DE68918238T2 - Laser mit einem Mehrfachresonator. - Google Patents

Description

• In letzterer Zeit wurden verschiedene Vorschläge für verteilte Vermittlungssysteme hoher Kapazität gemacht, die die sehr große Bandbreite und die hohe Konnektivität von passiven optischen Stern-Netzwerken ausnutzen. Diese Systeme verwenden einen Wellenlängen-Multiplexbetrieb, um viele unabhängige Kanäle über das gesamte Netzwerk im Rundsendebetrieb zu verteilen. Sie bieten Kapazitäten, die um Größenordnungen größer als elektronische (Zeitmultiplex-) Netzwerke sind und bieten eine vollständige Flexibilität der Verbindungskonfiguration, eine Dienste-Transparenz und eine nahezu unbeschränkte Möglichkeit für zukünftige Erweiterungen. Diese Vorteile sind für eine verteilte Vermittlung von Videosignalen, eine Breitbandüberlagerung für faseroptische Telekommunikation an private Teilnehmer, für eine Kommunikation mit hoher Kapazität zwischen Vermittlungsämtern, für Vermittlungsnetzwerke für Multiprozessor-Rechner und für eine Ultrahochgeschwindigkeits-Paketvermittlungs-Telekommunikation attraktiv. Schließlich ermöglichen es kohärente Mehrkanal- Sender und -empfänger, Tausende von unabhängigen Kanälen mit einer Gigahertz-Bandbreite zwischen Tausenden von Knoten zu verteilen und zu vermitteln. Jeder unabhängige Kanal verwendet eine getrennte Wellenlänge, und er wird im Rundsendebetrieb an alle Knoten des passiven Netzwerkes ausgesandt. Ein Schalten oder eine Vermittlung wird unter Verwendung von entweder Sendern mit fester Wellenlänge und abstimmbaren Empfängern, oder umgekehrt, erzielt. In jedem Fall besteht das Hauptproblem, das die Anzahl der Kanäle in derartigen Systemen beschränkt, in der Toleranz der Steuerung der Sender- und Empfänger-Wellenlängen bezüglich der definierten Kanäle. Für eine große Anzahl von Kanälen müssen die Sender- und Empfänger-Bauteile beide sehr enge Toleranzen hinsichtlich der Betriebswellenlänge aufweisen, und sie müssen über den breitestmöglichen Wellenlängenbereich arbeiten. Eine Betrachtung der Entwicklungs-Zeitskalen für Bauteile von kohärenten Systemen und von wahrscheinlichen Systemanforderungen in den 1990er-Jahren legt nahe, daß ein einfacheres System, das auf einer direkten Detektion mit bis zu 50 getrennten Kanälen und einigen Hundert Knoten beruht, eine weitgehende Anwendung finden würde.
• Diese Erfindung bezieht sich auf Laser, für die eine mögliche Anwendung in den Sendern derartiger Direktdetektions-Systeme besteht. Diese Laser sind Mehrfachresonator-Laser, bei denen ein einzelner Laser einen Satz von optisch parallel geschalteten optischen Resonatoren oder Resonanzräumen aufweist und ein optisch dispersives Element einschließt, das allen Resonatoren des Satzes gemeinsam ist. Dieses dispersive Element ist vorzugsweise ein Beugungsgitter. Die Einfügung eines Beugungsgitters in einen Laser mit einem einzigen optischen Resonator ist bereits beispielsweise aus der Veröffentlichung von J. Mellis et al mit dem Titel 'Miniature Packaged External-Cavity Semiconductor Lasers for Coherent Communications', 14. European Conference on Optical Communication IEE Nr. 292, Teil 1, September 1988, Seiten 219 bis 222, bekannt, doch wird in diesem Fall das Beugungsgitter zur Bildung eines dispersiven reflektierenden Elementes an einem Ende eines einzigen Resonators verwendet, dessen Ausrichtung für eine Abstimmung des einzigen Wellenbandes des Resonators verwendet wird und das so ausgebildet ist, daß seine Ausrichtung eingestellt werden kann, um eine Abstimmung der Laseremission zu erzielen. Dieses Gerät ist damit im wesentlichen ein abstimmbares Einkanal-Gerät und nicht ein schaltbares Mehrkanalgerät.
• Ein Mehrkanalgarät ist in der GB-Patentanmeldung 2 202 404 mit n einzelnen Kanälen beschrieben. Bei diesem Gerät ist ein Reflektor, der allen n Kanälen gemeinsam ist, an einem Ende einer Ausgangs-Lichtleitfaser oder in der Nähe dieses Endes ausgebildet. Dieser gemeinsame Reflektor ist auf ein Beugungsgitter und zugehörige Abbildungsoptiken gerichtet, die ein gebeugtes Bild des Reflektors entlang der Zeile einer linearen Anordnung von n Halbleiterverstärkern bilden. Eine Reflexion an den Endfacetten der Laserverstärker, die auf das Beugungsgitter gerichtet sind, wird unterdrückt, so daß die Facetten an dem gegenüberliegenden (entfernten) Ende, d.h., die von dem Beugungsgitter entfernten Facetten, einen Satz von n diskreten Reflektoren bilden, die mit dem gemeinsamen Reflektor zusammenwirken, um einen Satz von n einen externen Reflektor aufweisenden Halbleiterlaser-Resonatoren zu bilden. Ein Merkmal dieser Anordnung besteht darin, daß die optische Verstärkung optisch zwischen dem Beugungsgitter und dem Satz von n externen Reflektoren erzielt wird, so daß die Leistung, die in den gemeinsamen Ausgangskanal abgestrahlt werden kann, der durch die Ausgangs-Lichtleitfaser gebildet ist, durch die mit dem Beugungsgitter und den Abbildungsoptiken verbundenen Verluste begrenzt ist.
• Eine weitere Form eines Mehrkanalgerätes ist in dem US-Patent 4 696 012 (Harshaw) beschrieben. Dieses Gerät weist einen Spiegel auf, der in n getrennte Abschnitte unterteilt ist, die diskrete Reflektoren bilden, deren Reflektivitäten einzeln steuerbar sind. Diese n Reflektoren sind optisch über ein Beugungsgitter mit einem einzigen Reflektor zur Bildung eines Satzes von n optischen Resonatoren gekoppelt, denen der einzelne Reflektor gemeinsam ist. Das Gerät weist einen einzigen Laserverstärker auf, der zwsichen dem Beugungsgitter und dem gemeinsamen Reflektor liegt. Der Laserverstärker ist speziell ein Molekulargaslaserverstärker, doch werden andere Formen von Lasern, unter Einschluß von Festkörperlasern ausdrücklich in Betracht gezogen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein schaltbarer Mehrkanalresonator-Laser geschaffen, bei dem ein dispersives Element in dem optischen Pfad zwischen einem Satz von n Reflektoren und einem gemeinsamen Reflektor liegt, um einen Satz von n optischen Resonatoren zu bilden, die unterschiedliche Frequenzbänder aufweisen, wobei der Laser dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder der n optischen Resonatoren einen eines Satzes von n getrennt adressierbaren Halbleiter-Laserverstärkern einschließt, die jeweils eine einzige reflektierende Facette aufweisen, die einen des Satzes von n Reflektoren bildet, wobei alle optischen Resonatoren einen weiteren Halbleiter-Laserverstärker einschliessen, der allen n optischen Hohlräumen gemeinsam ist und eine einzige reflektierende Facette aufweist, die den gemeinsamen Reflektor bildet.
• Es folgt eine Beschreibung von schaltbaren Mehrkanalresonator- Lasern, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
• Fig. 1 die grundlegenden Elemente eines schaltbaren Mehrkanalresonator-Lasers zeigt,
• Fig. 2 den Laser nach Fig. 1 bei Kopplung mit einer optischen Lichtleitfaser über einen Modulator zeigt, und
• Fig. 3 eine integrierte Version des Lasers nach Fig. 1 zeigt.
• Gemäß Fig. 1 ist ein Halbleiter-Laserchip 11 an einem Ende mit einer Antireflexionsbeschichtung 12 versehen, um zu verhindern, daß dieser Chip als solcher ohne optische Rückkopplung von einem externen Reflektor einen Laserbetrieb ergibt. Eine Kollimationslinse 13 ist so angeordnet, daß sie das von dem mit der Antireflexionsbeschichtung versehenen Ende des Laserchips 11 ausgesandte Licht auffängt und es als kollimierten Strahl auf ein Beugungsgitter 14 vom reflektierenden Typ lenkt. Das gebeugte Licht verläuft zurück durch die Linse 13, die das Licht mit jeder Wellenlänge auf einen getrennten Brennpunkt bringt, der mit Abstand entlang einer Linie angeordnet ist, die sich in einer Richtung unter rechten Winkeln zur Richtung der Linienerstreckung der Beugungselemente des Beugungsgitters 14 erstreckt. Entlang dieser Linie ist eine lineare Anordnung oder Gruppe 15 von n Laserverstärkern 16 angeordnet (wobei speziell fünf in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind), die einzeln ansteuerbar sind. Jeder Laserverstärker 16 der Gruppe 15 ist mit einer Antireflexionsbeschichtung 17 auf der Endfacette versehen, die auf das Beugungsgitter 14 gerichtet ist. Wenn irgendein einzelner Laserverstärker 16 der Gruppe nicht angesteuert ist, so absorbiert er das Licht, das auf seine mit der Antireflexionsbeschichtung versehene Facette trifft und das von dem Laserverstärker 11 über das Beugungsgitter 14 kommt. Wenn dieses einzelne Element der Gruppe jedoch ausreichend angesteuert ist, damit es optisch transparent ist, oder wenn es noch weiter angesteuert ist, damit es optisch verstärkend gemacht wird, so kann Licht von dem Laserverstärker 11 das hintere Ende dieses speziellen Elementes der Gruppe 15 erreichen, nämlich das Ende ohne die Antireflexionsbeschichtung. Dieses entfernte oder hintere Ende wirkt als Reflektor für das Licht, und auf diese Weise wird ein optischer Resonator oder Resonanzhohlraum zwischen diesem Reflektor und dem Reflektor gebildet, der durch das hintere Ende des Laserverstärkers 11 gebildet ist. Damit ist eine selektive Ansteuerung der Gruppe von n Laserverstärkern 16 geeignet, irgendeinen von n unterschiedlichen optischen Resonatoren zu bilden, die alle den Laserverstärker 11 gemeinsam haben, die jedoch jeweils einen einzelnen Laserverstärker 16 aufweisen. Jeder dieser Resonatoren weist einen Durchlaßbereich auf, dessen Spektralbreite durch die Auflösung, die das Beugungsgitter 14 ergibt, und die effektive optische Bandbreite sowohl des eigenen speziellen Laserverstärkers 16 als auch des Laserverstärkers 11 bestimmt ist, der allen Resonatoren gemeinsam ist. Diese Durchlaßbereiche werden in dem Spektrum aufgrund der lateralen Aufspreizung der Laserverstärker 16 in der Gruppe 15 mit Abstand voneinander angeordnet.
• Obwohl die einzelnen Laserverstärker 16 der Gruppe 15 in der Figur so dargestellt sind, als ob sie durch getrennte Chips gebildet sind, können sie in Form von integrierten Teilen vorliegen, die einen Teil einer monolithischen Gruppe bilden. Eine derartige Gruppe kann weiterhin den gemeinsamen Laserverstärker 11 einschließen.
• Durch Ansteuern von lediglich einem der Laserverstärker 16 derart, daß lediglich ein einziger optischer Resonator gebildet wird, kann bewirkt werden, daß der Mehrkanalresonator-Laser einen Laserbetrieb bei einer Frequenz ausführt, die in dem spektralen Durchlaßbereich dieses Resonators oder Resonanzhohlraumes liegt.
• Die Amplitude dieses Lichtes kann in der gleichen Weise moduliert werden, wie ein üblicher Injektionslaser moduliert wird, nämlich durch Modulation des injizierten Stromes, doch ist, weil dieser Laser ein Laser mit externem Resonator mit einer relativ langen optischen Weglänge zwischen seinen Reflektoren ist, die mit diesem Verfahren erzielbare Modulationsgeschwindigkeit begrenzt. So würde ein Bauteil mit einem externen Resonator von 30 mm auf eine maximale Direktmodulationsrate von ungefähr 500 MHz beschränkt sein. Für eine Modulation mit höherer Geschwindigkeit muß auf die Verwendung eines getrennten Modulators zurückgegriffen werden, der außerhalb der Laserresonatoren angeordnet ist. Eine mögliche Anordnung ist die in Fig 2 dargestellte, die den Laser nach Fig. 1 unter Kopplung mit einer optischen Lichtleitfaser 20 über einen Modulator 21 zeigt, der mit Antireflexionsbeschichtungen 22 versehen ist. Ein Beispiel für einen geeigneten Modulator für diesen Zweck ist ein Wellenleiter-Elektroabsorptions-Modulator. Ein Beispiel dieser Art von Modulator, der mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 GHz betrieben wird, ist beispielsweise in der Veröffentlichung von H Soda et al mit dem Titel 'Hochgeschwindigkeits-GaInAsP/InP Buried Heterostructure Optical Intensity Modulator with Semi- Insulating InP Burying Layers', Electronic Letters, Band 23, Nr. 23, Seiten 1232 bis 1234 (5.November 1987) beschrieben.
• Es ist klar zu erkennen, daß, wenn lediglich ein Laserverstärker 16 in der Gruppe 15 zu irgendeinem Zeitpunkt angesteuert wird, der Mehrkanal-Laser dann eine Emission in lediglich einem der n Wellenbänder zu irgendeinem bestimmten Zeitpunkt abgibt. Andererseits können zwei oder mehr Laserverstärker 16 gleichzeitig angesteuert werden, und insbesondere kann, wenn die Ansteuerung jedes Laserverstärkers 16 der Gruppe 15 so ausgebildet ist, daß er in binärer Weise moduliert wird, eine derartige binäre Modulation dieser Laserverstärker 15 dazu verwendet werden, eine Byte-breite Information in dem Wellenlängenbereich auszusenden. Der schaltbare Mehrkanalresonator-Laser ist damit in der Lage, als Bauteil zur Transformation einer räumlich parallelen binären Information, die den einzelnen Elementen der Gruppe von Laserverstärkern 16 zugeführt wird, in einen parallelen Strom von Lichtimpulsen zu wirken, die entlang eines einzigen Kanals geleitet werden, beispielsweise entlang einer einzigen optischen Lichtleitfaser, wobei die Binärinformation in dem Wellenlängenbereich codiert ist. Diese Transformation von einer räumlichen Parallelität zu einer Wellenlängenparallelität weist mögliche Anwendungen in optoelektronischen Prozessormaschinen auf.
• Eine monolithische Version des Lasers nach Fig. 1 ist in Fig. 3 gezeigt. Ein InP-Substrat 50 ist mit einem aktiven Wellenleiterbereich 51 und einem passiven Wellenleiterbereich 52 versehen. Der aktive Wellenleiterbereich schließt einen Laserverstärker ein, der durch einen zweidimensionalen Wellenleiter 53 gebildet ist, der elektrisch angesteuert werden kann, um ihn optisch verstärkend zu machen. Licht, das sich in diesem Wellenleiter in der Richtung von der Endfacette 54 fort ausbreitet, die eine Facette mit relativ hoher Reflektivität ist, tritt in den passiven Bereich 52 ein, wobei es an der Grenzfläche 55 aufgrund der weitgehenden Anpassung der optischen Eigenschaften an dieser Grenzfläche eine minimale Reflexion erleidet. Der passive Bereich 52 bildet einen eindimensionalen Wellenleiter und ist aus einem Material hergestellt, das in dem optisch verstärkenden Wellenband des Wellenleiters 53 transparent ist, wobei sich auf diese Weise das Licht seitlich beim Durchlaufen in Richtung auf das entfernte Ende des passiven Bereiches 52 aufspreizt, wo das Licht durch die Facetten eines eindimensionalen Beugungsgitters 56 reflektiert und gebeugt wird. Dieses Beugungsgitter ist kein ebenes Gitter, sondern ein konkaves Gitter, dessen Krümmung derart ist, daß das auftreffende divergierende Licht zurück auf einen Brennpunkt an der Grenzfläche 55 gebeugt wird. Gemessen von dem inneren Ende des verstärkenden Wellenleiters 53 ist der Abstand dieses Brennpunktes entlang der Grenzfläche 55 eine Funktion der Wellenlänge. An den entsprechenden Abständen für den erforderlichen Satz von n Wellenbändern liegen die inneren Enden eines Satzes von n Laserverstärkern, die durch n zweidimensionale Wellenleiter 57 gebildet sind, die in dem aktiven Wellenleiterbereich 51 ausgebildet sind, wobei jeder Laserverstärker unabhängig angesteuert werden kann, um ihn optisch verstärkend zu machen, und wobei jeder Laserverstärker im wesentlichen die gleiche Struktur wie der Laserverstärker- Wellenleiter 53 aufweist.
• Der passive Wellenleiter 52 des Bauteils nach Fig. 3 kann in halbleitendem Material hergestellt werden, das eine Gitteranpassung mit dem Substrat 50 aufweist und die entsprechende Zusammensetzung aufweist, um über die erforderlichen Wellenbänder transparent zu sein. Ein möglicher Nachteil dieser Lösung besteht in der Temperaturabhängigkeit, die sich aus dem relativ großen thermischen Koeffizienten des Brechungsindex des halbleitenden Materials verglichen mit dem von Quarzglas ergibt. In Anwendungen, bei denen diese Temperaturabhängigkeit Probleme ergibt, dürfte es daher vorzuziehen sein, den passiven Wellenleiter 20 aus Quarzglas oder Silika anstatt aus halbleitendem Material herzustellen. Wenn ein passiver Silika-Wellenleiter 52 mit akzeptabler Qualität nicht auf einem InP-Substrat ausgebildet kann, so kann es erforderlich sein, von einer vollständig monolithischen Struktur für das gesamte Bauteil abzuweichen, wobei der aktive Wellenleiterbereich 51 und die Gruppe von zweidimensionalen Wellenleitern 57 als Bauteile einer monolithischen Struktur verbleiben, die mit dem passiven Silika-Wellenleiter 52 ausgerichtet ist, der als getrennte Einheit geformt ist. Dieser passive Silika- oder Quarzglas-Wellenleiter kann beispielsweise auf einem Siliciumsubstrat gebildet werden.

Claims (5)

1. Schaltbarer Mehrkanalresonator-Laser, bei dem eine dispersives Element (56) in dem optischen Pfad zwischen einem Satz von n Reflektoren und einem gemeinsamen Reflektor (54) angeordnet ist, um einen Satz von n optischen Resonatoren mit unterschiedlichen Frequenzbändern zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der n optischen Resonatoren einen eines Satzes von n einzeln adressierbaren Halbleiterlaserverstärkern (57) einschließt, die jeweils eine einzige reflektierende Facette aufweisen, die einen des Satzes von n Reflektoren bildet, wobei alle optischen Resonatoren einen weiteren Halbleiter-Laserverstärker (53) einschließen, der allen n optischen Resonatoren gemeinsam ist und eine einzige reflektierende Facette (54) aufweist, die den gemeinsamen Reflektor bildet.

2. Schaltbarer Mehrkanalresonator-Laser nach Anspruch 1, bei dem das dispersive Element ein Beugungsgitter ist.

3. Schaltbarer Mehrkanalresonator-Laser nach Anspruch 1, bei dem der Satz von n Halbleiter-Laserverstärkern und der weitere Halbleiter-Laserverstärker zumindest einen Teil einer monolithischen Struktur bilden.

4. Schaltbarer Mehrkanalresonator-Laser nach Anspruch 3, bei dem das dispersive Element ein Beugungsgitter ist.

5. Schaltbarer Mehrkanalresonator-Laser nach Anspruch 4, bei dem das Beugungsgitter ebenfalls einen Teil der monolithischen Struktur bildet.