DE69206557T2

DE69206557T2 - Etalon-stabilisierter Laser mit externem Resonator.

Info

Publication number: DE69206557T2
Application number: DE69206557T
Authority: DE
Inventors: Paul Zorabedian
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2012-09-17
Also published as: EP0534305A1; JPH05206587A; US5161165A; EP0534305B1; DE69206557D1; JP3459081B2

Description

Die Erfindung betrifft Etalon-stabilisierte Halbleiter-Lasersysteme mit externem Resonator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zukünftige optische Kommunikationssysteme, welche heterodyne oder überlagernde Verfahren einsetzen, werden abstimmbare Einfrequenz-Halbleiterlaser mit schmalen Linienstärken benötigen. Solche Lasersysteme werden moduliert und in optische Faserkabel für die Übertragung der Lichtenergie zu einem entfernten Empfänger eingekoppelt. Diese Art von optischen Lasersystemen hat klare Bandbreiten-Vorteile gegenüber den Systemen, die zur Zeit im Einsatz sind, wodurch sie für optische Kommunikationssysteme mit hohen Bitfrequenzen und weiten Übertragungsstrekken attraktiv sind.
Für heterodyne Übertragungen und andere kohärente (Einfrequenz-)Anwendungen, wie die heterodyne Signalanalyse, kann die Linienstärke (optische Bandbreite) des monolithischen Einfrequenz-Lasers nicht ausreichend schmal für ein annehmbares Systemverhalten sein. Über Gitter abgestimmte Haibleiterlaser mit externem Resonator haben jedoch die schmalen Linienstärken und den für diese Anwendungen benötigten Abstimmbereich.
Die schmale Linienstärke der Laser mit externem Resonator ist bei Einrichtungen für die optische heterodyne Spektrumsanalyse besonders wichtig. Bei diesen Systemen sollte die Linienstärke des lokalen Oszillators, der in solchen Einrichtungen verwendet wird, wesentlich schmaler sein, als die eines zu prüfenden Signals. Zusätzlich muß das Verhältnis der Unterdrückung der Längs-Seitenmoden, oder Nebenwellen des lokalen Oszillators sehr hoch sein, höher als 30 dB, weil alle Seitenmoden des lokalen Oszillators von den spektralen Merkmalen des zu prüfenden Signals nicht unterscheidbar wären.
Der Aufbau von Halbleiterlasern mit externem Resonator und Gitterabstimmung ist im Stand der Technik gut bekannt. Ein Beispiel eines Lasers mit externem Resonator ist in dem US Patent 4.942.583 offenbart, das für Paul Zorabedian et al. erteilt und auf die Hewlett-Packard Company überschrieben wurde.
Ein Nachteil der Laser mit externem Resonator ist ihre Neigung, während des Abstimmens oder, wenn der Vormagnetisierungsstrom zum Maximieren der Laserausgangsleitung erhöht wird, zwischen zwei oder mehr Längsmoden-Frequenzen (Mulitmoden oder Mehrfachmoden) zu springen (umzuschalten). Der Multimodenbetrieb tritt auf, weil die Bandbreite des Lasers mit externem Resonator nicht ausreichend schmal ist, um alle außer der einen Betriebsfrequenz auszuschließen.
Es gibt allgemein drei Arten des Multimodenbetriebs. Obwohl dies nicht immer der Fall ist, treten die drei Arten des Multimodenbetriebs tendenziell bei immer höheren Bereichen des Ansteuerstroms auf, wie in Figur 1 gezeigt.
Der Multimodenbetrieb des Typs I tritt tendenziell am nächsten bei dem Schwellwert des Halbleiterlasers auf. Er kann sich jedoch bis zu dem oberen Grenzstrom des Halbleiters erstrekken. Wie in Figur 2 gezeigt, ist die Multimodenbedingung des Typs I durch eine starke Hauptmode und zwei schwache symmetrische Seitenmoden gekennzeichnet. Das Verhältnis der Seitenmoden kann irgendwo zwischen etwa -10 bis -30 dB liegen. Dies ist die mildeste Form eines Multimodenbetriebs eines Lasers, wobei die Linienstärke der Hauptmode vergleichbar mit der einer einzelnen schwingenden Mode ist (ungefähr 50-100 Kilohertz "kHz").
Der Multimodenbetrieb des Typ II neigt dazu, wie in Figur 3 gezeigt, bei höheren Strompegeln aufzutreten als der Typ I, er tritt jedoch manchmal genau beim Schwellstrom des Halbleiters auf. Es kann verschiedene Moden mit ungefähr gleichen Energiepegeln geben, und es kann sein, daß keine Hauptmode unterscheidbar ist. Die Linienstärken der einzelnen Moden können etwas breiter als beim Typ I sein und etwa bei etwa 100 kHz bis 10 MHz liegen. Bei dem Multimodenzustand des Typ II kann die Laserenergie über mehrere Frequenzen verteilt sein, und das Lasersystem funktioniert in kohärenten Anwendungen nicht mehr.
Der Multimodenbetrieb des Typs III tritt bei dem höchsten Strombereich des Halbleiters auf. Die Energie wird mehr oder weniger gleichmäßig über viele Frequenzen verteilt, wie in Figur 4 gezeigt, von denen jede auf ein GHz oder mehr ausgeweitet ist. Der Multimodenbetrieb des Typs III ist der Bereich des "Kohärenzzusammenbruchs". Dieser Zusammenbruch entsteht im allgemeinen aufgrund des Einsetzens des optischen Chaos in dem externen Resonator, in dem keine einzelne Hauptmode verstärkt wird.
Es wurden Versuche unternommen, Laser mit externem Resonator derart zu steuern, daß der Multimodenbetrieb verhindert wird. M. Ohtsu et al beschreiben einen solchen Versuch in "Journal of Lighwave Technology", Band 7, Nr. 1, Januar 1989, in dem Artikel "A Simple Interferometric Method for Monitoring Mode Hopping in Tunable External-Cavity Semiconductor Lasers". Der Versuchsaufbau ist in Figur 5 gezeigt.
Bei dem Experiment von Ohtsu et al wurde eine automatische Steuerung unter Verwendung einer elektro-optischen Servoschleife aufgebaut, um Mehrfachmoden zu unterdrücken. Eine Faser-Verzögerungsleitung 501 wurde dazu verwendet, die zeitliche Überlappung der Lasermoden zu vergrößern, wodurch das sich ergebende optische Signal verstärkt wurde. Ein lokaler Oszillator 503 und ein Mischer 505 wurden dazu verwendet, das Überlagerungssignal oder Schwebungssignal von dem Detektor 507, im allgemeinen einige GHz, auf einige hundert MHz abwärtszuwandeln. Die Awärtswandlung erzeugt ein hochfrequentes (HF) Signal, das zum Steuern eines piezoelektrischen Wandlers (PZT) 509 verwendet wird.
Ohtsu et al nutzen das Auftreten des Modenschwebungssignals, um die Länge des Resonatorhohlraums zu verändern. Dies wird durch Verändern der Spannung in dem PZT und dadurch Bewegen des Gitters 511 erreicht. Die Bewegung des Gitters ändert die Durchlaßbandbreite der optischen Rückführung nicht, sondern nur die Feedback-Phase. Wenn die Veränderung der Gitterposition bewirkt, daß das Ausgangssignal des Lasers eine einzige Mode wird, verschwindet das Schwebungssignal, und die vorliegende Spannung an dem PZT wird aufrechterhalten, wodurch die Feedback-Phase bei dem richtigen Wert gehalten wird.
Die experimentellen Ergebnisse des Erfinders haben gezeigt, daß die Einstellung der Länge des Hohlraums nicht alle drei Arten des Multimodenbetriebs unterdrückt. Obwohl die Veränderung der Länge des Hohlraums den Multimodenbetrieb des Typs I unterdrückt, ist sie bei der Unterdrückung des Multimodenbetriebs des Typs II nur teilweise erfolgreich, und sie ist bei der Unterdrückung des Multimodenbetriebs des Typs III unwirksam. Zusätzlich muß die Hohlraumlänge manchmal nacheingestellt werden, wenn der Laserstrom selbst innerhalb eines bestimmten Bereichs des Multimodenbetriebs, für den er wirksam ist, verändert wird.
In dem "Journal of Lightwave Technology", Band LT-5, No. 4, April 1985, haben N.A. Olsson einen Artikel "Performance Characteristics of 1.5 µm External Cavity Semiconductor Lasers for Coherent Optical Communication" veröffentlicht. Dieser Artikel beschreibt ein Lasersystem mit externem Resonator, welches eine Rückführung (feedback) zum Steuern der Hohlraumlänge mit einem PZT verwendet. Ebenfalls beschrieben ist ein Etalon in dem Resonator, welches die Durchlaßbreite des Resonators verringert. Der Winkel des Etalon wird verändert, um zwischen den internen Moden des Lasers abzustimmen. Wie im Stande der Technik gut bekannt ist, verschmälert das Etalon periodisch die Breite des optischen Durchlaßbandes des Gitters, wenn das Etalon in dem resonatorinternen Strahl zunehmend geneigt wird. Das System von Olsson et al ist in den Figuren 6 und 7 gezeigt.
Die Anordnung der Grundelemente des Lasers mit externem Resonator von Olsson et al geht am besten aus Figur 6 hervor. Das Licht von einer Laserdiode 601 wird von einer Linse 603 kollimiert und durch ein Etalon 605 projiziert und von einem Gitterreflektor 607 zu dem Laser zurückreflektiert. Ein PZT Element 609 ist mechanisch mit dem Reflektor 607 gekoppelt, und es wird dazu verwendet, die optische Weglänge einzustellen.
Um den Laser zu stabilisieren, ist ein Rückführungssystem vorsehen, wie in Figur 7 gezeigt. Das Rückführungssystem verwendet ein Schwebungsdetektor 701, einen Mischer 703 zum Umwandeln des Ausgangssignals des Detektors in eine niedrigere Frequenz, einen Tiefpaßfilter 705 zum Umwandeln des Ausgangssignals des Mischers in einen Gleichstrom-Steuerpegel und einen Hochspannungsverstärker 707 zum Verstärken des Gleichstrom- Steuerpegels in die zum Anteuern des PZT (nicht gezeigt) erforderliche Hochspannung.
Die Abstimmung des Lasers mit externem Resonator von Olsson et al ist in eine Grob-, Mittel- und Feinabstimmung aufgeteilt. Die Grobabstimmung wird durchgeführt, in dem der Gitterreflektor 607 gedreht wird und die interne Mode ausgewählt wird, welche am nächsten bei der gewünschten Wellenlänge liegt. Dies schafft einen Abstimmbereich von etwa 900 A (Angström). Die internen Moden beziehen sich auf die Längsmoden der Laserdiode ohne den externen Resonator. Diese Moden treten aufgrund der unvollkommenen Antireflektionsbeschichtung der Laserfläche oder Laserfacette auf. Diese Mittelabstimmung besteht im Abstimmen des Lasers zwischen seinen internen Moden, ein Bereich von etwa 19 A. Diese Abstimmung wird durch manuelle Einstellung des resonatorinternen Etalons 605 in Kombination mit einer feinen Drehung des Gitterreflektors 607 erreicht. Die Feinabstimmung wird durch Einstellungen der Länge des externen Resonatorhohlraums erreicht, welche die Laserfrequenz innerhalb des Megahertzbereiches verändert. Der PZT 609 wird mit dem Reflektor 607 verbunden, um diese Einstellung zu erleichtern.
Während das Lasersystem mit externem Resonator von Olsson et al alle drei Arten des Multimodenbetriebs mit mehreren manuellen Einstellungen eliminieren kann, besteht nach wie vor Bedarf nach einem Lasersysstem, welches alle drei Arten des Multimodenbetriebs automatisch eliminiert.
Dieser Bedarf wird durch ein Lasersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 befriedigt.
Der Laser mit externem Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung eliminiert automatisch alle drei Typen des Multimodenbetriebs, und er kann daher vorteilhaft bei optischen Übertragungen und kohärenten Meßanwendungen eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung erreicht darüber hinaus die Unterdrükkung der Multimodenbetriebsarten durch die Einstellung eines einzigen Elementes anstelle von mehreren Elementen, wie dies bei Geräten nach dem Stand der Technik notwendig war, wodurch der Aufbau des Lasersystems einfacher wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet einen Halbleiterlaser, um einen Strahl aus kohärentem Licht zu erzeugen. Ein Etalon ist auf einem Galvanometer montiert, und es liegt in dem optischen Weg zwischen dem Halbleiterlaser und einem zurückreflektierenden Gitter, so daß der Strahl durch das Etalon hindurchgeht und von dem Gitter zu dem Laserhalbleiter zurückreflektiert wird.
Eine Rückführungsschaltung wird zum Steuern des Galvanometers und somit zum Steuern des Winkels des Etalons verwendet. Die Rückführungsschaltung arbeitet, indem sie ein Ausgangssignal von einem Multimoden-Detektor (Schwebungsfrequenz-Detektor) in einen Steuerstrom konvertiert, der zum Ansteuern des Galvanometers verwendet wird. Wenn sich das Galvanometer bewegt, ändert sich der Winkel des Etalons relativ zu dem Laserstrahl, bis der Multimodenbetrieb eliminiert ist.
Da nur ein Element des Lasers mit externem Resonator eingestellt wird, sind der Aufbau, die Herstellung und die Verwendung des Lasersystems wesentlich vereinfacht.
In den Figuren zeigen:
Figur 1: einen Graphen der Intensität des Laserlichtes im Verhältnis zum Laserstrahl,
Figur 2: einen Graphen des Multimodenbetriebs des Typs I,
Figur 3: einen Graphen des Multimodenbetriebs des Typs II,
Figur 4: einen Graphen des Multimodenbetriebs des Typs III,
Figur 5: ein vereinfachtes Diagramm eines Lasers mit externem Resonator nach dem Stand der Technik,
Figur 6: ein vereinfachtes Diagramm eines Lasers mit externem Resonator nach dem Stand der Technik,
Figur 7: ein vereinfachtes Diagramm einer Rückführungsschaltung, welche bei einem Laser mit externem Resonator nach dem Stand der Technik verwendet wird, und
Figur 8: ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in Figur 8 gezeigt, besteht die vorliegende Erfindung in einem abstimmbaren Laser mit externem Resonator. Ein Halbleiterlaser 801 erzeugt einen ersten Laserstrahl längs einem Weg 803 und einem zweiten Laserstrahl längs einem Weg 805. Der erste Laserstrahl wird von einer Linse 806 fokussiert und geht durch einen Lichtfaser-Verteiler 807, welcher den Strahl in zwei Teile aufteilt. Ein Teil wird in einen Schwebungsdetektor 809 gekoppelt, und der andere Teil wird zum Laser-Ausgangssignal 811.
Der zweite Laserstrahl geht durch eine Kollimitionslinse 813, welche den Strahl über ein Etalon 815 und auf ein zurückreflektierendes Gitter 817 fokusiert. Ein Galvanometer 819 ist mechanisch mit dem Etalon 815 gekoppelt und kann dieses drehen. Das Etalon ist ungefähr 5 mm dick und hat eine reflektierende Beschichtung von etwa R = 4 %, pro Oberfläche, bei 1300 nm (Nanometer).
Ein Rückführungssystem 821 ist vorgesehen, um das Etalon 815 einzustellen. Dieses Rückführungssystem umfaßt den Schwebungsdetektor 809, wie eine Lawinendurchbruchsdiode (APD) von AT&T, der mit einem Verstärker 823 verbunden ist, wie einem Avantek AMG 4046M. Der Ausgang des Verstärkers 823 wird mit einer Hüllkurven-Erfassungsschaltung 825 verbunden, welche wiederum mit einem Integrator 827 verbunden ist. Ein Strom-Spannungs- Wandler 829, wie ein ILX Lightwave LDX-3207, wird von dem Integrator 827 gespeist, und der Ausgang von dem Wandler 821 ist mit dem Galvanometer 819 verbunden.
Wenn der Laser mit Mehrfachmoden arbeitet, werden die Mischungen aus den unterschiedlichen Frequenzen und die Schwebungsfrequenz von der Schwebungs-Detektordiode 809 erfaßt. Das Ausgangssignal von der Diode 809 ist üblicherweise ein Mikrowellensignal, welches von dem Verstärker 823 verstärkt wird. Der Hüllkurvendetektor 825 hat die Funktion eines Schwellwertdetektors. Wenn der Detektor 825 ein Signal von dem Verstärker 823 empfängt, das einen voreingestellten Pegel überschreitet, gibt der Detektor 825 eine Gleichspannung an den Integrator 827 aus. Der Ausgang des Detektors 825 hat zwei Pegel, ein oder aus.
Der Integrator 827 erzeugt eine Ausgangs-Rampenspannung, welche proportional zu der Zeit ist, während derer der Detektor 825 die Gleichspannung ausgibt. Mit zunehmender Zeit nimmt die von dem Integrator 827 erzeugte Spannung zu. Diese Ausgangsspannung wird von dem Spannungs-Strom-Wandler 829 in einen Strom umgewandelt. Eine höhere Spannung wird in einen höheren Strom umgewandelt.
Ein General Scanning G120D wird als das Galvanometer 819 verwendet, und die Drehung des Galvanometers 819 wird mittels des Stromes von dem Spannungs-Strom-Wandler 829 gesteuert. Wenn sich das Galvanometer dreht, dreht sich das Etalon 815.
Bei einem bestimmten Rotationswinkel des Etalons 815 verschmälert sich das Durchlaßband des Resonators ausreichend, um den Multimodenbetrieb zu unterdrücken. Die Schwebungsfrequenz verschwindet, und an dem Eingang des Hüllkurvendetektors 825 liegt kein Signal mehr an. Ohne ein Eingangssignal, schaltet der Ausgang von dem Hüllkurvendetektor 825 in den Aus-Zustand, und die Ausgangsspannung des Integrators 827 wird von dem Integrator 827 auf dem momentanen Wert gehalten. Mit einer konstanten Eingangsspannung, bleibt das Ausgangssignal von dem Spannungs-Strom-Wandler 829 konstant, wodurch der Winkel des Etalons 805 konstant gehalten wird.
Um das Lasersystem auf eine andere Frequenz abzustimmen, wird das reflektierende Gitter 817 auf den richtigen Winkel gedreht, wie im Stand der Technik allgemein bekannt ist. Auch der Integrator 827 wird zurückgesetzt, wodurch die Ausgangsspannung des Integrators 827 auf den minimalen Wert geht, was wiederum bewirkt, daß sich das Etalon 815 zu einem minimalen Winkel dreht. Der Integrator 827 wird wieder freigegeben, und das Rückführungssystem 821 stabilisiert nun das Lasersystem bei der neuen Frequenz.
Selbstverständlich kann der Fachmann auf diesem Gebiet die Rückführungsschaltung modifizieren, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel hält der Integrator 827 gemäß dieser Offenbarung die Ausgangsspannung bei einem konstanten Wert, wenn die Amplitude des Schwebungssignals vermindert wird. Eine offensichtliche Veränderung wäre, daß der Integrator 827 die Ausgangsspannung nicht hält. Diese Änderung würde bewirken, daß die Rückführungsschaltung fortlaufend den Winkel des Etalons 815 einstellen würde, um den Multimodenbetrieb zu unterdrücken. Während das Etalon mit einer Reflektivität von etwa 4 % beschrieben wurde, kann der Fachmann auf diesem Gebiet ein unbeschichtetes Etalon oder ein Etalon mit einer höheren Reflektivität so anpassen, daß es für diese Anwendung geeignet ist.
Während vorstehend eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, soll alles, was in der obigen Beschreibung und in den Zeichnungen enthalten ist, als ein Beispiel verstanden werden und nicht als eine Beschränkung der Erfindung, und alle Modifikationen, Konstruktionen und Anordnungen, welche innerhalb des Bereichs der Erfindung fallen, sollen nur aufgrund der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

1. Etalon-stabilisiertes Lasersystem mit externem Resonator, umfaßend:

einen optischen Verstärker (801) zum Vorsehen eines Lichtstrahles,

ein Gitter (817), welches den Lichtstrahl empfängt und diesen zurück zum optischen Verstärker reflektiert, wobei das Gitter und der optische Verstärker gemeinsam einen Laser definieren,

ein Etalon (815), das zwischen dem Gitter und dem optischen Verstärker angeordnet ist, so daß der Lichtstrahl durch das Etalon mit einem durch die Orientierung des Etalons bestimmten Winkel hindurchgeht, und eine Multimode-Detektorvorrichtung (809) zum Empfangen eines Teils des Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß

die Multimode-Detektorvorrichtung (809) die Überlagerungsfrequenz der mehrfachen Moden des Laserstrahls mißt, und

eine Winkeleinstellvorrichtung (821) vorgesehen ist, welche auf das Ausgangssignal des Multimode-Detektors anspricht, das der Überlagerungsfrequenz einspricht, um die Orientierung des Etalons einzustellen, bis die Überlagerungsfrequenz und nachfolgend das Ausgangssignal verschwindet, wodurch ein Multimode-Laserbetrieb unterdrückt wird.

2. Lasersystem nach Anspruch 1, bei dem die Winkeleinstellvorrichtung ein Galvanometer (819) aufweist.

3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Multimode-Detektorvorrichtung (809) eine Halbleiter-Photodiode aufweist.

4. Lasersystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Winkeleinstellsvorrichtung (821) eine Hüllkurven-Detektorschaltung (825) aufweist, die ein Signal liefert, welches den Multimode-Betrieb des Lasers anzeigt.

5. Lasersystem nach Anspruch 4, bei dem die Multimode-Detektorvorrichtung (821) einen Integrator (827) aufweist, der das Signal von der Hüllkurven-Detektorschaltung empfängt und ein Signal liefert, welches das zeitliche Integral des Signales von der Hüllenkurven-Detektorschaltung anzeigt.