere un elevato numero di volte la fibra attiva, grazie alla configurazione della cavit? laser e ne ? quindi pi? volte amplificato fino ad un livello sufficiente a superare le perdite, generando quindi un segnale laser, o segnale di emissione, che pu? venire estratto.

Un modulatore elettro-ottico di ampiezza o di fase 12 ? inoltre inserito nell'anello in fibra e consente di realizzare il funzionamento del laser a concatenamento modale attivo, grazie ad un pilotaggio elettrico esterno di adatta frequenza, attraverso un generatore di onde sinusoidali o quadre a radiofrequenza, non rappresentato.

Ai fini della presente descrizione, per radiofrequenza si intende una frequenza da 100 MHz a 2-3 GHz, o frequenze superiori.

Il laser pu? inoltre essere sintonizzato nella lunghezza d'onda di emissione attraverso un filtro 13?

Tale filtro nella tecnica nota ? costituito tipicamente da un filtro di tipo Fabry-Perot, sostanzialmente costituito da una coppia di lenti ad indice variabile, collegate agli estremi di due fibre ottiche, aventi due rispettive facce parallele ed affacciate, dotate di rivestimenti riflettenti; la distanza tra le due facce, tra le quali il segnale ? sottoposto a molteplici riflessioni, generando interferenza costruttiva ad una lunghezza d'onda dipendente dalla distanza stessa, pu? essere regolata attraverso mezzi comandabill, come ad esempio elementi piezoelettrici, consentendo la selezione della lunghezza d'onda desiderata.

In un filtro Fabry-Perot, tuttavia, il valore della distanza tra le facce riflettenti e la sua costanza nel tempo ? estremamente critico, essendo soggetto ad alterazioni dovute sia alle escursioni termiche, sia a vibrazioni e simili dell'apparato.

Tale criticit?, sostanzialmente legata alla mancata conservazione della posizione relativa dei componenti del filtro, si riflette nel funzionamento complessivo del laser, poich? le perturbazioni esterne modificano sia la dimensione dell'anello sia le caratteristiche del filtro.

Ci? comporta, quindi, che per mantenere il concatenamento modale nel laser sia necessario periodicamente controllare e regolare la frequenza di eccitazione del modulatore e che inoltre la lunghezza d'onda emessa non sia costante nel tempo.

A titolo di esempio, un laser del tipo suddetto, realizzato in laboratorio con un filtro Fabry-Perot, per mantenere il funzionamento con concatenamento modale ha richiesto regolazioni della frequenza di pilotaggio del modulatore elettro-ottico ogni 15 minuti, con variazioni di 3?4 KHz della frequenza di modulazione.

Le condizioni di funzionamento in laboratorio, peraltro, sono molto pi? costanti e controllabili di quelle che ci si potrebbe attendere nella pratica industriale, cos? che il laser stesso cos? costruito non risulterebbe adatto per impieghi pratici, diversi dalla semplice sperimentazione.

Al fine di garantire una sufficiente affidabilit? pratica ad un dispositivo di tal genere, in particolare per il suo pratico impiego al di fuori dell'ambiente controllato di laboratorio, si richiede quindi di predisporre efficaci mezzi di isolamento e controllo termico, di difficile realizzazione, raffinati sistemi di supporto ed isolamento dalle perturbazioni di tipo meccanico, dispositivi ottici di controllo della distanza tra le superfici riflettenti del filtro e simili dispositivi.

Un laser a concatenamento modale secondo l?invenzione, adatto ad offrire l?affidabilit? richiesta per il suo impiego pratico, ? stato realizzato con la configurazione mostrata in figura 2, in cui i componenti gi? descritti nella struttura generale di figura 1 sono individuati con gli stessi riferimenti numerici.

Il laser comprende una fibra attiva 1, drogata con erbio, collegata ad un accoppiatore dicroico 3. alimentato da un laser di pompa 5. operante a 980 nm di lunghezza d'onda; l'estremit? della fibra attiva 1 opposta all'accoppiatore dicroico 3 si collega, attraverso un isolatore ottico 8, che consente la propagazione unidirezionale nell'anello, all'accoppiatore direzionale 9. dalla cui fibra uscente 10 ? estratto il segnale emesso; un elemento di controllo di polarizzazione 11 ? inoltre previsto.

Il concatenamento modale ? ottenuto attraverso un modulatore di ampiezza 14, di tipo ad interferometro di Mach-Zender, collegato ad un generatore elettronico di impulsi a radiofrequenza 15?

La lunghezza d'onda di emissione ? regolata attraverso un filtro acusto-ottico 16, collegato a sua volta ad un generatore a radiofrequenza 17?

Nella configurazione realizzata la fibra ottica 10, in uscita dall'accoppiatore direzionale 9? ? stata collegata ad una apparecchiatura ricevente R, attraverso la quale sono state analizzati i segnali in emissione del laser.

La lunghezza complessiva dell'anello era di circa 20 m.

Le caratteristiche della fibra attiva 1 adottata sono le seguenti:

L'accoppiatore dicroico 4 ? un accoppiatore a fibre fuse, formato con due fibre monomodali a 980 e 1536 nm di lunghezza d'onda, con variazione di potenza ottica in uscita in funzione della polarizzazione < 0,2 dB.

Accoppiatori dicroici del tipo indicato sono noti e sono prodotti, ad esempio, da Gould ine., Fibre Optic Division, Baymeadow Drive, Glem Burnie, M.D. (USA), e da Sifam Ltd., Fibre Optic Division, Woodland Road Torquay Devon, (GB).

Il laser di pompa 6 ? un laser di tipo noto come "Strained Quantum Well", con le seguenti caratteristiche:

Laser del tipo indicato sono prodotti, ad esempio, da:

David Sarnoff Research Center, Washington Rd, Princeton, N.J. (USA).

L'accoppiatore direzionale 9 ? un dispositivo atto a ripartire un segnale ottico presente ad uno dei suoi ingressi in proporzioni prefissate alle sue uscite.

L'accoppiatore direzionale 9 ? un accoppiatore con rapporto di divisione 50/50 di tipo commerciale, ad esempio il modello 1550 POH 50/50 2x2 prodotto dalla gi? citata Gould ine.

Le fibre ottiche di interconnessione dei vari componenti descritti sono fibre ottiche monomodali di tipo 8/125 (dove 8 rappresenta il diametro del nucleo (core), e 125 rappresenta il diametro del mantello (cladding) della fibra, espressi in pm), con nucleo (core) drogato con Germanio, con apertura numerica NA = 0,13?

L'elemento di controllo di polarizzazione 11 ? costituito da pi? bobine di fibra ottica, disposte in successione, supportate in modo orientabile rispetto ad un asse di allineamento comune per realizzare la regolazione desiderata.

Dispositivi del tipo indicato sono posti in commercio da GEC MARCONI MATERIALS TECHNOLOGY Ltd, Caswell, Towcester Northants NN12 8EQ (Gran Bretagna).

L'isolatore ottico 8 ? un isolatore ottico di tipo a controllo di polarizzazione, di tipo indipendente dalla polarizzazione del segnale di trasmissione, con isolamento maggiore di 35 dB e riflettivit? inferiore a -50 dB.

L'isolatore usato ? il modello MDL 1-15 PIPT-A S/N 1016 della societ? ISOWAVE, 64 Harding Avenue, Dover, New Jersey, USA.

L'apparecchiatura ricevente R ? costituita da un autocorrelatore non co-lineare, modello FR-1 3KR prodotto dalla FEMTO-CHROME INC., USA.

La banda di emissione ? stata inoltre misurata attraverso un analizzatore ottico di spettro; l'apparecchio usato ? il modello TQ8346 prodotto da AVANTEST, 300 Knightsbridge Parkway, Lincolnshire IL 6??69 Illinois. USA.

Il modulatore di intensit? ? un modulatore ad interferometro di Mach Zender a guida d'onda a canale in niobato di litio (LiNbO3), ad elettrodo ad onda viaggiante, di tipo commerciale; il modello usato ? prodotto dalla Richiedente e posto in commercio con la sigla PIRMZM 15 3 00.

Il filtro acusto-ottico 16 ? rappresentato in dettaglio nelle figure 3, 4.

Come appare dalle figure, il filtro 16 ? costituito da un substrato 18 costituito da un cristallo di LiNbO x-cut, su cui ? realizzata una guida d'onda ottica a canale 19 con orientamento di propagazione y, monomodale nella banda di lunghezza d'onda di emissione, mediante diffusione di titanio, grazie al quale ? localmente incrementato l'indice di rifrazione del niobato di litio di substrato in modo da confinare il segnale ottico nel percorso richiesto.

Lungo la guida d'onda ottica 19 ? presente una coppia di trasduttori acusto-ottici 20, costituiti da piastrine metalliche aventi pi? elettrodi a pettine 21 intercalati tra loro e sovrapposti alla guida d'onda, atti a generare per effetto piezoelettrico, a seguito di una eccitazione elettrica applicata ad essi, un'onda sonora propagante nel cristallo.

Ai lati della guida d'onda ottica 19 ? definita una guida d'onda acustica 22, delimitata da due zone laterali 23 in cui ? diffuso titanio nel substrato di niobato di litio, in modo da aumentare la velocit? di propagazione di un'onda sonora in tali zone laterali rispetto alla zona centrale 22, cos? da guidare l'onda sonora in tale zona centrale.

Un polarizzatore 24, di tipo TE passante, ? presente a monte degli elettrodi 21, mentre un polarizzatore 25, di tipo TM passante, ? presente a valle degli elettrodi 21 stessi.

Il polarizzatore TE passante 24 ? costituito da uno strato di dielettrico, come ossido di silicio, applicato sopra la guida d'onda ottica 19 in spessore prefissato, sovrastato da uno strato metallico; tale polarizzatore consente il passaggio della componente del segnale luminoso polarizzata nel piano della superficie del cristallo di LiNbO .

3

Il polarizzatore TM passante 25 ? a sua volta costituito da due zone di scambio protonico realizzate lateralmente alla guida d'onda, per qualche millimetro di lunghezza; tale polarizzatore consente il passaggio della componente del segnale luminoso polarizzata nel piano ortogonale alla superficie del cristallo di LiNbO^.

Ad una distanza prefissata dal polarizzatore TM passante 25, da parte opposta rispetto agli elettrodi 21, ? presente un assorbitore acustico 26, costituito da uno strato di materiale fonoassorbente applicato sulla superficie del cristallo, atto ad assorbire l'onda acustica e ad impedirne quindi l'ulteriore interazione con l'onda luminosa.

Come schematicamente rappresentato in figura 4, agli estremi della guida d'onda 19 sono collegate le fibre di interconnessione 27, mediante le quali il filtro si collega ai restanti componenti del laser.

Il generatore a radiofrequenza 15. pilotante il modulatore di intensit?, aveva frequenza selezionabile tra 100 MHz e 2,4 GHz, in relazione alla frequenza di emissione desiderata degli impulsi ottici generati dal laser {pari alla frequenza del generatore 15) ed alle caratteristiche della cavit? laser, la quale possiede una frequenza propria fondamentale (di transito) di cui la frequenza di eccitazione deve essere multipla; la frequenza usata nell'esperimento descritto era intorno ai 635 MHz.

Il generatore a radiofrequenza 17 pilotante il filtro acusto-ottico, a sua volta, aveva frequenza selezionabile tra 170 MHz e 180 MHz, per la selezione della lunghezza d'onda degli impulsi ottici del laser nel campo desiderato (1530 < 1 < 1560).

Preferibilmente il modulatore di intensit? ? impiegato con frequenze superiori a 300 MHz, sia per avere impulsi con le migliori caratteristiche, particolarmente in termini di brevit? e costanza degli impulsi stessi, sia in vista delle applicazioni desiderate, in particolare per le telecomunicazioni ad alta velocit?.

Il filtro acusto-ottico era dotato di un dispositivo di controllo e regolazione termica 28, che non ? stato attivato durante l'esperimento, e l'intero complesso laser ? stato provato a temperatura ambiente.

Il laser con la struttura descritta ? stato azionato in laboratorio ed ha mostrato un funzionamento stabile, con emissione di impulsi ad intervalli regolari per tutte le lunghezze d'onda nel campo di lunghezze d'onda selezionato {tra 1530 e 1560 ni), richiedendo, dopo 8 ore di funzionamento continuo, una regolazione della frequenza di emissione del generatore a radiofrequenza 15 inferiore a 1 KHz, al solo scopo di ottimizzare il profilo degli impulsi emessi; le lunghezze d'onda di emissione provate sono risultate stabili entro 0,1 nm, corrispondente alla risoluzione dell'analizzatore di spettro.

Sebbene non espressamente registrata si ritiene che la temperatura nell'ambiente in cui il laser ? stato provato abbia avuto oscillazioni nell'ambito di ? 2?C rispetto ad un valor medio di 21? nel corso dell'esperimento, mentre non sono state prese particolari cautele per eliminare o limitare le perturbazioni meccaniche.

Una figura di autocorrelazione per un impulso ed il relativo spettro, per una delle lunghezze d'onda selezionate sono rispettivamente rappresentati nelle figure 5. 6.

La seguente tabella 1 riporta, a titolo puramente esemplificativo, alcune delle lunghezze d'onda di emissione selezionate e le relative frequenze di pilotaggio del modulatore elettro-ottico e del filtro acusto-ottico.

E' chiaro al tecnico che le frequenze indicate corrispondono alla struttura dell'esperimento descritto e che strutture diverse del complesso e dei relativi componenti richiedono diverse frequenze per ottenere analoghi risultati.

Come appare evidente da quanto precede, il laser dell'esperimento ha dato risultati di gran lunga superiori, in termini di affidabilit? e costanza di prestazioni, rispetto a quanto fino ad ora noto; al fine di accrescere ulteriormente la stabilit? operativa del laser, particolarmente in vista di un impiego in ambienti sottoposti a sensibili oscillazioni termiche, pu? essere conveniente attivare il dispositivo di termoregolazione 28 applicato al filtro acusto-ottico, comprendente una cella di Peltier, un sensore termico ed un relativo circuito di regolazione, mediante il quale la temperatura del filtro pu? essere mantenuta costante con grande precisione anche in presenza di sensibili escursioni termiche ambientali.

Si osserva anche che la struttura monolitica e le ridotte dimensioni del filtro, la cui lunghezza complessiva non supera qualche centimetro ed il cui spessore e larghezza sono dell'ordine di qualche millimetro, consentono di controllare in modo molto agevole la sua temperatura, sia mediante un isolamento termico, sia mediante il dispositivo di termoregolazione.

L'elemento di controllo di polarizzazione 11 ? stato impiegato nel laser dell'esempio descritto per compensare le variazioni di polarizzazione del segnale causate dalle fibre e dai componenti impiegati per la realizzazione del laser; nel caso tuttavia che nel laser siano impiegati fibre e componenti a mantenimento di polarizzazione l'elemento 11 pu? essere omesso.

L'impiego di un filtro acusto-ottico in ottica integrata consente inoltre, in una forma di realizzazione alternativa in grado di offrire ulteriori vantaggi, di realizzare il filtro stesso ed il modulatore in un unico elem?nto in ottica planare 29, come illustrato nelle figure 7, 8, 9.

Come appare dalla figura 7. su di una unico substrato 30, costituito da un cristallo di niobato di litio, x-cut, con direzione di propagazione y, ? presente una porzione 31 costituente il filtro acusto-ottico, i cui componenti sono designati con gli stessi riferimenti usati in figura 3. alla cui descrizione si rimanda, e consecutivamente ad esso, una porzione 32 costituente un modulatore elettro-ottico ad interferometro di Mach-Zender, formando un complesso integrato di modulazione e sintonizzazione.

Nella porzione costituente il modulatore 32, la guida d'onda ottica 33? costituente il prolungamento della guida d'onda 19 del filtro 31, si sdoppia in due porzioni 33a e 33b, successivamente riunite all'estremit? di uscita 34 del modulatore.

Gli elettrodi 35? 36. 37, alternativamente collegati alle uscite del generatore elettronico a radiofrequenza 15, generano, per effetto elettro-ottico, uno sfasamento tra le due porzioni in cui il segnale ? stato sdoppiato, provocando per interferenza alla riunione la desiderata modulazione di intensit?.

La realizzazione integrata descritta consente di semplificare sensibilmente la struttura del laser, in particolare grazie al fatto che consente di ridurre il numero di connessioni necessarie tra le fibre ed i vari componenti.

Ci? risulta particolarmente utile nel caso che si impieghino fibre a mantenimento di polarizzazione per realizzare il laser, come nello schema di figura 7, privo di compensatori di polarizzazione, per le quali fibre la complessit? delle operazioni di saldatura, richieste per ottenere saldature correttamente allineate nel piano di polarizzazione, consiglia di contenere al minimo il numero delle saldature stesse.

Secondo una ulteriore conveniente forma alternativa di realizzazione, illustrata in figura 9, il modulatore elettro-ottico, integrato nel complesso 29 in un unico substrato, pu? essere costituito da un modulatore di fase 38; tale modulatore di frequenza ? costituito da una guida d'onda ottica 39, formata dal prolungamento della guida d?onda 19 nel cristallo del substrato 30, affiancata dagli elettrodi 40, 4l, collegati al generatore a radiofrequenza 15-Secondo i noti principi di ottica, i segnali elettrici applicati agli elettrodi 40, 4l modificano le caratteristiche di propagazione luminosa entro la guida d'onda ottica 39, che si traducono in una modulazione in fase del segnale ottico che si propaga nella guida d'onda stessa.

Tale modulazione introduce uno sfasamento linearmente crescente tra i modi che si generano nel laser e ne provoca il concatenamento, dando cos? origine agli impulsi ultracorti desiderati.

Il filtro acusto-ottico, sia nella sua forma separata, sia nella sua forma integrata al modulatore elettro-ottico, pu? preferibilmente comprendere un secondo polarizzatore TE-passante 24, indicato tra parentesi nelle figure 3, 8, 9, atto a consentire il passaggio del solo stato di polarizzazione desiderato, eliminando eventuali componenti residue; in una ulteriore alternativa, nel caso che le fibre formanti la cavit? laser siano in grado di mantenere efficacemente lo stato di polarizzazione, il polarizzatore TE-passante potrebbe anche essere omesso.

Ai fini della presente invenzione l'isolatore ottico 8 ed il selettore di polarizzazione 11, se presente, possono essere disposti comunque entro la cavit? laser; anche il laser di pompa 5 ed il relativo accoppiatore dicroico 3 possono essere disposti in collegamento con l'una o l'altra estremit? della fibra attiva 1, purch? l'energia di pompaggio possa venire alimentata alla fibra attiva stessa senza significative attenuazioni.

Bench? la presente descrizione sia stata riferita ad un laser in fibra di tipo ad anello, che costituisce una forma preferenziale di realizzazione dell'invenzione, formano oggetto dell'invenzione anche laser di configurazione diversa, come quello rappresentato in figura 10 a titolo di esempio, in cui la cavit? laser ? di tipo lineare.

In tale realizzazione una fibra attiva 1 ? inserita in una cavit? laser delimitata da uno specchio ad alta riflettivit? 42 e da un accoppiatore di uscita 43, parzialmente riflettente; il laser di pompa 5 alimenta la fibra attiva 1 attraverso l'accoppiatore 3 ed il complesso integrato di modulazione e sintonizzazione 29. con i relativi generatori a radiofrequenza 15. 17. ? posto entro la cavit? laser definita dagli elementi riflettenti 42 e 43?

Il complesso 29 pu? anche, in analogia con quanto in precedenza descritto, essere sostituito da un modulatore elettro-ottico e da un filtro acusto-ottico separati.

E' inoltre chiaro al tecnico che anche filtri sintonizzabili con configurazioni diverse da quella descritta rientrano nell?ambito della presente invenzione, come pure eventuali differenti configurazioni di modulatore, comunque atto a generare impulsi a concatenamento modale attivo, purch? essi siano privi di elementi soggetti a movimentazioni spaziali, suscettibili di subire o causare modificazioni accidentali della propria configurazione spaziale e della dimensione della cavit? laser in cui sono inseriti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, comprendente: una fibra attiva drogata con un drogante fluorescente; mezzi di alimentazione di energia luminosa di pompaggio ad un estremo della fibra attiva, atta ad eccitare ad uno stato di emissione laser il drogante fluorescente, da cui detto drogante pu? decadere ad uno stato di base, con emissione luminosa ad una lunghezza d'onda prefissata, costituente un segnale di emissione; un modulatore elettro-ottico pilotabile dall?esterno, collegato in serie a detta fibra attiva; un filtro di selezione di lunghezza d?onda, pilotabile dall'esterno, collegato in serie a detta fibra attiva; mezzi di estrazione di detto segnale di emissione da detta fibra attiva; mezzi di delimitazione di una cavit? laser, includente la fibra attiva, i mezzi di alimentazione di energia di pompaggio, il modulatore, il filtro ed i mezzi di estrazione, in cui il modulatore pilotabile ? atto a generare una modulazione del segnale di emissione generato dalla fibra attiva, tale da causare un concatenamento modale del segnale di emissione oscillante nella cavit?, caratterizzato dal fatto che detto filtro di selezione di lunghezza d'onda ? costituito da un filtro monolitico a guida d'onda ottica in un substrato cristallino, in assenza di componenti comprendenti parti reciprocamente mobili.
2. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto drogante fluorescente della fibra attiva ? erbio.
3? Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi di alimentazione di energia di pompaggio comprendono un accoppiatore dicroico collegato ad un estremo della fibra attiva e ad un laser di pompaggio a lunghezza d'onda prefissata.
4. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il modulatore elettro-ottico pilotabile ? un modulatore di intensit? Mach-Zender, a guida d'onda ottica a canale, associato ad un generatore elettronico a frequenza preselezionabile.
5? Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il modulatore elettro-ottico pilotabile ? un modulatore di fase, a guida d'onda ottica a canale, associato ad un generatore elettronico a frequenza preselezionabile.
6. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il filtro di selezione di lunghezza d'onda ? un filtro acusto-ottico.
7- Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il filtro acusto-ottico ? un filtro a guida d'onda ottica a canale a substrato cristallino in niobato di litio.
8. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il modulatore ed il filtro sono formati in un unico substrato cristallino comune.
9. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il substrato comune del modulatore e del filtro ? costituito da un cristallo in niobato di litio, comprendente almeno una guida d'onda ottica a canale.
10. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il modulatore pilotabile ? un modulatore di intensit? Mach-Zender.
11. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il modulatore pilotabile ? un modulatore di fase.
12. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 7. caratterizzato dal fatto che il substrato del filtro a guida d'onda ottica ? un cristallo di niobato di litio con orientamento x-cut e propagazione y.
13? Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 9. caratterizzato dal fatto che il substrato comune del filtro acusto-ottico e del modulatore elettro-ottico ? un cristallo di niobato di litio con orientamento ?-cut e propagazione y.
14. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il filtro monolitico a guida d?onda ottica comprende mezzi di controllo e regolazione di temperatura, rigidamente collegati al substrato cristallino.
15- Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che i mezzi di controllo e regolazione di temperatura comprendono una cella di Peltier.
16. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il filtro acusto-ottico comprende una guida d'onda acustica parallela e sovrapposta alla guida d'onda ottica, di predeterminata lunghezza, ad uno dei cui estremi ? presente un trasduttore unidirezionale atto a generare un?onda acustica, in presenza di mezzi di polarizzazione di un segnale ottico guidato entro la guida d'onda ottica.
17. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il filtro acusto-ottico comprende una guida d'onda acustica parallela e sovrapposta alla guida d'onda ottica, di predeterminata lunghezza, ad uno dei cui estremi ? presente un trasduttore unidirezionale atto a generare un'onda acustica, in presenza di mezzi di polarizzazione di un segnale ottico guidato entro la guida d'onda ottica.
18. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la cavit? laser ? configurata ad anello.
19? Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che la cavit? laser include almeno un isolatore ottico.
20. Generatore laser di impulsi a concatenamento modale attivo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la cavit? laser ? configurata linearmente e comprende mezzi di riflessione ottica alle rispettive estremit?.