PL217528B1 - Układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni, przeznaczony do stosowania w układach spektroskopii i detekcji gazów, w szczególności metanu CH4 i amoniaku NH3, a także jako źródło nadawcze w układach telekomunikacyjnych w wolnej przestrzeni.

Z opisu patentu USA nr US6229828 znany jest układ do generacji światła w średniej podczerwieni z wykorzystaniem zjawiska mieszania dwóch fal w ośrodku nieliniowym, używając do tego celu dwóch źródeł światła dużej mocy. Układ ten składa się kolejno ze źródła światła dużej mocy w bliskiej podczerwieni o długości fali 1064 nm, drugiego, przestrajalnego źródła światła dużej mocy o długości fali z zakresu od 1520 nm do 1580 nm, elementu dichroicznego łączącego obie wiązki światła w jedną oraz kryształu nieliniowego, odpowiedzialnego za generację światła w średniej podczerwieni. W układzie tym co najmniej jedno źródło laserowe jest źródłem przestrajalnym, pozwalającym na niewielką zmianę długości emitowanej fali. Element nieliniowy może być układem generacji częstotliwości różnicowej lub układem w konfiguracji optycznego parametrycznego oscylatora. W przypadku generacji częstotliwości różnicowej, częstotliwość fali sygnału wyjściowego jest równa różnicy częstotliwości dwóch sygnałów wejściowych. W układzie tym promieniowanie z jednego z laserów sygnałowych, pracującego w zakresie o długości fali od 1520 nm do 1580 nm, przed wprowadzeniem do kryształu nieliniowego może zostać wzmocnione we wzmacniaczu opartym na światłowodzie jednomodowym domieszkowanym erbem i iterbem. Sprzężenie pomiędzy źródłami laserowymi a elementem nieliniowym odbywa się z wykorzystaniem elementów optyki objętościowej: soczewek skupiających oraz zwierciadła dichroicznego, łączącego dwie wiązki w jedną.

Metoda nieliniowej konwersji częstotliwości optycznych oraz układ do nieliniowej konwersji częstotliwości optycznych znane są z opisu patentu USA nrUS6919985. Układ składa się kolejno z dwóch półprzewodnikowych źródeł światła pracujących na dwóch różnych długościach fali, dwóch soczewek skupiających, dwóch płytek półfalowych, zwierciadła dichroicznego łączącego obie wiązki w jedną, ośrodka nieliniowego oraz filtru pasmowego. Ośrodkiem nieliniowym jest periodycznie spolaryzowany kryształ KTP, odpowiadający za mieszanie fal o obu częstotliwościach. W wyniku mieszania wynikowa częstotliwość światła może być różnicą częstotliwości sygnałów wejściowych. Zastosowany na wyjściu filtr pasmowy za kryształem nieliniowym ma za zadanie wyciąć z wynikowego widma niepożądane składowe. W układzie tym jedno ze źródeł światła może być modulowane zewnętrznym sygnałem elektrycznym. Promieniowanie z lasera może być doprowadzane do elementów optycznych za pomocą światłowodu optycznego.

Istota układu, według wynalazku polega na tym, że ma dwa lasery sygnałowe połączone światłowodami jednomodowymi poprzez izolatory optyczne z dwoma wejściami pierwszego multipleksera, którego wyjście połączone jest światłowodem z podwójnym płaszczem ze sprzęgaczem światłowodowym typu n+1:1, a sprzęgacz światłowodowy typu n+1:1 połączony jest z wejściem drugiego multipleksera, natomiast dwa wyjścia drugiego multipleksera połączone są przez dwa izolatory optyczne z dwoma wejściami trzeciego multipleksera, przy czym wiązka światła z trzeciego multipleksera poprzez kryształ nieliniowy pada na dolnoprzepustowy filtr germanowy, który jest na wyjściu układu, ponadto do sprzęgacza światłowodowego typu n+1:1, podłączony jest co najmniej jeden wielomodowy półprzewodnikowy laser pompujący.

Korzystnie, pierwszy laser sygnałowy pracujący na długości fali około 1550 nm połączony jest z wejściem pierwszego multipleksera poprzez połączone szeregowo izolator optyczny i światłowodowy wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym erbem i jednocześnie drugi laser sygnałowy pracujący na długości fali około 1064 nm połączony jest z wejściem pierwszego multipleksera poprzez połączone szeregowo izolator optyczny i światłowodowy wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym iterbem, natomiast światłowód z podwójnym płaszczem domieszkowany jest jonami erbu i iterbu.

Wprowadzenie dodatkowego sygnału o długości 1064 nm pozwala na zmniejszenie ryzyka wzbudzenia się niepożądanej akcji laserowej we wzmacniaczu erbowo-iterbowym o długości fali 1064 nm oraz zwiększa wzmocnienie sygnału na długości 1550, natomiast duża domieszka iterbu w światłowodzie erbowo-iterbowym z podwójnym płaszczem, a także pompowanie optyczne w zakresie absorpcji jonów iterbu, pozwala na skuteczne wzmocnienie sygnału na długości 1064 nm, jednocześnie wzmacniając sygnał na długości 1550 nm. Obie wiązki sygnałowe doprowadzane są do kryształu PPLN jednym, wspólnym światłowodem jednomodowym, co czyni, że układ zbudowany jest całkowicie z elementów światłowodowych, a moce obu sygnałów uzyskane z monolitycznego, dwuczęstotliwościowego źródła

PL 217 528 B1 światła są wystarczające do uzyskania nieliniowego zjawiska konwersji częstotliwości (generacji częstotliwości różnicowej) w krysztale PPLN. Za kryształem PPLN umieszczono filtr germanowy o charakterystyce dolnoprzepustowej, pozwalający na pozostawienie w widmie wyjściowym jedynie sygnału o długości fali około 3,39 μm.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia efektywny układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni z kryształem PPLN sprzężonym ze źródłem światła bezpośrednio za pomocą światłowodu jednomodowego, a fig. 2 - układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni z kryształem PPLN sprzężonym ze źródłem światła bezpośrednio za pomocą światłowodu jednomodowego i z dwoma przedwzmacniaczami dla sygnałów użytecznych.

P r z y k ł a d 1

Układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni z kryształem PPLN sprzężonym ze źródłem światła bezpośrednio za pomocą światłowodu jednomodowego składa się kolejno z dwóch laserów sygnałowych sprzężonych ze światłowodami jednomodowymi LS1 i LS2, pracujących na długościach fali odpowiednio około 1550 nm oraz 1064 nm, będących laserami półprzewodnikowymi, laserami światłowodowymi lub laserami na ciele stałym, połączonymi z izolatorami optycznymi IO. Obie wiązki laserowe kierowane są światłowodami jednomodowymi do wejść sprzęgacza światłowodowego WDM1, będącego sprzęgaczem łączącym dwie wiązki na długościach 1550 i 1064 nm w jeden światłowód jednomodowy. Następnie wiązka zostaje wprowadzona do rdzenia światłowodu z podwójnym płaszczem domieszkowanego jonami erbu i iterbu F, w którym dochodzi do wzmocnienia obu sygnałów jednocześnie. Światłowód z podwójnym płaszczem pompowany jest przez n wielomodowych laserów pompujących WLP pracujących na długości fali z zakresu 915 - 975 nm. Promieniowanie pompujące wprowadzone jest do płaszcza światłowodu F za pośrednictwem wielomodowego sprzęgacza światłowodowego SPN, który jest sprzęgaczem typu n+1:1, o n wejściach pompujących, jednym wejściu sygnałowym i jednym wyjściu sygnałowym. Sprzęgacz SPN wyprowadza wzmocnione promieniowanie na obu długościach fali z rdzenia światłowodu z podwójnym płaszczem. Następnie obie wiązki są odseparowane od siebie w drugim sprzęgaczu WDM2. Do obu wyjść sprzęgacza WDM2 wpięte są izolatory optyczne IO zabezpieczające cały układ przed wstecznymi odbiciami oraz przed wzbudzeniem się spontanicznej akcji laserowej. Sygnał z obu izolatorów IO trafia na trzeci sprzęgacz WDM3, w którym dwie wiązki są ponownie łączone w jedną w jednym światłowodzie jednomodowym, który jest połączony z kryształem nieliniowym KNS, będącym periodycznie spolaryzowanym niobianem litu, odpowiedzialnym za nieliniową generację częstotliwości różnicowej. Za kryształem KNS znajduje się dolnoprzepustowy filtr germanowy FG, wycinający z całego widma jedynie sygnał użyteczny na długości fali 3,39 μm.

P r z y k ł a d 2

Układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni z kryształem PPLN sprzężonym ze źródłem światła bezpośrednio za pomocą światłowodu jednomodowego, wykonany tak jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że pomiędzy lasery sygnałowe pierwszy LS1 i drugi LS2 a pierwszy sprzęgacz WDM1 wstawione są przedwzmacniacze, wzmacniające sygnały użyteczne. Za pierwszym laserem sygnałowym LS1 wstawiony jest wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym erbem PWE, pozwalający na wzmocnienie sygnałów z pasma trzeciego okna telekomunikacyjnego w zakresie 1530-1580 nm. Przed i za wzmacniaczem znajdują się izolatory IO zabezpieczające wzmacniacz przed wzbudzeniem się akcji laserowej oraz zabezpieczające laser przed sygnałami odbitymi. Za drugim laserem sygnałowym LS2 wstawiony jest wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym iterbem PWI, pozwalający na wzmocnienie sygnałów z pasma 1030-1080 nm. Przed i za wzmacniaczem znajdują się izolatory IO zabezpieczające wzmacniacz przed wzbudzeniem się akcji laserowej oraz zabezpieczające laser przed sygnałami odbitymi.

Działanie układu według wynalazku, polega na tym, że promieniowanie z zakresu średniej podczerwieni o długości fali około 3,39 μm jest generowane w krysztale typu PPLN (Periodically Poled Lithium Nobiate, periodycznie spolaryzowany niobian litu) z wykorzystaniem monolitycznego źródła światła generującego promieniowanie o dwóch różnych długościach fali: około 1060 i około 1550 nm. Kryształ PPLN jest ośrodkiem nieliniowym skonstruowanym tak, aby na jego wyjściu wygenerowany został sygnał o częstotliwości będącej różnicą dwóch częstotliwości wejściowych. Jeżeli na kryształ podane zostaną dwie fale o długościach λ₁ oraz λ₂, to wynikowa długość fali λ₃ otrzymana w wyniku nieliniowego mieszania, dana jest wzorem:

PL 217 528 B1

1 _ 1 λι λ₂ λ₃

W przypadku, gdy długość fali λ₁ jest równa 1064 nm, a długość fali λ₂ jest równa 1550 nm, to wynikowa długość fali λ₃ jest równa 3,39 μm. Źródłem obu sygnałów w układzie do generacji promieniowania w średniej podczerwieni, uzyskanego w wyniku zjawiska generacji częstotliwości różnicowej jest jedno, monolityczne światłowodowe źródło światła, wykorzystujące włókno domieszkowane jonami erbu i iterbu. Typowo wzmacniacze erbowo-iterbowe pracują tylko z jednym sygnałem wejściowym na długości 1550 nm. Ze względu na dużą domieszkę iterbu w światłowodzie aktywnym z podwójnym płaszczem F generowany i wzmacniany jest niepożądany szum emisji spontanicznej na długości fali około 1060 nm. Szum ten powoduje zmniejszenie wzmocnienia sygnału użytecznego na długości fali 1550 nm. W szczególnych warunkach, w obecności dużych mocy pompujących, może wzbudzić się niekontrolowana akcja laserowa, destabilizująca pracę układu, mogąca doprowadzić nawet do uszkodzenia światłowodu aktywnego lub innego elementów układu. Wprowadzenie do światłowodu erbowoiterbowego dodatkowego sygnału na długości ok. 1064 nm pozwala z jednej strony na poprawę stabilności układu i zwiększenie sprawności na długości 1550 nm, poprzez wyeliminowanie szumu emisji spontanicznej, a z drugiej strony pozwala na stworzenie efektywnego, dwuczęstotliwościowego wzmacniacza światłowodowego. W układzie do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni światłowód aktywny z podwójnym płaszczem F pompowany jest za pomocą co najmniej jednego wielomodowego lasera półprzewodnikowego. Promieniowanie pompujące jest wprowadzone do światłowodu aktywnego z podwójnym płaszczem F za pośrednictwem wielomodowego sprzęgacza światłowodowego WLP typu n+1:1, czyli posiadającego n wejść pompujących, jedno wejście i wyjście sygnałowe. Wzmocnione promieniowanie z dwóch zakresów długości fali około 1060 i 1550 nm zostaje następnie wprowadzone jednym światłowodem do kryształu PPLN. Obie wiązki mogą być podane na kryształ PPLN bezpośrednio jednym, wspólnym światłowodem, gdy kryształ PPLN jest w konstrukcji sprzężonej ze światłowodem. W krysztale PPLN dochodzi do nieliniowego zjawiska generacji częstotliwości różnicowej i w wyniku oddziaływania dwóch fal powstaje trzecia fala, o długości fali λ3. Za kryształem PPLN umieszczony jest filtr germanowy FG, będący filtrem dolnoprzepustowym. Filtr FG ten wycina z widma składowe o długościach fali poniżej 2 μm, pozostawiając jedynie wiązkę użyteczną w średniej podczerwieni o długości około 3,39 μm.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do generacji promieniowania optycznego w średniej podczerwieni, znamienny tym, że ma dwa lasery sygnałowe (LS1, LS2) połączone światłowodami jednomodowymi poprzez izolatory optyczne (IO) z dwoma wejściami pierwszego multipleksera (WDM1), którego wyjście połączone jest światłowodem (F) z podwójnym płaszczem ze sprzęgaczem światłowodowym (SPN) typu n+1:1, a sprzęgacz światłowodowy (SPN) typu n+1:1 połączony jest z wejściem drugiego multipleksera (WDM2), natomiast dwa wyjścia drugiego multipleksera (WDM2) połączone są przez dwa izolatory optyczne (IO) z dwoma wejściami trzeciego multipleksera (WDM3), przy czym wiązka światła z trzeciego multipleksera (WDM3) poprzez kryształ nieliniowy (KNS) pada na dolnoprzepustowy filtr germanowy (FG), który jest na wyjściu układu, ponadto do sprzęgacza światłowodowego (SPN) typu n+1:1, podłączony jest co najmniej jeden wielomodowy półprzewodnikowy laser pompujący (WLP).
2. 2. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy laser sygnałowy (LS1) pracujący na długości fali około 1550 nm połączony jest z wejściem pierwszego multipleksera (WDM1) poprzez połączone szeregowo izolator optyczny (IO) i światłowodowy wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym erbem (PWE).
3. 3. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy laser sygnałowy (LS1) pracujący na długości fali około 1550 nm połączony jest z wejściem pierwszego multipleksera (WDM1) poprzez połączone szeregowo izolator optyczny (IO) i światłowodowy wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym erbem (PWE), natomiast drugi laser sygnałowy (LS2) pracujący na długości fali około 1064 nm połączony jest z wejściem pierwszego multipleksera (WDM1) poprzez połączone szeregowo izolator optyczny (IO) i światłowodowy wzmacniacz oparty na włóknie domieszkowanym iterbem (PWI).
4. 4. Układ, według zastrz. 1, znamienny tym, że światłowód (F) z podwójnym płaszczem domieszkowany jest jonami erbu i iterbu.