DE19535809B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so dass ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend:
eine optische Einrichtung, die in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Einrichtung eine Vielzahl von chirp-modulierten Bragg-Gittern enthält, die durch Überlappung kombiniert sind, und wobei jedes der Gitter so gestaltet ist, dass es eine unterschiedliche Ordnung des Frequenz-Chirpen kompensiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung richtet sich auf optische Signalverarbeitung und insbesondere auf ein Verfahren und Gerät zum Steuern und Kompensieren von Chirp-Nichtlinearitäten hoher Ordnung in einem optischen Signal.
  • Ein bandbreitenbeschränkter Impuls bzw. Impuls mit beschränkter Bandbreite ist der kürzeste Impuls für ein gegebenes Spektrum, und er ist dadurch gekennzeichnet, dass all seine Spektralkomponenten zeitlich überlappen (die selbe Phase haben). Die Dauer Δ τ eines Impulses mit beschränkter Bandbreite ist umgekehrt proportional zur Breite seines Frequenzspektrums Δ v : Δ τ ~ 1/Δ v. Impulse mit nicht beschränkter Bandbreite haben ein Frequenz-Chirpen, welches kompensiert werden muss, wobei Impulse mit beschränkter Bandbreite erhalten werden. Die vorliegenden Kompensationstechniken betreffen hauptsächlich Impulse von modenverkoppelten Lasern. In modenverkoppelten Lasersystemen wird Chirp-Steuerung und -Kompensation erreicht, indem dispersive Verzögerungsleitungen innerhalb und außerhalb des Laser-Resonators verwendet werden. Für diesen Zweck werden Prismen, Beugungsgitter, Gires-Tournois-Interferometer oder Vielschicht-Spiegel innerhalb oder außerhalb des Laser-Resonators verwendet.
  • Von einem Beispiel für Chirp-Kompensation wird bei Fork et al., Opt. Lett. 12, 483 (1987) berichtet, welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Ein Beugungsgitterpaar und eine Vier-Prismenanordnung außerhalb des Lasers wurden jeweils bei einer Dispersion erster und zweiter Ordnung von ~ 1000 fs2 und ~ 1000 fs3 verwendet, um das lineare und quadratische Frequenz-Chirpen zu kompensieren. Ein weiteres Beispiel bei A. Stingl et al., Opt. Lett. 19, 204 (1994), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, berichtet von der Verwendung von speziell gestalteten Vielschicht- Spiegeln zum Kompensieren des Frequenz-Chirpens innerhalb des Resonators eines modenverkoppelten Ti:Saphir-Lasers. Dadurch wird die Beseitigung von Chirpen erster Ordnung zugelassen. Die Größe der Dispersion ist ~ 50 fs2 und reicht aus, um Impulse mit beschränkter Bandbreite von < 14 fs mit einer spektralen Breite von > 60 nm zu erreichen. Das letzte Ergebnis dieser Techniken war die Erzeugung der kürzesten optischen Impulse, die nur 6 bis 10 fs lang sind und nur wenige optische Zyklen enthalten.
  • Wie bei Galvanauskas et al., Electron. Lett. 27, 2394 (1991), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, Galvanauskas et al., Appl. Phys. Lett. 63, 1742 (1993), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, und Galvanauskas et al., Opt. Lett. 19, 1043 (1994), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, diskutiert, hat die neueste Entwicklung von kompakten, abstimmbaren Lasern (z.B. Laserdioden mit verteilter Bragg-Reflektion vom Drei-Abschnitts-Typ, Laserdioden mit verteilter Rückkopplung vom Drei-Abschnitts-Typ, Laserdioden mit abstimmbarer Doppel-Wellenführung ("tunable twin guide"), Laserdioden mit vertikaler Kopplung ("vertical-coupler"), Laserdioden mit gekoppelten Resonatoren ("coupled-cavity"), usw.) die Entwicklung einer neuen Technik zur Erzeugung kurzer Impulse ausgelöst. Bei dieser Technik wird die schnelle Abstimmung der Emissionswellenlänge eines abstimmbaren Lasers verwendet, damit man Impulse mit breiter Bandbreite erhält, die auf ultrakurze Dauern komprimiert werden können. Systeme unter Verwendung dieser Technik haben eine Anzahl von Eigenschaften, wie beispielsweise Robustheit, Kompaktheit, Zuverlässigkeit, beliebige Impulswiederholungsrate, hohe Impulsenergien und relativ niedrige Kosten, die sie zu einer interessanten und vielversprechenden Alternative zu den herkömmlichen modenverkoppelten Lasern machen. In der Vergangenheit war die gezeigte Bandbreite bei kontinuierlicher Abstimmung 10 nm. Der potentielle Abstimmbereich ist jedoch so breit wie die Verstärkungsbandbreite des Lasermaterials und kann 100 nm überschreiten, was einer bandbreitenbeschränkten Dauer von weniger als 100 fs entspricht.
  • Der potentielle breite Abstimmbereich ist bis jetzt nicht vollständig ausgenutzt worden, da die Chirp-Nichtlinearität der Impulse von einem abstimmbaren Laser hoch ist, und den konventionellen Techniken gelingt es nicht, solch ein Chirpen zu kompensieren. Bei Galvanauskas et al., Opt. Lett. 19, 1043 (1994) wurde experimentell gezeigt, dass Impulse mit nur 1 bis 2 nm Bandbreite herunter zu der Bandbreitengrenze (~ 2 ps Impulsdauer) komprimiert werden können, wenn eine Drei-Abschnitts-DBR-Laserdiode und eine Beugungsgitterpaar-Kompressionseinrichtung verwendet werden. Mit zusätzlicher nichtlinearer Kompression konnten diese Impulse weiter bis zu 230 fs verkürzt werden, aber die Qualität der Impulse geht verloren, so dass ein breiter Rausch-Hintergrund und Satelliten-Impulse erscheinen.
  • Mit den schnellen Abstimmtechniken werden Chirp-modulierte Impulse bzw. chirped Impulse direkt von einem abstimmbaren Laser erzeugt und außerhalb des Laser-Resonators komprimiert, wie in 1 gezeigt. Im allgemeinen enthält ein kontinuierlich abstimmbaren Laser ein Verstärkungselement, einen Phasen-Modulator, um die Emissionsfrequenz zu verschieben, und einen abstimmbaren Schmalband-Filter, um nur eine longitudinale Mode in dem Resonator zuzulassen. Um schnelle Abstimmung zu erreichen, sollte der Laser-Resonator ausreichend kurz sein und die Geschwindigkeit des Phasen-Modulators und des abstimmbaren Filters sollten ausreichend hoch sein. Die Chirp-Dauer kann ~ 1 ns sein, so dass die Kompression mit einer dispersiven Verzögerungsleitung (z.B. Beugungsgittern oder einer optischen Standard-Faser) einfach ist. Solch eine Geschwindigkeit kann durch optische Einrichtungen erzielt werden, siehe A. Galvanauskas et al., Appl. Phys. Lett. Bd. 63, S. 1742 bis 1744, 1993.
  • Ein Beispiel ist eine abstimmbare Drei-Abschnitts-Laserdiode, die in 2a gezeigt ist. Weitere mögliche abstimmbare Strukturen sind auch in den 2b–f gezeigt, die sich voneinander durch die Kombination der drei Grund-Komponenten unterscheiden. Gegenwärtig sind alle vorliegenden Strukturen, deren Wellenlänge schnell abgestimmt werden kann, Halbleiter-Laserdioden. Wellenlängen-Abstimmung wird durchgeführt, indem man den Brechungsindex des Halbleitermaterials entweder durch Variieren der Ladungsträgerkonzentration (Ladungsträger-Injektion) variiert, oder indem man den elektrooptischen Effekt verwendet. Im Prinzip können auch weitere Typen von abstimmbaren, kompakten Laserstrukturen, z.B. Faserlaser mit kurzem Resonator, Wellenleiterlaser und kompakte Festkörperlaser entwickelt werden, unter Verwendung von integrierten elektrooptischen, Ladungsträger-Injektionsoder weiteren Typen von elektrisch gesteuerten Modulatoren und Filtern.
  • Es ist nützlich, die Chirp-Nichtlinearität zu definieren. Die momentane Frequenz eines chirp-modulierten bzw. chirped Impulses kann in einer Potenzreihe entwickelt werden: ω(t) = ωo + ω1t + ω2t2 + ω3t3 + ... (1)
  • Hier ist ωo die Zentralfrequenz des Impulses, bei der für einen Impuls mit beschränkter Bandbreite gelten sollte: ω(t) = ω0. Weitere Terme, die bei einem Impuls mit beschränkter Bandbreite nicht vorhanden sein sollten, entsprechen jeweils der ersten, zweiten und höheren Ordnung des Frequenz-Chirpen.
  • Wenn die chirp-modulierten Impulse, die durch die schnelle Abstimmung erzeugt werden, nur den linearen Term 1 t in der Zerlegungsgleichung (1) hätten, wäre es einfach, bandbreitenbeschränkte Impulse mit jeder linearen dispersiven Verzögerungsleitung zu erhalten. Eine Anzahl von Vorgängen innerhalb des Resonators eines abstimmbaren Lasers fügen jedoch Chirp-Terme höherer Ordnung hinzu, und typischerweise sind die Größen dieser Terme zu groß, als dass sie durch Standardeinrichtungen kompensiert werden könnten.
  • Ferner wird gewürdigt, dass der wissenschaftliche Aufsatz von Galvanauskas et al., Opt. Lett. 19, 1043 (1994) eine Faserkompression von gechirpten optischen Impulsen aus einer abstimmbaren DBR-Laserdiode offenbart. Dabei wurden optische Impulse im ps-Bereich durch die Faserkompression von gechirpten Impulsen aus einem abstimmbaren Drei-Abschnitts-DBR-Diodenlaser erhalten. Der lineare Frequenz-Chirp wurde durch Abtasten der Emissionswellenlänge im Subnanosekundenbereich auferlegt. Eine Chirp-Bandbreite von 4 nm, die einer ps einer bandbreitenbegrenzten Impulsdauer entspricht, wurde dabei erzielt. Die gemessene Minimaldauer der komprimierten Impulse betrug 50 ps und war durch die Ansprechgeschwindigkeit des Messsystems beschränkt.
  • Ferner offenbart der wissenschaftliche Artikel von Kashyap et al., Electron. Lett. 30, 996 (1994) ein Verfahren zur Erzeugung von fotoinduzierten nur fasergechirpten Gittern. Dabei sind 8 mm lange Gitter mit reproduzierbaren gechirpten Bandbreiten zwischen 3 und 15 nm und Reflektion bis zu 25% dargestellt. Ein nahezu ideales Ansprechen wird für lineare und quadratische Wellenlängen gechirpte Gitter erzielt.
  • Darüber hinaus offenbart der wissenschaftliche Artikel von H. Gysel and M. Ramachandran eine elektrische Vorverzerrung zum Kompensieren der kombinierten Wirkung aus Laserchirp und Faserdispersion. Dabei ist gezeigt, dass der Laserchirp bedeutende nichtlineare Verzerrungen im HF-Bereich von analogen Unterträgersystemen bei dispersiven Faserverknüpfungen verursacht. Die Wirkung kann unter Verwendung der dargestellten elektrischen Kompensationsschaltungen bedeutend reduziert werden.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Techniken zum Kompensieren des nichtlinearen Frequenz-Chirpen von einem schnell abgestimmten Laser einzuführen.
  • Dabei wird für die Erzeugung von Impulsen mit viel kürzeren Dauern als zuvor gesorgt.
  • Ferner werden erfindungsgemäß bandbreitenbeschränkte Impulse mit Spektren erhalten, die den vollständigen Abstimmbereich eines abstimmbaren Lasers enthalten.
  • Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe, indem sie das Chirpen steuert und Chirp-Nichtlinearitäten höherer Ordnung kompensiert, indem sie die nichtlineare Frequenz-Abstimmung und/oder speziell gestaltete nichtlinear dispersive Elemente innerhalb oder außerhalb des Laser-Resonators verwendet. Dies wird gemäß den beigefügten unabhängigen Patentansprüchen erreicht, wobei vorteilhafte Weiterbildungen in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.
    •
  • Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine Veranschaulichung der Erzeugung von ultrakurzen Impulsen unter Verwendung von schneller Wellenlängenabstimmung ist;
  • 2a–f zahlreiche Laserstrukturen zeigen, die für die schnelle Wellenlängenabstimmung geeignet sind;
  • 3 eine schematische Ansicht einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Steuerung und Kompensation von Frequenz-Chirpen ist;
  • 4 ein Beispiel eines elektrischen Integrators mit breiter Bandbreite zeigt;
  • 5a eine graphische Darstellung von Beispielen für zusammengesetzte quadratische elektrische Wellenformen ist;
  • 5b eine graphische Darstellung von Beispielen für zusammengesetzte kubische elektrische Wellenformen ist;
  • 6 ein Blockdiagramm ist, das eine Anordnung zeigt, um die beliebig geformte elektrische Wellenform zu erhalten.
  • 7a zeigt den Effekt eines linear chirp-modulierten Bragg-Gitters ("linearly chirped Bragg grating") auf das Chirpen von reflektierten Impulsen; und
  • 7b zeigt den Effekt eines nichtlinear chirp-modulierten Bragg-Gitters ("nonlinearly chirped Bragg grating") auf das Chirpen von reflektierten Impulsen.
  • Wie in 3 gezeigt, besteht die allgemeine Anordnung der bevorzugten Ausführungsform aus einer Steuerung 12, einem abstimmbaren Laser 10 und dispersiven Komponenten entweder innerhalb oder außerhalb des Laser-Resonators wie beispielsweise der Chirp-Kompensationsstruktur 11. Der abstimmbare Laser 10 umfasst einen Schmalband-Refflektionsfilter 1, Phasenmodulator 2 und Laser-Verstärkungsmaterial 3, während die Chirp-Kompensationsstruktur 11 eine nichtlineare Dispersionskomponente 4 und eine linear dispersive Kompressionseinrichtung 5 hat.
  • Bei Galvanauskas et al., El. Lett. 27, 2394 (1991) und Galvanauskas et al., Appl. Phys. Lett. 63, 1742 (1993) wurde schnelle Abstimmung unter Verwendung von elektrischen Nanosekunden-Impulsen mit einer Sub-Nanosekundenanstiegszeit gezeigt. Um das nichtlineare Frequenz-Chirpen zu steuern, muss komplexere elektrische Abstimmung erzielt werden. Für eine elektrisch abgestimmte Vorrichtung sollte die Abstimmspannung die folgende Form haben: V(t) = a0 + a1t + a2t2 + a3t3 + ... (2)
  • Dann können durch geschickte Auswahl der Größen der Terme in Gleichung (2) die nichtlinearen Terme bei der Chirp-Entwicklung (1) kompensiert werden.
  • Die durch Gleichung (2) dargestellte erforderliche Wellenform zum Steuern der Chirp-Nichtlinearitäten kann mit speziell gestalteten Impuls-Formungstechniken erzielt werden. Zuerst sollten elektrische stufenförmige Impulse mit sehr schnellen Anstiegszeiten und einer längeren Dauer erzeugt werden, wie beispielsweise elektrische Impulse mit 300 bis 600 ps Anstiegszeit und 2 bis 3 ns Dauer. Dann können elektrische Integratoren mit breiter Bandbreite verwendet werden, um die elektrische Wellenform zu formen. Durch Schalten von Integratoren in Reihe kann jeder erwünschte Term in der Entwicklungsgleichung (2) erhalten werden. Beispielsweise wird durch Integrieren eines stufenförmigen Impulses ein linearer Anstieg erhalten; durch Integrieren dieses linearen Anstiegs wird ein quadratischer Anstieg erzeugt usw.
  • 4 zeigt ein Beispiel für einen Integrator mit breiter Bandbreite, der eine Schaltung mit einem Kondensator 41 ist, der parallel mit einer koaxialen Transmissionsleitung 42 geschaltet ist. Für 0,5 bis 2 ns Impuls-Formung sollten die Kapazitätswerte in einem Bereich von ~ 1 bis 20 pF liegen. 5 zeigt Beispiele für quadratische und kubische elektrische Wellenformen, die experimentell mit solchen Integratoren erhalten werden, wo die idealen berechneten Wellenformen im Wesentlichen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.
  • 6 zeigt ein Beispiel für die Verwirklichung einer praktischen Wellenform-Formungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Elektrische Nanosekunden-Impulse mit einer schnellen Anstiegszeit werden mit einem Impulsgenerator erzeugt und in eine Anzahl von Kanälen 22 bis 25 geteilt, so dass die Anzahl an Kanälen 22 bis 25 gleich der Anzahl der erforderlichen Korrektur-Ordnungen ist. Jeder der Kanäle 23 bis 25 enthält Integratoren 26 bis 31, die in Reihe geschaltet sind, so dass die Anzahl der Integratoren 26 bis 31 die Korrektur-Ordnung bestimmt, für deren Steuerung ein spezieller Kanal 23 bis 25 verwendet wird. Die schließliche Wellenform wird erhalten, nachdem man alle Wellenformen von jedem Kanal 22 bis 25 zu einem kombiniert, nach einer geeigneten Verstärkung durch die Verstärker A, wobei dieses Signal dann als Antriebssignal für die Laserquelle verwendet wird. Wellenformen können mit Standard-RF-Leistungsteilern 20 und -Kombinationsvorrichtungen 21 geteilt und kombiniert werden. Durch Steuern der Größe des elektrischen Signals in jedem der Kanäle unter Verwendung der Verstärker A wird die Größe von jeder Chirp-Nichtlinearität gesteuert.
  • Diese Technik der elektrischen Chirp-Kompensation wurde experimentell bestätigt. Frequenz-chirp-modulierte Impulse ("frequency chirped") mit einer Wellenlängenbandbreite von 4 nm wurden in einer Drei-Abschnitts-DBR-Laserdiode, wie in 2a gezeigt, erzeugt. Lineares Chirpen wurde mit einem Beugungsgitterpaar kompensiert, und das verbleibende Chirpen wurde mit einem Spektrometer und einer Nachziehkamera ("streak camera") gemessen. Es wurde geschätzt, dass, um das verbleibende quadratische Chirpen zu kompensieren, wenn keine elektrische Steuerung der Chirp-Nichtlinearität verwendet wurde, eine Dispersion von ~ 1012 fs3 erforderlich gewesen wäre. Chirp-Komponenten höherer Ordnung müssen in diesem Fall auch kompensiert werden. Als die geeignete elektrische Wellenform unter Verwendung einer Konstruktion wie in 6 erzeugt wurde und verwendet wurde, um das Chirpen zu steuern, wurden Chirp-Komponenten mit einer höheren Ordnung als zwei unter die Auflösungsgrenze der Messungen reduziert, und die Größe des quadratischen Chirpen wurde um einen Faktor von ~ 100 verringert. Die geschätzte quadratische Dispersion, die erforderlich ist, um dieses Chirpen zu kompensieren, war ~ 1010fs3, was mit einer Standard-Kompensationsanordnung erhalten werden kann.
  • Es gibt weitere Techniken zum Erzeugen von beliebig geformten elektrischen Picosekunden- bis Nanosekunden-Wellenformen. Beispielsweise kann eine Sequenz von kurzen (Picosekunden-) Impulsen erzeugt werden, und die Größe von jedem Impuls kann gesteuert werden, um die abgetastete bzw. getastete Version der erforderlichen Wellenform zu erhalten. Dann kann durch Leiten dieser Sequenz durch einen Filter eine kontinuierliche Wellenform erhalten werden.
  • Für die optische Chirp-Kompensation können dispersive optische Komponenten zum Kompensieren der Frequenz-Chirp-Nichtlinearitäten außerhalb oder sogar innerhalb des Laser-Resonators verwendet werden. Optische Einrichtungen können als ein Zusatz zu der elektrischen Steuerung verwendet werden, um genau das verbleibende Chirpen zu beseitigen, oder als die Haupt-Kompensationskomponente. Wenn zusätzlich zu der elektrischen Steuerung verwendet, werden die Anforderungen an die Kompensationsgröße und die Anzahl der Ordnungen vereinfacht, und herkömmliche Verfahren mit Beugungsgittern, Prismen, Interferometern oder Vielschicht-Spiegeln können verwendet werden.
  • In dem zweiten Fall, wenn dispersive optische Komponenten als Hauptkompensations-Komponente(n) verwendet werden, sind neue dispersive Komponenten mit steuerbarer und großer nichtlinearer Dispersion erforderlich. Dies kann beispielsweise unter Verwendung eines Bragg-Gitters verwirklicht werden. Zum Kompensieren von linearem Chirpen können linear chirp-modulierte faserinterne Bragg-Gitter verwendet werden, wie bei Oulette, Opt. Lett. 12, 847 (1987) diskutiert, welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Bei der Erfindung werden nichtlinear chirp-modulierte Bragg-Gitter verwendet, um das nichtlineare Frequenz-Chirpen zu kompensieren. Das quadratische Chirp-Profil eines Bragg-Gitters wird quadratisches Frequenz-Chirpen kompensieren, kubisches wird kubisches kompensieren usw. Durch Kombinieren solcher Gitter entweder in Reihe oder durch Überlappen dieser Gitter in einer optischen Faser kann die dispersive Struktur zum Kompensieren von jedem nichtlinearen Chirpen gestaltet und hergestellt werden. Die Dispersion, die mit einem Fasergitter erreicht werden kann, reicht aus, um nichtlinear chirp-modulierte Impulse von einem schnell abgestimmten Laser zu kompensieren. Die Größe der Gitterdispersion ist durch die Länge des Gitters und die Reflektionsbandbreite bestimmt. Bei der vorliegenden Technologie ist von Gittern mit Längen von ~ 1 cm und einer Bandbreite von ~ 10–20 nm berichtet worden, bei Kashyap et al., Electr. Lett. 30, 996 (1994), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Diese Gitter reichen aus, um die Frequenzabweichung von linearem Chirpen von bis zu ~ 100 ps über die Bandbreite von ~ 10 bis 20 nm zu kompensieren. Beispielsweise wäre die Dispersion zweiter Ordnung ungefähr 1011 bis 1012 fs3.
  • In den 7(a) und (b) wird der Effekt von linear und nichtlinear chirp-modulierten Bragg-Gittern auf das Frequenz-Chirpen der reflektierten optischen Impulse gezeigt. Verschiedene Wellenlängenkomponenten eines optischen Impulses, der auf ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter einfällt, werden bei unterschiedlichen longitudinalen Positionen in dem Gitter reflektiert. Für die spektrale Komponente mit der Wellenlänge λ ist die Zeitverzögerung, die durch das Gitter eingeführt wird, Δτ = 2 ΔL/vg. Hier ist vg die Gruppengeschwindigkeit von Licht in der Struktur und ΔL ist der Abstand vom Beginn des Gitters bis zu der Position, bei der die spektrale Komponente reflektiert wird. Die spektrale Komponente wird bei der Position x, die durch die Bragg-Bedingung λB = 2n Λ(x) bestimmt ist, reflektiert werden. Hier ist n der Brechungsindex und Λ(x) ist die positionsabhängige Periode des Gitters. Daher wird das Frequenz-Chirpen, das durch solch ein Gitter in den optischen Impuls mit breiter Bandbreite eingebracht wird, der funktionalen Abhängigkeit von Λ(x) folgen. Ein linear chirp-moduliertes Gitter wird linear chirp-modulierte optische Impulse erzeugen, ein quadratisch chirp-moduliertes Gitter wird Chirpen zweiter Ordnung bewirken usw. Als ein praktisches Beispiel zeigen numerische Berechnungen der Dispersionseigenschaften von linear und quadratisch chirp-modulierten Gittern, die durch die Erfinder durchgeführt wurden, dass für ein 2,47 mm langes Gitter mit Λ durchschn. = 0,247 μm und einer Reflektionsbandbreite von 15 nm bei 1,5 μm das lineare Gitter eine lineare Dispersion von 0,7 ps2 bereitstellt und das quadratische Gitter eine Dispersion der Gruppengeschwindigkeit zweiter Ordnung von ~ l08fs3 zeigt.
  • Solche chirp-modulierten Bragg-Gitter können auch in Materialen außer der optischen Faser verwirklicht werden, wie beispielsweise Wellenleitern oder Volumen-Bragg-Gittern. Wellenleiterinterne Bragg-Gitter ohne Chirp-Modulation werden gegenwärtig weitverbreitet in abstimmbaren Laserdioden als optische Schmalbandfilter verwendet (z.B. in einer Drei-Abschnitts-DBR-Laserdiode oder -DFB-Laserdiode). Durch Einführen von nichtlinearem räumlichen Chirpen mit quadratischen Termen und Termen höherer Ordnung in solch einen Reflektor kann die resonatorinterne Kompensation von nichtlinearem Chirpen erreicht werden.
  • Volumen-Bragg-Gitter können unter Verwendung von akustooptischer Modulation erhalten werden, wobei elektrische RF-Wellenformen eine periodische Schwankung des Brechungsindex in einem akusto-optischen Kristall induzieren. Durch Steuern des Chirpen der RF-Wellenform kann ein geeignet chirp-modulierter Bragg-Reflektor für eine optische Welle, die sich entlang der Richtung der akustischen Welle bewegt, gebildet werden. Der Vorteil von solch einem Chirp-Kompensationsverfahren ist, dass die Größe der Chirp- Nichtlinearität durch Steuern des Chirpens der RF-Wellenform gesteuert werden kann.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät zum Steuern und Kompensieren von Frequenz-Chirpen hoher Ordnung in einem schnell abgestimmten Laser. Optische Einrichtungen in der Form von chirp-modulierten Bragg-Gittern, vorzugsweise faserinternen Gittern, werden verwendet, um eine oder mehrere Ordnungen des Frequenz-Chirpen zu kompensieren. Alternativ, oder in Kombination mit der optischen Kompensation, verwendet ein elektrisches Kompensationsverfahren Integratoren in einem oder mehreren parallelen Kompensationskanälen zum Erzeugen eines zusammengesetzten Kompensationssignals zum Kompensieren von Nichtlinearitäten spezieller Ordnung. Die vorliegende Erfindung lässt die Erzeugung von kürzeren optischen bandbreitenbeschränkten Impulsen mit Spektren zu, die den vollständigen Abstimmbereich des abstimmbaren Lasers enthalten.

Claims (23)

  1. Vorrichtung zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so dass ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend: eine optische Einrichtung, die in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine Vielzahl von chirp-modulierten Bragg-Gittern enthält, die durch Überlappung kombiniert sind, und wobei jedes der Gitter so gestaltet ist, dass es eine unterschiedliche Ordnung des Frequenz-Chirpen kompensiert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die chirp-modulierten Bragg-Gitter faserintern ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die chirp-modulierten Bragg-Gitter als Volumen-Bragg-Gitter ausgebildet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische Einrichtung innerhalb des Resonators des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische Einrichtung außerhalb des Resonators des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1; ferner umfassend eine elektrische Einrichtung zum Kompensieren von mindestens einer weiteren Ordnung des Frequenz-Chirpens.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die elektrische Einrichtung eine Impuls-Signalquelle, Teilungseinrichtungen zum Teilen des Impulssignals, eine Vielzahl von Kompensationskanälen, die in Reihe mit der Teilungseinrichtung und zueinander parallel geschaltet sind, jeder, um einen Effekt einer speziellen Ordnung auf das Signal zu erzeugen, eine Einrichtung zum Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle und eine Einrichtung zum Anlegen des kombinierten Ausgangssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge umfasst.
  8. Vorrichtung zur schnellen Abstimmung der Emissionswellenlänge eines abstimmbaren Lasers, wobei Impulse mit breiter Bandbreite erzeugt werden, die auf ultrakurze Dauern komprimiert werden, umfassend: eine elektrische Einrichtung zum Kompensieren von mindestens einer Ordnung des Frequenz-Chirpens, bei der die elektrische Einrichtung eine Quelle für Impulssignale, mindestens einen Kompensationskanal mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Effekts von einer bestimmten Ordnung auf das Signal, und eine Einrichtung zum Anlegen eines Ausgangssignals von dem mindestens einen Kompensationskanal an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge umfasst.
  9. Vorrichtung zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so dass ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend: eine elektrische Einrichtung zum Kompensieren von mindestens einer Ordnung des Frequenz-Chirpens, bei der die elektrische Einrichtung eine Quelle für Impulssignale, Teilungseinrichtungen zum Teilen der Impulssignale, eine Vielzahl von Kompensationskanälen, die in Reihe zu der Teilungseinrichtung und zueinander parallel geschaltet sind, jeder, um einen Effekt einer speziellen Ordnung auf das Impulssignal zu erzeugen, eine Einrichtung zum Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle und eine Einrichtung zum Anlegen des kombinierten Ausgangssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge umfasst.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Kompensationskanäle jeweils eine Integrationseinrichtung zum Integrieren des Impulssignals zum Erzeugen eines linearen oder nichtlinearen Effekts umfassen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der ein erster der Kompensationskanäle einen Integrator zum Erzeugen eines linearen Effekts oder Effekts erster Ordnung auf das Impulssignal enthält und wobei aufeinanderfolgende der Kompensationskanäle in Reihe geschaltete Integratoren in einer Anzahl enthalten, die der Ordnung des zu kompensierenden Frequenz-Chirpens entspricht.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der mindestens eine der Integrationseinrichtungen eine koaxiale Transmissionsleitung, die elektrisch parallel zu einem Kondensator geschaltet ist, umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner umfassend eine optische Einrichtung, die in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet ist, umfassend mindestens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Profil, das so gestaltet ist, dass mindestens eine Ordnung des Frequenz-Chirpens kompensiert wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die optische Einrichtung mindestens ein nichtlinear chirp-moduliertes Bragg-Gitter enthält.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die optische Einrichtung mindestens ein linear chirp-moduliertes Bragg-Gitter enthält.
  16. Vorrichtung zur schnellen Abstimmung der Emissionswellenlänge eines abstimmbaren Lasers, wobei Impulse mit breiter Bandbreite erzeugt werden, die auf ultrakurze Dauern komprimiert werden, umfassend: eine optische Einrichtung, die in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet ist, umfassend mindestens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Profil, das so gestaltet ist, dass mindestens eine Ordnung von Frequenz-Chirpen kompensiert wird; und eine elektrische Einrichtung zum Erzeugen eines Kompensationssignals zum Anlegen an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge zum Kompensieren von mindestens einer weiteren Ordnung von Frequenz-Chirpen.
  17. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so dass ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen eines Impulssignals; gleichzeitiges Anlegen des Signals an eine Vielzahl von Kompensationskanälen; Erzeugen eines Effekts spezieller Ordnung auf das Signal in jedem der Kanäle; Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle zum Erzeugen eines gesammelten nichtlinearen Kompensationssignals; und Anlegen des Kompensationssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge.
  18. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so dass ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend die folgenden Schritte: Anordnen einer optischen Einrichtung in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine Vielzahl von chirp-modulierten Bragg-Gittern enthält, die durch Überlappung kombiniert sind, und wobei jedes der Gitter so gestaltet ist, dass es eine unterschiedliche Ordnung des Frequenz-Chirpen kompensiert.
  19. Verfahren zur schnellen Abstimmung der Emissionswellenlänge eines abstimmbaren Lasers, wobei Impulse mit breiter Bandbreite erzeugt werden, die auf ultrakurze Dauern komprimiert werden, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen eines Impulssignals; Zuführen des Impulssignals an mindestens einen Kompensationskanal, umfassend Einrichtungen zum Erzeugen eines Effekts spezieller Ordnung auf das Signal; und Anlegen eines Ausgangssignals von dem mindestens einen Kompensationskanal an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge.
  20. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so dass ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend: Bereitstellen einer Quelle für Impulssignale; Teilen der Impulssignale in eine Vielzahl von Kompensationskanälen, die parallel zueinander angeordnet sind; Erzeugen eines Effekts spezieller Ordnung auf die Impulssignale in jedem der Kompensationskanäle; Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle; und Anlegen des kombinierten Ausgangssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Effekt spezieller Ordnung durch mindestens einmaliges Integrieren des Signals in mindestens einem der Kompensationskanäle erzeugt wird.
  22. Verfahren zur schnellen Abstimmung der Emissionswellenlänge eines abstimmbaren Lasers, wobei Impulse mit breiter Bandbreite erzeugt werden, die auf ultrakurze Dauern komprimiert werden, umfassend die folgenden Schritte: Anordnen einer optischen Einrichtung in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge, umfassend mindestens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Profil, das so gestaltet ist, dass mindestens eine Ordnung von Frequenz-Chirpen kompensiert wird; und Bereitstellen von elektrischen Einrichtungen zum Kompensieren von mindestens einer weiteren Ordnung von Frequenz-Chirpen.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die elektrische Einrichtung ein Impulssignal erzeugt, das Impulssignal in Kompensationskanäle, die entsprechend der Anzahl von Ordnungen des mit der elektrischen Einrichtung zu kompensierenden Frequenz-Chirpen bereitgestellt sind, teilt, einen Effekt spezieller Ordnung auf das Signal in jedem der Kompensationskanäle erzeugt, die Ausgangssignale der Kompensationskanäle kombiniert und das kombinierte Ausgangssignal an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge anlegt.
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