DE19535809A1 - Frequenz-Chirp-Steuerung und -Kompensation zum Erreichen ultrakurzer optischer Impulse von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge - Google Patents

Frequenz-Chirp-Steuerung und -Kompensation zum Erreichen ultrakurzer optischer Impulse von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge

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Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf optische Signalverarbeitung und insbesondere auf ein Verfahren und Ge­ rät zum Steuern und Kompensieren von Chirp-Nichtlinearitäten hoher Ordnung in einem optischen Signal.
Ein bandbreitenbeschränkter Impuls bzw. Impuls mit beschränk­ ter Bandbreite ist der kürzeste Impuls für ein gegebenes Spektrum, und er ist dadurch gekennzeichnet, daß all seine Spektralkomponenten zeitlich überlappen (die selbe Phase ha­ ben). Die Dauer Δτ eines Impulses mit beschränkter Band­ breite ist umgekehrt proportional zur Breite seines Frequenz­ spektrums Δv : Δτα 1/Δv. Impulse mit nicht beschränkter Bandbreite haben ein Frequenz-Chirpen, welches kompensiert werden muß, wobei Impulse mit beschränkter Bandbreite erhal­ ten werden. Die vorliegenden Kompensationstechniken betreffen hauptsächlich Impulse von modenverkoppelten Lasern. In moden­ verkoppelten Lasersystemen wird Chirp-Steuerung und -Kompen­ sation erreicht, indem dispersive Verzögerungsleitungen in­ nerhalb und außerhalb des Laser-Resonators verwendet werden. Für diesen Zweck werden Prismen, Beugungsgitter, Gires- Tournois-Interferometer oder Vielschicht-Spiegel innerhalb oder außerhalb des Laser-Resonators verwendet. Von einem Beispiel für Chirp-Kompensation wird bei Fork et al., Opt. Lett. 12, 483 (1987) berichtet, welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist. Ein Beugungsgitterpaar und eine Vier-Prismenanordnung außerhalb des Lasers wurden jeweils bei einer Dispersion erster und zweiter Ordnung von ∼1000 fs² und ∼1000 fs³ verwendet, um das lineare und quadratische Frequenz-Chirpen zu kompensieren. Ein weiteres Beispiel bei A. Stingl et al., Opt. Lett. 19, 204 (1994), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, berichtet von der Verwendung von speziell gestalteten Vielschicht-Spiegeln zum Kompensie­ ren des Frequenz-Chirpens innerhalb des Resonators eines modenverkoppelten Ti : Saphir-Lasers. Dadurch wird die Beseitigung von Chirpen erster Ordnung zugelassen. Die Größe der Dispersion ist ∼50 fs² und reicht aus, um Impulse mit beschränkter Bandbreite von < 14 fs mit einer spektralen Breite von < 60 nm zu erreichen. Das letzte Ergebnis dieser Techniken war die Erzeugung der kürzesten optischen Impulse, die nur 6 bis 10 fs lang sind und nur wenige optische Zyklen enthalten.
Wie bei Galvanauskas et al., El. Lett. 27, 2394 (1991), wel­ ches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, Galvanauskas et al., Appl. Phys. Lett. 63, 1742 (1993), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, und Galvanauskas et al., Opt. Lett. 19, 1043 (1994), welches hiermit durch Bezugnahme enthalten ist, diskutiert, hat die neueste Entwicklung von kompakten, abstimmbaren Lasern (z. B. Laserdioden mit verteilter Bragg- Reflektion vom Drei-Abschnittstyp, Laserdioden mit verteilter Rückkopplung vom Drei-Abschnitts-Typ, Laserdioden mit ab­ stimmbarer Doppel-Wellenführung ("tunable twin guide"), Laserdioden mit vertikaler Kopplung ("vertical-coupler"), Laserdioden mit gekoppelten Resonatoren ("coupled-cavity"), usw.) die Entwicklung einer neuen Technik zur Erzeugung kur­ zer Impulse ausgelöst. Bei dieser Technik wird die schnelle Abstimmung der Emissionswellenlänge eines abstimmbaren Lasers verwendet, damit man Impulse mit breiter Bandbreite erhält, die auf ultrakurze Dauern komprimiert werden können. Systeme unter Verwendung dieser Technik haben eine Anzahl von Eigen­ schaften, wie beispielsweise Robustheit, Kompaktheit, Zuver­ lässigkeit, beliebige Impulswiederholungsrate, hohe Impuls­ energien und relativ niedrige Kosten, die sie zu einer inter­ essanten und vielversprechenden Alternative zu den her­ kömmlichen modenverkoppelten Lasern machen. In der Vergangen­ heit war die gezeigte Bandbreite bei kontinuierlicher Abstim­ mung ∼10 nm. Der potentielle Abstimmbereich ist jedoch so breit wie die Verstärkungsbandbreite des Lasermaterials und kann 100 nm überschreiten, was einer bandbreitenbeschränkten Dauer von weniger als 100 fs entspricht.
Der potentielle breite Abstimmbereich ist bis jetzt nicht vollständig ausgenutzt worden, da die Chirp-Nichtlinearität der Impulse von einem abstimmbaren Laser hoch ist, und den konventionellen Techniken gelingt es nicht, solch ein Chirpen zu kompensieren. Bei Galvanauskas et al., Opt. Lett. 19, 1043 (1994) wurde experimentell gezeigt, daß Impulse mit nur 1 bis 2 nm Bandbreite herunter zu der Bandbreitengrenze (∼2 ps Im­ pulsdauer) komprimiert werden können, wenn eine Drei-Ab­ schnitts-DBR-Laserdiode und eine Beugungsgitterpaar-Kom­ pressionseinrichtung verwendet werden. Mit zusätzlicher nichtlinearer Kompression konnten diese Impulse weiter bis zu 230 fs verkürzt werden, aber die Qualität der Impulse geht verloren, so daß ein breiter Rausch-Hintergrund und Satelli­ ten-Impulse erscheinen.
Mit den schnellen Abstimmtechniken werden chirp-modulierte Impulse bzw. chirped Impulse direkt von einem abstimmbaren Laser erzeugt und außerhalb des Laser-Resonators komprimiert, wie in Fig. 1 gezeigt. Im allgemeinen enthält ein kontinu­ ierlich abstimmbarer Laser ein Verstärkungselement, einen Phasen-Modulator, um die Emissionsfrequenz zu verschieben, und einen abstimmbaren Schmalband-Filter, um nur eine longitudinale Mode in dem Resonator zuzulassen. Um schnelle Abstimmung zu erreichen, sollte der Laser-Resonator ausrei­ chend kurz sein und die Geschwindigkeit des Phasen-Modulators und des abstimmbaren Filters sollten ausreichend hoch sein. Die Chirp-Dauer kann ∼1 ns sein, so daß die Kompression mit einer dispersiven Verzögerungsleitung (z. B. Beugungsgittern oder einer optischen Standard-Faser) einfach ist. Solch eine Geschwindigkeit kann durch optische Einrichtungen erzielt werden, siehe A. Galvanauskas et al., Appl. Phys. Lett. Bd. 63, S. 1742 bis 1744, 1993.
Ein Beispiel ist eine abstimmbare Drei-Abschnitts-Laserdiode, die in Fig. 2a gezeigt ist. Weitere mögliche abstimmbare Strukturen sind auch in den Fig. 2b-f gezeigt, die sich voneinander durch die Kombination der drei Grund-Komponenten unterscheiden. Gegenwärtig sind alle vorliegenden Strukturen, deren Wellenlänge schnell abgestimmt werden kann, Halbleiter- Laserdioden. Wellenlängen-Abstimmung wird durchgeführt, indem man den Brechungsindex des Halbleitermaterials entweder durch Variieren der Ladungsträgerkonzentration (Ladungsträger-In­ jektion) variiert, oder indem man den elektrooptischen Effekt verwendet. Im Prinzip können auch weitere Typen von abstimm­ baren, kompakten Laserstrukturen, z. B. Faserlaser mit kurzem Resonator, Wellenleiterlaser und kompakte Festkörperlaser entwickelt werden, unter Verwendung von integrierten elektro­ optischen, Ladungsträger-Injektions- oder weiteren Typen von elektrisch gesteuerten Modulatoren und Filtern.
Es ist nützlich, die Chirp-Nichtlinearität zu definieren. Die momentane Frequenz eines chirp-modulierten bzw. chirped Im­ pulses kann in einer Potenzreihe entwickelt werden:
ω(t) = ω₀ + ω₁t + ω₂t² + ω₃t³ + . . . (1)
Hier ist ω₀ die Zentralfrequenz des Impulses, bei der für einen Impuls mit beschränkter Bandbreite gelten sollte:
ω(t)ω₀. Weitere Terme, die bei einem Impuls mit beschränkter Bandbreite nicht vorhanden sein sollten, entsprechen jeweils der ersten, zweiten und höheren Ordnung des Frequenz-Chirpen.
Wenn die chirp-modulierten Impulse, die durch die schnelle Abstimmung erzeugt werden, nur den linearen Term ₁t in der Zerlegungsgleichung (1) hätten, wäre es einfach, bandbreiten­ beschränkte Impulse mit jeder linearen dispersiven Verzöge­ rungsleitung zu erhalten. Eine Anzahl von Vorgängen innerhalb des Resonators eines abstimmbaren Lasers fügen jedoch Chirp- Terme höherer Ordnung hinzu, und typischerweise sind die Größen dieser Terme zu groß, als daß sie durch Standardeinrichtungen kompensiert werden könnten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, neue Techniken zum Kompensieren des nichtlinearen Frequenz-Chirpen von einem schnell abgestimmten Laser einzuführen.
Es ist weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die Erzeugung von Impulsen mit viel kürzeren Dauern als zuvor zu sorgen.
Es ist weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bandbrei­ tenbeschränkte Impulse mit Spektren zu erhalten, die den vollständigen Abstimmbereich eines abstimmbaren Lasers ent­ halten.
Die vorliegende Erfindung löst diese und weitere wichtige Aufgaben, indem sie das Chirpen steuert und Chirp-Nichtli­ nearitäten höherer Ordnung kompensiert, indem sie die nicht­ lineare Frequenz-Abstimmung und/oder speziell gestaltete nichtlinear dispersive Elemente innerhalb oder außerhalb des Laser-Resonators verwendet.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beglei­ tenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Veranschaulichung der Erzeugung von ultrakurzen Impulsen unter Verwendung von schneller Wellenlängenabstim­ mung ist;
Fig. 2a-f zahlreiche Laserstrukturen zeigen, die für die schnelle Wellenlängenabstimmung geeignet sind;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung für die Steuerung und Kompensation von Frequenz-Chirpen ist;
Fig. 4 ein Beispiel eines elektrischen Integrators mit brei­ ter Bandbreite zeigt;
Fig. 5a eine graphische Darstellung von Beispielen für zusammengesetzte quadratische elektrische Wellenformen ist;
Fig. 5b eine graphische Darstellung von Beispielen für zusammengesetzte kubische elektrische Wellenformen ist;
Fig. 6 ein Blockdiagramm ist, das eine Anordnung zeigt, um die beliebig geformte elektrische Wellenform zu erhalten.
Fig. 7a zeigt den Effekt eines linear chirp-modulierten Bragg-Gitters ("linearly chirped Bragg grating") auf das Chirpen von reflektierten Impulsen; und
Fig. 7b zeigt den Effekt eines nichtlinear chirp-modulierten Bragg-Gitters ("nonlinearly chirped Bragg grating") auf das Chirpen von reflektierten Impulsen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht die allgemeine Anordnung der bevorzugten Ausführungsform aus einer Steuerung 12, einem abstimmbaren Laser 10 und dispersiven Komponenten entweder innerhalb oder außerhalb des Laser-Resonators wie beispiels­ weise der Chirp-Kompensationsstruktur 11. Der abstimmbare Laser 10 umfaßt einen Schmalband-Reflektionsfilter 1, Phasenmodulator 2 und Laser-Verstärkungsmaterial 3, während die Chirp-Kompensationsstruktur 11 eine nichtlineare Dispersionskomponente 4 und eine linear dispersive Kompressionseinrichtung 5 hat.
Bei Galvanauskas et al., El. Lett. 27, 2394 (1991) und Galvanauskas et al., Appl. Phys. Lett. 63, 1742 (1993) wurde schnelle Abstimmung unter Verwendung von elektrischen Nanose­ kunden-Impulsen mit einer Sub-Nanosekundenanstiegszeit ge­ zeigt. Um das nichtlineare Frequenz-Chirpen zu steuern, muß komplexere elektrische Abstimmung erzielt werden. Für eine elektrisch abgestimmte Vorrichtung sollte die Abstimmspannung die folgende Form haben:
V(t) = a₀ + a₁t + a₂t² + a₃t³ + . . . (2)
Dann können durch geschickte Auswahl der Größen der Terme in Gleichung (2) die nichtlinearen Terme bei der Chirp-Entwick­ lung (1) kompensiert werden.
Die durch Gleichung (2) dargestellte erforderliche Wellenform zum Steuern der Chirp-Nichtlinearitäten kann mit speziell ge­ stalteten Impuls-Formungstechniken erzielt werden. Zuerst sollten elektrische stufenförmige Impulse mit sehr schnellen Anstiegszeiten und einer längeren Dauer erzeugt werden, wie beispielsweise elektrische Impulse mit 300 bis 600 ps An­ stiegszeit und 2 bis 3 ns Dauer. Dann können elektrische In­ tegratoren mit breiter Bandbreite verwendet werden, um die elektrische Wellenform zu formen. Durch Schalten von Integra­ toren in Reihe kann jeder erwünschte Term in der Entwick­ lungsgleichung (2) erhalten werden. Beispielsweise wird durch Integrieren eines stufenförmigen Impulses ein linearer An­ stieg erhalten; durch Integrieren dieses linearen Anstiegs wird ein quadratischer Anstieg erzeugt usw.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für einen Integrator mit breiter Bandbreite, der eine Schaltung mit einem Kondensator 41 ist, der parallel mit einer koaxialen Transmissionsleitung 42 ge­ schaltet ist. Für 0,5 bis 2 ns Impuls-Formung sollten die Ka­ pazitätswerte in einem Bereich von ∼1 bis 20 pF liegen. Fig. 5 zeigt Beispiele für quadratische und kubische elektri­ sche Wellenformen, die experimentell mit solchen Integratoren erhalten werden, wo die idealen berechneten Wellenformen im wesentlichen mit den experimentellen Ergebnissen übereinstim­ men.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Verwirklichung einer praktischen Wellenform-Formungsvorrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung. Elektrische Nanosekunden-Impulse mit einer schnellen Anstiegszeit werden mit einem Impulsgenerator er­ zeugt und in eine Anzahl von Kanälen 22 bis 25 geteilt, so daß die Anzahl an Kanälen 22 bis 25 gleich der Anzahl der er­ forderlichen Korrektur-Ordnungen ist. Jeder der Kanäle 23 bis 25 enthält Integratoren 26 bis 31, die in Reihe geschaltet sind, so daß die Anzahl der Integratoren 26 bis 31 die Kor­ rektur-Ordnung bestimmt, für deren Steuerung ein spezieller Kanal 23 bis 25 verwendet wird. Die schließliche Wellenform wird erhalten, nachdem man alle Wellenformen von jedem Kanal 22 bis 25 zu einem kombiniert, nach einer geeigneten Verstär­ kung durch die Verstärker A, wobei dieses Signal dann als An­ triebssignal für die Laserquelle verwendet wird. Wellenformen können mit Standard-RF-Leistungsteilern 20 und -Kombinations­ vorrichtungen 21 geteilt und kombiniert werden. Durch Steuern der Größe des elektrischen Signals in jedem der Kanäle unter Verwendung der Verstärker A wird die Größe von jeder Chirp- Nichtlinearität gesteuert.
Diese Technik der elektrischen Chirp-Kompensation wurde expe­ rimentell bestätigt. Frequenz-chirp-modulierte Impulse ("frequency chirped") mit einer Wellenlängenbandbreite von 4 nm wurden in einer Drei-Abschnitts-DBR-Laserdiode, wie in Fig. 2a gezeigt, erzeugt. Lineares Chirpen wurde mit einem Beugungsgitterpaar kompensiert, und das verbleibende Chirpen wurde mit einem Spektrometer und einer Nachziehkamera ("streak camera") gemessen. Es wurde geschätzt, daß, um das verbleibende quadratische Chirpen zu kompensieren, wenn keine elektrische Steuerung der Chirp-Nichtlinearität verwendet wurde, eine Dispersion von ∼10¹² fs³ erforderlich gewesen wäre. Chirp-Komponenten höherer Ordnung müssen in diesem Fall auch kompensiert werden. Als die geeignete elektrische Wel­ lenform unter Verwendung einer Konstruktion wie in Fig. 6 erzeugt wurde und verwendet wurde, um das Chirpen zu steuern, wurden Chirp-Komponenten mit einer höheren Ordnung als zwei unter die Auflösungsgrenze der Messungen reduziert, und die Größe des quadratischen Chirpen wurde um einen Faktor von ∼100 verringert. Die geschätzte quadratische Dispersion, die erforderlich ist, um dieses Chirpen zu kompensieren, war ∼10¹⁰fs³, was mit einer Standard-Kompensationsanordnung er­ halten werden kann.
Es gibt weitere Techniken zum Erzeugen von beliebig geformten elektrischen Picosekunden- bis Nanosekunden-Wellenformen. Beispielsweise kann eine Sequenz von kurzen (Picosekunden-) Impulsen erzeugt werden, und die Größe von jedem Impuls kann gesteuert werden, um die abgetastete bzw. getastete Version der erforderlichen Wellenform zu erhalten. Dann kann durch Leiten dieser Sequenz durch einen Filter eine kontinuierliche Wellenform erhalten werden.
Für die optische Chirp-Kompensation können dispersive opti­ sche Komponenten zum Kompensieren der Frequenz-Chirp-Nichtli­ nearitäten außerhalb oder sogar innerhalb des Laser-Resona­ tors verwendet werden. Optische Einrichtungen können als ein Zusatz zu der elektrischen Steuerung verwendet werden, um ge­ nau das verbleibende Chirpen zu beseitigen, oder als die Haupt-Kompensationskomponente. Wenn zusätzlich zu der elek­ trischen Steuerung verwendet, werden die Anforderungen an die Kompensationsgröße und die Anzahl der Ordnungen vereinfacht, und herkömmliche Verfahren mit Beugungsgittern, Prismen, In­ terferometern oder Vielschicht-Spiegeln können verwendet wer­ den.
In dem zweiten Fall, wenn dispersive optische Komponenten als Hauptkompensations-Komponente(n) verwendet werden, sind neue dispersive Komponenten mit steuerbarer und großer nichtli­ nearer Dispersion erforderlich. Dies kann beispielsweise un­ ter Verwendung eines Bragg-Gitters verwirklicht werden. Zum Kompensieren von linearem Chirpen können linear chirp-modu­ lierte faserinterne Bragg-Gitter verwendet werden, wie bei Oulette, Opt. Lett. 12, 847 (1987) diskutiert, welches hier­ mit durch Bezugnahme enthalten ist. Bei der Erfindung werden nichtlinear chirp-modulierte Bragg-Gitter verwendet, um das nichtlineare Frequenz-Chirpen zu kompensieren. Das quadrati­ sche Chirp-Profil eines Bragg-Gitters wird quadratisches Fre­ quenz-Chirpen kompensieren, kubisches wird kubisches kompen­ sieren usw. Durch Kombinieren solcher Gitter entweder in Reihe oder durch Überlappen dieser Gitter in einer optischen Faser kann die dispersive Struktur zum Kompensieren von jedem nichtlinearen Chirpen gestaltet und hergestellt werden. Die Dispersion, die mit einem Fasergitter erreicht werden kann, reicht aus, um nichtlinear chirp-modulierte Impulse von einem schnell abgestimmten Laser zu kompensieren. Die Größe der Gitterdispersion ist durch die Länge des Gitters und die Re­ flektionsbandbreite bestimmt. Bei der vorliegenden Technolo­ gie ist von Gittern mit Längen von ∼1 cm und einer Band­ breite von ∼10-20 nm berichtet worden, bei Kashyap et al., Electr. Lett. 30, 996 (1994), welches hiermit durch Bezug­ nahme enthalten ist. Diese Gitter reichen aus, um die Fre­ quenzabweichung von linearem Chirpen von bis zu ∼100 ps über die Bandbreite von ∼10 bis 20 nm zu kompensieren. Beispiels­ weise wäre die Dispersion zweiter Ordnung ungefähr 10¹¹ bis 10¹² fs³.
In den Fig. 7(a) und (b) wird der Effekt von linear und nichtlinear chirp-modulierten Bragg-Gittern auf das Frequenz-ν-Chir­ pen der reflektierten optischen Impulse gezeigt. Ver­ schiedene Wellenlängenkomponenten eines optischen Impulses, der auf ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter einfällt, werden bei unterschiedlichen longitudinalen Positionen in dem Gitter reflektiert. Für die spektrale Komponente mit der Wellenlänge λ ist die Zeitverzögerung, die durch das Gitter eingeführt wird, Δτ= 2 ΔL/vg. Hier ist vg die Gruppengeschwindigkeit von Licht in der Struktur und ΔL ist der Abstand vom Beginn des Gitters bis zu der Position, bei der die spektrale Kompo­ nente reflektiert wird. Die spektrale Komponente λ wird bei der Position x, die durch die Bragg-Bedingung λB = 2nΛ(x) bestimmt ist, reflektiert werden. Hier ist n der Brechungsin­ dex und Λ(x) ist die positionsabhängige Periode des Gitters. Daher wird das Frequenz-Chirpen, das durch solch ein Gitter in den optischen Impuls mit breiter Bandbreite eingebracht wird, der funktionalen Abhängigkeit von Λ(x) folgen. Ein li­ near chirp-moduliertes Gitter wird linear chirp-modulierte optische Impulse erzeugen, ein quadratisch chirp-moduliertes Gitter wird Chirpen zweiter Ordnung bewirken usw. Als ein praktisches Beispiel zeigen numerische Berechnungen der Di­ spersionseigenschaften von linear und quadratisch chirp-modu­ lierten Gittern, die durch die Erfinder durchgeführt wurden, daß für ein 2,47 mm langes Gitter mit Λdurchschn. = 0,247 µm und einer Reflektionsbandbreite von 15 nm bei 1,5 µm das li­ neare Gitter eine lineare Dispersion von 0,7 ps² bereitstellt und das quadratische Gitter eine Dispersion der Gruppenge­ schwindigkeit zweiter Ordnung von ∼10⁸fs³ zeigt.
Solche chirp-modulierten Bragg-Gitter können auch in Materia­ len außer der optischen Faser verwirklicht werden, wie bei­ spielsweise Wellenleitern oder Volumen-Bragg-Gittern. Wellen­ leiterinterne Bragg-Gitter ohne Chirp-Modulation werden ge­ genwärtig weitverbreitet in abstimmbaren Laserdioden als op­ tische Schmalbandfilter verwendet (z. B. in einer Drei-Ab­ schnitts-DBR-Laserdiode oder -DFB-Laserdiode). Durch Einfüh­ ren von nichtlinearem räumlichen Chirpen mit quadratischen Termen und Termen höherer Ordnung in solch einen Reflektor kann die resonatorinterne Kompensation von nichtlinearem Chirpen erreicht werden.
Volumen-Bragg-Gitter können unter Verwendung von akusto-opti­ scher Modulation erhalten werden, wobei elektrische RF-Wel­ lenformen eine periodische Schwankung des Brechungsindex in einem akusto-optischen Kristall induzieren. Durch Steuern des Chirpen der RF-Wellenform kann ein geeignet chirp-modulierter Bragg-Reflektor für eine optische Welle, die sich entlang der Richtung der akustischen Welle bewegt, gebildet werden. Der Vorteil von solch einem Chirp-Kompensationsverfahren ist, daß die Größe der Chirp-Nichtlinearität durch Steuern des Chir­ pens der RF-Wellenform gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend be­ schriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es ist be­ absichtigt, daß alle Änderungen und Modifikationen der Aus­ führungsformen, die kein Abweichen vom Geist und Umfang der Erfindung darstellen, enthalten sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Gerät zum Steuern und Kompensieren von Frequenz-Chirpen hoher Ordnung in einem schnell abgestimmten Laser. Optische Einrichtungen in der Form von chirp-modulierten Bragg-Gittern, vorzugsweise fa­ serinternen Gittern, werden verwendet, um eine oder mehrere Ordnungen des Frequenz-Chirpen zu kompensieren. Alternativ, oder in Kombination mit der optischen Kompensation, verwendet ein elektrisches Kompensationsverfahren Integratoren in einem oder mehreren parallelen Kompensationskanälen zum Erzeugen eines zusammengesetzten Kompensationssignals zum Kompensieren von Nichtlinearitäten spezieller Ordnung. Die vorliegende Er­ findung läßt die Erzeugung von kürzeren optischen bandbrei­ tenbeschränkten Impulsen mit Spektren zu, die den vollständi­ gen Abstimmbereich des abstimmbaren Lasers enthalten.

Claims (25)

1. Gerät zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ultra­ kurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend:
optische Einrichtungen, die in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet sind, umfassend min­ destens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp- Profil, das so gestaltet ist, daß es mindestens eine Ordnung von Frequenz-Chirpen kompensiert.
2. Gerät nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung eine Vielzahl von chirp-modulierten Bragg-Gittern enthält, die in Reihe angeordnet sind, wobei jedes dieser Gitter so gestaltet ist, daß es eine unterschiedliche Ordnung des Frequenz-Chir­ pen kompensiert.
3. Gerät nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung min­ destens ein faserinternes chirp-moduliertes Bragg-Gitter ent­ hält.
4. Gerät nach Anspruch 3, wobei die optische Einrichtung eine Vielzahl von faserinternen chirp-modulierten Bragg-Gittern enthält, die innerhalb der Faser überlappen, wobei jedes der Gitter so gestaltet ist, daß es eine unterschiedliche Ordnung des Frequenz-Chirpen kompensiert.
5. Gerät nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung in­ nerhalb des Resonators des Lasers mit abstimmbarer Wellen­ länge angeordnet ist.
6. Gerät nach Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung au­ ßerhalb des Resonators des Lasers mit abstimmbarer Wellen­ länge angeordnet ist.
7. Gerät nach Anspruch 1, ferner umfassend elektrische Einrichtungen zum Kompensieren von mindestens einer weiteren Ordnung des Frequenz-Chirpen.
8. Gerät nach Anspruch 7, wobei die elektrische Einrichtung eine Impuls-Signalquelle, Teilungseinrichtungen zum Teilen des Impulssignals, eine Vielzahl von Kompensationskanälen, die in Reihe mit der Teilungseinrichtung und zueinander par­ allel geschaltet sind, jede, um einen Effekt einer speziellen Ordnung auf das Signal zu erzeugen, Einrichtungen zum Kombi­ nieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle und Einrichtungen zum Anlegen des kombinierten Ausgangssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge umfaßt.
9. Gerät zum Kompensieren des Frequenz-Chirpen, so daß ultra­ kurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend:
elektrische Einrichtungen zum Kompensieren von minde­ stens einer Ordnung des Frequenz-Chirpen, wobei die elektri­ sche Einrichtung eine Quelle für Impulssignale, mindestens einen Kompensationskanal einschließlich Einrichtungen zum Er­ zeugen eines Effekts von einer bestimmten Ordnung auf das Si­ gnal und Einrichtungen zum Anlegen eines Ausgangssignals von dem mindestens einen Kompensationskanal an einen Antriebs- Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge umfaßt.
10. Gerät zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ul­ trakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend:
elektrische Einrichtungen zum Kompensieren von minde­ stens einer Ordnung des Frequenz-Chirpen, wobei die elektri­ sche Einrichtung eine Quelle für Impulssignale, Teilungsein­ richtungen zum Teilen der Impulssignale, eine Vielzahl von Kompensationskanälen, die in Reihe zu der Teilungseinrichtung und zueinander parallel geschaltet sind, jede, um einen Ef­ fekt einer spezieller Ordnung auf das Impulssignal zu erzeu­ gen, Einrichtungen zum Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle und Einrichtungen zum Anlegen des kombi­ nierten Ausgangssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge umfaßt.
11. Gerät nach Anspruch 10, wobei die Kompensationskanäle je­ weils Integrationseinrichtungen zum Integrieren des Impulssi­ gnals zum Erzeugen eines linearen oder nichtlinearen Effekts umfassen.
12. Gerät nach Anspruch 10, wobei ein erster der Kompensa­ tionskanäle einen Integrator zum Erzeugen eines linearen Ef­ fekts oder Effekts erster Ordnung auf das Impulssignal ent­ hält und wobei aufeinanderfolgende der Kompensationskanäle in Reihe geschaltete Integratoren in einer Anzahl enthalten, die der Ordnung des zu kompensierenden Frequenz-Chirpen ent­ spricht.
13. Gerät nach Anspruch 12, wo mindestens eine der Integrationseinrichtungen eine koaxiale Transmissionsleitung, die elektrisch parallel zu einem Kondensator geschaltet ist, umfaßt.
14. Gerät nach Anspruch 10, ferner umfassend optische Einrichtungen, die in einem optischen Weg des Lasers mit ab­ stimmbarer Wellenlänge angeordnet sind, umfassend mindestens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Profil, das so gestaltet ist, daß mindestens eine Ordnung des Fre­ quenz-Chirpen kompensiert wird.
15. Gerät nach Anspruch 14, wobei die optische Einrichtung mindestens ein nichtlinear chirp-moduliertes Bragg-Gitter enthält.
16. Gerät nach Anspruch 14, wobei die optische Einrichtung mindestens ein linear chirp-moduliertes Bragg-Gitter enthält.
17. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend die folgen­ den Schritte:
Erzeugen eines Impulssignals;
gleichzeitiges Anlegen des Signals an eine Vielzahl von Kompensationskanälen;
Erzeugen eines Effekts spezieller Ordnung auf das Signal in jedem der Kanäle;
Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle zum Erzeugen eines gesammelten nichtlinearen Kompensationssi­ gnals; und
Anlegen des Kompensationssignals an einen Antriebs-Ein­ gang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge.
18. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend die folgen­ den Schritte:
Anordnen einer optischen Einrichtung in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge, umfassend minde­ stens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Pro­ fil, das so gestaltet ist, daß mindestens eine Ordnung des Frequenz-Chirpen kompensiert wird.
19. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend die folgen­ den Schritte:
Erzeugen eines Impulssignals;
Zuführen von mindestens einem Kompensationskanal, umfas­ send Einrichtungen zum Erzeugen eines Effekts spezieller Ord­ nung auf das Signal; und
Anlegen eines Ausgangssignals von dem mindestens einen Kompensationskanal an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge.
20. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend:
Bereitstellen einer Quelle für Impulssignale;
Teilen der Impulssignale in eine Vielzahl von Kompensa­ tionskanälen, die parallel zueinander angeordnet sind;
Erzeugen eines Effekts spezieller Ordnung auf die Impulssignale in jedem der Kompensationskanäle;
Kombinieren der Ausgangssignale der Kompensationskanäle; und
Anlegen des kombinierten Ausgangssignals an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Effekt spezieller Ordnung durch mindestens einmaliges Integrieren des Signals in mindestens einem der Kompensationskanäle erzeugt wird.
22. Verfahren zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ultrakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend die folgen­ den Schritte:
Anordnen einer optischen Einrichtung in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge, umfassend minde­ stens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Pro­ fil, das so gestaltet ist, daß mindestens eine Ordnung von Frequenz-Chirpen kompensiert wird; und
Bereitstellen von elektrischen Einrichtungen zum Kompen­ sieren von mindestens einer weiteren Ordnung von Frequenz- Chirpen.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die elektrische Ein­ richtung ein Impulssignal erzeugt, das Impulssignal in Kom­ pensationskanäle, die entsprechend der Anzahl von Ordnungen des mit der elektrischen Einrichtung zu kompensierenden Fre­ quenz-Chirpen bereitgestellt sind, teilt, einen Effekt spe­ zieller Ordnung auf das Signal in jedem der Kompensati­ onskanäle erzeugt, die Ausgangssignale der Kom­ pensationskanäle kombiniert und das kombinierte Ausgangssi­ gnal an einen Antriebs-Eingang des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge anlegt.
24. Gerät zum Kompensieren von Frequenz-Chirpen, so daß ul­ trakurze Impulse mit breiter Bandbreite von Lasern mit ab­ stimmbarer Wellenlänge erhalten werden, umfassend:
optische Einrichtungen, die in einem optischen Weg des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge angeordnet sind, umfas­ send mindestens ein chirp-moduliertes Bragg-Gitter mit einem Chirp-Profil, das so gestaltet ist, daß mindestens eine Ord­ nung von Frequenz-Chirpen kompensiert wird; und
elektrische Einrichtungen zum Erzeugen eines Kompensationssignals zum Anlegen an einen Antriebs-Eingangs des Lasers mit abstimmbarer Wellenlänge zum Kompensieren von mindestens einer weiteren Ordnung von Frequenz-Chirpen.
25. Gerät nach Anspruch 3, wobei eine Vielzahl von faserin­ ternen chirp-modulierten Bragg-Gittern in Reihe angeordnet sind.
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