DE69515475T2

DE69515475T2 - Optischer faser-laser

Info

Publication number: DE69515475T2
Application number: DE69515475T
Authority: DE
Inventors: Luc Archambault; Thomas Kringlebotn; Neil Payne; Laurence Reekie
Original assignee: University of Southampton
Current assignee: University of Southampton
Priority date: 1994-05-06
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2015-05-06
Also published as: EP0759216A1; DE69515475D1; US5771251A; EP0759216B1; WO1995031020A1; CA2189568A1; CA2189568C; GB9409033D0

Description

Optische Faserlaser

Diese Erfindung betrifft optische Faserlaser.
Viele Lichtquellen für Übertragungen mit optischen Fasern sind elektrisch gepumpte Halbleiterlaser vom Fabry-Perot-Typ (F-P), wo die optische Rückkopplung durch Reflexionen von den Endoberflächen (Spiegeln) des Laserhohlraumes erzeugt wird.
Eine Art des Laserns in einem Laser vom F-P-Typ muß zwei Bedingungen gehorchen:
1. Der Hohlraumverstärkungsgrad muß gleich den Hohlraumverlusten sein, und
2. der Hohlraumumlaufphasenwechsel muß gleich einem Mehrfachen von 2π sein.
Der Schwellenverstärkungsgrad ist der gleiche für alle Arten, die der Phasenbedingung gehorchen. Da der Unterschied des Verstärkungsgrades zwischen benachbarten Längsarten allgemein relativ klein ist und es viele Arten gibt, die der Phasenbedingung genügen, können diese Laser in mehreren Arten arbeiten.
Bei Anwendungen, wie optischer Übertragung mit hoher Geschwindigkeit, wo ein dynamisches Arbeiten nach einer einzigen Art unter Modulation erforderlich ist, ist es üblich, Bragg-Reflektorlaser (DBR) mit Halbleiterverteilung zu verwenden.
Ein DBR-Laser ist ein Laser vom F-P-Typ, wo die Endreflektoren Bragg-Gitter sind, die eine von der Wellenlänge abhängige Reflexion infolge ihrer periodischen Raumveränderung des Brechungsindex haben.
Die Reflexion von einem Bragg-Gitter ist bei der Bragg-Wellenlänge λB, welche zu der Gitterperiode Λ(λB = 2πΛ, wobei n der mittlere Brechungsindex des Mediums ist) paßt, am stärksten. Die Laserbedingungen für einen DBR-Laser sind die gleichen wie für einen F-P-Laser mit Spiegeln, doch da die Gitter nur in einem engen Spektralband um die Bragg-Wellenlänge herum reflektieren, wird die der Bragg-Wellenlänge nächste Art stärkere Rückkopplung als die anderen Längsarten zeigen. Wenn der Unterschied der Reflektivität (Rückkopplung) zwischen benachbarten Längsarten ausreichend groß ist, wird nur eine einzige Längsart dazu tendieren, unter Modulationsbedingungen zu oszillieren.
Rückkopplungslaser mit Halbleiterverteilung wurden vorgeschlagen. In diesen Vorrichtungen erstreckt sich ein Gitter quer über den Laserbereich und bewirkt verteilte Rückkopplung der Laserstrahlung.
Über DBR-Laser, in welchen die Gitter und das Verstärkungsmedium von Faseroptik gebildet werden, wurde berichtet. Diese Vorrichtungen haben den Vorteil, daß sie mit Übertragungsverbindungen mit Faseroptik verträglich sind, von einfacher Konstruktion sind und Rauschen geringer Intensität und schmale Linienbreiten bieten können.
Um jedoch ein Arbeiten mit einer einzelnen Frequenz von einem DBR-Faserlaser zu erreichen, müssen offenbar widerstreitende Erfordernisse erfüllt werden.
Erstens muß die Länge des Faserhohlraumes (der Faser zwischen zwei Endreflektoren) so kurz wie möglich gemacht werden. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Spektralabstand zwischen Resonanzhohlraumarten mit einer abnehmenden Hohlraumlänge zunimmt. Wenn die Resonanzhohlraumarten weiter voneinander getrennt sind, sind die Unterschiede des Umlaufhohlraumverlustes zwischen benachbarten Arten, die durch die wellenlängenabhängige Reflexion der Gitter verursacht werden, größer, so daß es wahrscheinlicher ist, daß eine einzelne Oszillationsart dominiert.
Ein zweites Erfordernis resultiert jedoch aus der Tatsache, daß Faserlaser im Gegensatz zu dem elektrischen Pumpen von Halbleiterlasern in Längsrichtung optisch gepumpt werden. Dieses Merkmal bedeutet, daß der Faserhohlraum lang genug gemacht werden sollte, um genügend Energie bei der Pumpwellenlänge zu gestatten, um absorbiert zu werden.
Das erste obenaufgeführte Erfordernis führt zu einer erwünschten Hohlraumlänge von etwa einigen Zentimetern oder weniger. In mit Erbium (Er³&spplus;) dotierten Fasern jedoch, die gewöhnlich als das Verstärkungsmedium verwendet werden, ist die Pumpabsorption in solchen kurzen Laserlängen normalerweise nur einige Prozente, und somit ist die sogenannte Gefälleeffizienz dieser Laser sehr gering (geringer als 1%) selbst mit hoher Er³&spplus;-Konzentration. Wenn die Pumpabsorption durch stärkeres Dotieren der Faser erhöht wird, tritt ein sogenanntes Konzentrationsabschrecken auf, welches zu einem Verlust an Gefälleeffizienz führt, und die Laser unterliegen dann auch einer starken Selbstpulsierung. Obwohl eine "MOPA" (Master Oscillator Power Amplifier)-Konfiguration vorgeschlagen wurde, wo die restliche Pumpstärke verwendet wird, um einen Faserverstärker zu pumpen, hat der Ausgang aus einem MOPA stärkeres Rauschen als der direkte Ausgang aus einem Laser, und dies erfordert gewöhnlich einen optischen Isolator zwischen dem Laser und dem Verstärker, um eine Kopplung zwischen dem Laser und dem Verstärker auszuschalten und das Rauschen zu verbessern.
Die US-A-3 958 188 beschreibt einen seitlich gepumpten DFB-Laser, der von einem Gitter Gebrauch macht, welches durch mikromaschinelle Nuten in einer optischen Faser gebildet wird. Der Artikel "Lichtempfindlichkeit und Selbstorganisation in optischen Fasern und Wellenleitern", proc SPIE, Band 2044, Seiten 69 bis 75 beschreibt einen mit Ultraviolettlicht seitlich gepumpten Ausgleich-Faser-DFB-Laser mit gepulstem Betrieb. IEEE - Journal of Quantum Electronics, 25 (1989), Seiten 871 bis 877 und Optical Engineering, 31 (1992) 3, Seiten 440 bis 446 beschreiben Nd : YAG-Kristallfaser-DFB-Laser.
Diese Erfindung liefert einen optischen Faserlaser mit verteilter Rückkopplung mit einer endgepumpten lichtempfindlichen, verstärkenden optischen Faser, die mit Erbium und Ytterbium dotiert ist und so arbeiten kann, daß sie eine optische Verstärkung bei einer Laserwellenlänge ergibt, worin ein Beugungsgitter optisch auf wenigstens einen Teil der verstärkenden optischen Faser gezeichnet ist, um verteilte optische Rückkopplung zur fortwährenden Laserwirkung in dem Bereich bei der Laserwellenlänge zu liefern, wobei das Beugungsgitter wenigstens eine Phasenunregelmäßigkeit umfaßt oder der Laser Einrichtungen zum Erhitzen eines Teils des Gitters während des Betriebs des Lasers umfaßt, um eine Phasenunregelmäßigkeit zu erzeugen.
In einem DFB-Faserlaser (verteilte Rückkopplung) nach der Erfindung wird die für das Laserarbeiten erforderliche optische Rückkopplung durch eine periodische Raumveränderung des Brechungsindex des tatsächlichen Verstärkungsmediums oder anderer Fasereigenschaften geliefert, so daß eine optische Welle, die in der Vorwärtsrichtung wandert, nach und nach von dem Gitter in eine Welle reflektiert wird, die in der Rückwärtsrichtung wandert, oder umgekehrt. Mit anderen Worten, das Verstärkungsmedium und das Rückkopplungsgitter sind gemeinsam angeordnet.
Faser-DFB-Laser werden die gleichen Vorteile gegenüber Halbleiterlasern wie die obenbeschriebenen Faser-DBR-Laser haben, doch werden sie auch dazu neigen, eine bessere Einzelfrequenzstabilität als die Faser-DBR-Laser zu besitzen. Dieses Merkmal tritt auf, da die Laserwellenlänge des Faser-DFB-Lasers von der Bragg-Wellenlänge eines einzelnen Gitters einzigartig determiniert werden kann. Auch wird der Einzelarten betrieb gefördert, da die Schwellenverstärkung mit der Wellenlänge von der Bragg-Wellenlänge weg zunimmt. Im Gegensatz dazu ist in einem Faser-DBR-Laser, welcher ein Laser vom F-P-Typ ist, die Laserwellenlänge die Wellenlänge mit dem niedrigsten Umlaufverlust. Dies entspricht normalerweise der Längsart, die der Bragg-Wellenlänge am nächsten ist (aber im allgemeinen von ihr verschieden ist). Mit anderen Worten, das Erfordernis kurzer Länge, um Artenbeständigkeit zu erreichen, wird vermindert.
Da außerdem die geringste Verlustart in einem Laser vom F-P-Typ von dem Produkt der Reflexionsspektren der beiden Gitter abhängt, verlangt eine genaue Determinierung der Laserwellenlänge ein Passen der Bragg-Wellenlängen der beiden Gitter entweder durch das Zeichnen der Gitter oder nach dem Zeichnen durch ein Abstimmen eines der Gitter (entweder durch Erhitzen/Kühlen oder durch Strecken des Gitters). Ein Faser-DFB-Laser kann bei einer durch nur ein Gitter definierten Wellenlänge arbeiten.
Demnach kann ein Laser nach der Erfindung die obenbeschriebenen Probleme vermeiden, indem er einen robusten Betrieb einer einzigen Art ohne erforderlichen Kompromiß des Laserleistungsausgangs oder des Rauschverhaltens erlaubt.
Die verstärkende optische Faser wird mit Seltenen Erden als Dotiermittel dotiert. Insbesondere wird die verstärkende optische Faser mit Erbium und als Kodotiermittel, um die Absorption der Pumpwellenlänge zu erhöhen, mit Ytterbium (Yb³&spplus;) dotiert.
Vorzugsweise wird die verstärkende optische Faser optisch gepumpt. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß der Laser Mittel zur Erzeugung optischer Pumpstrahlung umfaßt, um die verstärkende optische Faser zu pumpen.
Ein Teil der verstärkenden Faser kann vorteilhaft verwendet werden, um den Laserausgang zu verstärken, indem sie durch restliche optische Pumpstrahlung gepumpt wird, die aus dem Laser austritt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Laser einen Spiegel, der an einem Ende des Beugungsgitters angeordnet ist, um wenigstens einen Teil der optischen Strahlung zu reflektieren, die entlang dem Beugungsgitter voranschreitet. Der Spiegel kann einen Phasenwechsel einführen, um das Voranschreiten von Strahlung einer einzelnen Art an jeder Seite der Bragg-Wellenlänge des Beugungsgitters in dem Laser zu fördern.
Vorzugsweise ist die Längstrennung zwischen dem Spiegel und dem Beugungsgitter geringer als 1 um (etwa eine halbe Wellenlänge in dem Fasermedium). Es ist bevorzugt, daß diese Trennung durch geeignete Einstellungsmittel eingestellt werden kann.
Als ein Alternativweg ist es bevorzugt, daß das Gitter selbst wenigstens eine Phasenunregelmäßigkeit umfaßt. Dies kann das Voranschreiten von Strahlung bei der Bragg-Wellenlänge fördern.
Die Phasenunregelmäßigkeit könnte eine Diskontinuität oder eine im wesentlichen kontinuierliche Phasenveränderung entlang dem Gitter sein.
Ein bevorzugter Weg zu Erzeugung eines Gitters mit einer Phasenunregelmäßigkeit ist die sogenannte "Moire"-Methode, bei der das Gitter durch Erzeugung eines Interferenzmusters zwischen zwei überlagerten Beugungsgittern erzeugt wird. Die Verwendung dieser Methode zur Bildung von Gittern mit einer Phasenunregelmäßigkeit und die mögliche Verwendung solcher Gitter in Halbleiter-DFB-Lasern ist in dem Papier "Phase Shifted Moire Grating Fibre Resonators", Electronics Letters, Band 26, Nr. 1, Seiten 10 und 11 (1990) beschrieben.
Obwohl die Phasenunregelmäßigkeit in dem Gitter permanent erzeugt werden könnte, könnte die Phasenunregelmäßigkeit stattdessen auch nur während des Betriebs oder der Herstellung erzeugt werden, wie beispielsweise durch Erhitzen eines Teils des Gitters während des Betriebs.
Von einem zweiten Aspekt aus betrachtet liefert die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des optischen Faserlasers mit verteilter Rückkopplung mit den Stufen, in denen man optisch ein Beugungsgitter auf wenigstens einem Teil einer lichtempfindlichen verstärkenden optischen Faser, die mit Erbium und Ytterbium dotiert ist und so arbeiten kann, daß sie eine optische Verstärkung bei einer Laserwellenlänge ergibt, herstellt und wenigstens eine Phasenunregelmäßigkeit mit dem Gitter vorsieht, wobei das Beugungsgitter verteilte optische Rückkopplung für fortwährende Laserwirkung in dem Bereich bei der Laserwellenlänge vorsieht.
Die Erfindung wird nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in welcher durchwegs gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und
Fig. 1 eine schematische graphische Darstellung des dotierten optischen Faser-DFB- Lasers unter Verwendung eines gleichmäßigen Gitters ohne Endreflektoren ist,
Fig. 2 eine schematische graphische Darstellung eines dotierten optischen Faser-DFB- Lasers unter Verwendung eines Gitters mit Phasenwechsel und ohne Endreflektoren ist,
Fig. 3 eine schematische graphische Darstellung eines dotierten optischen Faser-DFB- Lasers unter Verwendung eines gleichmäßigen Gitters mit einem Endreflektor ist,
Fig. 4 eine graphische Erläuterung der theoretischen Laserschwellenverstärkung von fundamentaler Art eines DFB-Lasers als eine Funktion der Gitterstärke mit
i) einem gleichmäßigen Gitter,
ii) einem ungleichmäßigen Gitter mit einem im wesentlichen 100%igen Endreflektor und
iii) einem Gitter mit Phasenwechsel π/2 ist,
Fig. 5 eine schematische graphische Darstellung eines Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierten Faser- DFB-Lasers unter Verwendung eines gleichmäßigen Gitters mit einem im wesentlichen 100%igen Endreflektor ist,
Fig. 6 eine schematische graphische Darstellung eines Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierten Faser- DFB-Lasers unter Verwendung eines phasengewechselten (Temperatur) Gitters ist,
Fig. 7 eine graphische Erläuterung der empirischen Lasereigenschaften für einen DFB- Faserlaser ist, welcher
i) ein gleichmäßiges Gitter mit im wesentlichen 100%igem Endreflektor und
ii) ein phasengewechseltes Gitter (Temperatur) verwendet,
Fig. 8 eine graphische Darstellung ist, die das optische Spektrum eines Faser-DFB- Lasers mit gleichmäßigem Gitter mit einem im wesentlichen 100%igen Endreflektor im Betrieb in einer einzelnen und einer doppelten Art erläutert,
Fig. 9 eine graphische Darstellung ist, die das optische Spektrum eines Faser-DFB- Lasers mit gleichmäßigem Gitter mit einem im wesentlichen 100%igen Endreflektor gegen Spiegelversetzung erläutert,
Fig. 10 eine graphische Darstellung ist, die die Laserlinienbreite eines Faser-DFB-Lasers mit einem gleichmäßigen Gitter und einer einzigen Arbeitsweise mit einem im wesentlichen 100%igen Endreflektor und einem Faser-DFB-Laser mit phasengewechseltem Gitter erläutert,
Fig. 11 eine graphische Darstellung ist, die das optische Spektrum eines Faser-DFB- Lasers mit einem durch Temperatur phasengewechselten Gitter bei maximaler Leistung erläutert, und
Fig. 12 eine graphische Darstellung ist, die das optische Spektrum eines Faser-DFB- Lasers mit durch Temperatur phasengewechseltem Gitter gegen die Drahttemperatur erläutert.
Die Fig. 1, 2 und 3 sind schematische graphische Darstellungen von dotierten optischen Faser-DFB-Lasern. Insbesondere erläutert Fig. 1 einen Laser unter Verwendung eines gleichmäßigen Gitters ohne Endreflektoren. Fig. 2 erläutert einen Laser unter Verwendung eines Gitters mit Phasenwechsel ohne Endreflektoren, und Fig. 3 erläutert einen Laser unter Verwendung eines gleichmäßigen Gitters mit einem Endreflektor (z. B. einem dichroitischen Endreflektor).
Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigten DFB-Laser umfassen optische Fasern, die eine oder mehrere Seltene Erden enthalten, worin die Rückkopplung (ein Bragg-Gitter) und die Verstärkung (die dotierte Faser) im wesentlichen gemeinsam angeordnet sind. Insbesondere ist in Fig. 1 ein gleichmäßiges Gitter 10 auf einer dotierten optischen Faser 20 angeordnet. In Fig. 2 ist ein Gitter 30 mit einer Phasenunregelmäßigkeit 40 auf einer dotierten optischen Faser 50 angeordnet, und in Fig. 3 ist eine dotierte optische Faser 60 mit einem gleichmäßigen Gitter 70 in Nachbarschaft zu einem Reflektor 80 angeordnet. Die Laser der Fig. 1 bis 3 sind optisch endgepumpt (z. B. durch einen Halbleiterpumplaser).
In einem DFB-Faserlaser, wie den Lasern, die in den Fig. 1 bis 3 erläutert sind, wird die optische Rückkopplung, die für den Laserbetrieb erforderlich ist, durch eine periodische Raumveränderung des Brechungsindex des Verstärkungsmediums oder anderer Fasereigenschaften hervorgerufen, so daß eine optische Wellenwanderung in der Vorwärtsrichtung nach und nach durch das Gitter in eine Wellenwanderung in der Rückwärtsrichtung reflektiert wird und umgekehrt.
Die Stärke der Rückkopplung ist normalerweise als das Produkt kL angegeben, worin k = πΔn/λB der Kupplungskoeffizienz und L die Länge des Gitters sind. Δn ist die Brechungsindexmodulation. Das Reflexionsvermögen der Bragg-Wellenlänge ist als tangens h² (kL) angegeben. Die Breite des Gitterstoppbandes ist proportional zu k. Je höher K ist, desto größer ist die Frequenztrennung zwischen den Resonanzarten der DFB-Struktur.
Während für einen Laser vom F-P-Typ die Schwellenverstärkung die gleiche für alle Längsarten ist, nimmt die Schwellenverstärkung des DFB-Lasers um so mehr zu, je weiter weg die Resonanzarten von der Bragg-Wellenlänge sind. Mit einem gleichmäßigen Gitter entlang der gesamten Hohlraumlänge und ohne Endreflektoren (d. h. der Laser von Fig. 1) kann jedoch keine reale Art im Zentrum des Stoppbandes existieren, d. h. an der Bragg- Wellenlänge. Bei dieser Wellenlänge hat die Umlaufverstärkung einen realen Wert, doch mit einem negativen Vorzeichen. In einer solchen Vorrichtung treten zwei Arten von gleicher Schwelle symmetrisch auf jeder Seite des Stoppbandes auf, wo die Phasenbedingung erfüllt werden kann. Demnach wird ein gleichmäßiger DFB-Laser des in Fig. 1 gezeigten Typs mit zwei unterschiedlichen Frequenzen oszillieren, die durch die Breite des Stoppbandes getrennt sind (welches proportional zu k ist).
Die Fig. 2 und 3 erläutern zwei mögliche Wege, um einen Betrieb mit einer einzigen Frequenz eines DFB-Lasers zu bekommen. In Fig. 2 wird ein Einzeldurchgangphasenwechsel (oder Phasenunregelmäßigkeit) von π in das Gitter eingeführt. Dies entspricht einem optischen Phasenwechsel π/2, so daß die Umlaufphasenbedingung bei der Bragg-Wellenlänge befriedigt wird.
Der Phasenwechsel kann entweder durch einen Phasenwechsel in dem Gitter selbst oder durch einen Phaseneinstellbereich in das Gitter eingeführt werden. In einem phasengewechselten DFB-Laser nimmt das Feld der Art exponentiell wie ein Dämpfungsfeld von dem Phasenwechselbereich in die DFB-Strukturen auf beiden Seiten ab und wird ausgekoppelt. Ein phasengeänderter DFB-Laser hat auch die geringstmögliche Laserschwellenverstärkung, da die Rückkopplung an der Bragg-Wellenlänge am stärksten ist, und ist somit für ein Arbeiten in einer einzigen Art geeignet. Die Schwellenunterscheidung und Frequenztrennung zwischen der fundamentalen Art und den Arten erster höherer Ordnung sind größer als jene des gleichmäßigen DFB-Lasers von Fig. 1 und viel größer als bei den Lasern vom F-P-Typ einschließlich der DBR-Laser.
Eine alternative Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt, in welcher ein Endreflektor verwendet wird, um den Umlaufphasenwechsel in dem Laser zu verändern. Mit einem Endreflektor wird eine der beiden Arten verbessert, während die andere unterdrückt wird, je nach der Phase des Spiegels in Relation zu dem Gitter. Der Endreflektor wird wirksam die Gitterlänge erhöhen und die Schwellenverstärkung reduzieren. Die Schwelle wird auch von der Spiegelphase abhängen. Es ist daher bevorzugt, daß die Lösung von Fig. 2 verwendet wird.
Faser-DFB-Laser werden die gleichen Vorteile gegenüber Halbleiter-DBR-DFB-Lasern wie die obenbeschriebenen Faser-DBR-Laser haben, werden aber auch dazu neigen, eine bessere Einzelfrequenzstabilität als die Faser-DBR-Laser zu haben. Dieses Merkmal entsteht, da die Laserwellenlänge eines phasengewechselten Faser-DFB-Lasers einzigartig durch die Bragg-Wellenlänge eines einzelnen Gitters bestimmt wird, während in einem DBR-Laser, welcher ein Laser vom F-P-Typ ist, die Laserwellenlänge die Wellenlänge mit dem geringsten Umlaufverlust ist. Dies entspricht normalerweise der Längsart, die der Bragg-Wellenlänge am nächsten ist (aber im allgemeinen von dieser verschieden ist). Da jedoch die geringste Verlustart in einem F-P-Laser von dem Produkt der Reflexionsspektren der beiden Gitter ist, erfordert eine genaue Determinierung der Laserwellenlänge ein Passen der Bragg-Wellenlängen der beiden Gitter entweder durch das Zeichnen der Gitter oder nach dem Zeichnen durch ein Abstimmen eines der Gitter (entweder durch Erhitzen/Kühlen oder Strecken des Gitters). Mit einem Spiegel und einem Gitter ist das Passen des Endreflektors kein Problem, doch ist diese Type von F-P-Laser kein wirklicher Allfaserlaser.
Die Gitter 10, 30 und 40 können als Innerkerngitter oder als Gitter an der Kern/Hüllengrenze hergestellt werden.
Innerkernfaser-Bragg-Gitter können nichtangreifend in Fasern auf Germanosilikatbasis oder anderen lichtempfindlichen Fasern hergestellt werden. In Germanosilikatfasern können die Gitter holographisch durch die Plattierung unter Verwendung eines kohärenten UV (Ultraviolettl-Zweistrahlinterferenzbildes mit einer derart ausgewählten Schwellenlänge gezeichnet werden, daß diese in dem sauerstofffreien Fehlerband von Germaniumoxid nahe 244 nm (Nanometer) liegt. Die Bragg-Wellenlänge des Gitters kann leicht durch Veränderung des Winkels zwischen den beiden Interferenzstrahlen eingestellt werden.
Fasergitter können auch unter Verwendung einer Kieselsäurephasenmaske gezeichnet werden, die durch einen einzelnen UV-Laserstrahl beleuchtet wird, wie in dem Papier "Phasenmaskenmethode für die Volumenherstellung von Faserphasengittern", Conference of Optical Fibre Communications, 1993, nachveröffentlichtes Papier PD16.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die theoretische Laserschwellenverstärkung der fundamentalen Art eines DFB-Lasers als eine Funktion der Gitterstärke kL mit
i) einem gleichmäßigen Gitter,
ii) einem gleichmäßigen Gitter mit einem im wesentlichen 100%igen Endreflektor und
iii) einem π/2-phasengewechselten Gitter erläutert.
Fig. 4 zeigt, daß ein phasengewechselter Gitter-DFB-Laser eine signifikant geringere Schwellenverstärkung als die DFB-Laser mit gleichmäßigem Gitter (mit oder ohne Endreflektor) hat. Im Falle eines DFB-Lasers mit gleichmäßigem Gitter mit einem Endreflektor ist die Schwellenverstärkung signifikant geringer als ohne irgendwelche Endreflektoren, hängt aber von der Phasenbeziehung zwischen dem Reflektor und dem Gitter ab.
Ein Faser-DFB-Laser mit Phasenwechsel kann robust ein Einzeltyp für viel längere Hohlraumlängen als ein Faser-DBR-Laser sein (wegen der unterschiedlichen Schwellenverstärkung zwischen der fundamentalen Art bei der Bragg-Wellenlänge und Arten höherer Ordnung), vorausgesetzt, daß man genügend lange Fasergitter zeichnen kann.
Zwei spezielle Prototypbeispiele von optischen Faser-DFB-Lasern werden nun unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 12 beschrieben. Diese sind
a) ein Faser-DFB-Laser mit gleichförmigem Gitter mit einem Endreflektor mit im wesentlichen 100%iger Reflexion bei der Laserwellenlänge (Fig. 5) und
b) ein Faser-DFB-Laser mit phasengeändertem Gitter ohne Endreflektoren (Fig. 6).
Fig. 5 ist eine schematische graphische Darstellung eines Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierten Faser- DFB-Lasers unter Verwendung eines gleichmäßigen Gitters 90, das in eine Er³&spplus; : Yb³&spplus; dotierte Faser 100 mit einem Endreflektor 110 (z. B. einem dichroitischen Reflektor) mit einer Reflexion von im wesentlichen 100% bei der Laserwellenlänge gezeichnet ist.
Ähnlich ist Fig. 6 eine schematische graphische Darstellung eines Er³&spplus; : Yb³&spplus; dotierten Faser-DFB-Lasers, worin ein gleichmäßiges Gitter 120 in eine Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierte optische Faser 130 gezeichnet ist. In diesem Fall wird eine temporäre Phasenunregelmäßigkeit in das Gitter im Betrieb durch Erhitzen eines kleinen Bereiches des Gitters eingeführt, indem durch einen elektrischen Widerstandsdraht 140, der um die Faser gewickelt ist, Strom geleitet wird. Dies erzeugt einen Temperaturgradienten 150 entlang der Faser, was die Phase des in die Faser eingeprägten Gitters verändert. Diese Anordnung wird als ein (durch Temperatur) phasengeändertes Gitter bezeichnet.
Die Fasern werden sowohl mit Er³&spplus; als auch mit Yb³&spplus; dotiert, wobei letzteres den Effekt hat, die Absorption bei der Pumpenwellenlänge um mehr als zwei Größenordnungen zu steigern. Die 980 nm-Pumpe regt die Yb³&spplus;-Ionen an, und Energie wird wirksam durch Resonanzkopplung zu den Er³&spplus;-Ionen überführt.
In jedem der beiden Fälle war das Gitter ein 2 cm (Zentimeter) langes gleichmäßiges Faser-Bragg-Gitter mit einer Brechungsindexmodulation von etwa 2,1 · 10&supmin;&sup4; (kL = 8,5), in eine Aluminophosphosilikatfaser, die Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotiert war. Die Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierte Faser wurde unter Verwendung der sogenannten "Wasserstoffbeladungs"-Technik lichtempfindlich gemacht, die in dem Artikel "Hochdruck-H&sub2;-Beladung als eine Technik zur Erreichung ultrahoher UV-Lichtempfindlichkeit und thermischer Empfindlichkeit in mit GeO&sub2; dotierten optischen Fasern", Electronics Letters, Band 29, Seiten 1191 bis 1193 (1993) beschrieben ist. Die Faser wurde in 140 Atmosphären H&sub2; bei 80ºC während 15 h vollsaugen gelassen. Das Gitter wurde dann mit einem Kryptonfluorid (KrF)-Exzimerlaser bei 248 nm unter Verwendung einer Seitenzeichnungstechnik gezeichnet, die in dem Artikel "Bildung von Bragg- Gittern in optischen Fasern mit einer holographischen Methode", Optics Letters, Band 14, Seiten 823 bis 825 (1989) beschrieben ist. Der Laser wurde bei 20 Hz mit einer Impulsfluenz von etwa
0,5 J/cm² mit Energie versorgt, die auf den 20 mm-Faserabschnitt während mehr als 3 h auftrat.
Die Phosphoroxid (P&sub2;O&sub5;)- und Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)-Konzentrationen in der Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierten Faser sind 18 bzw. 2 Gew.-% (Gewichtsprozente). Die Er³&spplus;-Konzentration ist etwa 1000 ppm (Teile je Million) (0,26 Gew.-%). Die Faser hat ein Verhältnis von Yb³&spplus;-: Er³&spplus;-Konzentration von 12,5 : 1, eine numerische Öffnung von 0,2 und eine Ausschnittwellenlänge der zweiten Art von 1130 nm. Der Durchmesser der Faser war 125 um. Die Spitzenabsorption bei 1535 nm (was auch die Fasergitter-Bragg-Wellenlänge war) war 0,5 dB/cm. Dies ist etwa die maximal erhältliche Verstärkung (mit vollständiger Besiedlungsumkehrung). Somit ist mit einer 2 cm langen DFB-Struktur die maximal erhältliche Durchgangsverstärkung 1 dB.
Bezieht man sich auf Fig. 5, so war die Gesamtlänge 160 der Er³&spplus; : Yb³&spplus;-dotierten Faser 3 cm und die Länge 170 des Gitters an dem Reflektorende 2 cm. Die Faser wurde in eine Glaskapillare mit einem Durchmesser von 3 cm eingebettet. Ein Ausgangsende wurde winkelpoliert, um Reflextionen zu vermeiden.
Der Laser wurde mit einem 100 mW, 980 nm-Diodenlaser durch den Reflektor gepumpt, was etwa 97% Licht bei der Pumpwellenlänge übertrug.
Die Lasereigenschaften des DFB-Lasers mit gleichmäßigem Gitter mit einem Endreflektor und mit einer im wesentlichen 100%igen Übertragung bei der Pumpwellenlänge ist als eine Kurve 200 in der Graphik von Fig. 7 gezeigt. Der Laser hatte eine zufällige Schwellenpumpenergie von etwa 15 mW und eine Ausgangsleistung von etwa 2 mW für 90 mW Pumpenergie. Die Ausgangsleistung variierte mit einer Veränderung der seitlichen Position des Spiegels in bezug auf das Fasergitter, was das Reflexionsvermögen des Spiegels (sowohl die Phase als auch die Amplitude) und die Ablaufbedingungen verändert. Die Gefälleeffizienz war etwa 5%. Lasern trat auch mit einem Endreflektor mit 4% Reflexionsvermögen, d. h. ohne den Spiegel, auf. Die Schwellenpumpleistung in diesem Fall war 34 mW.
Das optische Spektrum für den Laser von Fig. 5 ist in Fig. 8 gezeigt. Das Basisspektrum 220 hat zwei Peaks, wie für einen gleichmäßigen DFB-Laser erwartet, doch hängt die relative Energie in jeder der beiden Arten von der Spiegelphase in bezug auf das Fasergitter ab. Die Trennung zwischen den beiden Arten ist etwa 0,25 nm, wie aufgrund der Theorie unter Annahme einer Gitterstärke von kL = 8,5 erwartet. Fig. 9 zeigt das Laserspektrum für zunehmende Spiegelverlagerung (Δz) und somit Phasenveränderung.
Eine Einstellungseinrichtung (wie eine Mikrometerschraube) kann vorgesehen sein, um die Spiegelgittertrennung in Längsrichtung so einzustellen, daß die Laserleistung verbessert wird.
Die optische Linienbreite war, wenn der Laser eine Einzeltype war, mit einer Selbstüberlagerungs-Verzögerungslinie von etwa 60 kHz gemessen, wie durch eine Kurve 240 in der graphischen Darstellung von Fig. 10 gezeigt ist.
Während des Verhaltenstests des phasengeänderten Gitterfaser-DFB-Lasers, wie in Fig. 6 gezeigt, war der Prototyplaser der gleiche wie der Faser-DFB-Laser mit gleichmäßigem Gitter gemäß Fig. 5, jedoch mit entferntem Endreflektor, der mit einem mikroskopischen Glasobjektträger mit Indexpaßflüssigkeit ersetzt wurde, um Reflexionen zu vermeiden (mit der gleichen Wirkung wie winkelpoliert an der Endfläche).
Der Phasenwechsel wurde eingeführt, indem der elektrische Widerstandsdraht 140 im wesentlichen in der Mitte des Gitters um die Glaskapillare gewickelt wurde. Alternativ konnte der Draht die Faser direkt berühren. Der Draht war 2 cm lang und hatte einen Durchmesser von 175 um, und sein Widerstand war 0,46 Ω/cm. Indem ein elektrischer Strom durch den Draht geschickt wurde, wurde das Fasergitter mehr in der Mitte als an den Enden erhitzt, was einen fallenden Temperaturgradienten 150 an jeder Seite des Drahtes bewirkte. Der Brechungsindex und somit die Bragg-Wellenlänge hängt von der Temperatur ab und wird somit mehr in der Mitte als an den Enden des Gitters verändert, was einen optischen Phasenwechsel für die vorwärts und rückwärts voranschreitenden Wellen in der DFB-Struktur verursacht. Dies ergab einen allmählichen Phasenwechsel, was, wie zu zeigen ist, zu einer gleichmäßigeren Intensitätsverteilung entlang dem Verstärkungsmedium statt eines abrupten Phasenwechsels in der Mitte der DFB-Struktur führte. Dies ergibt eine gleichmäßigere Verstärkungssättigung und bessere Verwendung der verfügbaren Verstärkung.
Mit dieser Methode kann die Position der Phasenveränderung leicht durch Veränderung der Position des Drahtes verändert werden. Mit steigender Temperatur variierte die Ausgangsleistung periodisch, was anzeigt, daß die Phasenänderung auch periodisch variierte (wie erwartet). Bei der vorliegenden Ausführungsform hatte die maximale Ausgangsleistung einen Drahtstrom von einer 20 mA und eine Spannung von 0,6 V. Die Ausgangsleistung von einem Ende der phasenveränderten DFB-Faser mit einem optimalen Phasenwechsel ist als eine Kurve 210 in Fig. 7 aufgezeichnet.
Die Pumpquelle war ein Diodenlaser von 150 mW und 980 nm. Die zufällige Schwellenpumpenergie ist etwa 32 mW, und die Abfalleffizienz ist etwa 5%. Die maximale Ausgangsleistung des Faserlasers am Ausgangsende (winkelpoliert) ist 1,9 mW mit 127 mW Pumpleistung. Die Laserausgangsleistung aus dem Eingangsende wurde nicht gemessen, doch ist zu erwarten, daß sie ähnlich derjenigen des Ausgangsendes ist. Das allmählich zunehmende Gefälle bei niedrigen Pumpleistungen beruht wahrscheinlich auf dem 1 cm langen Stück von mit Er³&spplus; : Yb³&spplus; dotierter Faser am Ausgangsende, welches bei geringer Pumpenergie als ein Absorber (mit maximal 0,5 dB Absorption) wirkt, während es bei hohen Pumpleistungen als ein Verstärker (mit maximal 0,5 dB Verstärkung) wirkt. Somit ist dieser Laser ein Beispiel einer MOPA-Gestaltung (Master Oscillator Power Amplifier).
Die Laserlinien breite wurde in diesem Fall mit etwa 300 kHz gemessen, wie durch eine Kurve 250 in Fig. 10 zu sehen ist. Diese Linienbreite erwies sich als im wesentlichen unabhängig von der Ausgangsleistung.
Das optische Spektrum des phasenveränderten Faser-DFB-Lasers ist in Fig. 11 gezeigt. Der Laser ist eine Einzeltype ohne Seitentypen. Fig. 12 zeigt Variationen im Spektrum mit zunehmender Drahttemperatur. Die Amplitude nimmt von 0 bis zu einem Maximum zu und nimmt dann wieder ab. Die Wellenlänge nimmt mit steigender Temperatur, wie erwartet, zu.
Es gibt mehrere andere mögliche Wege, eine Phasenveränderung in dem Fasergitter zu induzieren, anders als nach der "Drahtmethode", die in Fig. 6 gezeigt ist. Eine Möglichkeit besteht darin, zwei Gitter mit etwas unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen übereinander zu zeichnen, um ein sogenanntes Moire-Gitter zu bilden. Diese Technik ist in dem Artikel "Phase Shifted Moire Grating Fibre Resonators", Electronics Letters, Band 26, Nr. 1, Seiten 10 und 11 (1990) beschrieben. Das Moire-Gitter hat normalerweise eine permanente n-Phasenänderung, die einer optischen Phasenänderung von π/2 entspricht, kann aber auch mit kleineren Phasenänderungen (unter Verwendung unterschiedlicher Belichtungszeiten für die beiden Gitter) gemacht werden. Indem man mehrere kleine Phasenänderungen entlang dem Gitter hat, unter Zugabe bis zu π, kann eine allmähliche Phasenveränderung und damit eine gleichmäßige Intensitätsverteilung erzeugt werden.
Eine alternative Technik ist die, einen Temperaturgradienten entlang der Faser aufzubringen, wenn das Gitter gezeichnet wird, oder eine Veränderung des Brechungsindex mit Hilfe eines gleichmäßigen UV-Strahles vor dem Zeichnen des Gitters zu induzieren, um eine Phasenunregelmäßigkeit oder -diskontinuität um die Mitte des Gitters zu erzeugen. Alternativ könnte ein kleiner Abschnitt in der Mitte des Gitters vor, während oder nach dem Zeichnen des Gitters gestreckt werden. Es ist auch möglich, einen kleinen Abschnitt in der Mitte des Gitters unbestrahlt zu lassen, was einen Phaseneinstellungsbereich bewirkt. Dies kann auch geschehen, indem man entweder das Gitter wegradiert oder den mittleren Brechungsindex in der Mitte des Gitters verändert, indem man an diesem Punkt einen einzelnen UV-Strahl fokussiert. Ein phasenverändertes Gitter könnte auch unter Verwendung einer speziellen Phasenmaske (mit Phasenwechsel) gemacht werden.
Ob nun eine getrennte Phasenunregelmäßigkeit durch Modifikation des Gitters oder durch Verwendung eines Spiegels erreicht wird, ist es wichtig festzustellen, daß die Phasenunregelmäßigkeit nicht dazu neigt, als ein Resonanzhohlraum zu wirken (wie in einem F-P- Laser). In der Tat ist die Länge der Phasenunregelmäßigkeit oder die Spiegelgittertrennung vorzugsweise geringer als etwa 1 um (1 · 10&supmin;&sup6; m) (oder etwa die Hälfte einer Wellenlänge in dem Fasermedium).
Obwohl die obenbeschriebenen Ausführungsformen optische Fasern betrafen, wird es natürlich auf der Hand liegen, daß die Techniken gleichfalls auf ebene Wellenleiter und speziell ebene Glaswellenleiter anwendbar sind (bildet nicht einen Teil der Erfindung).

Claims

1. Optischer Faserlaser mit verteilter Rückkopplung mit einer endgepumpten lichtempfindlichen, verstärkenden optischen Faser (20), die mit Erbium und Ytterbium dotiert ist und so arbeiten kann, daß sie eine optische Verstärkung bei einer Laserwellenlänge ergibt, worin ein Permanentbeugungsgitter (10) optisch auf wenigstens einen Teil der verstärkenden optischen Faser gezeichnet ist, um verteilte optische Rückkopplung zur fortwährenden Laserwirkung in dem Bereich bei der Laserwellenlänge zu liefern, wobei das Beugungsgitter wenigstens eine Phasenunregelmäßigkeit (40) umfaßt oder der Laser Einrichtungen zum Erhitzen eines Teils des Gitters während des Betriebs des Lasers umfaßt, um eine Phasenunregelmäßigkeit zu erzeugen.

2. Laser nach Anspruch 1, worin die verstärkende optische Faser von Aluminophosphosilikatglas gebildet wird.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Spiegel (80), der an einem Ende des Beugungsgitters zum Reflektieren wenigstens eines Teils von optischer Strahlung, die sich entlang dem Beugungsgitter ausbreitet, angeordnet ist.

4. Laser nach Anspruch 3, worin die Trennung in Längsrichtung zwischen dem Spiegel und dem Beugungsgitter weniger als etwa 10&supmin;&sup6; m beträgt.

5. Laser nach Anspruch 3 oder 4 mit einer Einrichtung zur Einstellung der Trennung in Längsrichtung zwischen dem Spiegel und dem Beugungsgitter.

6. Verfahren zur Herstellung eines optischen Faserlasers mit verteilter Rückkopplung mit den Stufen, in denen man

optisch ein Permanentbeugungsgitter auf wenigstens einem Teil einer lichtempfindlichen verstärkenden optischen Faser (20), die mit Erbium und Ytterbium dotiert ist und so arbeiten kann, daß sie eine optische Verstärkung bei einer Laserwellenlänge ergibt, herstellt und

wenigstens eine Phasenunregelmäßigkeit mit dem Gitter vorsieht, wobei das Beugungsgitter verteilte optische Rückkopplung für fortwährende Laserwirkung in dem Bereich bei der Laserwellenlänge vorsieht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Gitter als ein Interferenzbild zwischen zwei Beugungsgittern gebildet wird, die während der Herstellung des Lasers auf der verstärkenden optischen Faser überlagert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Stufe des Vorsehens einer Phasenunregelmäßigkeit ein Erhitzen eines Bereiches des Gitters während der Herstellung des Lasers umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit der Stufe einer Beladung der Faser mit Wasserstoff.