DE10124983A1 - Modulare hochenergetische breit abstimmbare ultraschnelle Faserquelle - Google Patents
Modulare hochenergetische breit abstimmbare ultraschnelle FaserquelleInfo
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Abstract
Beschrieben ist ein modulares kompaktes und breit abstimmbares Lasersystem für die effiziente Erzeugung von Ultrakurzimpulsen mit hoher Spitzen- und hoher Durchschnittsleistung. Die Modularität ist durch die Implementierung von austauschbaren Verstärkerkomponenten sichergestellt. Die Systemkompaktheit ist durch die Verwendung von effizienten Faserverstärkkungseinrichtungen sichergestellt, die direkt oder indirekt durch Diodenlaser gepumpt werden. Die Spitzenleistungshandhabungskapazität der Faserverstärkungseinrichtungen wird unter Verwendung von optimierten Impulsgestalten sowie durch Dispersion aufgeweiteter Impulse ausgedehnt. Die Aufweitung durch Dispersion wird durch Dispersionsimpulsdehnung in Gegenwart einer Selbstphasenmodulation und -verstärkung eingeführt, was zu der Ausbildung von parabolischen Impulsen von hoher Leistung führt. Zusätzlich wird eine Aufweitung durch Dispersion ebenfalls durch einfache...
Description
Die Erfindung betrifft wellenlängenabstimmbare, kompakte,
modulare und effiziente Quellen von ultrakurzen
Hochleistungslaserimpulsen, die ein wesentlicher
Bestandteil bei der kommerziellen Verwendung der
ultraschnellen Lasertechnologie sind.
Faserlaser sind schon seit langem für die Bereitstellung
eines effektiven Mediums für die Erzeugung von
ultrakurzen Impulsen bekannt, obwohl bisher derartige
Systeme hauptsächlich auf einer Impulsverstärkung mit
dynamischer Wellenlängenveränderung (nachstehend mit
"Chirp" bzw. "gechirpt" bezeichnet) basierten, welche
gechirpte Bragg-Gitter verwenden, wobei begrenzte
Optionen für die Wellenlängenabstimmung und Begrenzungen
bei der minimal erzielbaren Impulsbreite vorlagen (A.
Galvanauskas und M. E. Fermann: "Optical Pulse
Amplification Using Chirped Bragg Gratings", US-
Patentschrift Nr. 5,499,134). Gechirpte Bragg-Gitter
wurden in der Tat zu breit verfügbaren Vorrichtungen
entwickelt, und der Chirp innerhalb der Bragg-Gitter kann
linear oder selbst nichtlinear für die Kompensierung
einer beliebigen Dispersionsgrößenordnung in einem
gechirpten Impulsverstärkungssystem entworfen werden (A.
Galvanauskas et al.: "Hybrid Short-Pulse Amplifiers with
Phase-Mismatch Compensated Pulse Stretchers and
Compressors", US-Patentschrift Nr. 5,847,863), was für
die Erzeugung von bandbreitenbegrenzten Impulsen wichtig
ist, d. h. den kürzest möglichen Impulsen für eine
gegebene spektrale Impulsbandbreite.
Für die Maximierung der Leistungs- und
Energiebegrenzungen von optischen Fasern ist die
Verwendung einer gechirpten Impulsverstärkung zweifellos
wünschenswert, obwohl gleichzeitig das Verlangen nach
Systemintegration (Bragg-Gitter müssen eher reflektierend
als transmittierend betrieben werden, damit die
höchstmögliche Dispersion bereitgestellt wird) die
Verwendung derartiger
Standardchirpimpulsverstärkungssysteme unpraktisch
gestaltet. Als Alternative zu gechirpter
Impulsverstärkung wurde die Verstärkung von
Hochleistungsimpulsen in Multimodenfaserverstärkern
angeregt (M. E. Fermann und D. Harter: "Single-mode
Amplifiers and Compressors Based on Multimode Optical
Fibres", US-Patentschrift Nr. 5,818,630). Als noch eine
weitere Alternative zu gechirpter Impulsverstärkung wurde
die Verwendung von Solitonenramandehnung in
Faserverstärkern oder allgemein die Verwendung einer
Impulsdehnung innerhalb nichtlinearer Faserverstärker
vorgeschlagen (M. E. Fermann, A. Galvanauskas und D.
Harter: "Apparatus and Method for the Generation of High
power Femtosecond Pulses from a Fiber Amplifier", US-
Patentschrift Nr. 5,880,877).
Offenbar kann die Verwendung von Multimodenfasern mit
gechirpter Impulsverstärkung und Solitenenramandehnung
zur weiteren Verbesserung der Leistungsfähigkeit
derartiger Systeme kombiniert werden. Bis jetzt wurden
jedoch keine Verfahren zur Steuerung der Impulsgestalt
für eine weitere Optimierung der
Gesamtsystemleistungsfähigkeit beschrieben. Die
Verwendung von Selbstphasenmodulation in dem Dehnungsteil
derartiger gechirpter Impulsverstärkungssysteme wurde
gleichfalls nicht angeregt.
Darüber hinaus kann als Kompromiss zwischen der
Systemkompaktheit und der Hochenergiebefähigung die
Verwendung einer Faserdispersionsverzögerungsleitung in
Verbindung mit einer optischen
Volumenverdichtungseinrichtung vorteilhaft sein, wobei
zumindest eine Teilintegration eines
Hochenergiefaserlasersystems bereitgestellt wird (M. E.
Fermann, A. Galvanauskas und D. Harter: "All fiber source
of 100 nJ sub-picosecond pulses", Applied Physics
Letters, Band 64, 1994, Seiten 1315-1317). Bis jetzt
wurden jedoch keine effektiven Verfahren zur Steuerung
der Dispersion dritter und vierter Ordnung in derartigen
Dehnungseinrichtungs- und
Verdichtungseinrichtungsverbindungen für die
Rückverdichtung der Impulse auf annähernd ihre
Bandbreitengrenze entwickelt.
Als Alternative zur gechirpten Impulsverstärkung wurde
ebenfalls vormals angeregt, dass eine effiziente
Impulsverdichtung erhalten werden kann, indem
quarzglasbasierte Einzelmodenerbiumverstärker mit einer
positiven Hochverstärkungsdispersion (nicht-Solitonen-
unterstützend) in Verbindung mit
Bulk-Prismaverdichtungseinrichtungen verwendet werden (K.
Tamura und M. Nakazawa: "Pulse Compression by Nonlinear
Pulse Evolution with Reduced Optical Wave Breaking in
Erbium-Doped Fiber Amplifiers", Optical Letters, Band 21,
Seite 68 (1996)). Die Verwendung dieser Technik in
Verbindung mit quarzglasbasierten Erbiumverstärkern ist
jedoch problematisch, weil das Erfordernis für positive
Dispersion die Faserkerngröße auf etwa 5 µm begrenzt,
andernfalls dominiert die negative Materialdispersion
über die positive Wellenleiterdispersion, wodurch eine
negative Gesamtfaserdispersion erzeugt wird.
Quarzglasbasierte Multimodenfaser weisen gleichfalls eine
negative Dispersion bei Erbiumverstärkerwellenlängen auf,
was ihre Verwendung bei effizienter Impulsverdichtung
verhindert. Somit reduziert die begrenzte Kerngröße von
Erbiumverstärkern mit positiver Dispersion in großem
Ausmaß die erzielbare Impulsenergie.
Darüber hinaus zeigten Tamura et al. nicht, wie eine
zusätzliche Spektralaufweitung und Impulsverstärkung nach
diesem einen Erbiumverstärker erzeugt wird. Gleichfalls
wurde durch Tamura et al. nicht gelehrt, wie die
Leistungsfähigkeit der
Prismaimpulsverdichtungseinrichtung für die Kompensierung
der Dispersion des Erbiumverstärkers optimiert wird.
Als weitere Alternative zur gechirpten Impulsverstärkung
wurde die Verwendung einer nicht verstärkenden optischen
Faser in Verbindung mit einer
Bulk-Gitterverdichtungseinrichtung angeregt (D.
Grischkowsky et al. und J. Kafka et al., US-Patentschrift
Nr. 4,750,809). Da jedoch bei einem derartigen System
keine Verstärkung existiert, müssen hohe Impulsenergien
in das nichtlineare optische Element für den Erhalt einer
hohen Ausgangsleistung gekoppelt werden, was die
Spitzenleistungsbefähigung des Systems in großem Ausmaße
reduziert. Darüber hinaus wurde keine Einrichtung zur
Kompensierung der Dispersion höherer Ordnung in einer
derartigen optischen Anordnung beschrieben, was die
Praktikabilität dieses Ansatzes sehr begrenzt. Ohne
Steuerung der Impulsgestalt bei der Eingabe in ein
derartiges System kann zusätzlich die spektrale
Aufweitung mit einem linearen Chirp lediglich für sehr
begrenzte Eingangsleistungen erhalten werden. Die
Steuerung der Eingangsimpulsgestalt wurde durch Kafka et
al. nicht beschrieben. Für den Erhalt der kürzest
möglichen Impulse in Verbindung mit einer
Bulk-Gitterverdichtungseinrichtung ist gleichfalls die
Steuerung der Dispersion der zweiten und dritten Ordnung
in einem derartigen nichtlinearen optischen Element
erforderlich, was ebenfalls durch Kafka et al. nicht
beschrieben wurde.
Eine Kompensation für die chromatische Dispersion in
einem (Niederleistungs-)Lichtwellensignal unter
Verwendung der chromatischen Dispersion in einem anderen
(dispersionskompensierenden) Wellenleiterelement wurde
zur Optimierung der Leistungsfähigkeit von
Telekommunikationssystemen eingeführt (C. D. Poole.
"Apparatus of compensating chromatic dispersion in
optical fibers", US-Patentschrift Nr. 5,185,827). Die
durch ein dispersionskompensierendes Wellenleiterelement
für Hochleistungsimpulsquellen eingeführte
Selbstphasenmodulation verhindert jedoch deren effektive
Verwendung. Darüber hinaus arbeitet das durch Poole
beschriebene System lediglich in Verbindung mit
Modenumwandlungseinrichtungen und/oder
seltene-erdendotierte Fasern entweder für die selektive
Absorption einer Raummode einer höheren Ordnung in dem
dispersionskompensierenden Wellenleiterelement oder für
die selektive Verstärkung der Grundmode in dem
dispersionskompensierenden Wellenleiterelement. Für die
Kompensierung der Dispersion von optischen
Hochleistungsimpulsen in Gegenwart der
Selbstphasenmodulation wurde keine Einrichtung gelehrt,
und für die Implementierung eines
dispersionskompensierenden Wellenleiters ohne
Modenumwandlungseinrichtung wurde keine Einrichtung
angeregt.
Als Alternative zu der Verwendung von
Modenumwandlungseinrichtungen und Moden höherer Ordnung
sind Fasern mit W-förmigen Brechungsindexprofilen bekannt
(B. J. Ainslie und C. R. Day: "A review of single-mode
fibers with modified dispersion characteristics", Journal
of Lightwave Technology, Band LT-4, Nr. 8, Seiten 967-
979, 1988). Die Verwendung derartiger Faserentwürfe bei
Hochleistungsfaserchirpimpulsverstärkungssystemen wurde
jedoch nicht beschrieben.
Zur Maximierung der Effizienz von ultraschnellen
Faserverstärkern wurde die Verwendung von
Yttriumfaserverstärkern angeregt (D. T. Walton, J. Nees
und G. Mourou: "Broad-bandwidth pulse amplification to
the 10 µJ level in an ytterbium-doped germanosilicate
fiber", Optical Letters, Band 21 (14), Seiten 1061
(1996)), obwohl die Arbeit von Walton et al. einen
Argonlaser-gepumpten Ti : Saphir-Laser zur Anregung der
Ytterbium-dotierten Fasern sowie einen phasengekoppelten
Ti : Saphir-Laser als Quelle der Signalimpulse verwendete,
was äußerst ineffizient und zweifellos inkompatibel mit
einem kompakten Aufbau ist. Darüber hinaus wurden keine
Einrichtungen zur Steuerung der Phase der optischen
Impulse bei dem Verstärkungsvorgang angeregt, d. h. 100 fs
Impulse von dem Ti : Saphir-Laser wurden unmittelbar mit
dem Ytterbiumverstärker durch eine 1,6 km lange
Einzelmodenfaserdispersionsverzögerungsleitung gekoppelt,
welche aufgrund von Dispersion der höheren Ordnung große
Phasenstörungen erzeugt, was die Anwendbarkeit des
Systems auf ultraschnelle Anwendungen stark begrenzt. Zur
Induktion einer hochqualitativen parabolischen
Hochleistungsimpulsausbildung innerhalb des
Ytterbiumverstärker wären eher Keimimpulse in dem Bereich
von 200 bis 400 fs für eine Ytterbiumverstärkerlänge von
ein paar Metern vorzuziehen. Die Verwendung eines
ytterbiumdotierten Einzelmodenfaserverstärkers durch
Walton et al. beschränkte zudem stark die Energie- und
Leistungsgrenzen des Ytterbiumverstärkers. Die Verwendung
einer ytterbiumdotierten Multimodenfaser wurde in der US-
Anmeldung Nr. 09/317221 angeregt, obwohl eine zu
Ytterbiumverstärkern kompatible kompakte ultraschnelle
Impulsquelle schwer fassbar blieb.
Ein in breitem Ausmaße abstimmbarer gepulster
Ytterbiumfaserlaser wurde jüngst unter Einbeziehung eines
aktiven optischen Modulationsschemas beschrieben (J.
Porta et al.: "Environmentally stable picosecond
ytterbium fiber laser with a broad tuning range", Optical
Letters, Band 23, Seiten 615-617 (1998)). Obwohl dieser
Faserlaser einen Abstimmungsbereich annähernd innerhalb
der Verstärkungsbandbreite von Ytterbium bot, ist die
Anwendung des Lasers auf ultraschnelle optische
Einrichtungen aufgrund der durch den Laser erzeugten
relativ langen Impulse begrenzt. Allgemein erzeugen aktiv
phasengekoppelte Laser längere Impulse als passiv
phasengekoppelte Laser und bei dem vorliegenden Fall
betrug die erzeugte Impulsbandbreite lediglich 0,25 nm
mit einer minimalen Impulsbreite von 5 ps.
In einem breiten Wellenlängenbereich abstimmbare
Faserlaserquellen wurden jüngst unter Verwendung der
Ramanverschiebung in Verbindung mit einer
Frequenzumwandlung in einem nichtlinearen Kristall
beschrieben (vgl. M. E. Fermann et al., US-Patentschrift
Nr. 5,880,877 sowie N. Nizhizawa und T. Goto:
"Simultaneous Generation of Wavelength Tunable Two-
Colored Femtosecond Soliton Pulses Using Optical Fibers",
Photonics Technical Letters, Band 11 (4), Seiten 421-423).
Im Wesentlichen rauminvariante
Faserramanverschiebungseinrichtungen wurden angeregt, was
zu einer begrenzten Wellenlängenabstimmbarkeit von 300
bis 400 nm führte (vgl. Nizhizawa et al.). Darüber hinaus
war kein Verfahren zur Minimierung des Rauschens eines
derartigen hoch nichtlinearen Systems auf der Grundlage
der sukzessiven Anwendung von Ramanverschiebung und
nichtlinearer Frequenzumwandlung in einem nichtlinearen
optischen Kristall bekannt. Ferner beruht das durch
Nizhizawa et al. beschriebene System auf einem relativ
komplexen polarisationsgesteuerten
Niederleistungserbiumfaseroszillator, der in einem
zusätzlichen polarisationsgesteuerten
Erbiumfaserverstärker zum Anregen der
Ramanverschiebungseinrichtung verstärkt wird. Darüber
hinaus wurde kein Verfahren beschrieben, das die
Ramanverschiebung der Frequenz verdoppelten Ausgabe eines
Erbiumfaserlasers erlauben würde.
Ein mit den Impulsen von einem
Hochleistungsfaseroszillator oder den
frequenzumgewandelten Impulsen von einem
Hochleistungsfaseroszillator unmittelbar gekeimte
Ramanverschiebungseinrichtung wäre zweifellos zu
bevorzugen. Derartige Faseroszillatoren wurden jühgst
unter der Verwendung von optischem Multimodenfasern
beschrieben (M. E. Fermann: "Technique for mode-locking
of mulit-mode fibers and the construction of compact
high-power fiber laser pulse sources", US-Seriennummer
09/199,728). Bis jetzt wurden jedoch keine Verfahren für
die Frequenzumwandlung derartiger Oszillatoren mit einer
nachfolgenden Verwendung der Ramanverschiebung
vorgestellt.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe
zugrunde, ein modulares, kompaktes, in einem breiten
Bereich abstimmbares, mit hoher Spitzen- und hoher
Durchschnittsleistung sowie niedrigem Rauschen versehenes
ultraschnelles Faserverstärkungslasersystem einzuführen.
Zudem wird erfindungsgemäß die Modularität des Systems
sichergestellt, indem eine Vielzahl von leicht
untereinander austauschbaren optischen Systemen wie etwa
- 1. Kurzimpulskeimquellen,
- 2. breite Bandbreitenfaserverstärker,
- 3. dispersive Impulsdehnungselemente,
- 4. dispersive Impulsverdichtungselemente,
- 5. nichtlineare Frequenzumwandlungselemente und
- 6. optische Komponenten
für die Faserzuleitung verwendet werden. Zusätzlich kann
jedes der angeregten Module eine Untergruppe von
untereinander austauschbaren optischen Systemen umfassen.
Ferner wird erfindungsgemäß die Kompaktheit des Systems
sichergestellt, indem durch Diodenlaser direkt oder
indirekt gepumpte effiziente Faserverstärker sowie
integrierte Dispersionsverzögerungsleitungen verwendet
werden. Die Befähigung zu hohen Spitzenleistungen der
Faserverstärker wird durch die Verwendung von
parabolischen oder anderen optimierten Impulsformen stark
ausgeweitet. In Verbindung mit Selbstphasenmodulation
erlauben parabolische Impulse die Erzeugung von Impulsen
mit hoher Spitzenleistung und großer Bandbreite sowie
eine gut steuerbare dispersive Impulsdehnung.
Parabolische Impulse mit hoher Leistung werden in Einzel-
oder Multimodenfaserverstärkern mit hoher Verstärkung
erzeugt, die bei Wellenlängen arbeiten, bei denen die
Fasermaterialdispersion positiv ist.
Parabolische Impulse können entlang wesentlicher
Faserlängen selbst in der Gegenwart einer
Selbstphasenmodulation oder allgemeinen optischen Nicht-
Linearitäten in der Art des Kerr-Effektes zugeführt oder
übertragen werden, während lediglich ein im Wesentlichen
linearer Impulschirp in Kauf genommen wird. Am Ende
derartiger Faserzuleitungs- oder
Faserübertragungsleitungen können die Impulse
näherungsweise an ihre Bandbreitengrenze verdichtet
werden.
Zudem wird die Hochenergiebefähigung der Faserverstärker
durch die Verwendung einer gechirpten Impulsverstärkung
in Verbindung mit parabolischen Impulsen oder anderen
optimierten Impulsgestalten stark ausgedehnt, welche die
Tolerierung eines großen Ausmaßes an
Selbstphasenmodulation ohne Degradation der
Impulsqualität erlauben. Hochintegrierte gechirpte
Impulsverstärkungssysteme werden ohne einen Kompromiss
bei der Hochenergiebefähigung der optischen Fasern durch
die Verwendung von faserbasierten
Impulsdehnungseinrichtungen in Verbindung mit optischen
Bulk-Impulsverdichtungseinrichtungen (oder Bragg-Gitter
mit niedriger Nichtlinearität) oder periodisch gepolten
nichtlinearen Kristallen aufgebaut, welche die
Impulsverdichtung mit Frequenzumwandlung kombinieren.
Die Dispersion bei der Faserimpulsdehnungseinrichtung und
bei der optischen Bulk-Verdichtungseinrichtung wird auf
die vierte Ordnung bei der Phase angepasst, indem
Faserimpulsdehnungseinrichtungen mit einer einstellbaren
Dispersion der zweiten, dritten und vierten Ordnung
implementiert wird. Eine einstellbare Dispersion höherer
Ordnung kann durch die Verwendung von Einzelmodenfasern
mit hoher Numerischer Apertur und optimierten
Brechungsindexprofilen an sich oder durch die Verwendung
von Standardstufenindexfasern mit hoher Numerischer
Apertur in Verbindung mit linearen Chirpfasergittern
erhalten werden. Alternativ kann die Dispersion höherer
Ordnung durch Verwendung der Dispersionseigenschaften der
Mode höherer Ordnung bei einer Faser für die Ausbreitung
einiger Moden mit hoher Numerischer Apertur gesteuert
werden, indem nichtlineare Chirpfasergitter oder lineare
Chirpfasergitter in Verbindung mit transmittierenden
Fasergittern verwendet werden. Eine einstellbare
Dispersion der vierten Ordnung kann durch die Steuerung
des Chirps bei Faserbragg-Gittern und transmittierenden
Fasergittern und durch die Verwendung von Fasern mit
unterschiedlichen Verhältnissen der Dispersion der
zweiten, dritten und vierten Ordnung erhalten werden.
Eine Steuerung der Dispersion höherer Ordnung kann
gleichfalls durch die Verwendung von periodisch gepolten
nichtlinearen Kristallen erhalten werden.
Die Faserverstärker werden durch Kurzimpulslaserquellen
gekeimt, vorzugsweise in der Gestalt von
Kurzimpulsfaserquellen. Im Falle von
Ytterbiumfaserverstärkern können
Kurzimpulserbiumfaserlaserquellen mit Ramanverschiebung
und Frequenzverdopplung als breit abstimmbare Keimquellen
implementiert werden. Zur Minimierung des Rauschens bei
Frequenzumwandlung von dem 1,5 µm zu dem 1,0 µm-Bereich
kann eine selbstbegrenzende Ramanverschiebung der
Erbiumfaserlaserimpulsquelle verwendet werden. Alternativ
kann das Rauschen bei dem nichtlinearen
Frequenzumwandlungsvorgang durch Implementierung einer
selbstbegrenzenden Frequenzverdopplung minimiert werden,
wobei die zentrale Wellenlänge der Abstimmungskurve des
Verdopplungskristalls kürzer als die zentrale Wellenlänge
der Impulse mit Ramanverschiebung ist.
Der Vorgang der Ramanverschiebung und Frequenzverdopplung
kann ebenfalls umgekehrt werden, wobei bei einem
Erbiumfaserlaser zunächst eine Frequenzverdopplung und
nachfolgend eine Ramanverschiebung in einer optimierten
Faser durchgeführt wird, wobei eine Solitonen-
unterstützte Dispersion für Wellenlängen um die 800 nm
und höher zur Erzeugung einer Keimquelle für den 1 µm-
Wellenlängenbereich bereitgestellt wird.
Als alternative Keimquelle mit geringer Komplexität für
einen Ytterbiumverstärker kann ein phasengekoppelter
Ytterbiumfaserlaser verwendet werden. Der Faserlaser kann
zur Erzeugung von stark gechirpten Impulsen entworfen
werden, und ein optisches Filter kann für die Auswahl von
nahezu bandbreitenbegrenzten Keimimpulsen für den
Ytterbiumverstärker eingebaut werden.
Da parabolische Impulse entlang der wesentlichen
Faserlänge übertragen werden können, können sie ebenso
bei optischen Faserkommunikationssystemen verwendet
werden. Dabei können solche parabolische Impulse
übertragen werden, die durch eine externe Impulsquelle
erzeugt werden. Alternativ können parabolische Impulse
ebenso bei dem Übertragungsvorgang erzeugt werden. In
letzterem Fall wird der schädliche Effekt von optischen
Nichtlinearitäten bei dem Übertragungssystem im
Allgemeinen durch die Implementierung von langen
verteilten optischen Verstärkern mit positiver Dispersion
minimiert. Derartige Verstärker können Längen von
zumindest 10 km und eine Verstärkung von weniger als 10 dB/km
aufweisen. Die Gesamtverstärkung pro Verstärker
sollte 10 dB überschreiten, damit der Beginn der
Ausbildung von parabolischen Impulsen für eine
Minimierung des schädlichen Effekts von optischen Nicht-
Linearitäten ausgenutzt wird. Eine Chirpkompensierung
entlang der Übertragungsleitungen kann bequem unter
Verwendung von gechirpten Faserbragg-Gittern entlang der
Faserübertragungsleitung implementiert werden, sowie auch
am Ende der Übertragungsleitung. Optische
Bandbreitenfilter können zudem für eine
Bandbreitensteuerung der übertragenen Impulse
implementiert werden.
Wellenlängenabstimmbare Impulsquellen auf der Grundlage
der Ramanverschiebung von kurzen Impulsen in optischen
Fasern sind für viele Anwendungen an sich hilfreich,
beispielsweise bei der Spektroskopie. Eine sehr
attraktive Vorrichtung kann jedoch durch die Verwendung
der Ramanverschiebung bei dem Aufbau von
wellenlängenabstimmbaren Faserramanverstärkern für
Telekommunikationssysteme aufgebaut werden. Bei diesem
wellenlängenabstimmbaren System stellen ramanverschobene
Pumpimpulse eine Ramanverstärkung für einen abstimmbaren
Wellenlängenbereich bereit, der bezüglich der Pumpimpulse
rot-verschoben ist. Darüber hinaus kann die Gestalt des
Ramanverstärkungsspektrums durch Modulation der
ramanverschobenen Pumpimpulse gesteuert werden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen modularen
kompakten abstimmbaren Systems zur Erzeugung von
ultrakurzen Laserimpulsen mit hoher Spitzen- und hoher
Durchschnittsleistung;
Fig. 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Keimmoduls (SM) zur erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs
zwischen der durchschnittlichen frequenzverdoppelten
Leistung und der Wellenlänge, die bei einem gegebenen
Eingangsleistungsbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ausgegeben werden;
Fig. 4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Impulsverdichtungsmoduls (PCM) zur erfindungsgemäßen
Verwendung;
Fig. 5 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Impulsdehnungsmoduls (PSM) zur erfindungsgemäßen
Verwendung;
Fig. 6 eine Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines Keimmoduls (SM) zur
erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 7 eine Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Keimmoduls (SM) zur
erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 8 eine Darstellung eines vierten
Ausführungsbeispiels eines Keimmoduls (SM) zur
erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 9 eine Darstellung eines fünften
Ausführungsbeispiels eines Keimmoduls (SM) zur
erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 10 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels, bei dem ein Faserzuleitungsmodul
(FDM) dem in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiel hinzugefügt wurde;
Fig. 11 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
Faserzuleitungsmoduls (FDM) zur erfindungsgemäßen
Verwendung;
Fig. 12 eine Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eine Impulsdehnungsmoduls (PSM) zur
erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 13 eine Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Impulsdehnungsmoduls (PSM) zur
erfindungsgemäßen Verwendung;
Fig. 14 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels, bei dem Impulsauswahlelemente und
zusätzliche Verstärkungsstufen hinzugefügt sind;
Fig. 15 eine Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels, bei dem ein Faserverstärker mit
zumindest einem Hin- und einem Rückpass in Verbindung mit
optischen Modulatoren wie etwa Impulsauswahlelementen
betrieben wird;
Fig. 16 eine Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels in dem Kontext eines optischen
Kommunikationssystems; und
Fig. 17 eine Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels in dem Kontext eines
wellenlängenabstimmbaren Ramanverstärkers für
Telekommunikationseinrichtungen.
Eine verallgemeinerte Darstellung des erfindungsgemäßen
Systems ist in Fig. 1 gezeigt. Die in einer
Laserkeimquelle 1 (Keimmodul; SM) erzeugten Impulse
werden in ein Impulsdehnungsmodul 2 (PSM) eingekoppelt,
wo sie zeitlich dispersiv gedehnt werden. Die gedehnten
Impulse werden nacheinander in die Grundmode eines
mantelgepumpten Ytterbiumfaserverstärkers 3
(Verstärkermodul, AM1) eingekoppelt, wo die Impulse
zumindest um einen Faktor 10 verstärkt werden.
Schließlich werden die Impulse in einen
Impulsverdichtungsmodul 4 (PCM) eingekoppelt, wo sie
annähernd auf die Bandbreitengrenze zeitlich verdichtet
werden.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel ist modular
und besteht aus vier Untersystemen; dem SM 1, PSM 2, AM1
3 und PCM 4. Die Untersysteme können unabhängig sowie in
verschiedenen Konfigurationen verwendet werden, wie es
bei den alternativen Ausführungsbeispielen beschrieben
wird.
Nachstehend wird die Beschreibung auf das SM-PSM-AM1-PCM-
System beschränkt. Das SM1 umfasst vorzugsweise eine
Femtosekundenimpuisquelle (Keimquelle 5). Das PSM umfasst
vorzugsweise eine Faser 6 einer gewissen Länge, wobei die
Kopplung zwischen dem SM und dem PSM vorzugsweise durch
Schmelzspleißen erhalten wird. Die Ausgabe des PSM wird
vorzugsweise in die Grundmode des Ytterbiumverstärkers 7
innerhalb des AM1-Moduls 3 injiziert. Eine Kopplung kann
entweder durch Schmelzspleißen, eine
Faserkopplungseinrichtung oder eine optische
Bulk-Abbildungseinrichtung zwischen dem PSM 2 und dem
Faserverstärker 7 durchgeführt werden. Alle Fasern werden
vorzugsweise polarisationsbewahrend ausgewählt. Das PCM 4
besteht vorzugsweise aus einer dispersiven
Verzögerungsleitung, die aus Kompaktheitsgründen aus
einem oder zwei optischen Bulk-Beugungsgittern aufgebaut
ist. Alternativ kann eine Anzahl von optischen Bulk-
Prismen und Bragg-Gittern innerhalb des PCM 4 verwendet
werden. Die Kopplung in das PCM 4 kann durch ein
optisches Bulklinsensystem durchgeführt werden, wie es
durch die einzelne Linse 8 in Fig. 1 dargestellt ist.
Falls das PCM ein Faserbragg-Gitter enthält, kann ein
Faserschweineschwanz für die Kopplung in das PCM
verwendet werden.
Als Beispiel für eine Femtosekundenlaserkeimquelle ist
eine ramanverschiebender
Frequenzverdopplungserbiumfaserlaser innerhalb eines SM
1b in Fig. 2 gezeigt. Der Femtosekundenfaserlaser 9 kann
eine kommerzielle Hochenergiesolitonenquelle (IMRA
America, Inc., Femtolite B-60TM) sein, der ungefähr 200
Femtosekundenimpulse bei einer Wellenlänge von 1,57 µm
und einer Impulsenergie von 1 nJ bei einer
Wiederholungsrate von 50 MHz bereitstellt.
Bei diesem speziellen Beispiel wurde eine aus 30 und 3
Meter langen Quarzglasramanfasern (Einzelmode bei 1,56 µm)
mit Kerndurchmessern mit 6 bzw. 4 µm bestehende Zwei-
Stufen-Ramanverschiebungseinrichtung 10 implementiert.
Aufgrund des Beginns der infraroten Absorptionskante für
Quarzglas bei 2,0 µm ist die Erhöhung der Abgriffrate zu
dem Ende der Ramanverschiebungseinrichtung 10 hin
vorteilhaft. Bei dem vorliegenden Beispiel wurden
Umwandlungseffizienzen von bis zu 25% von 1,57 µm bis
2,10 µm erhalten. Durch die Verwendung einer größeren
Faseranzahl mit langsam veränderlichem Kerndurchmesser
oder durch die Implementierung einer einzeln
abgegriffenen Faser mit langsam veränderlichem
Kerndurchmesser können sogar noch bessere
Umwandlungseffizienzen erhalten werden.
Die Frequenzumwandlung der ramanverschobenen Impulse in
den 1,05 µm-Bereich kann durch die Länge eines periodisch
gepolten LiNbO3-Kristalls 11 mit zweckmäßig ausgewählter
Polungsperiode durchgeführt werden. (Obwohl in der
gesamten vorliegenden Beschreibung das bevorzugte
Material für Frequenzumwandlung mit PPLN angegeben ist,
ist es ersichtlich, dass andere periodisch gepolte
ferroelektrische optische Materialien wie etwa PP
Lithiumtantalat, PP MgO : LiNbO3, PP KTP oder andere
periodisch gepolte Kristalle der KTP isomorphen Familie
vorteilhaft verwendet werden können.) Die Kopplung mit
dem PPLN-Kristall 11 tritt durch die Verwendung eines
Linsensystems auf, welches in Fig. 2 durch Linsen 12
dargestellt ist. Die Ausgabe des PPLN-Kristalls 11 wird
durch Linsen 12 in einer Ausgabefaser 13 gekoppelt.
Umwandlungseffizienzen von bis zu 16% können für die
Frequenzverdopplung von 2,1 µm erhalten werden, was zu
einer Impulsenergie von bis zu 40 pJ in dem 1 µm-
Wellenlängenbereich führt. Die spektrale Breite der
Frequenz-umgewandelten Impulse kann durch eine
zweckmäßige Wahl der Länge des PPLN-Kristalls 11
ausgewählt werden; ein 13 mm langer PPLN-Kristall erzeugt
beispielsweise eine Bandbreite von 2 nm in dem 1,05 µm-
Bereich, entsprechend einer Impulsbreite von etwa 800 fs.
Die erzeugte Impulsbreite ist annähernd proportional zu
der PPLN-Kristalllänge, d. h. ein frequenzumgewandelter
Impuls mit einer 400 fs-Impulsbreite erfordert eine PPLN-
Länge von 6,5 mm. Diese Impulsbreitenskalierung kann
fortgesetzt werden, bis die frequenzumgewandelte
Impulsbreite etwa 100 fs erreicht, wobei die begrenzte
Impulsbreite von 100 fs der ramanverschobenen Impulse
eine weitere Impulsbreitenreduktion begrenzt.
Wenn die frequenzumgewandelte Impulsbreite im
Wesentlichen länger als die Impulsbreite der
ramanverschobenen Impulse ist, kann zudem die breite
Bandbreite der Ramanimpulse ausgenutzt werden, um eine
Wellenlängenabstimmung der frequenzumgewandelten Impulse
zu erlauben, d. h. eine effiziente Frequenzumwandlung kann
für Impulse im Frequenzbereich von 2(ω1 - δω) bis
2(ω1 + δw) erhalten werden, wobei 2δω die Spektralbreite
bei dem halben Maximalwert des Spektrums der
ramanverschobenen Impulse ist. Kontinuierliche
Wellenlängenabstimmung wird dabei einfach durch die
Abstimmung der Temperatur des
Frequenzumwandlungskristalls 11 durchgeführt.
Das verstärkte Rauschen der Kombination aus
Ramanverschiebungseinrichtung und PPLN-Kristall wird wie
folgt minimiert. Die selbstbegrenzende Ramanverschiebung
der Erbiumfaserlaserimpulsquelle kann durch Ausdehnung
der Ramanverschiebung auf mehr als 2 µm in
quarzglasbasierten optischen Fasern verwendet werden. Für
Wellenlängen über 2 µm beginnt die
Infrarotabsorptionskante von Quarzglas die Impulse
signifikant abzuschwächen, was zu einer Begrenzung der
Ramanverschiebung und einer Reduktion bei den
Amplitudenschwankungen führt, d. h. irgendein Anstieg bei
der Impulsenergie bei 1,5 µm neigt zu einer Übertragung
auf eine größere Ramanverschiebung und somit zu einer
größeren Absorption in dem 2 µm-Wellenlängenbereich, was
somit die Amplitude der ramanverschobenen Impulse in
diesem Bereich stabilisiert.
Alternativ kann das Rauschen des nichtlinearen
Frequenzumwandlungsvorgangs durch die Implementierung
einer selbstbegrenzenden Frequenzverdopplung minimiert
werden, wobei die zentrale Wellenlänge der
Abstimmungskurve des Verdopplungskristalls kürzer als die
zentrale Wellenlänge der ramanverschobenen Impulse ist.
Abermals überträgt sich eine beliebige Erhöhung bei der
Impulsenergie in dem 1,5 µm-Bereich in eine größere
Ramanverschiebung, wobei eine reduzierte
Frequenzumwandlungseffizienz erzeugt wird, womit die
Amplitude der frequenzverdoppelten Impulse stabilisiert
wird. Daher kann eine konstante frequenzumgewandelte
Leistung für eine große Variation bei der
Eingangsleistung erhalten werden.
Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wo die durchschnittliche
frequenzumgewandelte Leistung in dem 1 µm-
Wellenlängenbereich als Funktion der durchschnittlichen
Eingangsleistung bei 1,56 µm gezeigt ist. Eine
selbstbegrenzende Frequenzverdopplung stellt außerdem
sicher, dass die frequenzverschobene Wellenlänge in dem 1
µm-Wellenlängenbereich unabhängig von der
durchschnittlichen Eingangsleistung in dem 1,56 µm-
Wellenlängenbereich ist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
Für das PSM 2 existieren mehrere Optionen. Wenn eine
lange Faser 6 (Dehnungsfaser) als PSM gemäß Fig. 1
verwendet wird, kann eine zweckmäßige dispersive
Verzögerungsleitung sodann in dem PCM 4 für den Erhalt
von nahezu bandbreitenbegrenzten Impulsen aus dem System
verwendet werden. Wenn jedoch die dispersive
Verzögerungsleitung in dem PCM 4 aus Bulk-Beugungsgittern
19 gemäß Fig. 4 besteht, erwächst ein mögliches Problem.
Das Verhältnis von |3./2.|-Ordnung der Dispersion ist
typischerweise 1 bis 30-mal größer in
beugungsgitterbasierten dispersiven Verzögerungsleitungen
im Vergleich zu dem Verhältnis von |3./2.|-Ordnung der
Dispersion in typischen optischen Stufenindexfasern, die
in dem 1 µm-Wellenlängenbereich arbeiten. Für
Standardstufenindexfasern mit niedrigen Numerischen
Aperturen, die in dem 1 µm-Wellenlängenbereich arbeiten,
ist darüber hinaus das Vorzeichen der Dispersion der
dritten Ordnung in der Faser dasselbe wie in einer
gitterbasierten dispersiven Verzögerungsleitung. Somit
vermag eine Faserdehnungseinrichtung in Verbindung mit
einer gitterbasierten Dehnungseinrichtung die Dispersion
der dritten und höherer Ordnungen in dem System
typischerweise nicht zu kompensieren.
Für eine Impulsdehnung um mehr als den Faktor 10 wird die
Steuerung der Dispersion der dritten Ordnung und höherer
Ordnungen wichtig für eine optimale Impulsverdichtung in
dem PCM 4. Zur Lösung dieses Problems kann die
Dehnungsfaser 6 in die PSM 2 mit langen Fasern mit W-
förmigen Multimantelbrechungsindexprofilen ersetzt
werden, d. h. mit "W-Fasern" (B. J. Ainslie et al.) oder
Holey-Fasern (T. M. Monroe et al.: "Holey Optical Fibers"
An Efficient Modal Model, Journal of Lightwave
Technology, Band 17 (6), Seiten 1093-1102). Sowohl W-
Fasern als auch Holey-Fasern erlauben einstellbare Werte
für die Dispersion der zweiten, dritten und höherer
Ordnung. Aufgrund der in W- und Holey-Fasern möglichen
geringen Kerngröße sind größere Werte für die Dispersion
der dritten Ordnung als bei Standardeinzelmodenfasern
erhältlich. Die Implementierung ist ähnlich zu der in
Fig. 1 gezeigten und nicht separat dargestellt. Der
Vorteil derartiger Systeme ist, dass das PSM bei der
Übertragung rein arbeiten kann, d. h. es vermeidet die
Verwendung von in Reflexion arbeitenden streuenden Bragg-
Gittern, und es kann in das und aus dem System für
verschiedene Systemkonfigurationen gespleißt werden.
Eine alternatives PSM 2 mit einstellbaren Werten für die
Dispersion der zweiten, dritten und vierten Ordnung ist
in Fig. 5 gezeigt. Das PSM 20a basiert auf dem Prinzip,
dass bekannte optische Stufenindexfasern eine Dispersion
entweder der positiven, nullten oder negativen dritten
Ordnung erzeugen können. Die größte Menge Dispersion der
dritten Menge in einer Faser wird unter Verwendung ihrer
ersten Mode höherer Ordnung erzeugt, der LP11-Mode in der
Nähe der Grenzwellenlänge. Gemäß Fig. 5 wird die
Dispersion der vierten und dritten Ordnung des PSM 20a
unter Verwendung von drei Abschnitten 15, 16, 17 einer
Impulsdehnungsfaser eingestellt. Die erste Dehnungsfaser
15 kann eine lange Faser mit null Dispersion der dritten
Ordnung und einer zweckmäßigen Dispersion der vierten
Ordnung sein. Die erste Dehnungsfaser 15 wird sodann in
die zweite Dehnungsfaser 16 gespleißt, welche zur
Kompensierung der Dispersion der dritten Ordnung der
Gitterverdichtungseinrichtung sowie des gesamten
Chirpimpulsverstärkungssystems ausgewählt ist. Um aus der
Dispersion der hohen dritten Ordnung der LP11-Mode
Vorteil zu nehmen, wird die erste Dehnungsfaser 15 in die
zweiten Dehnungsfaser 16 unter Verschiebung ihrer
jeweiligen Faserzentren gespleißt, was zu einer
vorherrschenden Anregung der LP11-Mode in der zweiten
Dehnungsfaser 16 führt. Zur Maximierung des Ausmaßes der
Dispersion der dritten Ordnung in der zweiten
Dehnungsfaser 16 wird eine Faser mit einer hohen
numerischen Apertur NA < 0,20 bevorzugt. Am Ende der
zweiten Dehnungsfaser 16 wird eine ähnliche
Spleißungstechnik zur Rückübertragung der LP11-Mode in
die Grundmode der dritten Dehnungsfaser 17 verwendet.
Durch eine zweckmäßige Auswahl der Fasern kann die
Dispersion der vierten Ordnung der gesamten
Verstärkungsverdichtungseinrichtung minimiert werden. Die
dritte Dehnungsfaser 17 kann bei vernachlässigbarer
Dispersion kurz sein.
Der Übertragungsverlust der gesamten
Faserdehnungsanordnung beträgt zumindest 25% aufgrund
des unvermeidlichen Verlustes von 50% oder größer, der
durch die Übertragung von Leistung von der LP11-Mode zu
der LP01-Mode ohne Verwendung von optischen
Modenumwandlern zugezogen wird. Eine etwaige Restenergie
in der LP01-Mode in der zweiten Dehnungsfaser kann gemäß
Fig. 5 mit einem optionalen Reflexionsfasergitter 18
reflektiert werden. Aufgrund der großen Differenz bei dem
effektiven Index zwischen der Grundmode und der Mode der
nächsthöheren Ordnung variiert die
Gitterresonanzwellenlänge zwischen 10 bis 40 nm zwischen
den zwei Moden, was ein selektives Verwerfen einer Mode
gegenüber der anderen für Impulse mit spektralen Breiten
zwischen 10 bis 40 nm erlaubt.
Der Energieverlust der Faserdehnungsanordnung wird
unbedeutend, wenn die dritte Dehnungsfaser 17 durch einen
Ytterbiumverstärker ersetzt wird. Diese Implementierung
ist nicht getrennt gezeigt.
Wenn die Dispersion der vierten Ordnung unbedeutend ist,
kann die erste Dehnungsfaser 15 weggelassen werden.
Dispersion der vierten Ordnung kann außerdem unter
Verwendung einer ersten Dehnungsfaser mit einer
Dispersion der dritten Ordnung ungleich Null kompensiert
werden, solange das Verhältnis der Dispersion der dritten
und vierten Ordnung zwischen der ersten und zweiten
Dehnungsfaser verschieden ist.
Die ytterbiumdotierte Faser innerhalb des AM1 3 kann ein
Ytterbiumdotierungsniveau von 2,5 Mol-% und eine Länge
von 5 m aufweisen. Sowohl die ytterbiumdotierte
Einzelmodenfaser als auch die ytterbiumdotierte
Multimodenfaser kann verwendet werden, wobei der
Kerndurchmesser der Faser zwischen 1 bis 50 µm variieren
kann; wenngleich im Falle einer Multimodenfaser die
Grundmode angeregt werden sollte, damit die räumliche
Qualität des Ausgangsstrahls optimiert wird. In
Abhängigkeit von dem Ausmaß der erforderlichen
Verstärkung können verschiedene Längen der Ytterbium
dotierten Fasern verwendet werden. Zur Erzeugung der
höchstmöglichen Impulsenergien können bis zu 1 m kurze
Ytterbiumfaserlängen implementiert werden.
Eine Impulsverdichtung wird in dem PCM 4 durchgeführt.
Das PCM 4 kann bekannte optische Bulk-Komponenten (wie
etwa das in Fig. 4 gezeigte Bulk-Beugungsgitterpaar),
eine einzelne Gitterverdichtungseinrichtung oder eine
Anzahl von Dispersionsprismen oder -grismen oder
beliebige andere dispersive Verzögerungsleitungen
enthalten.
Alternativ kann eine Faser oder ein Bulk-Bragg-Gitter
oder ein gechirpter periodisch gepolter Kristall
verwendet werden. Der gechirpte periodisch gepolte
Kristall kombiniert die Funktionen der Impulsverdichtung
und der Frequenzverdopplung (A. Galvanauskas et al.: "Use
of chirped quasi-phase matched materials in chirped pulse
amplification systems'", US-Anmeldungsnummer 08/822967)
und arbeitet bei Übertragung, wodurch ein einheitlich
kompaktes System bereitgestellt wird.
Andere erfindungsgemäße Abwandlungen und Variationen sind
dem Fachmann aus der vorstehenden Offenbarung und Lehre
ersichtlich.
Insbesondere kann das SM 1 als eigenständige Einheit zur
Erzeugung von nahezu bandbreitenbegrenzten
Femtosekundenimpulsen im Frequenzbereich von 1,52 bis 2,2 µm
verwendet werden, und nach einer Frequenzumwandlung in
einem nichtlinearen Kristall auch in dem Frequenzbereich
von 760 nm bis 1,1 µm. Der Frequenzbereich kann weiter
ausgedehnt werden, indem eine
Fluoridramanverschiebungsfaser oder andere optische
Fasern mit längeren Infrarotabsorptionskanten als
Quarzglas verwendet werden. Unter Verwendung dieser
Technik können Wellenlängen bis zu etwa 3 bis 5 µm
erreicht werden. In Verbindung mit Frequenzverdopplung
kann eine kontinuierliche Abstimmung von 760 nm bis 5000
nm erzielt werden. Die Impulsleistung in dem 2 µm-Bereich
kann unter Verwendung von einer thulium- oder
holmiumdotierten Faser weiter verbessert werden. Mit
derartigen Verstärkungseinrichtungen können nahezu
bandbreitenbegrenzte Ramansolitonenimpulse mit
Impulsenergien oberhalb 10 nJ in Einzelmodenfasern in dem
2 µm-Wellenlängenbereich erreicht werden. Nach einer
Frequenzverdopplung können Femtosekundenimpulse mit
Energien von einigen nJ in dem 1 µm-Bereich ohne
Verwendung irgendwelcher
Dispersionsimpulsverdichtungseinrichtungen erhalten
werden. Derartige Impulse können als
Hochenergiekeimimpulse für Multimodenytterbiumverstärker
mit großen Kernen verwendet werden, welche höhere
Keimimpulsenergien als Einzelmodenytterbiumverstärker zur
Unterdrückung der verstärkten spontanen Emission
erfordern.
Als ein Beispiel für eine ultrabreit abstimmbare
Faserquelle, die eine Erbiumfaserlaserimpulsquelle 19 mit
einer Quarzglasramanverschiebungseinrichtung 20
kombiniert, ist eine thuliumdotierte
Verstärkungseinrichtung 21 und eine zweite
fluoridglasbasierte Ramanverschiebungseinrichtung 22 in
dem SM 1c von Fig. 6 gezeigt. Eine optionale
Frequenzverdopplungseinrichtung ist nicht gezeigt; für
eine optimale Stabilität sollten alle Fasern
polarisationserhaltend sein. Als weitere Alternative für
die Erbiumfaserlaserimpulsquelle kann eine Kombination
aus einer Diodenlaserimpulsquelle mit einer
Erbiumverstärkungseinrichtung verwendet werden; dies ist
nicht gesondert gezeigt.
Als noch weitere Alternative für ein SM ist ein SM 1d in
Fig. 7 gezeigt und enthält einen passivphasengekoppelten
Frequenzverdopplungshochleistungserbium- oder
Erbium/Ytterbium-Faseroszillator 23 in Verbindung mit
einer langen Ramanverschiebungs-Holey-Faser 24. Dabei
werden die Impulse von dem in dem 1,55 µm-
Wellenlängenbereich arbeitenden Oszillator 23 zunächst
unter Verwendung einer Frequenzverdopplungseinrichtung 25
und einem Linsensystem 26 frequenzverdoppelt und
nachfolgend werden die frequenzverdoppelten Impulse in
einer langen Holey-Faser 24 ramanverschoben, die
solitonenunterstützende Dispersion für Wellenlängen
oberhalb 750 nm oder zumindest oberhalb 810 nm
bereitstellt. Durch Verstärkung der ramanverschobenen
Impulse in dem 1 µm-Wellenlängenbereich oder in dem 1,3
oder 1,5 oder 2 µm-Wellenlängenbereich oder durch die
Auswahl verschiedener Entwürfe von
Ramanverschiebungsfasern kann eine in dem
Wellenlängenbereich von etwa 750 nm bis 5000 nm
arbeitende kontinuierlich abstimmbare Quelle aufgebaut
werden. Der Entwurf einer derartigen Quelle mit einer
Anzahl angefügter Verstärkungseinrichtungen 27 ist in
Fig. 7 ebenfalls gezeigt.
Für eine optimale Ramanselbstfrequenzverschiebung sollte
die Holey-Faserdispersion als Funktion der Wellenlänge
optimiert werden. Der Absolutwert der Dispersion der
dritten Ordnung der Holey-Faser sollte weniger oder
gleich dem Absolutwert der Materialdispersion von
Quarzglas der dritten Ordnung betragen. Dies ist für die
Sicherstellung hilfreich, dass der Absolutwert der
Dispersion der zweiten Ordnung über einen wesentlichen
Abschnitt des Wellenlängenabstimmungsbereichs klein
bleibt. Darüber hinaus sollte der Wert der Dispersion der
zweiten Ordnung negativ sein und eine Dispersion der
zweiten Ordnung von null sollte innerhalb von 300 nm
Wellenlänge zu der Keimeingangswellenlänge liegen.
Als noch eine weitere Alternative für eine Keimquelle für
eine Ytterbiumverstärkungseinrichtung kann die Anti-
Stokes-Erzeugung in einer langen Anti-Stokes-Faser
verwendet werden. Nach der Anti-Stokes-Erzeugung können
zusätzliche lange Faserverstärkungseinrichtungen und
Ramanverschiebungseinrichtungen für den Aufbau einer
breit wellenlängenabstimmbaren Quelle verwendet werden.
Die allgemeine Konfiguration ist ähnlich zu der in Fig. 7
gezeigten, wobei die Frequenzverdopplungseinrichtung 25
weggelassen ist, und die Ramanverschiebungseinrichtung 24
durch eine Anti-Stokes-Erzeugungseinrichtung ersetzt ist.
Für die effektive Erzeugung von Licht in dem 1,05 µm-
Wellenlängenbereich in einer Anti-Stokes-
Erzeugungseinrichtung unter Verwendung einer bei 1,55 µm
arbeitenden Erbiumfaserlaserkeimquelle ist beispielsweise
eine Anti-Stokes-Erzeugungseinrichtung in Gestalt einer
optischen Faser mit kleinem Kerndurchmesser und einem
geringen Wert der Dispersion der dritten Ordnung optimal.
Ein geringer Wert der Dispersion der dritten Ordnung ist
dabei als ein Wert der Dispersion der dritten Ordnung
definiert, der im Vergleich zu dem Wert der Dispersion
der dritten Ordnung in einer
Standardtelekommunikationsfaser für den 1,55 µm-
Wellenlängenbereich kleiner ist. Darüber hinaus sollte
der Wert der Dispersion der zweiten Ordnung in der Anti-
Stokes-Faser negativ sein.
Als weitere alternative Keimquelle für eine
Ytterbiumverstärkungseinrichtung kann ein
passivphasengekoppelter Ytterbium- oder Neodymfaserlaser
innerhalb des SM verwendet werden. Vorzugsweise kann ein
in dem negativen Dispersionsbereich arbeitender
Ytterbiumsolitonenoszillator verwendet werden. Für den
Aufbau eines Ytterbiumsolitonenoszillators kann die
negative Resonatordispersion in den Resonator durch ein
zweckmäßig gechirptes Fasergitter 29 eingeführt werden,
das mit der Ausgangsfaser 36 gemäß Fig. 8 verbunden ist;
alternativ kann eine negative Dispersionsfaser wie etwa
eine Holey-Faser (T. Monroe et al.) in dem
Ytterbiumsolitonenlaserresonator verwendet werden. Ein
eine derartige Anordnung beinhaltendes SM ist als SM 1e
in Fig. 8 gezeigt. Dabei kann die Ytterbiumfaser 30
polarisationserhaltend sein, und ein Polarisator 31 kann
für die Auswahl von Oszillation entlang einer Achse der
Faser eingebaut sein (wobei die Kopplung mit Linsen 32
erreicht wird). Zur Vereinfachung kann die Ytterbiumfaser
30 von der in Fig. 8 gezeigten Seite mantelgepumpt sein.
Ein eine bekannte Einzelmodenfaser beinhaltender
passivphasengekoppelter Ytterbiumfaserlaser kann jedoch
ebenfalls verwendet werden. Eine derartige Anordnung ist
nicht gesondert gezeigt. In Fig. 8 wird der SA 28 zur
Induktion der Ausbildung von kurzen optischen Impulsen
verwendet. Das Gitter 35 wird für die
Dispersionssteuerung und als Intraresonatorspiegel
verwendet. Die Pumpdiode 33 liefert Pumplicht durch eine
V-Nut 34.
Eine Anordnung, die eine Holey-Faser beinhaltet, kann zu
dem in Fig. 8 gezeigten System nahezu identisch sein,
wobei eine zusätzliche lange Holey-Faser irgendwo in den
Resonator gespleißt wird. Im Falle des Einbaus einer
Holey-Faser muss das Faser-Bragg-Gitter keine negative
Dispersion aufweisen; gleichfalls kann das Bragg-Gitter
mit einem dielektrischen Spiegel ersetzt werden.
Am geradlinigsten zu implementieren ist jedoch ein im
positiven Dispersionsbereich arbeitender
Ytterbiumoszillator, der keine besonderen
Resonatorbestandteile wie etwa Faser-Bragg-Gitter mit
negativer Dispersion oder Holey-Fasern für die Steuerung
der Resonatordispersion benötigt. In Verbindung mit einer
parabolischen Ytterbiumverstärkungseinrichtung (oder
einer normalen Ytterbiumverstärkungseinrichtung) kann
eine sehr kompakte Keimquelle für ein
Hochleistungsytterbiumverstärkersystem erhalten werden.
Ein derartiger Ytterbiumoszillator mit einer
Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 ist in Fig. 9
gezeigt, wobei die Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40
vorzugsweise eine parabolische
Ytterbiumverstärkungseinrichtung ist, wie vorstehend
angeführt. Zu den in Fig. 8 gezeigten identische Elemente
sind identisch bezeichnet.
Das SM 1f gemäß Fig. 9 umfasst eine seitengepumpte
Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 gemäß der
Beschreibung bezüglich Fig. 8, obwohl eine beliebige
andere Pumpanordnung ebenfalls implementiert werden
könnte. Die Ytterbiumfaser 44 wird als
polarisationserhaltend angenommen und ein Polarisator 31
wird für die Auswahl eines einzelnen
Polarisationszustands eingesetzt. Das Faser-Bragg-Gitter
37 weist eine im Vergleich zu der Verstärkungsbandbreite
von Ytterbium kleine Reflektionsbandbreite auf und stellt
die Oszillation von Impulsen mit einer im Vergleich zu
der Verstärkungsbandbreite von Ytterbium kleinen
Bandbreite sicher. Das Bragg-Gitter 37 kann gechirpt oder
nicht gechirpt sein. Im Falle eines nicht gechirpten
Bragg-Gitters sind die innerhalb des Ytterbiumoszillators
oszillierenden Impulse positiv gechirpt. Eine
Impulserzeugung oder passive Phasenkopplung innerhalb des
Ytterbiumoszillators wird durch die sättigbare
Absorptionseinrichtung 28 initiiert. Das optische Filter
39 ist optional und beschränkt ferner die Bandbreite der
in die Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 gestarteten
Impulse.
Für die Optimierung der Ausbildung von parabolischen
Impulsen innerhalb der Ytterbiumverstärkungseinrichtung
40 innerhalb des SM 1f sollten die Eingangsimpulse eine
im Vergleich zu der Verstärkungsbandbreite von Ytterbium
geringe Bandbreite aufweisen; außerdem sollte die
Eingangsimpulsbreite zu der
Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 im Vergleich zu der
Ausgangsimpulsbreite gering sein, und die Verstärkung der
Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 sollte so groß wie
möglich sein, d. h. größer als 10. Ebenso sollte die
Verstärkungssättigung innerhalb der
Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 klein sein.
Als Beispiel für eine parabolische
Verstärkungseinrichtung kann eine 5 m lange
Ytterbiumverstärkungseinrichtung verwendet werden. Eine
parabolische Impulsausbildung wird unter Verwendung einer
Keimquelle mit einer Impulsbreite von etwa 0,2 bis 1 ps
und einer spektralen Bandbreite in der Größenordnung von
3 bis 8 nm sichergestellt. Die parabolische
Impulsausbildung verbreitert die Bandbreite der
Keimquelle auf etwa 20 bis 30 nm innerhalb der
Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40, wohingegen die
Ausgangsimpulse auf etwa 2 bis 3 ps aufgeweitet sind. Da
der Chirp innerhalb der parabolischen Impulse hoch linear
ist, können nach Verdichtung Impulsbreiten in der
Größenordnung von 100 fs erhalten werden. Während
ultraschnelle Standardfestkörperverstärkungseinrichtungen
eine nichtlineare Phasenverschiebung aus der
Selbstphasenmodulation lediglich in der Größe von pi
tolerieren können (was weithin bekannt ist), kann eine
parabolische Impulsfaserverstärkungseinrichtung eine
nichtlineare Phasenverschiebung in der Größe von 10 pi und
höher tolerieren. Zur Vereinfachung wird somit vorliegend
auf eine Ytterbiumverstärkungseinrichtung mit großer
Verstärkung als parabolische Verstärkungseinrichtung
Bezug genommen. Parabolische Verstärkungseinrichtungen
befolgen einfache Skalierungsgesetzmäßigkeiten und
erlauben die Erzeugung von parabolischen Impulsen mit 1
nm kleinen oder kleineren spektralen Bandbreiten durch
eine zweckmäßige Erhöhung der Verstärkerlänge. Ein
parabolischer Impuls mit einer spektralen Bandbreite von
etwa 2 nm kann beispielsweise unter Verwendung einer
parabolischen Verstärkerlänge von etwa 100 m erzeugt
werden.
Da ein parabolischer Impuls große Selbstmodulationswerte
und ein großes Ausmaß spektraler Aufwertung tolerieren
kann, ohne einen Impulsabbruch auf sich zu ziehen, kann
die Spitzenleistungskapazität einer parabolischen
Verstärkungseinrichtung im Vergleich zu einer
Standardverstärkungseinrichtung in großem Ausmaße
verbessert werden. Dies kann wie folgt erklärt werden.
Die durch Selbstphasenmodulation in einer optischen Faser
der Länge L zugezogene zeitabhängige Phasenverzögerung
Φnl(t) ist proportional zu der Spitzenleistung, d. h.
Φnl(t) = γP(t)L,
wobei P(t) die zeitabhängige Spitzenleistung innerhalb
des optischen Impulses ist. Die Frequenzmodulation ist
durch die Ableitung der Phasenmodulation gegeben, d. h.
δω = γL[∂P(t)/∂t]. Für einen Impuls mit einem
parabolischen Impulsprofil P (t) = P0[1-(t/t0)2], wobei (-t0
< t < t0), ist die Frequenzmodulation linear. Sodann kann
gezeigt werden, dass tatsächlich das Impulsprofil auch
parabolisch bleibt, womit die Ausbreitung von großen
Spitzenleistungen mit lediglich einer resultierenden
linearen Frequenzmodulation sowie die Erzeugung eines
linearen Impulschirps erlaubt wird.
Die mit der Ytterbiumverstärkungseinrichtung 40 erzeugten
gechirpten Impulse können unter Verwendung einer
Beugungsgitterverdichtungseinrichtung gemäß Fig. 4
verdichtet werden. Alternativ kann ein gechirpter
periodisch gepolter Kristall 42 und Linsen 41 für die
Impulsverdichtung verwendet werden, wie es auch in Fig. 9
gezeigt ist. In Verbindung mit dem in Fig. 9 gezeigten SM
1f kann eine sehr kompakte eigenständige Quelle für
Femtosekundenimpulse in dem grünen Spektralbereich um die
530 nm erhalten werden.
Zusätzlich zu dem in Fig. 9 gezeigten
passivphasengekoppelten Ytterbiumfaserlaser 44 können
ebenso alternative Quellen zum Keimen der
Ytterbiumverstärkungseinrichtung verwendet werden. Diese
alternativen Quellen können ramanverschobene Erbium- oder
Erbium/Ytterbiumfaserlaser, frequenzverschobene Thulium-
oder Holmiumfaserlaser und ebenso
Diodenlaserimpulsquellen aufweisen. Diese alternativen
Implementierungen sind nicht gesondert gezeigt.
In Fig. 10 ist ein Faserzuleitungsmodul (FDM) 45 dem in
Fig. 1 gezeigten Basissystem hinzugefügt. Das PSM 2 ist
dabei weggelassen; zum Ausdehnen der
Spitzenleistungskapazität des Verstärkungsmoduls kann
jedoch ein PSM 2 eingefügt werden, falls erforderlich.
Die in Fig. 10 gezeigte Ytterbiumverstärkungseinrichtung
7 kann sowohl in dem nicht parabolischen als auch dem
parabolischen Bereich betrieben werden.
In seiner einfachsten Konfiguration besteht das FDM 45
aus einer langen optischen Faser 46 (der
Zuleitungsfaser). Für eine parabolische
Verstärkungseinrichtung kann die Zuleitungsfaser 46
unmittelbar in die Ytterbiumverstärkungseinrichtung 7
gespleißt werden, ohne irgendeinen Verlust in der
Impulsqualität auf sich zu laden. Aufgrund des
parabolischen Impulsprofils wird eher selbst für ein
großes Ausmaß an Selbstphasenmodulation ein annähernd
linearer Chirp dem Impuls hinzugefügt, was eine weitere
Impulsverdichtung mit dem PCM 4 erlaubt. Das PCM 4 kann
mit dem FDM 45 integriert werden, indem eine Version
kleiner Abmessung der Bulk-
Beugungsgitterverdichtungseinrichtung 14 gemäß Fig. 4 in
Verbindung mit einer Zuleitungsfaser verwendet wird.
Dabei würde die Zuleitungsfaser in Verbindung mit einer
zweckmäßigen Sammellinse den in Fig. 4 gezeigten Eingang
ersetzen. Eine gesonderte Zeichnung einer derartigen
Implementierung ist nicht gezeigt. Die Verwindung des PCM
4 ist jedoch optional und kann beispielsweise weggelassen
werden, falls gechirpte Ausgangsimpulse von dem System
erforderlich sind. In Verbindung mit einem PCM 4 bildet
das in Fig. 10 beschriebene System eine Ableitung eines
gechirpten Impulsverstärkungssystems, wobei
Selbstphasenmodulation sowie Verstärkung hinzugefügt ist,
während der Impuls zeitlich dispersiv aufgeweitet ist.
Das Hinzufügen der Selbstphasenmodulation in bekannten
gechirpten Impulsverstärkungssystemen führt
typischerweise zu signifikanten Impulsstörungen nach der
Impulsverdichtung. Die Verwendung von parabolischen
Impulsen beseitigt diese Beschränkung.
Fortgeschrittene faseroptische Kommunikationssysteme
können ebenso als gechirpte Impulsverstärkungssysteme
interpretiert werden (vgl. beispielsweise D. J. Jones et
al., IEICE Trans. Electron., E81-C, 180 (1998)).
Ersichtlicherweise ist die Minimierung von
Impulsstörungen durch parabolische Impulse in optischen
Kommunikationssystemen gleich relevant.
Für den Erhalt von Impulsbreiten von weniger als 50 fs
wird die Steuerung der Dispersion der dritten Ordnung und
höherer Ordnungen in einem FDM oder in einem optionalen
PSM signifikant. Die Steuerung der Dispersion höherer
Ordnung mit einem PSM wurde vorstehend unter Bezugnahme
auf die Fig. 1 und 5 beschrieben; die Steuerung der
Dispersion höherer Ordnung in einem FDM ist sehr ähnlich
und wird nachstehend beispielhaft anhand des in Fig. 11
gezeigten Ausführungsbeispiels des FDM 45a beschrieben.
Ebenso wie bei Fig. 1 kann die große Dispersion der
dritten Ordnung einer W-Faser für die Kompensierung der
Dispersion der dritten Ordnung eines Bulk-PCM 4 verwendet
werden. Ebenso wie in Fig. 5 kann unter Verwendung von
Fasern 15, 16, 17 mit verschiedenen Werten für die
Dispersion höherer Ordnung in dem FDM die Dispersion
höherer Ordnung des gesamten Systems unter Beinhaltung
eines aus Bulk-Beugungsgittern bestehenden PCM 4
kompensiert werden.
Alternative Ausführungsbeispiele für PSMs sind in den
Fig. 12 und 13 gezeigt, die ebenso von praktischem
Wert sind, da sie die Verwendung von kommerziell
erhältlichen linear gechirpten Faserbragg-Gittern in dem
PSM erlauben, während sie die Dispersion höherer Ordnung
eines gesamten gechirpten Impulsverstärkungssystems mit
PSM wie auch mit PCM kompensieren. Als weitere
Alternative können ebenso nichtlinear gechirpte
Faserbragg-Gitter in dem PSM für die Kompensation in der
Dispersion des PCM verwendet werden. Eine derartige
Anordnung ist nicht gesondert gezeigt.
Zur Vermeidung der Verwendung von W-Fasern oder der LP11-
Mode in dem PSM ist ein alternatives Ausführungsbeispiel
eines PSM gemäß Fig. 12 als PSM 2b gezeigt. Dabei wird
ein negativ linear gechirptes Bragg-Gitter 47 in
Verbindung mit einer Einzelmodendehnungsfaser 48 mit
negativer Dispersion der dritten Ordnung und einer
Zirkulationseinrichtung 49 verwendet. Die Einführung des
negativ linear gechirpten Bragg-Gitters erhöht das
Verhältnis von Dispersion der dritten Ordnung zur
Dispersion der zweiten Ordnung in dem PSM 2b, was die
Kompensation des hohen Wertes der Dispersion der dritten
Ordnung in dem PCM 4 erlaubt, wenn eine Bulk-
Beugungsgitterverdichtungseinrichtung verwendet wird. Das
PSM 2b kann ebenso W-Fasern in Verbindung mit einem
linear gechirpten Faserbragg-Gitter für eine weitere
Verbesserung der Flexibilität des PSM enthalten.
Als weiteres Ausführungsbeispiel eines PSM für die
Kompensierung der Dispersion höherer Ordnung ist die
Anordnung gemäß Fig. 13 als PSM 2c gezeigt, wobei sie ein
positiv linear gechirptes Faserbragg-Gitter 49, eine
Zirkulationseinrichtung 50 und ein weiters
Fasertransmissionsgitter 51 aufweist. Dabei erzeugt das
positiv linear gechirpte Faserbragg-Gitter 49 positive
Dispersion der zweiten Ordnung und das andere
Fasertransmissionsgitter 51 erzeugt ein zweckmäßiges
Ausmaß an zusätzlicher Dispersion der zweiten, dritten
und vierten Ordnung, damit die lineare Dispersion höherer
Ordnung innerhalb des PCM kompensiert wird. Für den
Erhalt von zweckmäßigen Werten der Dispersion dritter und
vierter und möglicherweise selbst höherer Ordnung kann
mehr als ein Fasertransmissionsgitter oder Faserbragg-
Gitter verwendet werden.
Für die Erhöhung der verstärkten Impulsenergie aus einer
Ytterbiumverstärkungseinrichtung in den mJ-Bereich und
jenseits davon können Impulsauswahlelemente und weitere
Verstärkungsstufungen implementiert werden, wie es in
Fig. 14 gezeigt ist. Dabei werden
Impulsauswahleinrichtungen 52 zwischen das PSM 2 und dem
ersten Verstärkermodul AM1 3a sowie zwischen der ersten
Verstärkerstufe AM1 3a und der zweiten Verstärkerstufe
AM2 3b eingesetzt. Eine beliebige Anzahl von
Verstärkungseinrichtungen und Impulsauswahleinrichtungen
kann für den Erhalt der höchstmöglichen
Ausgangsleistungen verwendet werden, wobei die finalen
Verstärkerstufen vorzugsweise aus Multimodenfasern
bestehen. Für den Erhalt einer beugungsbegrenzten Ausgabe
ist die Grundmode in diesen
Multimodenverstärkungseinrichtungen selektiv angeregt und
unter Verwendung von gut bekannten Techniken geleitet (M.
E. Fermann et al., US-Patentschrift Nr. 5,818,630). Die
Impulsauswahleinrichtungen 52 werden typischerweise so
ausgewählt, dass sie aus optischen Modulatoren wie etwa
akkustooptischen oder elektrooptischen Modulatoren
bestehen. Die Impulsauswahleinrichtungen 52 zählen die
Wiederholrate der aus dem SM1 heraustretenden Impulse um
einen gegebenen Wert herunter (beispielsweise von 50 MHz
auf 5 KHz) und erlauben somit die Erzeugung von sehr
hohen Impulsenergien, während die Durchschnittsleistung
klein bleibt. Alternativ können direkt umschaltbare
Halbleiterlaser ebenso zur Fixierung der Wiederholrate
des Systems bei einem willkürlichen Wert verwendet
werden. Ferner unterdrücken die in späteren
Verstärkerstufen eingesetzten Impulsauswahleinrichtungen
52 ebenso den Aufbau einer verstärkten spontanen Emission
in den Verstärkungseinrichtungen, wodurch eine
Konzentration der Ausgangsleistung in hoch energetischen
ultrakurzen Impulsen erlaubt wird. Die Verstärkungsstufen
sind mit den vorstehend beschriebenen PSMs und PCMs
kompatibel, wobei die Dispersion des gesamten Systems für
den Erhalt der kürzest möglichen Impulse am Systemausgang
minimiert werden kann.
Das Verstärkermodul AM1 3a kann als Impulse mit einem
parabolischen Spektrum erzeugende parabolische
Verstärkungseinrichtung entworfen werden. Die
parabolischen Impulse aus dem AM1 3a können gleichfalls
in Impulse mit einem parabolischen Impulsspektrum in
einer nachfolgenden langen Impulsgestaltungs- oder
Impulsdehnungsfaser 53 transformiert werden, wie es
ebenfalls in Fig. 14 gezeigt ist, wobei die
Wechselwirkung von Selbstphasenmodulation und positiver
Dispersion diese Transformation durchführt. Dies kann aus
dem Umstand verstanden werden, dass ein gechirpter Impuls
mit einem parabolischen Impulsprofil sich asymptotisch in
einen parabolischen Impuls mit einem parabolischen
Spektrum in einer langen Faser entwickeln kann. Die
parabolische Impulsgestalt maximiert das Ausmaß
tolerierbarer Selbstphasenmodulation in den nachfolgenden
Verstärkungsstufen, die wiederum das Ausmaß der in dem
PSM 2 und PCM 4 erforderlichen dispersiven Impulsdehnung
und Impulsverdichtung minimieren. Gleichfalls erlauben
parabolische Impulsgestalten die Tolerierung
signifikanter Ausmaße von Selbstphasenmodulation in dem
PSM 2 ohne signifikante Impulsstörungen.
Sobald die Impulse gedehnt sind, kann der abträgliche
Einfluss der Selbstphasenmodulation in nachfolgenden
Verstärkungseinrichtungen unter Verwendung von
flachscheiteligen Impulsgestalten minimiert werden. Eine
flachscheitelige Impulsgestalt kann durch Einsetzen eines
optionalen Amplitudenfilters 54 gemäß Fig. 14 vor dem
letzten Verstärkermodul zur Erzeugung eines
flachscheiteligen Impulsspektrums erzeugt werden. Ein
flachscheiteliges Spektrum wird tatsächlich in einem
flachscheiteligen Impuls nach einer hinreichenden
Impulsdehnung transformiert, weil es einen unmittelbaren
Zusammenhang zwischen spektralem Inhalt und
Zeitverzögerung nach hinreichender Impulsdehnung gibt. Es
kann gezeigt werden, dass gerade Werte der
Selbstphasenmodulation bis zu 10 π für flachscheitelige
Impulse toleriert werden können, ohne signifikante
Impulsstörungen auf sich zu ziehen.
Ein Amplitudenfilter gemäß Fig. 14 kann wiederum
ebenfalls zur Steuerung des Ausmaßes der Dispersion
höherer Ordnung in der Verstärkerkette für stark
gechirpte Impulse in der Gegenwart von
Selbstphasenmodulation verwendet werden, wenn die
Neugestaltung des Impulsspektrums in der
Verstärkereinrichtung vernachlässigt werden kann, d. h.
außerhalb des Bereiches, in dem parabolische Impulse
erzeugt werden. In diesem Fall erzeugt die
Selbstphasenmodulation ein effektives Ausmaß von
Dispersion höherer Ordnung gemäß:
wobei P0 die Spitzenleistung des Impulses und S(ω) das
normalisierte Impulsspektrum bezeichnet. Leff bezeichnet
die effektive nichtlineare Länge Leff = [exp (gL)-1]/g,
wobei L die Verstärkerlänge und g die Verstärkung der
Verstärkereinrichtung pro Einheitslänge bezeichnet. Somit
kann durch eine genaue Steuerung des Spektrums von stark
gechirpten Impulsen mit einem Amplitudenfilter gemäß Fig.
14 ein beliebiges Ausmaß von Dispersion höherer Ordnung
eingeführt werden, damit die Werte der Dispersion höherer
Ordnung in einem gechirpten Impulsverstärkungssystem
kompensiert werden. Für bis zu etwa 1 ns gedehnte 500
Femtosekundenimpulse kann tatsächlich gezeigt werden,
dass eine Phasenverschiebung von etwa 10 π zur
Kompensation der Dispersion der dritten Ordnung einer aus
Bulk-Gittern mit 1800 Rillen/mm bestehenden Bulk-
Gitterverdichtungseinrichtung (gemäß Fig. 4) zur
Kompensation hinreichend ist. Attraktive gut steuerbare
Amplitudenfilter sind beispielsweise
Fasertransmissionsgitter, obwohl ein beliebiges
Amplitudenfilter zur Steuerung des Impulsspektrums vor
einer derartigen Dispersion höherer Ordnung induzierenden
Verstärkungseinrichtung verwendet werden kann.
Als weiteres Ausführungsbeispiel für die Verbindung eines
Verstärkungsmoduls mit einer Impulsauswahleinrichtung
kann die in Fig. 15 gezeigte Konfiguration verwendet
werden. Da sehr hohe Energieimpulse Multimodenfasern mit
großem Kern für ihre Verstärkung erfordern, kann die
Steuerung der Grundmode in einer polarisationserhaltenden
Einzelpassfaserverstärkungseinrichtung schwierig zu
erreichen sein. Dabei kann die Verwendung einer hoch
zentrumssymmetrischen nicht polarisationserhaltenden
Verstärkungseinrichtung für die Minimierung der
Modenkopplung und für den Erhalt eines hochqualitativen
Ausgangsstrahls bevorzugt sein. Für den Erhalt einer
deterministisch bezüglich der Umgebung stabilen
Polarisationsausgabe von einer derartigen
Verstärkungseinrichtung kann eine Doppelpasskonfiguration
gemäß Fig. 15 erforderlich sein. Dabei wird eine
Einzelmodenfaser 55 als Raummodenfilter nach dem ersten
Pass durch die Verstärkungseinrichtung 56 verwendet;
alternativ kann dabei eine Apertur verwendet werden. Das
Raummodenfilter 55 reinigt die Mode nach dem ersten Pass
durch die Multimodenverstärkungseinrichtung 56 und
unterdrückt zudem eine verstärkte spontane Emission in
Moden der höheren Ordnung, welche zu einer Begrenzung der
erzielbaren Verstärkung in einer
Multimodenverstärkungseinrichtung neigen. Linsen 60
können für die Ein- und Auskopplung bezüglich einer
Verstärkungseinrichtung 56, eines Raummodenfilters 55
sowie Impulsauswahleinrichtungen 52a und 52b verwendet
werden. Die Faraday-Rotationseinrichtung 57 stellt
sicher, dass das rückwärts ausbreitende Licht orthogonal
zu dem vorwärts ausbreitenden Licht polarisiert ist; das
rückwärts ausbreitende Licht wird aus dem System bei der
gezeigten Polarisationsstrahlenteilungseinrichtung 58
ausgekoppelt. Zur Optimierung der Systemeffizienz wird
eine nahezu beugungsbegrenzte Quelle in die Grundmode der
Multimodenfaser 56 am Eingang des Systems eingekoppelt,
wobei eine Verstärkungsführung ebenso zur weiteren
Verbesserung der Raumqualität des in der Multimodenfaser
verstärkten Strahls verwendet werden kann. Für das
Herunterzählen der Wiederholungsrate der von einem SM
zugeleiteten Impulszüge und für die Unterdrückung einer
verstärkten spontanen Emission in der
Multimodenverstärkungseinrichtung kann eine erste
optische Modulationseinrichtung 52a nach dem ersten Pass
durch die Multimodenverstärkungseinrichtung eingesetzt
werden. Eine ideale Stelle ist unmittelbar vor dem
Reflexionsspiegel 59, wie es gezeigt ist. Folglich kann
eine Doppelpassverstärkung bis zu 60 bis 70 dB in einer
derartigen Konfiguration erhalten werden, wobei die
Anzahl von Verstärkungsstufen minimiert wird, die von
verstärkten Keimimpulsen mit pJ-Energien bis zu dem mJ-
Energiepegel erforderlich sind. Diese Verstärkerbauart
ist mit den vorstehend beschriebenen SMs, PSMs und PCMs
voll kompatibel, was die Erzeugung von
Femtosekundenimpulsen mit Energien in dem mJ-Bereich
erlaubt. Als weitere Alternative für den Aufbau eines
Verstärkermoduls mit hoher Verstärkung kann ein
Herunterzählen der Wiederholrate von einem durch ein SM
zugeleiteten Impulszug ebenso mit einer zusätzlichen
zweiten Modulationseinrichtung 52b Vollinjektion in das
vorliegende Verstärkermodul durchgeführt werden, wie es
ebenso in Fig. 15 gezeigt ist. Die Wiederholrate der
Transmissionsfenster der ersten Modulationseinrichtung
52a sollte sodann entweder kleiner oder gleich der
Wiederholrate des Transmissionsfensters der zweiten
Modulationseinrichtung 52b sein. Eine derartige
Konfiguration ist nicht gesondert gezeigt. Fig. 15 teilt
einige Ähnlichkeiten mit Fig. 5 der US-Patentschrift Nr.
5,400,350.
Als weiteres erfindungsgemäßes alternatives
Ausführungsbeispiel ist ein optisches
Kommunikationssystem unter Verwendung der Ausbildung von
parabolischen Impulsen in langen verteilten
Verstärkungseinrichtungen 61 mit positiver Dispersion in
Fig. 16 gezeigt. Dispersionskompensationselemente 63
werden zwischen die Faseroptikverstärkungseinrichtungen
eingesetzt. Optische Filter 62 werden zudem für die
Optimierung des Impulsausbildungsvorgangs in den
Verstärkungseinrichtungen implementiert. Die optischen
Filter können auf optischen Etalons mit einem begrenzten
freien Spektralbereich basieren, so dass sie eine
spektralwiederholende Transmissionscharakteristik
erzeugen, was die simultane Transmission von mehrfachen
Wellenlängenkanälen erlauben, wie es für das
Wellenlängenmultiplexverfahren erforderlich ist.
Der Schlüsselvorteil ist die Verbindung von großen
Verstärkungsausmaßen in langen Langfasern mit positiver
Dispersion, damit der durch optische Kerr-
Nichtlinearitäten in das Fasertransmissionssystem
eingeführte Chirp linearisiert wird. Daher werden
allgemein die Transmissionscharakteristiken eines
optischen Kommunikationssystems durch die Implementierung
von (Nicht-Solitonen-unterstützenden)
Verstärkungseinrichtungen mit positiver Dispersion
verbessert. Derartige Verstärkungseinrichtungen können
Längen von zumindest 10 km und eine Verstärkung von
weniger als 10 dB/km aufweisen. Die Gesamtverstärkung pro
Verstärkungseinrichtung kann 10 dB überschreiten, damit
der Beginn der parabolischen Impulsausbildung für die
Minimierung der schädlichen Wirkung von optischen
Nichtlinearitäten ausgenutzt wird. Weitere Verbesserungen
werden durch die Verwendung von Verstärkungseinrichtungen
mit einer Verstärkung von weniger als 3 dB/km und einer
Erhöhung der Gesamtlänge erhalten, so dass die
Gesamtverstärkung mehr als 20 dB beträgt. Eine weitere
Verbesserung bei der Transmissionscharakteristik der
Fasertransmissionsleitung wird durch die Minimierung des
Ausmaßes der Kerr-Nichtlinearitäten in den Elementen mit
negativer Dispersion der Fasertransmissionsleitung
erhalten. Dies wird durch die Verwendung von gechirpten
Fasergittern für die Elemente mit negativer Dispersion
erreicht.
Zusätzlich zu der Ausbildung von parabolischen Impulsen
innerhalb der Übertragungsleitung kann außerdem die
Erzeugung der parabolischen Impulse in einer externen
Quelle mit anschließender Injektion in eine nicht-
Solitonen-unterstützende Verstärkungsfaser vorteilhaft
sein. Zur effektiven Verwendung eines derartigen Systems
ist eine Übertragung mit positiver Dispersion und
geringen Verlusten hilfreich, wie es durch Holey-Fasern
ermöglicht wird. Entlang der Fasertransmissionsleitung
und am Ende der Transmissionsleitung werden
dispersionskompensierende Elemente implementiert. Eine
derartige Systemimplementierung ist ähnlich zu der in
Fig. 16 gezeigten und somit nicht gesondert gezeigt.
Als weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel im
Telekommunikationsbereich kann eine
wellenlängenabstimmbare Ramanverstärkungseinrichtung
unter Verwendung von ramanverschobenen Impulsen aufgebaut
werden. Es ist bekannt, dass ein optisches Signal mit
hoher Leistung bei einer gegebenen Pumpwellenlänge einer
Ramanverstärkung bei einer Signalwellenlänge erzeugt, die
bezüglich der Pumpwellenlänge rot verschoben ist.
Tatsächlich ist es dieser auf die Pumpimpulse selbst
wirkende Effekt, der für den Aufbau der vorliegend
beschriebenen wellenlängenabstimmbaren Impulsquellen
verwendet wird.
Ein allgemeiner Entwurf für eine wellenlängenabstimmbare
Ramanverstärkungseinrichtung ist in Fig. 17 gezeigt.
Dabei werden kurze optische Impulse in einer Keimquelle
64 erzeugt. Die Keimimpulse werden durch eine
Modulationseinrichtung 65 optisch moduliert und können
ebenso in einer optischen Verstärkungseinrichtung 66
verstärkt werden. Die Keimimpulse werden sodann in eine
Ramanverschiebungslangfaser 67 injiziert. Die
Ramanverschiebungsfaser kann eine Holey-Langfaser oder
von anderer Gestalt sein. Die Zeitperiode zwischen den
ramanverschobenen Impulsen kann unter Verwendung einer
Impulsteilungseinrichtung (Pumpimpulsteilungseinrichtung)
68 gemäß Fig. 17 reduziert werden. Diese
Impulsteilungseinrichtung kann beispielsweise eine
Anordnung von unausgewogenen Mach-Zehnder-Interferometern
sein, obwohl eine beliebige Einrichtung zur Erzeugung
eines Impulszuges aus einem einzelnen Impuls akzeptabel
ist. Die zweckmäßig wellenlängenverschobenen verstärkten
und modulierten Keimimpulse umfassen die Pumpimpulse, die
in die Ramanverstärkungsfaser 69 injiziert sind, und
erzeugen eine optische Verstärkung bei einer
Signalwellenlänge innerhalb der
Ramanverstärkungseinrichtung gemäß Fig. 17, wodurch im
Betrieb auf ein Signaleingang 70 ein Signalausgang 71
erzeugt wird.
Innerhalb der Ramanverstärkungsfaser breitet sich das
optische Signal bei der Signalwellenlänge bezüglich der
Pumpimpulse in der Ramanverstärkungseinrichtung
gegenläufig aus. Auch können einige Signalwellenlängen
gleichzeitig in die Ramanverstärkungseinrichtung unter
V 06402 00070 552 001000280000000200012000285910629100040 0002010124983 00004 06283erwendung einer Signalkombinationseinrichtung injiziert
werden, wodurch eine derartige Verstärkungseinrichtung
mit optischem Wellenlängenmultiplex kompatibel wird.
Pumpimpulse bei einer Wellenlänge von 1470 nm erzeugen
beispielsweise eine Ramanverstärkung um den 1560 nm-
Wellenlängenbereich in einer Quarzglasfaser. Zur
Optimierung der Verstärkung der
Ramanverstärkungseinrichtung kann eine Holey-Faser oder
eine andere Faser mit einem relativ kleinen
Faserkerndurchmesser verwendet werden.
Die Zentralwellenlänge der Wellenlänge, bei der die
Ramanverstärkung erhalten wird, ist sodann durch die
Abstimmung der Wellenlänge der Pumpimpulse abstimmbar.
Eine Wellenlängenabstimmung der Pumpimpulse kann durch
die Modulierung der Leistung sowie durch die Breite der
Keimimpulse vor deren Injektion in die
Ramanverschiebungsfaser 67 erreicht werden.
Darüber hinaus kann das Verstärkungsspektrum der
Ramanverstärkungseinrichtung durch eine rasche Abstimmung
der Wellenlänge der Pumpimpulse eingestellt werden, so
dass die Signalimpulse einem effektiv abgewandelten
Ramanverstärkungsspektrum unterliegen. um sicher zu
gehen, dass die effektive Ramanverstärkung zeitunabhängig
ist, sollte die Geschwindigkeit der Abstimmung der
Pumpimpulse, d. h. die Zeitperiode für die Abstimmung der
Impulse über einen gewünschten Wellenlängenbereich, im
Vergleich zu der Zeit, die es braucht, damit die
Signalimpulse die Ramanverstärkungsfaser 69 durchlaufen,
klein sein.
Somit ist es für Ramanverstärker für
Telekommunikationssysteme vorteilhaft, eine breitere
Spektralverstärkung zu erhalten, als es von einem
einzelnen Impuls möglich ist. Es ist zudem vorteilhaft,
die Verstärkung in WDM-Telekommunikationssystemen
dynamisch verändern zu können, um das variierende Ausmaß
der bei verschiedenen Wellenlängen übertragenen Daten zu
kompensieren. Eine Möglichkeit zur Aufweitung der
Spektralverstärkung ist die rasche Abstimmung der
Pumpwellenlänge im Vergleich zu der Ausbreitungszeit
durch die Kommunikationsfaser. Die Verstärkung kann
dynamisch eingestellt werden, indem die Zeit variiert
wird, in der der Pumpvorgang bei verschiedenen
Wellenlängen verbleibt. Eine alternative Maßnahme zur
Einstellung des Verstärkungsspektrums ist die Verwendung
einer Vielzahl von Pumpimpulsen in die
Ramanverschiebungsfaser, wobei jede eine verschiedene
Wellenlänge aufweist. Eine Modulation der relativen
Impulsanzahl bei jeder Wellenlänge kann sodann das
relative Verstärkungsprofil modifizieren.
Im Einzelnen wird die in Fig. 1 beschriebene
Femtosekundenimpulsquelle in
Ytterbiumverstärkungseinrichtungen zu hohen Leistungen
verstärkt. Diese Impulse können sodann in den 1400 bis
1500 nm-Bereich durch eine Faser mit dem Null-
Dispersionspunkt bei einer kürzeren Wellenlänge als dem
Betriebspunkt der Femtosekundenimpulsquelle
selbstfrequenz-ramanverschoben sein. Diese Faser könnte
eine Holey-Faser sein. Damit eine Leistung im Watt-Niveau
mit der Selbstfrequenzramanverschiebung in den 1400 bis
1500 nm-Bereich erzielt wird, wird die optimale
Wiederholrate der Quelle bei höheren Frequenzen sein, wie
etwa oberhalb 1 GHz. Eine Verstärkungsspektrumaufweitung
und eine automatische Verstärkungssteuerung können unter
Verwendung einer Vielzahl von Pumpwellenlängen erhalten
werden, indem die Pumpwellenlänge abgestimmt wird, oder
indem die Impulsamplitude von individuellen Impulsen bei
dem Impulszug moduliert wird, damit verschiedene Ausmaße
einer Ramanverschiebung erhalten werden.
Gemäß vorstehender Beschreibung ist ein modulares
kompaktes und breit abstimmbares Lasersystem für die
effiziente Erzeugung von Ultrakurzimpulsen mit hoher
Spitzen- und hoher Durchschnittsleistung angegeben. Die
Modularität ist durch die Implementierung von
austauschbaren Verstärkerkomponenten sichergestellt. Die
Systemkompaktheit ist durch die Verwendung von
effizienten Faserverstärkungseinrichtungen
sichergestellt, die direkt oder indirekt durch
Diodenlaser gepumpt werden. Die
Spitzenleistungshandhabungskapazität der
Faserverstärkungseinrichtungen wird unter Verwendung von
optimierten Impulsgestalten sowie durch Dispersion
aufgeweiteter Impulse ausgedehnt. Die Aufweitung durch
Dispersion wird durch Dispersionsimpulsdehnung in
Gegenwart einer Selbstphasenmodulation und -verstärkung
eingeführt, was zu der Ausbildung von parabolischen
Impulsen von hoher Leistung führt. Zusätzlich wird eine
Aufweitung durch Dispersion ebenfalls durch einfache
Faserverzögerungsleitungen oder gechirpte Fasergitter
eingeführt, was zu einem weiteren Anstieg der
Energiehandhabungsbefähigung der
Faserverstärkungseinrichtungen führt. Die Phase der
Impulse in der Dispersionsverzögerungsleitung wird in die
quadratische Ordnung durch die Verwendung von Fasern mit
variierenden Ausmaßen von Wellenlängendispersion oder
durch die Steuerung des Chirps der Fasergitter gesteuert.
Nach der Verstärkung können die dispersiv gedehnten
Impulse auf nahezu ihre Bandbreitengrenze durch die
Implementierung einer weiteren Gruppe von
Dispersionsverzögerungsleitungen zurückverdichtet werden.
Zur Sicherstellung einer breiten Abstimmbarkeit des
gesamten Systems kann eine Ramanverschiebung der
kompakten Quellen für ultrakurze Impulse in Verbindung
mit einer Frequenzumwandlung in nichtlinearen optischen
Kristallen implementiert werden, oder es wird eine Anti-
Stokes-Faser in Verbindung mit
Faserverstärkungseinrichtungen und
Ramanverschiebungseinrichtungen verwendet. Eine besonders
kompakte Implementierung des gesamten Systems verwendet
Faseroszillatoren in Verbindung mit
Faserverstärkungseinrichtungen. Zusätzlich werden lange
verteilte optische Verstärkungseinrichtungen mit
positiver Dispersion für die Verbesserung der
Transmissionscharakteristiken eines optischen
Kommunikationssystems verwendet. Schließlich verwendet
ein optisches Kommunikationssystem ein durch einen Zug
von ramanverschobenen wellenlängenabstimmbaren
Pumpimpulsen gepumpte Ramanverstärkungsfaser, damit
dadurch ein optisches Signal verstärkt wird, das
innerhalb der Ramanverstärkungsfaser bezüglich der
Pumpimpulse sich gegenläufig ausbreitet.
Claims (74)
1. Lasersystem mit:
einer Keimquelle, die Impulse im Wellenlängenbereich von 1 bis 1,15 µm mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 0,3 nm und einer Impulsbreite zwischen annähernd 50 fs und 1 ns erzeugt;
einem Faserverstärker für breite Bandbreitenimpulse, dem die Impulse eingegeben werden, der sie verstärkt und die verstärkten Impulse ausgibt; und
einem Pumplaser für die Bereitstellung von Laserenergie an den Faserverstärker.
einer Keimquelle, die Impulse im Wellenlängenbereich von 1 bis 1,15 µm mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 0,3 nm und einer Impulsbreite zwischen annähernd 50 fs und 1 ns erzeugt;
einem Faserverstärker für breite Bandbreitenimpulse, dem die Impulse eingegeben werden, der sie verstärkt und die verstärkten Impulse ausgibt; und
einem Pumplaser für die Bereitstellung von Laserenergie an den Faserverstärker.
2. Lasersystem nach Anspruch 1, dabei umfasst die
Keimquelle
einen Faserlaser;
eine Ramanverschiebungseinrichtung, der die Ausgabe des Faserlasers eingegeben wird; und
einen nichtlinearen Kristall, der die Ausgabe der Ramanverschiebungseinrichtung frequenzverdoppelt.
einen Faserlaser;
eine Ramanverschiebungseinrichtung, der die Ausgabe des Faserlasers eingegeben wird; und
einen nichtlinearen Kristall, der die Ausgabe der Ramanverschiebungseinrichtung frequenzverdoppelt.
3. Lasersystem nach Anspruch 2,
wobei die Ramanverschiebungseinrichtung eine quarzglasbasierte Faser ist, welche die Emissionswellenlänge des Faserlasers in einen Spektralbereich oberhalb 2000 nm umwandelt.
wobei die Ramanverschiebungseinrichtung eine quarzglasbasierte Faser ist, welche die Emissionswellenlänge des Faserlasers in einen Spektralbereich oberhalb 2000 nm umwandelt.
4. Lasersystem nach Anspruch 2, wobei die
Wellenlängenabstimmungskurve des nichtlinearen Kristalls
unter der Zentralwellenlänge der Ausgabe der
Ramanverschiebungseinrichtung liegt.
5. Lasersystem nach Anspruch 2, wobei die
Ramanverschiebungseinrichtung nichtverstärkende Fasern
oder verstärkende Fasern mit Brechungsindexprofilen und
Verstärkerionen der Seltenen Erden umfasst, die für eine
Erzeugung von Impulsen innerhalb eines
Wellenlängenbereichs von annähernd 600-5000 nm ausgewählt
sind.
6. Lasersystem nach Anspruch 1, dabei umfasst die
Keimquelle
einen Er-Faserlaser;
eine ramanverschiebende Quarzglasfaser, der die Ausgabe des Er-Faserlasers eingegeben wird, und die an den Faserverstärker ausgibt; und
eine Fluoridramanverschiebungseinrichtung, der die verstärkten Impulse eingegeben werden,
wobei der Faserverstärker ein Tm-Faserverstärker ist.
einen Er-Faserlaser;
eine ramanverschiebende Quarzglasfaser, der die Ausgabe des Er-Faserlasers eingegeben wird, und die an den Faserverstärker ausgibt; und
eine Fluoridramanverschiebungseinrichtung, der die verstärkten Impulse eingegeben werden,
wobei der Faserverstärker ein Tm-Faserverstärker ist.
7. Lasersystem nach Anspruch 6, zudem mit:
einem nichtlinearen Kristall, dem die Ausgabe der ramanverschiebenden Fluoridfaser eingegeben wird, so dass dabei eine Frequenzverdopplung durchgeführt wird.
einem nichtlinearen Kristall, dem die Ausgabe der ramanverschiebenden Fluoridfaser eingegeben wird, so dass dabei eine Frequenzverdopplung durchgeführt wird.
8. Lasersystem nach Anspruch 1, dabei umfasst die
Keimquelle
einen Er-Faserlaser;
einen nichtlinearen Kristall, dem die Ausgabe des Er-Faserlasers eingegeben wird, so dass dabei eine Frequenzverdopplung durchgeführt wird; und
eine Ramanverschiebungseinrichtung, der die frequenzverdoppelte Ausgabe des nichtlinearen Kristalls eingegeben wird.
einen Er-Faserlaser;
einen nichtlinearen Kristall, dem die Ausgabe des Er-Faserlasers eingegeben wird, so dass dabei eine Frequenzverdopplung durchgeführt wird; und
eine Ramanverschiebungseinrichtung, der die frequenzverdoppelte Ausgabe des nichtlinearen Kristalls eingegeben wird.
9. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei die Keimquelle ein
passiv phasengekoppelter Faserlaser ist, und wobei zudem
die ramaverschiebende Faser eine Holey-Faser ist, die zum
Ramanverschieben der frequenzverdoppelten Ausgabe des
nichtlinearen Kristalls von einem Wellenlängenbereich von
annährend 750 nm bis annährend 1050 nm verwendet wird.
10. Lasersystem nach Anspruch 8, wobei die Keimquelle ein
passiv phasengekoppelter Faserlaser ist, und wobei zudem
ein Bereich von nichtverstärkenden Fasern und
verstärkenden Fasern mit verschiedenen
Brechungsindexprofilen und verschiedenen Verstärkerionen
der Seltenen Erden zum Ramanverschieben der
frequenzverdoppelten Ausgabe des nichtlinearen Kristalls
von dem Wellenlängenbereich von etwa 750 nm bis etwa 5000
nm verwendet wird.
11. Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Keimquelle
einen passiv phasengekoppelten Faserlaser aufweist.
12. Lasersystem nach Anspruch 11, wobei der passiv
phasengekoppelte Faserlaser ein Yb-Faserlaser ist.
13. Lasersystem nach Anspruch 11, wobei der passiv
phasengekoppelte Faserlaser ein Nd-Faserlaser ist.
14. Lasersystem nach Anspruch 11, wobei der passiv
phasengekoppelte Faserlaser multimodenfähig ist.
15. Lasersystem nach Anspruch 14, wobei der passiv
phasengekoppelte Faserlaser polarisationserhaltend ist.
16. Lasersystem nach Anspruch 11, wobei der passiv
phasengekoppelte Faserlaser einzelmodenfähig und
polarisationserhaltend ist.
17. Lasersystem nach Anspruch 1, dabei umfasst die
Keimquelle
einen Faserlaser; und
eine frequenzverschiebende Faser, der die Ausgabe des Faserlasers eingegeben wird und die eine blauverschobene Anti-Stokesausgabe ausgibt.
einen Faserlaser; und
eine frequenzverschiebende Faser, der die Ausgabe des Faserlasers eingegeben wird und die eine blauverschobene Anti-Stokesausgabe ausgibt.
18. Lasersystem nach Anspruch 17, wobei der Faserlaser
ein Er-, Er/Yb-, Pr- oder Tm-Faserlaser ist.
19. Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Keimquelle
Impulse erzeugt, welche die Ausbildung von parabolischen
Impulsen innerhalb des Faserverstärkers induzieren.
20. Lasersystem nach Anspruch 19, zudem mit:
einer Kopplungseinrichtung zwischen der Keimquelle und dem Faserverstärker, welche die Keimquelle an den Faserverstärker koppelt, und die zudem eine optische Faser mit einer Länge von weniger als 1 km umfasst.
einer Kopplungseinrichtung zwischen der Keimquelle und dem Faserverstärker, welche die Keimquelle an den Faserverstärker koppelt, und die zudem eine optische Faser mit einer Länge von weniger als 1 km umfasst.
21. Lasersystem nach Anspruch 1, zudem mit:
einer optischen Zuleitungsfaser, die an den Ausgang des Faserverstärkers gekoppelt ist.
einer optischen Zuleitungsfaser, die an den Ausgang des Faserverstärkers gekoppelt ist.
22. Lasersystem nach Anspruch 21, wobei als optische
Zuleitungsfaser eine Holey-Faser, eine lange Faser mit
einigen Moden oder eine mit einer oder zwei langen
Einzelmodenfasern zusammengespleißte lange Faser mit
einigen Moden ausgewählt wird.
23. Lasersystem nach Anspruch 22, wobei die Keimquelle
Impulse erzeugt, die kürzer als 100 ps sind, so dass die
Ausbildung von parabolischen Impulsen innerhalb des
Faserverstärkers induziert wird, und wobei zudem der
Faserverstärker einen Verstärkung von mehr als 10
aufweist.
24. Lasersystem nach Anspruch 23, zudem mit:
einer Impulsdehnungseinrichtung, welche die Impulse von der Keimquelle empfängt, die Impulse zeitlich dispersiv dehnt und die gedehnten Impulse an den Faserverstärker ausgibt.
einer Impulsdehnungseinrichtung, welche die Impulse von der Keimquelle empfängt, die Impulse zeitlich dispersiv dehnt und die gedehnten Impulse an den Faserverstärker ausgibt.
25. Lasersystem nach Anspruch 24, zudem mit:
einer Impulsverdichtungseinrichtung für eine zeitweise Verdichtung der verstärkten Impulse;
wobei die Dispersion der Impulsverdichtungseinrichtung derart ist, dass die Impulsverdichtungseinrichtung annähernd bandbreitenbegrenzte Impulse ausgibt.
einer Impulsverdichtungseinrichtung für eine zeitweise Verdichtung der verstärkten Impulse;
wobei die Dispersion der Impulsverdichtungseinrichtung derart ist, dass die Impulsverdichtungseinrichtung annähernd bandbreitenbegrenzte Impulse ausgibt.
26. Lasersystem nach Anspruch 1, dabei umfasst die
Keimquelle
einen Tm- oder Ho-Faserlaser; und
einen nichtlinearen Kristall, dem eine Ausgabe des Tm- oder Ho-Faserlasers eingegeben wird, und der dabei eine Frequenzverdopplung durchführt.
einen Tm- oder Ho-Faserlaser; und
einen nichtlinearen Kristall, dem eine Ausgabe des Tm- oder Ho-Faserlasers eingegeben wird, und der dabei eine Frequenzverdopplung durchführt.
27. Lasersystem nach Anspruch 1, wobei der
Faserverstärker entweder Nd- oder Yb-dotiert ist.
28. Lasersystem nach Anspruch 1, zudem mit:
einer Impulsverdichtungseinrichtung für eine zeitweise Verdichtung der verstärkten Impulse auf annähernd ihre Bandbreitengrenze.
einer Impulsverdichtungseinrichtung für eine zeitweise Verdichtung der verstärkten Impulse auf annähernd ihre Bandbreitengrenze.
29. Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Keimquelle ein
direkt modulierter Halbleiterlaser ist.
30. Lasersystem mit:
einer Keimquelle, die Impulse im Wellenlängenbereich von 1 bis 1,15 µm mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 0,3 nm und einer Impulsbreite zwischen annähernd 50 fs und 1 ns erzeugt;
einer Impulsdehnungseinrichtung, die die Impulse empfängt, zeitlich dispersiv dehnt und die gedehnten Impulse ausgibt;
einem mantelgepumpten Faserverstärker mit einer Verstärkung von mehr als 10 für breite Bandbreitenimpulse, der die gedehnten Impulse empfängt, verstärkt und ausgibt; und
einer Impulsverdichtungseinrichtung, der die verstärkten gedehnten Impulse eingegeben werden und die diese zeitweise auf annähernd ihre Bandbreitengrenze verdichtet.
einer Keimquelle, die Impulse im Wellenlängenbereich von 1 bis 1,15 µm mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 0,3 nm und einer Impulsbreite zwischen annähernd 50 fs und 1 ns erzeugt;
einer Impulsdehnungseinrichtung, die die Impulse empfängt, zeitlich dispersiv dehnt und die gedehnten Impulse ausgibt;
einem mantelgepumpten Faserverstärker mit einer Verstärkung von mehr als 10 für breite Bandbreitenimpulse, der die gedehnten Impulse empfängt, verstärkt und ausgibt; und
einer Impulsverdichtungseinrichtung, der die verstärkten gedehnten Impulse eingegeben werden und die diese zeitweise auf annähernd ihre Bandbreitengrenze verdichtet.
31. Lasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine Faser mit einer Länge von
weniger als 1 km aufweist.
32. Lasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine Holey-Faser umfasst.
33. Lasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine lange Faser mit einigen
Moden aufweist.
34. Lasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine mit einer oder mehr langen
Einzelmodenfasern zusammengespleißte lange Faser mit
einigen Moden aufweist.
35. Fasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine Einzelmodenfaser mit einer
Länge von weniger als 1 km aufweist.
36. Lasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine Einzelmodenfaser mit einem
W-Brechungsindexprofil aufweist.
37. Lasersystem nach Anspruch 30, wobei die
Impulsdehnungseinrichtung eine Faser mit einem
Multimantelbrechungsindexprofil aufweist.
38. Lasersystem nach Anspruch 30, dabei umfasst die
Impulsdehnungseinrichtung
eine lange Faser mit einer negativen Dispersion der dritten Ordnung; und
ein linear gechirptes Fasergitter mit einer negativen Dispersion der zweiten Ordnung.
eine lange Faser mit einer negativen Dispersion der dritten Ordnung; und
ein linear gechirptes Fasergitter mit einer negativen Dispersion der zweiten Ordnung.
39. Lasersystem nach Anspruch 30, dabei umfasst die
Impulsdehnungseinrichtung
ein linear gechirptes Fasergitter; und
ein oder mehr Fasertransmissionsgitter mit auswählbaren Werten für die Dispersion dritter und höherer Ordnung, so dass die Dispersion höherer Ordnung in der Impulsverdichtungseinrichtung kompensiert wird.
ein linear gechirptes Fasergitter; und
ein oder mehr Fasertransmissionsgitter mit auswählbaren Werten für die Dispersion dritter und höherer Ordnung, so dass die Dispersion höherer Ordnung in der Impulsverdichtungseinrichtung kompensiert wird.
40. Lasersystem nach Anspruch 30, zudem mit:
einer Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern, die zwischen der Impulsdehnungseinrichtung und der Impulsverdichtungseinrichtung verbunden sind;
einer Faserkopplungseinrichtung, die die Keimquelle mit einem ersten aus der Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern koppelt, wobei die Faserkopplungseinrichtung eine optische Faser mit einer Länge von weniger als 1 km aufweist; und
einer Vielzahl von Impulsauswahleinrichtungen, die entweder vor dem Faserverstärker, nach der Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern oder zwischen beliebigen der Verstärker angeordnet sind.
einer Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern, die zwischen der Impulsdehnungseinrichtung und der Impulsverdichtungseinrichtung verbunden sind;
einer Faserkopplungseinrichtung, die die Keimquelle mit einem ersten aus der Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern koppelt, wobei die Faserkopplungseinrichtung eine optische Faser mit einer Länge von weniger als 1 km aufweist; und
einer Vielzahl von Impulsauswahleinrichtungen, die entweder vor dem Faserverstärker, nach der Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern oder zwischen beliebigen der Verstärker angeordnet sind.
41. Lasersystem mit:
einer Keimquelle, die Impulse im Wellenlängenbereich von 1 bis 1,15 µm mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 0,3 nm und einer Impulsbreite zwischen annähernd 50 fs und 1 ns erzeugt;
einem mantelgepumpten Faserverstärker für breite Bandbreitenimpulse, der die Impulse empfängt, verstärkt und ausgibt, wobei der Faserverstärker mit zumindest einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass betrieben wird;
einem Pumplaser für die Bereitstellung von Laserenergie an den Faserverstärker; und
einer optischen Modulationseinrichtung, die zwischen einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass des Verstärkers angeordnet ist.
einer Keimquelle, die Impulse im Wellenlängenbereich von 1 bis 1,15 µm mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 0,3 nm und einer Impulsbreite zwischen annähernd 50 fs und 1 ns erzeugt;
einem mantelgepumpten Faserverstärker für breite Bandbreitenimpulse, der die Impulse empfängt, verstärkt und ausgibt, wobei der Faserverstärker mit zumindest einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass betrieben wird;
einem Pumplaser für die Bereitstellung von Laserenergie an den Faserverstärker; und
einer optischen Modulationseinrichtung, die zwischen einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass des Verstärkers angeordnet ist.
42. Lasersystem nach Anspruch 41, zudem mit:
einer Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern, wobei zumindest einer der Faserverstärker und die Vielzahl zusätzlicher Faserverstärker mit zumindest einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass betrieben wird; und
einem Modenfilter für die bevorzugte Übertragung der Grundmode eines nach dem ersten Pass angeordneten Verstärkers durch den zumindest einen der Faserverstärker und die Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern, welcher mit zumindest einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass betrieben wird.
einer Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern, wobei zumindest einer der Faserverstärker und die Vielzahl zusätzlicher Faserverstärker mit zumindest einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass betrieben wird; und
einem Modenfilter für die bevorzugte Übertragung der Grundmode eines nach dem ersten Pass angeordneten Verstärkers durch den zumindest einen der Faserverstärker und die Vielzahl von zusätzlichen Faserverstärkern, welcher mit zumindest einem Vorwärts- und einem Rückwärtspass betrieben wird.
43. Lasersystem nach Anspruch 42, zudem mit zumindest
einer Impulsauswahleinrichtung, die zwischen dem
zumindest einen Vorwärts- und einen Rückwärtspass
angeordnet ist.
44. Impulsquelle, die mit einer Ausgangswellenlänge von
mehr als 2 µm arbeitet, mit:
einer Keimquelle, die Impulse mit kurzer Impulsbreite ausgibt; und
einer ersten Faserramanverschiebungseinrichtung, der die Impulse eingegeben werden, und die die Ausgabewellenlänge erzeugt.
einer Keimquelle, die Impulse mit kurzer Impulsbreite ausgibt; und
einer ersten Faserramanverschiebungseinrichtung, der die Impulse eingegeben werden, und die die Ausgabewellenlänge erzeugt.
45. Impulsquelle nach Anspruch 44, zudem mit:
zumindest einer zusätzlichen Faserramanverschiebungseinrichtung, die mit der ersten Faserramenverschiebungseinrichtung verbunden ist; und
einer Vielzahl von Faserverstärkern, die zwischen den Faserramanverschiebungseinrichtungen alternierend verbunden sind.
zumindest einer zusätzlichen Faserramanverschiebungseinrichtung, die mit der ersten Faserramenverschiebungseinrichtung verbunden ist; und
einer Vielzahl von Faserverstärkern, die zwischen den Faserramanverschiebungseinrichtungen alternierend verbunden sind.
46. Impulsquelle nach Anspruch 45, zudem mit:
einem Verdopplungskristall, der mit der letzten der Faserramanverschiebungseinrichtungen verbunden ist,
wobei die Wellenlängenabstimmungskurve des nichtlinearen Kristalls so ausgewählt ist, dass sie unterhalb der Zentralwellenlänge des Ramanspektralanteils des ramanverschobenen und verstärkten Keimimpulses liegt.
einem Verdopplungskristall, der mit der letzten der Faserramanverschiebungseinrichtungen verbunden ist,
wobei die Wellenlängenabstimmungskurve des nichtlinearen Kristalls so ausgewählt ist, dass sie unterhalb der Zentralwellenlänge des Ramanspektralanteils des ramanverschobenen und verstärkten Keimimpulses liegt.
47. Optische Impulsquelle mit:
einem passiv phasengekoppelten Faserlaser; und
einem Yb-Verstärker zum Verstärken einer Ausgabe des Faserlasers.
einem passiv phasengekoppelten Faserlaser; und
einem Yb-Verstärker zum Verstärken einer Ausgabe des Faserlasers.
48. Optische Impulsquelle nach Anspruch 47, wobei der
passiv phasengekoppelte Faserlaser einen Yb-Faserlaser
aufweist.
49. Optisches Kommunikationsuntersystem mit:
einem Faseroptikverstärker mit positiver Nettodispersion, der entlang einer optischen Faserübertragungsleitung mit einer Verstärkung von weniger als 10 dB/km und einer Gesamtverstärkung von mehr als 10 dB verbunden ist;
einem Dispersionskompensationselement, das entlang der optischen Faserübertragungsleitung angeordnet ist; und
einem optischen Filter, das entlang der optischen Faserübertragungsleitung angeordnet ist.
einem Faseroptikverstärker mit positiver Nettodispersion, der entlang einer optischen Faserübertragungsleitung mit einer Verstärkung von weniger als 10 dB/km und einer Gesamtverstärkung von mehr als 10 dB verbunden ist;
einem Dispersionskompensationselement, das entlang der optischen Faserübertragungsleitung angeordnet ist; und
einem optischen Filter, das entlang der optischen Faserübertragungsleitung angeordnet ist.
50. Optisches Kommunikationsuntersystem mit:
einem Faseroptikverstärker mit positiver Nettodispersion, der entlang einer optischen Faserübertragungsleitung mit einer Verstärkung von weniger als 3 dB/km und einer Gesamtverstärkung von mehr als 20 dB verbunden ist; und
einem Dispersionskompensationselement, das am Ende der optischen Faserübertragungsleitung angeordnet ist.
einem Faseroptikverstärker mit positiver Nettodispersion, der entlang einer optischen Faserübertragungsleitung mit einer Verstärkung von weniger als 3 dB/km und einer Gesamtverstärkung von mehr als 20 dB verbunden ist; und
einem Dispersionskompensationselement, das am Ende der optischen Faserübertragungsleitung angeordnet ist.
51. Optisches Kommunikationsuntersystem mit:
einem optischen Faserelement mit positiver Dispersion, das entlang der optischen Faserübertragungsleitung verbunden ist; und
einem optischen Element mit negativer Dispersion, das ebenfalls entlang der optischen Faserübertragungsleitung verbunden ist, wobei das durch entlang der optischen Faserübertragungsleitung übertragene optische Impulse zugezogene Ausmaß an Selbstphasenmodulation in dem optischen Faserelement mit positiver Dispersion höher als in dem optischen Element mit negativer Dispersion ist.
einem optischen Faserelement mit positiver Dispersion, das entlang der optischen Faserübertragungsleitung verbunden ist; und
einem optischen Element mit negativer Dispersion, das ebenfalls entlang der optischen Faserübertragungsleitung verbunden ist, wobei das durch entlang der optischen Faserübertragungsleitung übertragene optische Impulse zugezogene Ausmaß an Selbstphasenmodulation in dem optischen Faserelement mit positiver Dispersion höher als in dem optischen Element mit negativer Dispersion ist.
52. Optisches Kommunikationsuntersystem nach Anspruch 51,
wobei das optische Element mit negativer Dispersion
gechirpte Fasergitter aufweist.
53. Optisches Kommunikationsuntersystem mit:
einer Vielzahl von langen Holey-Fasern mit positiver Nettodispersion, die entlang einer optischen Faserübertragungsleitung verbunden sind; und
einer Vielzahl von optischen Elementen mit negativer Dispersion, die ebenfalls entlang der optischen Faserübertragungsleitung verbunden sind, wobei das durch entlang der optischen Faserübertragungsleitung übertragene optische Impulse zugezogene Ausmaß an Selbstphasenmodulation in den langen Holey-Fasern höher als in dem optischen Element mit negativer Dispersion ist.
einer Vielzahl von langen Holey-Fasern mit positiver Nettodispersion, die entlang einer optischen Faserübertragungsleitung verbunden sind; und
einer Vielzahl von optischen Elementen mit negativer Dispersion, die ebenfalls entlang der optischen Faserübertragungsleitung verbunden sind, wobei das durch entlang der optischen Faserübertragungsleitung übertragene optische Impulse zugezogene Ausmaß an Selbstphasenmodulation in den langen Holey-Fasern höher als in dem optischen Element mit negativer Dispersion ist.
54. Optisches Kommunikationsuntersystem mit:
einer optischen Ramanverstärkungsfaser, der ein Zug von Pumpimpulsen mit einer Länge von weniger als 10 ns eingegeben wird, wobei ferner ein optisches Signal eingegeben, verstärkt und ausgegeben wird, dabei breitet sich das optische Signal innerhalb der Ramanverstärkungsfaser bezüglich der Pumpimpulse entgegengesetzt aus.
einer optischen Ramanverstärkungsfaser, der ein Zug von Pumpimpulsen mit einer Länge von weniger als 10 ns eingegeben wird, wobei ferner ein optisches Signal eingegeben, verstärkt und ausgegeben wird, dabei breitet sich das optische Signal innerhalb der Ramanverstärkungsfaser bezüglich der Pumpimpulse entgegengesetzt aus.
55. Optisches Kommunikationsuntersystem nach Anspruch 54,
wobei die optische Ramanverstärkungseinrichtung durch
einen auf den Pumpimpulsen durchgeführten Abstimmbetrieb
abgestimmt wird.
56. Optisches Kommunikationsuntersystem nach Anspruch 55,
zudem mit:
einer Keimquelle, die optische Impulse ausgibt;
einer Modulationseinrichtung, die die optischen Impulse moduliert;
einer Ramanverschiebungsfaser, der die modulierten optischen Impulse eingegeben werden; und
einer Ramanverstärkungseinrichtung, der eine Ausgabe der Ramanverschiebungsfaser eingegeben wird.
einer Keimquelle, die optische Impulse ausgibt;
einer Modulationseinrichtung, die die optischen Impulse moduliert;
einer Ramanverschiebungsfaser, der die modulierten optischen Impulse eingegeben werden; und
einer Ramanverstärkungseinrichtung, der eine Ausgabe der Ramanverschiebungsfaser eingegeben wird.
57. Optisches Kommunikationsuntersystem nach Anspruch 56,
wobei der Abstimmbetrieb zumindest das Modulieren der
Leistung, der Wellenlänge oder der Breite der Keimimpulse
beinhaltet, bevor die Keimimpulse in die
Ramanverschiebungsfaser injiziert werden.
58. Lasersystem nach Anspruch 9, wobei die
Ramanverschiebungsfaser eine Holey-Faser ist, deren
Dispersion mit der Wellenlänge auf eine Weise variiert,
so dass die Ramanverschiebung optimiert wird.
59. Lasersystem mit:
einer Keimimpulsquelle;
einem Faserverstärker, dem die Keimimpulse eingegeben werden und der sie verstärkt, und der verstärkte Impulse ausgibt; wobei
die Keimimpulse derart erzeugt werden und der Faserverstärker derart konfiguriert ist, dass die durch den Faserverstärker erzeugten Impulse von parabolischer Gestalt sind.
einer Keimimpulsquelle;
einem Faserverstärker, dem die Keimimpulse eingegeben werden und der sie verstärkt, und der verstärkte Impulse ausgibt; wobei
die Keimimpulse derart erzeugt werden und der Faserverstärker derart konfiguriert ist, dass die durch den Faserverstärker erzeugten Impulse von parabolischer Gestalt sind.
60. Lasersystem mit:
einer Keimimpulsquelle;
einem Faserverstärker, dem die Keimimpulse eingegeben werden und der sie verstärkt, und der verstärkte Impulse ausgibt; wobei
die Keimquelle Impulse erzeugt, welche die Ausbildung von parabolischen Impulsen innerhalb des Faserverstärkers induzieren.
einer Keimimpulsquelle;
einem Faserverstärker, dem die Keimimpulse eingegeben werden und der sie verstärkt, und der verstärkte Impulse ausgibt; wobei
die Keimquelle Impulse erzeugt, welche die Ausbildung von parabolischen Impulsen innerhalb des Faserverstärkers induzieren.
61. Lasersystem mit:
einer Keimimpulsquelle;
einem Faserverstärker, dem die Keimimpulse eingegeben werden und der sie verstärkt, und der verstärkte Impulse ausgibt; wobei
die Keimimpulse derart erzeugt werden und der Faserverstärker derart konfiguriert ist, dass die durch den Faserverstärker erzeugten Impulse von parabolischer Gestalt sind.
einer Keimimpulsquelle;
einem Faserverstärker, dem die Keimimpulse eingegeben werden und der sie verstärkt, und der verstärkte Impulse ausgibt; wobei
die Keimimpulse derart erzeugt werden und der Faserverstärker derart konfiguriert ist, dass die durch den Faserverstärker erzeugten Impulse von parabolischer Gestalt sind.
62. Optisches Kommunikationsuntersystem mit:
einer Quelle für optische Impulse verschiedener Wellenlängen; und
einer Einrichtung für eine dynamische Modifikation des durch jede der verschiedenen Wellenlängen erfahrenen Grades an Ramanverschiebung.
einer Quelle für optische Impulse verschiedener Wellenlängen; und
einer Einrichtung für eine dynamische Modifikation des durch jede der verschiedenen Wellenlängen erfahrenen Grades an Ramanverschiebung.
63. Optisches Kommunikationssystem mit
Faseroptikträgern, die optische Signale verschiedener Wellenlängen tragen;
zumindest einem Faserlaserverstärker; und
zumindest einer Ramanverstärkungseinrichtung zur Belegung der Signale verschiedener Wellenlängen mit einer unterschiedlichen Verstärkung.
Faseroptikträgern, die optische Signale verschiedener Wellenlängen tragen;
zumindest einem Faserlaserverstärker; und
zumindest einer Ramanverstärkungseinrichtung zur Belegung der Signale verschiedener Wellenlängen mit einer unterschiedlichen Verstärkung.
64. Keimquelle für ein Lasersystem, mit:
einem Faserlaser, der eine Impulsausgabe erzeugt;
einer Ramanverschiebungseinrichtung, der die Impulsausgabe des Faserlasers eingegeben wird; und
einem nichtlinearen Kristall, der die Ausgabe der Ramanverstärkungseinrichtung frequenzverdoppelt.
einem Faserlaser, der eine Impulsausgabe erzeugt;
einer Ramanverschiebungseinrichtung, der die Impulsausgabe des Faserlasers eingegeben wird; und
einem nichtlinearen Kristall, der die Ausgabe der Ramanverstärkungseinrichtung frequenzverdoppelt.
65. Keimquelle nach Anspruch 64, wobei der nichtlineare
Kristall ein periodisch gepoltes ferroelektrisches
optisches Material aus der Gruppe PPLN, PP
Lithiumtantalat, PP MgO : LiNbO3, PP KTP sowie ein
periodisch gepolter Kristall der KTP-Isomorphenfamilie
umfasst.
66. Keimquelle nach Anspruch 65, wobei die Länge des
nichtlinearen Kristalls so ausgewählt wird, dass die
Impulslänge einer Impulsausgabe der Keimquelle gesteuert
wird.
67. Keimquelle nach Anspruch 65, wobei die Wellenlänge
einer Ausgabe des nichtlinearen Kristalls durch die
Steuerung der Temperatur des nichtlinearen Kristalls
gesteuert wird.
68. Zuleitungssystem für ein Faserlasersystem, dass im
parabolischen Impulsbereich arbeitet, mit:
einer Zuleitungsfaser;
einer gitterbasierten Impulsverdichtungseinrichtung; und
einer W-Faser für die Kompensation der Dispersion dritter Ordnung der Impulsverdichtungseinrichtung.
einer Zuleitungsfaser;
einer gitterbasierten Impulsverdichtungseinrichtung; und
einer W-Faser für die Kompensation der Dispersion dritter Ordnung der Impulsverdichtungseinrichtung.
69. Dispersionskompensationsanordnung für ein
Faserlaserverstärkungssystem, das in einem parabolischen
Impulsbereich arbeitet, mit:
einer Impulsdehnungseinrichtung, die vor einem Verstärkungsabschnitt des Systems angeordnet ist, und die zumindest ein negative Dispersion der dritten Ordnung erzeugendes Element beinhaltet; und
eine Impulsverdichtungsanordnung, die dem Verstärkerabschnitt nachfolgend angeordnet ist, damit die Dispersion der zweiten Ordnung kompensiert wird, und die eine Dispersion der dritten Ordnung aufweist, die diese durch die Dehnungseinrichtung eingeführte auslöscht.
einer Impulsdehnungseinrichtung, die vor einem Verstärkungsabschnitt des Systems angeordnet ist, und die zumindest ein negative Dispersion der dritten Ordnung erzeugendes Element beinhaltet; und
eine Impulsverdichtungsanordnung, die dem Verstärkerabschnitt nachfolgend angeordnet ist, damit die Dispersion der zweiten Ordnung kompensiert wird, und die eine Dispersion der dritten Ordnung aufweist, die diese durch die Dehnungseinrichtung eingeführte auslöscht.
70. Dispersionskompensationsanordnung für ein in einem
parabolischen Impulsbereich arbeitendes
Faserlaserverstärkungssystem, mit:
einer Impulsdehnungseinrichtung, die in dem System vor dem Verstärkerabschnitt angeordnet ist, und die zumindest ein Dispersion der zweiten Ordnung erzeugendes Element und zumindest ein Braggfasergitter oder ein Faserübertragungsgitter für die Einführung von Dispersion der dritten und vierten Ordnung beinhaltet; und
einer Impulsverdichtungseinrichtung, die dem Verstärkerabschnitt nachfolgend angeordnet ist, damit die Dispersion der zweiten Ordnung kompensiert wird, und die eine Dispersion der dritten und vierten Ordnung aufweist, die diese durch die Dehnungseinrichtung eingeführte auslöscht.
einer Impulsdehnungseinrichtung, die in dem System vor dem Verstärkerabschnitt angeordnet ist, und die zumindest ein Dispersion der zweiten Ordnung erzeugendes Element und zumindest ein Braggfasergitter oder ein Faserübertragungsgitter für die Einführung von Dispersion der dritten und vierten Ordnung beinhaltet; und
einer Impulsverdichtungseinrichtung, die dem Verstärkerabschnitt nachfolgend angeordnet ist, damit die Dispersion der zweiten Ordnung kompensiert wird, und die eine Dispersion der dritten und vierten Ordnung aufweist, die diese durch die Dehnungseinrichtung eingeführte auslöscht.
71. Wellenlängenabstimmbare Ramanverstärkungsvorrichtung,
mit:
einer Quelle für Keimimpulse im Femtosekundenbereich;
einer ramanverschiebenden Faser, die die Keimimpulse zur Ausbildung von Pumpimpulsen empfängt und wellenlängenverschiebt;
einer Ramanverstärkerfaser, der eine Vielzahl von Signalwellenlängenimpulsen injiziert werden, die sich zu den Pumpimpulsen entgegengesetzt ausbreiten; und
einer Einrichtung zum Modulieren von zumindest der Leistung, der Wellenlänge oder der Breite der Keimimpulse für die Wellenlängenabstimmung der Pumpimpulse, damit eine Zentralwellenlänge der Ramanverstärkung des Ramanverstärkers abgestimmt wird.
einer Quelle für Keimimpulse im Femtosekundenbereich;
einer ramanverschiebenden Faser, die die Keimimpulse zur Ausbildung von Pumpimpulsen empfängt und wellenlängenverschiebt;
einer Ramanverstärkerfaser, der eine Vielzahl von Signalwellenlängenimpulsen injiziert werden, die sich zu den Pumpimpulsen entgegengesetzt ausbreiten; und
einer Einrichtung zum Modulieren von zumindest der Leistung, der Wellenlänge oder der Breite der Keimimpulse für die Wellenlängenabstimmung der Pumpimpulse, damit eine Zentralwellenlänge der Ramanverstärkung des Ramanverstärkers abgestimmt wird.
72. Verstärker nach Anspruch 71, wobei die Pumpimpulse
innerhalb einer Zeitperiode wellenlängenabgestimmt sind,
die kleiner als eine Signalimpulsdurchlaufzeit der
Ramanverstärkungseinrichtung ist, so dass die
Signalimpulse einem effektiven modifizierten
Ramanverstärkungsspektrum unterworfen sind.
73. Wellenlängenabstimmbares Lasersystem, mit:
einem Faserlaser, der eine Impulsausgabe mit einer Impulsdauer von weniger als 1 ns erzeugt; und
einer Holey-Faser, deren Dispersion mit der Wellenlänge in einer Weise variiert, so dass die Wellenlängenabstimmung optimiert ist.
einem Faserlaser, der eine Impulsausgabe mit einer Impulsdauer von weniger als 1 ns erzeugt; und
einer Holey-Faser, deren Dispersion mit der Wellenlänge in einer Weise variiert, so dass die Wellenlängenabstimmung optimiert ist.
74. Wellenlängenabstimmbares Lasersystem, mit:
einem Faserlaser, der eine Impulsausgabe erzeugt;
einer Holey-Faser, deren Dispersion mit der Wellenlänge in einer Weise variiert, so dass die Wellenlängenabstimmung optimiert ist;
wobei die Holey-Faser innerhalb eines Wellenlängenabstimmungsbereichs eine negative Dispersion der zweiten Ordnung zeigt, eine Nullstelle der Dispersion der zweiten Ordnung innerhalb von 300 nm zu der Wellenlänge der Eingangsimpulsquelle aufweist, und eine Dispersion der dritten Ordnung zeigt, deren Absolutwert kleiner oder gleich dem Absolutwert der Materialdispersion der dritten Ordnung von Quarzglas ist.
einem Faserlaser, der eine Impulsausgabe erzeugt;
einer Holey-Faser, deren Dispersion mit der Wellenlänge in einer Weise variiert, so dass die Wellenlängenabstimmung optimiert ist;
wobei die Holey-Faser innerhalb eines Wellenlängenabstimmungsbereichs eine negative Dispersion der zweiten Ordnung zeigt, eine Nullstelle der Dispersion der zweiten Ordnung innerhalb von 300 nm zu der Wellenlänge der Eingangsimpulsquelle aufweist, und eine Dispersion der dritten Ordnung zeigt, deren Absolutwert kleiner oder gleich dem Absolutwert der Materialdispersion der dritten Ordnung von Quarzglas ist.
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