NO834544L - Fiberoptisk forsterker - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår fiberoptiske forsterk-

ere. USA har rettigheter i denne oppfinnelsen ifølge til-latelse nr. AFOSR-76-3070, gitt av Department of the Air Force, Air Force Office of Scientific Research.

Ideen med optiske forsterkere basert på låsing egenskapene til visse materialer, spesielt på et makroskopisk nivå,

er vel kjent. F.eks. er det således kjent å anordne en pumpelyskilde og et enkelt krystall av neodymium-ytrium aluminium granat (ND:YAG) stang, som er flere mm i diameter og flere cm lang, i et rørformet reflekterende hulrom.

F.eks. kan lyskilden og ND:YAG stangen være anordnet slik

at de strekker seg langs de to foki til et hulrom som har et eliptisk tverrsnitt. Ved en slik anordning vil lys utsendt fra lyskilden og reflektert fra hulromsveggene påtryk-kes NDiYAG stangen. Lyskilden er fortrinnsvis valgt slik at den sender ut bølgelengder som korresponderer med absorbsjonsspektret til ND:YAG krystallet slik at energinivåene til neodymiumionene i krystallet blir invertert til et energinivå over det øvre lasingnivået. Etter inverseringen vil man få en startrelaksasjon av neodymiumionene ved fonon utstråling som gir en ionepopulasjon ved det øvre lasing-nivået. Fra det øvre lasingnivået vil ionene lase til et lavere energinivå og sende ut lys med en bølgelengde som er karakteristisk for ND:YAG materialet. På fordelaktig måte er dette lavere energinivå over grunn-nivået for ionene, slik at en hurtig fononemiterende relaksasjon opptrer mellom dette lavere energinivå og grunn-nivået, hvilket gjør det mulig for et høyt inversjonsforhold å fortsette å eksistere mellom det øvre lasing-nivået og dette lavere energinivået blant de pumpede ionene.

Med populasjonen invertert på denne måten, hvilket er vel kjent fra laser teknologien, vil ND:YAG også frembringe en meget sakte fluorescens, dvs. tilfeldig emisjon av in-koherent lys. Denne spontane utstråling har imidlertid en minimal påvirkning på forsterkningsstangen, siden den gjennomsnittlige levetid til ioner i den inverterte tilstand er 230 mikrosekunder.

Dersom et lyssignal ved lasingfrekvensen blir sendt gjennom stanga etter at neodymiumionene til ND:YAG stangen er blitt invertert, vil lyssignalet utløse lasingovergangen til neodymiumionene, og forårsaker koherent emisjon av stimulert stråling,, hvilket effektivt adderes til det transmitterte signalet og således forsterker dette signal.

L

Absorbsjonsjflengden til pumpelyset i ND:YAG krystallet (dvs. lengden av materialet gjennom hvilket lyset må gjennomløpe før 60% av lyset er absorbert, er typisk i størrelsesorden mellom 2 og 3 mm, og således har ND:YAG krystallene anvendt i forsterkningsstrukturer vanligvis hatt diametere av i det minste.denne størrelse, slik at krystallet kunne absor-bere en vesentlig mengde av pumpestrålingen under start-refleksjonen fra hulromsveggene og passasje gjennom krystallet. Dersom pumpelyset ikke blir absrobert under dette startgjennomløpet gjennom krystallet, vil det sannsynligvis bli reflektert av hulromsveggene tilbake til lyskilden hvor det vil bli reabsorbert og generere varme i lyskilden og redusere totalvirkningsgraden til forsterkeren.

Når slike forsterkere blir brukt i fiberoptiske systemer,

er det blitt antatt nødvendig å anvende optiske komponenter, så som linser, for å fokusere lyset fra den optiske fiberen inn i ND:YAG stangen, og det forsterkede lyssignalet fra ND:YAG stangen tilbake i en annen fiber. Slike optiske systemer krever omhyggelig innretning og er utsatt for endr-inger i omgivelsene, så som vibrasjoner og termiske påvirk-ninger .

I tillegg vil de optiske komponentene og størrelsen på ND:YAG stangen gjøre forsterkingssystemet relativt stort, og således upraktisk for visse anvendelser. Videre vil den relativt store størrelsen på ND:YAG stangen medføre strålevandring inne i stangen. Således vil signalet fra inngangsfiberens optiske element gjennomløpe forskjellige baner gjennom stangen, en egenskap som er temperaturavhengig og varierer med tiden, slik at utgangslyset kan tapes på grunn av det fak-tum at utgangsfiberen bare vil akseptere lys som ligger innenfor en liten akseptvinkel. Mens således strålen inne i ND:YAG stangen vandrer, kan utgangssignalet variere på

en ukontrollerbar måte. Videre krever den store størrelsen på ND:YAG stangen en stor mengde inngangsenergi for å opprettholde en høy energitetthet inne i stangen. Slik stor pumpeenergi krever høyutgangspumpelyskilder, som genererer vesentlig varme som må avledes, vanligvis ved flytende kjøling av hulrommet. Mens forsterkere av denne typen er nyttige ved mange anvendelser, så som noen kommunikasjonsanvendelser, legger anvendelse i et resirkulerende fiberoptisk gyroskop adskillige restriksjoner på forsterkingssystemet. I slike gyroskoper er optisk fiber, typisk av størrelsesorden 1

km eller mer, viklet i en sløyfe og et lyssignal blir re-sirkulert i sløyfen, vanligvis i begge retninger. Bevegelse av sløyfen forårsaker en fasedifferanse mellom de motforplantende lyssignalene, hvilket kan anvendes for å måle gyroskoprotasjonen. Det er fordelaktig, fordi faseendringen indusert i en rotasjon er relativt liten, og fordi perio-diske utgangssignaler som er avhengig av rotasjonen, er nødvendige for å resirkulere inngangslyset i sløyfen så

mange ganger som mulig. Ved gjennomløping av en km optisk fiber, vil et optisk signal vanligvis tape fra 30 til 50%

av sin intensitet. En forsterker ville, dersom den var istand til å forsterke de to-veis motforplantende lyssignalene, tillate at et lyssignal kanforplante seg mange ganger i sløyfen, dersom forsterkeren var plassert i serie med sløyfen og ga en forsterking på 2-3 db.

Uheldigvis vil den relativt store størrelsen, høye energikrav forårsaket av relativt ineffektiv drift, strålevandringsef-fekter, og kjølekrav for de tidligere kjente ND:YAG stang-forsterkerne, som beskrevet ovenfor, gjøre slike forsterkere

relativt upraktiske ved gyroskoper med høy nøyaktighet.

Disse faktorer begrenser selvfølgelig også nytten av slike forsterkere til andre anvendelser, så som kommunikasjons-nettverk .

Disse ulemper som knytter seg til krystallstangforsterkere blir unngått i den foreliggende oppfinnelse. Denne oppfinnelse tillater at både pumpekildefiberen og det dopede for-sterkingsmedium kan være optiske fibere med liten diameter. Disse fibere er anordnet sammen slik at de ligger tett mot hverandre innenfor en kappe som danner en optisk kobler. Brytningsindeksen til pumpefiberen, forsterkerfiberen og kappen er valgt slik at signalet som skal forsterkes, som gjennomløper den dopede fiberen, blir godt styrt eller ledet, mens lyset som anvendes til pumping, som gjennomløper pumpefiberen, ikke blir godt styrt eller ledet inne i denne fiberen, men bare innenfor det totale koblersystemet. Kobleren begrenser således tapet i signalet som gjennomløper den dopede fiberen siden dette signal ikke blir koblet til pumpefiberen, mens pumpesignalet med hensikt blir dårlig ledet slika t det vil koble seg fra pumpefiberen til den dopede fiberen.

I den foretrukne utførelsen blir denne koblingsegenskapen oppnådd ved å anvende en dopet fiber, så som ND:YAG, som har en første brytningsindeks, og en pumpefiber, så som kvarts, som har en andre brytningsindeks, i et side-ved-side-forhold inne i et koblingslegeme som omgir begge fibre og har en tredje brytningsindeks. Dette koblerlegemet er i sin tur omgitt av luft eller et annet hensiktsmessig materiale som har en fjerde brytningsindeks.

Den første brytningsindeksen til den dopede fiberen, som fører signalet som skal forsterkes, er høyere enn den tredje brytningsindeksen til koblerlegemet og signalet som skal forsterkes blir således ledet inne i den dopede fiberen.

Den andre brytningsindeksen til pumpekvartsfiberen er lavere enn den tredje brytningsindeksen til koblerlegemet, og- pumpelyset i kvartsfiberen blir således ikke ledet av kvartsfiberen, men blir tillatt å avbøyes inn i koblerlegemet. Den tredje brytningsindeksen til koblerlegemet er større enn den fjerde brytningsindeksen til materialet eller luften som omgir koblerlegemet, slik at grensesnittet mellom disse materialer styrer pumpelyset slik at det absorberes av enten (a) koblerlegemet, (b) kvartspumpefiberen, eller (c) den dopede fiberen som danner en forsterker for det styrte inn-gangssignalet. Dersom diameteren/til kappen bare er litt større enn fiberdiameterne, vil en vesentlig del av pumpelyset som er avbøyd fra pumpefiberen bli absorbert i ND:YAG krystallfiberen, hvilket resulterer i en høy energitetthet og således et høyt inversjonsforhold inne i ND:YAG krystallfiberen for å frembringe, forsterking av det optiske signalet som denne sender.

For å gjøre forsterkeren i denne oppfinnelsen toveis, dvs. gjøre den istand til å utøve lik forsterking på signaler som gjenomløper i motsatte retninger gjennom den dopede fiberen, er det fordelaktig å belyse (pumpe) kvartspumpefiberen ved begge ender, slik at inversjonspopulasjonen fordeles symmetrisk langs lengden av denne fiberen. Dersom pumpefiberen blir gjort tilstrekkelig lang, vil hovedsakelig hele pumpeenergien påtrykt endene av pumpefiberen bli absorbert inne i hulromsstrukturen, og en vesentlig prosentdel av denne energien vil bli absorbert inne i den dopede fiberen i kobleren.

I en alternativ utførelse kan både pumpefiberen og den

dopede fiberen være i form av dekkede fibere, og kledningen kan poleres på en side av hver av fiberne for å danne en planar, ytre kledningsoverflate. Dersom de planare over-flatene blir plassert over hverandre for å danne koblerlegeme, kan kledningen til fiberne danne den tredje brytningsindeksen som er nødvendig for å styre det optiske pumpesignalet inne i koblerlegemet. Som nok et alternativ, kan ikke-dekkede

fibre av kvarts og ND:YAG bli polert for å danne planare overflater som, dersom de blir plassert over hverandre,

vil frembringe den nødvendige kobling med den omgivende luften som det tredje brytningsmedium for å styre pumpeenergien.

I nok en annen alternativ utførelse kan en flerhet av forsterkere, i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, bli anordnet langs lengden av ND:YAG fiberelementet slik at relativt små lyskilder, så som lysemitterende dioder, kan anvendes for å sørge for en liten forsterking av det forsterkede signalet ved hver slik forsterker, hvilket gir den totale nødvendige forsterking ved den additive effekt. Selv ved denne utførelse er det ønskelig å plassere lysemitterende dioder ved begge ender av hver av pumpefiberne, slik at en lik toveis forsterking kan oppnås.

Oppfinnelsen er nærmere definert i de etterfølgende patent-krav.

De foran nevnte og andre fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil best forstås under henvisning til den følgende beskrivelse med referanse til tegningene, hvor: Fig. 1 er et diagram som viser den fysiske anordning av den foretrukne utførelse av fiberforsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 2 er et tverrsnitt av anordningen på fig. 1 tatt etter linjene 2-2 på fig. 1; Fig. 3 er et diagram som viser absorbsjonsspektret til ND:YAG ved 3 00°K; Fig. 4 er et energinivådiagram for ND:YAG; Fig. 5 er et forenklet energinivådiagram for en 4-nivå laser

som anvender et dopet materiale, så som ND:YAG;

Fig. 6 er et tverrsnitt lignende tverrsnittet på fig. 2

og viser en alternativ utførelse av forsterkeren; og

Fig. 7 er en andre alternativ utforming lik fig. 1, og viser en serie av optiske forsterkere med lavnivå lyskilder.

Under henvisning først til fig. 1 og 2 omfatter den foretrukne utførelsen av denne oppfinnelse en pumpefiber 12

og en signalfiber 14. Pumpefiberen 12 er typisk en kvarts-fiber som, i en eksempelvis utforming, har en diameter på omtrent 200 u. Denne fiber 12 strekker seg parallelt til og i tett nærhet med, signalfiberen 14 over en distanse 16 på omtrent 2 cm. Signalfiberen 14 er en enkel krystall av ionedopet materiale som vil lase ved frekvensen som skal forsterkes. I diagrammet på fig. 1, og for beskrivelsen som følger, vil det bli antatt at inngangslyssignalet, som skal forsterkes, blir innmatet i en første ende 18 av signalfiberen 14, og blir utmatet, etter forsterkingen, fra den andre ende 20 av fiberen 14. En bør imidlertid merke seg at ved mange anvendelser, så som kommunikasjon og rotasjons-avfølingsanvendelser, vil signalene bli innmatet ved begge endene 18, 20 av fiberen 14, og bør forsterkes likt uavhengig av forplantningsretningen gjennom fiberen 14.

Fiberen 14 har i denne eksempelvise utførelsen en diameter på 100 u. Over lengden 16 med parallell utstrekning av fiberne 12 og 14, er disse fiberne innkapslet i en kappe 22 som, som vil bli beskrevet ytterligere nedenfor, frembringer en bølgeleder for lyset som anvendes for å pumpe fiberen 14. Begge disse fiberne 12 og 14 er ukapslet eller uten individuell kledning, unntatt i den grad kappen 22 frembringer en kledning.

Fiberen 14 er dannet som et enkelt krystall av ND:YAG materiale. Et par lyskilder 24 og 26 er koblet til de motsatte endene av pumpefiberen 12, og kan f.eks. være laserkilder som sørger for lysenergi eller pumpelys for invertering av neodymiumionene inn i ND:YAG krystallet 14 for å tillate forsterking.

Hver av fiberne 12 og 14, såvel som kappen 22, er transpa-rente overfor bølgelengden til lys fra pumpekildene 24 og 26. Det foretrekkes at kappen 22 har så lav tapskarakteri-stikk som mulig ved denne frekvensen, mens det "er fordelaktig å ha absorbsjonslengden til denne frekvensen så kort som mulig -i ND:YAG fiberen 14.

Brytningsindeksene til fiberne 12, 14 og kappen 22 er valgt for å tillate at signalfiberen 14 leder signalet innmatet ved dens ende 18. Indeksene er imidlertid også valgt slik at de tillater at lys fra pumpekildene 24 og 26 entrer kappen 22 fra fiberen 12, og deretter entrer og absorberes av fiberen 14. Som vist i eksemplet på fig. 2, har således ND:YAG fiberen 14 en brytningsindeks N^= 1.8. Kvartsfiberen 12

på den annen side, har en brytningsindeks N 2 på 1.5. Brytningsindeksen til kappen 22, N^ er valgt slik at den er mellom 1.5 og 1.8, slik at N-^N^N^ Til slutt er brytningsindeksen som omgir kappen 22, N^, mindre enn brytnigns-indeksen N^til kappen 22. I eksemplet vist på fig. 2 er brytningsindeksen N4dannet av luft, selv om det må forstås at en annen kan omgi kappen 22 for å eliminere tap som ellers kunne opptre ved grensesnittet mellom kappen 22 og den omgivende luften, på grunn av overflateuregelmes-sigheter og resulterende spredning i kappen 22.

Av beskrivelsen ovenfor vil det forstås at siden brytningsindeksen N-^til fiberen 14 er større enn brytningsindeksen N3til kappen 22, vil signalet innmatet ved enden 18 av fiberen 14, som skal forsterkes av systemet, bli godt styrt eller ledet inne i fiberen 14. Siden brytningsindeksen N2til kvartsfiberen 12 er mindre enn brytningsindeksen

N^ til kappen 22, vil pumpelyset fra kildene 24 og 26 ikke bli ledet av fiberen 12, men vil bli avbøyd inn i kappen 22. Dette lys vil imidlertid, som vist ved de eksempelvise stråler 24 og 26 på fig. 2 og 28 på fig. 1, bli godt ledet av kappen 22 siden brytningsindeksen N^ til kappen 22 er større enn brytningsindeksen N4til det omgivende materialet. Pumpelyset vil således bli godt styrt innenfor grensene

av kappen 22 for til sist å bli absorbert av fiberen 14.

Som vist på fig. 1, vil pumpelyset eksemplifisert ved strålen 28 bli absorbert av hver av fiberne 12 og 14, og den omgivende kapp en 22 i forhold til veilengden gjennom hver av disse elementer og absorbsjonslengden ved pumpebølgeleng-den til hver av disse elementene. Av denne grunn vil det forstås at det er fordelaktig å holde innhyllingsstørrel-sen av kappen 22 så liten som mulig for å minimalisere absorbsjonen av kappen 22 og derved maksimere absorbsjonen i ND:YAG fiberen 14.

Under henvisning til fig. 3, som er et diagram for absorbsjonsspektret til ND:YAG krystall ved 300°K, vil det ses at ND:YAG materialet har en relativt høy optisk tetthet,

og således en kort absorbsjonslengde ved valgte bølgeleng-der. Av denne grunn er det fordelaktig å velge pumpelys-kildene 24 og 26 (fig. 1) slik at de sender ut en stråling ved disse frekvenser for å (a) maksimere absorbsjonen av pumpelyset i ND:YAG fiberen 14 i motsetning til kvartsfiberen 12 og kappen 22, og (b) å tillate at absorbsjonslengden kan være så kort som mulig og derved tillate at lengden 16 (fig. 1) til absorbsjonsområdet er så kort som mulig mens den samtidig tillater hovedsakelig komplett absorbsjon av pumpelyset i forsterkerstrukturen. Som det kan ses av fig. 3, er bølgelengden 0,58 \ i best egnet for lyskildene 24 og 26 i denne eksempelvise utførelse, selv om bølgelengd-ene 0,75 og 0,81 u også er relativt godt egnet.

Det vises nå til fig. 5A som er et energinivådiagram for ND:YAG krystallet, og det vil forstås at når pumpelyset

ved absorbsjonsbølgelengden beskrevet ovenfor, blir absorbert av ND:YAG krystallet, så blir neodymiumionene eksitert fra grunnivået til pumpebåndet. Fra pumpebåndet faller

ionene hurtig via fononsamvirker, til det øvre lasingnivået. Fra dette øvre lasingnivå vil neodymiumionene gjennomgå

en relativt sakte fluorescens til det lavere energinivå. Fra dette siste nivå vil en sluttelig hurtig fononrelaksa-sjon opptre før ionene når grunntilstanden. Denne siste hurtige relaksasjon i et 4-nivås lasersystem av typen vist på fig. 5, er fordelaktig, siden den hurtige fononrelaksasjonen mellom det lavere energinivå og grunntilstanden frembringer et praktisk talt tomt lavere energinivå. Denne egenskap er vist på fig. 5B, på hvilken populasjonstetthet-ene i pumpebåndet, øvre lasingnivå, lavere energinivå,

og grunntilstanden er vist for en ND:YAG fiber under kontinuerlig pumping. Siden fluorescenshastigheten mellom det øvre lasingnivået og det lavere energinivået er relativt sakte sammenlignet med fononrelaksasjonen mellom pumpebåndet og det øvre lasingnivået, såvel som mellom det lavere energinivået og grunntilstanden, vil populasjonstettheten ved det øvre lasingsnivået være vesentlig høyere enn tettheten ved det lavere energinivået, hvilket gir et høyt inversjonsforhold. Den gjennomsnittlige levetiden til neodymiumioner ved det øvre lasingnivået, før spontan fluorescens, er 230 (i sekunder.

Fig. 4 viser mer detaljert flerheten av energitilstander for ND:YAG materialet, såvel som laserovergangen for dette materialet.

Et inngangslyssignal ved laserovergangsbølgelengden

( 1, 064 fi) , dvs. bølgelengden til lys utsendt av ND: YAG ioner under relaksasjon mellom det øvre lasingnivået og det lavere energinivået, som forplanter seg gjennom den eksiterte laserfiber 14 (fig. 1) vil utløse emisjonen av stimulerte fotoner ved den samme frekvensen, koherent med signalet, og signalet blir derved forsterket. Passasjen av lys ved denne frekvens vil således forårsake en foton-emiterende relaksasjon mellom det øvre lasingnivået og det lavere energinivået på fig. 5A, i fase méd lyssignalet

som skal forsterkes, hvilket gir en effektiv forsterking av inngangslyssignalet.

Forsterkingen som kan oppnås i forsterkeren i henhold til denne oppfinnelsen, er avhengig av tettheten i den inverterte neodymiumionepopulasjonen inn i ND:YAG krystallet. Til å begynne med er sluttinversjonspopulasjonen begrenset av gitterstrukturen til selve YAG materialet. Siden ND:YAG materialet erstatter ytriumatomet med neodymiumatomet i krystallgitteret, vil bare omtrrent 1 ytriumatom for hver 100 ytriumatomer kunne bli erstattet av et neodymiumatom uten å forstyrre gitterstrukturen til ND:YAG materialet.

Toeretiske beregninger av det lille forsterkningssignalet g^til forsterkeren i henhold til oppfinnelsen, kan utføres ved å anvende forholdet gn= a AN, hvor a er det stimulerte

-19 2 emisjonstverrsnittet, som for ND:YAG er lik 8,8 x 10 cm , og AN er populasjonsinversjonstettheten gitt ved:

hvor Pp er den absorberte pumpeenergi, V er krystallvolumet og således, PP/V er den absorberte pumpeenergien pr. enhet fibervolum, t er den spontane strålelevetiden, dvs. de 230 u sekundene med fluorescensrelaksasjonstid for neodymiumionene, n-^er den effektive spektrale overlapping av pumpeutgang med en ND:YAG absorbsjonslinje, som vist på fig. 3, n 2 er lik kvanteeffektiviteten til 1,06 u fluorescens, nemlig 0,63 og hv er lik energien til et pumpefoton.

Kombinering av forholdet ovenfor frembringer:

for forholdet mellom forsterking og pumpeenergi. Det ses

at verdien P er den absorberte pumpeenergien og at en økning i lengden av fibere ikke nødvendigvis øker forsterkingen. Dersom således lengden av fiberne er tilstrekkelig slik at pumpestrålingen passerer gjennom ND:YAG fiberen en distanse som er tilstrekkelig til å tillate at denne fiberen absorberer fullstendig pumpestrålingen, så kan verdien P^i denne ligningen erstattes med inngangsenergi-nivået. FOr en typisk verdi for n-^= 0,5, finner vi at §q = 0,01 db for Pp lik 1 milliwatt i en enkel krystall-fiber 14, som har en diameter på 120 u. For å finne netto-forsterkingen må man imidlertid fratrekke fra g^ fiberfor-plantningstapene ved 1,06 u. Et fibertap på 100 db pr.

km ville redusere forsterkingen bare med 0,001 db/cm. Dersom således totallengden av forsterkeren kan holdes relativt kort, og opprettholde en stor innfallsvinkel for strålen 28 inne i forsterkeren (fig. 1), samtidig som hovedsakelig hele inngangspumpeenergien absorberes, vil forplant-ningstapene i forsterkeren holdes på et lavt nivå.

Pumpeenergitettheten kan opprettholdes på et relativt høyt nivå ved hjelp av for tiden tilgjengelige lysemiterende dioder. I virkeligheten er det tilgjengelig LEDs med lang levetid som, når de arbeider med en stram tetthet på omtrent 1000 ampere pr. cm 2 , har en utstråo ling på t> omtrent 5 watt pr.sr.cm 2 , og det er kjent LEDer med en stråo ling på o omtrent 50 watt/sr.erti 2. Den førstnevnte vil være istand til a koble omtrent 1 milliwatt inn i en YAG fiber med en diameter på 100 |a, og den sistnevnte ville være istand til å koble omtrent 10 milliwatt inn i den samme fiberen. Denne relativt høye energi er mulig siden den store brytningsindeksen til YAG ledes til en aksepthalvvinkel på 57° (eller en 2,8 sr). Med disse verdier for pumpeenergien, blir forsterkingen 0,01 til 0,1 db/cm lengde av fiber 14. Resul-tatene overfor gjelder en YAG fiber som arbeider i luft. Dersom fiberen var kledd glass (N omtrent lik 1,5), ville akseptvinkelen bli omtrent 1 sr og verdiene ovenfor for pumpeenergi og signalforsterking ville bli redusert med

en fkator på 2,8.

Med laserdioder er det mulig å konsentrere større verdier på pumpeenergi i fiberen 14. I alle fall kan man overveie å injisere et pumpesignal som har en gjennomsnittlig energi på omtrent 30 milliwatt inn i en fiber, som korresponderer med en signalforsterking på 0,3 db i en fiber med en diameter på 120 |i, og 1,7 db i en fiber med en diameter på

50

Det er således åpenbart av den forutgående beskrivelse

og med henvisning igjen til fig. 1, er det nødvendig for passende pumping av ND:YAG fiberen 14 at pumpekildene 24

og 26 enten arbeider kontinuerlig, eller at de arbeider umiddelbart før påtrykking av et inngangssignal på fiberen 14, dvs. godt innenfor den 230 |i sekunds fluorescens relak-sasjonstiden til neodymiumionene. Siden bølgelengdene fra pumpekildene 24 og 26 blir absorbert i ND:YAG fiberen 14 over en kort absorbsjonsavstand, er det mulig å drive pumpekildene 24 og 26 kontinuerlig uten å interferere med signalforplantningen gjennom fiberen 14 og uten bekymring for om pumpelyset selv vil forplante seg gjennom fiberen 14 .

Under henvisning igjen til fib. 1, bør en merke seg at ND:YAG fiberen 14, i området som ligger inntil endene 18

og 20 men utenfor kappen 22, vil styre signalet før og etter forsterking siden brytningsindeksen N^er høyere enn indeksen til den omgivende luften. Det kan selvfølgelig være fordelaktig å kle ND:YAG fiberen 14 i disse områdene for å redusere overflatetapene.

På samme måte vil kvartsfiberen 12 i området bak kappen

22 styre lyset fra pumpekildene 24 og 26 siden dens indeks N2er høyere enn indeksen til den omgivende luften. Der

er selvfølgelig mulig også å kle kvartsfiberen 12 i dette området for å redusere overflatetap så lenge som indeksen

til den anvendte kledning i området bak endene til kappen 22 er lavere enn indeksen til kvartsen.

Det vil gjenkjennes at pumpelyset fra kilden 24 vil ha

en tendens til i starten å bli absorbert nær enden 18 inne i forsterkersystemet, og at således lengden av fiberen 14 kan bli ulikt belyst av kilden 24. Den inverterte populasjon av neodymiumioner kan således bli ulikt fordelt langs lengden 16. Siden denne ikke-like eller ikke-symme-triske tilstand inne i forsterkeren vil gi forskjellig forsterking for signaler innmatet ved enden 18 og signaler innmatet ved enden 20 (spesielt når disse signaler opptrer samtidig), er det funnet fordelaktig å pumpe kvartsfiberen 12 ved begge endene samtidig med pumpekildene 24 og 26

for å sikre at den inverterte neodymiumionepopulasjonen vil være symmetrisk langs lengden 16 og således vil forsterke signaler fra enten enden 18 eller 20 likt.

Fenomenet med ulik forsterkinng av signaler som gjennomløper fiberen 14 i forskjellige retninger med en ikke-symmetrisk inversjonspopulasjon av neodymiumioner opptrer på følgende måte, det vil gjenkjennes at, mens et signal som skal forsterkes forplanter seg fra enden 18 av fiberen 14, vil det utløse emisjonen av stimulerte fotoner inne i ND:YAG fiberen, mens det gjennomløper lengden 16. Slik utløst emisjon senker selvfølgelig inversjonspopulasjonen inne i fiberen 14. Dersom f.eks. i et gyroskop, et par bølger forplanter seg samtidig gjennom fiberen 14 i motsatte retninger fra endene 18 og 20, vil signalet innmatet ved enden 18 minske inversjonspopulasjonen inntil enden 18 før signalet innmatet ved enden 20 ankommer ved den venstre enden av fiberen 14, som sett på fig. 1. Dersom inversjonspopulasjonen er høyere ved den venstre enden av fiberen 14,

enn ved den høyre enden, vil signalet innmatet ved enden 18 gjennomgå en større forsterking siden det vil minske inversjonspopulasjonen før signalet som blir innmatet ved enden 20, ankommer til den venstre høytetthetsenden.

En bør også merke seg at pumpelyset påtrykt fra pumpekildene 24 og 26 til ND:YAG fiberen 14 bør være tilstrekkelig,

på kontinuerlig basis, å erstatte den minskede populasjonen inne i fiberen 14 som opptrer når signalene blir forsterket. F.eks. i et gyroskop hvor et pulssignalet sirkulerer gjennom 1 km med fiber, vil f.eks. de motforplantende signalene gjennomløpe forsterkeren vist på fig. 1 omtrent en gang hvert 5 u sekund. Dersom kontinuerlige pumpekilder 24

og 26 ble brukt, bør de frembringe tilstrekkelig utgangs-energi, slik at de under hver 5 u sekunds periode er istand til å reinvertere neodymiumionepopulasjonen som har relaksert under hver suksessiv gjennomløping av signalene, for å reinvertere en populasjon som er lik den som er blitt relaksert, slik at forsterkingsfaktoren eller forsterkingen av forsterkeren vil forbli relativt konstant.

Fig. 6 viser et alternativt tverrsnitt lik tverrsnittet på fig. 2 av en struktur som ikke anvender kappen 22 på

fig. 2, men bygger på forskjellen mellom brytningsindeksen til ND:YAG fiberen 14 og kvartsfiberen 12 på den ene siden, og indeksen til den omgivende luften på den annen side,

for å styre pumpelyset og signallyset i systemet. I denne utførelse er både fiberen 14 og fiberen 12 polert langs en overflate for å frembringe en planar ytre overflate 34 og 36 som er plassert mot hverandre over lengden med det ønskede samvirket, slik som lengden 16 på fig. 1.

Med anordninger vist på fig. 6, må brytningsindeksen til ND:YAG fiberen 14 være høyere enn brytningsindeksen til kvartsfiberen 12 slik at signalet som skal forsterkes vil bli godt ledet gjennom fiberen 14 av både fiber-luft grensesnittet og fiber-fiber grensesnittet. På den annen side vil pumpesignalet i kvartsfiberen 12 bli ledet gjennom hele det partiet av fiberens omkrets som grenser mot det omgivende mediet, men vil være ikke-styrt ved overflaten 32 og vil således forplante seg inn i ND:YAG fiberen 14

for å pumpe neodymiumionene i fiberen 14. Det vil også

ses at selvfølgelig kan utførelsen vist på fig. 6 være

anordnet inne i en .omgivende kappe, så som kappen 22 på

fig. 2, hvor kappen har en lavere brytningsindeks enn enten kvartsfiberen 12 eller ND:YAG fiberen 14. Denne omgivende jakke vil ikke endre den grunnleggende drift av innretningen, men vil eliminere overflatespredning forårsaket av over-flateirregulariteter, og således assistere med å holde pumpen og signallyset innenfor grensene til fiberen 12

og 14 .

For å sørge for nok lys i utførelsen på fig. 1, fra kildene 24 og 26 for å opprettholde en høy inversjonspopulasjon inne i fiberen 14, kan pumpekildene 24 og 2 6 måtte være laserkilder. Utførelsen vist på fig. 7 tillater anvendelsen av en flerhet av lavnivåkilder, så som lysemiterende diode-kilder, til en serie forsterkere, idet hver forsterker frembringer en liten grad av forsterking til et signal som forplanter seg, og hvor totalforsterkingen er lik forsterkingen som kan frembringes ved hjelp av forsterkeren på fig. 1, men til en lavere kostnad og lavere energikrav med lysemiterende dioder.

Som vist på fig. 7, kan en flerhet av kvartsfibere 12a

til 12e være anordnet på en måte lik måten vist på fig.

1, med kapper 22a til 22e som omgir både kvartsfiberen 12a-e og den enkle, langstrakte ND:YAG fiberen 14. Med denne anordning, kan lysemiterende dioder 38a-e og 39a-

e være koblet til motsatte ender av hver av kvartsfiberen 12a-e respektivt, for å frembringe pumpekilder for seriene av lavforsterkingsforsterkere.

Med enten anordningen på fig. 1 elelr fig. 7 danner kappen 22 et hulrom med høy q, hvilket tillater at en enkel pumpe-stråle gjør omtrent 100 reflekterende passasjer gjennom ND:YAG fiberen 14 på en lengde på omtrent 2 cm. Selv om banen til enkeltstrålen lateralt gjennom ND:YAG fiberen 14 er vesentlig kortere enn absorbsjonslengden i dette materialet, vil de mange passeringer tillate absorbsjon av en vesentlig prosentdel av pumpekildelyset i ND:YAG fiberen 14.

En bør også merke seg seg at strukturen vist på fig. 1

vil frembringe en isolator eller lyskilde ved lasingfrekvensen til ND:YAG fiberen dersom endene 18 og 20 er hensiktsmessig utstyrt med speil. Ved således å plassere et speil på enden 18 av fiberen 14 som reflekterer nærmere 100%

av lyset ved lasingfrekvensen og ved å plassere et andre speil på enden 20 av fiberen 14 som reflekterer en lavere prosentdel av lyset ved den samme frekvensen, kan strukturen vist på fig. 1 anvendes som en fiber-laser kilde ved koherente lysbølger reflektert frem og tilbake gjennom lengden 16 i fiberen 14, og som blir utsendt gjennom det delvis reflekterende speilet ved enden 20 som koherente bølgefron-ter av lys ved lasingfrekvensen til fiberen.

Når strukturen vist på fig. 1 blir brukt som en lyskilde, kan pumpekildene 24 og 26 frembringe konstant tilstand lysutbytte ved pumpebølgelengden, i hvilket tilfelle et konstant tilstands kontinuerlig lysutgangssignal vil frembringes av fiberkilden. Dersom på den annen side pumpelyset fra lyskildene 24 og 26 blir modulert, kan et modulert utgangssignal bli frembragt inne i strukturen på fig. 1.

Som det vil ses fra beskrivelsen ovenfor, vil et hensiktsmessig valg av materialene for å frembringe brytningsindekser som vil styre signalet som skal forsterkes inne i signalfiberen 14, men styre pumpelyset bare i den totale innhyl-lingen 22 til forsterkersystemet, gi en liten forsterker med relativt høy forsterking i hvilken et flertall reflek-sjoner inne i et totalhulroms-struktur, tillater sidepump-ing av ND:YAG fiberen 14, selv om diameteren til denne fiberen 14 er vesentlig mindre enn absorbsjonslengden til ND:YAG materialet ved pumpebølgelengden.

Claims (10)

1. Fiberoptisk innretning for å produsere koherent lys, karakterisert ved at den omfatter : en første fiber som har en første brytningsindeks; en andre fiber dannet av materialet som vil lase, og som har en andre brytningsindeks høyere enn nevnte første brytningsindeks; en lyskilde for å innmate lys inn i nevnte første fiber for å pumpe nevnte materiale av nevnte andre fiber; og nevnte første og andre fibere er anordnet tett inntil hverandre for å danne et samvirkeområde i hvilket nevnte første og andre brytningsindekser samvirker for å overføre nevnte lys fra nevnte første fiber til nevnte andre fiber.

2. Fiberoptisk innretning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter: en lyskilde for å produsere et lyssignal i nevnte andre fiber, idet nevnte signal stimulerer spontan koherent lysemisjon fra nevnte materiale som vil lase.

3. Fiberoptisk innretning, som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte signal har en frekvens lik en lasefrekvens til nevnte mateiale av nevnte andre fiber.

4. Fiberoptisk innretning, som angitt i hvilket som helst av kravene 1-3, karakterisert ved at dem i tillegg omfatter: en transparent kappe som omgir nevnte første og andre fibere ved nevnte samvirkeområde, idet nevnte kappe har en tredje brytningsindeks som er høyere enn nevnte første brytningsindeks men lavere enn nevnte andre brytningsindeks.

5. Fiberoptisk innretning, som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte kappe er omgitt av materialer som har en fjerde brytningsindeks som er lavere enn nevnte tredje brytningsindeks, for å forårsake at nevnte lys som innmates i nevnte første fiber blir styrt inne i nevnte kappe.

6. Fiberoptisk innretning, som angitt i hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved at nevnte andre fiber er dannet av ND:YAG materiale.

7. Fiberoptisk innretning, som angitt i hvilket som helst av kravene 1-6, karakterisert ved at nevnte første og andre fibere hver er polert langs den ytre fiberoverflaten, og hvor nevnte polerte overflate er anordnet over hverandre for å danne nevnte samvirkeområde.

8. Fiberoptisk innretning, som angitt i hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved at nevnte lyskilde for innmating av lys i nevnte første fiber innmater lys som har en bølgelengde som korresponderer med en topp i et absorbsjonsspektrum til nevnte materiale av nevnte andre fiber.

9. Fiberoptisk innretning, som angitt i hvilket som helst av kravene 1-8, karakterisert ved at nevnte lyskilde for innmating av lys inn i nevnte første fiber innmater lys i begge retninger langs nevnte første fiber for symmetrisk å pumpe nevnte materiale til nevnte andre fiber.

10. Fremgangsmåte for å forsterke et lyssignal i en fiberoptisk innretning for å produsere koherent lys som omfatter en første fiber som har en første brytningsindeks, karakterisert ved en andre fiber dannet av materiale som vil lase, som har en andre brytningsindeks høyere enn nevnte første brytningsindeks; hvor nevnte første og andre fibere er anordnet tett inntil hverandre for å danne et samvirkeområde i hvilket første og andre brytningsindekser samvirker for å over-føre nevnte lys fra nevnte første fiber til nevnte andre fiber; og hvor fremgangsmåten omfatter å mate inn lys i nevnte første fiber for å pumpe nevnte materiale til nevnte andre fiber, og å mate lys inn i nevnte andre fiber for å forsterke nevnte lys i nevnte andre fiber.