Hanno Scheife, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001
Schlagwörter: Laserphysik, Faseroptik, Verstärker, Flouridglas, Upconversion, Praseodym, Spektroskopie, Ytterbium, Modulation
PACS: 42.60, 42.81, 78.30, 78.40, 78.45, 78.55
Diese Dissertation behandelt den Entwurf und die Realisierung eines optischen Faserverstärkers auf der Basis eines fluoridischen Glases aus den Komponenten ZrF4, BaF2, LaF3, AlF3 und NaF (ZBLAN). Diese aktive Glasfaser soll Signallicht einer Wellenlänge im roten Spektralbereich verstärken. Als Signallichtquelle wird eine kommerziell verfügbare Halbleiterlaserdiode verwendet, die bei der Wellenlänge 635 nm kohärente Strahlung niedriger optischer Leistung bereitstellt. Das verstärkende Medium ist eine in ihrem Kern Praseodym- dotierte ZBLAN- Glasfaser. Durch die Kodotierung des aktiven Kerns mit Ytterbium- Ionen wird erreicht, daß die erforderliche Besetzungsinversion zwischen Anfangs- und Endzustand des stimulierten Emissionsprozesses durch einen mehrstufigen Upconversion- Prozeß erzielt werden kann. Die Anregungswellenlänge liegt in diesem Fall im nahinfraroten Spektralbereich bei 850 nm.
Die Grundlagen der Lichtführung in Glasfasern mit stufenförmigem Brechzahlprofil werden zusammengefaßt. Die Näherung schwacher Führung wird benutzt, um den Einfluß der Dispersion auf die Form von Lichtsignalen in aktiven und passiven Fasern abzuschätzen. Ein einfaches, numerisches Modell eines optischen Verstärkers mit wellenleitender Struktur wird vorgestellt und dann verwendet, um das generelle physikalische Verhalten eines solchen Systems zu beschreiben. Dabei wird auch der durch die Verstärkung spontaner Emission (ASE) verursachte Effekt berücksichtigt. Streuprozesse in Glasfasern werden unter besonderer Betonung der stimulierten Brillouin- und der stimulierten Raman- Streuung behandelt. Der spezielle Upconversion- Prozeß, der im vorliegenden Fall zur Anregung des verstärkenden Mediums führt, wird betrachtet. Er weist Merkmale auf, die für Photon Avalanche Upconversion charakteristisch sind. Die spektroskopischen Daten von Praseodym- und Ytterbium- kodotiertem ZBLAN-Glas werden vorgestellt. Experimentell ermittelte Fluoreszenzdaten werden benutzt, um mit Hilfe der Füchtbauer- Ladenburg- Gleichung Emissionswirkungsquerschnitte zu berechnen. Die entsprechenden Werte sind bei der Wellenlänge 635 nm und bei weiteren Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich von der Größenordnung 10-20 cm2.
Die Leistungsfähigkeit des Faserverstärkers wird experimentell untersucht und beurteilt. Die größte verstärkte Signalleistung, die im Dauerstrichbetrieb erzielt werden konnte, beträgt 1.38 W. Der Verstärker antwortet auf die Intensitätsmodulation des Signallichts mit Frequenzen zwischen 10 Hz und 100 MHz. Nur die Impedanzen der elektrischen Komponenten des Versuchsaufbaus verhindern die Signalmodulation mit noch höheren Frequenzen. Ein Verfahren zur Unterdrückung des durch ASE verursachten Störsignals wird vorgestellt. Es wird bei angeregtem Verstärker erfolgreich angewandt, um den Einfluß dieser Störung während der Totzeiten der Signallichtquelle zu reduzieren.
This thesis deals with the design and the realization of a fluoride glass optical fibre amplifier for signal light at a wavelength in the red spectral region. The signal light source is a low-power commercially available semiconductor laser diode emitting at a wavelength of 635 nm. The amplifying medium is a praseodymium-doped ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF (ZBLAN) glass fibre. By co-doping the active fibre core with ytterbium ions, population inversion between the upper and lower level of stimulated red emission can be achieved by frequency upconversion. The pump wavelength is in the near-infrared spectral region around 850 nm.
The basic concepts of light propagation in a step-index fibre are summarized. The approximation of weak guiding is used to estimate the effect of signal distortion by dispersion in passive and active step-index fibres. A simple numerical model of a waveguiding optical amplifier is introduced to demonstrate the general physical behaviour of such a system including the effect of amplification of spontaneous emission (ASE). Scattering processes in optical fibres are treated with emphasis on stimulated Brillouin and Raman scattering. The particular upconversion process leading to the excitation of the amplifying medium is reviewed. It shows features that are characteristic of photon avalanche upconversion. Spectroscopic data of praseodymium- and ytterbium- co- doped ZBLAN glass are given. Emission cross sections are calculated using fluorescence data and applying the Füchtbauer-Ladenburg equation. Peak values are of the order 10-20 cm2 at various distinct wavelengths in the visible spectral region including 635 nm.
The performance of the fibre amplifier is experimentally assessed. The maximum signal power extracted from the amplifier is 1.38 W in the continuous-wave mode. The amplifier responds to the intensity modulation of the signal light with frequencies ranging from 10 Hz to 100 MHz. The maximum applicable modulation frequency is limited only by the impedances of the electrical components of the experimental set-up. A method for the suppression of ASE noise is introduced and successfully applied to reduce background noise while the amplifier is pumped, but the signal is switched off.