DE69800007T2

DE69800007T2 - Vorrichtung mit kaskadiertem Ramanfaserlaser

Info

Publication number: DE69800007T2
Application number: DE69800007T
Authority: DE
Inventors: William Alfred Reed; Andrew John Stentz; Thomas A. Strasser
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: EP0883221A1; JP3357291B2; EP0883221B1; US5815518A; DE69800007D1; JPH1154853A

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft kaskadierte Raman-Faserlaser sowie Vorrichtungen und Systeme (zusammen "Vorrichtungen"), die einen derartigen Laser umfassen.

Allgemeiner Stand der Technik

Kaskadierte Ramanlaser (CRL = cascaded Raman laser) sind bekannt. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5,323,404.
Kurz gesagt beruhen Ramanlaser auf Raman- Streuung, einem nichtlinearen optischen Prozeß, bei dem sich durch ein nichtlineares Medium (hier im allgemeinen ein Lichtwellenleiter, in der Regel ein Lichtwellenleiter auf der Basis von Siliciumdioxid) ausbreitendes Licht an Schwingungsmoden des nichtlinearen Mediums angekoppelt und mit einer anderen (in der Regel längeren) Wellenlänge wieder abgestrahlt wird.
Ein "kaskadierter" Ramanlaser ist hier ein Ramanlaser, der zusätzlich zu einem optischen Resonator für die Ausgangsstrahlung der Wellenlänge λn mindestens einen weiteren optischen Resonator für Strahlung der Wellenlänge λn-1 < λn aufweist, wobei n ≥ 2.
Wenn Quarzglas als das nichtlineare Medium verwendet wird, tritt der maximale Raman-Gewinn bei einer Frequenzverschiebung von 13,2 THz auf, was bei Pumpwellenlängen zwischen etwa 1 und 1,5 um einer Wellenlängenverschiebung von etwa 50-100 nm entspricht.
CRLs können beispielweise als Pumplaser für Raman-Verstärker bei 1310 oder 1550 nm oder als 1480 nm Pumplaser zum Beispiel für abgesetzt gepumpte Er-Faser- Verstärker in faseroptischen Kommunikationssystemen ohne Regeneratoren verwendet werden. Der Einsatz für andere Zwecke oder bei anderen Wellenlängen ist möglich und wird in Betracht gezogen.
CRLs nach dem Stand der Technik können kompakte, zweckmäßige Lichtquellen mit einem relativ hohen Umwandlungswirkungsgrad (beispielsweise etwa 35%) sein. Allerdings können selbst geringe Verbesserungen bei dem Umwandlungswirkungsgrad sich wirtschaftlich beträchtlich auswirken. Beispielsweise kann durch einen Anstieg des Umwandlungswirkungsgrads von nur wenigen Prozent die Zuverlässigkeit der Halbleiterpumplaserdioden wesentlich ansteigen, da die Zuverlässigkeit derartiger Laser in der Regel superlinear von der Ausgangsleistung abhängt. Da bei faseroptischen Kommunikationssystemen die Zuverlässigkeit von beträchtlicher Bedeutung ist, wäre es höchst wünschenswert, verbesserte CRLs zu haben, die einen gesteigerten Umwandlungswirkungsgrad liefern können. Diese Anmeldung offenbart derartige CRLs und Vorrichtungen, die derartige CRLs umfassen.

Glossar und Definitionen

Die Entfernung zwischen zwei in Längsrichtung beabstandeten Merkmalen eines Lichtwellenleiters ist hier die Entfernung entlang der Achse des Lichtwellenleiters.
Der "Intracavity-Abschnitt" eines Raman- Faserlasers ist hier der gitterfreie Mittelabschnitt der Faser zwischen Eingangsabschnitt und Ausgangsabschnitt, und der Eingangsabschnitt und der Ausgangsabschnitt (zusammen "Endabschnitte") enthalten alle Bragg-Fasergitter des Ramanlasers.
Zwei beabstandete Bragg-Fasergitter mit kurzer Periode und gleicher Mittenwellenlänge bilden für Strahlung mit einer Wellenlänge gleich der Mittenwellenlänge einen "optischen Resonator".

Kurze Darstellung der Erfindung

Unter einem breiten Gesichtspunkt ist die Erfindung in einer Vorrichtung verkörpert, die einen CRL mit Merkmalen umfaßt, die im Vergleich zu analogen CRLs nach dem Stand der Technik zu einem wesentlich gesteigerten Umwandlungswirkungsgrad führen können. Insbesondere ist der CRL ausgelegt, Pumpstrahlung mit einer Wellenlänge λp zu empfangen und Ausgangsstrahlung mit einer Wellenlänge λn > λp zu emittieren. Der CRL besteht aus einem Stück Lichtwellenleiter (in der Regel ein Lichtwellenleiter auf der Basis von Siliciumdioxid mit einem Ge-dotierten Kern, der von einem Cladding kontaktierend umgeben ist, das einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist), der einen Intracavity-Abschnitt mit einer Länge L (in der Regel Hunderte von Metern) umfaßt, der zwischen einem Eingangsabschnitt und einem Ausgangsabschnitt (jeweils in der Regel etwa 1 m lang) angeordnet ist. Der Eingangsabschnitt und der Ausgangsabschnitt umfassen jeweils Bragg-Fasergitter mit Mittenwellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ... λn, wobei n ≥ 2 und λ&sub1; < λ&sub2; < ... λn.
Bedeutsamerweise sind im Eingangsabschnitt die Bragg-Fasergitter in einer Reihenfolge entsprechend der Mittenwellenlänge angeordnet, wobei die Mittenwellenlänge mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt zunimmt. Im Ausgangsabschnitt sind die Bragg-Fasergitter mit Mittenwellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ... λn-1 entsprechend der Mittenwellenlänge angeordnet, wobei die Mittenwellenlänge mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt zunimmt, und das Bragg-Fasergitter mit der Mittenwellenlänge λn ist zwischen dem Intracavity-Abschnitt und dem Bragg- Fasergitter mit der Mittenwellenlänge λn-1 angeordnet.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist ein Pumpreflektorgitter von dem Intracavity-Abschnitt weiter entfernt als das λ&sub1;-Gitter der Ausgangsseite (in der Regel weiter als das λn-1-Gitter), die hochreflektierenden Gitter weisen eine Reflexionsbandbreite im Bereich von 0,8-2,0 nm auf, der Ausgangskoppler weist ein Spitzenreflexionsvermögen im Bereich 10-25% auf, die Frequenzverschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Ramanlaserstufen fällt in den Bereich 11,7-14,9 THz, der Intracavity- Lichtwellenleiter weist einen Kern mit einem Delta von 1-1,8% und ein Cladding mit einem Delta -0,05 bis - 0,1% auf und/oder die Länge des Intracavity-Abschnitts liegt im Bereich 300-1200 m.
Die oben angeführten Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ergeben in der Regel jeweils eine schrittweise Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrads in der Größenordnung von etwa 1% und sind fakultativ, und eine beliebige Anzahl von ihnen (einschließlich keine) können verwendet werden. Das Ordnen der Gitter (einschließlich Plazierung des Ausgangskopplers näher an dem Intracavity-Abschnitt als das λn-1-Gitter, in der Regel näher als das λ&sub1;-Gitter) kann beim Umwandlungswirkungsgrad zu Verbesserungen in der Größenordnung von etwa 10% führen und wird als signifikantes Merkmal von CRLs gemäß der vorliegenden Erfindung angesehen. Eine umfassende Verbesserung erfordert in der Regel eine entsprechende Veränderung der Länge des Intracavity-Abschnitts.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Verlustspektrum für eine Reihenfolge von Fasergittern;
Fig. 2 zeigt schematisch einen CRL gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 3 zeigt schematisch einen CRL gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 zeigt das nominelle Δ-Profil eines beispielhaften Wellenleiters für einen CRL gemäß der Erfindung;
Fig. 5 zeigt berechnete Kurven Ausgangsleistung/Intracavity-Abschnittslänge eines beispielhaften CRL gemäß der Erfindung; und
Fig. 6 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung gemäß der Erfindung, nämlich ein abgesetzt gepumptes optisch verstärktes faseroptisches Kommunikationssystem, das einen CRL gemäß der Erfindung umfaßt.

Ausführliche Beschreibung

CRLs gemäß der Erfindung können einen signifikant höheren Umwandlungswirkungsgrad als analoge CRLs nach dem Stand der Technik aufweisen. Ein wichtiger Gesichtspunkt von CRLs gemäß der Erfindung ist die Ordnung der Bragg-Fasergitter (und somit der optischen Resonatoren), wie unten ausführlich beschrieben wird.
US-Patent Nr. 5, 323, 404 offenbart eine Vielzahl von Ordnungsverfahren (siehe beispielsweise Fig. 1 und 2 und den zugehörigen Text) und lehrt (siehe Spalte 5, Zeilen 44-48), daß "... Inline-Brechungsindexgitter bei Wellenlängen außerhalb des Reflexionsbandes im wesentlichen zu 100% transmissiv sein können, was eine flexible Plazierung von Reflektoren ermöglicht. Beispielsweise können die optischen Resonatoren aufeinanderfolgen oder sich bis zu einem gewissen Grad überlappen. Es ist den Autoren der vorliegenden Erfindung allerdings keine Offenbarung oder Nahelegung der spezifischen Ordnung des vorliegenden Anspruches 1 bekannt. Siehe auch Fig. 4 des US-Patents Nr. 5,323,404 und den zugehörigen Text, die einen Raman- Verstärker offenbaren, wobei die Mittenwellenlängen der Bragg-Fasergitter mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt ansteigen. Siehe auch S. G. Grubb, OFC '96, San Jose, Kalifornien, U. S. A., Tutorial Sessions Handbook, Seite 243 (1996), das auf Seite 256 einen CRL mit Gittern mit einer Mittenwellenlänge offenbart, die mit der Entfernung von dem Intracavity- Abschnitt ansteigt, und wobei der Pumpreflektor sich unmittelbar hinter dem Intracavity-Abschnitt befindet und der Ausgangskoppler von dem Intracavity-Abschnitt am weitesten entfernt ist. Siehe auch Seiten 258 und 259.
Die Existenz von zwei Verlustmechanismen, die mit kurzperiodigen Bragg-Gittern verbunden sind, die in eine Einmodenfaser auf der Basis von Siliciumdioxid geschrieben sind, ist bekannt. Siehe beispielsweise V. Mizrahi et al., J. of Lightwave Technology, Band 11, S. 1513 (1993) und P. J. Lemaire et al., Electronics Letters, Band 29, S. 1191 (1993). Ersterer erörtert einen Verlustmechanismus, bei dem bei Wellenlängen, die geringfügig kürzer sind als die Bragg- Resonanzwellenlänge (Mittenwellenlänge) des Gitters, eine Ankopplung an sich rückwärts ausbreitende Claddingmoden stattfindet, und letzterer erörtert einen Breitbandhintergrundverlust, der von der zum "Schreiben" des Gitters verwendeten UV-Strahlung induziert wird.
Fig. 1 ist das Transmissionsspektrum einer Reihenfolge von fünf Gittern (nämlich der Ausgangsmenge von Gittern für einen 1450 nm CRL) und zeigt deutlich die Auswirkungen dieser Verlustmechanismen. Die Zahlen 101-105 bezeichnen die Bragg-Reflexionen der jeweiligen Gitter, und die Zahlen 111-115 bezeichnen die Verlustspitzen aufgrund der Claddingmodus-Ankopplung. Das Ende (zum Beispiel 12) des Claddingmodus-Verlustes von einem gegebenen Bragg-Reflektor erstreckt sich bis zu der Wellenlänge des benachbarten Gitters auf der kurzwelligen Seite.
Um den Umwandlungswirkungsgrad von CRLs zu erhöhen, sollten die Resonatorverluste, einschließlich der auf die oben erörterten Mechanismen zurückzuführenden Verluste, auf ein Minimum reduziert werden. Es hat sich herausgestellt, daß durch entsprechende Ordnung der Bragg-Fasergitter der auf die erörterten Mechanismen zurückzuführende Verlust wesentlich gesenkt werden kann. Eine Ordnung nach dem Stand der Technik, die im Stand der Technik eingesetzt wird, ist in Fig. 2 dargestellt, die schematisch einen beispielhaften CRL 20 zeigt, der ausgelegt ist, Pumpstrahlung (zum Beispiel Strahlung von 1117 nm) zu empfangen und die Pumpstrahlung in Ausgangsstrahlung (zum Beispiel Strahlung von 1480 nm) umzuwandeln. Die Zahl 21 bezeichnet den Intracavity-Abschnitt des Lasers, und die Zahlen 23 und 24 bezeichnen den Eingangsabschnitt bzw. den Ausgangsabschnitt. Auf herkömmliche Weise sind Spleiße durch "x" bezeichnet. Zumindest vom Prinzip her könnte der Laser ohne Spleiße zwischen dem Intracavity-Abschnitt und dem Eingangs- bzw. Ausgangsabschnitt hergestellt werden. Aus Gründen der Einfachheit bei der Herstellung wird allerdings in der Regel bevorzugt, nach dem Schreiben der Gitter in die Endabschnitte die Endabschnitte durch Schmelzspleißen mit dem Intracavity-Abschnitt zu verbinden. Die Faser in den Endabschnitten ist in der Regel die gleiche wie in dem Intracavity-Abschnitt.
Der Eingangsabschnitt umfaßt beispielhaft fünf Bragg-Fasergitter, wobei die Mittenwellenlängen 1175, 1240, 1315, 1395 bzw. 1480 nm betragen. Der Eingangsabschnitt besteht somit aus Gittern von mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt steigender Mittenwellenlänge. Der Ausgangsabschnitt besteht ebenfalls aus fünf Gittern, die den Gittern im Eingangsabschnitt entsprechen, wobei die Mittenwellenlängen (beispielsweise 1175, 1240, 1315, 1395 bzw. 1480 nm) mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt steigen. Jedes Paar von Bragg- Fasergittern (zum Beispiel die beiden Gitter mit einer Mittenwellenlänge von 1175 nm) bildet einen optischen Resonator, wobei die Gitter ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen (zum Beispiel > 95%).
Pumpstrahlung kann sich im wesentlichen ungehindert durch den Eingangsabschnitt in den Intracavity-Abschnitt ausbreiten, wo sie durch Raman- Streuung zum größten Teil in Strahlung von 1175 nm umgewandelt wird, die dann von dem 1175 nm Gitter in dem Ausgangsabschnitt reflektiert wird. Die reflektierte 1175 nm Strahlung wird dann durch Raman- Streuung im wesentlichen zu Strahlung von 1240 nm umgewandelt, die von dem 1240 nm Gitter in dem Eingangsabschnitt reflektiert wird. Dieser Prozeß der Wellenlängenumwandlung durch Raman-Streuung setzt sich so lange fort, bis Strahlung von 1480 nm erzeugt wird. Diese Strahlung steht dann zur Nutzung zur Verfügung.
In Fig. 2 umfaßt der Ausgangsabschnitt auch ein 1117 nm Gitter 22, das als Pumpreflektor dient.
Eine Plazierung des Pumpreflektors unmittelbar hinter dem Intracavity-Abschnitt, wie in Fig. 2 gezeigt, ist zwar möglich, aber nicht optimal, wie unten erörtert wird.
Obige Erörterung der Laserwirkung ist stark vereinfacht, da in einem optischen Resonator in der Regel ein Photon hin- und zurückreflektiert wird, bevor es einer Raman-Streuung unterworfen wird, die zu einem Photon mit längerer Wellenlänge führt, das dann aus dem Resonator aus- und in den nächsten optischen Resonator eintritt.
Ein bevorzugter CRL gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, in der Zahlen 32 und 33 sich auf herkömmliche Anschlußfasern, 34 und 35 auf den Eingangs- bzw. Ausgangsabschnitt, 31 auf den Ausgangskoppler und 36 auf den Pumpreflektor beziehen. Die verschiedenen Gitter unterscheiden sich durch ihre Mittenwellenlängen, wobei λ&sub1; < λ&sub2; < ... λn-1 < λn.
Nach der Darstellung der Ordnung der Bragg- Fasergitter in Fig. 3 wird es nun leichter fallen zu verstehen, weshalb diese Ordnung zu geringerem Verlust führt und deshalb den Umwandlungswirkungsgrad erhöht. Angesichts der experimentellen Tatsache, daß eine Claddingmodus-Ankopplung von einem Gitter auf der kurzwelligen Seite des Gitters zu einem Verlust führt, reduziert die beschriebene Ordnung den Claddingmodus- Gesamtverlust des CRL im wesentlichen auf den Verlust, der auf die λp-Strahlung zurückzuführen ist, die das λ&sub1;-Gitter im Eingangsabschnitt durchläuft. Außerdem führt die Tatsache, daß die längeren Wellenlängen mit einer wesentlichen Anzahl von nichtresonanten Gittern innerhalb des Resonators schwingen, nicht zu einem wesentlichen Verlust, da die längeren Wellenlängen weniger Hintergrundverlust erfahren als die kürzeren. Durch eine entsprechende Ordnung der Gitter werden also sowohl der Hintergrundverlust als auch der Claddingmodus-Verlust wesentlich reduziert.
Es hat sich außerdem herausgestellt, daß der Umwandlungswirkungsgrad eines CRL durch die Plazierung des Ausgangskopplers, des Ausgangsabschnittsgitters des optischen Resonators für die Ausgangsstrahlung, wesentlich beeinflußt werden kann. Der Ausgangskoppler ist in der Regel ein relativ schwaches Gitter (beispielhaft nur etwa 20% Reflexionsvermögen bei der Mittenwellenlänge) und erzeugt deshalb keine nennenswerte Claddingmodus-Ankopplung. Der Umwandlungswirkungsgrad kann folglich verbessert werden, indem der Ausgangskoppler näher zu dem Intracavity-Abschnitt hin bewegt wird als in Fig. 2 gezeigt ist. Bei bevorzugten CRLs gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Ausgangskoppler das dem Intracavity-Abschnitt am nächsten liegende Ausgangsabschnittsgitter, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
In Fig. 3 beziehen sich die Zahlen 32 und 33 auf herkömmliche Anschlußfasern, 34 und 35 auf den Eingangs- bzw. Ausgangsabschnitt, 31 auf den Ausgangskoppler und 36 auf den Pumpreflektor. Die verschiedenen Gitter unterscheiden sich durch ihre Mittenwellenlängen, wobei λ&sub1; < λ&sub2; < ... λn-1 < λn.
Wenn der Ausgangskoppler wie offenbart angeordnet wird, so führt dies bei den resonanten kürzeren Wellenlängen zu keinem nennenswerten Claddingmodus-Verlust, kann aber den von der Ausgangsstrahlung (λn) erfahrenen Verlust wesentlich reduzieren.
Der Pumpreflektor 36 ist in der Regel ein starkes Gitter (Reflexionsvermögen bei λp beispielhaft > 95%), das zu bedeutendem Hintergrundverlust führen kann. Es hat sich herausgestellt, daß der Hintergrundverlust eines CRL reduziert werden kann, wenn der Pumpreflektor ein Ausgangsabschnittsgitter ist, das von dem Intracavity-Abschnitt weiter entfernt angeordnet ist als das λ&sub1;-Gitter, bevorzugt am weitesten entfernt von dem Intracavity-Abschnitt, wie schematisch in Fig. 3 gezeigt, die eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch zeigt. Die Plazierung des Pumpreflektors wie in Fig. 3 gezeigt ist aber eine Sache der Wahl. Wenn beispielsweise das Pumpreflektorgitter relativ schwach gemacht werden könnte, dann könnte der Pumpreflektor näher an dem Intracavity-Abschnitt angeordnet werden, zum Beispiel wie in Fig. 2 gezeigt.
Ein Ordnen der Gitter wie in Fig. 3 gezeigt kann zu einer wesentlichen Zunahme des Umwandlungswirkungsgrads führen. Beispielsweise hatte im Vergleich zu einem CRL nach dem Stand der Technik, der sich nur hinsichtlich der Gitterordnung unterschied, ein CRL gemäß der Erfindung (λp = 1117 nm, λn = 1408 nm) einen um 9% höheren Flankenwirkungsgrad für die Umwandlung von Licht von 1117 nm in Licht von 1480 nm.
Es wurde außerdem festgestellt, daß der Umwandlungswirkungsgrad durch entsprechende Wahl der Gitterbandbreiten gesteigert werden kann. Eine Abnahme der Bandbreiten (Halbwertsbreite) aller hochreflektierender Gitter von herkömmlichen 2,3 auf 1,8 nm beispielsweise führte zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads um 4%. Bevorzugte CRLs gemäß der Erfindung werden deshalb in der Regel hochreflektierende (> 95%, vorzugsweise > 98%) Gitter mit einer Bandbreite im Bereich 0,8-2,0 nm aufweisen. Die relevante Überlegung hinsichtlich der Wahl einer kleinsten spektralen Bandbreite ist der Wunsch nach einem hohen Gitterreflexionsvermögen über eine spektrale Bandbreite hinweg, die eine gute Überlappung zwischen zwei einen Resonator bildenden Gittern gestattet, da ansonsten von dem einen Gitter reflektierte Leistung von dem zweiten Gitter schwach reflektiert wird, wodurch ein bedeutender Resonatorverlustmechanismus hinzukommt. Da die gegenwärtige Gitterherstellungstechnologie auf eine Wellenlängengenauigkeit von -0,1 nm beschränkt ist, muß die Bandbreite bei hohem Reflexionsvermögen > > 0,1 nm (zum Beispiel ~0,3 nm) betragen, um sicherzustellen, daß der Bereich mit hohem Reflexionsvermögen eine gute Überlappung zeigt. Der Fachmann auf dem Gebiet der Fasergitter versteht, daß die Beziehung zwischen der Bandbreite bei hohem Reflexionsvermögen und der Halbwertsbreite durch die Gitterlänge bestimmt wird. Eine kleinste Halbwertsbreite von 0,8 nm hängt teilweise von der Gitterlänge ab. Werden Gitter mit einer Länge von unter 1 cm verwendet, ist die Bandbreite bei hohem Reflexionsvermögen in der Regel auf die Hälfte der Halbwertsbreite beschränkt.
Außerdem hat sich herausgestellt, daß die Wahl der Ausgangskopplerstärke den Umwandlungswirkungsgrad beeinflussen kann. Bei einem CRL wie oben beschrieben, der eine Pumpleistung von ~ 4 W aufwies, wurde beispielsweise mit einem Ausgangskoppler mit etwa 20% Reflexionsvermögen ein optimaler Umwandlungswirkungsgrad erzielt. Die optimale Stärke des Ausgangskopplers wird in der Praxis in der Regel von vielen Faktoren abhängen, und es ist allgemein nicht möglich, den optimalen Wert vorauszusagen. Jedoch läßt sich der optimale Wert leicht experimentell bestimmen, und er liegt in der Regel im Bereich 10- 25%.
Es ist bekannt, daß in Quarzglas die maximale Raman-Verstärkung bei einem Frequenzabstand von 13,2 THz auftritt. Bei Germanosilicatfasern tritt die maximale Verstärkung wegen des Beitrags von GeO&sub2; zu der Raman-Suszeptibilität bei einer geringfügig größeren Verschiebung auf. Bei CRLs wird es häufig der Fall sein, daß die Pumpsollwellenlänge und die Ausgangswellenlänge nicht durch ein Mehrfaches der Frequenzverschiebung bei maximaler Verstärkung voneinander getrennt sind. Es wurde jedoch festgestellt, daß die Verwendung von nicht optimalen Frequenzverschiebungen nicht notwendigerweise zu einer nicht akzeptablen Abnahme des Umwandlungswirkungsgrads führt. Insbesondere bei Frequenzverschiebungen zwischen 11,7 THz und 14,9 THz in einer Ge-dotierten Quarzfaser beträgt der Koeffizient der Raman-Verstärkung mindestens 90% seines Höchstwerts, und die Wahl von Gittern mit entsprechenden Unterschieden bei den Mittenwellenlängen führt bei dem Umwandlungswirkungsgrad zu kaum einer Einbuße, gestattet aber dem Konstrukteur des CRL eine größere Freiheit bei der Wahl der Pumpstrahlung und der Ausgangsstrahlung.
Um die Laserschwellen auf ein Minimum zu reduzieren und die Raman-Suszeptibilität zu erhöhen, ist es in der Regel wünschenswert, eine Germanosilicatfaser mit einem relativ hohen Delta (Δ) und mit relativ kleinem wirksamen Kern zu verwenden. Fasern mit einem kleinen wirksamen Kern zeigen allerdings häufig einen anormalen Verlust, der für die Leistung des CRL abträglich ist. Weiterhin sollte die Faser mit hohem Δ in der Lage sein, an sich selbst (um den Eingangs- und Ausgangsabschnitt an den Intracavity- Abschnitt zu spleißen) sowie an eine Faser mit anderem Aufbau (die Eingangs- und Ausgangsanschlußfasern) gespleißt zu werden. Aus naheliegenden Gründen müssen alle Spleiße einen geringen Verlust aufweisen.
Es hat sich herausgestellt, daß die obigen Anforderungen erfüllt werden können, wenn die Faser mit dem hohen Δ ein fluoriertes Cladding aufweist und die Anschlußfasern Fasern mit angepaßtem Cladding sind. Diese Wahl der Fasern kann das Spleißen an die Anschlußfasern durch differentielle Diffusion erleichtern, ohne daß es zu einem Verlust der Fähigkeit des Spleißens an sich selbst kommt, wenn die Faser mit dem hohen Δ ein Kern-Δ im Bereich von 1,0-1,8% und ein mit Fluor auf ein Δ von -0,5-0,1% dotiertes Cladding aufweist. Die Terminologie (Kern, Cladding, Delta bzw. Δ, angepaßtes Cladding) ist üblich und wird von dem Fachmann auf dem betreffenden Gebiet verstanden. Kern-Δ ist beispielsweise als (nc-nc)/nc definiert, wobei nc der effektive Brechungsindex des Kerns und no der Brechungsindex des Quarzglases ist, und das Cladding-Δ ist als (ncl-nc)/nc definiert, wobei ncl der Brechungsindex des F-dotierten Claddings ist.
Fig. 4 zeigt das (zu dem Brechungsindexprofil in direkter Beziehung stehende) Deltaprofil eines in einem CRL gemäß der Erfindung vorzugsweise als Intracavity-Abschnitt und Ausgangsabschnitt verwendeten Lichtwellenleiters. In Fig. 4 beziehen sich die Zahlen 41-43 jeweils auf den Kern, das innere Cladding und das äußere Cladding, das sich in der Regel bis zu der Außenfläche der Faser erstreckt.
Die Länge des Intracavity-Abschnitts eines CRL ist ein Parameter, wobei die optimale Länge u. a. von dem Verlust in der Faser, von den effektiven Kerngrößen und/oder von der Pumpleistung abhängt. Die CRL- Ausgangsleistung ist in der Regel so von der Faserlänge abhängig, wie dies beispielhaft in Fig. 5 gezeigt ist. Siehe auch W. A. Reed et al., OFC '95 Technical Digest, Seite 107, WD1. Um einen CRL gegenüber kleinen Schwankungen bei Spleiß- und/oder Gitterverlusten relativ unempfindlich zu machen, wird es häufig wünschenswert sein, bei einer gegebenen Pumpleistung einen Intracavity-Abschnitt zu wählen, der geringfügig länger ist als die Länge, bei der die Ausgangsleistung ein Maximum ist. Als Folge der oben offengelegten Änderungen beim Aufbau ist diese Länge allgemein wesentlich geringer als die entsprechende Länge in analogen CRLs nach dem Stand der Technik. Letztere beträgt häufig etwa 1 km, wohingegen erstere in der Regel etwa 500 m beträgt. Diese Reduzierung der Länge kann zu einem erhöhten Umwandlungswirkungsgrad sowie zu reduzierten Kosten beitragen. Der Intracavity-Abschnitt eines CRL gemäß der vorliegenden Erfindung ist aber nicht notwendigerweise kürzer als 1 km. Er liegt in der Regel im Bereich 300-1200 m, vorzugsweise unter etwa 700 m.
Fig. 6 zeigt schematisch eine beispielhafte Vorrichtung gemäß der Erfindung, nämlich ein abgesetzt gepumptes faseroptisches Kommunikationssystem 60, das einen Sender 61 (beispielhaft auf einer Insel 1 angeordnet) und einen Empfänger 67 (beispielhaft auf einer Insel 2 angeordnet) umfaßt. Die Signalstrahlung 62 (zum Beispiel mit einer Wellenlänge 1,55 um) wird in die herkömmliche Übertragungsfaser 63 eingekoppelt und durch diese hindurch zu einer optischen Verstärkerfaser 64 und zu dem Empfänger übertragen. Die Pumpstrahlung 68 für die optische Verstärkerfaser wird von dem CRL 66 gemäß der Erfindung geliefert, durch einen herkömmlichen WDM 65 in die Übertragungsfaser eingekoppelt und durch diese zu der optischen Verstärkerfaser, beispielsweise einer Er-dotierten Faser, übertragen. Der Ramanlaser ist so gewählt, daß er Strahlung mit einer Wellenlänge liefert (zum Beispiel 1,48 um), die sich zum Pumpen der optischen Verstärkerfaser eignet, so daß die Signalstrahlung verstärkt wird.
CRLs gemäß der Erfindung können beispielhaft auch dazu verwendet werden, Pumpstrahlung für einen Raman-Verstärker zu liefern, zum Beispiel einen Verstärker für Signalstrahlung von 1,31 um oder 1,55 um, und faseroptische Kommunikationssysteme mit derartigen Verstärkern und einem CRL gemäß der Erfindung werden in Betracht gezogen. Es ist auch wahrscheinlich, daß CRLs gemäß der vorliegenden Erfindung, mit oder ohne Pumpstrahlungsquelle, ein Handelsartikel werden, und alle derartigen Ausführungsformen der Erfindung werden in Betracht gezogen.

Beispiel 1

Es wurde ein CRL hergestellt, im wesentlichen wie in Fig. 2 gezeigt. Die Mittenwellenlängen der Bragg-Fasergitter betrugen 1116 nm (Pumpreflektor), 1174 nm, 1239 nm, 1311 nm, 1394 nm und 1484 nm, und die Halbwertsbreite der Gitter betrug 2,0 nm, 1,8 nm, 2,0 nm, 1,9 nm, 2,0 nm bzw. 1,8 nm. Das 1484 nm Gitter im Ausgangsabschnitt (Ausgangskoppler) hatte ein Reflexionsvermögen von 25%. Der Intracavity-Abschnitt war 1 km lang, und die Faser war eine Germanosilicatfaser mit einem Kerndelta von 1,16%, einem Kernradius von 2,0 um, einem niedergedrückten Claddingdelta von -0,27%, einem niedergedrückten Cladding-Außenradius von 4,5 um und einem äußeren Cladding aus undotiertem Siliciumdioxid. Das Pumpen des CRL mit 1116 nm Pumpstrahlung von einer herkömmlichen Quelle führte zu einer Laserabgabe bei 1484 nm. Der CRL hatte eine Schwelle von 700 mW und einen Flankenwirkungsgrad von 47% (Eingangsleistung - Schwelle)/(Ausgangsleistung).

Beispiel 2

Es wurde ein CRL hergestellt wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß der Ausgangskoppler (1485 nm Gitter im Ausgangsabschnitt) und der Pumpreflektor (1115 nm Gitter im Ausgangsabschnitt) ausgetauscht wurden und der Ausgangskoppler ein Reflexionsvermögen von 10% hatte. Der CRL hatte eine Schwelle von 688 mW und einen Flankenwirkungsgrad von 52%. Die Gitter waren nicht mit denen von Beispiel 1 identisch, aber die Unterschiede bei der Mittenwellenlänge und der Halbwertsbreite waren unbedeutend.

Beispiel 3

Es wurde ein CRL hergestellt, im wesentlichen wie in Beispiel 2, mit der Ausnahme, daß i) der Pumpreflektor zwischen dem Ausgangskoppler und dem 1175 nm Gitter im Ausgangsabschnitt angeordnet wurde; ii) das Reflexionsvermögen des Ausgangskopplers 23% betrug; iii) die Faser ein Kerndelta von 1,67%, einen Kernradius von 1,7 um, ein niedergedrücktes Claddingdelta von -0,07% und einen niedergedrückten Cladding-Außenradius von 22,5 um aufwies und der Intracavity-Abschnitt 480 m lang war. Der CRL hatte eine Schwelle von 384 mW und einen Flankenwirkungsgrad von 56%. Die Gitter waren nicht mit denen von Beispiel 2 identisch, aber die Unterschiede bei der Mittenwellenlänge und der Halbwertsbreite waren unbedeutend.

Claims

1. Vorrichtung mit einem Raman-Faserlaser (30), der zum Empfang von Pumpstrahlung der Wellenlänge %, und zum Emittieren von Ausgangsstrahlung der Wellenlänge λn > λp ausgelegt ist, wobei der Raman-Faserlaser folgendes umfaßt:

a) ein Stück Lichtwellenleiter mit einem Intracavity-Abschnitt (21) der Länge L, der zwischen einem Eingangsabschnitt (34) und einem Ausgangsabschnitt (35) angeordnet ist, wobei der Eingangsabschnitt und der Ausgangsabschnitt jeweils ein Bragg-Fasergitter mit Mittenwellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ... λn aufweisen, wobei n 2 und λ&sub1; < λ&sub2; < λn;

b) im Eingangsabschnitt sind die Bragg- Fasergitter mit den Mittelwellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, ... λn-1 in einer Reihenfolge entsprechend der Mittenwellenlänge angeordnet, wobei die Mittelwellenlängen mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt zunehmen;

c) im Ausgangsabschnitt sind die Bragg- Fasergitter mit den Mittelwellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;. ... λn-1 in einer Reihenfolge entsprechend der Mittenwellenlänge angeordnet, wobei die Mittelwellenlängen mit der Entfernung von dem Intracavity-Abschnitt zunehmen; und dadurch gekennzeichnet, daß

d) im Ausgangsabschnitt das Bragg-Fasergitter (31) mit der Mittelwellenlänge λn zwischen dem Intracavity-Abschnitt und dem Bragg-Fasergitter mit der Mittelwellenlänge λn-1 angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der in dem Ausgangsabschnitt das Bragg-Fasergitter mit der Mittelwellenlänge λn zwischen dem Intracavity-Abschnitt und dem Bragg-Fasergitter mit der Mittenwellenlänge λ&sub1; angeordnet ist und bei dem das Bragg-Fasergitter mit der Mittelwellenlänge λn im Ausgangsabschnitt ein Spitzenreflexionsvermögen im Bereich von 10-25% aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Ausgangsabschnitt ein Bragg-Fasergitter mit einer Mitten wellenlänge λp umfaßt, das weiter entfernt von dem Intracavity-Abschnitt angeordnet ist als das Bragg- Fasergitter mit der Mittenwellenlänge λn-1.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Mittenwellenlängenabstand zwischen aufeinanderfolgenden Bragg-Fasergittern einer Frequenzverschiebung im Bereich 11,7-14,9 THz entspricht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Intracavity-Abschnitt, der Eingangsabschnitt und der Ausgangsabschnitt alle aus Lichtwellenleiter auf der Basis von Siliciumdioxid mit einem Kerndelta im Bereich von 1,0-1,8% und einem Claddingdelta im Bereich von -0,05 bis -0,1% bestehen, wobei der Kerndelta (nc-no)/no ist und der Claddingdelta (ncl-no)/no ist, wobei nc und ncl der effektive Brechungsindex bzw. der Brechungsindex des niedergedrückten Cladding ist und no der Brechungsindex des Quarzglases ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der

a) das Bragg-Fasergitter mit der Mittenwellenlänge λn ein Spitzenreflexionsvermögen im Bereich 10- 25% aufweist;

b) der Ausgangsabschnitt ein Bragg-Fasergitter mit der Mittenwellenlänge % umfaßt, das weiter entfernt von dem Intracavity-Abschnitt angeordnet ist als das Bragg-Fasergitter mit der Mittenwellenlänge λn-1; und

c) mehrere der Bragg-Fasergitter so gewählt sind, daß sie ein Reflexionsvermögen mit einer Reflexionsbandbreite-Halbwertsbreite im Bereich 0,8-2,0 nm aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vorrichtung ein faseroptisches Kommunikationssystem ist, das einen Sender, einen Empfänger und einen faseroptischen Übertragungsweg umfaßt, der durch Signalübertragung den Sender und den Empfänger verbindet und einen faseroptischen Verstärker umfaßt, wobei das faseroptische Kommunikationssystem weiterhin eine Quelle von Pumpstrahlung der Wellenlänge λn umfaßt, wobei die Pumpstrahlung dem Raman-Faserlaser zugeführt wird und wobei die Ausgangsstrahlung der Wellenlänge λp dem faseroptischen Verstärker zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der faseroptische Verstärker ein Raman-Verstärker ist und λn etwa 1,45 um oder 1,24 um beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der faseroptische Verstärker ein abgesetzt gepumpter Er- dotierter Faserverstärker ist und λn etwa 1,48 um beträgt.