DE4332633C2 - Durch einen externen Resonator gesteuerter Halbleiterlaser - Google Patents

Durch einen externen Resonator gesteuerter Halbleiterlaser

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, gesteuert durch einen externen Resonator, enthaltend einen Halbleiterlaser vom Fabry-Perot-Typ zur Abgabe von oszillierendem Laserlicht, wobei der Halbleiterlaser an seinem einen Ende mit einem Anti-Reflexionsfilm beschichtet ist.
Ein derartiger Halbleiterlaser ist beispielsweise in der EP 262 435 A2 beschrieben. Bei einem Lasersender mit einem Halbleiterlaser und einem an den Halbleiterlaser gekoppelten externen optischen Resonator ist eine Ausgangsleistung des Senders dem Resonator entnehmbar.
In OHTSU, M. et al.: Narrow-Linewidth Visible InGaAIP Laser, Application to Spectral Measurements of Lithium and Power Amplification, in: Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 29, No. 8, 1990, S. L1463-L1465, ist die Grob- und Feineinstellung eines optisch stabilisierten InGaAlP-Lasers beschrieben. Dies erfolgt durch Veränderung des Winkels einer externen Beugungsfläche und der Länge eines externen Resonators vom Fabry-Perot Typ.
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In EP 0 176 329 A2 ist ein Rasterscanner beschrieben, mit einer Laserdiode und einem Holographie-Strahlabtastsystem. Ein externer Resonator kann für die Auswahl des optimalen Betriebsmodus und der gewünschten Wellenlänge eingestellt werden, und zwar durch Verschwenken eines Beugungsgitters oder Spiegels entweder alleine oder zusammen.
Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines üblichen, durch einen externen Resonator gesteuerten Halbleiterlasers. In dieser Figur besteht der durch einen externen Resonator gesteuerte Halbleiterlaser aus einem Beugungsgitter 2, einem Antireflexionsfilm 1A, einem Halbleiterlaser (1), einem optischen Isolator 6 und einer Faseroptik oder optischen Faser 8. Der Halbleiter 1 ist vom Fabry-Perot-Typ, bei welchem an seinem einen Ende eine Beschichtung mit einem Antiflexionsfilm 1A vorgesehen ist, und wird durch einen LD-Treiber (Laserdiodentreiber) 9 getrieben. In Fig. 3 gibt der Halbleiterlaser 1 von dem Antireflexionsfilm 1A aus einen Laserstrahl ab. Der Laserstrahl wird durch eine Konvexlinse 5A in paralleles Licht umgewandelt und dann auf das Beugungsgitter 2 aufgestrahlt. Das Beugungsgitter 2 ist ein externer Reflektor und reflektiert Licht, welches eine bestimmte, ausgewählte Wellenlänge aufweist. Das reflektierte Licht wird zum Halbleiterlaser 1 zurückgekoppelt.
Bei dieser Konstruktion wird ein externer Resonator durch das eine Ende des Halbleiterlasers 1 gebildet, welches nicht mit dem Antireflexionsfilm 1A beschichtet ist, und das Beugungsgitter 2. Dies führt dazu, daß der Halbleiterlaser 1 in einer Mode schwingt, und das Laserlicht von dem Halbleiterlaser 1 über die Konvexlinse 5B und den optischen Isolator 6 auf die Faseroptik 8 gerichtet wird. Wenn in dem externen Resonator die Länge des Resonators vergrößert wird, kann hierdurch die spektrale Linienbreite des Lasers verringert werden.
Wenn nunmehr das Beugungsgitter 2, welches eine Winkeleinstelleinrichtung 10A aufweist, gedreht wird, ändert sich die ausgewählte Wellenlänge. Daher ist es möglich, die Wellenlänge innerhalb eines Verstärkungsbereiches (Verstärkungsprofils) (hundert und einige zehn nm) des Halbleiterlasers 1 zu ändern. Wenn darüber hinaus das Beugungsgitter 2, welches eine Parallelverschiebungseinrichtung 11A aufweist, parallel zur Lichtachse des Resonators verschoben wird, so ändert sich die Phasenbedingung des Resonators. Daher ist es möglich, die Wellenlänge innerhalb eines Frequenzbereiches (einige GHz) des Longitudinalmodenintervalls zu ändern. Durch Steuern des Winkels und der Parallelverschiebung des Beugungsgitters 2 durch die Einstelleinrichtung 10A und die Parallelverschiebeeinrichtung 11A zum selben Zeitpunkt ist es daher möglich, die Wellenlänge mit sich kontinuierlich ändernder Phase zu ändern.
Beispielsweise wird in Proceedings of the 1992 IEICE Spring Conference, C-266, 1992, herausgegeben vom Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, berichtet, daß bei einer Länge des externen Resonators von 120 mm eine spektrale Linienbreite von etwa 10 kHz und eine Frequenz von 65 GHz in dem Longitudinalmodenintervall von 1,25 GHz (0,01 nm) erhalten werden. Weiterhin wird in IEICE Trans. Commun., Band E75-B, Nr. 6, Juni, 1992, Seiten 521-523, berichtet, daß bei einer Länge des externen Resonators von 30 mm die spektrale Linienbreite geringer wird als 500 kHz.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau wird bei einer Verlängerung des externen Resonators die spektrale Linienbreite verringert, jedoch wird auch das Longitudinalmodenintervall enger, und dies führt dazu, daß eine Single-Mode-Resonanz schwierig zu erreichen wird. Zur Änderung der Wellenlänge mit entsprechender Phase wird der Spielraum für die Frequenzeinstellung eng, und dann ist es schwierig, die Phase kontinuierlich zu variieren. Wird der externe Resonator länger ausgebildet, so wird der Aufbau des Resonators insgesamt umfangreich, so daß er auf Umgebungseinflüsse empfindlich wird. Daher ist es schwierig, die Wellenlänge der Laserquelle zu stabilisieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines durch einen externen Resonator steuerbaren Halbleiterlasers für den Einsatz in sämtlichen technischen Gebieten, in denen optische Signalquellen eingesetzt werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterlaser des eingangs genannten Typ gelöst durch einen externen Resonator zum Steuern der Wellenlänge des Laserlichts und der Phase der Laser-Oszillation mit einem externen Spiegel, einem Beugungsgitter und einem zwischen dem externen Spiegel und dem Beugungsgitter angeordneten Strahlteiler, wobei der ein niedriges Reflexionsvermögen aufweisende Strahlteiler ein an einer Seitenfläche des Halbleiterlasers abgegebenes Licht so reflektiert, daß dieses auf das Beugungsgitter geleitet wird und das vom Beugungsgitter reflektierte Licht über den Strahlteiler teilweise weiter zum externen Spiegel übertragen wird, und der externe Spiegel das von dem Strahlteiler weiter übertragene Licht so reflektiert, daß der Strahlteiler des externen Resonators eine Resonanzcharakteristik in eine Reflexionscharakteristik umwandelt und der externe Resonator als ein externer Reflektor auf der Seite des nicht reflektierenden Films des Halbleiterlasers wirkt, eine Parallelverschiebungs-Vorrichtung zum Verschieben des Beugungsgitters entlang einer parallel zur Lichtachse des reflektierten Lichts am externen Resonator ausgerichteten Richtung, wobei die Phasenbedingung des externen Resonators durch das Verschieben des Beugungsgitters verändert wird, und eine Winkeleinstell-Vorrichtung zum Drehen des Beugungsgitters, wobei die Wellenlänge des Laserlichts durch die Drehung des Beugungsgitter verändert wird.
Ferner wird die Aufgabe bei einem Halbleiterlaser des eingangs genannten Typs gelöst durch einen externen Resonator zum Steuern der Wellenlänge des Laserlichts und der Phase der Laser-Oszillation mit einem externen Spiegel, einem Beugungsgitter und einem zwischen dem externen Spiegel und dem Beugungsgitter angeordneten Strahlteiler, wobei der ein niedriges Reflexionsvermögen aufweisende Strahlteiler ein an einer Seitenfläche des Halbleiterlasers abgegebenes Licht so reflektiert, daß dieses auf das Beugungsgitter geleitet wird und das vom Beugungsgitter reflektierte Licht über den Strahlteiler teilweise weiter zum externen Spiegel übertragen wird, und der externe Spiegel das von dem Strahlteiler weiter übertragene Licht so reflektiert, daß der Strahlteiler des externen Resonators eine Resonanzcharakteristik in eine Reflexionscharakteristik umwandelt und der externe Resonator als ein externer Reflektor auf der Seite des nicht reflektierenden Film des Halbleiterlasers wirkt, eine Parallelverschiebungs-Vorrichtung zum Verschieben des externer Spiegels entlang einer parallel zur Lichtachse des reflektierten Lichts am externen Resonator ausgerichteten Richtung, wobei die Phasenbedingung des externen Resonators durch das Verschieben des externen Spiegels verändert wird, und eine Winkeleinstell-Vorrichtung zum Drehen des Beugungsgitters, wobei die Wellenlänge des Laserlichts durch die Drehung des Beugungsgitter verändert wird.
Erfindungsgemäß lassen sich die Halbleiterlaser in sämtlichen technischen Gebieten anwenden, in denen eine optische Signalquelle eingesetzt wird, insbesondere auf den Gebieten der optischen Kommunikation mit kohärentem Licht und dem Gebiet optischer Meßverfahren mit kohärentem Licht.
Ferner ermöglichen die erfindungsgemäßen und durch Resonator gesteuerten Halbleiterlaser eine Wellenlängenänderung mit zugeordneter Phasenänderung bei Erzielung einer engen spektralen Linienbreite ohne dem Erfordernis, den externen Resonator lang auszubilden.
Ferner ist erfindungsgemäß der externe Resonator mit externem Spiegel und Beugungsgitter aufgebaut, und der Strahlteiler ist zwischen dem externen Spiegel und dem Beugungsgitter eingefügt. Die Wellenlänge des Lichtes, das von dem Halbleiterlaser abgegeben wird, wird durch den externen Resonator festgelegt. In diesem Fall weist der externe Resonator einen Aufbau auf, bei dem die Wirkung der Resonanzcharakteristik in die Reflexionscharakteristik umgewandelt wird.
Dies führt dazu, daß eine steile Frequenzcharakteristik erhalten wird, obwohl der Resonator kurz ist. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung das longitudinale Modenintervall breit sein. Zudem kann sich die Wellenlänge in einem breiten Bereich mit kontinuierlicher Phase ändern, und die gesamte Vorrichtung läßt sich kompakt ausbilden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben; es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Halbleiterlasers mit Steuerung durch einen externen Resonator gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Halbleiterlaser mit Steuerung durch eine externen Hohlraum gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines konventionellen Halbleiterlasers mit Steuerung durch einen externen Hohlraum.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches den durch einen externen Hohlraum (cavity) gesteuerten Halbleiterlaser gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 1 ist der Halbleiterlaser 1 ein Laser des Fabry-Perot-Typs, wobei ein Ende des Halbleiterlasers 1 mit einem Antireflexionsfilm 1A beschichtet ist. Ausgangslicht an der Seite des Antireflexionsfilms 1A des Halbleiterlasers 1 wird in paralleles Licht umgewandelt. Ein Resonator ist mit einem externen, reflektierenden Spiegel 4 versehen, der ein hohes Reflexionsvermögen aufweist, und mit einem Beugungsgitter 2. Bei einem derartigen Aufbau weist bei kurzem Resonator der externe Resonator eine steile Frequenzcharakteristik auf.
Das parallele Licht 13A, welches von dem Ende ausgegeben wird, welches mit dem Antireflexionsfilm 1A beschichtet ist, geht durch die Konvexlinse 5A hindurch und wird auf einen Strahlteiler 3 gerichtet. Das parallele Licht 13A ändert seinen Lichtweg an dem Strahlteiler 3, und wird dann dem externen Resonator zugeführt, der den externen, reflektierenden Spiegel 4 und das Beugungsgitter 2 aufweist, so daß das parallele Licht 13A in dem externen Resonator schwingt. Hierbei ist der Strahlteiler 3, der ein niedriges Reflexionsvermögen aufweist, zwischen den externen, reflektierenden Spiegel 4 und das Beugungsgitter 2 eingefügt, wodurch das parallele Licht von dem Halbleiterlaser 1 zum externen Resonator geschickt wird. Eine Wellenlänge des parallelen Lichts 13A wird durch das Beugungsgitter 2 ausgewählt, und das Licht, welches eine ausgewählte Wellenlänge aufweist, und eine an den Phasenzustand des externen Resonators angepaßte Phase, schwingt dann in dem externen Resonator. Dies führt dazu, daß das parallele Licht eine steile Frequenzcharakteristik aufweist.
Ein Teil des parallelen Lichts, also ein Teil des im Resonator schwingenden Lichtes, wird durch den Strahlteiler 3 zurückreflektiert und gelangt erneut durch die Konvexlinse 5A und wird dann auf den Halbleiterlaser 1 als reflektiertes Licht zurückgekoppelt. Wenn das Licht, welches eine steile Frequenzcharakteristik aufweist, auf den Halbleiterlaser 1 zurückgekoppelt wird, so gibt der Halbleiterlaser 1 Licht mit einer engen spektralen Linienbreite aus. Je höher das Reflexionsvermögen zwischen dem externen, reflektierenden Spiegel 4 und dem Beugungsgitter 2 ist, und je geringer das Reflexionsvermögen des Strahlteilers 3 ist, desto steiler wird die Frequenzcharakteristik.
Licht, welches von dem anderen Ende des Halbleiterlasers 1 ausgegeben wird, welches nicht dem Antireflexionsfilm 1A beschichtet ist, wird durch die Konvexlinse 5B in paralleles Licht umgewandelt. Dieses parallele Licht durchquert einen Lichtisolator 6 und wird dann an einem Ende der Faseroptik 8 durch die Konvexlinse 7 gesammelt. Das der Faseroptik 8 zugeführte Licht wird an eine externe Vorrichtung ausgegeben.
Der funktionale Aufbau, welcher die Resonanzcharakteristik in die Reflexionscharakteristik umwandelt, wird als ROR-Aufbau (Resonant Optical Reflector: optischer Reflektor in Resonanz) bezeichnet, wobei dieser ROR-Aufbau eines optischen Wellenleiters beschrieben ist in IEEE J.
Quantum Electron., Vol. QE-23, No. 9, Seiten 1419-1425, 1987 sowie in Appl. Phys. Lett., Vol. 58, No. 5, Seiten 449-451, 1991.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild mit einer Darstellung des durch einen externen Resonator gesteuerten Halbleiterlasers gemäß der weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 2 sind die Winkeleinstelleinrichtung 10A und die Parallelverschiebungseinrichtung 11A, die für das Beugungsgitter 2 vorgesehen sind, getrennt ausgebildet, wobei die Winkeleinstelleinrichtung 10A mit dem Beugungsgitter 2 versehen ist, und die Parallelverschiebungseinrichtung 11A mit dem externen, reflektierenden Spiegel 4 versehen ist. Bei diesem Aufbau ist es nicht erforderlich, das Beugungsgitter 2 durch beide Einrichtungen zu steuern, so daß bei dieser zweiten Ausführungsform die mechanische Stabilität verbessert ist.
Wie voranstehend erläutert, wird gemäß diesen Ausführungsformen die Wellenlänge des Lichtes, welches von dem durch einen externen Hohlraum gesteuerten Halbleiterlaser ausgegeben wird, durch den externen Resonator ausgewählt, wobei der externe Resonator mit einem externen Spiegel und einem Beugungsgitter sowie einem dazwischen eingeführten Strahlteiler versehen ist. Daher weist der externe Resonator einen Aufbau auf, dessen Funktion darin besteht, die Resonanzcharakteristik in die Reflexionscharakteristik umzuwandeln, und weist eine steile Frequenzcharakteristik auf, wenn der Resonator kurz ist. Dies führt dazu, daß das Longitudinalmodenintervall breit sein kann, daß sich die Wellenlänge in einem weiten Bereich mit kontinuierlicher Phase ändern kann, und daß die gesamte Vorrichtung klein ausgebildet werden kann.

Claims (2)

1. Halbleiterlaser, gesteuert durch einen externen Resonator, enthaltend:
  • a) einen Halbleiterlaser (1) vom Fabry-Perot-Typ zur Abgabe von Laserlicht, wobei der Halbleiterlaser (1) an seiner einen Endfläche mit einem Anti- Reflexionsfilm (1a) beschichtet ist,
gekennzeichnet durch
  • a) einen externen Resonator zum Steuern der Wellenlänge des Laserlichts und der Phase der Laser-Oszillation mit einem externen Spiegel (4), einem Beugungsgitter (2) und einem zwischen dem externen Spiegel (4) und dem Beugungsgitter (2) angeordneten Strahlteiler (3), wobei
  • b) der ein niedriges Reflexionsvermögen aufweisende Strahlteiler (3) das an der mit dem Anti- Reflexionsfilm (1a) beschichteten Endfläche des Halbleiterlasers (1) abgegebene Licht so reflektiert, daß dieses auf das Beugungsgitter (2) geleitet wird und das vom Beugungsgitter (2) reflektierte Licht über den Strahlteiler (3) teilweise weiter zum externen Spiegel (4) übertragen wird, und
  • c) der externe Spiegel (4) das von dem Strahlteiler (3) weiter übertragene Licht so reflektiert, daß der Strahlteiler (3) des externen Resonators eine Resonanzcharakteristik in eine Reflexionscharakteristik umwandelt und der externe Resonator als ein externer Reflektor auf der Seite des Anti-Reflexionsfilms (1a) des Halbleiterlasers (1) wirkt,
  • d) eine Parallelverschiebungs-Vorrichtung (11a) zum Verschieben des Beugungsgitters (2) parallel zur Achse des externen Resonators, wobei die Phasenbedingung des externen Resonators durch das Verschieben des Beugungsgitters (2) verändert wird, und
  • e) eine Winkeleinstell-Vorrichtung (10a) zum Drehen des Beugungsgitters (2), wobei die Wellenlänge des Laserlichts durch die Drehung des Beugungsgitter (2) verändert wird.
2. Halbleiterlaser, gesteuert durch einen externen Resonator, enthaltend:
  • a) einen Halbleiterlaser (1) vom Fabry-Perot-Typ zur Abgabe von oszillierendem Laserlicht, wobei der Halbleiterlaser (1) an seiner einen Endfläche mit einem Anti-Reflexionsfilm (1a) beschichtet ist,
gekennzeichnet durch
  • a) einen externen Resonator zum Steuern der Wellenlänge des Laserlichts und der Phase der Laser-Oszillation mit einem externen Spiegel (4), einem Beugungsgitter (2) und einem zwischen dem externen Spiegel (4) und dem Beugungsgitter (2) angeordneten Strahlteiler (3), wobei
  • b) der ein niedriges Reflexionsvermögen aufweisende Strahlteiler (3) das an der mit dem Anti- Reflexionsfilm (1a) beschichteten Endfläche des Halbleiterlasers (1) abgegebene Licht so reflektiert, daß dieses auf das Beugungsgitter (2) geleitet wird und das vom Beugungsgitter (2) reflektierte Licht über den Strahlteiler (3) teilweise weiter zum externen Spiegel (4) übertragen wird, und
  • c) der externe Spiegel (4) das von dem Strahlteiler (3) weiter übertragene Licht so reflektiert, daß der Strahlteiler (3) des externen Resonators eine Resonanzcharakteristik in eine Reflexionscharakteristik umwandelt und der externe Resonator als ein externer Reflektor auf der Seite des Anti-Reflexionsfilms (1a) des Halbleiterlasers (1) wirkt,
  • d) eine Parallelverschiebungs-Vorrichtung (11a) zum Verschieben des externen Spiegels (4) parallel zur Achse des externen Resonators, wobei die Phasenbedingung des externen Resonators durch das Verschieben des externen Spiegels (4) verändert wird, und
  • e) eine Winkeleinstell-Vorrichtung (10a) zum Drehen des Beugungsgitters (2), wobei die Wellenlänge des Laserlichts durch die Drehung des Beugungsgitters (2) verändert wird.
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