DE3005645A1

DE3005645A1 - Verfahren zur modulation eines halbleiterlasers

Info

Publication number: DE3005645A1
Application number: DE19803005645
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm Petermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-02-15
Filing date: 1980-02-15
Publication date: 1981-08-20
Also published as: DE3005645C2

Description

Verfahren zur Modulation eines Halbleiterlasers
Bei der Anwendung von Halbleiterlasern in optischen Systemen, insbesondere Fasersystemen, ist die Nohärenz der Laseremission oftmals störend, man erhält zum Beispiel aufgrund der definierten Phasenbeziehungen zwischen verschiedenen Moden ein Interferenzmuster, das auf äußere Störungen sehr empfindlich reagiert. Auch depolarisiertes Licht erhält man leichter, wenn die Kohärenz der Laseremission verringert wird.
Deshalb ist für manche Anwendungen die Verwendung eines Lasers mit geringer Kohärenzlänge vorteilhaft. Eine relativ geringe Kohärenzlänge erhält man bereits, wenn man einen Halbleiterlaser verwendet, der gemäß FIG. 1 vielwellig ist, also bei mehreren Emissionswellenlängen emittiert; der Wellenlängenabstand zwischen diesen Emissionslinien beträgt jeweils &N, wobei &N von der Geometrie des Laserresonators abhängt. Für eine Laserlänge von OO/um, eine Wellenlänge X = 0,85/um gilt typischerweise a = 22.
Der V-Nut Laser (DE-OS 28 22 146) stellt ein Beispiel für solch einen vielwelligen Laser dar, Da jede einzelne der Emissionslinien eines vielwelligen Lasers relativ schmal ist, ist jedoch auch solch ein Laser noch relativ kohärent.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Modulationsverfahren anzugeben, aufgrund dessen die einzelnen Emissionslinien erheblich verbreitert werden und so die Kohärenzlänge erheblich verringert wird. Im allgemeinen führt jede Modulation zu einer gewissen Verbreiterung der Emissionslinien; diese Verbreiterung ist aber meist klein im Vergleich zum Abstand JÄ zwischen zwei Emissionslinien. Es wird deshalb hier ein Modulationsverfahren angegeben, mit dem eine Verbreiterung der Emissionslinien auch über CA hinaus möglich ist, so daß dann auch die Linienstruktur der Emission verschwindet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem der gesamte durch den Halbleiterlaser fließende Strom I aus mindestens zwei Anteilen I = I1 + I2 besteht, wobei der Strom Il im allgemeinen kleiner ist als der Schwellstrom des Halbleiterlasers und mit Frequenzen moduliert wird, die kleiner sind als die reziproke thermische Zeitkonstante des Lasers, und der Strom I2 aus einer Folge von Pulsen besteht, wobei die Pulslänge jeweils kleiner ist a-ls die thermische Zeitkonstante des Lasers.
Die Wirkungsweise der Erfindung beruht darauf, daß der Strom 11 im wesentlichen die Temperatur in der aktiven Zone moduliert, während die Stromimloulse des Stroms I2 so kurz sind, daß sich in ihnen die Temperatur nicht nennenswert ändert. Da die Wellenlänge A der Emissionslinien von der Temperatur T abhängt, wird dann gleichzeitig auch die Wellenlänge moduliert. Für Laser auf GaAlAs Basis gilt ungefähr A/dTcf0,8 2/K, so daß eine Modulation mit #T = 2,5 K zu einer Modulation in # mit ## = 2 Å führt.
Damit kommt ## in die Größenordnung des Abstands zweier Emissionslinien ##.
Erfindungsgemäß geschieht die Modulation der Temperatur im wesentlichen mit einer Modulation von Ii. Bei einem Wärmewiderstand des Lasers R = 30 K/W erreicht man ein w AT = 2,5 K bei einer Modulation mit Al = 4o ... 50 mA.
Damit der Strom I1 im wesentlichen nur zu einer Modulation der Temperatur T führt und die optische Ausgangsleistung nur geringfügig beeinflußt, liegt I1 zweckmäßigerweise stets unterhalb des Schwellstroms Ith. Typische Laser haben einen Schwellstrom Ith = 100 mA, so daß beispielsweise eine Modulation von 11 zwischen 0,4 1th und 0,8 Ith zu der gewünschten Temperaturmodulation führt.
Die Frequenzen, mit denen I1 moduliert wird, sollten dabei genügend klein sein, so daß die Temperatur der aktiven Zone dem modulierten Strom I1 folgen kann. Die thermische Zeitkonstante von Halbleiterlasern liegt typischerweise im Bereich von einigen Ts, so daß der Strom 11 vorzugsweise im Frequenzbereich von einigen 10 ... 100 kHz moduliert wird.
Wird der Laser nur mit dem Strom I1 allein betrieben, ist die Lichtausgangsleistung klein, da I1 unterhalb des Schwellstroms 1th liegt. Erfindungsgemäß setzt sich deshalb der gesamte Injektionsstrom I aus mindestens zwei Stromanteilen I1, I2 mit I = I1 + I2 zusammen, wobei I2 aus Stromimpulsen besteht, derart, daß während dieser Stromimpulse I größer als der Schwellstrom 1th wird.
Entsprechend den Stromimpulsen I2 ergibt sich dann ein gepulstes optisches Ausgangssignal. Die Länge der Stromimpulse ist dabei klein zu wählen gegenüber der thermischen Zeitkonstante des Lasers, so daß während dieser Stromimpulse die Temperatur und damit die Wellenlänge gleich bleibt und nur von dem jeweiligen Strom Il bestimmt wird.
Ein erfindungsgemäßes Beispiel fiir die Modulation zeigt FIG. 2. Hier zeigt Il einen dreiecksförmigen Verlauf mit einer Frequenz f = i/t3, wobei t3 groß ist gegenüber der thermischen Zeitkonstante des Lasers, so daß t3 zu t3 = 10 ... 100 µs gewählt wird. Die Zeiten t1, t2 sind klein gegenüber der thermischen Zeitkonstante zu wählen, also tl, t2 # 10 ... 100 ns. Die Höhe der Impulse I2 wird derart gewählt, daß in den Impulsen I = Im nahezu In konstant ist, so daß die mittlere optische Leistung (gemittelt huber mindestens eine Periode t1) unabhängig von 11 wird.
Die Temperaturänderung aufgrund des Stroms 12 wirkt der Temperaturänderung aufgrund von Il entgegen, weshalb das Verhältnis t2/t1 nicht zu groß werden darf. Eine vorläufige Wahl stellt t2/t1 # 0,2 ... 0,5 dar. Die Modulationsamplitude von Ii, hI wird so gewählt, daß die gewünschte spektrale Verbreiterung der Lasermoden erreicht wird. Ein nahezu vollständiges Verschwinden der Modenstruktur erhält man dabei, wenn #I so gewählt wird, daß die Spektralverbreiterung ## = ## wird. In diesem Fall wird aus dem Linienspektrum gemäß FIG. l nahezu das gestrichelt gezeichnete einhiillende und damit kontinuierliche Spektrum.
Die Zeiten t1, t2, t3 werden im Rahmen der oben angegebenen Dimensionierung derart gewählt, daß die Frequenzkomponenten der Modulation von I möglichst bei den Frequenzen verschwinden, bei denen das Nutzsignal ausgewertet werden soll.
Zu bemerken ist noch, daß neben der in FIG. 2 dargestellten dreiecksförmigen Modulation von I1 auch andere Schwingungsformen denkbar sind. Die Art der Modulation bestimmt dabei die Form des Spektrums der verbreiterten Laseremissionslinien. Insbesondere kann I1 auch mit einem Rauschsignal moduliert werden, so daß dann auch das Spektrum des Lasers bessere statistische Eigenschaften zeigt.
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Claims

Patentansprüche Verfahren zur Modulation eines Halbleiterlasers, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte durch den Halbleiterlaser fließende Strom I aus mindestens zwei Anteilen I1 I2 besteht, wobei der Strom Il im allgemeinen kleiner ist als der Schwellstrom des Elalbleiterlasers und mit Frequenzen moduliert wird, die kleiner sind als die reziproke thermische Zeitkonstante des Lasers, und der Strom 12 aus einer Folge von Pulsen besteht, wobei die Pulslänge jeweils kleiner ist als die thermische Zeitkonstante des Lasers.
2. Modulationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation der Temperatur im aktiven Bereich des Lasers aufgrund der Modulation mit Il mindestens so groß ist, daß die Emissionswellenlänge jeweils einer Laserschwingung sich im Verlauf der Modulation um mindestens dh ändert, wobei 8N den Abstand zweier Laser schwingungen bezeichnet.
3. Modulationsverfahren nach einem der Ansprüche l oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude oder Länge der Stromimpulse I2 in Abhängigkeit von Il derart gewählt ist, daß die mittlere Lichtleistung des Lasers konstant bleibt.
4. Nodulationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Stromimpulse I2 derart gewählt werden, daß während des Pulses der Gesamtstrom I = Il + I2 für alle Pulse ungefähr konstant ist.