DE10118965B4 - Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser zur optischen Taktfrequenzerzeugung und dessen Verwendung - Google Patents

Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser zur optischen Taktfrequenzerzeugung und dessen Verwendung Download PDF

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Abstract

Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser zur optischen Taktfrequenzerzeugung mit zwei hochgepumpten DFB-Laser-Sektionen, die durch einen Offset ihrer beiden, zumindest auf die Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle mit dem Realteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirkenden DFB-Gitter auf unterschiedlichen Wellenlängen eingestellt und über eine Modenkorrelation miteinander optisch gekoppelt sind, und zumindest zwei zwischen den beiden DFB-Laser-Sektionen angeordneten Abstimmsektionen zur Feinabstimmung der Taktfrequenz, von denen die eine passiv als Phasenschiebersektion und die andere aktiv als Dämpfungs-/Verstärkungssektion ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden DFB-Gitter zur eindeutigen, stabilen Auswahl jeweils genau einer Mode pro DFB-Laser-Sektion (DFB1, DFB2) zu einem koppelnden Modenpaar auch auf das Verstärkungsprofil mit dem Imaginärteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirken und somit die beiden DFB-Laser-Sektionen (DFB1, DFB2) komplexe Kopplungen (κcomplex1, κcomplex2) aufweisen, und dass die Taktfrequenz (fT) durch die Wahl des Offsets (OS) in Abhängigkeit vom Verstärkungsprofil des laseraktiven Materials der beiden DFB-Laser-Sektionen (DFB1, DFB2) in einem großen Frequenzbereich grob abstimmbar ist, wobei...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen abstimmbaren, selbstpulsierenden Mehrsektions-Laser zur optischen Taktfrequenzerzeugung mit zwei hochgepumpten DFB-Laser-Sektionen, die durch einen Offset ihrer beiden, zumindest auf die Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle mit dem Realteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirkenden DFB-Gitter auf unterschiedlichen Wellenlängen eingestellt und über eine Modenkorrelation miteinander optisch gekoppelt sind, und zumindest zwei zwischen den beiden DFB-Laser-Sektionen angeordneten Abstimmsektionen zur Feinabstimmung der Taktfrequenz, von denen die eine passiv als Phasenschiebersektion und die andere aktiv als Dämpfungs-/Verstärkungssektion ausgebildet ist, und auf dessen Verwendung.
  • Gegenwärtig werden in Telekommunikationsnetzwerken in der Hauptsache die Verbindungen optisch ausgeführt. Das Schalten und Prozessieren der optischen Daten in den Verteilungsknoten erfolgt in der Regel elektrisch. Das starke Wachstum des Internets beschleunigt jedoch die Entwicklung volloptischer Netzwerke mit optischen Schaltern auch in den Knoten und Bitraten von 160 Gbit/s und bedeutend höher. Die optischen Signale müssen dann jedoch nach ihrem Durchgang durch den Verteilungsknoten optisch aufbereitet werden. In einer 3R-Regeneration werden die optischen Pulse deshalb bezüglich Amplitude, Form und Phasenlage aufgearbeitet. Eine der wesentlichen Schlüsselfunktionen ist dabei die optische Taktregeneration, die die Qualität der Pulswiedergewinnung nach der Datenübertragung bestimmt.
  • In den letzten Jahren wurden selbstpulsierende Laser entwickelt, die auf multisektionalen DFB-Lasern mit einer Phaseneinstellsektion zur kritischen Modenkorrelation beruhen. Die grundlegende Physik wurde erforscht, in Theorie und Praxis beschrieben und umgesetzt. Es konnte experimentell ein Locking der Selbstpulsation mit einem eingehenden Datenstrom bei 10 Gbit/s und 40 Gbit/s gezeigt werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass derartige selbstpulsierende Laser besonders vorteilhaft als Taktregenerator in optischen Übertragungssystemen eingesetzt werden, wo sie folgende Bedingungen erfüllen müssen
    • • gute Einstellbarkeit einer gewünschten Taktfrequenz
    • • hohe Extinktion von mehr als 10 dB
    • • geringer Zeit-Jitter im Bereich eines Fünftels der Pulsbreite
    • • geringer Amplituden-Jitter und
    • • gute Pulsform für die weitere Pulsübertragung in der Faser.
  • Experimentelle Beobachtungen haben ergeben, dass sich nominell identische DFB-Laser insbesondere in ihrem Jitterverhalten stark unterscheiden. Nur sehr wenige DFB-Laser mit einem ausreichend geringen Jitter konnten ermittelt werden, sodass die Selektion sehr groß war. Eine Optimierung der selbstpulsierenden DFB-Laser ist also im Sinne einer wirtschaftlichen Herstellbarkeit derartiger Bauelemente dringend gefragt.
  • Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird in der EP 0 818 069 B1 beschrieben. Gegenstand dieses Patents ist ein selbstpulsierender Mehrsektions-Laser mit zwei unterschiedlichen DFB-Sektionen, von denen die eine als gepumpter aktiver DFB-Laser und die andere als dämpfungsfreier Reflektor betrieben wird. Zwischen die beiden Sektionen ist ein aus zwei Reflektoren und einem Distanzstück als einstellbare Steuersektion gebildeter Fabry-Perot-artiger Resonator monolithisch integriert und optisch eingekoppelt. Jede DFB-Sektion weist ein reales Gitter (Bragg- Gitter) zur Veränderung des Brechungsindex auf, was sich auf die Phasengeschwindigkeit der geführten Lichtwelle auswirkt. Durch die periodische Variation des Brechungsindex kann die optische Resonatorlänge und damit die spektrale Modenlage des Mehrsektionslasers bestimmt werden. Die Gitter können unterschiedliche Gitterkonstanten haben, die den Offset der beiden DFB-Sektionen festlegen. Durch den Offset kann die eine kritische DFB-Modenkorrelation eingestellt werden, die die Taktfrequenz des Mehrsektionslasers festlegt. Eine andere Grobeinstellung ist nicht möglich. Zur Feineinstellung der Taktfrequenz weist der bekannte Mehrsektionslaser in dem Distanzstück, dessen Länge fest vorgegeben ist, zwei steuerbare Abstimmsektionen in Form einer passiven Phasenschiebersektion zur zusätzlichen gezielten Einstellung von Brechzahländerungen und einer aktiven Verstärkungssektion zur Steuerung der Dämpfung oder der Verstärkung der Lichtwelle bei nur schwachem Brechungsindex-Effekt auf. Die beiden Abstimmsektionen bewirken eine künstliche Entkopplung der beiden Lasersektionen, die dann über die beiden Steuerelemente gezielt wieder herstellbar ist. Damit sind diejenigen Betriebsbedingungen für verbesserte Selbstpulsation im Mehrsektionslaser gezielt einstellbar, die bisher zufällig und unkontrollierbar vorhanden waren und starke Selektionen notwendig machten. Trotzdem sind immer noch Selektionsprozesse erforderlich, da auch mit der erweiterten Einstellbarkeit über Phasenschieber und Dämpfungsglied nicht alle auftretenden Abweichungen, insbesondere ist häufig der auftretende Jitter zu hoch, kompensiert werden können.
  • Aus der EP 0 818 069 B1 ist somit ein gattungsgemäßer abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser zur optischen Taktfrequenzerzeugung mit zwei hochgepumpten DFB-Laser-Sektionen bekannt. Dabei werden die beiden DFB-Lasersektionen durch einen Offset ihrer beiden, zumindest auf die Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle mit dem Realteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirkenden DFB-Gitter auf unterschiedlichen Wellenlängen eingestellt und über eine Modenkorrelation miteinander optisch gekoppelt. Zumindest zwischen den beiden DFB-Laser-Sektionen sind außerdem Abstimmsektionen zur Feinabstimmung der Taktfrequenz angeordnet, von denen die eine passiv als Phasenschiebersektion und die andere aktiv als Dämpfungs-/Verstärkungssektion ausgebildet ist. Bei diesem bekannten Mehrsektions-Laser wird jedoch nur eine zur Selbstpulsation geeignete Mode gezielt gefördert, die allerdings im Betrieb instabil sein kann.
  • Ein ähnlicher Laser ist aus der EP 0890204 (vergleiche auch die zur Patentfamilie gehörende WO 97/37406 A1) bekannt. Hierbei handelt es sich um einen gütegesteuerten Laser, der zur Erzeugung hoher Impulsleistungen eine verstärkende und eine reflektierende Lasersektion aufweist. Der Offset zwischen beiden Sektionen wird hier so gewählt, dass eine der beiden bevorzugten Bragg-Moden der Lasersektion in Überdeckung mit einer der beiden Flanken höchsten Leistungsanstiegs bzw. -abfalls des Reflektors gelangt. Damit kann der Offset bei diesem bekannten Laser nur in einem relativ engen Bereich eingestellt werden. Ein Phasentuning zur Voreinstellung der Emissionsfrequenz erfolgt bei diesem Laser durch eine elektrische Einstellung des Brechungsindex im passiven Resonator. Ein Feintuning erfolgt durch thermische Beeinflussung.
  • Aus der WO 0036718 ist die Erzeugung von kurzen optischen Pulsen mittels komplex gekoppelter DFB-Laser bekannt. Die komplexe Kopplung wird dabei durch das Einwirken der Gitter auch auf das Verstärkungsprofil in den beiden Lasern Gitter hervorgerufen. Neben der periodischen Änderung im Realteil der Brechzahl zur Phasenverschiebung liegt nunmehr auch eine periodische Änderung im Imaginärteil der komplexen Brechzahl vor, die sich durch eine periodische Änderung in der Verstärkung zeigt. Der bekannte Zweisektions-Laser mit gleichberechtigter Laserfunktion für beide DFB-Laser dient als reine Pulsquelle. Seine Hauptaufgabe besteht in der Generierung von besonders kurzen Pulsen in Form einer Sinuswelle mit sehr vielen Oberwellen (hochfrequente Mikrowelle). Eine Synchronisation als Taktregenerator mit einem optischen Datenstrom ist nur unoptimiert möglich. Ein vorhandener Phasenschieber dient nicht der Steuerung der Moden zwischen den beiden DFB-Lasern. In der optischen Verbindung zwischen den beiden DFB-Lasern sind hingegen keine Abstimmsektionen vorgesehen, da davon ausgegangen wurde, dass die erreichte Frequenzstabilität keiner weiteren Feineinstellung bedarf. Hierbei handelt es sich jedoch um eine Fehleinschätzung, wie experimentelle Überprüfungen insbesondere für höhere Übertragungsraten ergeben haben.
    •
  • Weiterhin ist aus der Veröffentlichung „Multiwavelength Gain-Coupled DFB Laser Cascade: Design Modeling and Simulation" von W. Li at al. (aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 36, No. 10, 2000, pp 1110-1116) die theoretische Betrachtung einer Multiwellenlängen-Laserdiode mit einer Ausprägung von Multimoden bekannt, die auf einer Kaskade von DFB-Lasern beruht. Es werden die optischen und thermischen Wechselwirkungen entlang der Lasersektionen betrachtet sowie Design-Kriterien und Bedingungen für einen stabilen Dauerstrichbetrieb – mit der Möglichkeit einer Pulserzeugung – anhand eines Wanderwellenmodells angegeben. Aus der Veröffentlichung „Modeling Self-Pulsating DFB Lasers with an Integrated Phase Tuning Section" von M. Radziunas et al. (aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 36, No. 9, 2000, pp 1026-1034) ist weiterhin eine theoretische Betrachtung eines selbstpulsierenden DFB-Lasers mit einer integrierten Phasenfeinabstimmungssektion bekannt mit dem Ziel, die Mechanismen des Frequenztunings zu erkennen. Eine komplexe Kopplung der jeweiligen DFB-Gitter zur eindeutigen, stabilen Auswahl jeweils genau einer Mode pro DFB-Laser-Sektion zu einem koppelnden Modenpaar ist jedoch aus beiden Veröffentlichungen nicht bekannt.
  • Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist es daher, einen einstellbaren, selbstpulsierenden Mehrsektions-Laser der eingangs genannten Art in der speziellen Betriebsart als Taktregenerator so weiterzubilden, dass er durch eine umfassende Einstellbarkeit nach der Herstellung ein optimales reproduzierbares Betriebsverhalten im Sinne der oben formulierten Bedingungen, insbesondere einer ausgezeichneten Frequenzstabilität, mit einem großen Arbeitsbereich auch für höchste Übertragungsraten aufzeigt, ohne dass einzelne gefertigte Laser aussortiert werden müssen. Dazu beitragen soll auch eine verbesserte Grobeinstellbarkeit vor der Laserfertigung.
  • Als Lösung für diese Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser der gattungsgemäßen Art deshalb vorgesehen, dass die beiden DFB-Gitter zur eindeutigen, stabilen Auswahl jeweils genau einer Mode pro DFB-Laser-Sektion zu einem koppelnden Modenpaar auch auf das Verstärkungsprofil mit dem Imaginärteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirken und somit die beiden DFB-Laser-Sektionen komplexe Kopplungen aufweisen, und dass die Taktfrequenz durch die Wahl des Offsets in Abhängigkeit vom Verstärkungsprofil des laseraktiven Materials der beiden DFB-Laser-Sektionen in einem großen Frequenzbereich grob abstimmbar ist, wobei die Modenauswahl durch eine Wahl der Phasenrelation zwischen Real- und Imaginärteil der komplexen Kopplungen mitbestimmbar ist.
  • Für eine optimierbares Verhalten des erfindungsgemäßen Mehrsektions-Lasers, der aufgrund seines symmetrischen Aufbaus auch als „Tandem-Laser" bezeichnet werden kann, als Taktregenerator ist es Voraussetzung, dass sein Arbeitsbereich so groß wie möglich ist. Nur so können alle auftretenden Abweichungen auch kompensiert werden. Die Kompensation kann dann durch Veränderung der entsprechenden Parameter erfolgen. Hierbei handelt es sich um die elektrischen Steuerströme für die DFB-Laser, den Phasenschieber, das Dämpfungsglied und um den thermischen Steuerstrom für den Offset der Gitter. Eine auftretende Zeitverzögerung zwischen den Moden der beiden Laser durch deren Abstand zueinander hat dabei keinen begrenzenden Einfluss auf die maximale Taktfrequenz und behindert die Selbstpulsation nicht.
  • Ein einfacher DFB-Laser mit einem gleichförmigen Bragg-Gitter zeigt zwei Bragg-Moden, die voneinander durch das Stoppband getrennt sind. Hierbei handelt es sich um die Hauptmoden, die miteinander in Beziehung treten.
  • Besteht ein Offset zwischen den beiden DFB-Lasern, sind die beiden Hauptmodenpaare zueinander verschoben, sodass im Allgemeinen vier Moden auftreten, die zur Oszillation des Tandem-Lasers beitragen können. Für eine gut verwendbare Oszillation werden jedoch genau zwei Moden benötigt. Die anderen Moden, die zu unterschiedlichen Oszillationsfrequenzen führen können, müssen deshalb unterdrückt werden. Eine präzise Modenkontrolle bzw. Modenunterdrückung als Feineinstellung ist deshalb von besonderer Bedeutung. Dies kann bei dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser durch eine Einstellung der Phase und der Dämpfung/Verstärkung erreicht werden. Die Auslegung der Bragg-Gitter bezüglich Länge und Kopplungskoeffizienten zur Offseterzeugung spielt dabei nur eine unterordnete Rolle. Bei der Oszillation handelt es sich um eine Überlagerung der beiden Moden, die zum Locken des Datenstroms phasensynchron sind. Es kann gezeigt werden, dass für bestimmte Werte der Phasenverschiebung und der Dämpfung/Verstärkung besonders stabile und frequenzgenaue Oszillationen zur Verwendung als Taktfrequenzen erreichbar sind. Die besten Oszillationen werden bei drei verschiedenen Frequenzen gefunden. Hierbei handelt es sich um die Offset-Frequenz, die Frequenz aus der Addition von Offset- und Stopbandfrequenz und die Frequenz aus der Subtraktion der Stoppbandfrequenz von der Offsetfrequenz, relevant sind jeweils die Beträge. Über die Wahl der koppelnden Modenpaare kann also für den erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser eine bevorzugte Taktfrequenz ausgesucht werden.
  • Die Auswahl der Taktfrequenz kann bei dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser noch über die Phasenlage der beiden Gitteranteile zueinander in jedem DFB-Laser unterstützt werden, die der gewählten Modenkopplung zugeordnet ist und zu der gewünschten Unterdrückung der jeweils anderen Moden führt. Deshalb ist bei dem Mehrsektions-Laser vorgesehen, dass zur zusätzlichen groben Auswahl der Taktfrequenz die Gitter der komplex gekoppelten DFB-Laser eine gleiche in-Phasenrelation oder außer-Phasenrelation oder eine unterschiedliche Phasenrelationen aufweisen. In einem komplex gekoppelten DFB-Laser liegen ein Indexgitter mit einer refraktiven Kopplungskonstanten, das einzig von einer Variation des Brechungsindex geformt ist, und ein überlagertes Gitter mit einer Kopplungskonstanten vor, das einzig von einer Variation der Verstärkung/Dämpfung geformt ist. Beide Gitter sind in-Phase zueinander, wenn an Stellen maximaler Dämpfung minimale Brechungsindizes auftreten. Außer-Phase sind die Gitter zueinander, wenn die Maxima und Minima übereinstimmen. Durch die Wahl der Art der komplexen Gitter zueinander können nun bevorzugte Modenpaare der beiden DFB-Laser selektiert und die anderen Moden gezielt unterdrückt werden. Näheres hierzu ist dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.
  • Des Weiteren kann in jedem groben Frequenzbereich eine erste Auswahl der angestrebten Taktfrequenz über die Einstellung des Offsets als vorgebbarem Fertigungsparameter erfolgen. Dieser ist bei dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser nicht an eine einzige kritische Modenkorrelation gebunden, sondern kann beliebig ausgewählt werden („Offsetdesign"). Die Taktfrequenz hängt linear vom gewählten Offset ab und kann beispielsweise zwischen 40 GHz und 640 GHz voreingestellt werden. Durch das Feintuning bei der Modenselektion über die beiden Abstimmsektionen für die Phasen- und Dämpfungs-/Verstärkungseinstellung im Mehrsektions-Laser wird der Jitter verringert und es ist jeweils noch eine Feineinstellung von ± 5 GHz möglich. Damit ist die Taktfrequenz bei dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser sehr genau und hochstabil einstellbar, ohne dass einzelne Mehrsektions-Laser wegen nicht justierbarer Abweichungen aussortiert werden müssten.
  • Eine gute Garantie für den erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser in der Funktion eines besonders frequenzstabilen selbstpulsierenden Oszillators in einem besonders großen Arbeitsbereich kann also durch folgende Schlüsselaspekte für dessen Design gegeben werden
    • • Komplexe Kopplung der beiden DFB-Laser. Dadurch liegt eine Kombination aus zwei Einzelmode-Bauelementen vor, bei denen keine Konkurrenz durch andere Moden auftritt. Eine Selbstpulsation ist daher für den vollen Wertebereich des Phasenschiebers von 2 π garantiert. Dieser freie Parameter kann daher für die Einstellung eines minimalen Jitters genutzt werden.
    • • Hohes Pumpen der beiden DFB-Laser. Dadurch wird eine sehr schnelle Antwortzeit erreicht.
    • • Dämpfer und Phasenschieber zur Einstellung von Amplitude und Phase. Dadurch wird das Arbeitsmodenpaar bei geringem Jitter besonders gut einstell- und kontrollierbar.
    • • Unabhängige Steuerung der Taktfrequenz, bei der es in der Hauptsache um die durch den frei wählbaren Offset grob festgelegte Frequenz handelt, und der Linienbreite durch Phasenverschiebung und Dämpfung. Dadurch kann der Jitter ebenfalls minimiert werden.
  • Damit ergibt sich zusammenfassend gesehen eine besonders bevorzugte Verwendungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen komplex gekoppelten Mehrsektions-Laser. Hierbei handelt es sich um dessen Verwendung als hochstabiler Taktregenerator für einen optischen Entscheider in einem 3R-Regenerator zur Pulsaufarbeitung in einem optischen Netz mit bis zu ultrahohen Bitraten von mehren hundert Gbit/s.
  • Bei dem bekannten Mehrsektions-Laser ist der Abstand zwischen beiden Lasersektionen durch das Distanzstück auf einen kurzen Wert im μm-Bereich festgelegt. Damit sind der baulichen Vereinigung der Sektionen enge Grenzen gesetzt. Bei der Erfindung kann dagegen vorteilhaft vorgesehen sein, dass komplex gekoppelten DFB-Laser in einem großen, bis in einen Bereich von einigen 10 cm reichenden Abstand, zueinander angeordnet sind. Bei dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser behindert eine aufgrund des optischen Abstandes zwischen den beiden DFB-Lasern vorliegende Verzögerung die Selbstpulsation nicht. Dies ist insbesondere von Vorteil für die konstruktive Anordnung der beiden DFB-Laser, die nun auch über größere Distanzen ausgeführt werden kann. Des Weiteren kann bei der Erfindung vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Abstand zwischen den beiden komplex gekoppelten DFB-Laser-Sektionen als weiterer Parameter zur Abstimmung, insbesondere zur Jitteroptimierung, genutzt wird.
  • Auf dem Aspekt des wählbaren Abstandes aufbauend kann bei dem Mehrsektions-Laser nach der Erfindung weiterhin vorgesehen sein, dass der erste DFB-Laser der Wellenlänge λ1 mit einer Anzahl n von zweiten DFB-Lasern mit unterschiedlichen Wellenlänge λ2i über ein Wellenleiter-Netzwerk gekoppelt ist, wobei der erste DFB-Laser jeweils nur mit einem zweiten DFB-Laser durch eine entsprechende Laserstromansteuerung in einer Ausbildung als Tandem-Laser zur Auswahl einer gewünschten Taktfrequenz gleichzeitig aktiv ist. Bei einer derartigen Anordnung, die auch konstruktiven Erfordernissen folgen kann, handelt es sich um eine parallele Aufreihung von mehreren Tandem-Lasern, deren erster DFB-Laser jeweils identisch ist. Durch die in ihren Wellenlängen zum ersten DFB-Laser und untereinander unterschiedlichen zweiten DFB-Laser weist jeder gebildete Tandem-Laser eine andere Offsetfrequenz auf, die, wie bereits weiter oben ausgeführt, die Taktfrequenz bestimmt. Es kann also ein ganzes Bündel von Tandem-Lasern kosten- und platzsparend hergestellt werden, die verschiedene Taktfrequenzen zur Generation anbieten. Welche Taktfrequenz dann im Einzelnen zur Anwendung kommen soll, ist über eine entsprechende Ansteuerung der Laserströme auswählbar. Die Taktfrequenz ist also in einem nahezu beliebig großen Bereich ohne weitere optische Schaltelemente einfach über die entsprechenden Laserströme schaltbar.
  • Der bekannte Mehrsektions-Laser ist monolithisch integriert aufgebaut. Für die meisten Anwendungsfälle ist ein mehrschichtig integrierter Aufbau auch für den Mehrsektions-Laser nach der Erfindung sinnvoll. Im Fall großer räumlicher Abstände zwischen den beiden DFB-Lasern oder kaskadierter Aufbauten kann es gemäß einer anderen Erfindungsfortführung jedoch vorteilhaft sein, wenn ein hybrider Aufbau auf einer optischen Hauptplatine vorliegt. Eine Integration in optische Schaltkreise oder eine teilweise monolithische integrierte Ausführung, beispielsweise des ersten DFB-Lasers und der Abstimmsektionen, ist dabei ohne weiteres möglich.
    •
  • Ausbildungsformen und zugrunde liegende Prinzipien der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren und Diagramme näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Mehrsektions-Lasers mit den relevanten Parametern,
  • 2a, 2b das optische Spektrum eines nichtoptimierten selbstpulsierenden Lasers ohne und mit einer Modenabstimmung,
  • 3a, 3b das Frequenzspektrum und das time-domain-Spektrum eines modenoptimierten Tandem-Lasers bei 160 GHz,
  • 4 die Abhängigkeit der Taktfrequenz vom Offset,
  • 5 die Extinktion des bekannten und des erfindungsgemäßen Mehrsektions-Lasers,
  • 6a, 6b, 6c, 6d die Modenkopplung durch Wahl der komplexen Phasenlagen in den Gittern des erfindungsgemäßen Mehrsektions-Lasers,
  • 7a, 7b zwei Variationstabellen zur Erzeugung der Taktfrequenzen mit dem bekannten und dem erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser und
  • 8 eine Parallelschaltung mehrerer erfindungsgemäßer Mehrsektions-Laser.
  • Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Mehrsektions-Laser in der Ausführungsform eines Tandem-Lasers TL zur Erzeugung einer Taktfrequenz fT mit seinen Parametern und Einstellmöglichkeiten im Schema. Der Tandem-Laser TL besteht aus einem ersten DFB-Laser DFB1, der bei einer Wellenlänge λ1 arbeitet, und einem zweiten DFB-Laser DFB2, der bei einer anderen Wellenlänge λ2 arbeitet. Die unterschiedlichen Laufrichtungen der Lichtwelle im lichtführenden Wellenleiter des integriert aufgebauten Tandem-Lasers TL sind durch gegenläufige Pfeile angedeutet. Beide DFB-Laser DFB1, DFB2 haben einen optischen Abstand Ldist zueinander und können in ihren weiteren Parametern übereinstimmen oder auch variieren. Hierbei handelt es sich um die optische Weglänge Lopt in den DFB-Lasern DFB1, DFB2, um den komplexen Kopplungskoeffizienten κcomplex, um die Steuerströme IDFB der beiden DFB-Laser DFB1, DFB2 für das Hochpumpen und dem jeweiligen Stoppband SB, das den Frequenzbereich mit geringer Amplitude zwischen den beiden Bragg-Moden der beiden DFB-Laser DFB1, DFB2 angibt. Diese unterscheiden sich durch den Offset OS, der bei dem Tandem-Laser TL durch den Differenzbetrag der beiden Wellenlängen λ1, λ2 nahezu beliebig in einem weiten Frequenzbereich einstellbar ist. Der Offset OS als Fertigungsparameter wird durch ein entsprechendes Bragg-Gitter-Design festgelegt und dient der groben Einstellung der Taktfrequenz fT roughly.
  • Zwischen den beiden DFB-Lasern DFB1, DFB2 sind zwei ansteuerbare Abstimmsektionen TS angeordnet, von denen die linke als Phasenschiebersektion PS der Einstellung der Phase Φ und die rechte als Dämpfungs- bzw. Verstärkungssektion GS der Einstellung der Dämpfung/Verstärkung α ausgebildet ist. Dadurch kann das Frequenzverhalten des Tandem-Lasers TL in der bevorzugten Funktion eines hochgenauen Taktregenerators optimal feineingestellt werden (fT fein). Der optische Abstand Ldist zwischen den beiden DFB-Lasern DFB1, DFB2 verhindert die Selbstoszillation des Tandem-Lasers TL nicht. Er kann deshalb in weiten Bereichen bis in den cm-Bereich variiert und insbesondere konstruktiven Anforderungen und Ausbildungen, beispielsweise zur gezielten Jitterunterdrückung, angepasst werden.
  • In der 2a ist das optische Spektrum (Leistung in dBm über optischer Frequenz in GHz) eines einfachen, herkömmlichen Zweisektions-Lasers ohne Modenabstimmung dargestellt. Deutlich ist die Ausprägung von vier Hauptmoden zu erkennen. Eine derartige Anordnung ist nicht für eine stabile Taktregeneration geeignet. Eingezeichnet sind die drei ausgezeichneten Oszillationsfrequenzen f1 (Offset – Stoppband), f2 (Offset, tritt doppelt auf) und f3 (Offset + Stoppband). In der 2b ist dagegen das optische Spektrum des komplex gekoppelten Tandem-Lasers TL mit einer Selektion von zwei bevorzugten Moden zu erkennen.
  • Das besonders gute Frequenzverhalten des Tandem-Lasers TL ist aus der 3a, die bei einem entsprechenden Design dessen ausgeprägte, hochstabile Taktfrequenz fT bei 160 GHz zeigt, und der 3b zu erkennen, die die besonders hohe Extinktion des einem Datensignal fdata überlagerten Taktsignals fT (TL) im time-domain-Spektrum (Leistungsamplitude in mW über der Zeit in ns) eines modenoptimierten Tandem-Lasers bei 160 GHz zeigt.
  • In der 4 ist der lineare Zusammenhang zwischen dem in weiten Frequenzgrenzen einstellbaren Offset OS als Differenz der beiden Wellenlängen λ1, λ2 und der generierbaren Frequenz, die im Radiofrequenzbereich RF zwischen 40 GHz und 640 GHz liegen kann, dargestellt (beide in GHz). Durch eine gezielte Phaseneinstellung kann ein Feintuning bei dem Tandem-Laser TL nach der Erfindung in einem Bereich von ±5 GHz erreicht werden.
  • Die 5 zeigt das verbesserte Extinktionsverhalten des komplex gekoppelten Tandem-Lasers TL (complex) gegenüber einem herkömmlichen Zweisektions-Laser (simple laser). Dieser erreicht nur in einem begrenzten Frequenzabschnitt die anzustrebende Extinktion von mehr als 10 dB, wohingegen der Tandem-Laser TL im gesamten Frequenzbereich eine Extinktion von 10 dB und besser aufweist.
  • Die 6a-d zeigen die durch die Wahl der Phasenlage der Gitteranteile möglichen verschiedenen Modenkombinationen zur groben Vorauswahl der Oszillationsfrequenz im Tandem-Laser TL. In der 6a ist das komplexe Gitter des ersten DFB-Lasers DFB1 in-phase und das komplexe Gitter des zweiten DFB-Lasers DFB2 out-phase gestaltet. Es arbeiten die beiden inneren Hauptmoden der beiden DFB-Laser DFB1, DFB2 zusammen. In jedem dargestellten Fall werden die beiden anderen Hauptmoden jeweils weitgehend unterdrückt. Die sich einstellende Oszillationsfrequenz entspricht der Offset-Frequenz abzüglich der Stoppbandfrequenz (OS – SB). In der 6b sind die Gitterkonstellationen vertauscht. Hier ist das erste Gitter out-phase und das zweite Gitter in-phase ausgelegt. Bei dieser Konstellation werden die beiden äußeren Hauptmoden optisch miteinander gekoppelt, die Oszillationsfrequenz ergibt sich aus der Addition von Offset- und Stoppbandfrequenz (OS + SB). Die 6c zeigt eine Konstellation, in der die Gitter beider DFB-Laser DFB1, DFB2 in-phase gekoppelt sind, sodass die beiden linken Hauptmoden interagieren, in der 6d sind beide Gitter out-phase gekoppelt und es agieren die beiden rechten Hauptmoden miteinander. In beiden Fällen ist die Oszillationsfrequenz gleich der Offset-Frequenz (OS). Weil hier die ausgewählte Mode jedes DFB-Lasers DFB1, DFB2 jeweils das Bragg-Gitter des anderen Lasers durchläuft, ist die Extinktion für beide DFB-Laser DFB1, DFB2 zwar verschieden, aber besonders hoch.
  • In der Tabelle gemäß 7a ist die Phasenverschiebung Φ (in Grad) über der Dämpfung α (in dB) für einen nicht komplex gekoppelten Zweisektions-Laser (simple) dargestellt. Der Tabellenparameter ist die Taktfrequenz fT in GHz. Angestrebt wird ein möglichst großer Arbeitsbereich bei 160 GHz (gewähltes Beispiel). Dieser ist jedoch bei dem herkömmlichen Zweisektions-Laser, wie in der Tabelle erkennbar (hellgrau hinterlegt), relativ klein. In der 7b ist die gleiche Feineinstellung für einen komplex gekoppelten Tandem-Laser TL (complex) nach der Erfindung dargestellt. Hier ist der erzielbare Arbeitsbereich deutlich um ein Mehrfaches größer und sehr stabil. Der komplex gekoppelte Tandem-Laser TL nach der Erfindung kann daher in weiten Bereichen auf eine vorgegebne Taktfrequenz fT abgestimmt werden.
  • In der 8 ist eine Parallelschaltung mehrerer Tandem-Laser TLi dargestellt, die alle auf einem gemeinsamen ersten DFB-Laser DFB1 der Wellenlänge λ1 aufbauen. Dieser ist optisch in einem Wellenleiter-Netzwerk NW mit gegebenenfalls unterschiedlichen Verbindungsstrecken Ldist mit einer Anzahl n von zweiten DFB-Lasern DFB2i unterschiedlicher Wellenlängen λi parallel gekoppelt. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist n = 4 mit i als Laufindex. Jeder Tandem-Laser TLi, der durch eine entsprechende Ansteuerung der Laserströme auswählbar ist, weist einen anderen Offset OSI auf, der eine andere Taktfrequenz fTi grob festlegt. Die Laserströme der nicht aktivierten zweiten DFB-Laser DFB2i sind dann gleich Null. Somit kann bedarfsweise zwischen den einzelnen Taktfrequenzen fTi einfach geschaltet werden. Das gezeigte Ausführungsbeispiel kann am besten in hybridem Aufbau auf einem optischen Motherboard realisiert werden. Dabei sind jeweils die Abstimmsektionen zur Frequenzfeineinstellung auch in hybrider Form vorhanden. Eine monolithische Integration und Mischformen sind ebenfalls möglich.
  • Der erfindungsgemäße Mehrsektions-Laser mit komplex gekoppelten, hochgepumpten Lasern unterschiedlicher Wellenlängen und einem Feintuning über Phase und Dämpfung/Verstärkung zeigt ein optimales frequenzstabiles Verhalten auch bei höchsten Taktfrequenzen von mehreren hundert GHz. Er zeigt über einen großen Arbeitsbereich nur sehr geringe Amplituden- und Zeit-Jitter, die sogar eingestellt werden können, und hat eine große Extinktion. Durch seine nachträgliche Feineinstellbarkeit können Selektionsprozesse vermieden werden, wodurch die Herstellung eines derartigen Tandem-Lasers in monolithisch integrierter Form wirtschaftlich sehr attraktiv wird. Damit ist der erfindungsgemäße Mehrsektions-Laser in besonderer Weise als Taktgenerator für optische Entscheider in großen optischen Netzen mit bis zu ultrahohen Bitraten geeignet, wobei die Entscheider insbesondere in 3R-Generatoren zur Aufbereitung der optischen Pulse eingesetzt sind.
    • DFB1
    erster DFB-Laser
    DFB2
    zweiter DFB-Laser
    DFB2i
    i-ter zweiter DFB-Laser, i = 1...n
    fdata
    Datenfrequenz
    fT
    Taktfrequenz
    fTi
    i-te Taktfrequenz
    f1
    Oszillationsfrequenz Offset – Stoppband
    f2
    Oszillationsfrequenz Offset
    f3
    Oszillationsfrequenz Offset + Stoppband
    GS
    Dämpfungs-/Verstärkungssektion
    i
    Laufindex
    in-phase
    In-Phasen-Relation im komplexen Gitter
    IDFB
    Steuerstrom DFB-Laser 1, 2
    LS
    Längensektion
    Ldist
    optischer Abstand zwischen den DFB-Lasern 1, 2
    Lopt
    optische Weglänge
    n
    Anzahl der zweiten DFB-Laser/Tandem-Laser
    NW
    Wellenleiter-Netzwerk
    out-phase
    Außer-Phasen-Relation im komplexen Gitter
    OS
    Offset
    OSi
    i-ter Offset
    PS
    Phasenschiebersektion
    RF
    Radiofrequenzbereich
    SB
    Stoppband
    TL
    Tandem-Laser
    TLi
    i-ter Tandem-Laser
    TS
    Abstimmsektion
    α
    Dämpfung/Verstärkung
    Φ
    Phase
    κcomplex
    komplexer Kopplungskoeffizient
    λ1
    Wellenlänge erster DFB-Laser
    λ2
    Wellenlänge zweiter DFB-Laser
    λ2i
    Wellenlänge i-ter, zweiter DFB-Laser
    τ
    Verzögerung

Claims (5)

  1. Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser zur optischen Taktfrequenzerzeugung mit zwei hochgepumpten DFB-Laser-Sektionen, die durch einen Offset ihrer beiden, zumindest auf die Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle mit dem Realteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirkenden DFB-Gitter auf unterschiedlichen Wellenlängen eingestellt und über eine Modenkorrelation miteinander optisch gekoppelt sind, und zumindest zwei zwischen den beiden DFB-Laser-Sektionen angeordneten Abstimmsektionen zur Feinabstimmung der Taktfrequenz, von denen die eine passiv als Phasenschiebersektion und die andere aktiv als Dämpfungs-/Verstärkungssektion ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden DFB-Gitter zur eindeutigen, stabilen Auswahl jeweils genau einer Mode pro DFB-Laser-Sektion (DFB1, DFB2) zu einem koppelnden Modenpaar auch auf das Verstärkungsprofil mit dem Imaginärteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirken und somit die beiden DFB-Laser-Sektionen (DFB1, DFB2) komplexe Kopplungen (κcomplex1, κcomplex2) aufweisen, und dass die Taktfrequenz (fT) durch die Wahl des Offsets (OS) in Abhängigkeit vom Verstärkungsprofil des laseraktiven Materials der beiden DFB-Laser-Sektionen (DFB1, DFB2) in einem großen Frequenzbereich grob abstimmbar ist, wobei die Modenauswahl durch eine Wahl der Phasenrelation zwischen Real- und Imaginärteil der komplexen Kopplungen (κcomplex1, κcomplex2) mitbestimmbar ist.
  2. Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die komplex gekoppelten DFB-Laser (DFB1, DFB2) in einem großen, bis in einen Bereich von einigen 10 cm reichenden Abstand (Ldist) zueinander angeordnet sind.
  3. Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (Ldist) zwischen den beiden komplex gekoppelten DFB-Laser-Sektionen (DFB1, DFB2) als weiterer Parameter zur Abstimmung, insbesondere zur Jitteroptimierung, genutzt wird.
  4. Abstimmbarer, selbstpulsierender Mehrsektions-Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein hybrider Aufbau auf einer optischen Hauptplatine vorliegt.
  5. Verwendung eines abstimmbaren, selbstpulsierenden Mehrsektions-Lasers zur optischen Taktfrequenzerzeugung mit zwei hochgepumpten, einen Offset zueinander aufweisenden hochgepumpten DFB-Laser-Sektionen, die durch einen Offset ihrer beiden, zumindest auf die Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle mit dem Realteil der Brechzahl des laseraktiven Materials einwirkenden DFB-Gitter auf unterschiedlichen Wellenlängen eingestellt und über eine Modenkorrelation miteinander optisch gekoppelt sind, und zumindest zwei zwischen den beiden DFB-Laser-Sektionen angeordneten Abstimmsektionen zur Feinabstimmung der Taktfrequenz, von denen die eine passiv als Phasenschiebersektion und die andere aktiv als Dämpfungs-/Verstärkungssektion ausgebildet ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in einem abstimmbaren, selbstpulsierenden Mehrsektions-Lasersystem mit einer Anzahl n komplex gekoppelter Mehrsektions-Laser, wobei die erste komplex gekoppelte DFB-Laser-Sektion (DFB1) der Wellenlänge (λ1) eine allen im Mehrsektions-Lasersystem zusammengefassten Mehrsektions-Lasern (TLi) gemeinsame DFB-Laser-Sektion bildet, die mit einer Anzahl n von zweiten komplex gekoppelten DFB-Laser-Sektionen (DFB2i, i = 1...n) mit unterschiedlichen Wellenlängen (λ2i) als jeweils separate zweite DFB-Laser-Sektion der im Mehrsektions-Lasersystem zusammengefassten Mehrsektions-Laser (TLi) über ein Wellenleiter-Netzwerk (NW) parallel gekoppelt ist und die erste DFB-Laser-Sektion (DFB1) jeweils nur mit einer zweiten DFB-Laser-Sektion (DFB2i) durch eine entsprechende Laserstromansteuerung zur Auswahl einer gewünschten Taktfrequenz (fT) gleichzeitig aktiv ist.
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