-
Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Laser und betrifft speziell ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Stabilisierung der Emissionswellenlänge einer Laserquelle, wobei
diese Stabilisierung durch eine Ankettung an eine Referenzwellenlänge erreicht wird,
die sich von der zu stabilisierenden Wellenlänge erheblich unterscheidet.
-
Vorzugsweise, aber nicht ausschließlich, wird
die Erfindung angewandt auf die Stabilisierung der Emissionswellenlänge eines
Halbleiterlasers, der als Lichtquelle in einem optischen Kommunikationssystem
verwendet wird.
-
Bekanntlich ist die Emissionswellenlänge von
Lasern Fluktuationen unterworfen, und deshalb sind den Lasern Steuerschaltungen
zugeordnet, die die Abweichung vom Nennwert feststellen und ein Fehlersignal
erzeugen, das an die den Laser treibenden Vorrichtungen gesendet
wird, um die Emissionswellenlänge
auf diesem Nennwert zu halten.
-
Bei einem üblicherweise angewandten Stabilisierungsverfahren
wird die Emissionswellenlänge des
Lasers an eine Atom- oder Moleküllinie
gekettet, beispielsweise an eine Absorptionslinie eines Gases, das
ein Absorptionsspektrum mit Linien aufweist, deren Wellenlänge in der
Nähe der
Emissionswellenlänge
der Quelle liegt. Ein Beispiel eines Verriegelungs- oder Ankettungsverfahrens
dieser Art für
die hier bevorzugte Anwendung im Gebiet der optischen Telekommunikationen
ist beschrieben im europäischen
Patent 0 660 470. Diese Stabilisierung ist absolut, also in anderen
Wörtern
unabhängig
von der Umgebung, und schafft eine Quelle mit guter Kurzzeit- und
Langzeitstabilität
und guter Reproduzierbarkeit der Emissionswellenlänge.
-
Im allgemeinen sind jedoch Atom-
oder Moleküllinien,
die in der Nähe
von denen liegen, die für optische
Telekommunikationen verwendet werden, relativ breit, und somit kann
die erzielte Stabilisierng unzureichend sein. Aus diesem Grund wurden
in der Literatur zahlreiche Vorschläge für das Vorsehen der Ankettung
an Absorptionslinien bei Wellenlängen, die
von der der Quelle, die stabilisiert werden soll, relativ weit entfernt
sind, gemacht. Solche entfernten Wellenlängen haben für die beabsichtigten
Zwecke günstigere
Charakteristiken. Ein Beispiel ist das einer Absorptionslinie von
Rubidium bei 780 nm. Absorptionslinien bei dieser Wellenlänge werden
für die
Stabilisierungszwecke in verschiedenen Gebieten angewandt, einschließlich solcher,
die von der Telekommunikation sehr entfernt sind (z. B. Metrologie).
-
Es ist jedoch allgemein schwierig,
Wellenlängenvergleichssysteme
für Signale
mit sehr weit voneinander entfernten Wellenlängen herzustellen, und es wird
deshalb versucht, die Wellenlängen
für den Vergleich
näher aneinander
zu bringen.
-
Der Artikel "Absolute Frequency Control of a 1560
nm (192 THz) DFB laser locked to a Rubidium Absorption Line Using
a Second-Harmonic-Generated Signal" von C. Latrasse und anderen, IEEE Transactions
on Instrumentation and Measurement, Band 44, Nr. 4, August 1995,
Seiten 839 und folgende, beschreibt ein System, bei dem die Strahlung
bei 1560 nm, die von dem zu stabilisierenden Laser emittiert wird,
in einen Kristall aus KNbO3 geleitet wird, der
seine zweite Harmonische erzeugt (entsprechend einer Wellenlänge von
780 nm). Diese zweite Harmonische wird vom Hauptsignal mit 1560
nm abgetrennt und zu einer Zelle geleitet, die 87Rb
für die Wechselwirkung
mit der Linie bei 780 nm enthält. Das
die Zelle verlassende Signal wird anschließend in einer Silicium-Photodiode
erfaßt,
um das Fehlersignal zu erzeugen, das an die Laser-Steuervorrichtung
geliefert wird.
-
Andere Verfahren, wie z. B. die,
die beschrieben sind in den Artikeln "Wide-Span Optical Frequency Comb Generator
for Accurate Optical Frequency Difference Measurement" von M. Kourogi und
anderen, IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 29, Nr. 10, Oktober
1993, Seiten 2693 und folgende, und "Generation of Frequency-Tunable Light
and Frequency Reference Grids Using Diode Lasers For One-Petahertz
Optical Frequency Sweep Generator", Band 31, Nr. 3, März 1995, Seiten 456 und folgende,
bewirken die Stabilisierung durch Kettung der zu stabilisierenden
Laserquelle an eine in hohem Maß stabile
Referenzquelle. Für
diese Kettung werden optische Signale mit einer Frequenz gleich
der Summe der und/oder der Differenz zwischen den Frequenzen der
beiden Quellen erzeugt und die Schwebungssignale festgestellt. Diese
Schwebungssignale werden dann rückgekoppelt,
um auf den zu steuernden Laser einzuwirken.
-
Bei allen diesen bekannten Verfahren
erfordert die Erzeugung des Fehlersignals zwei getrennte Operationen:
Die erste ist die Erzeugung eines optischen Signals mit einer geeigneten
Frequenz durch die Erzeugung einer Harmonischen des zu stabilisierenden
Signals (im Fall des ersten genannten Dokuments) oder dessen Mischen
mit einem Referenzsignal. Die zweite Operation ist die Erfassung
des konvertierten Signals. Dies macht die entsprechende Anordnung
kompliziert und das Verfahren uneffizient.
-
Das Ziel der Erfindung ist es, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen,
diesen Nachteil zu überwinden.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren
geschaffen zum Stabilisieren der Emissionswellenlänge einer
optischen Quelle, die eine kohärente
Strahlung bei einer ersten Wellenlänge emittiert, durch Anketten
an die Emissionswellenlänge
einer optischen Referenzquelle, die eine kohärente Strahlung mit einer zweiten
Wellenlänge
emittiert, die gegenüber
der ersten Wellenlänge
wesentlich anders ist, wobei bei dem Verfahren die Strahlungen der
ersten und der zweiten Wellenlänge
zur optischen Wechselwirkung gebracht werden und ein aus der Wechselwirkung
resultierendes optisches Signal festgestellt wird und ein Rückkopplungssignal
aus dem festgestellten Signal erzeugt wird und zur Quelle geliefert
wird, und die Wechselwirkung gegeben ist durch eine Zwei-Photonen-Absorption
für die
erste Wellenlänge,
welche Anlaß zu
einem Schwebungssignal gibt, das eine Frequenz gleich der Frequenzdifferenz
zwischen einer Strahlung mit einer Wellenlänge gleich der Hälfte der ersten
Wellenlänge
und der zweiten Strahlung hat, wobei diese Schwebung gleichzeitig
mit ihrer Erzeugung festgestellt wird.
-
Die Erfindung bezieht sich auch auf
die Vorrichtung zum Implementieren des Verfahrens.
-
Die Erscheinung der Zwei-Photonen-Absorption
ist ein nichtlineares Phänomen,
das auf der Tatsache beruht, daß zwei
Photonen, die kohärent
in Phase sind, zusammenwirken können,
um ein Elektron in einem Halbleitermaterial auf eine Energie zu erregen,
die die zweifache Energie eines einzigen Protons ist. Aufgrund dieses Phänomens kann
eine kohärente
Strahlung, für
die das Material transparent wäre,
absorbiert werden, wodurch Elektronenlochpaare erzeugt werden. Diese
können
dann als ein Photodetektionsstrom oder als Lumineszenz festgestellt
werden. Eine ausführlichere
Beschreibung des Phänomens
kann beispielsweise gefunden werden in "Optical processes in semiconductors" von J. I. Panhove,
Dover Publications, Inc., New York, USA, 1971: siehe insbesondere
die Abschnitte 12-A-4 und 12-A-5 auf den Seiten 268 und folgenden.
-
Zur zusätzlichen Klärung ist auf die anliegende
Zeichnung Bezug zu nehmen, die eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeigt.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verwendet
werden zum Stabilisieren einer zu stabilisierenden Quelle 1,
die mit einer Wellenlänge
L1 arbeitet, durch Ankettung an eine Referenzquelle, die mit einer
Wellenlänge
L2 arbeitet, die sich von L1 erheblich unterscheidet. Speziell wird
beispielhaft und ohne die Absicht einer Beschränkung im folgenden Text Bezug
genommen auf eine Quelle 1, die Strahlung im dritten optischen
Kommunikationsfenster emittiert (speziell bei 1560 nm), und auf
eine Referenzquelle 2, die bei 780 nm emittiert. Es ist
klar, daß die
Referenzquelle 2 eine Quelle von hoher Stabilität sein muß. Das Verfahren,
mit dem die Quelle 2 stabilisiert wird, ist ohne Einfluß für die Zwecke
der Erfindung. Beim hier betrachteten Beispiel, bei dem die Quelle 2 mit
780 nm emittiert, kann die Stabilisierung durchgeführt werden
durch Kettung an eine Rb-Absorptionslinie.
-
Die zu stabilisierende Strahlung
(die falls erforderlich in einer vollständig konventionellen Steuervorrichtung 3 einer
Polarisationssteuerung unterworfen wird) und die Referenzstrahlung
werden einem dichroitischen Koppler 4 eingespeist, der
die beiden Strahlungen zu einer Vorrichtung 5 leitet, die
in der Lage ist, die beiden Strahlungen mit Hilfe des Phänomens der
Zwei-Photonen-Absorption für
die höhere Wellenlänge L1 zur
Wechselwirkung zu bringen und eine optische Schwebung festzustellen,
die aus der Wechselwirkung resultiert.
-
Diese Schwebung hat aufgrund der
Natur der Zwei-Photonen-Absorption die Frequenz |2f1– f2|, wobei f1 und
f2 die Frequenzen sind, die den Wellenlängen L1
und L2 entsprechen. Dies setzt der Differenz zwischen den beiden
Wellenlängen
eine Grenze, die so sein muß,
daß die
Feststellung der Schwebung mit Hilfe der verwendeten Vorrichtung 5 möglich ist.
-
Wie in der Literatur weithin berichtet
wird, können
Vorrichtungen, in denen die Zwei-Photonen-Absorption für Strahlungen
mit einer Wellenlänge
mit angenähert
1,5 um durchgeführt
wird, Silicium-Lawinenphotodioden, LEDs verschiedener Arten oder
Laserdioden sein.
-
Wenn die Zwei-Photonen-Absorption
angewandt wird, findet der Vorgang der Kombination der beiden Wellenlängen und
der Feststellung des resultierenden Signals in einer einzigen Vorrichtung
statt, wodurch die Struktur vereinfacht wird. Darüber hinaus
verhindert die Verwendung eines dichroitischen Kopplers Verluste
bei der Überlagerung
der Felder der beiden Strahlungen, deren Schwebung erzeugt wird.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, daß keine
optische Filterung benötigt
wird, um unerwünschte
Produkte der Kombination zu beseitigen, während dies bei Verfahren, die
auf der Erzeugung der Summe von und der Differenz zwischen den Frequenzen
der Strahlungen, die zur Wechselwirkung gebracht werden, beruhen,
erforderlich wäre.
-
Es ist klar, daß die Quelle 1, damit
die Zwei-Photonen-Absorption stattfindet, eine ausreichend hohe
Leistung haben muß,
beispielsweise eine Leistung in der Größenordnung von einigen zig mW.
-
Zur Vereinfachung der Zeichnung sind
die Mittel (z. B. optische Fasern) zum Transportieren der Strahlungen
zum dichroitischen Koppler 4 und von diesem zur Vorrichtung 5 nicht
gezeigt.
-
Das Ausgangssignal der Vorrichtung 5,
das wie oben dargelegt ein Signal mit der Frequenz |2f1– f2| ist, wird in einem Verstärker 6 verstärkt, in
einem Bandpaßfilter 7 gefiltert,
um das Rauschen zu reduzieren, und in einem Mischer 8 mit
einem Signal mit Radiofrequenz verglichen, das von einem elektronischen
Oszillator 9 hoher Stabilität erzeugt wird; hierdurch wird
ein Rückkopplungssignal
für den
Laser 1 erzeugt. Dieses Signal wird an die Steuervorrichtung 10 des
Lasers 1 in üblicher
Weise über
ein Schleifenfilter 11 geliefert.
-
Die Frequenz des Oszillators 9 kann
in Abhängigkeit
von der Schwebungsfrequenz und der Art der zu erzeugenden Rückkopplung
gewählt
werden. Speziell ist es möglich,
einen Oszillator 9 mit einer Frequenz gleich der der von
der Vorrichtung 5 erzeugten Schwebung zu verwenden: In
diesen Fall kann der Mischer 8 direkt als Phasendiskriminator
arbeiten und sein Ausgangssignal kann direkt zum Treiben des Lasers
verwendet werden. Unterscheidet sich die Frequenz des Oszillators 9 von
der Schwebungsfrequenz, so liefert der Mischer 8 ein Signal
mit einer Frequenz gleich der Frequenzdifferenz zwischen dem vom
Oszillator gelieferten Signal und dem festgestellten Schwebungssignal,
und in diesem Fall wird das Rückkopplungssignal
mit Hilfe eines elektronischen Frequenzdiskriminators 12 von
beliebiger bekannter Art erhalten, wie es gestrichelt in der Zeichnung
angedeutet ist. Dies ist auch der Fall, wenn das festgestellte Schwebungssignal
direkt verwendet werden soll.
-
Es ist klar, daß die obige Beschreibung nur als
Beispiel angegeben wird und keine Beschränkung beabsichtigt ist, und
daß Variationen
und Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne daß der
Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.