DE3732625A1 - Einmodiger lasersender - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen einmodigen Lasersender nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 2.

In der optischen Breitbandübertragung werden Lasersender be­ nötigt, die auch moduliert ein optisches Spektrum mit nur einem longitudinalen Mode aufweisen.

Dynamisch einmodige Lasersender bzw. DSM-Lasersender können beispielsweise mit DFB-Lasern (siehe Electron. Lett. 17 (1981) S. 961-963), DBR-Lasern, (siehe Electron. Lett. 18 (1982) S. 410-411), sog. C³-Lasern (siehe Electron. Lett. 19 (1983) S. 415-417), lateral gekoppelten Lasern (siehe SFEB 14 (1985) S. 289-294) oder auch durch Ankopplung von kurzen externen Resonatoren an multimodige Laserdioden aufgebaut werden (siehe Opt. Commun. 13 (1975) S. 130-132). Als externe Resonatoren sind Fabry-Perot-Resonatoren bekannt. Bei allen dynamisch einmodigen Halbleiterlasern mit Fabry-Perot-Resonatoren, wie C³-Lasern oder lateral gekoppelten Lasern, besteht die Gefahr, daß Modensprünge auftreten.

Günstiger ist ein Resonator mit einem Gitter als wellenlängen­ selektives Bauelement, wie es beispielsweise bei DFB- oder DBR- Laserdioden verwendet wird. DFB-Laserdioden sind technologisch sehr aufwendig.

Aus Electron. Lett. 19 (1983) S. 110-112 und Proc. IOOC-ECOC, Vol. 3, Okt. 1985, Venedig sind Anordnungen nach dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei denen an eine billige multimodige Laserdiode ein externer Resonator in Form eines Gitters angekoppelt ist. Bei diesen bekannten Anordnungen be­ trägt die optische Weglänge zwischen dem Halbleiterlaser und dem Gitter etwa 5 cm bis 50 cm.

Sie sind für optiche Heterodyn-Systeme zum Aufbau von Laser­ sendern mit kleiner Linienbreite verwendet worden, die im CW-Bereich, d.h. unmoduliert arbeiten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen konstruktiv einfachen Auf­ bau eines einmodigen Lasersenders anzugeben, der ohne die Gefahr des Auftretens von Modensprüngen dynamisch einmodig betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Sender nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Diese Aufgabe wird auch ausgehend von einem Sender nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 durch die im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Senders nach dem Anspruch 1 ist im Anspruch 3 und eine entsprechende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Senders nach Anspruch 2 im Anspruch 10 angegeben. Ein solcher Sender ist als dynamisch einmodiger Lasersender für den Gbit/s-Übertragungssysteme geeignet, bei denen die optische Weglänge zwischen dem Halb­ leiterlaser und dem Gitter nur einige 100 µm beträgt. Dieser Sender kann auch sehr kompakt aufgebaut werden.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen eines Senders nach Anspruch 3 gehen aus den Ansprüche 4 bis 6 hervor.

Besonders günstig ist es, einen erfindungsgemäßen Sender nach einem der Ansprüche 1 bis 6 so zu gestalten, wie es in dem An­ spruch 7 oder/und 8 angegeben ist. Silizium ist bei einer Wellenlänge von 1,3 µm bereits transparent und die Gitter­ struktur kann durch Vorzugsätzen in Silizium hergestellt werden (siehe dazu IEEE J. Quant. Electron. QE-16 (1980) S. 165-169). Auch das Entspiegeln einer Linse aus Silizium ist mit einer Si₃N₄-Einfachschicht problemlos möglich.

Wird ein erfindungsgemäßer Lasersender gemäß Anspruch 9 bemessen, so werden Lasersender mit Linienbreiten von 100 KHz, wie sie für eine optische Heterodynübertragung mit FSK- oder PSK-Modulation benötigt wird (siehe dazu Br. Telecom Techn. J. Vol. 3 (1985) S. 5-12).

Die Erfindung wird anhand, der Figuren in der nun folgenden Beschreibung beispielhaft näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines schematisch dargestellten Lasersenders mit einem externen Resonator in Form eines Gitters und einer kollimierenden Linse,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines schematisch dargestellten Lasersenders mit einem externen Resonator in Form eines Hologramms, und

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung, welche eine Herstellungsmöglichkeit des Hologramms zeigt.

Bei dem Lasersender nach Fig. 1 sind auf einem Trägerkörper 5 ein Halbleiterlaser 1, beispielsweise eine Laserdiode, und ein Halterungskörper 4 für das Gitter 2 in der Littrow-Anordnung fixiert.

Littrow-Anordnung des Gitters 2 bedeutet, daß dieses Gitter derart schräg zur Achse A des von dem Halbleiterlaser 1 auf der dem Gitter 2 zugekehrten Seite emittierten Laserstrahls 6 an­ geordnet ist, daß innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasers 1 nur eine Wellenlänge in sich zum Laser zurückreflek­ tiert wird, so daß durch das Gitter und den Laser 1 ein Reso­ nator gegeben ist, der nur eine einzige Wellenlänge selektiert.

Das Gitter 2 ist in einem geometrischen Abstand L von dem Laser 1 angeordnet und in Form eines Plättchens aus Silizium mit durch Vorzugsätzen eingeätzten Gitterfurchen 21 ausgebildet, das auf einer richtig zur Achse A geneigten Fläche 41 eines auf dem Trägerkörper 5 fixierten Halterungskörpers 4 fixiert ist.

Der von dem Laser 1 divergent abgestrahlte Laserstrahl 6 wird von einer hemisphärischen Mikrolinse 3 kollimiert, die mit ihrer planen Fläche 31 auf dem Gitter 2 aufgebracht ist, das als Spiegel wirkt. Zweckmäßigerweise ist das Gitter 2 auf einer Seite verspiegelt. Die Mikrolinse 3 kann beispielsweise durch Aufschmelzen hergestellt werden.

Die Linse 3 besteht zweckmäßigerweise ebenfalls aus Silizium und ist mit einer nicht dargestellten Einfachschicht aus Si₃N₄ zumindest auf der dem Laser 1 zugekehrten gewölbten Fläche 32 entspiegelt. Der halbleiterseitige Brennpunkt F der Linse 3 liegt außerhalb dieser Linse 3. Der Laser 1 ist so anzuordnen, daß der Quellpunkt des von ihm divergent emittierten Laser­ strahls 6 mit diesem Brennpunkt F zusammenfällt und daß der am Gitter 2 reflektierte und in sich zurücklaufende Strahl 60, der nur eine Wellenlänge enthält, auf diesen Brennpunkt F fokussiert wird.

Für dynamisch einmodige Lasersender für Gbit/s Übertragungs­ systeme beträgt die optische Länge n ₁ l ₁ + n ₂ l ₂ zwischen dem Laser 1 und dem Gitter 2 einige 100 µm, wobei n ₁ die Brech­ zahl im Bereich 1 ₁ zwischen dem Laser 1 und der Linse 3 und n ₂ die Brechzahl im Bereich 1 ₂ von der gewölbten Fläche 31 der Linse 3 und dem Gitter 2 bedeuten.

Wird n ₁ l ₁ + n ₂ l ₂ im cm-Bereich gewählt, werden Lasersender mit Linienbreiten von 100 KHz erhalten, wie sie für eine optische Heterodynübertragung mit FSK- oder PSK-Modulation benötigt wird.

Die Fixierung von Laser 1, Halterungskörper 4, Gitter 2 und Linse 3 auf dem Trägerkörper 5 kann auf ähnliche Weise erfolgen, wie es beim Aufbau von Lasermodulen mit angekoppelter Faser erfolgt (siehe europäische Patentanmeldung mit der Ver­ öffentlichungsnummer 02 04 224).

Bei einer Realisierung eines Senders nach Fig. 1 bestand der Halbleiterlaser 1 aus einer multimodigen MCRW-Laserdiode und aus einem Gitter 2 in Littrow-Anordnung, wobei die optische Weglänge zwischen Laser 1 und Gitter 2 12 mm betrug. Dies er­ gab einen Lasersender mit etwa 34 dB Seitenmodenunterdrückung und einer Linienbreite von etwa 50 KHz.

Die Linienbreiten konventioneller Lasersender mit Fabry-Perot- Resonatoren und von DFB-Laserdioden liegen dagegen in einer Größenordnung von 1 bis 10 MHz (siehe dazu Br. Telecom Technol. J., Vol. 3 (1985) S. 5-12).

Bei dem Lasersender nach Fig. 2 ist anstelle eines Gitters mit einer kollimierenden Linse ein einseitig verspiegeltes Hologramm 20 vorgesehen, welches den vom Laser 1 divergent emittierten Laserstrahl 6 reflektiert. Dieses Hologramm 20 ist so ausgebildet, daß es wie eine Linse wirkt, welche die Laser­ moden 1:1 abbildet. Unterschiedliche Lasermoden werden dabei räumlich aufgelöst. Bei Reflexion durch das spiegelnde Hologramm 20 wird daher nur eine Wellenlänge in den Laser 1 zurückgekoppelt.

Eine mögliche Herstellung des Holoramms 20 ist in der Fig. 3 skizziert. Eine von einem Quellpunkt P 1 ausgehende optische Welle W 1 wird mit einer optischen Welle W 2 mit dem Brennpunkt P 2 zur Interferenz gebracht. Das Interferenzmuster wird auf einer in der Ebene des Hologramms 20 angeordneten, beispiels­ weise photografischen Platte aufgezeichnet. Die Ebene des Hologramms 20 ist dabei so angeordnet, daß die Punkte P 1 und P 2 spiegelsymmetrisch angeordnet sind. Die eine Welle W 1 ent­ spricht dem divergenten Laserstrahl 6 in Fig. 2. Wird die Platte einseitig verspiegelt und von dem Punkt P 1 mit dem Laserstrahl 6 beleuchtet, entsteht der in Fig. 2 skizzierte Effekt.

Der Lasersender nach Fig. 2 ist ohne die Gefahr des Auf­ tretens von Modensprüngen als dynamisch einmodiger Sender be­ treibbar, wenn die optische Weglänge zwischen dem Halbleiter­ laser 1 und dem Hologramm 20 klein genug, beispielsweise einige 100 µm, gemacht wird. Wird diese Weglänge im cm-Bereich gewählt, werden auch hier Lasersender mit Linienbreiten von 100 KHz erhalten, wie sie für eine optische Heterodynübertragung mit FSK- oder PSK-Modulation benötigt wird.

Claims (10)

1. Einmodiger Lasersender (1) in Form eines Multimode-Halb­ leiterlasers mit einem externen Resonator in Form eines in einem Strahlengang (6) des von dem Laser (1) divergent emittierten und mittels einer Linse (3) kollimierten Laser­ lichts angeordneten, als Spiegel wirkenden Gitters (2) in Littrow-Anordnung, wobei das von dem Gitter (2) in sich zurück­ reflektierte Laserlicht (60) von der Linse (3) in den Laser (1) fokussiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge zwischen dem Halbleiterlaser (1) und dem Gitter (2) kleiner als 5 cm ist.

2. Einmodiger Lasersender in Form eines Multimode-Halbleiter­ lasers (1) mit einem externen Resonator (20), dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen im Strahlengang (6) des von dem Laser (1) divergent emittierten Laserlichts angeordneten, einseitig verspiegelten Hologramm (20) besteht, welche die Lasermoden 1 : 1 abbildet.

3. Sender nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Weglänge zwischen dem Halbleiterlaser (1) und dem Gitter (2) kleiner als 1 mm ist, und daß die Linse (3) aus einer Mikrolinse besteht, bei welcher der auf der Seite des Halbleiterlasers (1) liegende Brennpunkt (F) außerhalb der Linse (3) liegt.

4. Sender nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikrolinse eine plankonvexe Mikro­ linse ist.

5. Sender nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mikrolinse (3) eine hemisphärische Linse ist.

6. Sender nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die plane Fläche (31) der Mikro­ linse und das Gitter (2) aufeinander angeordnet sind.

7. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Linse (3) aus Silizium be­ steht.

8. Sender nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 7, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gitter (2) aus Silizium besteht.

9. Sender nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge zwischen dem Halbleiterlaser (1) und dem Gitter (2) oder dem Hologramm (20) im cm-Bereich liegt.

10. Sender nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Weglänge zwischen dem Halb­ leiterlaser und dem Hologramm (20) kleiner als 1 mm ist.