DE69935648T2

DE69935648T2 - Wellenlängenvariabler laser und verfahren zu seinem betrieb

Info

Publication number: DE69935648T2
Application number: DE69935648T
Authority: DE
Inventors: Seok Hyun Yun; Byoung Yoon Kim
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Donam Systems Inc
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Donam Systems Inc
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: DE69935648D1; CA2294897C; WO1999056360A1; JP3941887B2; CN1272233A; CN1167174C; JP2002511199A; KR100269040B1; KR19990081342A; CA2294897A1; EP1004157B1; US6816515B1; EP1004157A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Laser und ein Verfahren für dessen Betrieb, spezieller ausgedrückt auf einen in der Wellenlänge gewobbelten Impulslaser, welcher ein kurzgepulstes Ausgangssignal mit einer Zentralwellenlänge herstellt, welches sich mit der Zeit kontinuierlich ändert, und ein Verfahren zum Erzeugen von derartigem in der Wellenlänge gewobbeltem Laserlicht.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen in der Wellenlänge gewobbelten Laser, welcher ein kontinuierliches Ausgangssignal erstellt und ein Verfahren zum Erzeugen derartig in der Wellenlänge gewobbelten kontinuierlichen Laserlichtes.
Hintergrund des Standes der Technik
Ein in der Wellenlänge gewobbelter Laser ist eine Lichtquelle, deren Ausgangswellenlänge sich kontinuierlich mit der Zeit ändert. Ein breitbandiges Verstärkungsmedium und eine Einrichtung zum Wobbeln der Wellenlänge sind erforderlich, um einen derartigen in der Wellenlänge gewobbelten Laser zu betreiben. Das effizienteste Verfahren zum Wellenlängenwobbeln besteht darin, die Zentralwellenlänge eines in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters, welches innerhalb eines Laserresonators platziert ist, in Abhängigkeit von der Zeit zu variieren.
Beispielsweise entwickelten Wysocki et al. einen Laser, welcher in der Lage ist, einen 15-nm-Wellenlängenbereich bei einer Rate von wenigen hundert Hz zu wobbeln. Bei dem Wellenlängen-gewobbelten Laser wurde eine Erbium-dotierte Faser als das verstärkende Medium und ein akustooptisches Filter als das Wobbelelement für die Wellenlänge benutzt (Referenz: Optics Letter, Band 15, P879, 1990). Ein derartiger in der Wellenlänge gewobbelter Laser zusammen mit einem in der Wellenlänge durchstimmbaren Laser wird für einen breiten Anwendungsbereich genutzt.
Der in der Wellenlänge gewobbelte Laser wurde bei gewöhnlichen gering interferometrischen Sensoren, bei gewöhnlichen Frequenzbereichsensoren und bei Fasergitter-Feldsensoren verwendet. Er kann auch dazu verwendet werden, die Wellencharakteristika einer optischen Ein richtung in kurzer Zeit zu analysieren. Anwendungen in der Spektroskopie, der optischen Kommunikation und Ähnlichem sind durch die Erwartung motiviert, dass in der Wellenlänge gewobbelte Laser den Platz von herkömmlichen, in der Wellenlänge durchstimmbaren Laser einnehmen werden, aber Beispiele für diese Anwendungen wurden bisher nicht berichtet.
Auf der anderen Seite wurden herkömmliche, in der Wellenlänge gewobbelte Laser kontinuierlich betrieben, nicht im Mode-Lock-Betrieb. Um ein Ausgangssignal vom Impulstyp zu erhalten, ist eine gut bekannte aktive oder passive Mode-Lock-Technik im Allgemeinen erforderlich. Im Falle des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers kann eine neue Mode-Lock-Technik entwickelt werden, da die Zentralwellenlänge eines Filters, welches innerhalb eines Laserresonators platziert ist, kontinuierlich verändert wird. Jedoch wurde über keinen in der Wellenlänge gewobbelten Laser berichtet, bei dem eine derartige Mode-Lock-Technik übernommen bzw. angewandt wurde.
Im Allgemeinen wird ein Resonator-Mode eines Lasers bestimmt, indem die Bedingung erfüllt wird, dass die Umlaufphasenverzögerung des Laserlichtes ein Vielfachintegral von 2π ist. Deshalb besitzt die Frequenz des m-ten Resonator-Modes einen Wert von f_m = mc/L, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L der optische Umlaufweg des Resonators ist. Wenn nur ein einzelner Resonator-Mode in einem Laser schwingt, wird nur eine einzelne Laserlichtfrequenz mit extrem enger Linienbreite erhalten. Die Ausgangsleistung des Laserlichtes besitzt einen konstanten Wert bezüglich der Zeit. Wenn mehrere Resonator-Moden gleichzeitig anschwingen, können die Laserausgangssignalcharakteristika in zwei unterschiedliche Zustände entsprechend der Amplitude und Phase der jeweiligen Moden aufgeteilt werden. Erstens, falls die Amplituden und Phasen der Moden willkürliche Beziehungen besitzen oder sich mit der Zeit ändern, wird ein kontinuierliches Wellenausgangssignal erhalten. In diesem Fall ändert sich die Leistung des kontinuierlichen Wellenausgangssignals zufällig in Abhängigkeit von der Zeit aufgrund des so genannten "Moden-Verteilungsrauschens". Zweitens, falls beide Amplituden und Phasendifferenzen der Moden konstant sind, wird ein kurzgepulstes Ausgangssignal durch die kohärente Modeninterferenz erhalten. Dieser Zustand wird als "Mode-Locking" bezeichnet.
Es gibt zwei Techniken, um das Mode-Locken zu erhalten. Im Falle des aktiven Mode-Lockens wird die Modulationsfrequenz gleich einem gewissen Vielfachintegral des Zwischenmodenabstands der longitudinalen Resonator-Moden eingestellt, wobei ein Amplitudenmodulator, ein Phasenmodulator, Frequenzverschieber o.Ä. benutzt wird. Im Falle des passiven Mode-Lockens wird ein sättigbarer Absorber, dessen äquivalente optische Einrichtung oder eine Resonatorkonfiguration benutzt.
Jedoch ist ein teurer Modulator oder ein zusätzlicher sättigbarer Absorber für die herkömmlichen Mode-Lock-Techniken erforderlich.
Veröffentlichung der Erfindung
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gepulsten, in der Wellenlänge gewobbelten Laser zu liefern, mit welchem man in der Lage ist, kurze Laserpulse zu erhalten, ohne einen teuren Modulator oder einen zusätzlichen sättigbaren Absorber zu benutzen, und ein Verfahren zu liefern, derartige Laserpulse zu erzeugen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen in der Wellenlänge gewobbelten Laser zu liefern, mit welchem man in der Lage ist, kontinuierliche Ausgangssignale zu erhalten und ein Verfahren zum Erzeugen derartiger Laserausgangssignale zu liefern.
Um die zuvor erwähnte Aufgabe zu erfüllen, liefert die vorliegende Erfindung entsprechend dem Anspruch 2 einen Laser, welcher aufweist: einen Resonator, welcher einen optische Pfad bzw. Laufstrecke besitzt, wobei dabei ein optisches Verstärkungsmedium beinhaltet ist, welches in der Lage ist, Licht über ein breites Wellenlängenband zu verstärken, ein in der Wellenlänge durchstimmbares Filter mit einer Zentralwellenlänge mit minimalem Verlust und ein nicht-lineares Medium mit einem von der Lichtintensität abhängigen Brechungsindex; eine optische Pumpeinrichtung für die Besetzungsinversion des optischen Verstärkungsmediums; und ein Filtermodulationssignal, welches eine Einrichtung für das kontinuierliche Verändern der Zentralwellenlänge bei minimalem Verlust des in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters in Abhängigkeit von der Zeit erzeugt; wobei das Laserausgangssignal vom gemodelock ten Kurzpulstyp ist und dessen Zentralwellenlänge sich kontinuierlich in Abhängigkeit von der Zeit ändert.
In der Erfindung kann das optische Verstärkungsmedium irgendeines sein, welches aus einer optischen Single-Mode-Faser, welche mit einem Seltenen-Erde-Ion dotiert ist, ausgewählt wird, ein Single-Mode-ebener Wellenleiter mit einem Seltenen-Erde-Ion dotiert, ein mit Titan dotierter Saphirkristall oder ein Nd-YVO₄-Kristall.
Außerdem kann ein Halbleiterverstärker als optisches Verstärkungsmedium benutzt werden. In diesem Fall pumpt der Strom, welcher durch einen Stromgenerator geliefert wird, den Halbleiterverstärker. Vorzugsweise wird die Stromintensität bei dem Zwischenmodenabstand der longitudinalen Resonatormoden oder durch ein integrales Vielfaches des Zwischenmodenabstandes moduliert, um die Verstärkung des Halbleiterverstärkers zu modulieren, wodurch sowohl das Erzeugen der modegelockten optischen Impulse als auch das Einstellen des Zeitablaufs für die Impulserzeugung unterstützt wird.
In der Erfindung kann das in der Wellenlänge durchstimmbare Filter irgendein aus einer Gruppe ausgewählter Filter sein, welche aus einem akustooptischen, in der Wellenlänge durchstimmbaren Filter, einem in der Wellenlänge interferometrisch durchstimmbaren Fabry-Perot-Filter und einem Reflexionsbeugungsgitter mit einem sich von der Rotation abhängigen variierenden Reflexionszentralwellenlänge besteht.
Das in der Wellenlänge durchstimmbare Filter kann eine Strahlablenkeinrichtung und eine optische Einrichtung beinhalten, welche in der Lage ist, einen niedrigen optischen Verlust nur innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches herzustellen, wenn das durchgelassene oder reflektierte Licht in Abhängigkeit von der gesteuerten Strahlrichtung in den Resonator gekoppelt wird. In diesem Fall kann die Strahlablenkungseinrichtung ein akustooptischer Modulator sein, welcher die Strahlrichtung entsprechend zur Frequenz der akustischen Welle steuert. Anderenfalls kann die Strahlablenkungseinrichtung ein Vielfachphasenarray sein, welches die Strahlrichtung entsprechend der Phasenunterschiede der jeweiligen Lichtstrahlen steuert, wenn die Lichtstrahlen, welche in mehrere optische Wege aufgeteilt sind, wieder zusammen rekombinieren bzw. sich wiedervereinigen.
Auf der anderen Seite kann das nicht-lineare Medium vorzugsweise eine Länge einer optische Single-Mode-Faser oder eines Halbleitermaterials beinhalten, um den Eigenphasen-Modulationseffekt zu verstärken und als sättigbarer Absorber zu agieren, wobei das nicht-lineare Medium das Erzeugen der modegelockten optischen Impulse unterstützt.
Jedoch kann das Verstärkungsmedium als ein nicht-lineares Medium agieren, wenn das Verstärkungsmedium eine mit einem Seltenen-Erde-Ion dotierte optische Faser ist, welche einen hohen nicht-linearen Koeffizienten besitzt, oder ein mit Titan dotierter Saphirkristall. In diesem Fall ist kein zusätzliches nicht-lineares Medium notwendig.
Der Resonator beinhaltet vorzugsweise einen optischen Amplitudenmodulator, um das Erzeugen des Mode-Lockens als auch das Einstellen des Zeitablaufs für die optische Impulserzeugung zu unterstützen, und einen Modulationssignalgenerator, zum Liefern eines Wechselstromsignals für den optischen Amplitudenmodulator, wobei die Frequenz des elektrischen Signals gleich dem Zwischenmodenabstand der longitudinalen Resonatormoden oder ein integrales Vielfaches des Abstands ist.
Der optische Amplitudenmodulator kann durch einen optischen Phasenmodulator ersetzt werden.
Um die zuvor erwähnte Aufgabe zu erreichen, liefert die vorliegende Erfindung entsprechend dem Anspruch 15 ein Verfahren des Erzeugens eines mode-gelockten Laserimpulses, welches die Schritte aufweist von: Bereitstellen eines in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters und eines nicht-linearen Mediums mit einem Brechungsindex, welcher von der Lichtintensität abhängt, innerhalb eines Resonators; Übertragen von optischen Impulsen in dem nicht-linearen Medium, um das Spektrum der optischen Impulse durch das Induzieren von Eigenphasenmodulation zu verbreitern; Durchstimmen des in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters, so dass sich die Zentralwellenlänge für minimalen Verlust des durchstimmbaren Filters kontinuierlich mit der Zeit ändern kann; und Verstärken nur ausgewählter Bereiche der verbreiterten optischen Impulse, wobei das Wellenlängenspektrum der ausgewählten Bereiche um die Zentralwellenlänge mit minimalem Verlust platziert wird.
In dem oben erwähnten Verfahren wird das in der Wellenlänge durchstimmbare Filter so durchgestimmt, dass V größer ist als eine kritische Geschwindigkeit V_C(=ln(r)Δ⁴/b²) für die meiste Zeit des Wellenlängen-Wobbelns; dadurch kann eine Vielzahl von Resonatormoden simultan oszillieren, wobei V die Änderungsgeschwindigkeit der Zentralwellenlänge mit minimalem Verlust ist, Δ der Wellenlängenabstand zwischen den Resonatormoden ist, b die Halbwertsbreite ist, ln(r) der natürliche Logarithmus des Verhältnisses r der maximalen zur minimalen Lichtintensität für jeden Mode ist. Im Allgemeinen besitzt ln(r) einen Wert im Bereich von 15 bis 25.
In diesem Fall wird das in der Wellenlänge durchstimmbare Filter vorzugsweise durch Anwenden eines elektrischen Signals an dem durchstimmbaren Filter durchgestimmt, wobei die Frequenz und/oder die Spannung des elektrischen Signals kontinuierlich und periodisch über einen vorher festgelegten Bereich gewobbelt werden/wird. Mehr vorzuziehen ist es, dass ein kurzer elektrischer Impuls über den vorderen Bereich jeder sich wiederholenden Wellenform des elektrischen Signals überlagert wird, um den Zeitablauf der Impulserzeugung gegenüber dem elektrischen Impuls durchzustimmen sowie die Erzeugung der optischen Impulse zu unterstützen.
Vorzugsweise ist die Frequenzverschiebeeinrichtung eine akustooptische Frequenzverschiebeeinrichtung, welche bei einem alternierenden elektrischen Signal mit einer festen Frequenz betrieben wird, wobei die akustische Welle, welche durch das elektrische Signal erzeugt wird, die Beugung und den Effekt der Doppler-Verschiebung des Lichtes ergibt.
Anderenfalls weisen die Frequenzverschiebeeinrichtung und das in der Wellenlänge durchstimmbare Filter nur ein akustooptisches, in der Wellenlänge durchstimmbares Filter auf. In diesem Fall ist die Frequenzveränderung in dem elektrischen Signal, welches an das akustisch-optische Filter angelegt ist, um die Zentralfrequenz des akustooptischen Filters zu verändern, klein in Bezug auf die Zeit, wobei die Richtung der Frequenzveränderung die gleiche ist wie die der Filterzentralfrequenzänderung. Die Frequenzverschiebung für einen Resonatorumlauf kann im Wesentlichen gleich der Frequenzveränderung in der Filterzentralfrequenz sein.
Um das obige Laserlicht zu erhalten, liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Resonators, welcher einen optischen Weg besitzt, in welchem ein in der Wellenlänge durchstimmbares Filter mit einem zentralen Frequenzbereich beinhaltet ist, und einer Frequenzverschiebeeinrichtung; Herstellen eines festen Betrages f_FS an Frequenzverschiebung für das Licht, welches über den optischen Weg durch die Frequenzverschiebeeinrichtung läuft; Herstellen einer kontinuierlichen Veränderung f_F1 in der Zentralfrequenz des in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters für eine Resonatorumlaufzeit; und Durchstimmen des in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters, so dass f_FS und f_F1 im Wesentlichen den gleichen Wert besitzen und das Laserausgangsspektrum innerhalb des Resonators um die Zentralfrequenz des in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters oszilliert; dadurch wird die Erzeugung optischer Impulse unterdrückt und der Laser strahlt kontinuierlich.
Kurz ausgedrückt, der in der Wellenlänge gewobbelte Impulslaser der vorliegenden Erfindung basiert auf dem neuen Herausfinden, dass ein ausreichender Betrag an nicht-linearer Phase, welche durch das nicht-lineare Medium erzeugt wird, welches in dem Resonator aufgestellt ist, ein spontanes Mode-Locken induzieren kann.
Das Impulsspektrum ist durch den Effekt der Eigenphasenmodulation verbreitert und erfährt einen niedrigeren filterabhängigen optischen Verlust gegenüber den kontinuierlichen Oszillationskomponenten, wodurch das Mode-Locken induziert wird. Entsprechend diesem Verfahren werden kurze stabile optische Impulse von mehreren Pikosekunden erhalten, ohne dabei teure Modulatoren oder sättigbare Absorber zu benutzen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A und 1B sind schematische Zeichnungen von in der Wellenlänge gewobbelten Laser entsprechend der vorliegenden Erfindung;
2A und 2B sind Zeichnungen zum Erklären des Betriebs des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers, welcher in 1A und 1B beschrieben wird;
3 ist eine schematische Zeichnung eines in der Wellenlänge gewobbelten Faserlasers entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist ein Graph der Ausgangsleistung des Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, als Funktion der Pumpleistung;
5A und 5B sind Fotografien der Ausgangsleistung des Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, welche mit einem Oszilloskop gemessen wurden;
6 ist ein Graph des Laserausgangsspektrums gemessen im Spitzenhaltemodus eines optischen Spektrum-Analyzers;
7A ist eine schematische Zeichnung des Gerätes, welches für das Messen der sofortigen Linienbreite des Ausgangsspektrums des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, verwendet wird;
7B ist eine Fotografie der Signale, welche in dem optischen Detektor 520 der 7A detektiert werden, wenn der optische Wegunterschied 2 mm beträgt;
7C ist ein Graph der Sichtbarkeit als Funktion der optische Wegdifferenz L bei einer Wiederholrate der Wellenlängenwobbelung von 600 Hz;
8A bis 8D sind Graphen des Ausgangsleistungsspektrums und des optischen Impulses in dem in der Wellenlänge gewobbelten Faserlaser der 3, welche aus Computersimulationen erhalten wurden;
9A und 9B sind Graphen, welche die Messungen mit den Computersimulationsdaten für die Impulsbreite und die Linienbreite des in der Wellenlänge gewobbelten Faserlasers der 3 vergleichen;
10 ist eine Oszilloskop-Fotografie des Ausgangssignals des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11A und 11B zeigen Anwendungskonzepte des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beste Art und Weise, die Erfindung auszuführen
1A und 1B sind schematische Zeichnungen von in der Wellenlänge gewobbelten Laser entsprechend der vorliegenden Erfindung. 1A zeigt eine, bei der ein linearer Resonator angewendet wird, und 1B zeigt eine andere, bei der ein Ringresonator angewendet wird.
Mit Bezug auf 1A läuft Licht rückwärts und vorwärts entlang eines optischen Pfades bzw. Weges 150 zwischen zwei gegenüberliegenden Reflektoren bzw. Spiegeln 110 und 112. Während des Umlaufs wird die Intensität des Lichtes durch ein Verstärkungsmedium 120 verstärkt. Eine optische Pumpquelle 122 regt das Verstärkungsmedium 120 an, wobei eine Besetzungsinversion zwischen den Energieniveaus erzeugt wird, so dass die Laseroszillation auftreten kann. Die Referenzzahl 130 bezeichnet ein in der Wellenlänge durchstimmbares Filter, welches Licht nur innerhalb eines vorher festgelegten Wellenlängenbereiches durchlässt oder reflektiert. Die elektrischen Signale von einem Signalgenerator 132 werden an das durchstimmbare Filter 130 so angelegt, dass sie die Zentralwellenlänge desselben modulieren. Der Signalgenerator 132 kann elektrische Signale liefern, welche verschiedene Wellenformen für das durchstimmbare Filter 130 besitzen. Beispielsweise kann der Signalgenerator die Zentralfrequenz des durchstimmbaren Filters 130 so modulieren, dass es eine dreieckige Wellenform oder eine Sägezahnwellenform bezüglich der Zeit besitzt. Ein nicht-lineares Medium 140 hat die optische Eigenschaft, dass sich der Brechungsindex desselben mit den Intensitäten der einfallenden Strahlen ändert. Beispielsweise kann der Index von folgender Gleichung 1 bestimmt werden. n = n0 + n2I [Gleichung 1]wobei n₀ ein konstanter Wert ist, I die Strahlintensität ist und n₂ ein nicht-linearer Koeffizient ist. Im Allgemeinen ist der nicht-lineare Koeffizient bei den meisten Materialien eine positive Zahl, jedoch können in der Ausführungsform Materialien benutzt werden, welche einen nega tiven Koeffizienten besitzen. Wenn ein kurzgepulster Strahl durch ein nicht-lineares Medium läuft, ändert sich die Strahlintensität bei einem festen Punkt im Medium abhängig von der Zeit. Das nicht-lineare Medium weist einen so genannten "Eigenphase-Modulationseffekt" auf, da die optischen Frequenzen für die vorderen und rückwärtigen Bereiche eines Impulses für unterschiedliche Richtungen verschoben sind. Das Spektrum des Impulses ist aufgrund des Effektes stark verbreitert. Die spektrale Verbreiterung ist eine der wesentlichen Faktoren, welche das Mode-Locken, welches in der vorliegenden Erfindung beinhaltet ist, beeinflussen.
Ein Ende des Verstärkungsmediums 120 kann den Platz des Reflektors 110 einnehmen. Beispielsweise im Falle des Benutzens eines Halbleiterverstärkers als das Verstärkungsmedium 120 ist eine Endfläche des Verstärkers, welche auf das nicht-lineare Medium 140 zeigt, antireflexbeschichtet, und die andere Endfläche desselben ist mit hoher Reflexion beschichtet oder unter einem rechten Winkel abgeschnitten, um als ein Reflektor zu agieren. In ähnlicher Weise, falls ein hochreflektierendes Bragg-Gitter als durchstimmbares Filter 130 benutzt wird, kann es den Platz des Reflektors 112 einnehmen. Die optischen Komponenten innerhalb des Resonators sind in dem optischen Weg 140 angeordnet. Der optische Weg kann im freien Raum bzw. offen verlaufen oder ein optischer Wellenleiter, wie z.B. ein optische Single-Mode-Faser sein. Wenn eine optische Faser als optischer Weg benutzt wird, welche einen nicht-linearen Koeffizienten besitzt, kann das nicht-lineare Medium 140 nicht erforderlich sein. In der Resonatorkonfiguration, wie sie in 1A gezeigt wird, macht die Reihenfolge der optischen Komponenten, wie z.B. des Verstärkungsmediums 120, des nicht-linearen Mediums 140 und des durchstimmbaren Filters 130 keinen Unterschied im Betrieb des Resonators.
Im Falle des Ringresonators kann der Resonator so aufgebaut sein, indem eine Vielzahl von optischen Pfaden und Reflektoren benutzt wird. Anderenfalls kann eine optische Faser als optischer Weg 150 ohne die Notwendigkeit von Reflektoren benutzt werden, wie dies in 1B gezeigt wird. Auf jeden Fall wird ein Verstärkungsmedium 120, ein nicht-lineares Medium 140 und ein in der Wellenlänge durchstimmbares Filter 130 benutzt, wie dies in 1A gezeigt wird. Zusätzlich ist ein optischer Isolator 160 in dem Ring eingebaut, um den Betrieb des Wellenumlaufs sicherzustellen. Im Falle eines Ringresonators können Verstärkungsme dien vom Reflexionstyp oder Filter nicht benutzt werden. Wenn die im optischen Pfad benutzte Single-Mode-Faser eine ausreichende nicht-lineare Brechungsindex-Variation erzeugt, wird das nicht-lineare Medium 140 nicht benötigt.
Der Betrieb des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers, welcher oben beschrieben ist, wird am besten mit Bezug auf die 2A und 2B verstanden.
Wenn bei einem herkömmlichen Laser, bei welchem ein Filter mit einer festen Zentralfrequenz angewendet wird, ein homogen verbreitetes Verstärkungsmedium beinhaltet, wird der Laser nur ein Resonator-Mode-Ausgangssignal erzeugen, dessen Frequenz am nähesten an der Zentralfrequenz ist.
Jedoch arbeitet ein in der Wellenlänge gewobbelter Laser mit kontinuierlich sich ändernder Zentralfrequenz nicht in der gleichen Weise wie ein herkömmlicher.
In einem Beispiel eines in der Wellenlänge gewobbelten Lasers ohne ein nicht-lineares Medium erzeugt der Laser ein kontinuierliches Ausgangssignal, und das Spektrum desselben kann wie in 2A gezeigt werden. In der 2A wird auf der horizontalen Achse die optische Frequenz angegeben, wohingegen auf der vertikalen Achse die Strahlintensität für das effektive Verstärkungsniveau angegeben wird. Mit Bezug auf 2A erreicht die Verstärkungskurve 219 ein Maximum bei der Filterzentralfrequenz 220 und nimmt schnell über den Abstand vom Zentrum mit einer Breite, welche durch die Filterbandbreite bestimmt wird, ab. In diesem Fall wird angenommen, dass die Filterzentralfrequenz in der Frequenz sich mit einer konstanten Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit nach oben bewegt. Ein Pfeil 222 stellt den Geschwindigkeitsvektor der Bewegung der Zentralfrequenz dar. Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit hoch genug ist, um keine Resonatorumläufe zu gestatten, so dass ein Resonator-Mode, welcher durch spontane Emission verstärkt wird, Energie besitzt, um das Verstärkungsmedium zu sättigen, erzeugt der Laser ein Ausgangssignal in vielen Longitudinalmoden, nicht nur in einer Resonator-Mode. D.h., wenn der sich verändernde Betrag V in der Zentralfrequenz pro Zeiteinheit größer als eine kritische Geschwindigkeit V_C ist, welche in Gleichung 2 definiert ist, produziert der Laser ein Ausgangssignal in Vielfach-Longitudinalmoden. VC = ln(r)Δ4/b2 [Gleichung 2]wobei Δ(= λ²/L) ein Wellenlängenabstand zwischen Resonatormoden ist, b die Halbwertbreite (FWHM) des Wellenlängenfilters ist und ln(r) ein natürlicher Logarithmus des minimalen zu maximalen optischen Intensitätsverhältnisses jeden Modes ist, welcher in den meisten Fällen Werte besitzt, welche von 15 bis 25 reichen.
Die Spektralkurve 230 zeigt die Form eines Laserspektrums bei einem vorher festgelegten Zeitpunkt. Die Kurve 234 besitzt eine Linienbreite viel breiter als der Longitudinalmodenabstand. Das Zentrum der Kurve 234 ist in einer Position platziert, versetzt von der Zentralfrequenz 220, in einer Richtung entgegengesetzt zum Geschwindigkeitsvektor 222. Es ist bekannt, dass die Linienbreite 232 und der Versatz 236 ungefähr proportional zu (FWHM)^2/3 bzw. zu V^1/3 ist.
Die gepunktete Linie 240 stellt ein Niveau dar, bei welchem die Verstärkung 1 wird. Die optische Intensität nimmt in einem Frequenzbereich zu, wo der Verstärkungspegel größer als 1 ist, wohingegen sie in einem anderen Frequenzbereich abfällt, wo der Verstärkungspegel kleiner als 1 ist. Entsprechend nimmt die optische Intensität des Spektralbereiches 250 nahe dem Zentrum 220 zu, wohingegen die optische Intensität des Spektralbereiches 252 weit entfernt vom Zentrum 220 abnimmt. Als Ergebnis ist die gesamte Spektralkurve 230 in Richtung des Zentrums 220 verschoben, nachdem eine Zeitperiode verstrichen ist. D.h., das Laserspektrum bewegt sich zusammen mit der Bewegung der Filterzentralfrequenz, wenn der obige Vorgang wiederholt wird. Da das Spektrum 234 sich in Richtung des Zentrums 220 bewegt, wachsen die Front-Frequenzkomponenten (die Komponente nahe dem Bereich 250 und dessen Komponente auf der rechten Seite in 2A) von der spontanen Emission in dem Verstärkungsmedium, erzeugt durch die Bewegung der Filterzentralfrequenz. Da die spontane Emission Eigenschaften aufweist, wie z.B. Rauschen, d.h. die Frequenzkomponenten besitzen keine Phasenbeziehungen, erzeugt der Laser ein kontinuierliches Ausgangssignal, und das Ausgangssignal hat die gleichen statistischen Eigenschaften wie die verstärkte spontane Emission.
Auf der anderen Seite, falls die Filterzentralfrequenz sich entsprechend einer sägezahnförmigen Wellenform in Abhängigkeit von der Zeit bewegt, verändert sich die Laserausgangswellenlänge, wie dies in 2B gezeigt wird. Mit Bezug auf 2B wird die Ausgangswellenlänge linear erhöht (260) und erniedrigt (270), mit einer Wiederholung mit einer vorher festgelegten Periode. Die Wiederholungsperiode 270 der Wellenlängenvariation kann durch die Eingrenzungen, wie z.B. der Filterdurchstimmgeschwindigkeit und der Relaxationszeit des Laserverstärkungsmediums, einen konstanten Wert nicht überschreiten. Speziell wenn die Wiederholrate der Frequenzänderung sich der Relaxationsoszillation des Laserresonators nähert, tritt eine große Relaxationsoszillation bzw. -schwingung auf. Deshalb sind ein Verstärkungsmedium mit Hochgeschwindigkeits-Betriebseigenschaften und ein Wellenlängenfilter mit einer hohen Durchstimmgeschwindigkeit erforderlich, um die Wiederholrate zu erhöhen. Der Maximalwert des Wellenlängenänderungsbereiches wird sowohl durch den Filterdurchstimmbereich als auch die Bandbreite des Verstärkungsmediums bestimmt. Der Wellenlängenänderungsbereich mit einer mit Seltener-Erde-Ion dotierten Faser kann maximal einen Wert von mehreren zehn Nanometern annehmen, währenddessen einige Halbleiter oder Festkörperkristalle bis zu 100 nm oder mehr annehmen können.
In einem anderen Beispiel eines in der Wellenlänge gewobbelten Lasers mit einem Resonator, welcher ein nicht-lineares Medium darin enthält, wird das Spektrum schwacher optischer Impulse, welche in dem Resonator erzeugt werden, aufgrund des Eigenphase-Modulationseffektes des nicht-linearen Mediums verbreitert, wie oben beschrieben. Im Gegensatz zur spontanen Emission besitzt jede Frequenzkomponente in den Komponenten des verbreiterten Spektrums spezifische Phasenbeziehungen. Wenn die Intensität der verbreiterten Komponenten größer als die der spontanen Emission um den Zentralfrequenzbereich des Filters herum ist, wird das Laserspektrum, welches sich in dem Bereich aufbaut, spezielle Beziehungen für jede Frequenzkomponente besitzen. Das Mode-Locken entsprechend derartiger spezieller Beziehungen zwischen Moden versetzt den Laser in die Lage, ein gepulstes Ausgangssignal zu erzeugen.
Da mode-gelockte Impulse Energie auf einen Frequenzbereich übertragen, wo sich die Filterfrequenz aufgrund des Verbreiterns des Spektrums hin bewegen wird, können Lichtkeime schnell in dem Frequenzbereich anwachsen, welche den Versatz 236 der 2A herabsetzen. Es ist deshalb möglich, Licht hoher Intensität zu erhalten, da der filterabhängige optische Verlust mit dem Reduzieren des Offsets 236 reduziert wird. D.h., die Impulskomponenten liefern Vorteile in Bezug auf die Laseroszillation, da die Impulskomponenten weniger an optischem Verlust leiden als die Komponenten für die kontinuierliche Oszillation. Um Mode-Locken zu erhalten, sollten die Spektralkomponenten, welche durch das nicht-lineare Medium um das Filterfrequenzzentrum herum erzeugt werden, eine ähnliche oder eine höhere Leistungsdichte im Vergleich zu den Lichtkomponenten besitzen, welche spontan durch das Verstärkungsmedium emittiert werden. Entsprechend ist es wünschenswert, um den Schwellwert für Mode-Locken zu erniedrigen, ein nicht-lineares, mit einem erhöhten nicht-linearen Koeffizienten versehenes Medium zu benutzen oder ein Verstärkungsmedium mit niedrigem Rauschverhalten zu benutzen, welches weniger spontanes Licht emittiert.
Das Verstärkungsmedium kann aus der Gruppe ausgewählt werden, welche aus einer optischen Single-Mode-Faser, welche mit einem Seltene-Erde-Ion dotiert ist, einem Single-Modeebenen Wellenleiter, welcher mit einem Seltene-Erde-Ion dotiert ist, einem mit Titan dotierten Saphirkristall und einem Nd-YVO₄-Kristall besteht.
Das Wellenlängenfilter kann aus der Gruppe ausgewählt werden, welche besteht aus: einem Fabry-Perot-Filter, einem akustooptischen Filter, einem Bragg-Gitter vom Reflexionstyp, einem Faser-Bragg-Gitter, einem Filter, welches aus einem akustooptischen Strahlablenker und einem Bragg-Gitter vom Reflexionstyp besteht, einem Filter, welche aus einem Strahlablenker und einem Reflektor besteht, einem Filter, welches aus einem Wellenleiterstrahlablenker und einem Bragg-Gitter vom Reflexionstyp besteht, und einem Filter, welches aus einem Wellenleiterstrahlablenker und einem Reflektor besteht.
Ein sättigbarer Hableiter-Absorber, eine optische Single-Mode-Faser oder Ähnliches können als nicht-lineares Medium benutzt werden. Wenn ein Verstärkungsmedium mit hohem nicht-linearen Koeffizienten benutzt wird, wie z.B. eine optische Faser mit einem Seltene-Erde-Ion dotiert und ein Titan-dotierter Saphirkristall, wird ein zusätzliches nicht-lineares Medium nicht benötigt.
3 ist eine schematische Zeichnung eines in der Wellenlänge gewobbelten Faserlasers entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Eine Erbium-dotierte Faser 310 wird als ein Verstärkungsmedium in einem Resonator vom Ringtyp benutzt, dessen optischer Weg aus kommunikationsgeeigneten Single-Mode-Fasern besteht. Die Absorptionsrate war ungefähr 12 dB/m bei einer Wellenlänge von 1550 nm für die Erbium-dotierte Faser. Mit Bezug auf 3 wird der Pumpstrahl mit 1470 nm von einer Laserdiode 214 durch einen Wellenlängen-Multiplex-Faserkoppler 312 eingeführt. Ein Fabry-Perot-Etalonfilter 320 (FWHM = 0,23 nm, freier Spektralbereich = 33 nm), welches durch einen piezoelektrischen Modenwandler durchgestimmt wird, wird als ein Wellenlängenfilter benutzt. Die Änderung der Zentralfrequenz des Filters 320 betrug 14 nm für eine Spannungsänderung von 1 V, welche an dem Modenwandler angelegt wurde. Beim Betrieb dieses Lasers erzeugte ein Frequenzsignalgenerator 322 eine Sägezahnwelle mit 2 V Amplitude, so dass die Zentralfrequenz des Wellenlängenfilters sich leicht linear um einen Wellenlängenbereich von 28 nm überstreichen kann. Das Laserausgangssignal wird durch einen Faser-Entkoppler 330 mit einem Koppelverhältnis von 50% erhalten. Die Polarisation des Laserlichtes wird durch zwei Polarisationssteuereinrichtungen 340 und 342 gesteuert, welche innerhalb des Resonators so angeordnet sind, um das stabilste Laserausgangssignal ungeachtet des Erreichens des Mode-Lockens zu erhalten. Zwei optische Isolatoren 350 und 352 sind an beiden Enden des Verstärkungsmediums angeordnet, um die Laseroszillation in einer Richtung sicherzustellen. Ohne die Isolatoren wird Mode-Locken in zwei Richtungen auftreten. Die Gesamtlänge des Resonators betrug 17,2 m, und der gesamte optische Verlust betrug 10 dB, wobei Verluste, wie z.B. 4 dB an dem Filter, 3 dB am optischen Ausgangs-Dekoppler und 0,5 dB an beiden optischen Isolatoren beinhaltet sind. Alle Fasern innerhalb des Resonators sind siliciumbasiert, welche ähnliche nicht-lineare Koeffizienten besitzen. Jedoch wird Eigenmodulation am häufigsten in der Gegend des Endes der mit Erbiumion dotierten Faser 310 mit kleinem Modendurchmesser auftreten, wo die Lichtintensität am höchsten wird. Die mit Erbiumionen dotierte Faser 310 besitzt einen Modendurchmesser von nur ungefähr 3,6 μm, wohingegen eine herkömmliche Single-Mode-Faser einen Durchmesser von 9 μm besitzt.
4 ist ein Graph der Ausgangsleistung des Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, als Funktion der Pumpleistung.
Die gepunktete Linie 410 stellt die Laserausgangsleistung bei der Wellenlänge 1550 nm dar, gemessen, wenn eine konstante Spannung an dem Wellenlängenfilter angelegt ist. Die Linien 412 und 414 zeigen die Ergebnisse, welche gemessen werden, wenn eine Sägezahnwelle mit 2 V Amplitude und 200 Hz bzw. 600 Hz an dem Filter angelegt werden. In allen Fällen beginnt die kontinuierliche Laseroszillation aufzutreten, wenn sich die Pumpleistung ungefähr 5 mW nähert. Ohne Filtermodulation kann eine Laserausgangsleistung linear proportional zur Pumpleistung erhalten werden. Wenn das Filter moduliert wird, wird anfangs kontinuierliche Oszillation erhalten, jedoch wird ein gemodelocktes Impulsausgangssignal bei einer Pumpleistung größer als 25 mW erhalten, wie dies in dem Kreis 420 gezeigt wird. Wie aus der Anstiegsänderung der Linien in dem Kreis 420 zu ersehen ist, erhöht der Beginn des Mode-Lockens abrupt die Laserausgangsleistung. Aus diesem Ergebnis wird vermutet, dass der effektive optische Verlust durch die Impulserzeugung erniedrigt wird.
5A ist eine Fotografie der Ausgangsleistung des Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, welche durch Benutzen eines optischen Detektors mit einer Bandbreite von 50 MHz und einem Oszilloskop gemessen wurde. Die Pumpleistung betrug ungefähr 35 mW.
Das obere Signal 430 ist eine Sägezahnwelle mit einer Amplitude von 2 V und einer Frequenz von 250 Hz, welche an dem Filter angelegt ist. Die unteren Signale 440 und 442 zeigen einen modegelockten Impulszug. Obwohl es schwierig ist, die Impulse in dieser Fotografie zu unterscheiden, wird ein in der Wellenlänge erhöhtes Signal 440 bei Erhöhen der angelegten Spannung erhalten, wohingegen ein in der Wellenlänge vermindertes Signal 442 bei Erniedrigen der angelegten Spannung erhalten wird. Die Höhe des Impulszuges ist abhängig von der Wellenlänge nicht konstant, da der Verstärkungspegel der mit Erbium dotierten Faser unterschiedlich bei Wellenlängenänderung ist. Es wird angenommen, dass der Unterschied in der Form zwischen den Signalen 440 und 442 hauptsächlich auf den asymmetrischen Eigenschaften des Filters beruht. Die jeweilige Anzahl der Impulse in den Signalen 440 und 442 bei 27 nm Wellenlänge beträgt ungefähr 24100, da der Resonatorumlauf 83 ns beträgt und die halbe Periode des Wellenlängen-Wobbelns 2 ms ist.
5B ist eine Fotografie der Ausgangsleistung des Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, gemessen als Funktion einer kürzeren Zeitskala. Mit Bezug auf 5B werden die Impulse voneinander durch einen Abstand 450 unterschieden, entsprechend dem Abstand des Resonatorumlaufs, jedoch ist davon auszugehen, dass der Zeitablauf der Impulserzeugung nicht mit dem elektrischen Signal 430 synchronisiert ist. Die Zeitfluktuation im Zeitablauf ist größer als 100 ns, und bei allen Impulsen wird beobachtet, dass sie bei zufällig unterschiedlichen Positionen erzeugt werden, wenn ein elektrisches Signal des Oszilloskops als Trigger benutzt wird. Es wird angenommen, dass dies ein Ergebnis davon ist, dass das Mode-Locken aufgrund von Rauschpulsen auftritt. Es wird auch angenommen, dass die Fluktuation in den chaotischen Charakteristika, welche vom Filterdurchstimmen herrühren, dieses Ergebnis verursacht. Deshalb ist es wünschenswert, den Impulsablauf bewusst zu steuern. Wenn ein kurzer elektrischer Impuls im Frontbereich jeder sich wiederholenden Wellenform des elektrischen Signals, welches an das Filter angelegt ist, überlagert wird, kann der Impulszeitablauf durch Erzeugen sofortiger optischer Rauschimpulse synchronisiert werden. Anderenfalls kann ein Amplitudenmodulator oder ein Phasenmodulator in dem Resonator angewendet werden, um eine Modulation entsprechend der Periode des longitudinalen Resonatormodes auszuführen, so dass Impulse bei maximaler Zeitamplitude oder konstanter Phasenzeit erzeugt werden.
Im Falle des Benutzens eines Halbleiterverstärkers als das Verstärkungsmedium kann die Intensität des Stromes, welcher an dem Verstärker angelegt ist, entsprechend den longitudinalen Resonatormode-Perioden oder integralen Vielfachen von diesen moduliert werden, um so Impulse bei einer Zeit zu erzeugen, bei der der höchste Verstärkungspegel erreicht wird.
6 ist ein Graph des Laserausgangsspektrums, welches im Spitzenhaltemodus eines optischen Spektrum-Analyzers gemessen wurde. Das Laserausgangssignal wurde bei der gleichen Bedingung wie in 5A erzeugt. Mit Bezug auf 6 besitzt das Laserspektrum eine enge Linienbreite zu einem Zeitpunkt, aber, wenn es über längere Zeit hinweg gemessen wird, überstreicht der Spitzenwert einen Bereich von 27 nm von 1538 nm (minimale Wellenlänge 460) bis zu 1565 nm (maximale Wellenlänge 462). Durch Justieren der Amplitude des Signals, welches an dem Filter angelegt ist, kann der Wobbel- bzw. Überstreichungsbereich der Wellenlänge verändert werden.
7A ist eine schematische Zeichnung des Gerätes, welches zum Messen der sofortigen Linienbreite des Ausgangsspektrums des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers, welcher in 3 gezeigt wird, benutzt wird. Mit Bezug auf 7A wird das Ausgangssignal des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers 510 auf ein Michelson-Interferometer gegeben, und das Ausgangssignal desselben wird durch Benutzen eines optischen Detektors 520 und eines Oszilloskops gemessen. Das Laserausgangssignal wird zwischen zwei Armen 532 und 534 des Michelson-Interferometers durch einen 50%-Faserkoppler 530 aufgeteilt. Die optische Wegdifferenz zwischen den beiden Armen kann auf ungefähr 4 cm von einem Referenzpunkt eingestellt werden, indem ein Reflektor 536 linear bewegt wird. Eine Polarisationssteuereinrichtung 538 wird so gesteuert, dass Licht, welches an den Koppler 530 gekoppelt wird, nach der Reflexion die gleiche Polarisation besitzt. Wenn der optische Wegunterschied L beträgt, agiert das Interferometer als ein Filter, dessen Durchlässigkeit für einen Bereich von Wellenlängen proportional einer Cosinusquadratfunktion mit der Periode λ²/L ist, wobei λ die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ist. Da sich die Laserausgangswellenlänge abhängig von der Zeit ändert, ändert sich auch die Lichtleistung periodisch abhängig von der Zeit, nachdem sie durch das Interferometer gelaufen ist.
7B ist eine Fotografie der Signale, welche in dem optischen Detektor 50 der 7A detektiert werden, wenn die optische Wegdifferenz 2 mm ist. Der Modulationswellenlängeabstand des Signales betrug 1,2 nm, und die Wellenlängenwobbel-Wiederholungsrate betrug 250 Hz. Es wird verstanden werden, dass der gesamte Wellenlängenwobbelbereich 27 mm ist, da ungefähr 22,5 Umläufe für eine Zeit der Wellenlängenerhöhung oder -erniedrigung vorhanden ist. Das Zeitintervall des Intensitätsmodulationsumlaufs am Vorderbereich 540 jedes Wellenlängenwobbelns ist geringfügig größer als bei anderen Positionen, da das Ansprechen des piezoelektrischen Modenwandlers nicht genügend schnell ist und er nicht-lineare Eigenschaften besitzt.
7C ist ein Graph der Sichtbarkeit in Abhängigkeit von der optischen Wegdifferenz L bei einer Wellenlängenwobbel-Wiederholrate von 600 Hz. Zwei Kurven 550 und 552 stellen die Ergebnisse dar, welche jeweils bei einer Wellenlängenerhöhung bzw. -erniedrigung gemessen wurden. Die beiden Kurven stimmen mit zwei Gauß-Funktionen mit dem Größenverhältnis = 3:1 und einem Linienbreitenverhältnis = 1:3 überein. Das Laserspektrum stimmt in der Form nicht mit einer einfachen Gauß-Funktion überein, da zu große Eigenphasenmodulation aufgrund eines hohen nicht-linearen Effektes des nicht-linearen Mediums auftritt. In den Fällen einer niedrigen Nicht-Linearität wird eine höhere Wellenlängenwobbelgeschwindigkeit oder eine engere Filterbreite mit einem einzelnen Gauß-Spektrum mit Impulsen mit einer gaußförmigen Form erhalten. Eine höhere Pumpleistung wird jedoch größere Eigenphasemodulation erzeugen, die Laserausgangsleistung wird instabil werden, da ein Laserimpuls dazu tendiert, sich in mehrere Impulse aufgrund hoher Nicht-Linearität aufzuteilen. Mit Bezug auf 7C wird die Sichtbarkeit 552 für ein Erhöhen der Wellenlänge beobachtet, dass diese schneller mit Erhöhen der Wegdifferenz abnimmt als die Sichtbarkeit 550 für das Erniedrigen der Wellenlänge, welche anzeigt, dass eine breitere Laserlinienbreite für das Erhöhen der Wellenlänge erhalten werden kann. Dieses beobachtete Ergebnis kann durch einen chromatischen Dispersionseffekt der dritten Ordnung bezüglich der Frequenz erklärt werden, welcher charakteristisch für ein Fabry-Perot-Filter ist. Wie oben beschrieben, wenn sich die Wellenlänge erhöht oder abnimmt, weist die Position des Laserspektrums Versätze in entgegengesetzte Richtungen bezüglich des Filterzentrums auf. Bezüglich der chromatischen Dispersion des Filters ist der Frequenzbereich, der größer als die Zentrumsfrequenz ist, ein Bereich so genannter anomaler chromatischer Dispersion, wohingegen der Frequenzbereich, der niedriger als die Filterzentralfrequenz ist, ein Bereich normaler chromatischer Dispersion ist. Mit dem Erhöhen der Laserwellenlänge wird das Laserspektrum einen Frequenzbereich größer als die Filterzentrumsfrequenz besitzen. Diese anomale chromatische Dispersion und die Eigenphasemodulation durch ein nicht-lineares Medium ergeben demnach einen Soliton-Effekt mit reduzierter Impulsbreite und einem weiteren Spektrum. Auf der anderen Seite, mit dem Abfallen der Laserwellenlänge, wird die Dispersion durch das Filter den Impuls verbreitern, was zu einer erhöhten Impulsbreite und einem engeren Spektrum führt. Im Falle, dass die Filterbreite enger als 1 nm ist, da die Dispersion durch das Filter verglichen mit der Dispersion, welche durch mehrere zehn Meter an Faser gegeben ist, vorherrscht, ist die chromatische Dispersion durch die Faser vernachlässigbar. Im Falle des Benutzens eines akustooptischen Filters besitzt das Filter keine derartigen asymmetrischen Eigenschaften. Auf der anderen Seite kann eine zu große Eigenphasenmodulation das Vorzeichen des Versetzens entgegengesetzt machen, wodurch die Form des Impulses von einer Gauß-Funktion abweicht. Und die oben beschriebene Asymmetrie wird komplexer.
Die optische Impulsbreite wurde durch Benutzen der Autokorrelation durch Erzeugen der zweiten Harmonischen gemessen. Es ist aus dem Experiment zu sehen, dass die Impulsformen für alle Fälle sehr gut mit einer Gauß-Funktion übereinstimmen. Die jeweiligen Impulsbreiten wurden bei einer Wellenlängenwobbel-Wiederholrate von 1 kHz gemessen, wenn sich die Wellenlänge abwechselnd erhöht und abnimmt, was zu dem Ergebnis führt, dass die gemessene Breite bei abfallender Wellenlänge um ungefähr 10% in der Breitendifferenz breiter ist. Dieses Ergebnis entspricht dem obigen Ergebnis, dass die Linienbreite, gemessen bei Wellenlängenabnahme, kleiner als ungefähr 10% der Linienbreitendifferenz ist.
8A bis 8D sind Graphen des Ausgangsleistungsspektrums und des optischen Impulses in dem in der Wellenlänge gewobbelten Faserlaser der 3, welche aus Computersimulationen erhalten werden. In den Simulationen wurden die Parameter, wie z.B. der optische Resonatorverlust, der Verstärkungspegel der mit Erbiumionen dotierten Faser, die Resonatorlänge, die chromatische Dispersion der Faser, die Filterwellenlängen-Linienbreite und der nicht-lineare Parameter, alle von den Werten ausgewählt, welche in den tatsächlichen Experimenten benutzt wurden. Die effektive Länge des nicht-linearen Mediums als freier Parameter wurde von einem Wert ausgewählt, welcher zu Ergebnissen führt, welche am meisten wahrscheinlich zu den realen Experimentergebnissen sind. Die effektive Länge entspricht einer Länge von 2 m einer Erbiumionen-dotierten Faser auf der Grundlage des Wertes, welcher die höchste Lichtleistung in dem Resonator ergibt. Die Simulationsergebnisse der 8A bis 8D wurden bei einem Wellenlängenwobbelbereich von 28 nm, einer Wiederholrate von 250 Hz und einer Laserausgangsleistung von 2,1 mW erhalten. Die 8A und 8B zeigen jeweils das Spektrum und den Impuls, wenn sich die Filterfrequenz um 150 MHz für einen Resonatorumlauf erhöht (d.h., wenn die Laserausgangswellenlänge um 1,2 pm abnimmt). 8C und 8D zeigen jeweils das Spektrum und den Impuls, wenn die Filterfrequenz mit der gleichen Geschwindigkeit wie in dem obigen Fall abnimmt. Es wird klar gezeigt, dass das Maximum des Spektrums vom Filterzentrum abweicht (d.h. vom Zentrum der effektiven Verstärkungskurve), und das Spektrum ist nicht einfach gaußförmig. Demnach ist auch der optische Impuls nicht einfach gaußförmig. Die Produkte der Impulsbreite und der Linienbreite für ein Abnehmen und Zunehmen der Wellenlänge waren jeweils 0,43 und 0,47.
In einer Computersimulation, bei welcher die effektive Länge des nicht-linearen Mediums mehrere Male kürzer als 2 m ist, wird der Versatz des Spektrums erhöht, und sowohl das Spektrum als auch der Impuls werden gaußförmig. Auf der anderen Seite, wenn die effektive Länge von 2 m aus zunimmt, wird das Spektrum in mehrere Stücke nach dem Durchlaufen des unstabilen Zustands aufgeteilt, was zur Erzeugung einer Vielzahl von optischen Impulsen führt. D.h., der Zustand wird stabil, wenn das Spektrum in mehrere Impulse aufgeteilt ist, um so den Effekt der Eigenphasenmodulation zu reduzieren, da die Eigenphasenmodulation für einen einzelnen Impuls in dem Resonator zu groß ist.
9A und 9B sind Graphen, welche die Messungen mit den Computersimulationsdaten für die Impulsbreite und die Linienbreite des in der Wellenlänge gewobbelten Faserlasers der 3 vergleichen. Die gemessenen Werte wurden ungeachtet der Wellenlängenerhöhung oder der Wellenlängenerniedrigung erhalten. In 9A stellen die schwarzen Quadrate jeweils die Messungen bei 100 Hz (610), 200 Hz (612) und 600 Hz (614) Wellenlängenwobbel-Wiederholraten dar. Die Horizontalachse gibt die optische Frequenzverschiebung der Filterzentralfrequenz für einen Resonatorumlauf wieder. Die Kurven 620 und 622 sind Computersimulationsdaten, welche erhalten werden, wenn die Wellenlänge jeweils abnimmt und zunimmt.
Die Linienbreite wurde getrennt für das Erhöhen und Erniedrigen der Wellenlänge gemessen. In 9B geben die Punkte 650 und 652 jeweils Linienbreiten wieder, welche bei Wellenlängenwobbel-Wiederholraten von 200 Hz und 600 Hz im Falle der Erhöhung der Wellenlänge gemessen wurden. Die Punkte 654 und 656 geben jeweils Linienbreiten wieder, welche bei den gleichen Wellenlängenwobbel-Wiederholraten im Falle des Abnehmens der Wellenlänge gemessen wurden. Die Kurven 660 und 662 sind Ergebnisse der Computersimulation für jeweils die Fälle des Wellenlängenerhöhens und -erniedrigens. Die gemessenen Werte und Simulationsergebnisse sind geringfügig in ihren Absolutwerten unterschiedlich, sie stimmen jedoch gut miteinander bezüglich des Änderungstrends und der Asymmetrie entsprechend der Wellenlängenwobbelgeschwindigkeit und -richtung überein.
Als Ergebnis kann ein stabiler optischer Impuls mit ungefähr 100 ps Breite in der Ausführungsform erhalten werden, ohne dabei zusätzliche optische Komponenten, wie z.B. teure Modulatoren oder sättigbare Absorber zu benutzen.
Wie oben beschrieben, besteht eine der Grundbedingungen für Mode-Locken darin, dass die kontinuierliche Änderung in der Filterfrequenz einen asymmetrischen optischen Verlust für das Laserspektrum ergibt. Demnach wird Mode-Locken nicht auftreten, wenn sich das optische Spektrum mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Variation der Filterfrequenz bewegt. Auf der Grundlage dieses Herausfindens wurde ein in der Wellenlänge gewobbelter Laser, welcher in der Lage ist, ein kontinuierliches Ausgangssignal zu erzeugen, entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entwickelt.
Ein derartiger in der Wellenlänge gewobbelter Laser kann durch das Anordnen eines akustooptischen Frequenzschiebeelements zwischen dem Ausgang des optischen Dekopplers 330 und dem optischen Isolator 362 in dem Laserresonator der 3 geliefert werden. In der Ausführungsform wird das Frequenzschiebeelement mit nahezu konstanter Durchlässigkeit über einen breiten Bereich von 100 nm bei 1550 nm durch ein wechselndes Signal mit einer Frequenz von 54 MHz getrieben und erhöht die optische Frequenz um 54 MHz. Die Resonatorlänge wurde auf 19,2 m aufgrund des Frequenzschiebeelements erhöht. Entsprechend sollte im Falle eines Wellenlängenwobbelbereichs von 28 nm das Sägezahn-Wellensignal bei ungefähr 83 Hz theoretisch an das Filter angelegt werden, um das Filterzentrum mit der gleichen Geschwindigkeit von 580 GHz/ms wie das der Frequenzänderung zu verschieben.
10 ist eine Oszilloskop-Fotografie des Ausgangssignals des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers entsprechend einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Ausgangssignal wurde durch Anlegen eines Sägezahn-Wellensignals der Frequenz von 77 Hz und einer Amplitude von 2 V an das akustisch-optische Frequenzschiebeelement erhalten.
Das Ansteigen der Spannung 710 in der Sägezahn-Welle entspricht dem Frequenzabfall 712 in dem Laserausgangssignal. In diesem Fall werden Impulse aufgrund des Mode-Lockens erzeugt, da die Bewegungsrichtung des Filterzentrums entgegengesetzt zur Richtung der Frequenzverschiebung ist.
Auf der anderen Seite entspricht der Spannungsabfall 720 in der Sägezahn-Welle dem Frequenzanstieg 722 im Laserausgangssignal. In diesem Fall wird die Frequenz des Laserlichtes entsprechend der Filterbewegungsgeschwindigkeit verschoben, so dass die Laseroszillation um das Filterzentrum herum auftreten kann. Entsprechend kann der Laser die kontinuierliche Oszillation aufgrund des unterdrückten Mode-Lockens beibehalten. Wie in 10 gezeigt wird, entspricht die Frequenzverschiebung sehr gut der Bewegungsgeschwindigkeit des Wellenlängenfilters um die Position 724 herum.
Da das Filterzentrum kein perfekt lineares Wobbeln aufgrund der nicht-linearen Eigenschaft des piezoelektrischen Modenwandlers innerhalb des Filters durchführt, zeigen die Positionen, wie z.B. eine Position 726, mehrere Hz Unterschied zwischen dem Wellenlängenwobbeln und der Frequenzverschiebung. Das Mode-Locken tritt nicht bei den Positionen auf, aber die Laserausgangsleistung ist beträchtlich instabil, wobei es von Relaxationsoszillation begleitet wird.
D.h., eine kontinuierliche Oszillation kann durch Unterdrücken optischer Impulserzeugung durch das Verfahren des Einstellen des Betrags der Frequenzverschiebung in dem Frequenzverschiebeelement unterdrückt werden, welches im Wesentlichen gleich zu der Änderung der Zentralfrequenz in dem in der Wellenlänge durchstimmbaren Filter für eine Resonatorumlaufzeit ist.
Das Verfahren des Betreibens eines derartig in der Wellenlänge gewobbelten Lasers weist die folgenden Schritte auf.
Am Anfang werden ein in der Wellenlänge durchstimmbares Filter mit einem Zentralfrequenzbereich mit minimalem Verlust und ein Frequenzverschiebeelement in einem Laserresonator aufgestellt. Dann wird die Frequenz des Lichtes in dem Resonator um einen vorher festgelegten Betrag von f_FS verschoben, wobei das Frequenzverschiebeelement benutzt wird, und die Zentralfrequenz des in der Wellenlänge durchstimmbaren Filters wird durchgestimmt, um kontinuierlich diese um f_F1 für eine Resonatorumlaufzeit zu ändern. Das in der Wellenlänge durchstimmbare Filter wird so gesteuert, dass f_FS und f_F1 im Wesentlichen gleiche Werte besitzen können, und dadurch wird die kontinuierliche Laseroszillation aufrechterhalten. Durch sorgfältiges Anpassen der beiden Werte, f_FS und f_F1, kann der Laser so angeordnet werden, dass er nur in einer longitudinalen Mode oszilliert. In diesem Fall kann das Scannen des Einzelfrequenzsignals erhalten werden.
Zusammenfassend wurde demonstriert, dass kontinuierliche Laseroszillation ohne Mode-Locken durch Durchstimmen der Filterfrequenzänderungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenzverschiebegeschwindigkeit des Frequenzverschiebeelements erhalten werden kann.
11A und 11B zeigen Anwendungskonzepte des in der Wellenlänge gewobbelten Lasers, welche in der Lage sind, ein kontinuierliches Ausgangssignal zu erzeugen.
Mit Bezug auf 11A läuft ein Ausgangssignal eines in der Wellenlänge gewobbelten Lasers 810 durch ein optisches System 830, nachdem es entlang eines optischen Weges 820, wie z.B. einer optischen Faser, gelaufen ist. Das Licht, welches durch das optische System 830 gelaufen ist, wird durch einen optischen Detektor 840 detektiert, um die Wellenlängencharakteristika des optischen Systems 830 in einer Zeitdomäne zu analysieren. Ein derartiges optisches System enthält z.B. ein Wellenlängenfilter, eine optische Einrichtung, wie z.B. einen optischen Schalter, welcher einen nicht-linearen Effekt nutzt, einen Gittersensor oder einen interferometrischen optischen Sensor, ein optisches Faserkommunikationssystem und Ähnliches. Mit einer hohen Wellenlängenwobbel-Wiederholrate kann der Laser 810 die schnellen dynamischen Charakteristika des optischen Systems 830 analysieren, was nicht durch einen herkömmlichen langsamen Spektrum-Analyzer realisiert wurde.
Mit Bezug auf 11B werden die Wellenlängeneigenschaften des Lichtes, welches durch das optische System 830 reflektiert wird, analysiert. Ein Strahlteiler 850 ist in dem optischen Weg angeordnet, um die Strahlrichtung zu steuern.
Die Laser können für das Analysieren verschiedener optischer Komponenten oder Systeme benutzt werden. Deshalb ist die vorliegende Erfindung für das optische Abtasten oder das optische WDM-Kommunikationsfeld anwendbar.

Claims

Wellenlängengewobbelter Impulslaser, welcher eine modengekoppelte, kurz gepulste Ausgabe erzeugt, deren Zentralwellenlänge über die Zeit kontinuierlich variiert, mit: einem Resonator mit einem Lichtweg (150), welcher in demselben ein optisches Verstärkungsmedium (120), welches fähig ist Licht über ein breites Wellenlängenband zu verstärken, ein bezüglich der Wellenlänge durchstimmbares Filter (130) mit einer durchstimmbaren Zentralwellenlänge mit minimalem Verlust und ein nichtlineares Medium (140) mit einem Berechnungsindex aufweist, welcher von der Lichtstärke abhängt; einer optischen Pumpeinrichtung (122) zur Besetzungsinversion des optischen Verstärkungsmediums (120); und einer Filtermodulations-Signalerzeugungseinrichtung (132) zum kontinuierlichen Variieren der Mindestverlustzentralwellenlänge des durchstimmbaren Filters (130) der Wellenlänge über die Zeit; wobei die Laserausgabe von modengekoppelter, kurz gepulster Art ist und die Zentralwellenlänge derselben kontinuierlich über die Zeit variiert.
Laser nach Anspruch 1, wobei das optische Verstärkungsmedium (120) aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem mit Seltenerdionen dotierten Einmodenlichtwellenleiter (310), einem mit Seltenerdionen dotierten, planaren Einmodenwellen, einem mit Titan dotierten Saphirkristall und einem Kristall aus Nd-YVO₄ besteht.
Laser nach Anspruch 1, wobei das optische Verstärkungsmedium (120) ein Halbleiterverstärker ist.
Laser nach Anspruch 3, wobei die optische Pumpeinrichtung (122) einen Strom erzeugt, dessen Intensitätsmodulationsfrequenz gleich dem Zwischenmodenabstand der Längsresonatormoden oder ein ganzzahliges Vielfaches des Abstands ist, der zur ver stärkungskonstanten Modulation des Halbleiterverstärkers führt, wodurch die Laserquelle modengekoppelte optische Impulse erzeugt und das Timing der Impulserzeugung derselben angemessen eingestellt ist.
Laser nach Anspruch 1, wobei das durchstimmbare Filter (130) der Wellenlänge aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem akusto-optischen, durchstimmbaren Wellenlängenfilter, einem interferometrischen, durchstimmbaren Fabry-Perot-Wellenlängenfilter (320) und einem reflektierenden Beugungsgitter mit einer variierenden, reflektierenden Zentralwellenlänge besteht, welche von der Drehung des Gitters abhängt.
Laser nach Anspruch 1, wobei das durchstimmbare Wellenlängenfilter (130) Folgendes aufweist: eine Strahlenablenkeinrichtung zum Steuern der Richtung des sich ausbreitenden Lichts; und eine optische Vorrichtung, welche fähig ist einen geringen optischen Verlust nur innerhalb des bestimmten Frequenzbereiches zu erzeugen, wenn das übertragene oder reflektierte Licht, welches von der gesteuerten Strahlenrichtung abhängt, an den Resonator gekoppelt ist.
Laser nach Anspruch 6, wobei die Strahlenablenkeinrichtung ein akusto-optischer Modulator ist, welcher die Strahlenrichtung gemäß der Frequenz der akustischen Welle steuert.
Laser nach Anspruch 6, wobei die Strahlenablenkeinrichtung eine mehrfach phasengesteuerte Anordnung ist, welche die Strahlenrichtung gemäß den Phasenunterschieden der jeweiligen Lichtstrahlen steuert, wenn sich die in mehrere Lichtwege geteilten Lichtstrahlen miteinander wiederverbinden.
Laser nach Anspruch 1, wobei das nichtlineare Medium (140) eine Länge des Einmodenlichtwellenleiters enthält.
Laser nach Anspruch 1, wobei das nichtlineare Medium (140) einen Halbleiter enthält, um die Eigenphasenmodulationswirkung zu verbessern und als sättigbarer Absorber zu wirken, wodurch das nichtlineare Medium die Erzeugung der modengekoppelten, optischen Impulse unterstützt.
Laser nach Anspruch 1, wobei das Verstärkungsmedium (120) aus einer optischen Vorrichtung besteht, welche auch als nichtlineares Medium wirkt.
Laser nach Anspruch 11, wobei das Verstärkungsmedium (120) ein mit Seltenerdionen dotierter Lichtwellenleiter (310) mit einer großen nichtlinearen Brechungsindexänderung oder ein mit Titan dotierter Saphirkristall ist.
Laser nach Anspruch 1, welcher innerhalb des Resonators zudem Folgendes aufweist: einen optischen Amplitudenmodulator zum Unterstützen der Erzeugung der Modenkopplung sowie zum Einstellen des Timings der Erzeugung des optischen Impulses; und einen Modulationssignalgenerator zum Anlegen eines elektrischen Wechselsignals an den optischen Amplitudenmodulator, wobei die Frequenz des elektrischen Signals gleich dem Zwischenmodenabstand der Längsresonatormoden oder eines ganzzahligen Vielfachen des Abstands ist.
Laser nach Anspruch 1, welcher innerhalb des Resonators zudem Folgendes aufweist: einen optischen Phasenmodulator zum Unterstützen der Erzeugung der Modenkopplung sowie zum Einstellen des Timings der Erzeugung des optischen Impulses; und einen Modulationssignalgenerator zum Anlegen eines elektrischen Wecheselsignals am optischen Phasenmodulator, wobei die Frequenz des elektrischen Signals gleich dem Zwischenmodenabstand der Längsresonatormoden oder eines ganzzahligen Vielfachen des Abstands ist.
Verfahren zur Erzeugung eines modengekoppelten Laserimpulses, welches die Folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines durchstimmbaren Wellenlängenfilters (130) und eines nichtlinearen Mediums (140) mit einem von der Lichtstärke abhängigen Brechungsindex innerhalb eines Resonators; Übertragen optischer Impulse in das nichtlineare Medium (140) zum Erweitern des Spektrums der optischen Impulse durch das Induzieren einer Eigenphasenmodulation; Durchstimmen des durchstimmbaren Wellenlängenfilters (130) derart, dass die Wellenlänge mit minimalem Verlust des durchstimmbaren Filters (130) über die Zeit kontinuierlich variieren kann; und Verstärken von nur ausgewählten Abschnitten der erweiterten optischen Impulse, wobei das Wellenlängenspektrum der ausgewählten Abschnitte um die Mindestverlustwellenlänge herum platziert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das durchstimmbare Wellenlängenfilter (130) durchgestimmt wird, damit V höher als V_C = ln(r)Δ⁴/b² für die meiste Zeit der Wellenlängenwobbelung ist, wodurch eine Mehrzahl von Resonatormoden gleichzeitig schwingen können, wobei V die Veränderungsgeschwindigkeit der Mindestverlustzentralwellenlänge, Δ der Wellenlängenabstand zwischen den Resonatormoden, b die Halbwertsbreite, ln(r) der natürliche Logarithmus des Verhältnisses r der maximalen zur minimalen Lichtstärke für jeden Modus ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das elektrische Signal an das durchstimmbare Wellenlängenfilter (130) angelegt wird und die Frequenz und/oder Spannung des elektrischen Signals kontinuierlich und periodisch über einen vorbestimmten Bereich wobbelt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei ein kurzer elektrischer Impuls über den vorderen Abschnitt jeder sich wiederholenden Signalform des elektrischen Signals überlagert wird, wodurch das Timing der Impulserzeugung zu dem elektrischen Impuls durchgestimmt wird sowie die Erzeugung der optischen Impulse unterstützt wird.