WO2004114477A1 - Optical amplifier system - Google Patents

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WO2004114477A1
WO2004114477A1 PCT/EP2004/005823 EP2004005823W WO2004114477A1 WO 2004114477 A1 WO2004114477 A1 WO 2004114477A1 EP 2004005823 W EP2004005823 W EP 2004005823W WO 2004114477 A1 WO2004114477 A1 WO 2004114477A1
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WO
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energy level
amplifier system
waveguide section
ions
fiber
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Application number
PCT/EP2004/005823
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Inventor
Reinhard Caspary
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Technische Universität Braunschweig
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/094Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094003Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light the pumped medium being a fibre
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    • H01S3/30Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects
    • H01S3/302Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range using scattering effects, e.g. stimulated Brillouin or Raman effects in an optical fibre

Definitions

  • the invention relates to an optical amplifier system for amplifying signal radiation propagating in optical fibers or other optical waveguides.
  • optical amplifier systems are used in recent years worldwide in data networks in which glass fibers, preferably one-mode silicate glass fibers are used as the transmission medium, which ensure a high data flow. Although such glass fibers have a low attenuation, it is forced after about 70 - 150 km to amplify the optical signals again. Previously, this was done by way of electrical amplifiers, today almost exclusively uses optical fiber amplifiers, which can amplify large areas in the wavelength band at once, regardless of whether one or more channels are present at different wavelengths and which data rates or encodings have these channels ,
  • Such a fiber amplifier system 101 is shown in FIG. 1 and consists of a glass fiber 105 whose core is doped with optically active erbium ions.
  • the glass fiber 105 is in this case designed as an annular, non-closed loop, wherein a pump laser 107 of suitable wavelength, in the case of erbium usually 980 nm, via a so-called wavelength division multiplex coupler (WDM coupler) 109 is connected to the glass fiber 105.
  • WDM coupler wavelength division multiplex coupler
  • the wavelength division multiplexer 109 combines the radiation in its two input fibers onto a common output fiber.
  • the radiation from the pump laser 107 is absorbed in the fiber 105 and the erbium ions are placed in energetic excited states. If a signal photon now encounters an excited erbium ion, there is a chance that the erbium ion will relax into the ground state by emitting a new photon of the same wavelength, direction and phase (stimulated emission).
  • Signal and pump radiation run together in the fiber core, so that in addition to the stimulated emission and absorption of signal photons by Erbium ions in the ground state takes place. To exclude this effect as much as possible and thus achieve an actual net gain, a certain pump power threshold must be exceeded, so that a significant majority of erbium ions is in an energetically excited state (population inversion).
  • thulium-doped fiber amplifiers in the range of 1450-1490 nm, so the S + band, can be used.
  • the energy level scheme of triply ionized thulium, Tm 3+ is shown in Fig. 3 with the energy plotted upwards in 1000 cm -1 from which it can be seen that the amplifier transition occurs between energy levels 3 and 1.
  • the lower Amplifier level is therefore not the ground state, ie there is a 4-level system before pumping with 790 nm initially in the upper amplifier level 3, from which the ion mainly by stimulated emission changes to state 1.
  • the pumping scheme 1400/800 nm is first described in F. Roy, A. Le Sauze, P. Baniel, D. Bayart: "O. ⁇ m + 1.4 ⁇ m pumping for gain-shifted TDFA with power conversion efficiency exceeding 50%", in Proc. OAA 2001, Stresa, Italy, 2001, paper PD4.
  • a disadvantage of such fiber amplifier systems is that the use of two pump lasers represents a significant cost factor, with the adjustment and tuning of the components is very complicated. At pump wavelengths that are suitable both for emptying the ground state and for emptying the middle energy level 1, one could theoretically make do with a pump laser, which is inevitably very inefficient due to the predetermined position of the energy levels of Tm 3+ .
  • the present invention is therefore based on the object to provide an optical amplifier system based on optically active waveguides, which amplifies wavelengths in a range of 1450-1530 nm, as simple and inexpensive as possible and yet provides an extremely efficient amplification of the signal radiation.
  • Such an optical amplifier system for amplifying signal radiation has at least one waveguide section which is doped with threefold positively charged thulium ions, and at least one pump laser which is connected to the at least one waveguide section and which pumps thulium ions from the basic energy level into the energy level 3 from which the thulium ions change to energy level 1 in the context of stimulated emission through interaction with the signal radiation, and has min. at least one device for emptying the energy level 1 on.
  • the system is characterized in that the device for emptying the energy level 1 comprises suitable optical elements arranged to emit radiation of particular wavelengths emitted by thulium ions contained in the waveguide section at the transition from the energy level 1 to the basic energy level, is returned to the ions, whereby the energy level 1 in the context of stimulated laser emission is emptied to the basic energy level.
  • FIG. 1 shows a prior art Erbium-doped optical amplifier system.
  • FIG. 5 shows a first embodiment of an optical amplifier system according to the invention
  • FIG. 6 shows a second embodiment of an optical amplifier system according to the invention
  • FIG. 8 shows a third embodiment of an optical amplifier system according to the invention.
  • FIG. 5 shows a first embodiment of an optical amplifier system 1 according to the invention.
  • the signal is introduced into the system via single-mode silicate glass fibers (quartz glass fibers) 3 and enters an unclosed annular loop of a glass fiber 5 whose core is doped with threonium ionized thulium ions (Tm 3+ ).
  • the glass material is preferably made of fluoride glass, but fibers of quartz glass, tellurite glass or chalcogenide glass may also be used.
  • the location of thulium energy levels is largely identical in all materials because it is a rare earth element.
  • a pump laser 7 is arranged, which sends pump radiation into the annular glass fiber loop 5.
  • the pump laser can be chosen arbitrarily, in practice, single or parallel laser diodes have proven.
  • the pump laser causes the direct transition from the ground state of the thulium ions to the energy level 3, in the case of Tm 3+ ions it emits radiation in a wavelength range of about 790 nm. It can also be a laser for the transition of the ions from the elemental energy level be used in the energy level 4 or a higher energy level, whereupon the thulium ions relax in the energy level 3. As a result, lower noise figures can be obtained.
  • an external fiber laser as a pump laser can be a better alternative.
  • the above-described transient pumping into an even higher energy level with subsequent relaxation of the ion into energy level 3 is also included.
  • the radiation delivered by the pump laser 7 is coupled via a wavelength division multiplex coupler (WDM coupler) 9 in the signal fiber 5, wherein the WDM coupler, the radiation in its two input fibers to a common output fiber summarizes.
  • WDM coupler wavelength division multiplex coupler
  • the mean energy level 1 is now emptied differently, namely by allowing a fiber laser to run in the amplifier fiber parallel to the amplification process on the transition energy level 1 ⁇ ground state.
  • a mirror 11, 13 is arranged in front of and behind the annular loop 5.
  • Each mirror is connected to the optical fiber 5 via a wavelength-division multiplex coupler 15, 17.
  • the fluorescence of the transition energy level 1 ⁇ ground state at about 1.9 ⁇ m is selectively coupled out via these WDM couplers 15, 17.
  • Fabry-Perot fiber laser FP
  • the mirrors in the FP design can be dielectric or metallic mirrors which are pressed, glued or vapor-deposited directly onto the fiber end. Even bare, straight-cut fiber ends are suitable as a mirror for the fiber laser, because the refractive index difference between fiber and air causes a Fresnel reflection of about 4%, which is often sufficient.
  • fiber Bragg gratings FBG
  • the latter also offer the possibility of merging the WDM couplers 9 and 15 and writing an FBG in the fiber between WDM coupler 9 and pump laser 7.
  • the amplifier system now operates such that an incoming signal of about 1470 nm is introduced into the thulium ion-doped annular glass fiber loop 5 and at the same time the first pump laser 7 sends pump radiation in the range of 790 nm into the loop.
  • the thulium ions are raised to a high energy level, here the energy level 3, from which they relax on stimulation by the signal photons with emission of a new photon of the same wavelength, direction and phase to the energy level 1 (stimulated emission).
  • the energy level 1 is emptied by the following process: the small proportion of thulium ions which, due to spontaneous emission, change from the energy level 1 to the ground state and emit a photon of corresponding wavelength (approximately 1.9 ⁇ m), becomes one of the two WDM coupler 15, 17 coupled and passed back through the respective mirror 11, 13 back into the system.
  • the returned radiation then stimulates a transition to the ground state with emission of corresponding photons in the case of the remaining thulium ions which are in energy level 1 due to stimulated emission.
  • the energy level 3 is constantly heavily occupied by the use of the pump laser 7 and the process described above, so that the signal photons often generate by stimulated emission more signal photons, which eventually cause the signal amplification.
  • FIG. 1 A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the structure is substantially identical to the first embodiment, but no mirrors are used, but the two open fiber ends of the WDM couplers 15, 17 are connected such that a ring resonator 18 results.
  • an optical isolator 19 is preferably included in the ring resonator 18.
  • the insulator 19 is not absolutely necessary, but it is used in the ring resonator 18 to set the direction of rotation of the laser oscillation. Without the insulator 19, two opposing waves would form which interfere with each other and thus only selectively space-discharge the excited states in the doped fiber.
  • the installation direction of the insulator 19, however, is arbitrary.
  • the two WDM couplers 15, 17 act as wavelength-selective elements, so that only wavelengths in the range of 1, 9 microns are transmitted.
  • the fiber laser Since the resulting 1.9 ⁇ m fiber laser is a 3-level laser, it can not completely empty the energy level 1. In order to empty the level as much as possible, the fiber laser should start at the largest possible wavelength, which can be achieved either by a suitable design of the wavelength characteristic of the WDM coupler 15, 17 or by the use of a filter 21 in the resonator 18. In the structure according to FIG. 5, the spectral reflection of the mirrors 11, 13 can be suitably designed for this purpose (dielectric mirrors).
  • the amplifier according to the previous description is optimized to work in the spectral range around the maximum of the Tm fluorescence, ie in the S + band.
  • the absorption peak at approximately 1390 nm shown in dashed lines in FIG. 2 extends with its long-wave tail into the S + band.
  • This absorption is due to OH " ions in the glass matrix, which are eliminated in modern glass fibers but still play a role in many fiber lines already laid, which is why network operators prefer S-band amplifiers at 1490-1530 nm directly to the C-band, where one can take advantage of the fact that, in spectrum is always shifted toward longer wavelengths with respect to the absorption spectrum, as shown in Fig. 7, wherein the absorption line 30 and the emission line 32 of an optical transition are respectively plotted across the wavelength in arbitrary units. This effect can be explained by the Bolzmann distribution.
  • the ground state is very heavily occupied in an only weakly pumped amplifier fiber, and therefore the absorption of the signal radiation plays a major role.
  • these signal components are strongly absorbed (and thus recycled) by the weakly pumped amplifier.
  • the net gain occurs at longer wavelengths where the absorption spectrum has already decayed.
  • the second doped fiber 23 is transparent to the signal wavelength as long as the associated pump laser 25 coupled via a WDM coupler 27 is turned off. Even with low pumping power can occupy the energy level 1, which then ensures that the short-wave signal components are absorbed. Since this absorption occurs at energy level 3, the power is not lost, but contributes to amplification at longer wavelengths.
  • additional additional pump lasers with associated WDM couplers can be practically any desired distributed over the entire structure, and pump the various doped fiber segments from the front and / or from the rear. It is also possible to combine the emptying of the energy level 1 by means of a fiber laser with conventional pumping schemes, for example to increase their power efficiency. Wherever a thulium-doped fiber is mentioned in the above examples, in practice also several thulium-doped fibers may be used. In front of and behind these fibers optical filters and / or optical isolators can be installed.
  • any optical waveguide can alternatively be used. This applies in particular to the optically active doped glass fibers, which can be designed as doped waveguides of any design.
  • a WDM coupler is usefully realized as a fiber-melt coupler, but also structures with waveguide couplers in planar optics are conceivable. Then, for example, in the structure in FIG. 5, one could combine the two couplers 9, 15 and the pump laser 7 and the mirror 11 on a substrate.
  • the present invention thus provides a system which can be used in addition to existing EDFAs and provides a simple way efficient amplification of signal photons.

Abstract

The invention relates to an optical amplifier system for amplifying signal radiation, comprising a waveguide section (5), which is doped with triple positively charged thulium ions, and comprising a pumping laser (7) that is connected to the waveguide section (5) and pumps the thulium ions from the base energy level to energy level 3, from which the thulium ions, within the scope of stimulated emission, change to energy level 1 by interacting with the signal radiation. The system also comprises a device for emptying energy level 1, which is characterized in that it has appropriate optical elements (11, 13, 15, 17, 18) that are arranged in such a manner that radiation of certain wavelengths, which is emitted by thulium ions contained in the waveguide section (5) during the transition from energy level 1 to the base energy level, is returned to the ions whereby energy level 1, within the scope of stimulated laser emission, is emptied until the base energy level is reached.

Description

Optisches Verstärkersystem Optical amplifier system
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein optisches Verstärkersystem zur Verstärkung von sich in Glasfasern oder anderen optischen Wellenleitern vorwärts bewegender Signalstrahlung.The invention relates to an optical amplifier system for amplifying signal radiation propagating in optical fibers or other optical waveguides.
Derartige optische Verstärkersysteme werden in den letzten Jahren weltweit in Datennetzen eingesetzt, in denen als Übertragungsmedium Glasfasern, vorzugsweise einmodige Silikatglasfasern, zum Einsatz kommen, welche einen hohen Datenfluß gewährleisten. Obwohl derartige Glasfasern eine geringe Dämpfung aufweisen, ist man nach etwa 70 - 150 km gezwungen, die optischen Signale wieder zu verstärken. Früher erfolgte dies auf dem Umweg über elektrische Verstärker, heute setzt man nahezu ausschließlich optische Faserverstärker ein, die jeweils große Bereiche im Wellenlängenband auf einmal verstärken können, unabhängig davon, ob einer oder mehrere Kanäle auf verschiedenen Wellenlängen anliegen und welche Datenraten oder Kodierungen diese Kanäle aufweisen.Such optical amplifier systems are used in recent years worldwide in data networks in which glass fibers, preferably one-mode silicate glass fibers are used as the transmission medium, which ensure a high data flow. Although such glass fibers have a low attenuation, it is forced after about 70 - 150 km to amplify the optical signals again. Previously, this was done by way of electrical amplifiers, today almost exclusively uses optical fiber amplifiers, which can amplify large areas in the wavelength band at once, regardless of whether one or more channels are present at different wavelengths and which data rates or encodings have these channels ,
Zur Datenübertragung wurde lange Zeit praktisch ausschließlich das C-Band im Bereich von 1.530 - 1.570 nm um das Dämpfungsminimum von Quarzglasfasern 103 genutzt. Zur Verstärkung von Signalen in diesem Wellenlängenbereich werden nahezu ausschließlich Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) eingesetzt. Ein derartiges Faserverstärkersystem 101 ist in Fig. 1 dargestellt und besteht aus einer Glasfaser 105, deren Kern mit optisch aktiven Erbium-Ionen dotiert ist. Die Glasfaser 105 ist hierbei als ringförmige, nicht geschlossene Schleife ausgebildet, wobei ein Pumplaser 107 passender Wellenlänge, im Falle von Erbium meist 980 nm, über einen sogenannten Wellenlängenmultiplex-Koppler (WDM-Koppler) 109 mit der Glasfaser 105 verbunden ist. Der Wellenlängenmultiplex- Koppler 109 faßt die Strahlung in seinen beiden Eingangsfasern auf eine gemeinsame Ausgangsfaser zusammen. Die Strahlung aus dem Pumplaser 107 wird in der Faser 105 absorbiert, und die Erbium-Ionen werden in energetisch angeregte Zustände versetzt. Trifft nun ein Signalphoton auf ein angeregtes Erbium-Ion, so besteht die Chance, daß das Erbium-Ion unter Aussendung eines neuen Photons gleicher Wellenlänge, Richtung und Phase in den Grundzustand relaxiert (stimulierte Emmission). Signal- und Pumpstrahlung laufen hierbei gemeinsam im Faserkern, so daß neben der stimulierten Emission auch eine Absorption von Signalphotonen durch Erbium-Ionen im Grundzustand stattfindet. Um diesen Effekt möglichst auszuschließen und so eine tatsächliche Nettoverstärkung zu erzielen, muß eine gewisse Pumpleistungsschwelle überschritten werden, so daß sich eine deutliche Mehrzahl an Erbium-Ionen in einem energetisch angeregten Zustand befindet (Besetzungsinversion).For a long time, almost exclusively the C-band in the range of 1,530 - 1,570 nm was used around the attenuation minimum of quartz glass fibers 103 for data transmission. For amplification of signals in this wavelength range almost exclusively erbium-doped fiber amplifiers (EDFA) are used. Such a fiber amplifier system 101 is shown in FIG. 1 and consists of a glass fiber 105 whose core is doped with optically active erbium ions. The glass fiber 105 is in this case designed as an annular, non-closed loop, wherein a pump laser 107 of suitable wavelength, in the case of erbium usually 980 nm, via a so-called wavelength division multiplex coupler (WDM coupler) 109 is connected to the glass fiber 105. The wavelength division multiplexer 109 combines the radiation in its two input fibers onto a common output fiber. The radiation from the pump laser 107 is absorbed in the fiber 105 and the erbium ions are placed in energetic excited states. If a signal photon now encounters an excited erbium ion, there is a chance that the erbium ion will relax into the ground state by emitting a new photon of the same wavelength, direction and phase (stimulated emission). Signal and pump radiation run together in the fiber core, so that in addition to the stimulated emission and absorption of signal photons by Erbium ions in the ground state takes place. To exclude this effect as much as possible and thus achieve an actual net gain, a certain pump power threshold must be exceeded, so that a significant majority of erbium ions is in an energetically excited state (population inversion).
Nachdem die möglichen Datenraten der optischen Signalübertragung noch bis vor wenigen Jahren nahezu unerschöpflich schienen, hat der Internet-Boom der letzten Jahre dafür gesorgt, daß die Grenzen der aktuellen Technik ins Blickfeld der Forschung gerückt sind. Es ist damit zu rechnen, daß in ein paar Jahren die ersten Übertragungsstrecken an physikalische Grenzen stoßen. Obwohl eine Ü bertrag ungsstrecke eine maximale Bandbreite von 10 Tbit/s aufweisen kann, was auf den ersten Blick gigantisch erscheint, wird diese Datenrate auf den kontinentalen Backbone-Strecken, auf denen sich der Datenverkehr bündelt, bereits heute nahezu erreicht. Um zu verhindern, neue Glasfasern verlegen zu müssen, wurden deshalb neuartige Faserverstärker entwickelt, die neue Übertragungsbänder erschließen und parallel zu den existierenden EDFAs geschaltet werden können. Die Lage der Verstärkungsspektren verschiedener Seltenerd-dotierter Faserverstärker sowie einiger wichtiger optischer Übertragungsbänder ist in Fig. 2 dargestellt, aufgetragen über die Wellenlänge in nm.Since the possible data rates of optical signal transmission seemed almost inexhaustible until just a few years ago, the Internet boom of recent years has ensured that the limits of current technology are in the focus of research. It can be expected that in a few years the first transmission links will reach physical limits. Although a transmission link can have a maximum bandwidth of 10 Tbit / s, which seems gigantic at first glance, this data rate is already almost reached on the continental backbone routes on which traffic is concentrated. In order to avoid having to lay new glass fibers, therefore, novel fiber amplifiers have been developed, which open up new transmission bands and can be connected in parallel to the existing EDFAs. The location of the gain spectra of various rare-earth doped fiber amplifiers as well as some important optical transmission bands is shown in FIG. 2 plotted over the wavelength in nm.
So ist zum Beispiel schon seit vielen Jahren bekannt, daß Thulium-dotierte Faserverstärker (TDFA) im Bereich von 1450 - 1490 nm, also dem S+-Band, eingesetzt werden können. Das Energieniveauschema von dreifach-ionisiertem Thulium, Tm3+, ist in Fig. 3 dargestellt, wobei die Energie in 1000 cm"1 nach oben aufgetragen ist. Hieraus ist zu entnehmen, daß der Verstärkerübergang zwischen den Energieniveaus 3 und 1 stattfindet. Das untere Verstärkerniveau ist also nicht der Grundzustand, d.h. es liegt ein 4-Niveau-System vor. Gepumpt wird mit 790 nm zunächst ins obere Verstärkerniveau 3, aus dem das Ion hauptsächlich durch stimulierte Emission in den Zustand 1 wechselt. Dieser Zustand ist aber sehr langlebig, so daß der Vorgang ohne weitere Vorkehrungen an dieser Stelle terminieren würde. Um dies zu verhindern, wird bislang zusätzlich noch mit einem zweiten Pumplaser, z.B. bei 1420 nm, gepumpt. Diese Strahlung wird nicht vom Grundzustand absorbiert, sondern vom Energieniveau 1 , wodurch die im Niveau 1 befindlichen Thulium-Ionen auf das Energieniveau 3 angehoben werden. Diese zweite Pumpe ist vom Quantendurchsatz her die deutlich wichtigere, und die Ionen erreichen nur selten den Grundzustand, so daß sozusagen ein Quasi-3-Niveau-System vorliegt. Der Prinzipaufbau eines konventionellen TDFA, dargestellt in Fig. 4, unterscheidet sich demnach auch nur unwesentlich von dem des EDFA in Fig. 1. Es muß lediglich ein zweiter Pumplaser 108 mit passendem WDM-Koppler 115 ergänzt werden.For example, it has been known for many years that thulium-doped fiber amplifiers (TDFA) in the range of 1450-1490 nm, so the S + band, can be used. The energy level scheme of triply ionized thulium, Tm 3+ , is shown in Fig. 3 with the energy plotted upwards in 1000 cm -1 from which it can be seen that the amplifier transition occurs between energy levels 3 and 1. The lower Amplifier level is therefore not the ground state, ie there is a 4-level system before pumping with 790 nm initially in the upper amplifier level 3, from which the ion mainly by stimulated emission changes to state 1. This state is very durable, so that the process would terminate without further precautions at this point.To prevent this, is pumped additionally with a second pump laser, eg at 1420 nm, this radiation is not absorbed by the ground state, but by energy level 1, whereby the in Level 1 thulium ions are raised to the energy level 3. This second pump is the quantum from the much more important, and the ions n rarely reach the ground state, so that, so to speak, a quasi-3-level system is present. The basic structure of a conventional TDFA, shown in Fig. 4, therefore differs only slightly from that of the EDFA in Fig. 1. It only has a second pump laser 108 with matching WDM coupler 115th be supplemented.
Neben dem eben vorgestellten Pumpschema mit 790 und 1420 nm wurden in den letzten Jahren noch eine Vielzahl weiterer Pumpschemata mit anderen Pumpwellenlängen untersucht. Allen ist gemeinsam, daß zwei Pumpübergänge genutzt werden, einer zum Entleeren des Grundzustandes und einer zum Entleeren des mittleren Energieniveaus 1. In Veröffentlichungen solcher Faserverstärkersysteme wird das Pumpschema 1050/800 nm erstmals beschrieben in A. S. L. Gomes, M. L. Sundheimer, M. T. Carvalho, J. F. Martins-Filho, C. J. A. Bastos-Filho, W. Margulis: "Novel dual wavelength (1050nm + 800nm) pumping scheme for thulium doped fiber amplifiers", in Proc. OFC 2002, Anaheim CA, USA, 2002, paper FB2. Das Pumpschema 1400/800 nm wird erstmals beschrieben in F. Roy, A. Le Sauze, P. Baniel, D. Bayart: "O.δμm + 1.4μm pumping for gain-shifted TDFA with power conversion efficiency exceeding 50%", in Proc. OAA 2001 , Stresa, Italy, 2001 , paper PD4.In addition to the 790 and 1420 nm pumping scheme just presented, a large number of other pumping schemes with different pump wavelengths have been investigated in recent years. All have in common that two pump transitions are used, one for emptying the ground state and one for emptying the average energy level 1. In publications of such fiber amplifier systems, the pumping scheme 1050/800 nm is first described in ASL Gomes, ML Sundheimer, MT Carvalho, JF Martins- Filho, CJA Bastos-Filho, W. Margulis: "Novel dual wavelength (1050nm + 800nm) pumping scheme for thulium doped fiber amplifiers", in Proc. OFC 2002, Anaheim CA, USA, 2002, paper FB2. The pumping scheme 1400/800 nm is first described in F. Roy, A. Le Sauze, P. Baniel, D. Bayart: "O.δμm + 1.4μm pumping for gain-shifted TDFA with power conversion efficiency exceeding 50%", in Proc. OAA 2001, Stresa, Italy, 2001, paper PD4.
Nachteilig an derartigen Faserverstärkersystemen ist, daß die Verwendung von zwei Pumplasern einen erheblichen Kostenfaktor darstellt, wobei auch die Justierung und Abstimmung der Komponenten sehr kompliziert ist. Bei Pumpwellenlängen, die sowohl zum Entleeren des Grundzustandes als auch zum Entleeren des mittleren Energieniveaus 1 geeignet sind, könnte man theoretisch auch mit einem Pumplaser auskommen, was durch die vorgegebene Lage der Energieniveaus von Tm3+ zwangsläufig aber sehr ineffizient ist.A disadvantage of such fiber amplifier systems is that the use of two pump lasers represents a significant cost factor, with the adjustment and tuning of the components is very complicated. At pump wavelengths that are suitable both for emptying the ground state and for emptying the middle energy level 1, one could theoretically make do with a pump laser, which is inevitably very inefficient due to the predetermined position of the energy levels of Tm 3+ .
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Verstärkersystem, basierend auf optisch aktiven Wellenleitern, zu schaffen, das Wellenlängen in einem Bereich von 1450 - 1530 nm verstärkt, möglichst einfach und kostengünstig aufgebaut ist und dennoch eine extrem effiziente Verstärkung der Signalstrahlung liefert.The present invention is therefore based on the object to provide an optical amplifier system based on optically active waveguides, which amplifies wavelengths in a range of 1450-1530 nm, as simple and inexpensive as possible and yet provides an extremely efficient amplification of the signal radiation.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Verstärkersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an optical amplifier system having the features of claim 1.
Ein derartiges optisches Verstärkersystem zur Verstärkung von Signalstrahlung weist mindestens einen Wellenleiterabschnitt auf, der mit dreifach positiv geladenen Thulium-Ionen dotiert ist, außerdem mindestens einen Pumplaser, der mit dem mindestens einen Wellenleiterabschnitt verbunden ist und die Thulium-Ionen vom Grundenergieniveau in das Energieniveau 3 pumpt, aus dem die Thulium-Ionen im Rahmen stimulierter Emission durch Wechselwirkung mit der Signalstrahlung in das Energieniveau 1 wechseln, und weist min- destens eine Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 auf. Das System ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 geeignete optische Elemente aufweist, die derart angeordnet sind, daß Strahlung bestimmter Wellenlängen, die von in dem Wellenleiterabschnitt enthaltenen Thulium-Ionen beim Übergang aus dem Energieniveau 1 in das Grundenergieniveau emittiert wird, wieder auf die Ionen zurückgeleitet wird, wodurch das Energieniveau 1 im Rahmen stimulierter Laseremission zum Grundenergieniveau hin entleert wird. Somit ist es möglich, auch ohne Verwendung eines zweiten Pumplasers ein effizientes und kostengünstiges Verstärkersystem zu schaffen, das zudem weniger Energie verbraucht und weniger störanfällig ist.Such an optical amplifier system for amplifying signal radiation has at least one waveguide section which is doped with threefold positively charged thulium ions, and at least one pump laser which is connected to the at least one waveguide section and which pumps thulium ions from the basic energy level into the energy level 3 from which the thulium ions change to energy level 1 in the context of stimulated emission through interaction with the signal radiation, and has min. at least one device for emptying the energy level 1 on. The system is characterized in that the device for emptying the energy level 1 comprises suitable optical elements arranged to emit radiation of particular wavelengths emitted by thulium ions contained in the waveguide section at the transition from the energy level 1 to the basic energy level, is returned to the ions, whereby the energy level 1 in the context of stimulated laser emission is emptied to the basic energy level. Thus, it is possible, even without the use of a second pump laser to create an efficient and cost-effective amplifier system, which also consumes less energy and less susceptible to interference.
Die abhängigen Ansprüche bilden vorteilhafte Ausgestaltungen des in Anspruch 1 beschriebenen Verstärkersystems.The dependent claims form advantageous embodiments of the amplifier system described in claim 1.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Darin zeigt:Further details, features and advantages will become apparent from the following description with reference to the drawings. It shows:
Fig. 1 ein optisches Erbium-dotiertes Faserverstärkersystem nach dem Stand der Technik,FIG. 1 shows a prior art Erbium-doped optical amplifier system. FIG.
Fig. 2 Verstärkungsspektren verschiedener Faserverstärker sowie die Lage einiger wichtiger optischer Übertragungsbänder von S+ - L+,2 shows gain spectra of various fiber amplifiers and the location of some important optical transmission bands of S + - L + ,
Fig. 3 das Energieniveauschema von dreifach positiv geladenen Thulium-Ionen mit den relevanten Übergängen,3 shows the energy level scheme of threefold positively charged thulium ions with the relevant transitions,
Fig. 4 ein optisches Thulium-dotiertes Faserverstärkersystem nach dem Stand der Technik,4 shows an optical thulium-doped fiber amplifier system according to the prior art,
Fig. 5 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkersystems,5 shows a first embodiment of an optical amplifier system according to the invention,
Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkersystems,6 shows a second embodiment of an optical amplifier system according to the invention,
Fig. 7 eine Darstellung der Absorptions- und Emissionskurve eines optischen Über- gangs, und7 shows a representation of the absorption and emission curve of an optical transmission gangs, and
Fig. 8 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkersystems.8 shows a third embodiment of an optical amplifier system according to the invention.
In Fig. 5 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Verstärkersystems 1 gezeigt. Das Signal wird über einmodige Silikatglasfasern (Quarzglasfasern) 3 in das System eingebracht und tritt dort in eine nicht geschlossene ringförmige Schleife einer Glasfaser 5 ein, deren Kern mit dreifach ionisierten Thulium-Ionen (Tm3+) dotiert ist. Das Glasmaterial besteht vorzugsweise aus Fluoridglas, es können aber auch Fasern aus Quarzglas, Telluritglas oder Chalkogenidglas verwendet werden. Die Lage der Energieniveaus von Thulium ist in allen Materialien weitgehend identisch, weil es ein Seltenerdelement ist.FIG. 5 shows a first embodiment of an optical amplifier system 1 according to the invention. The signal is introduced into the system via single-mode silicate glass fibers (quartz glass fibers) 3 and enters an unclosed annular loop of a glass fiber 5 whose core is doped with threonium ionized thulium ions (Tm 3+ ). The glass material is preferably made of fluoride glass, but fibers of quartz glass, tellurite glass or chalcogenide glass may also be used. The location of thulium energy levels is largely identical in all materials because it is a rare earth element.
Vor oder hinter der ringförmigen Glasfaserschleife 5 des Verstärkersystems ist ein Pumplaser 7 angeordnet, der Pumpstrahlung in die ringförmige Glasfaserschleife 5 sendet. Der Pumplaser kann beliebig gewählt werden, in der Praxis haben sich einzelne oder parallel geschaltete Laserdioden bewährt. Üblicherweise ruft der Pumplaser den direkten Übergang vom Grundzustand der Thulium-Ionen in das Energieniveau 3 hervor, im Falle von Tm3+- lonen sendet dieser Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 790 nm. Es kann auch ein Laser für den Übergang der Ionen vom Grundenergieniveau in das Energieniveau 4 oder ein höheres Energieniveau eingesetzt werden, woraufhin die Thulium-Ionen in das Energieniveau 3 relaxieren. Dadurch können niedrigere Rauschzahlen erhalten werden. Für einen solchen Übergang kann auch ein externer Faserlaser als Pumplaser eine bessere Alternative sein. Es wird explizit darauf hingewiesen, daß in dem allgemeinen Begriff "Pumpen in das Energieniveau 3" nach der fachspezifischen Terminologie auch das oben beschriebene vorübergehende Pumpen in ein noch höheres Energieniveau mit anschließender Relaxation des Ions in das Energieniveau 3 umfaßt ist. Weil Signal- und Pumpstrahlung gemeinsam im Faserkern laufen müssen, wird die vom Pumplaser 7 gelieferte Strahlung über einen Wellenlängenmultiplex-Koppler (WDM-Koppler) 9 in die Signalglasfaser 5 eingekoppelt, wobei der WDM-Koppler die Strahlung in seinen beiden Eingangsfasern auf eine gemeinsame Ausgangsfaser zusammenfaßt. Bei der Kombination von Signal- und Pumpwellenlänge, für die der WDM-Koppler ausgelegt ist, treten dabei nur minimale Verluste auf. Anstelle des bisher üblichen zweiten Pumplasers bei etwa 1400 nm wird nun das mittlere Energieniveau 1 anders entleert, und zwar dadurch, daß man in der Verstärkerfaser parallel zum Verstärkungsprozeß einen Faserlaser auf dem Übergang Energieniveau 1 → Grundzustand laufen läßt. Hierfür ist vor und hinter der ringförmigen Schleife 5 jeweils ein Spiegel 11, 13 angeordnet. Jeder Spiegel ist über einen Wellenlängenmultiplex-Koppler 15, 17 mit der Glasfaser 5 verbunden. Über diese WDM-Koppler 15, 17 wird selektiv die Fluoreszenz des Übergangs Energieniveau 1 → Grundzustand bei etwa 1 ,9 μm ausgekoppelt. Zusammen mit den beiden Spiegeln 11 , 13 an den Faserenden ergibt sich ein ganz simpler Faserlaser (Fabry-Perot-Faserlaser, FP), der sich automatisch die effizienteste Wellenlänge im Spektralbereich der Fluoreszenz sucht. Die Spiegel beim FP-Aufbau können dielektrische oder metallische Spiegel sein, die an das Faserende gedrückt, geklebt oder direkt aufgedampft werden. Auch blanke, gerade geschnittene Faserenden sind als Spiegel für den Faserlaser geeignet, weil der Brechzahlunterschied zwischen Faser und Luft eine Fresnel-Reflexion von etwa 4 % verursacht, die oftmals ausreichend ist. Ebenso geeignet sind sogenannte Faser-Bragg-Gitter (FBG), die direkt in eine Faser belichtet werden. Letztere bieten auch die Möglichkeit, die WDM-Koppler 9 und 15 zu verschmelzen und ein FBG in die Faser zwischen WDM-Koppler 9 und Pumplaser 7 zu schreiben.In front of or behind the annular glass fiber loop 5 of the amplifier system, a pump laser 7 is arranged, which sends pump radiation into the annular glass fiber loop 5. The pump laser can be chosen arbitrarily, in practice, single or parallel laser diodes have proven. Usually, the pump laser causes the direct transition from the ground state of the thulium ions to the energy level 3, in the case of Tm 3+ ions it emits radiation in a wavelength range of about 790 nm. It can also be a laser for the transition of the ions from the elemental energy level be used in the energy level 4 or a higher energy level, whereupon the thulium ions relax in the energy level 3. As a result, lower noise figures can be obtained. For such a transition, an external fiber laser as a pump laser can be a better alternative. It is explicitly pointed out that in the general term "pumping into energy level 3" according to the subject-specific terminology, the above-described transient pumping into an even higher energy level with subsequent relaxation of the ion into energy level 3 is also included. Because signal and pump radiation must travel together in the fiber core, the radiation delivered by the pump laser 7 is coupled via a wavelength division multiplex coupler (WDM coupler) 9 in the signal fiber 5, wherein the WDM coupler, the radiation in its two input fibers to a common output fiber summarizes. With the combination of signal and pump wavelengths for which the WDM coupler is designed, only minimal losses occur. Instead of the usual second pump laser at about 1400 nm, the mean energy level 1 is now emptied differently, namely by allowing a fiber laser to run in the amplifier fiber parallel to the amplification process on the transition energy level 1 → ground state. For this purpose, in each case a mirror 11, 13 is arranged in front of and behind the annular loop 5. Each mirror is connected to the optical fiber 5 via a wavelength-division multiplex coupler 15, 17. The fluorescence of the transition energy level 1 → ground state at about 1.9 μm is selectively coupled out via these WDM couplers 15, 17. Together with the two mirrors 11, 13 at the fiber ends results in a very simple fiber laser (Fabry-Perot fiber laser, FP), which automatically seeks the most efficient wavelength in the spectral range of fluorescence. The mirrors in the FP design can be dielectric or metallic mirrors which are pressed, glued or vapor-deposited directly onto the fiber end. Even bare, straight-cut fiber ends are suitable as a mirror for the fiber laser, because the refractive index difference between fiber and air causes a Fresnel reflection of about 4%, which is often sufficient. Also suitable are so-called fiber Bragg gratings (FBG), which are exposed directly into a fiber. The latter also offer the possibility of merging the WDM couplers 9 and 15 and writing an FBG in the fiber between WDM coupler 9 and pump laser 7.
Hinter dem zweiten WDM-Koppler 17 wird das verstärkte Signal dann wieder in Quarzglasfasern 3 weiter transportiert.Behind the second WDM coupler 17, the amplified signal is then transported again in quartz glass fibers 3.
Das Verstärkersystem arbeitet nun derart, daß ein eintretendes Signal von etwa 1470 nm in die mit Thulium-Ionen dotierte ringförmige Glasfaserschleife 5 eingeleitet wird und gleichzeitig der erste Pumplaser 7 Pumpstrahlung im Bereich von 790 nm in die Schleife sendet. Dadurch werden die Thulium-Ionen auf ein hohes Energieniveau angehoben, hier das Energieniveau 3, aus dem sie auf Anregung durch die Signalphotonen unter Aussendung eines neuen Photons gleicher Wellenlänge, Richtung und Phase auf das Energieniveau 1 relaxieren (stimulierte Emission). Gleichzeitig wird das Energieniveau 1 durch folgenden Prozeß entleert: der geringfügige Anteil an Thulium-Ionen, die aufgrund von spontaner Emission vom Energieniveau 1 in den Grundzustand übergehen und dabei ein Photon entsprechender Wellenlänge (etwa 1 ,9 μm) aussenden, werden von einem der beiden WDM- Koppler 15, 17 ausgekoppelt und durch den jeweiligen Spiegel 11 , 13 wieder zurück in das System geleitet. Die zurückgeleitete Strahlung regt dann bei den restlichen Thulium-Ionen, die sich im Energieniveau 1 befinden, aufgrund von stimulierter Emission einen Übergang in den Grundzustand unter Aussendung entsprechender Photonen an. Es wird also das Prinzip eines einfachen Faserlasers verwendet, um das Energieniveau 1 zu entleeren, damit der gesamte Verstärkungsprozeß nicht im langlebigen Energieniveau 1 terminiert. Auf diese Weise ist das Energieniveau 3 durch den Einsatz des Pumplasers 7 und den oben beschriebenen Prozeß ständig stark besetzt, so daß die Signalphotonen oft durch stimulierte Emission weitere Signalphotonen erzeugen, die schließlich die Signalverstärkung bewirken.The amplifier system now operates such that an incoming signal of about 1470 nm is introduced into the thulium ion-doped annular glass fiber loop 5 and at the same time the first pump laser 7 sends pump radiation in the range of 790 nm into the loop. As a result, the thulium ions are raised to a high energy level, here the energy level 3, from which they relax on stimulation by the signal photons with emission of a new photon of the same wavelength, direction and phase to the energy level 1 (stimulated emission). At the same time, the energy level 1 is emptied by the following process: the small proportion of thulium ions which, due to spontaneous emission, change from the energy level 1 to the ground state and emit a photon of corresponding wavelength (approximately 1.9 μm), becomes one of the two WDM coupler 15, 17 coupled and passed back through the respective mirror 11, 13 back into the system. The returned radiation then stimulates a transition to the ground state with emission of corresponding photons in the case of the remaining thulium ions which are in energy level 1 due to stimulated emission. So it will be Principle of a simple fiber laser used to empty the energy level 1, so that the entire amplification process does not terminate in the long-lived energy level 1. In this way, the energy level 3 is constantly heavily occupied by the use of the pump laser 7 and the process described above, so that the signal photons often generate by stimulated emission more signal photons, which eventually cause the signal amplification.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Der Aufbau ist im wesentlichen identisch zur ersten Ausführungsform, allerdings werden keine Spiegel verwendet, sondern die beiden offenen Faserenden der WDM-Koppler 15, 17 werden derart verbunden, daß sich ein Ringresonator 18 ergibt. Im Ringresonator 18 ist vorzugsweise ein optischer Isolator 19 enthalten. Der Isolator 19 ist nicht unbedingt nötig, man verwendet ihn aber im Ringresonator 18, um die Umlaufrichtung der Laserschwingung festzulegen. Ohne den Isolator 19 würden sich zwei gegenläufige Wellen ausbilden, die miteinander interferieren und somit die angeregten Zustände in der dotierten Faser nur räumlich selektiv entleeren. Die Einbaurichtung des Isolators 19 ist hingegen beliebig. Auch hier wirken die beiden WDM-Koppler 15, 17 als wellenlängenselektive Elemente, so daß nur Wellenlängen im Bereich von 1 ,9 μm durchgelassen werden.A second embodiment of the present invention is shown in FIG. The structure is substantially identical to the first embodiment, but no mirrors are used, but the two open fiber ends of the WDM couplers 15, 17 are connected such that a ring resonator 18 results. In the ring resonator 18, an optical isolator 19 is preferably included. The insulator 19 is not absolutely necessary, but it is used in the ring resonator 18 to set the direction of rotation of the laser oscillation. Without the insulator 19, two opposing waves would form which interfere with each other and thus only selectively space-discharge the excited states in the doped fiber. The installation direction of the insulator 19, however, is arbitrary. Again, the two WDM couplers 15, 17 act as wavelength-selective elements, so that only wavelengths in the range of 1, 9 microns are transmitted.
Da der so entstandene 1 ,9 μm-Faserlaser ein 3-Niveau-Laser ist, kann er das Energieniveau 1 nicht vollständig entleeren. Um das Niveau möglichst stark zu entleeren, soll der Faserlaser bei einer möglichst großen Wellenlänge anspringen, was entweder durch eine passende Auslegung der Wellenlängencharakteristik der WDM-Koppler 15, 17 oder durch den Einsatz eines Filters 21 im Resonator 18 erreicht werden kann. Beim Aufbau nach Fig. 5 kann zu diesem Zweck auch die spektrale Reflexion der Spiegel 11 , 13 passend ausgelegt werden (dielektrische Spiegel).Since the resulting 1.9 μm fiber laser is a 3-level laser, it can not completely empty the energy level 1. In order to empty the level as much as possible, the fiber laser should start at the largest possible wavelength, which can be achieved either by a suitable design of the wavelength characteristic of the WDM coupler 15, 17 or by the use of a filter 21 in the resonator 18. In the structure according to FIG. 5, the spectral reflection of the mirrors 11, 13 can be suitably designed for this purpose (dielectric mirrors).
Der Verstärker gemäß der bisherigen Beschreibung ist darauf optimiert, im Spektralbereich um das Maximum der Tm-Fluoreszenz, also im S+-Band, zu arbeiten. Die in Fig. 2 gestrichelt dargestellte Absorptionsspitze bei etwa 1390 nm reicht mit ihrem langwelligen Ausläufer bis ins S+-Band hinein. Diese Absorption rührt von OH"-lonen in der Glasmatrix her, die zwar in modernen Glasfasern eliminiert sind, aber in vielen bereits verlegten Faserstrecken noch eine Rolle spielen. Aus diesem Grund bevorzugen die Netzbetreiber Verstärker im S-Band, das mit 1490 - 1530 nm direkt an das C-Band anschließt. Hier kann man sich die Tatsache zunutze machen, daß bei einem optischen Übergang das Emissions- spektrum gegenüber dem Absorptionsspektrum immer zu größeren Wellenlängen hin verschoben ist, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Absorptionslinie 30 und die Emissionslinie 32 eines optischen Übergangs jeweils über die Wellenlänge in willkürlichen Einheiten aufgetragen sind. Dieser Effekt ist durch die Bolzmann-Verteilung erklärbar.The amplifier according to the previous description is optimized to work in the spectral range around the maximum of the Tm fluorescence, ie in the S + band. The absorption peak at approximately 1390 nm shown in dashed lines in FIG. 2 extends with its long-wave tail into the S + band. This absorption is due to OH " ions in the glass matrix, which are eliminated in modern glass fibers but still play a role in many fiber lines already laid, which is why network operators prefer S-band amplifiers at 1490-1530 nm directly to the C-band, where one can take advantage of the fact that, in spectrum is always shifted toward longer wavelengths with respect to the absorption spectrum, as shown in Fig. 7, wherein the absorption line 30 and the emission line 32 of an optical transition are respectively plotted across the wavelength in arbitrary units. This effect can be explained by the Bolzmann distribution.
Bei einem üblichen Drei-Niveau-System ist in einer nur schwach gepumpten Verstärkerfaser der Grundzustand sehr stark besetzt, und daher spielt die Absorption der Signalstrahlung eine große Rolle. Im Gegensatz zum stark gepumpten Verstärker mit entleertem Grundzustand, bei dem die größte Verstärkung im Maximum des Emissionsspektrums auftritt, werden diese Signalanteile beim schwach gepumpten Verstärker stark absorbiert (und somit recycled). Die Nettoverstärkung findet dagegen bei größeren Wellenlängen statt, bei denen das Absorptionsspektrum schon weit abgeklungen ist.In a conventional three-level system, the ground state is very heavily occupied in an only weakly pumped amplifier fiber, and therefore the absorption of the signal radiation plays a major role. In contrast to the heavily pumped amplifier with a depleted ground state, where the largest amplification occurs at the maximum of the emission spectrum, these signal components are strongly absorbed (and thus recycled) by the weakly pumped amplifier. The net gain, on the other hand, occurs at longer wavelengths where the absorption spectrum has already decayed.
Im Falle des neu entwickelten Verstärkersystems ist die Lage etwas komplizierter, weil das untere Verstärkerniveau nicht der Grundzustand, sondern der erste angeregte Zustand ist. Zur definierten Verschiebung des Verstärkungsbandes muß also die Besetzung des Energieniveaus 1 kontrolliert eingestellt werden. Die genaue Einstellung der Emissionswellenlänge des Faserlasers ist zwar nicht grundsätzlich notwendig, führt aber dennoch zu besseren Ergebnissen. Erfolgen kann dies durch geeignete Auslegung der WDM-Koppler 15, 17, durch feste oder variable Filter 21 im Laserresonator 18 oder durch eine geeignete Auslegung der Spiegel 11 , 13 beim FP-Faserlaser.In the case of the newly developed amplifier system, the situation is somewhat more complicated because the lower amplifier level is not the ground state but the first excited state. For defined displacement of the amplification band so the occupation of the energy level 1 must be controlled. Although the exact setting of the emission wavelength of the fiber laser is not fundamentally necessary, it nevertheless leads to better results. This can be achieved by suitable design of the WDM couplers 15, 17, by fixed or variable filters 21 in the laser resonator 18 or by a suitable design of the mirror 11, 13 in the FP fiber laser.
Vorteilhafter ist es jedoch, den Faseriaser bei einer festen, möglichst großen Wellenlänge laufen zu lassen und eine zweite Tm-Faserschleife 23 ohne 1 ,9 μm-Faserlaser hinter die erste Verstärkerstufe zu schalten, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Hierbei ist es unerheblich, ob die erste Verstärkerstufe mit Spiegeln oder einem Ringresonator arbeitet. Die zweite dotierte Faser 23 ist für die Signalwellenlänge transparent, solange der zugehörige, über einen WDM-Koppler 27 eingekoppelte Pumplaser 25 ausgeschaltet ist. Schon mit kleinen Pumpleistungen kann man das Energieniveau 1 besetzen, was dann dafür sorgt, daß die kurzwelligen Signalanteile absorbiert werden. Da diese Absorption ins Energieniveau 3 erfolgt, geht die Leistung nicht verloren, sondern trägt zu einer Verstärkung bei größeren Wellenlängen bei.It is more advantageous, however, to run the fiber laser at a fixed, as large as possible wavelength and to switch a second Tm fiber loop 23 without 1, 9 micron fiber laser behind the first amplifier stage, as shown in Fig. 8. It is irrelevant whether the first amplifier stage works with mirrors or a ring resonator. The second doped fiber 23 is transparent to the signal wavelength as long as the associated pump laser 25 coupled via a WDM coupler 27 is turned off. Even with low pumping power can occupy the energy level 1, which then ensures that the short-wave signal components are absorbed. Since this absorption occurs at energy level 3, the power is not lost, but contributes to amplification at longer wavelengths.
Abweichend von diesen Grundgedanken sind viele weitere Abwandlungen denkbar. So können weitere zusätzliche Pumplaser mit zugehörigen WDM-Kopplem praktisch beliebig über den gesamten Aufbau verteilt sein, und die verschiedenen dotierten Fasersegmente von vorne und/oder von hinten pumpen. Es ist auch möglich, die Entleerung des Energieniveaus 1 mit Hilfe eines Faserlasers mit konventionellen Pumpschemata zu kombinieren, um beispielsweise deren Leistungswirkungsgrad zu erhöhen. Überall, wo in den obigen Beispielen von einer Thulium-dotierten Faser die Rede ist, können in der Praxis auch mehrere Thulium-dotierte Fasern stehen. Vor und hinter diesen Fasern können jeweils optische Filter und/oder optische Isolatoren eingebaut sein.Deviating from these basic ideas, many other modifications are conceivable. Thus, additional additional pump lasers with associated WDM couplers can be practically any desired distributed over the entire structure, and pump the various doped fiber segments from the front and / or from the rear. It is also possible to combine the emptying of the energy level 1 by means of a fiber laser with conventional pumping schemes, for example to increase their power efficiency. Wherever a thulium-doped fiber is mentioned in the above examples, in practice also several thulium-doped fibers may be used. In front of and behind these fibers optical filters and / or optical isolators can be installed.
Überall, wo in den obigen Beispielen von Glasfasern die Rede ist, können alternativ beliebige optische Wellenleiter eingesetzt werden. Dies gilt insbesondere auch für die optisch aktiven dotierten Glasfasern, die als dotierte Wellenleiter beliebiger Bauform ausgeführt sein können.Wherever in the above examples of glass fibers is mentioned, any optical waveguide can alternatively be used. This applies in particular to the optically active doped glass fibers, which can be designed as doped waveguides of any design.
Einen WDM-Koppler realisiert man sinnvollerweise als Faser-Schmelz-Koppler, aber auch Aufbauten mit Wellenleiterkopplern in planarer Optik sind denkbar. Dann könnte man bei dem Aufbau in Fig. 5 beispielsweise die beiden Koppler 9, 15 sowie den Pumplaser 7 und den Spiegel 11 auf einem Substrat zusammenfassen.A WDM coupler is usefully realized as a fiber-melt coupler, but also structures with waveguide couplers in planar optics are conceivable. Then, for example, in the structure in FIG. 5, one could combine the two couplers 9, 15 and the pump laser 7 and the mirror 11 on a substrate.
Durch die vorliegende Erfindung wird also ein System geschaffen, welches neben bereits bestehenden EDFAs eingesetzt werden kann und auf einfache Weise eine effiziente Verstärkung von Signalphotonen liefert. The present invention thus provides a system which can be used in addition to existing EDFAs and provides a simple way efficient amplification of signal photons.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Optisches Verstärkersystem zur Verstärkung von Signalstrahlung,1. Optical amplifier system for amplifying signal radiation,
mit mindestens einem Wellenleiterabschnitt (5), der mit dreifach positiv geladenen Thulium-Ionen dotiert ist,with at least one waveguide section (5) doped with triple positively charged thulium ions,
mit mindestens einem Pumplaser (7), der mit dem mindestens einen Wellenleiterabschnitt (5) verbunden ist und die Thulium-Ionen vom Grundenergieniveau in das Energieniveau 3 pumpt, aus dem die Thulium-Ionen im Rahmen stimulierter Emission durch Wechselwirkung mit der Signalstrahlung in das Energieniveau 1 wechseln, undwith at least one pump laser (7), which is connected to the at least one waveguide section (5) and pumps the thulium ions from the basic energy level to energy level 3, from which the thulium ions as part of stimulated emission by interaction with the signal radiation into the energy level 1 change, and
mit mindestens einer Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 ,with at least one device for emptying energy level 1,
dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that
die Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 geeignete optische Elemente (11 , 13, 15, 17, 18) aufweist, die derart angeordnet sind, daß Strahlung bestimmter Wellenlängen, die von in dem Wellenleiterabschnitt (5) enthaltenen Thulium-Ionen beim Übergang aus dem Energieniveau 1 in das Grundenergieniveau emittiert wird, wieder auf die Ionen zurückgeleitet wird, wodurch das Energieniveau 1 im Rahmen stimulierter Laseremission zum Grundenergieniveau hin entleert wird.the device for emptying the energy level 1 has suitable optical elements (11, 13, 15, 17, 18) which are arranged in such a way that radiation of specific wavelengths emitted by the thulium ions contained in the waveguide section (5) during the transition from the energy level 1 is emitted into the basic energy level, is returned to the ions, whereby the energy level 1 is emptied towards the basic energy level as part of stimulated laser emission.
2. Verstärkersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterabschnitt (5) als mindestens eine dotierte Glasfaser ausgestaltet ist.2. Amplifier system according to claim 1, characterized in that the waveguide section (5) is designed as at least one doped glass fiber.
3. Verstärkersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumplaser (7) über einen Wellenlängenmultiplex-Koppler (9) mit dem Wellenleiterabschnitt (5) verbunden ist.3. Amplifier system according to claim 1 or 2, characterized in that the pump laser (7) via a wavelength division multiplex coupler (9) is connected to the waveguide section (5).
4. Verstärkersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente mindestens zwei Wellenlängenmultiplex- Koppler (15, 17) beinhalten. 4. Amplifier system according to one of the preceding claims, characterized in that the optical elements include at least two wavelength division multiplex couplers (15, 17).
5. Verstärkersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente mindestens zwei Spiegel (11 , 13) beinhalten.5. Amplifier system according to one of the preceding claims, characterized in that the optical elements contain at least two mirrors (11, 13).
6. Verstärkersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel (11 , 13) eine vorbestimmte spektrale Reflexion besitzen.6. Amplifier system according to claim 5, characterized in that the mirrors (11, 13) have a predetermined spectral reflection.
7. Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente einen Ringresonator (18) beinhalten.7. Amplifier system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the optical elements include a ring resonator (18).
8. Verstärkersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator (18) mindestens einen optischen Isolator (19) aufweist.8. An amplifier system according to claim 7, characterized in that the ring resonator (18) has at least one optical isolator (19).
9. Verstärkersystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringresonator (18) mindestens einen optischen Filter (21) aufweist.9. Amplifier system according to claim 7 or 8, characterized in that the ring resonator (18) has at least one optical filter (21).
10. Verstärkersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen variablen Filter aufweist, der geeignet ist, die auf die Thulium-Ionen zurückgeleitete Strahlungsdichte einzustellen.10. Amplifier system according to one of the preceding claims, characterized in that it has at least one variable filter which is suitable for adjusting the radiation density returned to the thulium ions.
11. Verstärkersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem ersten Wellenleiterabschnitt (5), dem ersten Pumplaser (7) und der Vorrichtung zum Entleeren des Energieniveaus 1 ein zweiter Wellenleiterabschnitt (23) und ein zweiter Pumplaser (25) angeordnet sind. 11. Amplifier system according to one of claims 1 to 10, characterized in that after the first waveguide section (5), the first pump laser (7) and the device for emptying the energy level 1, a second waveguide section (23) and a second pump laser (25) are arranged.
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