NO843595L - Fiberoptisk forsterker - Google Patents

Description

Fiberoptiske forsterkere basert på lasingegenskapene til bestemte materialer, spesielt på et makroskopisk nivå, er velkjent. Således er det f.eks. å anordne en pumpelys-kilde og et enkelt krystall av neodym/ytrium aluminiumgra-nat (ND:YAG) stang, som er flere millimeter i diameter og flere centimeter lang, i et tubulært reflekterende hulrom. F.eks. kan lyskilden og ND:YAG stangen være anordnet, respektivt, slik at den strekker seg langs de to foki til et hulrom som har et elliptisk tverrsnitt. I et slik arrangement vil lys som sendes ut av lyskilden og blir reflektert fra hulromsveggene påvirke ND:YAG stangen. Lyskilden er fortrinnsvis valgt slik at den sender bølge-lengder som korresponderer til absorpsjonsspektret til ND:YAG krystallet slik at neodymionene til krystallet blir invertert til et energinivå over det øvre låsende nivået. Etter inversjon vil det til å begynne med foregå en relaksasjon av neodymionene ved fonon bestråling hvilket gir en ionepopulasjon ved det øvre låsende nivå. Fra dette nivå vil ionene lase til et lavere låsende nivå, og sende ut lys ved den bølgelengde som er karakteristisk for ND:YAG materialet. På fordelaktig måte er det lavere låsende nivået over grunnivået for ionene slik at en hurtig fonon emiterende relaksasjon vil finne sted mellom det lavere låsende nivå og grunnivået, hvilket gjør det mulig å opprettholde et høyt inversjonsforhold mellom et øvre og lavere låsende nivå i de pumpende ionene.

Med populasjonene invertert på denne måte, som er velkjent fra laserteknologien, vil ND:YAG i en svært sakte fluorisens, dvs., tilfeldig emisjon av inkoherent lys. Denne spontante stråling forhindrer imidlertid ikke stangen i å forsterke, siden den gjennomsnittlige levetiden for ioner i den inverterte tilstanden er 230 mikrosekunder, som er mye lenger enn startrelaksasjonen eller relaksasjonen mot grunnivået. Således kan et høyt inversjonsforhold bli opprettholdt.

Dersom, etter at noen av neodymionene til ND:YAG stangen er blitt invertert, et lyssignal ved lasingfrekvensen blir sendt gjennom stangen, vil lyssignalet utløse relaksasjonen av neodymionene og forårsake koherent emisjon av stimulert stråling, som på effektiv måte vil adderes til det sendte signalet og således forsterke dette signalet.

Absorpsjonslengden til pumpelyset i ND:YAG krystallet (dvs. lengden av materialet gjennom hvilket lyset må gjennomløpe før omtrent 65% av lyset er absorbert), er vanligvis i området mellom 2 og 3 mm, og således har ND:YAG krystallene som er blitt brukt i forsterkningsinnretninger hatt diametere som i det minste er så store slik at det krystallet kunne absorbere den vesentlig del av pumpestrålingen under startrefleksjonen fra hulromsveggene og passasjen gjennom krystallet. Dersom pumpelyset under dette startgjennomløp gjennom krystallet ikke blir absorbert, blir det reflektert av hulromsveggene til lyskilden hvor det vil bli reabsorbert og generere varme i lyskilden og redusere totaleffektiviteten til forsterkeren.

Når slike forsterkere blir brukt i fiberoptiske systemer, er det blitt antatt nødvendig og anvende optiske kompon-enter, 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 inn i en annen fiber. Slike optiske systemer krever omhyggelig innretting og er utsatt for endringer i omgivelsene, så som vibrasjon og termisk påvirkning. I tillegg gjør de optiske kompon-entene og størrelsen på ND:YAG stangen forsterkningssystemet relativt stort og således upraktisk for visse anvendelser. Videre medfører den relativt store størrel-sen til ND:YAG stangen strålevandring innenfor 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 være tapt på grunn av det fakta at fiberen bare vil akseptere lys innenfor en liten aksep-teringsvinkel. Mens således strålen inne i ND:YAG stangen vandrer kan utgangssignalet variere på en ukontrollerbar måte. Videre krever den størrelsen til ND:YAG stangen mye inngangsenergi for å kunne opprettholde en høy energitett-het i stangen. Slike store pumpeenergier krever lyskilder med høyt utbytte, og genererer vesentlig varme som må av-ledes, vanligvis ved flytende kjøling av hulrommet.

Mens forsterkere av denne type er nyttige ved andre anvendelser, såsom noen kommunikasjonsanvendelser, vil en anvendelse som setter strenge begrensninger på forsterkningssystemet være et resirkulerende fiberoptisk gyroskop. I slike gyroskoper er optisk fiber vanligvis med den lengde på 1 km eller mer, viklet til en sløyfe og lyssignal blir resirkulert i sløyfen i begge retninger. Be-vegelse av sløyfen forårsaker en falsedifferanse mellom de motforplantende lyssignalene hvilken kan anvendes for å måle gyroskoprotasjon. Dette er fordelaktig siden faseendringen som induseres i en rotasjon er relativt liten og siden periodiske utgangssignaler som relaterer seg til rotasjon er nødvendige for å resirkulere inngangslyset i sløyfen så mange ganger som mulig.

Ved gjennomløping av en km av optisk fiber vil et optisk signal vanligvis tape 30 til 50% av intensiteten. En forsterker vil dersom den er i stand til å forsterke de toveis motforplantende lyssignalene tillate at et lyssignal forplanter seg mange ganger i sløyfen, dersom forsterkeren ble plassert i serie med sløyfen og da en forsterking som var lik fibereforplantningstapene.

Uheldigvis fører den relativt store størrelsen, høye ener-gikrav forårsaket av relativt ineffektivt ytelse, stråle-vandringseffekter og kjølekrav for de tidligere ND:YAG stangforsterkerne slike forsterkere relativt upraktiske for gyroskopere med høy nøyaktighet. Disse faktorer be-grenser også selvfølgelig anvendelsen av slike forsterkere til andre formål så som kommunikasjonsnettverk. Disse ulemper som er tilknyttet krystallstangforsterkere blir unngått i den foreliggende oppfinnelse.

Den foreliggende oppfinnelse omfatter en forsterker for fiberoptiske systemer som er kjennetegnet ved at en krystallfiber er et annet av et materiale som er i stand til å lase; en kilde med pumpelys for å invertere ionepopulasjonen til materialet som danner krystallfiberen; en kilde av signaler som skal forsterkes; og en bryterinn-retning som er koblet til kilden med pumpelys, så vel som kilden med signaler som skal forsterkes og krystallfiberen, for vekslende og kople pumpelyset eller signalene som skal forsterkes til krystallfiberen.

Fortrinnsvis er bryterinnretningen i henhold til den foreliggende oppfinnelse kjennetegnet av en første fiberoptisk kopler som har et par optiske inngangsfibre. Et av parene av de optiske inngangsfibre er koplet til kilden med pumpelys mens det andre av parene av optiske fibre er forbundet for å motta signalene som skal forsterkes.

Fortrinnsvis innbefatter den første fiberoptiske kopleren også et par av optiske utgangsfibre. I tillegg er bryterinnretningen fortrinnsvis kjennetegnet ved en fiberoptisk kopler som innbefatter et par av inngangsoptiske kopiere som er forbundet til de optiske utgangsfibre til den første optiske fiberoptiske kopleren. Fortrinnsvis har den andre fiberoptiske kopleren en optisk utgangsfiber som er forbundet til krystallfiberen. Videre innbefatter bryterinnretningen fortrinnsvis et apparat for å innføre en valgbar faseendring i lyset som koples til et av paret av de optiske inngangsfibre til den andre optiske kopleren.

Apparatet for å introdusere en valgbar faseendring er fortrinnsvis kjennetegnet av et tilbakekoplingssystem for å regulere faseendringen. Videre er apparatet for å introdusere en valgbar faseendring også kjennetegnet av en sløyfe av optisk fiber mellom koplerne viklet rundt et piezoelektrisk krystall.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter også en fremgangsmåte for å forsterke lyssignalet i fiberoptiske systemer som anvender et krystall som er dopet med materiale som er i stand til å lase ved bølgelengden til lyse-signalene og en lyskilde for å pumpe krystallet. Frem-gangsmåten er kjennetegnet ved trinnene og kople lyskilden til krystallet under en første tidsperiode før ankomsten av lyssignalene; fråkopling av lyskilden fra krystallet før ankomsten av lyssignalet; og kopling av lyssignalet ved deres ankomst til krystallet. I denne fremgangsmåte finner trinnet med å kople lyssignalene fortrinnsvis et sted innenfor den spontane fluorresenstiden til kystallet etter frakoplingstrinnet. I denne fremgangsmåte ankommer lyssignalene fortrinnsvis ved regulære intervaller og koplings og frakoplingstrinnene finner sted periodisk ved de regulære intervallene.

I denne fremgangsmåte for å forsterke lyssignaler blir trinnene med å kople lyskilden og å kople lyssignalene fortrinnsvis utført ved periodisk å endre modusen til en bryter som har innganger forbundet til lyskilden og til nevnte lyssignaler og som hår en utgang forbundet med krystallfiberen.

På bakrunn av det ovenstående vil det sees at denne oppfinnelse fortrinnsvis tillater at både pumpelyset signalet som skal forsterkes og blir påtrykt enden av ND:YAG fiberen og således unngår fullstendig behovet for en stor diameter på ND:YAG krystallet hvilket er en iboende egenskap ved sidepumpearrangementer. ND:YAG fiberen kan så ledes utføres med ekstremt liten diameter sammenlignet med tidligere kjente stangforsterkere siden pumpelyset absorberes langs lengden av fiberen snarere enn på tvers av dens bredde. Dette resulterer i en høyere konsentrasjon av pumpelys innenfor den lille diameteren til ND:YAG krystallet og således en høyere potensiell forsterking for forsterkningsstrukturen.

For å kunne utføre denne endepumping er ND:YAG materialet fortrinnsvis dannet som en fiber med liten diameter og er fortrinnsvis i serie med en kopler som selektivt påtrykker pumpelys eller signalet som skal forsterkes til enden av ND:YAG fiberen. Siden den spontane fluoresenstiden som er tilknyttet krystallet er relativ lang, forblir dette i en aktiv, eller invertert, tilstand noen tid etter at pumpelyset et frakoplet, og således forsterkes fremdeles det senere introduserte signalet.

Kopleren som anvendes til dette forsterkningssystemet innbefatter fortrinnsvis et par inngangsfibre for å trans-mittere, respektivt, pumpelyset for ND:YAG krystallet og signalet som skal forsterkes. Fortrinnsvis blir signalene på disse fibre selektivt påtrykt en enkel utgangsfiber av kopleren slik at ND:YAG materialet først kan bli pumpet for å invertes neodymionene som er i dette og deretter kan det ble utsatt for signalet som skal forsterkes slik at dette signal, ved gjennomløp av ND:YAG materialet, kan ut-løse emisjonen av koherent lys for å forsterke signalet.

Kopleren som anvendes i dette systemet er fortrinnsvis basert på enkelmodus fiberoptiske kopiere i hvilket et par av enkelmodusfibre er anordnet tilliggende til hverandre over en valgbar samvirkerlengde for å tillate flyktigfelt-kopling. Mer spesielt innbefatter kopleren fortrinnsvis to slike enkelmoduskoplere som hver er justert slik at de kan kople 50% av lyset som en hver fiber i koplerfiber-paret til den andre fiberen i dette paret. Mellom dette par av kopiere blir fortrinnsvis et av fiberparene selektivt strukket, f.eks. ved hjelp av et piezoelektrisk krystall, for å kunne introdusere en justerbar fasedifferanse mellom lyssignalene som påtrykkes den andre kopleren til koplerparet. Denne valgbare fasedifferanse tillater fortrinnsvis konstruktiv interferens av lyset fra en av inngangsfibrene ved utgangsfiberen til bryteren og destruktiv interferens av lyset fra den andre inngangsfiberen slik at det bare lyser fra en av inngangsfibrene blir påtrykt på utgangsf iberen til den andre kopleren. Ved å endre spenningen som påtrykkes det piezoelektriske krystallet vil inngangsfiberen hvis lys konstruktivt interfererer ved utgangsfibren kunne velges.

Et tidssystem blir fortrinnsvis brukt for å påtrykke et endringsspenningssignal til det piezoelektriske krystallet for å sikre at kopleren blir riktig tidsinnstilt for å kople inngangslyssignalet som skal forsterkes til for-sterkningskrystallet. Ved tidspunkter når ikke noe inngangslyssignal som skal forsterkes kan forventes, gir tidskretsen fortrinnsvis spenningsnivåer til det piezoelektriske krystallet som er nødvendig for å kople pumpelys til ND:YAG materialet. Ved alle tidspunkter når ikke noe lysinngangsignal som skal forsterkes er tilstede kan således lasermaterialet blir matet med pumpelys.

Siden den foreliggende oppfinnelse fortrinnsvis tillater at pumpelyset kan koples inn i enden av ND:YAG fiberen, behøver ikke diameteren til ND:YAG fiberen overskride absorpsjonslengden ved pumpebølgelengen, siden pumpelyset fortrinnsvis blir effektiv absorbert i en retning langs aksen av ND:YAG fiberen snarere enn perpendikulært på denne akse.

For å kunne oppnå lik toveisforsterkning gis ND:YAG krystallet kan pumpelys bli påtrykt av kopiere anordnet ved begge endene til ND:YAG fiberen for fortrinnsvis å gi en symmetrisk inversjonspopulasjon langs lengden av denne fiber.

Disse vanlige fordeler med den foreliggende oppfinnelse vil forstås bedre med referanse til tegningen i hvilke: Fig. 1 viser skjematisk den svitsjbare kopler (kopleren) som anvendes i forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen; Fig. 2 viser skjematisk kopleren på fig. 1 sammenbygd med forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelse; Figurene 3A til 3E er opptegninger av lyspulser og elektriske signaler i forsterkeren på fig. 2; Fig. 4 er et skjema som viser absorps jonsspektret til ND:YAG ved 300°C K; Fig. 5 er et forenklet energinivådiagram for en firenivås laser som anvender et dopet materiale, såsom ND:YAG; og Fig. 6 viser skjematisk et diagram for en forsterker i samsvar med den foreliggende oppfinnelse som gir motforplantende pulsinnsending inn i en fibersløyfe og symmetrisk forsterkning.

Forsterkeren i henhold til den oppfinnelse anvender en svitsjbar kopler ("bryterkopler") som vist på fig. 1 og innbefatter et par av optiske fiberkoplere 42 og 43. Disse kopiere innbefatter hver to fiberoptiske tråder 12A og 12B av en enkelmodusfiber av optisk materiale montert i longitudinelle buede renner inne i koplerne 42 og 44. Hver av koplerne 42, 44 innbefatter et par blokker for å av-støtte disse fibere 12A, 12B for å gi en basis for (a) polering av en del av kappen av fibrene 12A, 12B, og (b) avstøtte fibrene 12A, 12B for overlagring (overblending) og justering av fiberområdene hvor kappen er blitt fjernet ved polering.

Fjerningen av kappen og overlagringen av de polerte områdene av fibrene 12A og 12B tillater at kjernene til disse respektive fibre 12A, 12B kan anordnes innenfor flyktigfeltet til den andre fiberen i et samvirkeområde. Dersom kjernen til hver av fibrene blir plassert innenfor en kritisk sone i forhold til denne andre fiberen, vil enkelmoduskopling finne sted mellom fibrene med ekstremt lave gjennomgangstap og høy retningsbestemthet. Videre kan blokkene som danner koplerne 42, 44 anordnes i forhold til hverandre slik at det oppnås nøyaktig justering av koplingseffektiviteten, dvs. prosentdelen av lys som innmates på en av fibrene 12A, 12B som blir koplet til den alternative fiberen.

Dersom det antas at et inngangslyssignal benevnt 1^blir matet til en port A på kopleren 42, og dersom det videre antas at hver av koplerne 42 og 44 er justert slik at deres koplingsef f ektivitet er 50%, kan lyssignalet 1-^bringes til selektivt å opptre på en hvilken som helst av utgangsportene B eller D til kopleren 44.

Denne svitsje eller bryterhandling til kopleren på fig. 1 finner sted på følgende måte. Lyssignalet 1^vil bli delt av kopleren 42, siden denne kopler er justert til å ha en koplingseffektivitet på 50%. Således vil halvparten av dette lyssignal opptre som signal I2på utgangen til port B til kopleren 42. Den andre halvparten av dette signal vil bli koplet til fiberen 12B for å bli sendt ut som signal IB på port D på kopleren 42. På grunn av egen-skapene til kopleren 42 vil signalet I3være faseforsøvet 90°C etter signalet I2-

Fiberen 12A er viklet rundt et piezoelektriskkrystall 46 og fiberen 12B er viklet rundt en tilpassningsspindel 48. En polarisasjonsstyreinnretning 82 kan anvendes for å sikre at polarisasjonen til lyssignalene ved inngangs-portene A og C til kopleren 44 er identiske, og således sikres at disse lyssignaler vil interferere kopleren 44. Et signal blir matet fra en bryter 58 til det piezoelektriske krystallet 46 for valgbart å strekke den optiske fiberen 12A viklet rundt det piezoelektriske krystallet 46 og således indusere en variabel faseforsinkelse i lysesignalet på den den optiske fiberen 12A, hvilket gir et variabelt faseforhold mellom lyssignalet I2og lyssignalet I4på inngangsport A til kopleren 44.

Lyssignalet som er koplet i kopleren 44, såsom lyssignalet I5entrer porten C og kopleren 44, og blir koplet til fiberen 12A for å gå ut av kopleren 44 ved port B, og gir en del av lyssignalet lg, og vil gjennomgå en 90°C faseforsinkelse. På lignende måte vil delen av lyssignalet 14som venter port A til kopleren 44 og blir koplet til fiberen 12B for å gå ut av kopleren 44 som en del av signalet I7på port D til denne kopler 44 også gjennomgå en 90°C faseforsinkelse.

På grunn av faseforholdet som induseres av koplerne 42 og 44 og den variable faseforsinkelse som introduseres av det piezoelektriske krystallet 46, vil signalet 1^, i en første form av det piezoelektriske krystallet 46, konstruktivt adderes ved utgangsporten B til kopleren 44 og destruktivt interferere ved utgangsporten D til kopleren 44. Med en annen spenning på det piezoelektriske krystallet vil lysinngangssignalet 1-^på porten A til kopleren 42 konstruktivt adderes ved utgangsporten D til kopleren 44 og destruktivt interferere ved utgangsporten B til kopleren 44. Således blir en justering av spenningen på det piezoelektriske krystallet 46 brukt for valgbart å kople signalet 1^mellom utgangsportene B og D til kopleren 44. På samme måte vil dersom et lysinngangs-signal er frembragt på port C til kopleren 42 dette ble koplet mellom utgangsportene B og D til kopleren 44 på en identisk måte. Det er således mulig ved å påtrykke vari- ernde spenning på det piezoelektriske krystallet 46 valgbart å påtrykke enten lysinngangssignalet på port A til kopleren 42 eller på port C til kopleren 42 til utgangsport D til kopleren 44, med det alternative signal tilstede på utgangsporten B til kopleren 44.

Et elektronisk system kan anvendes i den svitsjbare kopleren på fig. 1 for å justere spenningen som påtrykkes til det piezoelektriske krystallet 46. Et par sensorer 52 og 54 er forbundet til de optiske fibrene 12A og 12B inntil portene B og D til kopleren 44 for å avføle utgangslysnivået ved disse porter. Sensorene 52 og 54 gir elektriske avfølingssignaler som blir matet gjennom et par brytere 68 og 70 til nullservoer 72 og 74 som justerer ut-gangsspenningsnivåene fra et par med spenningskilder 60 og 62. Bryteren 58 påtrykker valgbart utgangsspenningen fra kilden 60 eller utgangsspenningen V2fra kilden 62 på det piezoelektriske krystallet 46. Når bryteren 58 mater spenning V-^fra kilden 60 til det piezoelektriske krystallet 46, vil lyssignalet konstruktivt interferere ved utgangsport B til kopleren 44, og lyssignalene som mates på port C til kopleren 42 vil interfere konstruktivt ved utgangsport D til kopleren 44.

Under denne tiden blir bryteren 68 gjort ledende og bryteren 70 blir gjort ikke-ledende ved å slavekople disse bryterne til bryteren 58. Således vil nullservoen 74 avføle hvor vidt signalet på port D til kopleren 44, ly, er en null, og, ved hjelp av et signal på en styreledning 78, vil spenningen til kilden 60 bli justert. På samme måte vil når utgangen V2fra kilden 62 bli matet av bryteren 58 til det piezoelektriske krystallet 47 nullservoen 72 i et styresignal på en ledning 76 som er nødvendig for å justere spenningen V2for å gi et nullyssignal lg fra inngangsport A på kopleren 42 ved port B til kopleren 44. En inngangsledning 56 driver bryteren 58 til alternativt å mate utgangen fra spenningskilden 60 eller spenningskilden 62 til det piezoelektriske krystallet 46 for å veksle kopleren.

Med henvisning til fig. 2 er det vist den svitsjbare kopleren 84 som er beskrevet ovenfor med referanse til fig. 1, som innbefatter det piezoelektriske krystallet 46 og de svitsjbare kopiere 42 og 44, så vel som bryterkretsen 86 som innbefatter elektronikken beskrevet ovenfor. Som tidligere beskrevet, blir bryterkretsen 86 matet med signaler som indikerer rysutgangen fra kopleren 44 ved hjelp av fotosensorene 52 og 54. I eksemplet vist på fig. 2 vil det bli antatt at lys fra en pulslyskilde 88 skal mates av den svitsjbare kopleren 84 til en fibersløyfe 90 som innbefatter et forsterkende ND:YAG fiberkrystall 92. Dette ND:YAG fiberkrystall 92 blir matet med pumpelys fra en kilde 94 når et resirkulerende pulssignal fra sløyfe 90 ikke er tilstede ved den svitsjbare kopleren 84. Pulsene fra pulskilden 88 og pumpelys fra kilden 94 blir koplet til inngangen til den svitsjbare kopleren 84 ved hjelp av en optisk kopler 96 utformet på samme måte som koplerene 42 og 44, men som gir en kopler 96 til ND:YAG krystallet 92. Når den resirkulerende lyspulsen på fig. 3D opptrer på port C av kopleren 42, er det ønskelig at denne lyspuls skal koples til ND:YAG krystallet 92 for fortsatt sirkula-sjon inne i sløyfe 90. Av denne grunn blir den svitsjbare kopleren 84 imidlertidig koplet til sin alternative svitsjemodus (V2fra kilde 62, fig. 1) for å tillate inn-gangspulsen på port C til kopleren 42 konstruktivt å interferere ved utgangsporten D (fig. 1) til kopleren 44.

Denne kopling av den svitsjbare kopleren 84 blir utført ved hjelp av en kombinasjon av en friløpsmultivibrator 102, hvis drift blir startet av signalet på ledning 98 som aktiverer pulskilden 88, og en monostabil multivibrator eller "one-shot" 104, utløst av utgangen fra friløpsmulti-vibratoren 102. Denne kombinasjonen gir et utgangssignal på ledning 56, som vist på fig. 3C, med multivibratoren 102 justert til en friløpsfrekvens på 200 KHz for å gi en utgangspuls av forutbestemt varighet fra den monostabile multivibrator 104 hvert 5. mikrosekund. Det vil sees av fig. 3C at privsignalet på ledning 56 gir konstruktiv interferens fra port A til kopleren 42 til ND:YAG krystallet 92 alle tider når en resirkulasjonspuls, som vist på fig. 3D, ikke er tilstede på port C til kopleren 42. Varigheten av pulsen fra den monostabile multivibratoren 104, vist som lavnivåsignaldelen på fig. 3C, har en varighet som er tilstrekkelig til å sikre at sirkulasjonslys-pulsen på fig. 3D faller innenfor pulsvarigheten på fig. 3C.

Av beskrivelsen ovenfor kan det sees at den svitsjbare kopleren 84 i kombinasjon med elektronikken beskrevet, sukksesivt påtrykker utgangen fra pumpelyskilden 94, eller den resirkulerende lyspulsen som skal forsterkes, til inngangsenden av ND:YAG krystallet 92. Siden spruter-elektronikken beskrevet med referanse til fig. 1 er utformet for å avføle en null ved lyssensorene 52 og 54 for på riktig måte å justere spenningsnivåene V-^og V2, kan det være nødvendig å avføle utgangen fra fotodetektoren 54 for å innstille spenningskilden 60, under et tidsrom som er gitt av lavspenningsdelen til signalet på fig. 3C når det ikke er noen resirkulerende puls på fig. 3D tilstede. Dette kan utføres f.eks., ved tilføyelsen av en og-port 106, som vist på fig. 1, og en tilleggsmonostabil multivibrator 108 som vist på fig. 2. Denne tilleggsmonostabile multivibrator vil ha en utgangspuls med svært kort varighet som opptrer ved begynnelsen av utgangspulsen fra den monostabile multivibrator 104 og den korte pulsen fra multivibratoren 108 blir matet på en signalledning 110. Denne signalledning 110 setter og-porten 106 i en klar tilstand og således bryteren 68, bare under en svært kort tidsperiode når signalet fra den monostabile multivibratoren 104 er ved sin lave spenningstilstand, som vist på fig. 3C, men før ankomsten av en sirkulerende lyspuls, som vist på fig. 3D. Under denne korte tidsperiode skal purapelyskilden, hvis utgang er kontinuerlig, destruktivt interferere på den optiske fiberen ved inngangen til ND:YAG krystalllet 92, og en null kan således blir avfølt av fotodetektoren 54.

Det refereres nå til fig. 4 hvor det er vist et skjema over absorpsjonsspektret til ND:YAG krystallet 92 ved 300°K, og hvor det kan sees at ND:YAG materialet har en relativt høy optisk tetthet og således en kort absorp-sjonslengde ved valgte bølgelengder. Av denne grunn er det hensiktsmessig å velge bølgelengden til pumpelyskilden 94 slik at denne kan tillate at absorps jonslengden kan være så kort som mulig. Dette vil tillate hovedsaklig fullstendig absorpsjon av pumpelyset innenfor en svært kort lengde av ND:YAG krystallet 92. Som det kan sees av fig. 3, er bølgelengden 0,58 U best egnet for pumpelyset, selv om bølgelengdene 0,75 og 0,81 y er relativt godt egnet.

Med henvisning nå til fig. 5A som viser et energinivådiagram for ND: YAG krystallet 92 vil det forstås at når pumpelys ved absorpsjonsbølgelengden, beskrevet ovenfor, blir absorbert av ND:YAG krystallet 92, blir neodymioner eksitert fra grunntilstanden til pumpebåndet. Fra pumpebåndet relakserer ionene hurtig ved fononsamvirker til det øvre lasernivå. Fra dette øvre lasernivå vil neodymionene gjennomgå en relativ sakte fluoresens til det lavere lasernivå. Fra dette siste nivå vil en sluttelig og hurtig fononrelaksasjon finne sted til grunntilstanden. Denne siste hurtige relaksasjon i et firenivå lasersystem av typen vist på fig. 5A er fordelaktig siden den hurtige fononrelaksasjon mellom det lavere lasernivå og grunntilstanden gir et praktisk talt tomt lavere lasernivå. Denne egenskap er vist på fig. 5B i hvilken populasjons-tetthetene ved pumpebåndet, øvre lasernivå, lavere lasernivå og grunntilstanden er vist for ND:YAG krystallet 92 under kontinuerlig pumping. Siden hastigheten til fluor-esensen mellom det øvre lasernivå og det lavere lasernivå er relativt sakte sammenlignet med fononrelaksasjonen mellom pumpebåndet og det øvre lasernivået, så vel som mellom det lavere lasernivået og grunntilstanden, er popu-lasjonstettheten med det øvre lasernivået vesentlig høyere enn tettheten ved det lavere lasernivået, hvilket gir et høyt inversjonsforhold. Den gjennomsnittlige levetiden til neodymioner i det øvre lasernivå, før spontan fluoresens, er 230 mikrosekunder. Denne relativt lange levetiden tillater at pumpelyset kan frakoples ved hjelp av svitsjekopleren 84 (fig. 2) før innmatingen av et lyssignal som skal forsterkes, siden neodymionpopulasjonen vil forbli hovedsaklig invertert i atskillige mikrosekunder.

Signalet som skal forsterkes blir valgt slik at det har en bølgelenge ved laserovergangsbølgelengen (1.064 V ), dvs. bølgelengden til lys som emiteres av ND:YAG ioner under relaksasjon mellom det øvre og lavere lasernivå. Når dette signal blir matet til krystallet 92 av den svitsjbare kopleren 84 (fig. 2), vil det utløse emisjonen av stimulerte fotoner ved den samme frekvensen, koherent med signalet, og signalet er derved forsterket. Således vil passasjen av lys ved denne frekvensen forårsake en foton-emiterende relaksasjon mellom det øvre lasernivå og det lavere lasernivå på fig. 5A, i fase med lyssignalet som skal forsterkes, hvilket gir en effektiv forsterking av inngangslyssignalet.

Forsterkingen som kan oppnås i forsterkeren i henhold til oppfinnelsen er avhengig av tettheten i den inverterte neodymionpopulasjonen i ND:YAG krystallet. Til å begynne med er den maksimale inversjonspopulasjonen begrenset av gitterstrukturen til YAG materialet 92 selv, siden ytriumatomer er erstattet med neodymatomer i krystallgitt-eret i ND:YAG materialet. Bare omtrent 1 ytriumatom for hver 100 ytriumatomer kan erstattes av et neodymion uten å ødelegge gitterstrukturen til ND:YAG materialet.

Teoretiske beregninger av lavforsterkingssignalet gøtil forsterkeren i henhold til oppfinnelsen kan utføres ved å bruke forholdet gg = aA N, hvor a er det stimulerte emi-sjonstverrsnittet, for ND:YAG 8,8 x IO<-19>cm<2>, og AN er populasjonsinversjonstettheten gitt ved:

hvor Pp er den absorberte pumpeenergien, V er krystall-volumet og således, Pp/V er den absorberte pumpeenergien pr. enhet av fibervolum, t__ er den spontane strålings-levetiden, dvs. den 230 mikrosekundfluoresensrelaksasjons-tiden til neodymionene, n-^er den effektive spektrale overlapping av pumpeutgang med en ND:YAG absorpsjonslinje, som vist på fig. 4, N2 er lik kvanteeffektiviteten til 1,064 y fluoresens, nemlig 0,63, og h er lik energien et pumpefoton.

Ved å kombinere forholdene ovenfor får man:

Denne ligning gir forholdet mellom forsterking og pumpe-energi. Det bør sees at verdien Pp er den absorberte pumpeenergien og at en økning i lengden av krystallet 92 ikke nødvendigvis øker forsterkingen. Dersom således pumpestrålingen fra kilden 94 blir koplet fullstendig til ND:YAG krystallet 92, og forplanter seg i krystallet 92 en avstand som er tilstrekkelig til å tillate at dette krystall 92 nærmest fullstendig absorberer pumpestrålingen, så kan verdien Pp i denne ligning bli erstattet av inngangsenerginivået. For å oppnå nettoforsterkning må man imidlertid trekke fra forplantningstapene i ND:YAG krystallet ved 1,064 y fra g0. Et tap på 100 db pr. kilometer vil redusere forsterkningen bare med 0,001 db pr. cm. Dersom således totallengden til krystallet 92 kan holdes relativt kort samtidig som hovedsaklig hele inn-gangspumpeenergien absorberes, kan forplantningstapene innenfor forsterkeren holdes på et lavt nivå.

På grunn av den relative sakte fluoresens til ND:YAG krystallmaterialet 92, kan påtrykkningen av pumpelys frakobles på måten beskrevet ovenfor med referanse til fig. 3A til 3D, slik at kopleren 84 kan mate den resirkulerende pulsen på fig. 3D til ND:YAG krystallet 92 under korte tidsperioder gitt av lavspenningsdelen på fig. 3C når intet pumpelys blir matet til krystallet 92.

Virkningen av denne vekslende påtrykkning av pumpelys og inngangssignaler på ND:YAG krystallet 92 er vist i ionein-versjonsforholdskurven på fig. 3E. Av denne kurve vil det sees at ionene til ND:YAG fiberen 92 til å begynne med blir invertert av pumpelyset fra kilden 94 under perioden T-^. 10% av startlyspulsene fra pulskilden 88 ble koplet av kopleren 96 til den svitsjbare kopleren 84 og påptrykt ND:YAG fiberen 92 som vist på fig. 3B. Denne lyspuls ble forsterket i krystallet 92 avhengig av ioneinvasjonsfor-holdet, som vist på fig. 3E. Det fortsatte pumpelys fra kilden 94 reinverteres så ionepopulasjonen i krystallet 92 som forberedelse for påtrykkningen av den neste sukksesive pulsen fra sløyfe 90, som opptrer etter en tid T2, som vist på fig. 3D. Denne puls ble forsterket i krystallet 92 avhengig av ioneinversjonsforholdet, som vist på fig. 3E. Denne prosess fortsetter styrt av friløpsmulti-vibratoren 102, med den svitsjbare kopleren 84 i drift for å gi utgangslys fra pumpelyskilden 94 til krystallet 92 alle tidspunkter når en resirkulerende puls ikke er tilstede på inngangen til den svitsjbare kopleren 84, idet denne kopler seg til sin alternative modusperiode gitt av den monostabile multivibratoren 104 for å kople de resirkulerende lyspulsene på fig. 3D til krystallet 92 når de opptrer på inngangen til den svitsjbare kopleren 84.

Det vil forstås at under mange omstendigheter er det nød-vendig å sørge for motforplantende pulser fra pulskilden 88 i sløyfe 90. Apparatet vist på fig. 6 er en utførelse av forsterkeren som ikke bare gir slik motforplantning, men også tillater lik toveisforsterkning i ND:YAG fiberen med 90% koplingsef f ektivitet. Således blir 90% av utgangen fra pumpelyskilden 94 matet av kopleren 96 til den svitsjbare kopleren 84 mens 10% av utgangen fra pulskilden 88 ble matet til den svitsjbare kopleren 84. Disse 10% av lyspulsen som sendes ut fra pulskilden 88 ble koplet av den svitsjbare kopleren 84 til ND:YAG krystallet 92 hvor pulsen ble forsterket og matet til fibersløyfen 90. For forklaringsformål vil det bli antatt at sløyfen 90 er omtrent 1 km lang og således vil pulssignalet som går ut av sløyfen 90 og blir sendt til port C på kopleren 42 ha en forsinkelse på omtrent 5 mikrosekunder som er tiden som er nødvendig for lyspulsen for å gjennomløpe en km med fiber.

Med henvisning til fig. 3A sammen med fig. 2, vil det sees at utgangslyset fra pumpekilden 94 er kontinuerlig, og således gir kopleren 96 90% av dette utgangssignal fra kilden 94 kontinuerlig på port A til kopleren 42 til bryteren 84. Som vist på fig. 3B, vil etter en startperiode for tiden som er nødvendig for å invertere neodymionene til krystallet 92, på måten som er beskrevet nedenfor, pulskilden 88 gir et utgangslyssignal. Pulskilden 88 blir utløst av et signal på en inngangsstyreledning 98 vist på fig. 2. Lyspulsen vist på fig. 3B gjennomløper således den svitsjbare kopleren 84 og blir forsterket i krystallet 92 på måten som er beskrevet nedenfor, og sirkulerer gjennom sløyfen 90 for å gjenopptre etter en tilleggstid på T2(5 mikrosekunder) på inngangsporten C til kopleren 42. Denne lyspuls er vist på fig. 3D. Opp til tiden når denne resirkulerer en lyspuls på fig. 3D opptrer på porten C til kopleren 42 blir signalet på det piezoelektriske krystallet 46 opprettholdt på et nivå (V^fra kilden 60, fig. 1) for å kople utgangslyssignaler fra krystallet 92. I apparatet på fig. 6 er det anordnet et par svitsjbare kopiere 84A og 84B, benevnt i samsvar med beskrivelsen gitt med henvisning til fig. 2, ved motsatte ender av krystallet 92. Disse svitsjbare kopiere blir matet med pumpelys fra et par pumpekilder 94A og 94B på samme måte som forklart ovenfor med henvisning til fig. 2 idet et par av koplerne 96A og 96B ble brukt for å kople 90% av utgangslyset fra kildene 94A og 94B til de svitsjbare koplerne 84A og 84B respektivt. Pulskilden 88 er forbundet til en kopler 112 utformet på samme måte som koplerne 42 og 44 og justert for 50% koplingseffektivitet. Således blir utgangssignalet fra pulskilden 88 delt slik at halvparten av utgangslyspulsen blir matet til kopleren 96A og den gjenværende halvparten blir matet til kopleren 96B. Ved disse siste kopiere 96A og 96B blir 10% av disse 50% bli koplet til de svitsjbare kopiere 84A og 84B respektivt for motf orplanting i sløyfen 90. Det vil forstås at styrespenning blir matet til de svitsjbare kopiere 84A og 84B på måten som er beskrevet med referanse til fig. 2.

Arrangementet på fig. 6 tillater motforplantingen av pulser i sløyfer 90, men tillater også at pumpelys blir matet til begge ender av ND:YAG krystallet 92.

Dersom bare en enkelpumpekilde blir anvendt, som vist i arrangementet på fig. 2, vil ND:YAG krystallet 92 ikke bli likt opplyst over hele lengden. Således vil den inverterte populasjon av neodymioner ikke være likt fordelt over lengden av krystallet 92. Siden denne ulike eller ikke symmetriske tilstand i forsterkeren kan gi for-skjellig forsterking for signaler som innmates fra den svitsjbare kopleren 84A og for signaler som innmates fra den svitsjbare kopleren 84B (spesielt når disse signaler opptrer samtidig), er det fordelaktig å anvende paret av pumpekilden 94A og 94B.

Fenomenet med ulik forsterkning for signaler som gjennom-løper krystallet 92 i forskjellige retninger med en ikke symmetrisk inversjonspopulasjon av neodymioner finner sted på følgende måte. Det vil gjenkjennes at, etter som signalet som skal forsterkes forplanter seg fra venstre til høyre i krystallet 92 på fig. 6, vil det utløse emisjonen av stimulerte fotoner i ND:YAG krystallet 92. Slik utløsende emisjon vil selvfølgelig senke inversjonspopulasjonen inne i krystallet 92, som vist på fig. 3E. Dersom f.eks., i et gyroskop, et par av pulser forplanter seg samtidig gjennom krystallet 92 i motsatte retninger, vil signalet som innmates ved den venstre enden minske inversjonspopulasjonen som ligger inntil denne enden før signalet som innmates ved den høyre enden ankommer til den venstre enden av krystallet 92, som vist på fig. 6. Dersom inversjonspopulasjonen er høyre ved den venstre enden av krystallet 92 enn ved den høyre enden, hvilket vil være tilfelle dersom bare en enkel pumpekilde 94 ble brukt, vil signalet innmates ved den venstre enden gjennomgå en større forsterking, siden dette vil minske inversjonspopulasjonen for signalet som blir innmatet ved den høyre enden ankomme til den venstre enden med høy tetthet. Således kan paret av pumpekilder 94A og 94B og svitsjbare kopiere 84A og 84B, vist på fig. 6, blir brukt for å frem-bringe forsterkingssymmetri.

Claims (14)

1. Forsterker for fiberoptiske systemer, karakterisert ved : en krystallf iber (92) dannet av materiale som er i stand til å lase; en kilde av pumpelys (94) for å invertere ionepopulasjonen til nevnte materiale; en kilde av signaler som skal forsterkes (88);og en svitsje (kople) innretning (84) koplet til nevnte kilde av pumpelys (94),nevnte kilde av signaler som skal forsterkes (88), og nevnte krystallfiber (92)for alternativt å kople nevnte pumpelys eller nevnte signaler som skal forsterkes til nevnte krystallfiber (92).

2. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 1, hvor nevnte svitsjeinnretninger er karakteri sert ved: en første fiberoptisk kopler (42)som har et par med optiske inngangsf ibre, og et av nevnte par av optiske fibre er forbundet til nevnte kilde av pumpelys (94), og det andre av nevnte par av optiske fibere er forbundet for å motta nevnte signaler som skal forsterkes, og nevnte første fiberoptiske kopler (42) innbefatter et par av optiske utgangsfibre; en andre fiberoptisk kopler (44), som innbefatter et par av optiske inngangsfibre forbundet til nevnte optiske utgangsfibre til nevnte første fiberoptiske kopler (42), og nevnte andre fiberoptiske kopler (44)har en optisk utgangsfiber forbundet til nevnte krystallfiber (92); og etapparat (46) for å introdusere en valgbar faseforskjell i lys koplet til et av nevnte par av optiske inngangsfibre til nevnte andre fiberoptiske kopler (44).

3. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte apparat for introdusere en valgbar faseforskjell (46)arbeider i en første og andre modus, i det nevnte første modus forårsaker at lys innmatet på nevnte ene av nevnte par av optiske inngangsfibre til nevnte første fiberoptiske kopler (42) konstruktivt adderes på nevnte optiske utgangsfiber til nevnte andre fiberoptiske kopler (44), idet nevte andre modus forårsaker at lys som introduseres på nevnte andre av nevnte par av optiske inngangsfibre til nevnte første optiske kopler konstruktivt adderes på nevnte optiske utgangsfiber til nevnte andre fiberoptiske kopler (44).

4. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 3, karakterisert ved ' en styrekrets (52,54, 86) forå bestemme modusen til nevnte apparat for å introdusere en valgbar faseforskjell (46),i det nevnte styrekrets (52, 54, 86)driver nevnte apparat for å introdusere en valgbarfaseforskjell (46)i nevnte første signaler som skal forsterkes.

5. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte signaler som skal forsterkes gjenopptrer på en periodisk basis, og hvor nevnte styrekrets (52, 54, 86) endrer modusen til nevnte apparat for å introdusere en valgbar faseforskjell (46) på en periodisk basis mellom nevnte første og nevnte andre modus.

6. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 1, karakterisert ved at krystallf iberen (92) er i standtil å lase ved frekvensen til nevnte lyssignal.

7. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 6, karakterisert ved at nevnte lyssignaler som skal forsterkes er toveis og hvor nevnte svitsjeinn-retning (84) forbinder nevnte toveislyssignaler til nevnte krystall (92).

8. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte svitsjeinn-retning (84) forbinder nevnte kilde av pumpelys (94)til begge ender av nevnte krystall (92) for toveis å opplyse nevnte krystall (92).

9. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 2, karakterisert ved et tilbakekoplingssystem (86, 52, 54) for å regulere nevnte faseforskell.

10. Forsterker for fiberoptiske systemer, som angitt i krav 2 eller 9, karakterisert ved at nevnte apparat for å introdusere en valgbar faseforskjell (46) er kjennetegnet av en sløyfe av optisk fiber mellom nevnte kopler viklet rundt et piezoelektrisk krystall.

11. Fremgangsmåte for å forsterke lyssignalet i et fiberoptisk system under anvendelse av et krystall (92)dopet med et materiale som er i stand til å lase ved bølgelengden til nevnte lyssignaler og en lyskilde 94 for å pumpe nevnte krystall (92), karakterisert ved følgende trinn: kopling av nevnte lyskilder (94) til nevnte krystall (92) under en første tidsperiode før ankomsten av nevnte lyssignaler; fråkopling av nevnte lyskilder (94) fra nevnte krystall før ankomsten av nevnte lyssignal; kopling av nevnte lyssignal til ankomsten til nevnte krystall (92).

12. Fremgangsmåte for å forsterke lyssignaler, som angitt i krav 11, karakterisert ved at nevnte kopling av nevnte lyssignaler finner sted under den spontane fluoresenstiden til nevnte krystall (92)etter nevnte frakoplingstrinn.

13. Fremgangsmåte for å forsterke lyssignaler, som angitt i krav 11, karakterisert ved at nevnte lyssignaler ankommer ved regulære intervaller, og hvor nevnte kopling og frakoplingstrinn finner sted periodisk ved nevnte regulære intervaller.

14. Fremgangsmåte for å forsterke lyssignaler, som angitt i krav 11, karakterisert ved at nevnte trinn med å kople nevnte lyskilde og å kople nevnte lyssignaler blir utført ved periodisk å endre modusen til en bryter (84)som har et par innganger forbundet til nevnte lyskilde (94) og nevnte lyssignaler og har en utgang forbundet til nevnte krystallfiber (92).