-
Erfindungsgebiet
-
Die Erfindung betrifft Halbleiterlaser
und insbesondere Halbleiter-Laserdioden mit einem einzigen optischen
Lateralmodus.
-
Hintergrund
-
Es besteht ein zunehmender Bedarf
an Hochleistungs-Halbleiterlasern, die in dem räumlichen Grundmodus arbeiten.
Der räumliche
Modus kann als zwei Komponenten enthaltend angesehen werden, nämlich die
transversale Komponente, die senkrecht zu den Schichten liegt, die
den Halbleiterübergang
bilden, und die laterale Komponente, die parallel zu den Übergangsschichten
liegt. Das von dem Halbleiterlaser erzeugte Licht wird im Allgemeinen
transversal begrenzt, indem Plattierungsschichten mit relativ niedrigem
Brechungsindex auf jeder Seite der aktiven Schicht mit einem relativ
hohen Brechungsindex vorhanden sind. Da die aktive Schicht im Allgemeinen
sehr dünn
ist, etwa 1 μm,
emittiert ein Halbleiterlaser gewöhnlich Licht mit einer transversalen
Grundkomponente. Ein Halbleiterlaser benötigt jedoch typischerweise
einen seitlichen Einschluss, um in dem lateralen Grundmodus zu arbeiten.
Der seitliche Einschluss kann z. B. durch eine vergrabene Heterostruktur,
einen Steg-Wellenleiter
oder andere Strukturen bereitgestellt werden, die einen wirkungsvollen
Unterschied im Brechungsindex zwischen der aktiven Zone und der
seitlichen Zone erzeugen.
-
Die Erfordernis des lateralen Grundmodus verlangt
typischerweise, dass die Breite des lateralen Wellenleiters klein
ist. Dies beschränkt
jedoch die von der Einrichtung verfügbare Leistung, wodurch ihre
Verwendung in Hochleistungsanwendungen, wie z. B. Pumpen von Faserverstärkern, begrenzt
wird. Eine Erhöhung
der seitlichen Breite des Wellenleiters ergibt höhere Leistung, erlaubt aber
auch die Oszillation von Lateralmoden höher als der Grundmodus, besonders
bei hohen Betriebsleistungen. Dies führt zu einer Verringerung in
der Fokussierbarkeit des Ausgangs von dem Laser. Wo der Ausgang
von dem Laser in eine Faser fokussiert wird, führt die Verringerung in der
Fokussierbarkeit zu einer Verringerung im Faser-Kopplungswirkungsgrad.
-
Es besteht daher ein Bedarf an einem
Laser, der bei hohen Leistungen unter Beibehaltung eines einzigen
I ateralmodus arbeiten kann.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Der vorliegende Erfindung betrifft
allgemein einen Hochleistungs-Einlateralmoden-Halbleiterlaser, der
einen Wellenleiter mit Zonen verschiedener Breiten aufweist, der
zwischen eine sich verjüngende Zone
gekoppelt ist. Der Ausgang von dem Laser wird von dem weiten Ende
des Wellenleiters genommen.
-
In einer bestimmten Ausführung der
Erfindung enthält
eine Lichtquelle einen Halbleiterlaser mit einem seitlich begrenzenden
optischen Wellenleiter mit einem hoch reflektierenden ersten Ende
und einem zweiten Ende. Der optische Wellenleiter hat einen ersten
Abschnitt, der sich von dem ersten Ende erstreckt, und einen zweiten
Abschnitt, der sich von dem zweiten Ende erstreckt. Der erste und
zweite Abschnitt sind durch einen sich verjüngenden Wellenleiter verbunden.
Eine Werte des ersten Abschnittsendes ist kleiner als eine Weite
des zweiten Abschnitts. Der erste Abschnitt filtert optische Lateralmoden,
die höher
sind als ein optischer Lateral-Grundmodus. Ein Ausgang wird von
dem zweiten Ende des optischen Wellenleiters abgestrahlt.
-
Eine andere Ausführung der Erfindung ist ein Faseroptiksystem,
das eine Kommunikationsfaser, die ein erregbares Fasermedium enthält, und
einen Pumplaser umfasst, der Pumplicht an das erregbare Fasermedium
liefert. Der Pumplaser enthält
einen seitlich begrenzenden optischen Wellenleiter mit einem hoch
reflektierenden ersten Ende und einem zweiten Ende. Der optische
Wellenleiter hat einen ersten Abschnitt, der sich von dem ersten
Ende erstreckt, und einen zweiten Abschnitt, der sich von dem zweiten
Ende erstreckt. Der erste und zweite Abschnitt sind durch einen
sich verjüngenden
Wellenleiter verbunden. Eine Weite des ersten Abschnitts ist kleiner
als eine Weite des zweiten Abschnitts. Der erste Abschnitt filtert
optische Lateralmoden, die höher
sind als ein optischer Lateral-Grundmodus. Ein Ausgang wird von
dem zweiten Ende des optischen Wellenleiters abgestrahlt.
-
Die obige Zusammenfassung der Erfindung ist
nicht gedacht, jede veranschaulichte Ausführung oder jede Implementierung
der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die Zeichnungen und die
detaillierte Beschreibung, die folgen, exemplifizieren diese Ausführungen
in einer genaueren Weise.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Die Erfindung kann in Anbetracht
der folgenden ausführlichen
Beschreibung von verschiedenen Ausführungen der Erfindung in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen bes ser verstanden werden. Inhalt
der Zeichnungen:
-
1 veranschaulicht
schematisch ein Faseroptik-Kommunikationssystem, das einen Faserverstärker und
einen Faserverstärker-Pumplaser
einschließt.
-
2A veranschaulicht
schematisch einen Laser-Wellenleiter nach einer Ausführung der
Erfindung.
-
B und 2C veranschaulichen schematisch
Schnittansichten von verschiedenen Ausführungen von Halbleiterlasern
mit seitlicher Einschließung.
-
3A veranschaulicht
eine Grafik von Lichtausgang geplottet gegen Dauerstrom für einen Laser
der vorliegenden Erfindung.
-
3B veranschaulicht
Fernfeld-Lateralstrahlprofile für
den Ausgang von einem Laser der vorliegenden Erfindung, genommen
bei verschiedenen Ausgangsleistungspegeln.
-
4 veranschaulicht
Ausgangsleistung und fasergekoppelte Leistung als eine Funktion
von Dauerantriebsstrom für
einen Laser der vorliegenden Erfindung.
-
5 veranschaulicht
eine Grafik von Lichtausgang geplottet gegen gepulsten Strom für einen Laser
der vorliegenden Erfindung.
-
6 zeigt
grafisch Maximalleistung oder Kink-Leistung, die von verschiedenen
Lasereinrichtungen erhalten wird.
-
7A und 7B veranschaulichen schematisch
eine Ausführung
der vorliegenden Erfindung, die Fasergitter-Wellenlängenstabilisierung
enthält.
-
8 veranschaulicht
schematisch eine andere Ausführung
der vorliegenden Erfindung, die Fasergitter-Wellenlängenstabilisierung
enthält.
-
Während
die Erfindung für
verschiedene Modifikationen und alternative Formen zugänglich ist, sind
spezifische davon in den Zeichnungen als Beispiel gezeigt worden
und werden im Einzelnen beschrieben. Es sollte jedoch verstanden
werden, dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die einzelnen beschriebenen
Ausführungen
zu begrenzen. Im Gegenteil ist beabsichtigt, alle Modifikationen, Äquivalenzen
und Alternativen, die in den Geist und Umfang der Erfindung, wie
durch die anliegenden Ansprüche definiert,
fallen, abzudecken.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Die vorliegende Erfindung ist auf
Wellenleiter-Halbleiterlaser anwendbar, die in dem Lateral-Grundmodus arbeiten.
Einer der Vorteile der Erfindung ist, dass der Halbleiterlaser bei
hoher Leistung frei von Lateralmoden höherer Ordnung arbeiten kann.
-
Der Ausbruch eines Lateralmodus höherer Ordnung
in Einstreifen Wellenleiter-Lasern resultiert in einem "Kink" in der gegen den
Laserstrom geplotteten Ausgangsleistung, wodurch der differentielle Wirkungsgrad
verringert wird. Des Weiteren hat ein Lateralmodus höherer Ordnung
verschiedene Nah- und Fernfeldmuster, die nicht gut zu dem optischen Modus
einer Einmodenfaser passen. Der Kopplungswirkungsgrad des Ausgangs
des Lasers in eine Einmodenfaser, z. B. in einem optischen Kommunikationssystem,
wird daher verringert. In einigen Anwendungen, z. B. Pumpen von
Faserverstärkern
in optischen Faserkommunikationssystemen, ist es erwünscht, dass
die Laserdiode eine hohe Ausgangsleistung erzeugt, die effizient
in ein Fasersystem gekoppelt werden kann. Der Ausbruch von Lateralmoden
höherer
Ordnung kann daher für
den Betrieb des Lasers schädlich
sein und sollte vermieden werden.
-
Ein optisches Faserkommunikationssystem wird
in 1 schematisch veranschaulicht.
Ein Sender 102 erzeugt ein optisches Kommunikationssignal,
das an eine faseroptische Übertragungsstrecke 104 gesendet
wird, die das Kommunikationssignal zu einem Empfänger 106 transportiert.
Infolge von optischen Verlusten auf der Strecke 104 verliert
das Kommunikationssignal an Amplitude. Um den Verlusten entgegenzuwirken,
enthält
ein Faserkommunikationssystem oft ein oder mehr aktive Fasereinrichtungen 108,
z. B. Faserverstärker.
Ein Faserverstärker kann
das Kommunikationssignal durch stimulierte Emission verstärken, z.
B. unter Verwendung eines seltene-Erden-Dotierstoffes wie Erbium
(Erbium-dotierter Faserverstärker,
EDFA) oder durch eine nicht lineare Interaktion, z. B. mittels eines
Raman-Faserverstärkers
(FRA).
-
Ein Pumplaser 110 ist über eine
Kopplungsfaser 112 und einen Faserkoppler 114 gekoppelt,
um optische Energie an den Faserverstärker 108 zu liefern.
Der Pumplaser 110 liefert ein Pumpsignal hoher Leistung,
typisch hunderte von Milliwatt, bei einer ausgewählten Wellenlänge, um
den Verstärker 108 zu
pumpen. Der Pumplaser 110 ist typischerweise aus einem
Laserdiodenchip 116 konstruiert, der auf einer Halterung 118 befestigt
ist. Die Halterung 118 kann eine Unterlage enthalten und
stellt elektrische und thermische Leitpfade bereit, um einen Strom durch
den Laserdiodenchip 116 zu leiten und in dem Chip 116 erzeugte
Wärme zu
entfernen. Der optische Ausgang von dem Chip 116 wird durch
ein Linsensystem 120 gesammelt und in die Kopplungsfaser 112 fokussiert.
-
Der Laser 110 kann mit einer
Steuerung 122 verbunden sein, die den Betrieb des Lasers steuert. Die
Steuerung 122 kann eine Stromsteuerung 124 enthalten,
um den durch den Laser 110 fließenden Strom und folglich seine
Ausgangsleistung zu steuern. Die Stromsteuerung 124 kann
betrieben werden, um den durch den Laser 110 fließenden Strom
zu stabilisieren, oder kann betrieben werden, um die von dem Laser 110 abgebene
Leistung zu stabilisieren. Die Steuerung 122 kann auch
eine Wärmesteuerung 126 enthalten,
um die Betriebstemperatur des Lasers 110 zu steuern. Die
Wärmesteuerung 126 kann
eingerichtet sein, die dem Laserchip 116 durch die Halterung 118 zugeführte Kühlung zu
steuern. Wenn z. B. die Halterung 118 thermoelektrische
Kühlung
bereitstellt, kann die Wärmesteuerung 126 die
durch den thermoelektrischen Kühler
fließende
Strommenge steuern, um die Menge an Wärme zu steuern, die dem Laserchip 116 durch
den thermoelektrischen Kühler
entzogen wird. Ein Temperaturfühler
kann auf oder nahe der Halterung platziert werden, um die Betriebstemperatur
des Chips 116 zu messen und der Wärmesteuerung 126 Temperaturinformation
zuzuführen.
Thermische Stabiltät
des Pumplasers 110 ist grundsätzlich wichtig, da ein optimaler
Betrieb des Faserverstärkers 108 erfordert,
dass das von dem Pumplaser 110 erzeugte Licht in einem
bestimmten Wellenlängenbereich
liegt.
-
Zwei wichtige Eigenschaften des Lasers 110 sind,
dass die Leistung ausreichend hoch ist, um als ein Pumplaser wirksam
zu sein, und dass der Wirkungsgrad des Koppelns von Licht in die
Faser ebenfalls hoch ist. Hoher Kopplungswirkungsgrad kann erreicht
werden, indem sichergestellt wird, dass der Laser 110 in
einem Einlateralmodus arbeitet, was erreicht werden kann, indem
der Einmoden-Wellenleiter in dem Laser schmäler gemacht wird. Eine Verringerung
in der Wellenleiterbreite verringert jedoch die verfügbare Ausgangsleistung.
Wenn der Einmoden Wellenleiter nicht schmal genug ist, um alle Moden höherer Ordnung
zu benachteiligen, kann der Ausgang ein oder mehr Lateralmoden höherer Ordnung, insbesondere
bei hoher Leistung, enthalten. Der Ausbruch eines Lateralmodus höherer Ordnung
ist begleitet von einem Dip und einem Anstieg in der gegen Strom
geplotteten Ausgangsleistungskurve, was als L-I-Charakteristik bezeichnet
wird. Dieser Dip und Anstieg wird als "Kink" bezeichnet
und wird als durch eine Mischung eines ersten mit dem optischen Grundlateralmodus
phasenverriegelten Lateral-Raummodus verursacht verstanden. Dieses
Phänomen
wird weiter beschrieben in "Kink
power in weakly index guided semiconductor lasers" von M. F. Schemmann
et al., Applied Physics Letters, Vol. 66, Seiten 920–922, 1995.
-
Die Schwellenleistung, bei der der
erste Lateralmodus zu schwingen beginnt, auch als die Kink-Leistung
bezeichnet, hängt,
wenigstens zum Teil, von der Weite des Wellenleiters in dem Laser 110 ab.
Wenn der Wellenleiter schmal genug ist, kann der erste Lateralmodus
beseitigt werden. Das Verengen des Wellenleiters erhöht jedoch
die Verluste für
den Grundlateralmodus, wodurch der differentielle Wirkungsgrad des
Lasers verringert wird. Das Vor handensein einer schmalen aktiven
Zone resultiert auch in höherer
Stromdichte, was nicht lineare Effekte wie Spektrallochbrennen zur
Folge hat, und resultiert auch in hohen Wärme- und Reihenwiderständen.
-
Ein Lösungsweg, um diese Probleme
zu überwinden,
besteht darin, einen seitlich begrenzenden Wellenleiter in dem Laser
zu verwenden, der Zonen verschiedener Weite hat. Eine bestimmte
Ausführung
eines solchen Lasers wird in 2A veranschaulicht.
Der Laserwellenleiter 202 liegt zwischen zwei Enden 204 und 206 des
Lasers 200. Die Enden 204 und 206 können gespaltene
Oberflächen
sein, die mit dielektrischen Beschichtungen beschichtet sind. Das
erste Ende 204 ist mit einer hoch reflektierenden Beschichtung
versehen. Das zweite Ende 206 ist mit einer Antireflex-Beschichtung
versehen und arbeitet als das Ausgangsende für den Laser 200.
-
Der Wellenleiter 202 hat
eine relativ schmale Zone 208, die sich von dem ersten
Ende 204 erstreckt, und eine relativ breite Zone 210,
die sich von dem Ausgangsende 206 erstreckt. Eine sich
verjüngende
Zone 212 verbindet die schmale und die breite Zone 208 und 210.
-
Die sich verjüngende Zone 212 ist
vorzugsweise lang genug, um eine relativ verlustarme Transformation
des Grund-Lateralmodus von der schmalen Zone 208 in die
breite Zone 210 zu erlauben, und kann etwa 100 μm lang oder
mehr sein. Eine sich verjüngende
Zone 212, deren Länge
wesentlich kürzer ist,
bringt zusätzliche
Verluste in den Laser ein, die schädlich sind. Die Länge der
sich verjüngenden Zone 212 bestimmt,
wenigstens zum Teil, die Größe des Kopplungsverlustes
zwischen der schmalen und der breiten Zone 208 und 210:
ein längere
Verjüngungslänge verringert
den Kopplungsverlust, während
eine kürzere
Verjüngungslänge den
Kopplungsverlust erhöht.
Der Kopplungsverlust zwischen der schmalen und der breiten Zone 208 und 210 ist
auf einem Maximum, wenn die Verjüngung
keine Länge hat
und die schmale Zone direkt an die breite Zone ankoppelt.
-
Wenn der Kopplungsverlust wegen einer
relativ langen Verjüngungslänge relativ
niedrig ist, benachteiligt der Laser die Lateralmoden höherer Ordnung
als eine Folge der höheren
Ausbreitungsverluste für
die Lateralmoden höherer
Ordnung in der schmalen Zone 208. Dies steht im Gegensatz
zu Lasern, die keine sich verjüngende
Zone haben, wo die schmale Zone direkt mit der breiten Zone gekoppelt ist.
In einem solchen Fall ist der Haupt-Diskriminierungsverlust, der
das Erscheinen von Moden höherer Ordnung
verhindert, der Kopplungsverlust zwischen der schmalen und der breiten
Zone. Der Grundmodus erfährt
in einem solchen System ebenfalls hohe Verluste. Einer der Vorteile
der Verwendung einer sich verjüngenden
Zone 212, um zwischen der schmalen und der breiten Zone 208 und 210 zu
kop peln, besteht darin, dass die niedrigen Kopplungsverluste, besonders
für den
Grundmodus, zu einem höheren
Gesamtwirkungsgrad des Lasers führen.
Indem eine Zone vorhanden ist, die relativ breit ist, erhöht der Wellenleiter 202 auch
die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Laserdiode durch Verringern
von Stromdichte und Grenzschichttemperatur im Hachleistungsbetrieb.
-
Der Querwellenleiter kann unter Verwendung
irgendeiner aus einer Anzahl von Lösungen gebildet werden. Zum
Beispiel kann der Wellenleiter als ein Steg oder als eine vergrabene
Heterostruktur gebildet werden. Eine bestimmte Ausführung eines Steg-Querwellenleiters
wird in 2B veranschaulicht,
die schematisch einen Querschnitt des Lasers 200 transversal
zu dem Wellenleiter 202 zeigt. Die obere Plattierungsschicht 220 ist
typisch eine pdotierte Schicht, die einen Steg 222 einschließt. Die
aktive Schicht 224 kann eine einzelne oder mehrfache Quantenwannen
sein, die auf der unteren Seite durch die untere Plattierungsschicht 226,
die typisch eine n-dotierte Schicht ist, begrenzt werden. Der Brechungsindex
der aktiven Schicht ist höher
als der Brechungsindex der oberen und unteren Plattierungsschicht 220 und 226.
-
Der Querwellenleiter wird durch den
Steg 222 in der oberen Plattierungsschicht 220 gebildet. Der
Wellenleitungseffekt entsteht aus dem großen Brechnungsindexunterschied
zwischen dem Steg und der umgebenden Luft. Der effektive Brechungsindexunterschied
für den
eingeschlossenen Modus hängt
davon ab, wie viel von dem Modus in den Steg eindringt. Der effektive
Brechungsindex für
den geführten
Modus hängt
folglich von der Tiefe der oberen Plattierungsschicht 220 und
der Höhe
des Steges 222 ab.
-
Eine andere einzelne Ausführung einer
Wellenleiterstruktur wird in 2C veranschaulicht.
Eine planare Struktur wird durch eine obere Plattierungsschicht 230,
eine aktive Schicht 234 und eine untere Plattierungsschicht 236 gebildet.
Die aktive Schicht 234 kann eine oder mehrere Quantenwannen
enthalten. Die obere Plattierungsschicht 230 kann höhere Verluste
haben als die untere Plattierungsschicht 236. Der Brechungsindex
der unteren Plattierungsschicht 236 kann folglich so gewählt werden,
dass er höher
ist als der Brechungsindex der oberen Plattierungsschicht 230,
mit dem Ergebnis, dass der Transversalmodus in Richtung auf die
untere Plattierungsschicht 236 gezogen wird. Dies verringert
die Überschneidung
des Transversalmodus in der oberen Plattierungsschicht 230,
wodurch die Verluste der oberen Plattierungsschicht verringert werden.
Dies bringt einen besonderen Vorteil in langen Laserhohlräumen mit
z. B. über
1 mm, wo eine Verringerung in den Verlusten der unteren Platierungsschicht
das Vermögen
des langen Hohlraumes, hohe Ausgangsleistung zu liefern, steigert.
-
Der Querwellenleiter ist zwischen
zwei Zonen mit niedrigem Brechungsindex 232 gebildet, die durch
Einführen
von einer oder mehr Arten in den Halbleiterkistall gebildet werden.
Die Zonen mit niedrigem Brechungsindex 232 können durch
Rückätzen um
die aktive Schicht 234 herum und Nachzüchten von anderem Material
um die aktive Schicht 234 herum gebildet werden, um eine
vergrabene Heterostruktur zu bilden. In einer anderen Ausführung können die
Zonen mit niedrigem Brechnungsindex z. B. unter Verwendung von Protonen-
oder Ionen-Implantation, Diffusion oder anderer geeigneter Verfahren
gebildet werden.
-
Wenn zum Pumpen eines Erbium-dotierten Faserverstärkers benutzt,
arbeitet ein Pumplaser typischerweise bei etwa 980 nm. In einer
bestimmten Ausführung
kann ein Laser mit AlGa-As-Plattierungsschichten
und einer InGaAs-Aktivschicht ebenfalls verwendet werden, um Licht
bei 980 nm zu erzeugen. Die Betriebswellenlänge eines Pumplasers für einen Raman-Verstärker hängt von
der Wellenlänge
des Signals, das verstärkt
wird, ab. Wo das zu verstärkende optische
Signal eine Wellenlänge
von etwa 1550 nm hat, beträgt
die erste Stokes-Raman-Pumpwellenlänge etwa
1480 nm. In einer anderen Ausführung
kann ein Laser mit InP-Plattierungsschichten und einer GaInAsP-Aktivschicht
verwendet werden, um Licht bei 1480 nm zu erzeugen. Man wird einsehen,
dass verschiedene Materialkombinationen eingesetzt werden können, um
diese bestimmten Wellenlängen
zustande zu bringen, und auch, dass Pumplaser bei anderen Wellenlängen als
den beschriebenen arbeiten können.
-
Ein Laser mit dem in 2A und 2C gezeigten
Aufbau wurde hergestellt und getestet. Die Plattierungsschichten
wurden aus AlGaAs gebildet, während
die aktive Schicht eine einzelne InGaAs-Quantenwanne war. Der Laser
erzeugte einen Ausgang bei etwa 980 nm. Die schmale Wellenleiterzone
hatte eine Weite von etwa 2.3 μm
und eine Länge
von 300 μm.
Die sich verjüngende
Zone war ebenfalls 300 μm lang.
Die Gesamthohlraumlänge
war über
1 mm, etwa 1500 μm.
Das Ende des Lasers an der schmalen Wellenleiterzone war mit einer
hoch reflektierenden Beschichtung versehen, und eine Antireflex-Beschichtung
war am Ausgangsende der breiten Wellenleiterzone angebracht. Der
mittlere Eindurchlauf-Verlust durch den Hohlraum für den Grundmodus
betrug etwa 50%.
-
Die Ausgangsleistung des Lasers wurde
gegen Strom (L-I-Charakteristik) unter cw-Betriebsbedingungen gemessen.
Die Ergebisse werden in 3A gezeigt.
Die Ausgangsleistung nahm monotonisch bis auf etwa 700 mW für einen
maximalen Injektionsstrom von 1000 mA zu. Die L-I-Charakteristik zeigt
eine monotonische Zunahme der Leistung mit Strom und bekundet keinen
Kink in der Ausgangsleistung.
-
Das Ausgangsstrahlprofil wurde im
Fernfeld für
die Ebene parallel zu der Grenzschicht ge messen. Die entstandenen
Strahlprofile, gemessen bei 60 mW, 300 mW und 500 mW Ausgangsleistung, werden
in 3B veranschaulicht.
Die Strahlprofile sind für
alle Ströme
glatt und gleichmäßig. Die
Abwesenheit jeglicher signifikanter Änderung in dem Fernfeld-Strahlprofil
bei erhöhter
Ausgangsleistung und besonders das Fehlen von Strahlsteuerung sind
ein weiterer Beweis, dass es selbst für die höchsten Leistungspegel keine
Oszillation des Lateralmodus erster Ordnung gab.
-
Das Ausgangstrahlprofil wurde im
Fernfeld für
die Ebene parallel zu der Grenzschicht gemessen. Die entstandenen
Strahlprofile, gemessen bei 60 mW, 300 mW und 500 mW Ausgangsleistung, werden
in 3B veranschaulicht.
Die Strahlprofile sind für
alle Ströme
glatt und gleichmäßig. Wie
in 3B gezeigt, bleibt
auf jeder Seite der Spitzenintensität bei 0° die Polarität der Steigung des Fernfeld-Strahlprofils
mit Zunahme im Divergenzwinkel konstant. Die Abwesenheit jeglicher
signifikanter Änderung
in dem Fernfeld-Strahlprofil bei erhöhter Ausgangsleistung und besonders
das Fehlen von Strahlsteuerung sind ein weiterer Beweis, dass es
selbst für
die höchsten
Leistungspegel keine Oszillation des Lateralmodus erster Ordnung
gab.
-
Die L-I-Charakteristik wird in 4 als Kurve 402 wiederholt,
die auch den Wirkungsgrad 404 zum Koppeln in eine Einmoden-Faser
als eine Funktion von Injektionsstrom zeigt. Die Ausgangsleistung
bei einem Strom von 500 mA ist etwa 400 mW, wovon etwa 320 mW in
die Faser gekoppelt werden. Der Faserkopplungswirkungsgrad beträgt somit
etwa 80%. Der Laser behält
diesen hohen Kopplungswirkungsgrad selbst bei relativ hohen Betriebsleistungen
bei.
-
Der Laser wurde bei höheren Strompegeln unter
gepulsten Bedingungen betrieben. Der Laser wurde mit 200 ns Stromimpulsen
bei einer Rate 10 kHz betrieben. Die L-I-Kurve für gepulsten Betrieb, gezeigt
in 5, blieb bis zu einem
gepulsten Strompegel von 1200 mA, der Grenze der Stromversorgung,
glatt. Die Spitzenleistung des Lasers bei einem Injektionsstrom
von 1200 mA betrug etwa 1000 mW. Der Laser zeigte kein Anzeichen
von Oszillation des Lateralmodus erster Ordnung und arbeitete somit
bis zu einem Watt ohne Kink.
-
Die Kink-Leistung des Lasers der
vorliegenden Erfindung wurde mit der Kink-Leistung von herkömmlichen
Geradstreifen-Lasern verglichen. Mehrere Wafer wurden mit Lasern
mit sich verjüngenden Wellenleitern
wie die in 2A gezeigten
hergestellt. Geradstreifen-Laser mit einer Streifenbreite von 3 μm wurden
ebenfalls auf den gleichen Wofern hergestellt. Die Endfacetten der
Chips wurden nach dem Trennen von dem Wafer beschichtet, und die
Chips wurden zum Testen montiert. Ein Laser mit sich verjüngendem
Wellenleiter, der seinen Aus gang am Ende der breiten Wellenleiterzone
hat, und ein Geradstreifen-Laser von jedem Wafer wurden jeweils mit
cw-Strominjektion bis zu einem Strompegel von 800 mA betrieben.
Die von den Lasern mit sich verjüngendem
Wellenleiter erreichte Maximalleistung, veranschaulicht durch die
Quadrate in 6, fiel meistens
in den Bereich von 500 mW bis 600 mW. Für keinen der Laser, der den
sich verjüngenden Wellenleiter
hatte und dessen Ausgang sich am breiten Ende des Wellenleiters
befand, wurde ein Kink beobachtet. Der Leistungspegel, bei dem in
Lasern mit geraden Streifen Kink auftrat, wird durch die offenen
Kreise in 6 veranschaulicht.
Die Laser mit geraden Streifen zeigten gewöhnlich eine Kink-Leistung im
Bereich von 200 mW bis 400 mW.
-
Eine kleine Zahl von Lasern mit sich
verjüngendem
Wellenleiter wurde mit der Antireflexions-Beschichtung am Ende der schmalen Wellenleiterzone und
der hoch reflektierenden Beschichtung am Ende der breiten Wellenleiterzone
gebildet. Der Ausgang dieser Laser wurde daher von dem schmalen
Ende und nicht von dem breiten Ende emittiert. Diese "umgekehrt" konischen Laser
mit dem aus dem schmalen Ende extrahierten Ausgang zeigten eine
sehr niedrige Kink-Leistung, weniger als 200 mW.
-
Wie oben erwähnt, machen die von den Lasern
der vorliegenden Erfindung erhältlichen
hohen Ausgangsleistungen dieselben gut geeignet zum Pumpen von Faserverstärkern in
faseroptischen Kommunikationssystemen.
-
Ein bestimmtes Problem des Pumpens
von Faserverstärkern
ist jedoch das Vorhandensein von nicht linearen parasitischen Prozessen,
z. B. stimulierte Brillouin-Streuung (SBS). Diese tritt auf, wenn der
Leistungspegel des Pumplichts in einer schmalen Linienbreite zu
hoch wird. Die SBS-Schwelle in einer Faser für Licht von einem Einmoden-Laser
mit verteilter Rückkopplung
(DFB), typischerweise mit einer Bandbreite von etwa 20 MHz, liegt
gewöhnlich
im Bereich von 5 mW bis 10 mW. Diese niedrigen SBS-Schwellen kappen
effektiv die die von verfügbaren
Quellen lieferbare Pumpleistung, einschließlich Einmoden-Lasern, Masteroszillator/Leistungsverstärker-(MOPA)
Systemen und selbst Mehrfach-Längsmoden-Lasern
mit einer Spektralstärke von
größer als
etwa 10 mW pro 20 MHz. Die Forderung nach hoher Pumpleistung steht
somit in Konflikt mit den parasitischen Verlusten.
-
Ein anderes Problem ist, dass herkömmliche Fabry-Perot-Laser
oder DFB-Laser unter großen Schwankungen
in Ausgangsleistung und Ausgangsspektrum leiden, die aus Änderungen
in Strom oder Temperatur entstehen. Diese Schwankungen in Ausgangsleistung
und Ausgangsspektrum resultieren in Änderungen in der Verstärkung des
Faserverstärkers,
und die Amplitude des Kommunikationssignals wird unstabil. Eine
Stabilisierung der Pumpwel lenlänge
wird benötigt,
um flache Verstärkung
zu erzielen und höhere
Pumpleistung durch Wellenlängenteilungs-Multiplexen
(WDM) von mehreren Pumplasern zu erlangen.
-
Eine Möglichkeit, diese Probleme zu überwinden,
besteht darin, den Pumplaser unter Kohärenzkollaps zu betreiben, indem
der Ausgang von dem Laser zu einem frequenzselektiven Reflektor geführt wird,
um einen Grad an optischer Rückkopplung
bereitzustellen. Der Betrieb eines Lasers unter Kohärenzkollaps
wird des Weiteren in der US-Patentanmeldung Seriennummer 09/375,687
beschrieben. Der Betrieb unter Kohärenzkollaps verbreitert das zeitgemittelte
Spektrum des Ausgangs von dem Pumplaser, während die frequenzselektive
Rückkopplung
die Ausgangswellenlänge
stabilisiert.
-
Eine Ausführung eines fasergitterstabilisierten
Pumplasers wird in 7A und 7B veranschaulicht, die orthogonale
Ansichten eines Halbleiterlasers mit sich verjüngendem Wellenleiter 700 zeigen, dessen
Ausgang über
ein Linsensystem 720 in eine Faser gekoppelt wird. Der
Laser 700 enthält
einen schmalen Wellenleiterabschnitt 704, der an einem Ende über einen
sich verjüngenden
Wellenleiterabschnitt 703 mit einem breiten Wellenleiterabschnitt 702 gekoppelt
ist. Das andere Ende des schmalen Wellenleiterabschnitts 704 endet
an der Rückfacette 706,
wo eine hoch reflektierende Beschichtung vorhanden ist. Das andere
Ende des breiten Wellenleiterabschnitts 702 endet am Ausgangsende 708,
wo eine gering reflektierende Beschichtung vorhanden sein kann.
Der Transversal-Wellenleiter 714 erstreckt sich typischerweise über die
Länge des
Lasers 700. Licht 710, das durch das Ausgangsende 708 gesendet
wird, wird durch das Linsensystem 720 in das Eingangsende 732 der
Faser 730 gekoppelt. Die Faser 730 ist typischerweise
eine Einmoden-Faser und kann direkt an das faseroptische Kommunikationssystem
gekoppelt werden, um einen Verstärker
zu pumpen. Des Weiteren kann die Faser 730 ein polarisationsbewahrender
Typ sein.
-
Das Linsensystem 720 kann
eine oder mehrere Linsen enthalten. Bei der gezeigten Ausführung enthält das Linsensystem 720 zwei
Linsen, wobei die erste Linse 722 das Licht 710 entlang
der schnellen Achse fokussiert, mit anderen Worten, sie fokussiert das
Licht in einer Richtung senkrecht zu der Laser-Grenzschicht. Die
zweite Linse 724 fokussiert Licht entlang der langsamen
Achse, d. h., in der Richtung parallel zu der Laser-Grenzschicht.
Man wird einsehen, dass andere Linsenkombinationen eingesetzt werden
können,
um den Ausgang 710 von dem Laser 700 in die Faser 730 zu
fokussieren.
-
Die Faser 730 enthält einen
wellenlängenselektiven
Reflektor 734, z. B. ein Bragg-Fasergitter (FBG), der Licht
zu dem Laser 700 zurückführt, um die
Wellenlänge
des Laserausgangs mit der Wellenlänge des Reflektors 734 zu
verriegeln. Außerdem kann
der wellenlängense lektive
Reflektor 734 genug Licht an den Laser 700 zurückreflektieren,
um Kohärenzkollaps
zu bewirken. Kohärenzkollaps
wird in "Regimes
of Feedback Effects in 1.5 μm
Distributed Feedback Lasers" von
R. W. Tkatch und A. R. Chraplyvy, Journal of Lightwave Technology,
Vol. LT-4, Seiten 1655–1661,
1986, und in US-Patenten 5,485,481, 5,563,732 und 5,715, 263 beschrieben. Im
Kohärenzkollaps-Regime
wird Licht von dem Laser durch einen externen Reflektor in den Laserhohlraum
zurückgeführt, um
das Laserspektrum zu stören.
Der Ausbruch des Kohärenzkollapses
hängt von mehreren
Faktoren ab, einschließlich
des Reflexionsvermögens
des externen Reflektors, der Bandbreite des externen Reflektors,
der Trennung zwischen dem externen Reflektor und dem Laser und der
Kohärenzzeit
des Lasers.
-
Der Kohärenzkollaps ist gekennzeichnet durch
ein breites zeitgemitteltes Ausgangsspektrum, dessen Bardbreite
mit der Breite des Reflexionsspektrums des externen wellenlängenselektiven
Reflektors in Beziehung steht. Die Bandbreite des kohärenzkollabierten
Ausgangs ist breit, typisch in der Größe von einem GHz oder mehr.
Diese Bandbreite ist wesentlich breiter als die, die im Longitudinal-Einmodenbetrieb,
typisch 20 MHz, eines herkömmlichen Halbleiterlasers
mit verteilter Rückkopplung
(DFB) oder MOPA mit DFB-Oszillator zu finden ist. Des Weiteren ist
die spektrale Dichte des kohärenzkollabierten
Ausgangs wesentlich kleiner als die eines Mehrmoden-Fabry-Perot-Lasers,
wo die Laserleistung auf die schmalen Fabry-Perot-Moden, die innerhalb
der Gesamtarbeitsbandbreite liegen, beschränkt wird. Als Folge tritt der
Ausbruch von SBS in der Faser bei wesentlich höheren Leistungspegeln unter
Kohärenzkollaps
auf, wenn herkömmliche
DFB- oder Fabry-Perot-Laser
verwendet werden. Der kohärenzkollabierte
Laser ist folglich in der Lage, bei einem Pegel von hunderten, wenn
nicht tausenden, von mW ohne SBS-Ausbruch zu arbeiten, was ein Vielfaches
der SBS-Schwelle für
herkömmliche
Schmalband-Laser ist.
-
Der wellenlängenselektive Reflektor 734 kann
ein Bragg-Fasergitter (FBG) in der mit dem Laserausgang verbundenen
Faser 730 sein. Der Reflektor 734 kann auch eine
andere Art von Reflektor sein, z. B. eine dielektrische Beschichtung,
die sich auf einem Substrat oder einer Eingangsfläche einer Faser
befindet, oder irgendeine andere geeignete Art von Reflektor, der
ein Reflexionsspektrum hat, das gewählt werden kann, um ein gewünschtes
kohärenzkollabiertes
Laserausgangsspektrum bereitzustellen.
-
Der Reflexionsgrad des externen Reflektors ist
typisch kleiner als 10% für
eine Stelle etwa in einem Bereich von 0.5 m bis 2 m von dem Laser
und vorzugsweise zwischen 0.5 m und 1 m. Der Reflexionsgrad des
externen Reflektors wird ideal so klein als möglich gewählt, um den Durchsatz des Pumplichts
in das Fasersystem zu maximieren, sollte aber hoch genug sein, um
die Laserwellenlänge
mit der Wellenlänge
des wellenlängenselektiven
Reflektors 734 zu verriegeln und Kohärenzkollaps zu initiieren.
Andererseits kann ein zu hoher Reflexionsgrad eine Verringerung
im Faserkopplunswirkungsgrad verursachen, was die Ausgangsleistung
in der Faser verringert. Des Weiteren kann ein zu hoher Reflexionsgrad
für bestimmte
Trennungsabstände
zwischen dem externen Reflektor und dem Laser kohärenzkollabierten
Betrieb verhindern. Man wird daher einsehen, dass der Reflexionsgrad
des FBG gewählt
wird, um die gewünschten
Eigenschaften des Systems zu optimieren.
-
Für
die Spitzenverstärkungs-Wellenlänge des
Lasers ist vorteilhaft, dicht bei der Wellenlänge des maximalen Reflexionsgrades
in dem wellenlängenselektiven
Reflektor zu sein, da dies in erhöhtem Ausgangswirkungsgrad resultiert.
Des Weitern kann, da die Spitzenverstärkungs-Wellenlänge des
Lasers temperaturabhängig
ist, der Laser temperaturabgestimmt werden, sodass die Spitzenverstärkungs-Wellenlänge etwa
gleich der Wellenlänge
des maximalen Reflexionsgrades gemacht werden kann. Des Weiteren
wird bevorzugt, dass die Temperatur, bei der die Wellenlänge der
Spitzenverstärkung gleich
der Wellenlänge
des maximalen Reflexionsgrades ist, im Temperaturbereich von 0°C bis 50°C liegt.
-
Die Ausbreitung des Lichts von dem
Laser 700 durch die Faser 730 kann der Depolarisation
in der Faser 730 unterliegen, und so wird der Abstand zwischen
dem Reflektor 734 und dem Laser 700 vorzugsweise
verringert, um Depolarisationseffekte zu reduzieren. Andererseits
kann das Positionieren des Reflektors 734 zu nahe an dem
Laser den Betrieb mit schmaler Linienbreite zur Folge haben und/oder
Modensprung-Instabilitäten
erzeugen.
-
In der veranschaulichten Ausführung wird die
Bandbreite des Ausgangs von dem Laser 700 wenigstens zum
Teil durch die Reflexionsbandbreite des Reflektors 734 bestimmt,
die entsprechend der einzelnen Anwendung ausgewählt werden kann. Wo z. B. der
Laser 700 zum Pumpen eines seltene-Erden-dotierten Faserverstärkers benutzt
wird, kann die FBG-Reflexionsbandbreite so gewählt werden, dass die Bandbreite
des von dem Laser 700 ausgegebenen Lichts mit der Absorptionsbandbreite
der seltene-Erden-Ionen des Dotierstoffs übereinstimmt.
-
Ein weiterer Vorteil, der durch Steuern
der Laserbandbreite durch ein externes Fasergitter bereitgestellt
wird, ist, dass, wo der Laser zum Pumpen eines Faserverstärkers benutzt
wird, das Spektrum des Pumplichts trotz Änderungen im Strom- und Temperaturbetrieb
des den Faserverstärker
pumpenden Lasers stabiler wird. In herkömmlichen Pumplasern können Änderungen
im Ausgangsspektrum, die aus Strom- oder Temperaturänderungen
entstehen, in Änderungen
der Pumpleistung resultieren, die Schwankungen in der Amplitude
des opti schen Kommunikationssignals verursachen. Das Spektrum des kohärenzkollabierten
Lasers ist in hohem Maße durch
den wellenlängenselektiven
Reflektor gekennzeichnet. Im Fall eines Bragg-Fasergitters wird
die Temperaturempfindlichkeit des Ausgangsspektrums durch die thermischen
Eigenschaften des Fasermaterials bestimmt, das über zehnmal weniger temperaturempfindlich
ist als das Halbleitermaterial des Lasers. In Gegensatz dazu unterliegen
herkömmliche Halbleiterlaser
typischerweise Änderungen
im Ausgangsspektrum, die aus einer Vielfalt von Effekten herrühren, z.
B. temperaturänderungsbewirktes
Modenspringen und Langzeit-Alterungseffekte. Herkömmliche
Halbleiter-Pumplaser können
daher besonders problematisch zum Pumpen von seltene-Erden-dotierten
Verstärkern
sein, besonders wo die aktive Spezies eine schmale Absorptionsbandbreite hat.
-
Eine andere Ausführung einer kohärenzkollabierten
Laserquelle wird in 8 veranschaulicht. Die
Laserquelle 800 enthält
einen sich verjüngenden Wellenleiterlaser 801,
der durch ein Linsensystem mit einer ersten Faser 830 gekoppelt
ist. Ein Koppler 832, der operativ mit der ersten Faser 830 verbunden ist,
wird benutzt, um Licht von der ersten Faser 830 in eine
zweite Faser 834 zu koppeln. Die zweite Faser 834 enthält ein reflektierendes
Element, z. B. ein FBG 836. Von dem reflektierenden Element 836 reflektiertes
Licht wir durch den Koppler 832 und die erste Faser 830 zu
dem Laser 801 zurückgeführt. Der Reflexionsgrad
des reflektierenden Elements 836 und der Trennungsabstand
zwischen dem Laser 801 und dem reflektierenden Element 836 kann
gewählt werden,
um sicherzustellen, dass der Laser 801 im Kohärenzkollaps-Regime
arbeitet. Ein Vorteil dieser Ausführung ist, dass der Reflexionsgrad
oder die Bandbreite des reflektierenden Elements 836 geändert werden
kann, ohne die Faser 830 in Bezug auf den Laser 801 abgleichen
zu müssen.
-
Diese Ausführung ist besonders nützlich,
wo die Rückkopplung
zu dem Laser 801 gering ist. Es ist schwierig, FBGs mit
einem spezifisch niedrigen Reflexionswert zu konstruieren, zum Teil
wegen der Schwierigkeit, einen niedrigen FBG-Reflexionsgrad zu messen.
Diese Ausführung
gestattet den Gebrauch eines FBG 836 mit einem relativ
hohen Reflexionsgrad, der einfacher herzustellen ist und dennoch
niedrige Rückkopplung
mittels eines Kopplers 832 erreicht, der nur einen kleinen
Teil des Lichts von der ersten Faser 830 in die zweite
Faser 834 richtet. Da es relativ einfach ist, die Menge
an Licht zu steuern, die durch den Koppler 832 in die zweite
Faser 834 gekoppelt wird, erlaubt diese Ausführung niedrige
Mengen an Rückkopplung.
-
Eine Steuerung 840 kann
an der Laserquelle 800 angebracht sein. Die Steuerung kann
als eine Stromversorgung arbeiten, die Strom an den Laser 801 liefert.
Die Steuerung kann auch die Betriebstemperatur des Lasers 801 stabilisieren.
Der Laser 801 kann z. B. einen von der Steuerung 840 betriebenen
thermoelektrischen Kühler
enthalten, um den Laser 801 auf eine spezifische Betriebstemperatur
zu kühlen.
Der Laser 801 kann auch einen Temperaturfühler enthalten,
der eine Rückkopplung
für die
Steuerung 840 bereitstellt, um die Temperatur zu steuern.
-
Die erste Faser 830 ist
durch einen zweiten Koppler 852 optisch mit einer Aktivfaser-Einrichtung 850 verbunden.
Die Aktivfaser-Einrichtung 850 kann z. B. ein Verstärker sein,
der Teil einer optischen Kommunikations-Faserstrecke ist. Der Faserverstärker kann
ein seltene-Erden-dotierter Faserverstärker, ein Raman-Faserverstärker oder
irgendeine andere Art von Faserverstärker sein. Die Aktivfaser-Einrichtung
kann auch ein Faserlaser sein, z. B. ein seltene-Erden-dotierter
Laser, z. B. ein Erbium-dotierter Faserlaser, oder kann ein Raman-Faserresonator sein.
-
Wie oben erwähnt, glaubt man, dass die vorliegende
Erfindung als auf Hochleistungs-Einlateralmoden-Halbleiterlaser
anwendbar ist. Die Erfindung wird für besonders nützlich gehalten,
um hohe optische Leistungen in Fasern zu koppeln, z. B. Pumpen von
Faserverstärkern.
Man wird einsehen, dass der hierin beschriebene Laser nicht auf
Anwendungen zum Pumpen von Faserverstärkern beschränkt ist, sondern
verwendet werden kann, wo immer ein Ausgangslichtstrahl mit hoher
Leistung und hoher Güte verlangt
wird oder erwünscht
ist.
-
Die vorliegende Erfindung sollte
folglich nicht als auf die oben beschriebenen einzelnen Beispiele begrenzt
angesehen werden, sondern sollte stattdessen als alle Aspekte der
Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen dargelegt, abdeckend angesehen
werden. Verschiedene Modfikationen, gleichwertige Prozesse sowie
zahlreiche Strukturen, auf die die vorliegende Erfindung anwendbar
sein kann, werden für
die Fachleute in der Technik, an die die vorliegende Erfindung gerichtet
ist, nach Durchsehen der vorliegenden Beschreibung ohne weiteres
ersichtlich sein. Die Ansprüche
sind gedacht, solche Modifikationen und Einrichtungen abzudecken.