NO843902L - Fiberoptisk forsterker - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår fiberoptiske forsterkere. De forente Staters regjering har rettigheter i denne oppfinnelse ifølge kontrakt nr. F33615-79-C-1789, gitt ved the Department of the Air Force, Air Force Office of Scientific Research. Denne oppfinnelse omfatter en for-bedring av oppfinnelsen beskrevet i den parallelle patent-søknad med serie nr. 448,707 inngitt den 10 desember 1982, med tittel "Fiber Optic Amplifier", europeisk publikasjon nr. 0112090.

Fiberoptiske forsterkere basert på laseregenskapene til visse materialer, spesielt på et makroskopisk nivå, er velkjent. Således er det f.eks. kjent å plassere en pumpelyskilde og en stang av enkelkrystallneodym-ytriumaluminiumgranat som har en diameter på flere mm og en lengde på flere cm i et tubulært reflekterende hulrom. F.eks. kan lyskilden og Nd:YAG stangen være anordnet respektert slik at de strekker seg langs de to brenn-punkter til et hulrom som har et elektrisk tverrsnitt. Et slikt arrangement vil lys som sendes ut av lyskilden og ble reflektert fra hulromsveggene påvirke Nd:YAG stangen. Lyskilden er fortrinnsvis valgt slik at den sender ut ved bølgelengder korresponderer til absorpsjonsspekteret til Nd:YAG krystallet slik at energinivåene til neodymionene i krystallet blir invertert til et energinivå som ligger over det øvre lasernivå. Etter inversjon vil det finne sted en startrelaksasjon av neodymionene med fononstråling som gir en anionpopulasjon ved det øvre lasernivå. Fra det øvre lasernivå vil ionene relaksere til et nedre energinivå og sende ut lys med den bølgelengde som er karakteristisk for Nd:YAG materialet. På fordelaktig måte ligger dette nedre energinivå over grunnivået for ionene slik at den hurtig fononassistert relaksasjon vil opptre mellom dette nedre energinivå og grunnivået hvilket gjør det mulig for et høyt inversjonsforhold og fortsette å eksistere mellom det øvre lasernivå og dette nedre energinivå i de pumpede ionene.

Med populasjonen invertert på denne måte hvilket er velkjent fra laserteknologien vil Nd:YAG også gi fluoresens, dvs. en tilfeldig emisjon av ikke-koherent lys. Denne spontane stråling finner sted med en tidskonstant som er lik den gjennomsnittlige levetiden til den inverterte til-standen, omtrent 230 mikrosekunder for Nd:YAG.

Dersom et lyssignal ved laserovergangsfrekvensen blir sendt gjennom stangen etter at neodymionene til Nd:YAG stangen er blitt invertert, ved signalfotonene utløser overgangen av neodymionene til det nedre energinivået og forårsaker koherent emisjon av stimulert stråling som på effektiv måte vil adderes til det transmiterte signalet og således forsterke dette signal.

Absorpsjonslengden for Nd:YAG krystallet ved pumpebølge-lengden (dvs. materiallengden som lyset må gjennomløpe før 60% av lyset er absorbert) er vanligvis omtrent 2 mm eller mer, og således har Nd:YAG krystallene som er blitt brukt i forsterkningsstrukturer hatt diametere som i det minste har vært så store slik at krystallet kunne absorbere en vesentlig del av pumpestrålingen under startreflekteringen fra hulromsveggene og passasjen gjennom krystallet. Dersom pumpelyset ikke blir absorbert under dette start-gjennomløp gjennom krystallet, er det sannsynlig at det vil bli reflektert av hulromsveggene tilbake til lyskilden hvor det vil bli reabsorbert og generere varme i lyskilden og derved redusere totaleffektiviteten til forsterkeren.

Når slike Nd:YAG stenger med stor diameter blir brukt som forsterkere i fiberoptiske systemer, er det blitt antatt nødvendig å anvende optiske komponenter, så som linser, for å fokusere lyssignalet fra den optiske fiberen inn i Nd:YAG stangen, og det forsterkede lyssignalet fra Nd:YAG stangen tilbake inn i en annen fiber. Slike optiske systemer krever omhyggelig innretting og er utsatt for endringer i omgivelsene, såsom vibrasjoner og termiske påvirkninger. I tillegg gjør de optiske komponentene og størrelsen til Nd:YAG stangen forsterkningssytemet relativt stort og således upraktisk for visse anvendelser. Videre krever den store størrelsen til NdtYAG stangen en stor mengde inngangspumpeenergi for å kunne opprettholde en høyenergitetthet i stangen og tillate en tydelig optisk forsterking. Slik stor pumpeenergi krever høyutgangs-pumpelyskilde som genererer vesentlig varme som må avledes vanligvis ved hjelp av væskekjøling av hulrommet.

Mens forsterkere av denne type er nyttige ved mange anvendelser, såsom noen ved kommunikasjonsanvendelser, vil anvendelse i et resirkulerende fiberoptisk gyroskop med-føre alvorlige begrensninger i forsterkningssystemet. I slike gyroskoper er optiske fibere, med en typisk lengde på en km eller mer, viklet i en sløyfe og et lyssignal blir resirkulert i sløyfen, vanligvis i begge retninger. Bevegelse av sløyfen forårsaker en faseforskjell mellom de motforplantende lyssignalene hvilken forskjell kan anvendes for å måle gyroskoprotasjonen. I slike gyroskoper er faseforskjellen som er indusert i et signal som passerer rundt fiberen relativt lite, og det er fordelaktig å resirkulere inngangslys i sløyfen så mange ganger som mulig for å øke denne faseforskjell.

Med gjennomløp av en km med optisk fiber vil et optisk signal vanligvis tape 30 til 50% av sin intensitet. Dersom en forsterker ble plassert i serie med sløyfen, og var i stand til å forsterke i toveismotforplantende lyssignalene med 2 til 3 dB, ville dette tillate at et lyssignal kunne forplante seg mange ganger i sløyfen.

Uheldigvis gjør den relativt store størrelsen, høyenergi og kjølekravene for de tidligere NdrYAG stangforsterkende, som beskrevet ovenfor, slike forsterkere relativt uprakt- iske ved gyroskoper med høy nøyaktighet. Disse faktorer begrenser selvfølgelig også anvendbarheten av slike forsterkere til andre formål såsom kommunikasjonsnettverk.

Foreliggende oppfinnelse er en fiberoptisk forsterker som omfatter en pumpefiber som har en første brytningsindeks og en forsterkerfiber som har en andre brytningsindeks som er høyere enn den første brytningsindeksen. Pumpefiberen kan bestå av et passivt materiale såsom quartz mens forsterkerfiberen består av et aktivt lasermateriale såsom NdrYAG. De to fibrene er anordnet tett inntil hverandre for å danne et samvirkeområde for å overføre lys fra den første fiberen til den andre fiberen.

En konusformet stang blir brukt for å innmate pumpelys inn i pumpefiberen. Fortrinnsvis er stangen og pumpefiberen integrerte og dannet av det samme materiale såsom qvartz. Stangen innbefatter en første ende som er fiberformet for å innmate lys inn i en ende av fiberen og en andre ende som har en diameter som er vesentlig større enn den første fiberformede enden. Flere lyskilder er montert for å innmate lys inn i den største andre enden og den konusformede stangen fokuserer dette lys inn i den mindre fiberformede første enden for innmating inn i pumpefiberen. Pumpelyset blir overført fra pumpefiberen til forsterkerfiberen i samvirkeområdet og blir absorbert av forsterkerfiberen slik at det forårsaker en elektronisk populasjonsinversjon i lasermaterialet. For å øke absorpsjonen av lys pr. lengdeenhet i forsterkerfiberen, er lyskildene montert i en lokalisering som er forskjøvet fra stangaksen for å forårsake eksitasjon av høyordensmodi.

Fortrinnsvis frembringer hver av lyskildene hovedsaklig kollimert lys. I den foretrukne utførelse omfatter lyskildene en laserdiode og en kollimerende mikrolinse som er anordnet mellom laserdioden og den andre enden av den konusformede stangen. Dersom det er ønskelig kan till- eggssett med laserdioder og kollimerende linser bli til-føyd for å øke inngangsenergien til den andre enden av den konusformede stangen. Laserdiodene bør fortrinnsvis være montert slik at lengdedimensjonen til det emiterende arealet ligger normalt på en radiell linje som passerer gjennom stangaksen.

Energien som innmåtes til pumpefiberen kan ytterligere økes ved å plassere en andre pumpekilde på den motsatte enden av pumpefiberen slik at pumpefiberen blir pumpet fra begge retninger. Dette er spesielt fordelaktig når forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelse blir brukt i et system ved hvilket bølger forplanter seg gjennom forsterkerfiberen i motsatte retninger, såsom i et Sagnac gyroskop. En slik andre pumpekilde omfatter på samme måte en konusformet stang, laserdiode og polymerende mikrolinser som beskrevet ovenfor. I tillegg er det fordelaktig for dagens tilgjengelige høyenergilaserdioder, som vanligvis har dårlig rommelig koherens eller er av multimoditypen av lengden av det emiterende arealet til en slik laserdiode ikke er større enn diameteren til den minste fiberformede enden av den konusformende stangen.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter også en fremgangsmåte for å pumpe en optisk forsterker hvilken fremgangsmåte omfatter trinnet med å mate pumpelys til en ende av den konusformede stangen ved å montere flere lyskilder ved respektive lokaliseringer utenfor sentralaksen til den konusformede stangen for å eksitere høyordensmodi ved den andre enden av den konusformede stangen. Denne fremgangsmåte innbefatter også trinnet med optisk å kople den andre enden av stangen for å pumpe forsterkerfiberen. Trinnet med å mate pumpelys innbefatter fortrinnsvis å plassere en polymerende mikrolinse mellom en laserkilde og stangen slik at inngangspumpelyset blir kollimert.

Oppfinnelsen er nærmere angitt i de efferfølgende patent-krav.

De ovennevnte og andre fordeler med den foreliggende oppfinnelse forstås bedre under den følgende beskrivelse med referanse til tegningene hvor: Fig. 1 viser skjematisk det fysiske arrangement av den foretrukne utførelsen av den fiberoptiske forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelse ; Fig. 2 er et tverrsnitt av arrangementet på fig. 1 tatt etter linjene 2-2 på fig. 1; Fig. 3 er et diagram som viser absorpsjonsspektret for Nd:YAG ved 300°K; Fig. 4 er et energinivådiagram for Nd:YAG; Fig. 5 er forenklet energinivådiagram for en firenivå-laser, såsom Nd:YAG; Fig. 6 er en perspektivtegning av en foretrukket pumpekilde for forsterkelsesstrukturen på fig. 1, og viser flere laserdioder og polymerende mikrolinser montert for å innmate kollimert lys i en konusformet stang; Fig. 7 er en forstørret perspektivtegning av en av

laserdiodene og kollimeringslinsene på fig. 6;

Fig. 8 er en skjematisk tegning som viser et eksempel på banen til en stråle innmatet i den konusformede stangen, og illusterer de mange totale interne refleksjoner av denne stråle ettersom den forplanter seg fra en ende av den konus formede stangen til den andre;

Fig. 9 er et tverrsnitt tatt etter linjene 9-9 på fig.

10 og viser en alternativ utforming av forsterkeren; og

Fig. 10 viser skjematisk den fysiske anordning av en alternativ utførelse av fiberforsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Med henvisning til figurene 1 og 2 omfatter den foretrukne utførelse av denne oppfinnelse en sidepumpet forsterker som omfatter en pumpefiber 12 og en signalfiber 14. Pumpefiberen 12 er vanligvis en quartzfiber som, i et eksempel på utførelse, har en diameter på omtrent 200 y . Denne fiber 12 strekker seg parallelt til og tett inntil signalfiberen 14 over en lengde 16 på omtrent 2 cm for å frembringe etsamvirkeområde langs en slik lengde 16. Signalfiberen 14 er et lasermateriale som kan bestå f.eks. et enkelkrystall av ionedopet materiale som, når det blir pumpet, vil utøve optisk forsterkning ved frekvensen til signalet som skal forsterkes. På fig. 1 og i beskrivelsen som følger vil det antas at inngangssignalet som skal forsterkes blir innmatet i en første ende 18 av signalfiberen 14 og blir sendt ut, etter forsterking, fra en andre ende 20 av fiberen 14. Det bør imidlertid forstås at ved mange anvendelser, såsom kommunikasjons og rotasjonsavfølings-anvendelser, vil signalet bli innmatet ved begge ender 18 og 20 til fiberen 14 og vil bli forsterket uavhengig av forplantningsretningen gjennom fiberen 14.

Fiberen 14 har i dette eksempel på utførelse en diameter på 100 y. Over lengden 16 med parallell utstrekning av fiberene 12 og 14 er disse fibere innkapslet i en kappe 22, som det vil bli forklart nedenfor, frembringe en bølgeleder for lyset som anvendes for å pumpe fiberen 14. En foretrukken utførelse er begge disse fibere 12 og 14 uten kledning unntatt i den grad kappen 22 frembringer en kledning.

Fiberen 14 er dannet som et enkeltkrystall av Nd:YAG materialet. Et par lyskilder 24 og 26 er koplet til de motsatt ender av pumpefiberen 12 for å gi lysenergi, eller pumpelys, for å invertere den elektroniske neodymionepopulasjonen i Nd:YAG krystallet 14 for å tillate forsterking.

Fiberen 12 slik som kappen 22 er transparente for bølge-lengden til lys fra pumpekildene 24 og 26. Det er å foretrekke at kappen 22 har så lav tapskarakteristikk som mulig ved denne frekvens mens det er fordelaktig at absorpsjonslengden for Nd:YAG fiberen 14 ved denne frekvens er så kort som mulig.

Brytningsindeksene til fibrene 12 og 14 og og kappen 22 er valgt slik at signalf iberen 14 leder signalet som blir innmatet ved dens ende 18. Brytningsindeksene er imidlertid også valgt slik at de tillater at lys fra pumpekildene 24 og 26 entrer kappen 22 fra fiberen 12 og deretter periodisk entrer og blir absorbert av fiberen 14. Som det er vist i eksemplet på fig. 2 har således Nd:YAG fiberen en brytningsindeks n-^som er lik omtrent 1,8. Quartzfiberen 12 har på den annen side en brytningsindeks n2på omtrent 1,46. Brytningsindeksen for kappen 22, n3er valgt slik at den ligger mellom 1,46 og 1,8, slik at<nl>n>3<>n>2"Sluttelig er brytningsindeksen som omgir kappen 22, n^dannet av luft, selv om det må forstås at en andre kledning kan omgi kappen 22 for å eliminere tap som ellers kunne opptre ved grensesnittet mellom kappen 22 og den omgivende luften p.g.a. overflateuregelmessigheter og resul-terende spredning i kappen 22.

Av beskrivelsen ovenfor vil det forstås at siden brytningsindeksen n2til fiberen 14 er større en brytningsindeksen ng til kappen 22 vil signaler som blir innmatet ved enden 18 av fiberen 14 hvilket signaler skal forsterkes av systemet bli godt redet i fiberen 14. Siden brytningsindeksen ^ til quartzfiberen er mindre enn brytningsindeksen n3til kappen 22 vil pumpelys fra kildene 24 og 26 ikke bli ledet av fiberen 12, men de vil bli avbøyd inn i kappen 22. Dette lys vil imidlertid som vist med eksempelstrålene 24 og 26 på fig. 2 og 28 på fig. 1 bli godt ledet av kappen 22 siden brytningsindeksen n^til kappen 22 er større en brytningsindeksen n^av det omgivende materialet. Således vil pumpelyset bli ledet innenfor omgivelsene eller grensene til kappen 22 for sluttabsorpsjon av fiberen 14. Som vist på fig. 1, vil pumpelyset som er eksemplifisert ved strålen 28 bli absorbert av fiberen 14 med en hastighet som er proporsjonal med forholdet mellom veglengden gjennom fiberen 14 og den totale veglengden. Av denne grunn vil det forsås at det er fordelaktig å opprettholde omgivelsesstørrelsen til kappen 22 så liten som mulig for øke absorpsjonen pr. lengdeenhet i Nd:YAG fiberen 14.

Med henvisning til fig. 3 som viser et diagram over absorpsjonsspektret til Nd:YAG krystall ved 300°K kan det sees at Nd:YAG materialet har en relativt høy optisk tett-het og således en kort absorpsjonslengde ved valgte bølge-lengder. Av denne grunn er det fordelaktig å velge pumpelyskildene 24 og 26 (fig. 1) slik at disse emiterer stråling med disse frekvenser for derved å (a) maksimalisere absorpsjonen av pumpelyset i Nd:YAG fiberen 14, og således å tillate at lengden 16 (fig. 1) til absorpsjonsområdet kan bli så kort som mulig mens den fremdeles tillater hovedsaklig fullstendig absorpsjon av pumpelyset i forsterkerstrukturen. Fagkyndige vil forstå at det er fordelaktig å gjøre fiberen 14 så kort som mulig for å redusere forplantningstap i signalet gjennom fiberen 14. Det kan sees av fig. 3 at bølgelengden 0,58 y er best egnet for belysningskildene 24 og 26 i dette eksempel på ut-førelse selv om bølgelengdene 0,75 og 0,81 y også er re-

lativt godt egnet.

Med henvisning til fig. 5A som er et energinivådiagram for Nd:YAG krystallet vil det forståes at når pumpelys ved absorpslengden beskrevet ovenfor blir absorbert av Nd:YAG krystallet, så vil neodymioner bli eksitert fra grunnivået til pumpebandet. Fra pumpebandet relakserer ionene hurtig via fononsamvirker til det øvre lasernivå. Fra dette øvre lasernivå vil neodymionene fluoresere til det nedre lasernivå. Fra dette siste nivå vil tilslutt en hurtig fononrelaksasjon finne sted til grunnivået. Denne siste hurtige relaksasjon i et firenivålasersystem av typen vist på fig. 5A er fordelaktig siden den gir et praktisk talt tomt nedre energinivå. Denne egenskap er vist på fig. 5B hvor populasjonstetthetene i pumpebåndet, øvre lasernivå, nedre lasernivå og grunnivået er vist for en Nd:YAG fiber under kontinuerlig pumping. Siden hastig-heten til fluoresensen mellom det øvre og nedre lasernivå er relativt sakte i sammenligning med fononrelaksasjonen mellom pumpebandet og det øvre lasernivå, såvel som mellom det nedre lasernivå og grunnivået, vil populasjonstett-heten i det øvre lasernivå være vesentlig høyere enn tettheten i det nedre lasernivå, hvilket gir et høyt inversjonsforhold. Den gjennomsnittlige levetiden i det øvre lasernivå før stimulert emisjon er et 230 mikrosekunder.

Fig. 4 illusterer mer detaljert de mange energinivåer for Nd:YAG krystaller såvel som laserovergangen til dette materialet og er brukt som et eksempel i den følgende for-klaring .

Et inngangslyssignal ved laserovergangsbølgelengden (f.eks. 1,064 y ), dvs. en av bølgelengdene til lys emitert av Nd:YAG ionene under relaksasjon mellom det øvre og nedre lasernivå, forplanter seg gjennom den eksiterte laserfiber 14 (fig. 1) og vil utløse emisjonen av stimu lerte fotoner ved den samme frekvensen, koherent med signalet, og signalet blir derved forsterket. Således vil passasjen av lys ved denne frekvensen forårsake en foton-emiterende relaksasjon mellom det øvre lasernivå og det nedre energinivå på fig. 5A i fase med lyssignalet som skal forsterkes hvilket gir en effektiv forsterkning av inngangslyssignalet.

Forsterkningen som kan oppnås i forsterkeren i henhold til denne oppfinnelse er avhengig av tettheten til den inverterte neodymionepopulasjonen i Nd:YAG krystallet.

Teoretiske beregninger av forsterkningskoeffisienten for små signaler pr. lengdeenhet gQtil forsterkeren i henhold til forsterkeren i henhold til oppfinnelsen kan utføres ved å anvende forholdet gQ= aA N, hvor a er det effektive stimulerte emisjonstverrsnitt for Nd:YAG, omtrent 3,0 x 10 cm , og AN er populasjonsinversjonstettheten gitt ved:

hvor Pp er den totale pumpeenergien absorbert av signalf iberen 14, V er krystallvolumet og således Pp/V den totale absorberte pumpeenergien pr. enhet fibervolum, t^er fluoresenslevetiden til det øvre lasernivå 2 på fig. 5A, dvs. fluoresensrelaksasjonstiden på 230 mikrosekunder for neodymionene og Hvp er lik pumpefotonenergien.

Den tilgjengelige forsterking fra en forsterkerfiber med lengde L kan uttrykkes som:

Ved å kombinere ligningene ovenfor får man:

hvor A er tverrsnittsarealet for forsterkerfiberen.

Det bør forståes at verdien P p er den absorberte pumpeenergien og at en økning i lengden av fibrene ikke nød-vendigvis øker forsterkningen. Dersom således lengden av fibrene tilstrekkelig slik at pumpestrålingen som passerer gjennom Nd:YAG fiberen blir i det vesentlige fullstendig absorbert, så kan verdien P ir i denne ligning erstattes med inngangspumpeenergien. For en typisk pumpefotonbølge-lengde på 810 nm er Yq lik 0,01 dB for Pp lik en milli-watt i en enkelkrystallfiber som har en diameter på 120 y. For å oppnå nettoforsterkning må man imidlertid trekke fiberforplantningstapene ved 1,06 U som signalet er utsatt for ettersom det forplanter seg gjennom fiberen 14 fra Yg • Et fibertap på 100 dB pr. km vil redusere forsterkningen med bare 0,001 dB pr. cm. Dersom således totallengden av forsterkeren kan opprettholdes relativt kort, som ved en anordning slik mesteparten av pumpeenergien blir hovedsaklig absorbert over en kort fiberlengde, vil forplant-ningstapene i forsterkeren kunne opprettholdes på et lavt nivå.

Det er åpentbart av den forutgående beskrivelse og igjen med henvisning til fig. 1 at det er å foretrekke for på riktig måte å kunne pumpe Nd:YAG fiberen 14 at pumpekildene 24 og 26 blir drevet kontinuerlig umiddelbart før påtrykningen av et inngangssignal på fiberen 14, dvs. fortrinnsvis innenfor fluoresensrelaksasjonstiden på 230 mikrosekunder for neodymionene.

Med henvisning igjen til fig. 1 bør en merke seg at Nd:YAG fiberen 14, i området nær enden 18, 20, men utenfor kappen 22, vil lede signalet før og etter forsterkingen siden brytningsindeksen n-^er høyere enn brytningsindeksen til den omgivende luften. Det kan selvfølgelig være fordelaktig å innekle eller belegge Nd:YAG fiberen i disse om-råder for å redusere overflatetap.

På samme måte vil quartsfiberen 12 i området bak kappen 22 lede lyset fra pumpekildene 24, 26 siden dens brytningsindeks n.2 er høyere enn brytningsindeksen til den omgivende luften. Det er selvfølgelig mulig også å innekle quartsfiberen 12 i dette området for å redusere overflatetap så lenge brytningsindeksen til kledningen som anvendes i området bak endene av kappen 22 er lavere enn brytningsindeksen til quartz.

Det vil sees at pumpelyset fra kilden 22 til å begynne med vil ha en tendens til å bli absorbert nær enden 18 i for-sterkersystemet, og således vil lengden av fiberen 14 kunne være ulikt belyst av kilden 24. Således vil den inverterte populasjonen av neodymioner kunne være ulikt fordelt langs lengden 16. Følgelig kan det være fordelaktig å pumpe quartzfiberen 12 ved begge ender samtidig med pumpekildene 24 og 26 for å sikre at den inverterte neodymionepopulasjonen er symmetrisk langs lengden 16. Pumping fra begge ender vil også gi mer pumpeenergi i kappen 14 og således mer forsterking.

En bør også merke seg at pumpelyset som mates fra pume-kildene 24 og 26 til Nd:YAG fiberen 14 bør være tilstrekk-elige til på en kontinuerlig basis å erstatte den uttømte populasjonen i fiberen 14 som vil opptre når signalene blir forsterket. I et gyroskop hvor et pulssignal sirku-lerer gjennom en km av fibermaterialet vil således f.eks. de motforplantende signalene gjennomløpe forsterkeren, vist på fig. 1, omtrent en gang for hver fem mikro sekunder. Dersom kontinuerlige pumpekilder 24 og 26 blir brukt bør disse gi tilstrekkelig utgangsenergi slik at de under hver periode på 5 mikrosekunder er i stand til å reinvertere neodymionepopulasjonen som har relaksert under hvert sukksesivt gjennomløp av signalene, for å reinvertere en populasjon som er lik den som har relaksert, slik at det forsterkerens forsterking slik denne påvirker signalene vil forbli konstant.

Kappen 22 danner et hulrom med høy Q faktor hvilket tillater at en enkel pumpestråler kan gjøre omtrent 100 reflekterende passasjer gjennom Nd:YAG fiberen 14 på en lengde av omtrent 2 cm. Selv om den laterale bane eller veglengden til en enkel stråle gjennom Nd:Yag fiberen 14 er vesentlig kortere enn absorpsjonslengden i dette materiale vil således de mange passasjer tillate absorpsjonen av en vesentlig del av pumpekildelyset i Nd:YAG fiberen 14.

En bør også merke seg at strukturen eller oppbygningen vist på fig. 1 bør frembringe en osillator eller lyskilde ved laserfrekvensen til Nd:YAG fiberen dersom endene 18 og 20 er utstyrt med egnede speil. Ved således å plassere et speil på enden 18 av fiberen 14 som reflekterer nesten 100% av lyset ved laserf rekvensen og ved å plassere et andre speil på enden 20 av fiberen 14 som reflekterer en lavere prosentdel av lyset ved den samme frekvensen, vil strukturen vist på fig. 1 kunne bli brukt som en fiber-laserkilde med koherente lysbølger reflektert frem og tilbake gjennom lengden 16 i fiberen 14 idet lyset blir emitert gjennom det delvis reflekterende speilet på enden 20 som koherente bølgefronter av lys ved laserfrekvensen for fiberen.

Når strukturen vist på fig. 1 blir brukt som en laserkilde, kan pumpekildene 24 og 26 gi et konstant lysutbytte ved pumpebølgelengden, i hvilket tilfelle et konstant kon tinuerlig lysutbytte vil frembringes av fiberkilden. Dersom det på den annen side pumpelyset fra lyskildene 24 og 26 blir modulert, kan et modulert utgangssignal bli produ-sert i strukturen på fig. 1.

Som det vil sees av beskrivelsen ovenfor vil et egnet valg av materiale for å frembringe brytningsindekser som vil lede signalet som skal forsterkes i signalfiberen 14, men lede pumpelyset bare innenfor totalomhyllingen 22 av for-sterkersystemet i et lite forsterkningssystem med en rela-tiv høy forsterkning i hvilket flere refleksjoner innenfor en totalhulromstruktur tillater sidepumping av Nd:YAG fiberen 14 selv om diameteren til denne fiber 14 er vesentlig kortere enn absorpsjonslengden til Nd:YAG materialet ved pumpebølgelengden.

Som vist på fig. 6 omfatter pumpekildene 24, 26 (fig. 1) hver en konusformet stang 50 som er dannet av f. eks. amorftquartz (smeltet silisium), som avsmaler fra en bred ende 52 til en smal ende 54. Et stangparti med fiber-størrelse rager ut fra den lille enden 54 og i den foretrukne utførelse omfattet dette stangparti pumpefiberen 12 (fig. 1). Alternativt kan den lille enden 54 være butt-koplet til en separat fiber som tjener som fiberen 12. Som et spesielt eksempel kan den brede enden 52 ha en diameter på omtrent 2 mm, den smale enden 54 (og fiberen 12) kan ha en diameter på omtrent 200 V; og lengden av den avsmalende delen 56 mellom endepartiene 52 og 54 kan være omtrent 1 cm; og avsmalingsvinkelen 0 kan være omtrent 5 grader. Det vil sees at tegningene ikke er utført i skala, men de tjener bare til illustrasjonsformål. Den konusformede stangen 50 kan være fremstilt ved å anvende en quartzstang som har en diameter som er lik diameteren til den brede endedelen 52. Stangen blir oppvarmet i en høytemperaturflamme og trukket hurtig fra hverandre hvilket reduserer en del av stangen til en diameter med fiberstørrelse for å gi pumpefiberen 12. Den brede enden av stangen blir så delt for å gi en planar flate 58 ved endedelen 52 og denne flate 58 blir polert. Denne prosess er således lik prosessen som vanligvis anvendes for å forme pipetter. Fagkyndige vil forstå at mer sofistikert fremstillingsteknikker også er tilgjengelige.

Som vist på fig. 6 er flere lyskilder 60 montert på den plane endeflaten 58 av stangen 50. Med henvisning til fig. 7 omfatter hver av lyskildene 60 en mikrolinse 62 og en miniatyrisert lysemiterende innretning 64, fortrinnsvis en høyenergi laserdiode, som frembringer lys i høyabsorps-sjonsområdene vist på fig. 3, såsom området ved 800 nm. Som det er vel kjent på området er mikrolinser ekstremt små optiske glass-stenger som har fokiserende egenskaper p.g.a. gradienter i brytningsindeksen fra senter mot periferien. De er tilgjengelige i forskjellige lengder, diametere, brennvidder og aksepteringsvinkler under merke-navnet Selfoc Microlenses fra Nippon Sheet Glass Company, Ltd., New Jersey Office, 136 Central Avenue, Clark, New Jersey. Laserdioden 64 er montert på mikrolinsen 62 ved laserdiodeknutepunktet tett mot inngangsflaten til linsen 62 og linseegenskapene er således valgt at de kollimerer lyset som produseres av laserdioden 64. Monteringen av laserdioden 64 på linsen 62 kan utføres ved hjelp av et hvert egnet middel, så som et limstoff eller en mekanisk monteringsinnretning. Linsen kan i sin tur være montert på flaten 58 av den konusformede stangen 50, f.eks. ved hjelp av optisk sement. Dersom det er ønskelig kan flere laserdioder 64 være "stablet" på en enkelt linse 62 for ytterligere å øke energien. I et slikt tilfelle kan diodene være plassert oppå hverandre slik at lengdesidene til diodene berører hverandre. Mens tegningene viser tre slike lyskilder 60 montert på den konusformede stangen 50 vil det videre være klart at med flere eller færre kilder 60 kan anvendes.

Som vist på fig. 8 vil lys ettersom det entrer den konusformede stangen 50 gjennomgå flere totale interne refleksjoner for derved å bli fokusert og kompremert før det koples inn i fiberen 12. For å tidliggjøre illustra-sjonen er bare en enkel stråle 68 vist mens den entrer stangen 50 på fig. 8. Det vil sees av fig. 8 at på grunn av den avsmalede geometrien til den konusformede stangen 50 ufører strålen 68 totale interne refleksjoner ved suksessivt større innfallsvinkler med hensyn til veggen til konusen 50 inntil strålen 68 entrer fiberen 12 hvor innfallsvinkelen vil stabilisere seg. Slik stabilisering av innfallsvinkelen skyldes det faktum at diameteren til fiberen 12 er lik over hele lengden. Fagkyndige vil forstå at uttrykket "innfallsvinkel" definerer vinkelen mellom strålen og en linje trukket normalt på konusveggen ved innfallspunktet for strålen. Konusvinkelen G og ko-nuslengden bør fortrinnsvis velges slik at innfallsvinkelen etter som lys passerer gjennom konusen 50 fra enden 52 til enden 54 alltid er større enn den kritiske vinkelen (dvs. vinkelen ved hvilken strålen ikke lenger blir total-reflektert), slik at hovedsaklig alt lyset som entrer den brede enden 56 av konusen 50 vil bli koplet til fiberen 12. Generelt avhenger den nødvendige konusvinkel av forholdet mellom arealet til inngangsendeflaten 58 i for-hold til tverrsnittsarealet til enden 54 med fiber-størrelse, slik som differansen i indeksen av refraksjon mellom konusen 50 og det omgivende medium (f.eks. luft). Matematiske teknikker for å beregne konusvinklende er vel kjent på området og er f.eks. beskrevet i "Fiber Optics; Principles and Applications, av N. S. Kapany, Academic Press (1967), sidene 18-22". Således fokuserer den konusformede stangen i virkeligheten det kollimerte lyset som innmates av lyskildene 60 (fig. 7) inn i den smale enden 54, og derfor sammentrykkes lyset som er generert av laserdiodene inn i pumpefiberen 12 og derved økes pumpe-energitettheten i fiberen 12.

Dersom de spesielle diodene som anvendes som laserdioder 64 har en lav grad av rommelig koherens eller er av multimoditypen, vil det generelt være upraktisk å gjøre lengden av emiteringsarealet (dvs. dimensjonen parallelt med laserdiodeknutepunktet) mye større enn radiusen til enden 54 med fiberstørrelse; ellers vil strålingstap kunne finne sted p.g.a. difraks jon forårsaket av den rommelige inkoherens eller p.g.a. blandt høyere ordensmodi blir ikkeledet. Uheldigvis er dagens kommersielt tilgjengelige høyenergi diodelasere vanligvis enten multimodi eller de har relativt dårlig rommelig koherens, eller begge deler. Det er forventet at denne situasjonen vil unngås ettersom fremskritt blir gjort i laserteknologien.

Med henvisning til figurene 6 og 7 vil det bli forstått at laserdiodene 64 kan anvendes uten en kollimeringslinse 62 slik at lys blir innmatet i konusen 50 direkte fra diodene 64. Et slikt tilfelle vil imidlertid transmisjonstapene vanligvis være større enn med en kollimeringslinse siden laserdioder generelt emiterer lys i et divergerende mønster, og de divergerende strålene kan overskride den kritiske vinkelen med hensyn til veggene til konusen 50 og derved forårsakes strålingstap. Prøver har vist at med ukollimerte inngangsstråler (ingen mikrolinse), vil transmisjonen gjennom konusen (dvs. delen av inngangslys som koples til enden 54 med fiberstørrelse) ikke være mer enn omtrent 10%, mens for kollimert lys (med mikrolinse) vil transmisjonen bli økt til omtrent 70%. Således er anvend-elsen av den kollimerende mikrolinse 62 i kombinasjon med laserdiodene 64 høyst fordelaktig.

Det kan også være å foretrekke å montere lyskildene 60 ved steder på flaten 58 som er forskjøvet fra senteraksen 72 til den konusformede stangen 50 for å kunne eksitere høyere ordensmodi. Det vil forstås av strålingsdiagrammet på fig. 8 at stråler som entrer flaten 58 nær periferien til den brede endedelen 56 (dvs. strålen 68) vil ha høyere innfallsvinkel ved tidspunkter når de når enden 54 med fiberstørrelse enn korresponderende stråler (ikke vist) som blir innmatet nærmere senteraksen 72. I henhold til stråleteori vil slike økede innfallsvinkler indikere høyere ordensmodi. Slike høyere ordensmodi kan være fordelaktige for å eksitere Nd:YAG fiberen på fig. 1 siden strålene (dvs. strålen 28) vil foreta et økt antall refleksjoner og således et økt antall passasjer gjennom forsterkerfiberen 14 etter som den forplanter seg fra en ende av forsterkerstrukturen til den andre.

For ukollimert lys (ingen mikrolinse) vil transmisjonen gjennom den konusformede stangen 50 vise seg å være hovedsaklig uavhengig av lokaliseringen av laserdioden på flaten 58. I et eksperiment ble det imidlertid funnet at for kollimert lys (med mikrolinsen 62) økte transmisjonen gjennom den konusformede stangen til et maksimum når lyskilden 60 ble forflyttet bort fra konusaksen 72 mot periferien av endedelen. Den optimale transmisjonsposisjonen kan finnes ved å forskyve lyskildene 60 radielt utover fra konusaksen 72 på flaten 58 inntil energitransmisjonen slik denne måles ved endedelen 54 er ved et maksimum. Denne kilde 60 kan så monteres permanent i denne posisjon. Den samme prosess kan anvendes for å lokalisere de andre kildene 60 i tillegg vil det for optimal transmisjon når diodene 64 er forskjøvet fra aksen 72 være å foretrekke at hver diode 64 orienteres slik at den maksmale dimensjonen (dvs. lengden) til dens emiterende areal ligger normalt på en imaginær radiell linje 80 på den plane flate 58 som passerer gjennom aksen 72.

Den konusformede stangen 50 tillater således at en stor mengde optisk energi kan bli koplet til pumpefiberen 12, spesielt når en slik stang 50 ble brukt i kombinasjon med høyenergi laserdioder og kollimerende mikrolinser. Slik høy optisk pumpeenergi øker eksitasjonen av Nd:YAG krystallet 14 og derved økes forsterkningen.

I en alternativ utførelse av den sidepumpede forsterkeren i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan fiberen 12 bli brukt uten kappen 22 for direkte å kople inngangslys inn i forsterkerfiberen 14. Følgelig viser figurene 9 og 10 skjematisk en alternativ utførelse av en forsterker-struktur som ikke anvender kappen 22 på fig. 1 og 2, men avhenger istedet av forskjellen mellom brytningsindeksen til Nd:YAG fiberen 14 og quartzfiberen 12 på den ene side, og brytningsindeksen til den omgivende luften på den annen side, for å lede pumpelyset og signallyset i systemet. I denne utførelse er både fiberen 14 og fiberen 12 til den konusformede stangen 50 polert langs en overflate, (dette fremgår best på fig. 9), for å gi plane ytre overflater 34 og 36 som ligger mot hverandre over en lengde 90 (fig. 10) med ønsket samvirke, (som korresponderer til lengden 16 på fig. 1), for å gi et samvirkeområde langs en slik lengde 90.

Med arrangementet vist på fig. 9 og 10 bør brytningsindeksen til Nd:YAG fiberen 14 være høyere enn brytningsindeksen til quartzstangen 50 slik at signalet som skal forsterkes blir godt ledet i fiberen 14 av både fiberluft-grensesnittet og fiberquarzgrensesnittet. På en annen side vil pumpesignalet i fiberen 12 bli ledet over den delen av omkretsen som grenser mot den omgivende luften, men det vil være ikke-ledet ved overflaten 36 og vil således forplante seg inn i Nd:YAG fiberen 14 for å pumpe neodymionene i denne fiber 14. Det vil også sees at ut-førelsen vist på fig. 9 og 10 selvfølgelig også kan være utstyrt med en omgivende kappe, såsom kappen 22 på fig. 2, hvor kappen har en lavere brytningsindeks enn både quarz-stangen 50 og Nd:YAG fiberen 14. Denne omgivende kappe vil ikke endre den grunnleggende arbeidsmåte for innret-ningen, men vil eliminere overflatespredning forårsaket av overflateuregelmessigheter.

Claims (11)

1. Fiberoptisk forsterker, karakterisert ved : en første fiber (12) som har en første brytningsindeks; en andre fiber (14), dannet av et lasermateriale som har en andre brytningsindeks høyere enn nevnte første brytningsindeks, og nevnte fiber (12,14) er anordnet tett inntil hverandre for å danne et samvirkeområde (16) for å overføre lys fra nevnte første fiber (12) til nevnte andre fiber (14); en konusformet stang (50), som omfatter: en første ende (54) med fiberstørrelse for å innmate lys inn i en annen ende av nevnte første fiber (12); en andre ende (52) som har en diameter som er vesentlig større enn nevnte første ende (54); flere pumpelyskilder (60), montert for å innmate pumpelys inn i nevnte andre ende (52), idet nevnte konusformede stang fokuserer pumpelyset fra nevnte andre ende (52) til nevnte første ende (54) med fiberform for å innmate inn i nevnte første fiber (12) og for forplantning gjennom nevnte første fiber (12) til samvirkeområdet (16) for å pumpe nevnte andre fiber (14) og forårsake en elektronisk populasjonsinversjon i nevnte lasermateriale; og nevnte pumpelyskilder (60) er for-skjøvet fra aksen (72) til nevnte konusformede stang (50) for å eksitere høyere ordensmodi i nevnte første fiber (12) for å øke absorpsjonen av pumpelyset av nevnte lasermateriale til nevnte andre fiber (14).

2. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte konusformede stang (50) og nevnte første fiber (12) er integrert tildannet av det samme materialet.

3. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte første fiber (12) og nevnte andre fiber (14) hver innbefatter respektive plane overflater (34,36) langs i det minste en del av sine lengder, i det nevnte plane overflater (34,36) er ført sammen for å danne samvirkeområdet.

4. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte lyskilder (60) frembringer hovedsaklig kollimert lys.

5. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte lyskilder (60) omfatter: en laserdiode (64); og en kollimerende mikrolinse (62) anordnet mellom nevnte laserdiode (64) og nevnte andre ende (52).

6. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 2, karakterisert ved : en andre konusformet stang (50), som omfatter: en første ende (54) med fiberstørrelse for å innmate lys inn i den andre enden av nevnte første fiber (12); en andre ende (52) som har en diameter som er vesentlig større en nevnte første ende (54) til nevnte andre stang (50); og flere andre pumpelyskilder (60) for å innmate pumpelys inn i nevnte andre ende (52) av nevnte andre stang (50) idet nevnte andre konusformede stang (50) fokuserer nevnte lys inn i nevnte første ende (54) med fiberstørrelse av nevnte andre stang (50) for innmating inn i nevnte andre ende av nevnte første fiber (12) og for forplantning gjennom nevnte første fiber (12) til samvirkeområdet (16) for å pumpe nevnte andre fiber (14) og forårsaker en elektronisk populasjonsinversjon i nevnte lasermateriale.

7. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte laserdiode (64) er orientert slik at dens lengdedimensjon ligger normalt på en radiell linje (80) som passerer gjennom aksen (72) til nevnte konusformede stang.

8. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte stang (50) består av glass og nevnte andre optiske fiber (14) består av Nd:YAG.

9. Fiberoptisk forsterker, som angitt i krav 5, karakterisert ved at lengden av det emiterende arealet til nevnte laserdiode (64) ikke er større en radiusen til nevnte første fiber (12).

10. Fremgangsmåte for å pumpe en optisk fiber dannet av lasermateriale, karakterisert ved : mating av pumpelys til en ende (52) av en konusformet stang (50) ved å montere flere lyskilder (60) ved respektive lokaliseringer utenfor den sentrale aksen (72) til nevnte konusformede stang (50) for å eksitere høyere ordensmodi ved den andre enden (54) av nevnte konusformede stang (50); og optisk kopling av den andre enden (50) av nevnte konusformede stang (50) for å pumpe lasermaterialet til nevnte optiske fiber (14).

11. Fremgangsmåte for å pumpe en optisk fiber, som angitt i krav 10, karakterisert ved at trinnet med å mate pumpelys omfatter: plassering av en kollimerende mikrolinse (62) mellom en laserkilde (64) og nevnte ene ende (52) til nevnte stang (50) for å kollimere nevnte pumpelys.