DE60121842T2

DE60121842T2 - Optische Wellenleiterstruktur

Info

Publication number: DE60121842T2
Application number: DE60121842T
Authority: DE
Inventors: Igal M. Eatontown Brener; Gadi Fanwood Lenz; Joseph Murray Hill Shmulovich
Original assignee: Agere Systems Optoelectronics Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: JP4812175B2; EP1126566A2; EP1126566B1; JP2001267664A; EP1126566A3; US6411757B1; DE60121842D1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiterstruktur zur Verwendung mit einem Pumplaser, der dafür ausgelegt ist, einer Pumpverarmung (pump depletion) entgegen zu wirken. Die Wellenleiterstruktur kann einen erbiumdotierten Wellenleiterverstärker, eine nichtlineare Wellenleiterwellenlängenwandlereinrichtung oder eine optische Faser umfassen und eignet sich insbesondere in Kommunikationssystemen und Wellenlängenumwandlungsanwendungen.
Allgemeiner Stand der Technik
Optische Kommunikationssysteme eignen sich für das Übertragen optischer Signale mit hohen Geschwindigkeiten über lange Strecken. Ein optisches Signal, das eine Reihe von Lichtimpulsen umfaßt, wird von einer Lichtquelle, z.B. einem Laser, zu einem Wellenleiter und schließlich zu einem Detektor übertragen. Optische Kommunikationssysteme enthalten in der Regel eine Vielfalt von Einrichtungen (z.B. Lichtquellen, Fotodetektoren, Schalter, optische Fasern, Verstärker, Filter usw.). Verstärker und Filter können dazu verwendet werden, daß sich die Lichtimpulse entlang der Länge des Wellenleiters von der Lichtquelle zum Detektor ausbreiten. In jüngster Zeit ist die Nachfrage nach der effizienten Herstellung in großem Maßstab von hybriden integrierten optoelektronischen Einrichtungen angestiegen. Es gibt besonders Interesse an der Integrierung vieler Komponenten auf einem einzelnen Chip und der Hybridisierung von verschiedenen Komponenten zu einem einzelnen Baustein.
Wellenleiterstrukturen und optische Fasern übertragen Lichtsignale unter Verwendung der inneren Reflexion. Im Grunde umfaßt eine optische Wellenleiterstruktur ein inneres oder Kerngebiet, das aus einem Material mit einem bestimmten Brechungsindex hergestellt ist, und ein mit dem Kern zusammenhängendes äußeres Gebiet, das aus einem Material mit einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern besteht. Solange der Brechungsindex des Kerns den des äußeren Gebiets übersteigt, wird ein sich entlang des Kerns ausbreitender Lichtstrahl entlang der Länge des Wellenleiters geführt. Planare Wellenleiter sind flache Strukturen, die Licht im wesentlichen auf die gleiche Weise wie optische Fasern leiten. Im wesentlichen umfaßt eine planare Wellenleiterstruktur einen Streifen aus Material, der in ein Substrat eingebettet ist, wobei der Wellenleiterstreifen einen relativ hohen Brechungsindex relativ zum Substrat aufweist. Somit wird das Licht entlang dem einen hohen Index aufweisenden Wellenleiterstreifen geführt, obwohl der Streifen möglicherweise nicht ganz von einem Material mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, da der Wellenleiterstreifen möglicherweise einer Deckschicht aus Luft ausgesetzt ist. Ein oder mehrere verstärkende Systeme können entlang des Wellenleiterübertragungswegs angeordnet sein, um das übertragene Signal zu verstärken.
EP-A-0454865 und JP 03005733 beschreiben jeweils Wellenleiterstrukturen, die ein seltenerddotiertes Wellenleitergebiet und ein zweites undotiertes Gebiet mit einem niedrigeren Brechungsindex zum Leiten von Übertragungslicht und Pumplicht aufweisen. Die effektive Fläche des Wellenleitergebiets an einer ersten Pumpstelle ist größer als an einer zweiten Pumpstelle, um die Verringerung bei der Pumpleistungsdichte entlang des Wellenleiters zu reduzieren.
Eine dem Betrieb von optoelektronischen Einrichtungen inhärente Ineffizienz betrifft die Verarmung von Pumplicht, das in Einrichtungen wie etwa Wellenleiterverstärkern und anderen optisch gepumpten Wellenleitern wie etwa parametrischen Wellenlängenwandlern verwendet wird. Ein Wellenleiter, der als ein Verstärker oder eine nichtlineare Wellenleiterumwandlungseinrichtung arbeitet, erfordert das Vorliegen eines Pumplasers. Der Pumplaser ermöglicht den Prozeß des Verstärkens oder Umwandelns der optischen Signale. Beispielsweise zeigt 1 schematisch einen eine optische Faser 11 verwendenden Verstärker. Ein von links eintretendes schwaches optisches Signal I_S läuft durch einen optischen Isolator 12 und durch einen Filter 13 hindurch, der Pumplicht blockiert und die Signalwellenlänge durchläßt. Das Licht tritt in eine dotierte Faser 11 ein, in der Regel eine seltenerddotierte Faser. Der Verstärker wird dann mit Licht vom Pumplaser 15 beleuchtet, der ein Pumpsignal P_S in die Faser einleitet, um die Dotierstoffatome anzuregen und sie auf ein höheres Energieniveau anzuheben und das schwache Eingangssignal I_S auf ein verstärktes Signal A_S zu verstärken, das durch den Wellenleiter übertragen wird. Ein Koppler 16 am Ende des Verstärkers lenkt das verstärkte Signal zur Ausgangsfaser, wobei es vom Pumplicht getrennt wird, um das Ausgangssignal O_S zu erzeugen. Bemerkenswerterweise, obwohl in 1 der Pumplaser 15 am distalen Ende des Wellenleiterverstärkers neben dem Ausgang gezeigt ist, kann Licht in den Verstärker neben dem Eingang der Richtung des verstärkten Signals A_S folgend gepumpt werden.
Jedenfalls wird, nachdem das Pumplicht in den Wellenleiter eingekoppelt ist, das Pumplaserfeld als Funktion der Ausbreitungsentfernung auf lineare oder nichtlineare Weise absorbiert. Diese Absorption erzeugt eine Pumpverarmung als Funktion der Ausbreitungsentfernung. Die Verarmung impliziert wiederum eine geringere Effizienz für den Verstärkungs- oder Umwandlungsprozeß aufgrund einer Reduzierung bei der Pumpleistungsdichte in dem Wellenleiter bei Entfernungen von dem Pumplaser.
Wie zu verstehen ist, versuchen die auf dem Gebiet von Kommunikationssystemen und elektrooptischen Einrichtungen Tätigen neue Designs zu entwickeln, um die Einrichtungseffizienz und -leistung zu verbessern. Insbesondere wäre es vorteilhaft, eine Wellenleiterstruktur zu haben, die zu einer fast konstanten oder weniger einer Reduzierung bei der Pumpleistungsdichte entlang des Wellenleiters führt. Diese und weitere Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt, die bei Betrachtung der unten angegebenen Beschreibung möglicherweise umfassender erscheint.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Erfindung wird in Anspruch 1 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Zusammenfassend beschrieben umfaßt die Erfindung einen Gegenstand mit einer Wellenleiterstruktur zur Verwendung mit einer Pumplichtquelle, z.B. einem Pumplaser, die Pumpleistungsdichte erhält. Die Wellenleiterstruktur umfaßt ein Wellenleitergebiet mit einem ersten Brechungsindex und ein zweites Gebiet mit einem zweiten Brechungsindex, mit dem Wellenleitergebiet zusammenhängend, wobei der zweite Brechungsindex niedriger ist als der erste Brechungsindex, so daß in die Wellenleiterstruktur eingekoppeltes Licht innerhalb des Wellenleitergebiets geführt wird. Außerdem weist das Wellenleitergebiet eine Pumpausbreitungslänge auf, die definiert ist als eine ausgewählte Entfernung zwischen einer ersten Pumpstelle und einer zweiten Pumpstelle und über die Pumplicht innerhalb des Wellenleitergebiets zur Signalverstärkung oder -umwandlung übertragen wird. Die effektive Fläche des Wellenleitergebiets ist an der ersten Pumpstelle wesentlich größer als an der zweiten Pumpstelle, und somit ist das Wellenleitergebiet über die Pumpausbreitungslänge verjüngt, wodurch die Verarmung der Pumpleistungsdichte reduziert wird. Die erste Pumpstelle liegt entlang der Länge des Wellenleitergebiets in einer vorbestimmten Entfernung von der Übertragungseingabestelle. Die Wellenleiterstruktur kann einen planaren oder eine optische Faser umfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird unten ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei Betrachtung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Wellenleiterverstärker- und Pumplaseranordnung nach dem Stand der Technik;
2 eine schematische Perspektivansicht einer Wellenleiterstruktur;
3 eine schematische Ansicht einer Wellenleiterstruktur zusammen mit Pump- und Signalquellen;
4A und 4B schematische Draufsichten auf alternative Ausführungsformen der Wellenleiterstruktur, die einen erbiumdotierten Wellenleiterverstärker umfaßt;
5A ein Pumpdichteprofil als Funktion der Ausbreitungsentfernung für einen nichtverjüngten geraden 5 μm breiten Er-dotierten Wellenleiter mit einer Länge von 1 cm und
5B ein Pumpdichteprofil als Funktion der Ausbreitungsentfernung für den gleichen Wellenleiter wie in 5A, wo aber eine Verjüngung eingeführt worden ist, so daß die Breite des Wellenleiters linear von 5 μm auf 2,5 μm abnimmt.
Es versteht sich, daß diese Zeichnungen dem Zweck dienen, die Konzepte der Erfindung darzustellen, und nicht maßstabsgetreu sind.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Mit dieser Erfindung wird eine Wellenleiterstruktur bereitgestellt, die der Reduzierung bei der Pumpleistungsdichte entgegenwirkt. Die Wellenleiterstruktur ist ausgelegt für den Einsatz in einem System, das folgendes umfaßt: eine Pumpquelle und eine Signalquelle für das gleichzeitige Einkoppeln von optischen Pump- bzw. Übertragungsfeldern in die Wellenleiterstruktur; einen Koppler zum Kombinieren der optischen Pump- und Übertragungsfelder und einen oder mehrere Filter, Verstärker, Empfänger, Spektralanalysatoren oder andere optische Komponenten. Der Ausdruck „optisches Übertragungsfeld" wird hier verwendet, um das in der Wellenleiterstruktur übertragene Licht von der zur Verstärkung oder Umwandlung verwendeten Pumpe (Laserfeld) zu unterscheiden. Die Wellenleiterstruktur weist ein Wellenleitergebiet auf, entlang dem die optischen Pump- und Übertragungsfelder geführt werden. Außerdem weist das Wellenleitergebiet eine Pumpausbreitungslänge auf, die definiert ist als eine ausgewählte Entfernung zwischen einer ersten Pumpstelle und einer zweiten Pumpstelle, über die Pumplicht innerhalb des Wellenleitergebiets zur Signalverstärkung oder -umwandlung übertragen wird. Die effektive Fläche, z.B. Breite, des Wellenleitergebiets ist an der ersten Pumpstelle wesentlich größer als an der zweiten Pumpstelle, und somit ist das Wellenleitergebiet über die Pumpausbreitungslänge verjüngt, wodurch der Verarmung des Pumplichts entgegengewirkt wird.
Die erste und zweite Pumpstelle können an verschiedenen Punkten entlang der Länge des Wellenleiters angeordnet werden, während weiterhin die erfindungsgemäßen Konzepte ausgeführt werden. Beispielsweise befindet sich die erste Pumpstelle distal von der Übertragungseingabestelle, wobei die zweite Pumpstelle näher an der Übertragungseingabestelle als die erste Pumpstelle liegt. Wie zu verstehen ist, werden viele alternative Ausführungsformen in Betracht gezogen, wobei die wichtige Überlegung darin besteht, daß die effektive Fläche des Wellenleitergebiets über eine Länge des Wellenleiters, für den Pumpfilter zur Verstärkung oder Umwandlung ausgebreitet werden, reduziert wird, d.h. eine Verjüngung eingeführt wird. Aufgrund dieser Verjüngung wird die Verringerung bei der Pumpleistungsdichte im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik reduziert und bevorzugt über die Pumpausbreitungslänge im wesentlichen konstant gehalten, wodurch einer Pumpverarmung aufgrund von Absorption und Verlusten entgegengewirkt wird.
Insbesondere unter Bezugnahme auf die Figuren veranschaulicht 2 schematisch eine Wellenleiterstruktur 20, die ein Wellenleitergebiet 21 und ein zusammenhängendes oder zweites Gebiet 22 umfaßt. Die Wellenleiterstruktur umfaßt einen planaren Wellenleiter, der so auf einem Substrat 10 abgeschieden ist, daß das Wellenleitergebiet 21 nicht vollständig von dem zweiten Gebiet 22 umgeben ist, sondern auch an der Oberseite der Struktur zur Luft freiliegt. Luft weist einen niedrigeren Brechungsindex (n_i ~ 1,0) als das Wellenleitergebiet (in der Regel ~ 1,46) auf. Die Wellenleiterstruktur weist eine Pumpausbreitungslänge (L_PP) definiert als eine ausgewählte Entfernung zwischen einer ersten Pumpstelle 24 und einer zweiten Pumpstelle 26 auf, über die Pumplicht innerhalb des Wellenleitergebiets zur Verstärkung oder Umwandlung übertragen wird. Wie man erkennen kann ist die effektive Fläche, z.B. Breite, des Wellenleitergebiets an der ersten Pumpstelle 24 wesentlich größer als an der zweiten Pumpstelle 26, und folglich ist das Wellenleitergebiet über die Pumpausbreitungslänge verjüngt. Bei Betrieb wird das Pumplicht von der Pumpquelle an der ersten Pumpstelle in das Wellenleitergebiet eingekoppelt, da sich diese Stelle am Rand der Wellenleiterstruktur befindet. Das optische Übertragungsfeld kann in die Wellenleiterstruktur entweder an der ersten oder zweiten Pumpstelle 24, 26 eingekoppelt werden. Bemerkenswerterweise zeigt 2 zwar einen planaren Wellenleiter, doch können diese gleichen Konzepte auf eine als Wellenleiter verwendete optische Faser angewendet werden, z.B. wie in 1 dargestellt, wo der Kern der Faser das Wellenleitergebiet 21 umfaßt und ein Mantel den Kern umgibt, um das zusammenhängende zweite Gebiet 22 zu definieren.
Optimalerweise wird die Pumpleistung über eine gegebene Länge des Wellenleitergebiets konstant gehalten, d.h., es gibt kein Abklingen der Pumphelligkeit. Ausgedrückt werden kann dies als D_P = p (z)/A_eff, wobei D_P die Pumpdichte, p(z) die Pumpleistung in einer gegebenen Entfernung (z) entlang des Wellenleiters, z eine gegebene Entfernung, bei der das Pumplicht innerhalb des Wellenleitergebiets zurückgelegt hat, und A_eff ist die effektive Fläche der Mode. D_P wird bevorzugt konstant gehalten, doch die Pumpleistung ist eine Funktion der Ausbreitungsentfernung und nimmt mit zunehmendem z ab. Um für die Pumpleistung einen konstanten Wert zu erreichen, sollte der Wert von A_eff deshalb mit der Pumpleistung p(z) abnehmen und bevorzugt so klein wie möglich sein. Dies bedeutet, daß eine extreme Verjüngung im Wellenleitergebiet entlang der Entfernung „z" erforderlich wäre, um eine konstante Pumpdichte zu erreichen. Mit anderen Worten würde eine steile Steigung für die Verjüngung über eine kurze Entfernung z entlang der Länge des Wellenleitergebiets erforderlich sein. In solchen Fällen kann jedoch Licht aus dem Wellenleiter austreten, wodurch die Pump- oder optischen Übertragungsfelder verarmt werden und der Wellenleiter schließlich das Führen von Licht beenden könnte.
Somit sollten die Vorteile, einen konstanten Wert für die Pumpleistungsdichte zu erzielen, bevorzugt gegenüber Bedenken hinsichtlich der Leckage abgewogen werden. Vorteilhafterweise wird eine adiabatische Verjüngung verwendet, d.h. eine, die ausreichend graduell ist, daß die Mode über den Wellenleiterbereich beibehalten wird und Streuverluste vernachlässigbar sind. Eine adiabatische Verjüngung kann erzielt werden, wenn der Wellenleiterbereich um einige wenige Mikrometer für eine Wellenleiterlänge von etwa 1 cm oder besonders bevorzugt für eine Länge von einigen wenigen Mikrometern oder weniger verjüngt ist. Beispielsweise kann ein Wellenleiter mit einer Breite an der ersten Pumpstelle von etwa 10-30 μm auf eine Breite reduziert werden, die so klein wie möglich ist, während immer noch die Übertragung von Licht gestattet wird, z.B. herab bis ~1-3 μm. Als weiteres Beispiel kann die Breite des Wellenleiters an der ersten Pumpstelle innerhalb eines Bereichs von 2-15 μm liegen und dann bis herunter auf eine kleinere Breite im Bereich von etwa 1-3 μm eingeschnürt werden. Der Fachmann versteht, daß der bevorzugte Verjüngungsgrad zum Erreichen der größten Reduzierung bei der Pumpleistungsverarmung mit kleinsten Verlusten von den verwendeten Materialien, der Konzentration und der Art von Dotierstoffen, der Länge des Wellenleiterbereichs und der Pumpausbreitungslänge, der Breite des Wellenleiterbereichs an der ersten und zweiten Pumpstelle, der Pumpleistung und anderen Faktoren abhängen würde.
3 veranschaulicht ein Schemadiagramm eines Differenzfrequenzerzeugungs-(DFG – Difference Frequency Generation)-Wellenlängenwandlersystems, bei dem die Wellenleiterstruktur verwendet werden kann. Solche Systeme werden in einem Artikel von I. Brener, einem Erfinder hierbei, und anderen mit dem Titel „1.5 μm-Band Wavelength Conversion Based on Cascaded Second Order Nonlinearity in LiNbO₃ Waveguides", IEEE PHOTONICS TECH. LETTERS, Band 11, Nr.6 (Juni 1999), beschrieben. Bei diesem System ist ein Pumplaser 30 ein Laser mit externem Resonator zum Emittieren von von einen erbiumdotierten Faserverstärker 32 z.B. auf einen Pegel von 300 mW verstärkten, durch ein Bandpaßfilter 34 gefilterten und in den Übertragungsweg 31 eingekoppelten Signalen. Das Pumplicht wird somit mit optischen Übertragungsfeldern kombiniert, die von vier verschiedenen Lasern 35a, 35b, 35c, 35d mit externem Resonator erzeugt werden, und die Pump- und Übertragungsfelder werden in die Wellenleiterstruktur 20 eingekoppelt. Die Ausgabe von der Wellenleiterstruktur kann fasergekoppelt und in einem optischen Spektralanalysator 36 und Leistungsmeßgerät 38 analysiert werden. Mit dieser Struktur kann eine simultane mehrkanalige Wellenlängenumwandlung mit in den Wellenleiter eingekoppelter Pumpleistung durchgeführt werden. Bei Fehlen der Wellenleiterstruktur würde jedoch die Effizienz des Umwandlungsprozesses durch Pumpverarmung begrenzt werden. Wenngleich die Umwandlungseffizienz mit höheren Pumpleistungen und anderen Arbeitsbedingungen (z.B. Verwendung höherer Temperaturen oder eine andere Auswahl von Dotierstoffen oder quasi-phasenanpassender Gitterperioden) verbessert werden könnte, erlegt die Pumpverarmung der Prozeßeffizienz inhärente Beschränkungen auf. Die Verwendung des verjüngten Wellenleiters verbessert die Effizienz, die wiederum die Flexibilität der Systemkonfiguration steigert, z.B. können die gleiche oder größere Effizienzen erreicht werden, während geringere Pumpleistungen verwendet werden, und/oder mit weniger Einschränkungen für das Systemdesign.
Die 4A und 4B veranschaulichen alternative Ausführungsformen der Wellenleiterstruktur, d.h., sie spiegeln Drauf sichten auf planare Wellenleiterstrukturen wider, die einen inneren Wellenleiterbereich 21 und einen zusammenhängenden oder zweiten Bereich 22 umfassen. Bei diesen Ausführungsformen ist eine optionale anfängliche Auswärtsverjüngung T_i am Eingang des Wellenleiters enthalten, d.h., wo die optischen Pump- und Übertragungsfelder in den Wellenleiter eingeführt werden. Diese anfängliche Auswärtsverjüngung T_i ist für Verstärkeranwendungen vorteilhaft. In 4A ist bei Verwendung der anfänglichen Auswärtsverjüngung die erste Pumpstelle nicht am Wellenleiterrand oder am Eingang 25 gezeigt, sondern an einem Punkt 24' einwärts von dem Wellenleiterrand am Ende der anfänglichen Auswärtsverjüngung. Selbst wenn das Pumplicht mit dem Übertragungsweg an dem Wellenleiterrand 25 kombiniert wird, ist die Verwendung der Verjüngung, die an einer ersten Pumpstelle 24' einwärts von dem Rand beginnt, hilfreich beim wesentlichen Reduzieren der Verarmung von Pumplicht, da die Verarmung beim Pumplicht möglicherweise erst dann signifikant oder ein Problem wird, wenn das Pumplicht eine bestimmte Entfernung innerhalb des Wellenleiters zurückgelegt hat. Folglich kann eine Konfiguration wie in 4B dargestellt auch vorteilhaft sein beim Reduzieren von Pumpverarmung, d.h. in 4B ist der Wellenleiterdurchmesser anfänglich nach außen zur Verstärkung über den anfänglichen verjüngten Bereich T_i verjüngt, der Wellenleiterdurchmesser wird dann über eine gewisse Wellenleiterzwischenentfernung I_c im wesentlichen konstant gehalten und dann ist der Wellenleiterdurchmesser einwärts über eine Sektion des hier als die Pumpausbreitungslänge definierten Wellenleiters zwischen der ersten Pumpstelle 24' und der zweiten Pumpstelle 26' verjüngt.
Die Verjüngung kann je nach der Anwendung und dem optischen Prozeß optimiert werden. Beispielsweise können bei Anwendung der Ausführungsformen der 4A-4B bei Betrieb sowohl optische Pump- als auch Übertragungsfelder zusammen in einen Einmodenbereich des Wellenleiters eingekoppelt werden. Dann kann dieser Bereich auf den Zwischenbereich (oder breiten Verstärkungsbereich) verjüngt sein, wo eine andere Konzentration an Erbium-Dotierstoffen eingeführt wird. Der breite Verstärkungsbereich kann einen Einmoden- oder einen Mehrmodenwellenleiter umfassen. Wenn ein Mehrmodenwellenleiter eingeführt wird, umfaßt die Verjüngung an beiden Enden der Faser vorteilhafterweise eine adiabatische Verjüngung, d.h. unter „adiabatisch" wird verstanden, daß der Grad der Verjüngung ausreichend graduell ist, daß Streuverluste vernachlässigbar sind und die niedrigste Mode des Wellenleiters konstant zur Übertragung verwendet wird. Der weite Bereich ist wichtig in einer Verstärkeranwendung, so daß ausreichend Er-Atome vorliegen, damit man eine optische Verstärkung erhält. Wegen des adiabatischen Übergangs regen sowohl Pumpals auch Signalstrahlen die niedrigste Mode des weiten Verstärkungsbereichs des Wellenleiters an. Während sich die Pumpstrahlen entlang des Wellenleiters ausbreiten, wird ihre Leistung aufgrund von durch die Er-Atome verursachte Absorption reduziert. Die Absorption würde üblicherweise zu einem exponentiellen Abklingen der Pumpleistung als Funktion der Wellenleiterlänge führen. Die am Ende des weiten Verstärkungsbereichs eingeführte Verjüngung, z.B. an der ersten Pumpstelle 24', wirkt dem exponentiellen Abklingen entgegen. Wieder weist die Verjüngung im Fall des Mehrmodenwellenleiters vorteilhafterweise einen adiabatischen Übergang auf, d.h., die Verjüngung kann als eine exponentielle Verjüngung ausgelegt sein, die in Richtung des Endes schmal ist, wie in 4B, so daß die Pumpleistungsdichte durch die Länge des Mehrmodengebiets im wesentlichen konstant gehalten wird. Die Verjüngung kann in zwei oder drei Dimensionen vorliegen.
5A spiegelt ein Pumpdichtenprofil als Funktion der Ausbreitungsentfernung für einen nichtverjüngten geraden 5 μm breiten Er-dotierten Wellenleiter mit einer Länge von 1 cm wider; und 5B spiegelt das Pumpdichtenprofil für den gleichen Wellenleiter wider, wo eine Verjüngung eingeführt ist. In jedem Fall betrug die Wellenlänge 980 nm, der Kernbrechungsindex beträgt 1,6 und der zweite Brechungsindex beträgt 1,45. Bemerkenswerterweise zeigt in 5A das Pumpdichtenprofil, wie die Absorption im Wellenleiter das Feld des sich ausbreitenden Lichts verarmt. Wenn dieses Licht verwendet wird, um Erbiumatome zur Verstärkung zu pumpen, führt es zu einer geringeren Verstärkung in Richtung des Endes des Wellenleiters. Im Vergleich ist in 5B eine Verjüngung eingeführt worden, in der die Breite des Wellenleiters linear von 5 μm auf 2,5 μm verringert ist. Wie man sehen kann wurde das Pumphelligkeitsabklingen im Vergleich zu 5A wesentlich reduziert. Das Profil von 5B spiegelt einen Verlust von etwa 3,5 dB/cm oder einen Verlust von weniger als 25% der ursprünglichen Pumpleistung wider. Wie man sehen kann spiegelt das Profil von 5A einen Verlust von mehr als 50% der Pumpleistung wider. Jeder Grad an Verbesserung bei dem Helligkeitsabklingen ist vorteilhaft.
Es versteht sich, daß die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und daß ein Fachmann Variationen und Modifikationen vornehmen kann, ohne von der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist die Erfindung zwar oben unter Bezugnahme auf einen Faserverstärker beschrieben, doch können die gleichen Konzepte auf einen Wellenleiterwandler oder einen planaren Wellenleiter angewendet werden. Ein planarer optischer Wellenleiterverstärker kann verwendet werden. Der Wellenleiter kann mit Glas wie etwa Natrium-Calcium-Silikaten oder Kalk-Soda-Gläsern hergestellt werden. Er³⁺-Konzentrationen von bis zu 2 Mol% können in diese Gläser mit annehmbaren Lebensdauern eingearbeitet werden. Der Überfluß an nichtüberbrückendem Sauerstoff in Kalk-Soda-Glas gestattet höhere Konzentrationen an Er-Dotierung ohne Clusterung. Alle solchen Variationen und Modifikationen sollen innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Gegenstand mit einer Wellenleiterstruktur zur Verwendung mit einer ersten Quelle zum Einleiten optischer Übertragungsfelder in die Wellenleiterstruktur an der Übertragungseingabestelle und einer zweiten Quelle zum Emittieren von Pumplicht zur Verstärkung oder Umwandlung, wobei die Wellenleiterstruktur folgendes umfaßt: ein Wellenleitergebiet mit einem ersten Brechungsindex; ein zweites Gebiet mit einem zweiten Brechungsindex, mit dem Wellenleitergebiet zusammenhängend, wobei der zweite Brechungsindex niedriger ist als der erste Brechungsindex, wodurch ein von der ersten Quelle in die Wellenleiterstruktur eingekoppeltes optisches Übertragungsfeld innerhalb des Wellenleitergebiets geführt wird und in die Wellenleiterstruktur eingekoppeltes Pumplicht das optische Übertragungsfeld verstärkt oder umwandelt; wobei das Wellenleitergebiet eine erste Pumpstelle und eine zweite Pumpstelle aufweist, zwischen denen Pumplicht innerhalb des Wellenleitergebiets zur Verstärkung oder Umwandlung übertragen wird, um eine Pumpausbreitungslänge Lpp zu definieren, und die effektive Fläche des Wellenleitergebiets an der ersten Pumpstelle größer ist als an der zweiten Pumpstelle, um die Verringerung bei der Pumpleistungsdichte entlang des Wellenleiters zu reduzieren; dadurch gekennzeichnet, daß: die erste Pumpstelle entlang der Länge des Wellenleitergebiets in einer bestimmten Entfernung von der Übertragungseingabestelle liegt.
Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Wellenleitergebiet über der Pumpausbreitungslänge adiabatisch verjüngt ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem das Wellenleitergebiet an der Übertragungseingabestelle eine erste Breite und an einer Position entlang des Wellenleitergebiets eine zweite Breite aufweist, wobei die zweite Breite größer ist als die erste Breite, um ein verjüngtes Anfangsgebiet zu definieren.
Gegenstand nach Anspruch 3, wobei die erste Pumpstelle an einem Ende des verjüngten Anfangsgebiets distal von der Übertragungseingabestelle positioniert ist.
Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterstruktur einen planaren Wellenleiter umfaßt.
Gegenstand nach Anspruch 1, bei dem die Wellenleiterstruktur eine optische Faser umfaßt.
Gegenstand nach Anspruch 1 mit einem wellenleiterverstärker.
Gegenstand nach Anspruch 1 mit einer Wellenlängenwellenleiterumwandlungseinrichtung.