DE60310689T2

DE60310689T2 - Methoden und anordnungen eines gepumpten faserverstärkers

Info

Publication number: DE60310689T2
Application number: DE60310689T
Authority: DE
Inventors: Stevens Anderson GOMES; Michael Lee Sundheimer; Mariana Torres Carvalho; Joaquim Ferreira Martins Filho; Carmelo Jose Albanez Bastos Filho; Walter Margulis
Original assignee: Ericsson Telecomunicacoes Ltda
Current assignee: Ericsson Telecomunicacoes Ltda
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2023-03-12
Also published as: ATE349789T1; CA2478360A1; AU2003212127A1; EP1483811B1; CN1653657A; DE60310689D1; EP1483811A1; BR0308356A; HK1071966A1; US7113328B2; JP2005520327A; WO2003077384A1; US20030231380A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet optischer Kommunikation und insbesondere einen optischen thuliumdotierten Faserverstärker unter Verwendung eines Pumpschemas mit dualer Wellenlänge zum Verstärken eines optischen Signals.
Hintergrund der Erfindung
Die weit verbreitete und größer werdende Verwendung von Faseroptik für Kommunikationszwecke hat einer Einrichtung zum Erhöhen der Kommunikationskapazität der Fasern beachtliche Aufmerksamkeit gebracht. Die Verwendung von Wellenlängenmultiplex-(WDM-)Signalen ist eine effektive Art zum derartigen Erhöhen einer Übertragungskapazität, dass eine Vielzahl von getrennten Wellenlängenbändern, wobei jedes Band Signale übertragen kann, gleichzeitig in einer Faser verwendet wird.
Optische Verstärker werden zum Kompensieren der Faserverbindungs- und -teilungsverluste bzw. -trennversluste innerhalb optischer Kommunikationssysteme verwendet. Die WDM-Technik erfordert eine Verstärkung in einem breiten Wellenlängenspektrum, was typischerweise dadurch realisiert wird, dass man eine Vielzahl von optischen Verstärkern, die jeweils in einem Teil des Wellenlängenspektrums betrieben werden können, parallel arbeiten lässt. Verschiedene mit seltenerdendotierte optische Verstärker in der Form von Verstärkungsfasern, die für WDM geeignet sind, sind im Stand der Technik bekannt. Der optische Faserverstärker besteht typischerweise aus einem optischen Material, wie beispielsweise Glas kombiniert mit einem Seltenerdendotierungsmittel, und ist als optischer Wellenleiter konfiguriert. Heutzutage sind seltenerdendotierte Silica- bzw. Siliziumoxidfasern populär, und zwar teilweise deshalb, weil sie die Vorteile einer Einzelmode führenden Wellenoptik bieten. Es kann veranlasst werden, dass optische Faserverstärker über einen weiten Bereich von Wellenlängen arbeiten, der durch die atomaren Eigenschaften des Wirtstoffs und des Seltenerdendotierungsmittels vorgeschrieben ist. Bei ihrer Grundoperation wird Pumplicht von einer Pumpquelle zum Anregen der Dotierungsmittelatome in der Verstärkungsfaser von einem Grundzustand zu einem metastabilen Zustand verwendet. Die angeregten Atome werden durch ein einfallendes Signal einer charakteristischen Wellenlänge stimuliert, um Energie in Form von Licht derselben Länge auszusenden, wobei die Emission in einer Verstärkung des Signals resultiert. Der Prozess ist als stimulierte Emission bekannt. Nach der stimulierten Emission ist das Atom in einem Endzustand. Die Verstärkung sollte hoch sein, und die Effizienz auch. Die Verstärkung des Verstärkers, die als die Leistung der Signalausgabe geteilt durch die Leistung der Signaleingabe definiert ist, sollte so hoch wie möglich sein. Ebenso sollte die Effizienz des Verstärkers, gemessen als die für eine bestimmte Pumpleistung erreichte Verstärkung, so hoch wie möglich sein. Zusätzlich sollte die Verstärkung über den Frequenzbereich, in welchem der Verstärker verwendet werden soll vorzugsweise im Wesentlichen flach, d.h. nicht von der Frequenz des einfallenden Lichts abhängig, sein.
Für eine Verstärkung im sogenannten 5-Band (1450-1520 nm) ist thuliumdotierten Faserverstärkern (TDFA) viel Interesse geschenkt worden. Der nützliche Übergang für die stimulierte Emission liegt zwischen dem metastabilen ³H₄-Niveau bis zu dem unteren ³F₄-Endniveau, was ein Ausgangssignal einer Wellenlänge um 1470 nm ergibt. Ein gut erkanntes Problem beim Verwenden von TDFA als optischer Faserverstärker besteht darin, dass das ³H₄-Niveau eine kurze Lebensdauer im Vergleich mit dem ³F₄-Niveau hat. In der Praxis resultiert dies darin, dass selbst dann, wenn die Pumperregung zu dem ³H₄-Niveau erfolgreich erreicht ist, die stimulierte Emission aufgrund der Akkumulation einer Population auf dem ³F₄-Niveau verschlechtert werden wird. Dies resultiert in einer schlechten Verstärkung.
Über mehrere Versuche zum Erhöhen der Verstärkung des TDFA ist berichtet worden, einschließlich eines Pumpens für ein Aufwärtsmischen mit wiederholtem Pumpen mit derselben Wellenlänge und verschiedene Pumpschemen mit dualer Wellenlänge, wie sie beispielsweise im Folgenden präsentiert sind: F. Roy, D. Bayart, A. Le Sauze und P. Baniel, "Noise and gain band management of thulium-doped fiber amplifier with dual-wavelength pumping schemes", IEEE Photon. Technol. Lett., 13, 788-790, (2001); T. Kasamatsu, Y. Yano und H. Sekita, "1.50-μm-band gain-shifted thulium-doped fiber amplifier with 1.05- and 1.56-μm dual-wavelength pumping", Opt. Lett., 24, 1684-1686, (1999); T. Kasamatsu, Y. Yano und T. Ono, "Laser-diode pumping (1.4 and 1.56 μm) of gain-shifted thulium-doped fiber amplifier", Electron. Lett., 36, 1607-1609, (2000); T. Kasamatsu, Y. Yano und T. Ono, "Gain-shifted dual-wavelength-pumped thulium-doped fiber amplifier for WDM signals in the 1.48-1.51-μm wavelength region", IEEE Photon. Technol. Lett., 13, 31-33, 2001; F Roy, F. Leplingard, L. Lorcy, A. Le Sauze, P Baniel, D. Bayart, "48% power conversion efficiency in single pump gain-shifted thulium-doped fibre amplifier", Electronics Letters, 37:15, 943-945, 2001; T. Kasamatsu, Y. Yano, T. Ono, "Laser-diode-pumped highly efficient gain-shified thulium-doped fiber amplifier operating in the 1480-1510-nm band", IEEE Photonics Technology Letters, 13:5, 433-435, 2001; Tadashi Sakamoto, "S-band fiber optic amplifiers", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2 TuQ1-1-TuQl-4, 2001; B.Cole, M.L. Dennis, "S-band amplification in a thulium doped silicate fiber" Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2, TuQ3-1-TuQ3-3, 2001;. T. Kasamatsu, Y. Yano, T. Ono, "Laser-diode-pumped highly-efficient gain-shifted thulium doped fiber amplifier operating in the 1480-1510-nm band" Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2, TuQ4-1-TuQ4-3, 2001; F. Roy, P. Baniel, C. Fages, J.J. Girard, A. Le Sauze, D. Bayart, "Optimal pumping schemes for gain-band management of thulium-doped fiber amplifiers", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2, TuQ7-1-TuQ7-4, 2001; F. Roy, F. Leplingard, L. Lorcy, A. Le Sauze, P. Baniel, D. Bayart, "48% power conversion efficiency in a single-pump gain-shifted thulium-doped fiber amplifier", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, PD2_1-PD2_3, 2001; F. Rovk D. Bayart, P. Baniel, "Novel pumping schemes for thulium doped fiber amplifier", Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2 14-16, 2000.
Bei dem Pumpprozess mit dualer Wellenlänge bevölkert das erste Photon das untere ³F₄-Niveau, während das zweite Photon zum Bevölkern des höheren ³H₄-Niveaus und gleichzeitig zum Entvölkern des ³F₄-(unteren)-Niveaus verantwortlich ist, um eine Bevölkerungsumkehr zuzulassen. Die berichteten Wellenlängen sind für das erste Pumpen 1050-1550 nm und für das zweite Pumpen um 1400 gewesen, und typischerweise wird eine gesamte Pumpleistung von 200-500 mW benötigt, um eine Verstärkung von 27 dB zu erreichen.
Im US-Patent 6,407,853 ist ein duales Pumpschema offenbart, das für TDFA geeignet ist. Eine erste Pumpwellenlänge von vorzugsweise 800 nm regt das Dotierungsmittel vom Grundniveau (³H₆) direkt zum ³H₄-Niveau an. Eine zweite Pumpwellenlänge von 1440 nm wird zum Entvölkern des ³F₄-Niveaus und somit zum Ermöglichen der stimulierten Emission verwendet.
Das Dokument XP 951877 (Optics letters, vol. 25, no. 11, 2000-06-20, S. 817-819, Tanabe et al., "Improved emission of Tm³⁺ doped glass for a 1,4 μm amplifier by radiative energy transfer between Tm³⁺ and Nd³⁺") offenbart ein ähnliches Verfahren und eine ähnliche Vorrichtung.
Der Stand der Technik repräsentiert signifikante Verbesserungen bei der Verwendung von thuliumdotierten Faserverstärkern. Jedoch ist es für einen weit verbreiteten Einsatz in Kommunikationssystemen nötig, die Effizienz der Verstärker weiter zu erhöhen sowie Pumpwellenlängen zu verwenden, die mit Halbleiterlasern erreichbar sind, die wenig kosten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die objektive Problem besteht im Bereitstellen eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Verstärken eines optischen Signals mit einer hohen Verstärkung und mit einer hohen Leistungseffizienz, um eine Produktion von effektiven optischen Verstärkern mit vernünftigen Kosten zu ermöglichen.
Das Problem wird durch die Anordnung gelöst, wie sie im Anspruch 10 definiert ist, und das Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert ist.
Das Verfahren zum Verstärken eines optischen Signals in einem thuliumdotierten Faserverstärker gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf: eine erste Ablagerung von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen einer ersten Wellenlänge mit einer Strahlung; und eine zweite Ablagerung von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen einer zweiten Wellenlänge mit einer Strahlung. Die Strahlung der ersten Wellenlänge ist derart angeordnet, dass sie durch eine Einphotonenabsorption eine Bevölkerung zu dem ³H₄-Niveau des Thuliumdotierungsmittels induziert, und die Strahlung der zweiten Wellenlänge entvölkert primär das ³F₄-Niveau durch eine angeregte Absorption eines Einzelphotons, und zwar vorzugsweise durch eine Absorption in einem stark angeregten Zustand zu dem ³F₂-Niveau. Diese Schritte erreichen eine Bevölkerungsumkehr bzw. -inversion zwischen den ³H₄- und ³F₄-Niveaus und ermöglichen eine leistungseffiziente Verstärkung mit hoher Verstärkung.
Die Verstärkungsanordnung zum Verstärken eines optischen Signals in einem thuliumdotierten Faserverstärker gemäß der Erfindung weist Folgendes auf: eine erste Energieablagerungseinrichtung zum Ablagern von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit einer Strahlung einer ersten Wellenlänge und eine zweite Energieablagerungseinrichtung zum Ablagern von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit einer Strahlung einer zweiten Wellenlänge. Die Strahlung der ersten Wellenlänge ist derart angeordnet, dass sie durch eine Einphotonenabsorption eine Bevölkerung zu dem ³H₄-Niveau des Thuliumdotierungsmittels induziert, und die Strahlung der zweiten Wellenlänge entvölkert primär das ³F₄-Niveau durch eine angeregte Absorption eines einzelnen Photons, und zwar vorzugsweise durch eine Absorption in einem stark angeregten Zustand zu dem ³F₂-Niveau, wodurch eine Bevölkerungsinversion zwischen den ³H₄- und ³F₄-Niveaus erreicht wird.
Ein Vorteil, der durch die Anordnung und das Verfahren gemäß der Erfindung geleistet wird, besteht darin, dass eine Verstärkung mit hoher Verstärkung unter Verwendung einer relativ niedrigen Leistung erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil, der durch die Erfindung geleistet wird, besteht darin, dass Laserdioden niedriger Kosten verwendet werden können.
Ein Hauptvorteil durch die Anordnung und das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, dass optische Verstärker mit geringen Kosten, welche Verstärker jedoch effektiv sind und somit kommerziell attraktiv sind, hergestellt werden können.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die oben umrissen sind, werden nachfolgend in der detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen vollständiger beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen immer auf gleiche Elemente beziehen und wobei:
1a-c schematische Zeichnungen von Pumpanordnungen dualer Wellenlänge gemäß der Erfindung sind;
2 eine schematische Darstellung von relevanten Energieniveaus und Übergängen in einem Tm-Dotierungsmittelatom ist;
3 eine Kurve ist, die die verstärkte spontane Emission von Thulium unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung zeigt;
4 eine Kurve ist, die die Verstärkung unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung zeigt;
5 eine schematische Zeichnung eines Ausführungsführungsbeispiels der Erfindung ist;
6 eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist; und
7 eine schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nun werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben werden.
In 1a ist der prinzipielle Aufbau eines optischen Verstärkers mit dualem Pumpen schematisch dargestellt. Das Signal im S-Band, bei typischerweise einer Wellenlänge von 1470 nm, wird in dem Signalmedium 100, wie beispielsweise einer optischen Faser, getragen. Eine erste Pumpvorrichtung 110 mit einer ersten Pumpwellenlänge λ_p1 ist optisch mit dem Signalmedium 100 beispielsweise durch eine erste WDM-Faserkopplereinheit 120 gekoppelt. Eine zweite Pumpwellenlänge λ_p2 wird durch eine zweite Pumpvorrichtung 130 erzeugt, die optisch mit dem Signalmedium 100 beispielsweise durch eine zweite WDM-Faserkopplereinheit 140 gekoppelt ist. Die stimulierte Emission von Photonen, d.h. die Verstärkung, findet in der Verstärkerfaser 150 aus thuliumdotiertem Material statt. Die Verstärkerfaser hat einen Eingang 160 zum Empfangen des Eingangssignals und der sich zusammen damit ausbreitenden Photonen von den Pumpvorrichtungen und einen Ausgang 170 für das verstärkte optische Signal. In den 1a-c zeigen die durchgezogenen Pfeile die Richtung des Signals an und zeigen die gestrichelten Pfeile die Richtung des Pumplichts an. Wie es durch einen Fachmann auf dem Gebiet realisiert wird, kann eine Verstärkungsanordnung auf eine große Vielzahl von Arten realisiert werden.
1b stellt schematisch eine allgemeine alternative Art zum Koppeln des Signals und des Pumplichts zur Verstärkungsfaser dar. Eine WDM-Faserkopplereinheit 125 wird zum Koppeln des durch eine Pumpvorrichtung 115 erzeugten Pumplichts und des im Signalmedium 100 getragenen Signals direkt zur Verstärkerfaser 150 verwendet. Somit ist die WDM- Faserkopplereinheit selbst die Stelle, wo das Signal und das Pumplicht zur Verstärkungsfaser gekoppelt werden.
Alternativ dazu kann das Pumplicht sich entgegen dem zu verstärkenden Signal ausbreitend so gekoppelt oder aufgeteilt werden, dass sich eine Pumpwellenlänge zusammen mit dem Signal ausbreitet und sich die andere Pumpwellenlänge entgegen zu diesem ausbreitet. Ein solcher Verstärkungsaufbau ist schematisch in 1c dargestellt. Das Signal im S-Band, typischerweise bei einer Wellenlänge von 1470 nm, wird im Signalmedium 100 getragen. Die erste Pumpwellenlänge λ_p1 wird durch die erste Pumpvorrichtung 110 erzeugt. Die erste WDM-Faserkopplereinheit 120 koppelt die erste Pumpwellenlänge und das Signal zu einem Ende der Verstärkungsfaser 150. Die zweite WDM-Faserkopplereinheit 140 koppelt die zweite Pumpwellenlänge λ_p2, die durch eine zweite Pumpvorrichtung 130 erzeugt ist, zum anderen Ende der Verstärkungsfaser 150. Die zweite WDM-Faserkopplereinheit 140 stellt auch einen Ausgang 175 für das verstärkte Signal zur Verfügung. Dieser Aufbau kann vorteilhaft sein, um das übrige Pumplicht vom verstärkten Signal zu trennen. Die zu einer Wellenlänge gehörende WDM-Faserkopplereinheit hilft auch dabei, Licht der anderen Wellenlänge, das durch die Verstärkungsfaser nicht absorbiert wurde, zu entfernen.
Das Licht einer anderen Wellenlänge, das in den Pumpvorrichtungen 110, 130 erzeugt wird, kann von verschiedenen kommerziell erhältlichen Lichtquellen entstehen, die Faserlaser, abstimmbare Laser und Laserdioden enthalten. Für kommerzielle Anwendungen sind dann der Preis und die Zuverlässigkeit von hoher Wichtigkeit, und die Laserdioden sind von besonderem Interesse. Laserdioden, die Licht einer geeigneten Wellenlänge erzeugen, sind kommerziell erhältlich.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele von Verstärkungsanordnungen angegeben werden, die das Verfahren der Erfindung ausführen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung, nämlich das Pumpschema mit dualer Wellenlänge, wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben werden, die die Energieniveaus eines thuliumdotierten Faserverstärkers darstellt. Die erste Pumpwellenlänge λ_p1 gemäß der Erfindung sollte vorzugsweise um 800 nm sein, gefolgt durch die zweite Pumpwellenlänge λ_p2, die vorzugsweise um 1050 nm oder 980 nm ist. Es ist gezeigt worden, dass die Auswahl von Wellenlängen im Vergleich mit Pumpschemen nach dem Stand der Technik ein überraschend gutes Ergebnis in Bezug auf die Verstärkung, die Frequenzabhängigkeit und die Verstärkung ergibt.
Der Hauptvorteil des Schemas gemäß der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die λ_p1 ~800 nm-Pumpwellenlänge das obere Verstärkungsniveau ³H₄ durch eine Einphotonenabsorption bevölkert, wie es in 2 angezeigt ist. Der Absorptionsquerschnitt ist hoch (siehe nachfolgende Tabelle I), was eine effektive Ausnutzung der Pumpleistung sicherstellt. Die zweite Wellenlänge λ_p2 hilft primär zum Entvölkern des unteren Niveaus ³F₄ durch eine angeregte Absorption eines Einzelphotons. Der Übergang, der durch λ_p2 ~1050 nm gegeben ist, durch eine Absorption in einem stark angeregten Zustand (ESA) zu dem Niveau ³F₂ tritt mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auf (siehe Querschnitt in der Tabelle I). Er bevölkert auch gleichzeitig das Niveau ³H₄ (durch ³F₂), wobei beide Effekte vorteilhaft sind zum Erzeugen der Bevölkerungsumkehr. Wie es wohlbekannt ist, ist ein 1050 nm-Pumpen allein nützlich zum Liefern einer Verstärkung, aber auf Kosten einer hohen Leistung aufgrund der Absorption mit einem sehr niedrigen Grundzustand (GSA) zum Niveau ³F₄ über ³H₅, dessen Querschnitt sich nicht sehr von dem in der Tabelle I gezeigten Querschnitt 1064 nm unterscheiden sollte. Die Verwendung von λ_p2 ~980 nm, was ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, resultiert in einer Bevölkerungsumkehr, ist aber etwas weniger effektiv. Jedoch könnte ein Verwenden von λ_p2 ~980 nm kommerziell attraktiv sein, da leistungsfähige und billige Laserdioden verfügbar sind, die 980 nm ergeben. Tabelle I – Querschnitt für einige Übergänge in thuliumdotierten ZBLAN-Fasern
Die Vorteile des erfinderischen Pumpschemas sind in 3 dargestellt, wobei das 1470 nm-Band einer verstärkten spontanen Emission (ASE) gezeigt ist, wenn es jeweils durch jede einzelne Wellenlänge λ_p1 und λ_p2 gepumpt wird, und durch beide Wellenlängen zusammen. Aus 3 sollte die drastische Erhöhung bezüglich einer ASE-Leistung offensichtlich werden, wenn die zwei Wellenlängen zusammen verwendet werden, im Vergleich mit dann, wenn jeweils eine den TDFA einzeln pumpt. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung ist weiterhin in 4 dargestellt, die in einer Kurve die Verstärkung und die Rauschzahl für das erfinderische duale Pumpschema darstellt. Die Verstärkung bei der Kleinsignalverstärkung, wenn die 800 nm-Wellenlänge zu dem Pumpen von 1050 nm (aufgefüllte Quadrate in der Figur) hinzugefügt ist, ist auffallend. Es ist bemerkenswert, dass das 800 nm-Pumpen allein nicht ausreicht, um eine Bevölkerungsumkehr zu erzeugen, während dies das 1050 nm-Pumpen allein tut. Jedoch wird für die bei 1050 nm verwendete Pumpleistung eine sehr kleine Verstärkung (alle hier beschriebenen Verstärkungen sind intern, d.h. eine Faserverstärkung) nahezu 7-8 dB erhalten (nicht gefüllte Quadrate). Vorherige Maßnahmen an dieser Faser haben gezeigt, dass Verstärkungen von über 20 dB mit einem Pumpen bei 1050 nm allein erhalten werden können, aber für sehr hohe Leistungen (über 300 mW). Bei unserem mit dualer Wellenlänge gepumpten TDFA wurde für eine gesamte Pumpleistung 153 mW eine Verstärkung von mehr als 20 dB über eine Bandbreite von nahezu 40 nm erhalten. Eine Rauschzahl (gefüllte Dreiecke) von weniger als 5 dB wurde für das duale Pumpen gemessen, was nahe der erwarteten Grenze von 3 dB für TDFAs ist. Die Verstärkung kann durch Einstellen der Pumpleistung der zwei Wellenlängen weiter optimiert werden. Beispielsweise wurde eine Verstärkung von 27 dB für eine gesamte Pumpleistung von 180 mW erhalten (100 mW von 1050 nm und 80 mW von 794 nm). Eine Optimierung des TDFA in Bezug auf die Verstärkung und die Flachheit der Verstärkung kann durch Einstellen der Thuliumionenkonzentration, der dotierten Faserlänge und der genauen Wellenlänge und der Leistung der zwei Pumpen erhalten werden. Die Wellenlängen sind jeweils typischerweise und bevorzugt innerhalb von λ_p1 ~800 nm ± 10 nm und λ_p2 ~1055 nm ± 10 nm oder alternativ dazu jeweils λ_p1 ~800 nm ± 10 nm und λ_p2 ~980 nm ± 10 nm.
Das Pumpverfahren gemäß der Erfindung kann in den folgenden Hauptschritten zusammengefasst werden:

(a) eine erste Ablagerung einer Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit einer Strahlung einer ersten Wellenlänge, was durch eine Einphotonenabsorption eine Bevölkerung zu dem ³H₄-Niveau des Thuliumdotierungsmittels induziert. Die erste Wellenlänge ist vorzugsweise 800 nm ± 10 nm.
(b) Eine zweite Ablagerung von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit einer Strahlung einer zweiten Wellenlänge, was das ³F₄-Niveau entvölkert, durch eine angeregte Absorption eines Einzelphotons, und zwar vorzugsweise durch eine Absorption in einem stark angeregten Zustand zu dem ³F₂-Niveau. Zusätzlich bevölkert die Strahlung der zweiten Wellenlänge gleichzeitig das ³H₄-Niveau über das ³F₂-Niveau. Die zweite Wellenlänge ist vorzugsweise 1055 nm ± 10 nm oder alternativ dazu 980 nm ± 10 nm.

Die zwei Hauptschritte erreichen eine Bevölkerungsumkehr zwischen den ³H₄- und den ³F₄-Niveaus, und somit eine signifikante Erhöhung bezüglich des Gewinns und der Verstärkung.
Als Beispiel einer Implementierung und als Aufbau, der für die oben präsentierten Ergebnisse verwendet wird, kann ein diodengepumpter Yb-Faserlaser, der bei 1050 nm arbeitet, für λ_p2 verwendet werden. Für die anderen Pumpquellen bei λ_p1 ~800 nm kann ein abstimmbarer Ti-Spahir-Dauerstrichlaser verwendet werden. Ein Dauerstrich-Halbleiterdiodenlaser stellt eine Alternative mit niedrigeren Kosten dar. Ein einziges Kanaltestsignal kann durch eine abstimmbare Dauerstrich-Laserdiodenquelle geliefert werden, aber ein WDM-Betrieb ist auch möglich. Thuliumdotierte Fasern sind kommerziell beispielsweise von Le Verre Fluore erhältlich. Typische Charakteristiken für eine sogenannte ZBLAN-(ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF)-Faser, die für das erfinderische Verfahren geeignet ist, sind in der Tabelle II präsentiert.
Tabelle II – Charakteristiken einer thuliumdotierten ZBLAN-Faser
Die oben beschriebene ZBLAN-Faser sollte als nicht beschränkendes Beispiel angesehen werden. Viele der Materialparameter können variiert werden, und das Material könnte noch als das Verstärkungsmaterial in einem optischen Verstärker dienen. Einige der Parameter können sogar variiert werden, um die Leistungsfähigkeit der Verstärkungsanordnung zu optimieren, wie beispielsweise die Tm-Dotierungskonzentration. Die Tm-Dotierungskonzentration ist typischerweise 2000 ppm, aber andere Konzentrationen zeigen vielversprechende Ergebnisse, und zwar insbesondere höhere Konzentrationen. Selbst Tm-Dotierungskonzentrationen um 5000 ppm könnten vorteilhaft sein, um in Kombination mit dem Pumpschema gemäß der Erfindung verwendet zu werden.
Viele kommerziell verwendete optische Fasern basieren auf Quarz, was selbst bei hohen Temperaturen stabil ist und mit verfügbaren Maschinen mit sehr geringem Verlust gespleißt werden kann. Gegenwärtig sind Silicafasern aufgrund einer Phononenstreuung nicht kompatibel mit Tm-Verstärkern im S-Band. Daher werden Fasern verwendet, die auf Fluoridmaterialien basieren, wie beispielsweise ZBLAN. Andere Typen von Fasermaterialien werden konstant entwickelt, getestet und verwendet, wie beispielsweise die Tellurid-Fasern. Entwicklungen auf dem Gebiet werden höchstwahrscheinlich zur Verwendung von Silica- oder silicakompatiblen Fasern in der nahen Zukunft führen. Wie es von einem Fachmann auf dem Gebiet erkannt werden wird, könnte das Pumpschema gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft bei allen diesen Arten von Fasern verwendet werden, einschließlich denjenigen, die auf Silica basieren.
Das Pumpschema gemäß der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Verstärkungsanordnung beschränkt. Im Gegenteil kann eine große Vielfalt von Anordnungen vorteilhaft das vorgenannte Pumpschema verwenden. Es kann z.B. auch innerhalb eines optischen Hohlraums verwendet werden, so dass ein Laser verkörpert wird. Die aktiven Ionen können in einer optischen Faser enthalten sein, wie es nachfolgend weiter beschrieben werden wird. Sie können auch in einem Kristall enthalten sein, wie beispielsweise diejenigen, die in den sogenannten Mikrochiplasern verwendet werden. Das oben beschriebene Pumpschema ist gleichermaßen nützlich zum Bereitstellen einer optischen Anregung für den Tm-Laser. Die große Bandbreite, die dem Ion eigen ist, resultiert in einem potenziell weit abstimmbaren Laser. Das Tm-dotierte Material kann zum Zwecke eines Laserns im 1,4-1,52 μm-Wellenlängenbereich verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben werden, in welcher das dotierte Material eine optische Einzelmodenfaser mit Tm-Ionen im Kern 500 und Neodym-(Nd)Ionen in einem von einen äußeren Mantel 520 umgebenen inneren Mantel 510 ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nur eine 800 nm-Lichtquelle für ein externes Pumpen erforderlich, wie beispielsweise ein Halbleiterdiodenlaser 530. Die im inneren Mantel der Faser enthaltenen Nd-Ionen absorbieren einige der Photonen bei 800 nm und emittieren eine Strahlung im 1050 nm-Bereich, was wiederum im einzigen Kern durch die Tm-Ionen absorbiert wird. Die Konfiguration des inneren Mantels hat den Vorteil, dabei zu helfen, die schlecht gesammelte Strahlung von einem Halbleiterdiodenlaser bei 800 nm am besten zu nutzen, da der effektive Bereich des inneren Mantels viel größer als der Einzelmodenkern der Faser ist.
Eine Art zum Ablagern der Energie zu dem seltenerdendotierten Material gemäß der Erfindung besteht im Verwenden einer Strahlung von den Halbleiterlasern zum Pumpen eines Faserlasers und auch der Tm-dotierten Faser. Dieses Ausführungsbeispiel ist in 6 schematisch dargestellt, wobei ein Faserlaser mit einem optischen Hohlraum 600 versehen ist, wo die Nd-dotierte Faser, die eine optische Verstärkung liefert, zwischen zwei Faser-Bragg-Gittern M1 bzw. M2 platziert ist. Ein Halbleiterlaser 605 liefert die Wellenlänge von 800 nm, was den Faserlaser antreibt. Der optische Hohlraum ist mit dem Tm-dotierten Faserverstärker 150 gekoppelt. Die Gitter können auf demselben Stück einer Nd-dotierten Faser ausgebildet werden, oder auf Stücken der Faser, die darauffolgend zu der Nd-dotierten Faser gespleißt werden. Die durch die Bragg-Gitter reflektierten Wellenlängen sind nahe 1050-1060 nm, so dass der Faserlaser eine Schwelle erreicht. Das Reflexionsvermögen des Spiegels M1 kann vorzugsweise nahe 100% bei der Laserwellenlänge (1,06 μm) und nahe 0% bei der Pumpwellenlänge (800 nm) sein. Das Reflexionsvermögen des Gitters M2 sollte weniger als 100% bei der Laserwellenlänge und nahe 0% bei der Pumpwellenlänge sein. Auf diese Weise ist die Strahlung, die die Tm-dotierte Faser im Faserverstärker 150 erreicht, die Summe aus dem Faserlaserlicht und dem Bruchteil des 800 nm-Pumplichts, der durch die Nd-dotierte Faser nicht absorbiert worden ist.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel, das in 7 schematisch gezeigt ist, ist der Faserlaser durch eine Ringkonfiguration einer Nd-dotierten Faser 700 realisiert, die durch einen Halbeiterdiodenlaser angetrieben wird, der eine Strahlung von 800 nm zur Verfügung stellt. Ein geringer Teil (um 10%) der bei 1050 nm erzeugten Strahlung im Ringlaser würde zirkuliert werden, um den Laser über einer Schwelle zu halten, während das meiste der Strahlung, das bei 1050 nm verfügbar ist, zum Pumpen der Tm-Faser verwendet werden würde. Die angegebenen Zahlen sollten als nicht beschränkendes Beispiel zum Erklären des Prinzips eines Betriebs angesehen werden.
Um die Länge einer Tm-dotierten Faser zu reduzieren, die für eine maximale Verstärkung erforderlich ist, ist es möglich, das Pumplicht entlang der Tm-dotierten Faser auszubreiten, und dann den übrigen Teil des Pumplichts, der nicht absorbiert wurde, zu reflektieren. Die zu verwendenden Spiegel können vorzugsweise Faser-Bragg-Gitter sein, die angenehmerweise bei den Pumpwellenlängen (800 nm und 1050 nm) stark reflektierend sein können, und bei den zu verstärkenden Signalwellenlängen stark durchlässig. Die Gitter könnten in einem Stück einer auf Silica basierenden Faser enthalten sein, die mit der auf Tm-dotierten fluorbasierenden Faser verbunden ist und die Ausgangsfaser des Verstärkers bildet. Nimmt man Bezug auf den schematisch dargestellten Aufbau der 1c, können die Bragg-Gitter an oder nahe den Endpunkten der Verstärkungsfaser vorgesehen sein, die jeweils mit A und B bezeichnet sind. Die Bragg-Gitter sind derart angeordnet, dass sie jeweils die Wellenlängen 1050 nm und 800 nm zurückreflektieren.
Es sollte verstanden werden, dass die hier offenbarte Idee nicht andere im Stand der Technik bekannte Techniken zum Verbessern der Leistungsfähigkeit von seltenerdendotierten Verstärkern ausschließt. Beispielsweise ist die Verwendung von verstärkungsentzerrenden Filtern, wie beispielsweise Faser-Bragg-Gittern, klarerweise eine Möglichkeit in Verbindung mit dem bei der vorliegenden Erfindung offenbarten Pumpschema. Hier könnten die Filter angenehmerweise am Ausgang des Verstärkers platziert sein. Auf diese Weise können die Bragg-Gitter in der Ausgangsfaser, wie beispielsweise einer auf Silica basierenden Faser, hergestellt werden.
Während die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktischste und bevorzugteste Ausführungsbeispiele angesehen wird, ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdecken soll, die innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

Verfahren zum Verstärken eines optischen Signals in einem thuliumdotierten Faserverstärker, umfassend die folgenden Schritte: – eine erste Übertragung (a) von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit Strahlung einer ersten Wellenlänge; und – eine zweite Übertragung (b) von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit Strahlung einer zweiten Wellenlänge; wobei die Strahlung der ersten Wellenlänge durch Einphotonenabsorption das ³H₄-Niveau des Thuliumdotierungsmittels bevölkert und die Strahlung der zweiten Wellenlänge das ³F₄-Niveau durch Einphotonenabsorption in einem stark angeregten Zustand auf das ³F₂-Niveau entvölkert und gleichzeitig das ³H₄-Niveau durch das ³F₂-Niveau bevölkert, wodurch eine Besetzungsinversion zwischen dem ³H₄- und dem ³F₄-Niveau erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der ersten Wellenlänge (λ₁) eine Wellenlänge von etwa 800 nm aufweist.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, wobei die Strahlung der ersten Wellenlänge (λ₁) eine Wellenlänge von 800 ±10 nm aufweist.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ₂) eine Wellenlänge von etwa 1.050 nm aufweist.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 3, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge (λ₂) eine Wellenlänge von etwa 1.050 ±10 nm aufweist.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 980 nm aufweist.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 5, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 980 ±10 nm aufweist.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt des Reflektierens mindestens einer der Strahlungen der ersten und der zweiten Wellenlänge durch mindestens ein Braggsches Gitter, wodurch eine Längenreduzierung des thuliumdotierten Faserverstärkers ermöglicht wird, ohne die Verstärkung im Wesentlichen zu beeinflussen.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 1, wobei die Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge jeweils aus der Strahlung der zweiten oder der ersten Wellenlänge erzeugt wird.
Verfahren zur optischen Verstärkung nach Anspruch 8, wobei die Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge in einem optisch verstärkenden Material erzeugt wird, das in einer Verstärkungsanordnung enthalten ist, wobei die Erzeugung der Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge folglich jeweils durch die Strahlung der zweiten oder der ersten Wellenlänge induziert wird.
Verstärkungsanordnung zum Verstärken eines optischen Signals in einem thuliumdotierten Faserverstärker, umfassend: ein erstes Energieübertragungsmittel (120) zum Übertragen von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit Strahlung einer ersten Wellenlänge; und ein zweites Energieübertragungsmittel (140) zum Übertragen von Energie in den Faserverstärker durch Pumpen mit Strahlung einer zweiten Wellenlänge; wobei die Strahlung der ersten Wellenlänge durch Einphotonenabsorption das ³H₄-Niveau des Thuliumdotierungsmittels bevölkert und die Strahlung der zweiten Wellenlänge primär das ³F₄-Niveau durch Einphotonenabsorption in einem stark angeregten Zustand auf das ³F₂-Niveau entvölkert und gleichzeitig das ³H₄-Niveau durch das ³F₂-Niveau bevölkert, wodurch eine Besetzungsinversion zwischen dem ³H₄- und dem ³F₄-Niveau erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der ersten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 800 nm aufweist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Strahlung der ersten Wellenlänge eine Wellenlänge von 800 +10 nm aufweist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 1.050 nm aufweist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 12, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 1.050 ±10 nm aufweist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 980 nm aufweist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 14, wobei die Strahlung der zweiten Wellenlänge eine Wellenlänge von etwa 980 ±10 nm aufweist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Strahlung der ersten und/oder der zweiten Wellenlänge durch Laserdioden erzeugt wird.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 10, wobei die Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge jeweils aus der Strahlung der zweiten oder der ersten Wellenlänge erzeugt wird.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 17, ferner umfassend ein Mittel zum Erzeugen von Strahlung, das in der Verstärkungsanordnung enthalten ist, wobei die Strahlung der ersten oder der zweiten Wellenlänge durch das Mittel zum Erzeugen von Strahlung erzeugt wird, indem die Strahlung jeweils der zweiten oder der ersten Wellenlänge benutzt wird.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 18, wobei das Mittel zum Erzeugen von Strahlung als ein Kern einer thuliumdotierten Faser (500) bereitgestellt wird, der von einem Mantel, der Neodym (Nd)-Ionen (510) umfasst, umgeben ist und angewendet wird, um einen Teil der Strahlung bei der ersten Wellenlänge zu absorbieren und Strahlung bei der zweiten Wellenlänge zu emittieren.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 18, wobei das Mittel zum Erzeugen von Strahlung ein Faserlaser ist, der von der Strahlung der ersten Wellenlänge angetrieben wird.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 20, wobei der Faserlaser eine Ringkonfiguration einer mit Neodym (Nd) dotierten Faser ist, der von einem Halbleiterdiodenlaser angetrieben wird, der Strahlung der ersten Wellenlänge bereitstellt.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 20, wobei der Faserlaser einen optischen Hohlraum (600) umfasst, in dem eine mit Neodym (Nd) dotierte Faser zwischen zwei Braggschen Fasergittern angeordnet ist.
Verstärkungsanordnung nach Anspruch 10 bis 15, ferner umfassend mindestens ein Braggsches Gitter, das zum Reflektieren mindestens einer der Strahlungen der ersten und der zweiten Wellenlänge gestaltet ist, wodurch eine Längenreduzierung des thuliumdotierten Faserverstärkers ermöglicht wird, ohne die Verstärkung im Wesentlichen zu beeinflussen.