DE69523922T2

DE69523922T2 - Fasergitter stabilisierte laserdiode

Info

Publication number: DE69523922T2
Application number: DE69523922T
Authority: DE
Inventors: Grant Rogers; F. Ventrudo
Original assignee: SDL Inc
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 1994-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2015-06-29
Also published as: JPH10502215A; DE69535675D1; CA2191190C; AU2782795A; EP0767979A1; JP3296562B2; CA2191190A1; EP1107404B1; WO1996000997A1; EP1107404A1; EP0767979B1; DE69523922D1; US5659559A; DE69535675T2

Description

Fasergitter-stabilisierte Laserdiode

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine stabilisierte Laserquelle, die eine optische Hochenergiestrahlung mit schmaler Bandbreite mit stabilerer Intensität und Wellenlänge liefert, geeignet zum, zum Beispiel, optischen Pumpen von Festkörper-Faserverstärkern oder Lasern, wie beispielsweise Faserlasern.
Optische Faserverstärker und Laser sind schnell eine wichtige Komponente von optischen Kommunikationssystemen geworden. Optische Faserverstärker werden dazu verwendet, optische Signale zu identifizieren, die entlang des faseroptischen Kommunikationspfads gedämpft werden. Sie haben problematische, elektrische Verstärker in faseroptischen Kommunikationsverbindungen ersetzt, was ermöglicht, daß tatsächliche, insgesamt faseroptische Kommunikationssysteme realisiert werden. Ähnlich sind optische Faserlaser vorgeschlagen worden, um einen optischen Träger für faseroptische Kommunikationssysteme zu erzeugen. Diese Laser können extern moduliert oder mode-verriegelt sein, und in einigen Fällen sind sie eine Alternative zu Diodenlasern als Quellen für Licht mit hoher Energie in faseroptischen Kommunikationssystemen.
Sowohl Faserverstärker als auch Laser arbeiten auf ähnlichen Prinzipien. Das Siliziumoxidglas in dem Bereich der geführten Welle der optischen Faser wird mit Ionen eines Seltenerdelements dotiert, wie zum Beispiel Erbium. Die Energiestruktur der Erbiumionen ist so, daß das Signal nicht mit einer Wellenlänge von ungefähr 1530-1565 nm in der Faser verstärkt werden kann, wenn die Population der angeregten Zustände der Erbiumionen so ist, daß die Rate einer stimulierten Emission diejenige einer Spontanemission und Absorption übersteigt. In einem solchen Fall wird Licht innerhalb der Verstärkungsbandbreite, das in die optische Faser eintritt, eine Gesamtverstärkung erfahren und wird die Faser mit einer größeren Energie verlassen. Wenn ein Mechanismus eingerichtet wird, um dieses verstärkte Signal in der Faser zu rezirkulieren, zum Beispiel durch Plazieren der geeigneten Reflektoren an den Enden der Faser, dann kann eine Laserwirkung in der Faser auftreten, wenn die Gesamtverstärkung den Verlust des Lichts innerhalb einer bestimmten, optischen Bandbreite angleicht. In jedem Fall ist es kritisch, die Erbiumionen in dem geeigneten, angeregten Zustand anzuregen, damit eine Verstärkung auftritt. Dies kann durch Anregen (Pumpen) der Erbiumionen mit Licht nahe von Wellenlängen von 980 nm vorgenommen werden, was am einfachsten mit Hochenergie-Diodenlasern erzielt wird, eingekoppelt in den Wellenführungsbereich der optischen Faser. Der relativ kleine Querschnittsflächenbereich dieses Bereichs hilft dabei, eine hohe Intensität sicherzustellen, und ermöglicht deshalb eine annehmbare Verstärkung der Signalwellenlängen. Allerdings werden Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet erkennen, daß die Eigenschaften des Signals, erzeugt durch einen solchen Verstärker oder Laser, in starkem Umfang von den Eigenschaften des Diodenlasers, der verwendet wird, um die Faser selbst zu pumpen, abhängen wird.
In einem praktischen System werden die Diodenlaser permanent und robust mit einer opto-mechanischen Vorrichtung mit einer Länge einer undotierten, optischen Faser verbunden, die wiederum mit der dotierten Faser in dem optischen Verstärker oder Laser verbunden ist. Die Anordnung, die aus dem Diodenlaser, der opto-mechanischen Vorrichtung und der optische Faser besteht, wird als ein mit Anschlußlitze versehener Diodenlaser bezeichnet. Derzeit besitzen viele mit Anschlußlitze versehene Diodenlaser nicht erwünschte Charakteristika, wie beispielsweise Wellenlängen- und Intensitätsinstabilitäten, die Rauschen in dem gepumpten System erzeugen. Die problematischsten Quellen eines Diodenlaserrauschens in 980 nm Diodenlasern sind Modenspringrauschen und Wellenlängenfluktuationen, die durch eine unerwünschte, variable, optische Rückkopplung in den Diodenlaser hinein oder Änderungen in der Temperatur oder Injektionsstrom verursacht werden. Das Rauschen ist besonders nachteilig in Faserverstärken, da es Fehler in dem verstärkten, optischen Kommunikationssignal erhöht und von der Praktikabilität dieser Vorrichtungen abhält.
Dabei sind viele Techniken vorhanden, um den Effekt eines solchen Diodenlaserrauschens zu reduzieren. Ein Beispiel ist ein aktives, elektrisches System, das die Variation in dem Ausgang des Faserverstärkers, verursacht durch eine Fluktuation in den Diodenlasercharakteristika, erfaßt, und ein Signal in die Laserdiode unter der korrekten Phase zurückführt, um die Laserfluktuation zu reduzieren. Allerdings fügen diese Techniken Kosten und eine Komplexität zu dem Verstärker hinzu. Es ist bevorzugt, ein passives Verfahren zum Reduzieren von Diodenlaserfluktuationen einzusetzen. Eine attraktive Lösung ist diejenige, einen Teil des eigenen Lichts in den Pumpdiodenlaser zurückzuführen. Diese Laser sind sehr empfindlich hinsichtlich einer optischen Rückkopplung, und wenn eine solche Rückkopplung geeignet kontrolliert wird, kann ein verbesserter Laserbetrieb resultieren. Eine Rückkopplung wird gewöhnlich durch einen externen Reflektor, wie beispielsweise einen Spiegel oder ein Diffraktionsgitter, erzielt, und externe, optische Elemente, wie beispielsweise Linsen, sind erforderlich, um den Lichtausgang von der Diodenlaserkavität heraus und zurück in diese hinein zu manipulieren und zu führen. Obwohl die externen Optiken und Reflektoren oftmals sehr kompakt sein können, ist es schwierig und kostenintensiv, ein solches System auszurichten, und die mechanische und thermische Stabilität kann oftmals zur Verwendung in Faserverstärkern und Lasern unzureichend sein. Eine robustere Technik zur Kontrolle der Diodenlasercharakteristika ist erforderlich. Electronics Letters, Vol. 22, No. 3, 30. Januar 1986, Seiten 134-136, beschreibt eine Laserquelle, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 besitzt. Eine kohärente Rückkopplung wird beschrieben, die zu einem stabilen, einzel-longitudinalen Mode führt, der mit einer stark reduzierten Linienbreite lasert.
SPIE Optical Engineering Press, Seiten 89-90, "Single Frequencey Semiconductor Lasers" von J. Buus, Bellingham, 1991, beschreibt theoretisch unterschiedliche Rückführungssysteme für Laser mit einer externen Kavität. Das Erhalten eines Kohärenz-Kollabierens wird dahingehend beschrieben, daß es von der Reflektivität der reflektiven Elemente des lasernden Elements und der externen Kavität abhängt. Weiterhin wird das Rückführungssystem dahingehend beschrieben, daß es von der Umlaufzeit innerhalb des lasernden Elements und der externen Kavität abhängt.
Ein Post-Deadline-Paper, "Optical Amplifies and their Applications", Juli 4-6, 1993, Yokohama, Japan (co-sponsered von Optical Society of America, IEEE/Lasers and Electro- Optics Society, IEICE, Communications Group, IEEE/LEOS, Tokyo Chapter), mit dem Titel "Simultaneous Wavelength-stabilization of 980-nm Pump Lasers", von C.R. Giles, T. Erdogan und V. Mizrahi, offenbart eine Anordnung für eine simultane Wellenlängenstabilisierung einer Mehrzahl von Laserquellen mit einem einzelnen Gitter. Ein Kohärenz- Kollabieren ist vorhanden, wobei die Reflektivität des Gitters größer als die Reflektivität der Ausgangsfacette jeder der Mehrzahl der Laserquellen ist. Die unterschiedlichen Laserquellen sind mit der Hilfe von geschmolzenen Faserkopplern verbunden, und simultan wellenlängen-verriegelt durch eine Reflexion von einem einzelnen Fasergitter, um dadurch die Kontrolle einer einzelnen Pumpwellenlänge zu ermöglichen und schädliche Pumplaserinteraktionen in die Mehrzahl von Pumplasern hinein zu verhindern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte, stabilisierte Laserquelle, die die vorstehenden Probleme vermeidet, und einen Faserverstärker, der eine stabilisierte Laserquelle aufweist, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einer stabilen Laserquelle, die die Merkmale des Anspruchs 1 besitzt, und dem Faserverstärker, der die Merkmale von Anspruch 17 besitzt, gelöst. Die vorliegende Erfindung verwendet vorzugsweise ein Faser-Bragg-Gitter in einem mit Anschlußlitze versehenem Diodenlaser, um eine optische Rückkopplung in die Kavität eines Diodenlasers zu erzielen, um dadurch die Frequenz des Diodenlasers auf die diejenige des Fasergitters zu verriegeln, und das longitudinale Mode-Hopping-Rauschen des Lasers zu reduzieren. Ein Faser-Bragg-Gitter ist eine periodische Struktur von Brechungsindexvariationen in oder nahe dem geführten Modebereich der optischen Faser, die Licht einer bestimmten Wellenlänge, das entlang der Faser propagiert, reflektieren kann. Das reflektierte Licht propagiert in die Faser in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des einfallenden Lichts. Wenn ein Diodenlaser anschlußlitzenmäßig mit einer Faser, die ein Faser-Bragg-Gitter enthält, verbunden wird, und wenn die Mitte der Gitterbandbreite innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasers liegt, dann wird das optische Spektrum des Diodenlasers beeinflußt werden. Der exakte Effekt hängt von solchen Parametern ab, wie beispielsweise die Größe und die Bandbreite der Gitterreflektivität, der Zentrumswellenlänge des Gitters relativ zu dem Laser, der Größe einer Separation zwischen dem Laser und dem Gitter und der Größe eines Injektionsstroms in den Diodenlaser hinein. In vielen Fällen können die Lasercharakteristika für eine gegebene Anwendung verbessert werden.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung wird durch einen Diodenlaser, Mittel zum Fokussieren der Emission des Lasers in eine Länge einer optischen Faser hinein, und ein Fasergitter, gebildet in oder nahe dem geführten Wellenbereich der optischen Faser, gebildet. Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer stabilen Laserquelle, die mehrere, longitudinale Moden über eine sehr schmale Bandbreite besitzt.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mit Anschlußlitze versehenen Diodenlasers, zugeordnet zu einem Faserverstärker, gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines mit Anschlußlitze versehenen Diodenlasers gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, die das Ausgangsspektrum eines mit Anschlußlitze versehenen Diodenlasers nach dem Stand der Technik und eines mit Anschlußlitze versehenen Diodenlasers gemäß der Erfindung vergleicht.
Fig. 1 stellt einen Faserverstärker 10 dar, der einen mit Anschlußlitze versehenen Diodenlaser gemäß dem Stand der Technik umfaßt. Eine optische Faser 14 ist mit Erbium dotiert (bezeichnet mit dem Bezugszeichen 16), um einen Verstärkungseffekt zu erzielen, und ist mit einer undotierten Faser 13 gekoppelt. Der Verstärkungseffekt kann durch Anregen der Erbiumatome mit Licht bei ungefähr 980 nm erreicht werden. Dies wird durch Einkoppeln einer Lichtquelle mit 980 nm in das Transmissionslicht (bei 1550 nm) von der Transmissionsfaser 5 mittels eines opto-elektronischen Kopplers 18 erzielt.
Die 980 nm Lichtquelle ist nach dem Stand der Technik mit einer mit Anschlußlitze versehenen Laserdiode 20 verwirklicht, die aus einer Laserdiode 22, gekoppelt mit einer Linse 23 an eine undotierte Faser 24, besteht. Die Grenzen der mit Anschlußlitze versehenen Laserdioden nach dem Stand der Technik sind vorstehend diskutiert worden.
Fig. 2 stellt eine mit Anschlußlitze versehene Laserdiode gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar. Ein Diodenlaser 26 emittiert Strahlung in einem einzelnen räumlichen Mode, und ist typischerweise aus einer Quantensenke-Epitaxial-Struktur oder einer index-geführten Struktur aus einem InGaAS-Halbleitermaterial hergestellt. Der Diodenlaser wird am einfachsten durch Strominjektion gepumpt. Diodenlaser mit den notwendigen Charakteristika sind kommerziell erhältlich.
Der Diodenlaser 26 ist so konfiguriert, um Strahlung primär von der vorderen Facette 27 zu emittieren. Die divergente Laseremission 28 wird mit einem fokussierenden System 30 in den Bereich für den geführten Mode einer Länge der optischen Faser 32 gerichtet, die ein Intra-Kern-Faser-Bragg-Gitter 34 enthält. Das fokussierende System der bevorzugten Ausführungsform besteht aus einem Linsensystem, dargestellt mit dem Bezugszeichen 36, um den Laserdiodenausgang in die Faser 32 hinein einzukoppeln. Alternativ kann die Faser in einer solchen Nähe zu dem Diodenlaser plaziert werden, daß ein wesentlicher Bruchteil des emittierten Lichts durch die Faser gesammelt wird.
Die optische Faser 32 ist typischerweise aus Siliziumoxidglas hergestellt, das Spurendotierstoffe enthält, um die Lichtführungscharakteristika der Faser zu verbessern. Das Fasergitter 34, das eine optische Rückkopplung zu dem Diodenlaser erzielt, kann nahe dem Bereich für den geführten Mode der Faser 34 geätzt sein, unter Verwendung von Litographietechniken, oder kann, was üblicher ist, durch Aussetzen der Faser einem Muster einer periodischen Intensitätsvariation eines Hochfluoreszenz-Ultraviolettlichts erzeugt werden. Wenn letztere Technik eingesetzt wird, um das Gitter herzustellen, ist es vorteilhaft, wenn der Faserkern eine Konzentration von Germanium besitzt, um den Kern empfindlich für ultraviolettes Licht, das das Gitter bildet, zu machen. Die Faser 34 kann eine solche sein, die einen einzelnen oder mehrere räumliche Moden bei der Emissionswellenlänge des Diodenlasers unterstützt.
Das Fasergitter 34 ist so ausgewählt, die maximale Reflektivität innerhalb von 10 nm der Diodenlaseremissionswellenlänge zu haben, und die Reflektivität ist ähnlich zu derjenigen der Austrittsfacette des Diodenlasers. Die Bandbreite der Gitterreflektivität liegt typischerweise bei 0,05 nm bis 1 nm, kann allerdings bis zu 2 nm betragen. Das System kann erfolgreich arbeiten, wenn das Gitter 34 und die Laserdiode 26 mit ein paar hundert Mikrometern bis zu mehreren Kilometern separiert sind, vorausgesetzt, daß der Betrag der optischen Rückkopplung in den Laser hinein größer als eine bestimmte Größe verbleibt. Unter Verwendung einer solchen Konfiguration besitzt der Diodenlaser wesentlich verbesserte Charakteristika, die zum Pumpen von Festkörperverstärkern oder Lasern geeignet sind. Das Licht, das durch die Faser 34 aufgenommen wird, würde normalerweise nach unten eine Länge der Faser undefiniert propagieren, begrenzt nur durch die Faserverlustcharakteristika. Das Faser-Bragg-Gitter 34 ist innerhalb des Bereichs des geführten Modes oder des Kerns dieser Länge der Faser hergestellt. Das Gitter ist so hergestellt, daß die Wellenlänge dessen maximaler Reflexion innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Diodenlasers liegt. Dieses Gitter reflektiert einen Bruchteil des Diodenlaseremissionslichts zurück durch die Faser und das fokussierende System in den Diodenlaser hinein. Der Rest des Lichtausgangs führt durch das Fasergitter hindurch und entlang der verbleibenden Länge der Faser.
Der Effekt des Fasergitters in Bezug auf die Charakteristika des optischen Ausgangs des Diodenlasers wird unter Betrachtung des wellenlängenabhängigen Verlusts in der gekoppelten Kavität, gebildet durch das Fasergitter, erläutert. Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet werden erkennen, daß die optische Rückkopplung von dem Fasergitter effektiv den Verlust von der Laserkavität des Lichts innerhalb der Bandbreite des Fasergitters reduziert. Es ist ausreichend bekannt, daß der Laser vorzugsweise nahe der Wellenlänge des niedrigsten Verlusts arbeiten kann, wodurch demzufolge die Wellenlänge des Diodenlasers von seinem freilaufenden Wert zu der Wellenlänge des Fasergitters verschoben werden kann. Dies kann auftreten, wenn die Wellenlänge des Fasergitters innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Diodenlasers liegt, vorausgesetzt, daß die Größe einer Reflektivität von dem Gitter ausreichend ist.
Das Verhalten des Diodenlasers unter Bedingungen einer optischen Rückkopplung wird durch den Effekt der Diodenlaserkavität selbst verkompliziert, die durch die Endfacetten des Halbleiterschips gebildet wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Reflektivität des Gitters ebenso wie dessen Wellenlänge so ausgewählt, daß eine Breitbandrückkopplung von der Diodenlaserkavität größer als die Rückkopplung von dem Fasergitter ist. In diesem Fall wirkt die Rückkopplung von dem Fasergitter als eine Störung des kohärenten, elektrischen Felds, gebildet in der Diodenlaserkavität. Diese Störung wirkt dahingehend, die Kohärenz der Diodenlaseremission zu brechen, was demzufolge die Bandbreite der Emission um einige Größenordnungen erweitert, was zu einer spektralen Verteilung führt, wie sie in der Kurve A der Fig. 3 dargestellt ist. Das Faser- Bragg-Gitter verriegelt effektiv den Diodenlaserkavitätausgang auf die festgelegte Wellenlänge des Gitters und zentriert die multi-longidtudinalen Moden der externen Kavität um diese Wellenlänge herum. Das Vorhandensein der multi-longitudinalen Moden reduziert die Größe eines Mode-Hobbing-Rauschens in dem Diodenlaser. Dies wird durch ein Kohärenz-Kollabieren des Diodenlasers bestimmt. Zusätzlich verbleibt die Mitten- Wellenlänge einer Emission nahe der Wellenlänge der maximalen Reflexion von dem Fasergitter. Der Diodenlaser ist so eingeschränkt, um innerhalb der Gitterbandbreite zu arbeiten, so daß große Fluktuationen in der Wellenlänge des Diodenlasers, verursacht durch Änderungen in der Temperatur oder dem Strom, eliminiert werden. Zusätzlich wird der Laser nicht durch eine fremde, optische Rückführung von reflektiven Komponenten, gelegen über das Fasergitter hinaus, gestört, vorausgesetzt, daß die fremde Rückkopplung geringer als diejenige ist, die durch das Fasergitter geliefert wird.
Ein Diodenlaser gemäß der vorliegenden Erfindung unterliegt keinen Übergängen von einzelnen, longitudinalen Laserkavitätsmoden, wie dies in einem freilaufenden Diodenlaser beobachtet wird. Solche Übergänge bewirken große Intensitätsfluktuationen in dem Diodenlaserausgang, verursacht durch ein nebeneinander Auftreten zwischen zwei Moden während des Übergangs. Diese Modenübergänge werden durch Änderungen in dem Laserinjektionsstrom oder der Temperatur zum Beispiel verursacht, und sind entgegenwirkend zu der Operation eines optischen Verstärkers oder eines Faserlasers. Der optische Ausgang der Erfindung besteht aus zwanzig oder mehr longitudinalen. Moden der externen Kavität. Obwohl sich die Aufteilung einer optischen Energie zwischen den Moden ändern kann, ist eine viel geringere Fluktuation in der Laserintensität, verglichen mit derjenigen in einem freilaufenden Diodenlaser mit Einzel-Mode bzw. Single-Mode, vorhanden.
Die Ausgangsenergie von dem Ende der Faser des Diodenlasersystems wird nur gering durch das Vorhandensein des Gitters in der Faser beeinflußt. Für schwach reflektierende Gitter wird die Ausgangsenergie von der Faser ungefähr mit (1-Rg) reduziert, wobei Rg die maximale Reflektivität des Gitters ist. Der Injektionsstrom bei dem Laserschwellwert wird geringfügig durch das Vorhandensein des Gitters reduziert. Dieser Effekt erhöht die Ausgangsenergie von der Faser und wirkt der vorstehend erwähnten Reduktion der Energie entgegen.
Die Größe des Abstands zwischen dem Diodenlaser und dem Fasergitter beeinflußt die Betriebsweise des Diodenlasers. Um die Beibehaltung des Kohärenz-Kollabierens der Laseremission sicherzustellen, ist das Fasergitter unter einem ausreichenden optischen Abstand von der vorderen Facette des Diodenlasers angeordnet. Dieser Abstand muß länger sein als die Kohärenzlänge des Diodenlasers unter den vorgeschriebenen Bedingungen einer optischen Rückkopplung, so daß die optische Rückkopplung von dem Fasergitter inkohärent bleibt, was demzufolge sicherstellt, daß der Laser in einem Zustand eines Kohärenz-Kollabierens verbleibt. Wenn das Gitter innerhalb ein paar Zentimetern oder weniger des Diodenlasers plaziert ist, dann kann die Rückkopplung von dem Fasergitter kohärent zu dem elektrischen Feld innerhalb der Laserkavität sein, und ein Betrieb bei einer sehr schmalen Linienbreite des Diodenlasers wird sich ergeben. Eine solche Emission ist sehr nützlich für einige Anwendungen, ist allerdings viel stabiler für die Anwendung eines Pumpens von Faserverstärkern oder Lasern aufgrund des Anfangs eines Laserkavitäts- Mode-Übergangs-Rauscheris, wenn sich die Laserbetriebscharakteristika ändern. Zusätzlich sind noch Übergänge von einem kohärenten zu einem inkohärenten Betrieb des Diodenlasers vorhanden, was Intensitätsfluktuationen bewirkt, die detrimental zu dem Betrieb von optischen Faserverstärkern und Lasern sind.
In einigen Anwendungen ist es bevorzugt, die Instabilitäten in dem Laser zu vermeiden, die durch zufällige und nicht vorhersagbare Zustände einer Polarisation des reflektiven Lichts in der optischen Faser verursacht werden können. Diese Änderungen sind eine Folge einer Zufallsdoppelbrechung in der Faser, verursacht durch Biegen oder eine zufällige Spannung, induziert in der Faser, wenn sie hergestellt wird. Dementsprechend ist es in solchen Fällen erwünscht, eine optische Faser zu verwenden, die den Zustand einer Polarisation von Licht, das entlang der Faser propagiert, beibehält. Eine solche Faser besitzt einen relativ großen Betrag einer kontrollierten, spannungs-induzierten Doppelbrechung, erzeugt nahe dem Bereich des geführten Modes bei der Herstellung. Diese eine Hoch-Doppelbrechung oder eine Polarisation beibehaltende optische Faser ist kommerziell erhältlich. Eine weitere Spannung, die durch Biegen einer solchen Faser induziert wird, ist wesentlich niedriger als die kontrollierte, innere Doppelbrechung; demzufolge wird der Zustand einer Polarisation des Lichts, das entlang des Bereichs des geführten Modes der optischen Faser propagiert, beibehalten. Obwohl es schwieriger ist, solche Gitter in der eine Polarisation beibehaltenden Faser zu charakterisieren als in einer optischen Faser mit niedriger Doppelbrechung, sind Fasergitter in mehreren, kommerziell erhältlichen, eine Polarisation beibehaltenden optischen Fasern hergestellt worden, und eine solche Faser ist leicht in dem mit Anschlußlitze versehenen Diodenlaser einsetzbar. In der bevorzugten Ausführungsform wurde eine PandaTM Faser von Fujikura Ltd. für die Faser 14 verwendet. Ein Bragg-Faser-Gitter wurde in der Panda-Faser gebildet und wurde mit guten Ergebnissen verwendet.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Multi-Quanten-Well- Diodenlaser mit einer gedehnten Schicht aus InGaAs mit der optischen Faser über ein asphärisches Linsensystem mit einer Effizienz von 60% gekoppelt. Der Laser emittiert Licht bei 965-1160 nm typischerweise. Das Fasergitter besitzt eine Reflexionsbandbreite von 0,2-0,3 nm und eine Peak-Reflektivität von ungefähr 3%. Dementsprechend ist die effektive Reflektivität Reff, gesehen durch das Fasergitter, allgemein
Reff = η²Rg
wobei η die Kopplungseffektivität des Lichts von dem Einzel-Diodenlaser in die optische Faser ist, und Rg die maximale Reflektivität des Fasergitters ist. Für die spezifizierten Werte ergibt dies zum Beispiel (0,6)²(3%) = 1,08%. Dies steht mit der vorderen Facette des Diodenlasers im Vergleich, die eine nominale Reflektivität von 4% besitzt. Dieses Niveau einer optischen Rückkopplung ist ausreichend, um das Kohärenz-Kollabieren des Diodenlasers beizubehalten, während ermöglicht wird, daß ausreichend Licht durch das Fasergitter hindurchführt, was demzufolge die verfügbare Energie maximiert. Die Wellenlänge der Gitterreflektivität liegt nominal innerhalb von 10 nm der Wellenlänge des Diodenlasers. Das Gitter ist 1-2 mm in der Länge. Um das Beibehalten des Kohärenz- Kollabierens der Laseremission sicherzustellen, ist das Fasergitter mindestens 50 cm von der vorderen Facette des Diodenlasers angeordnet. Wenn es erwünscht ist, die Kohärenz des Lasersystems beizubehalten, sollte das Fasergitter so nahe wie möglich zu der Austrittsfacette des Diodenlasers angeordnet werden, und mit Sicherheit nicht mehr als ein paar Zentimeter davon entfernt.
Die Ausgangsenergie von der optischen Faser in der bevorzugten Ausführungsform wird höchstens ein paar Prozent reduziert. Für einen 150 Mw Diodenlaser, anschlußlitzenmäßig mit einer Faser verbunden, die ein Fasergitter mit einer Peak-Reflektivität von 3% enthält, kann die Ausgangsenergie von der Faser 90 Mw übersteigen, was ähnlich zu derjenigen von einer Faser mit keinem Gitter ist, und zwar innerhalb einer experimentellen Unsicherheit.
Fig. 3 stellt das optische Ausgangsspektrum der vorliegenden Erfindung dar. Wie gesehen werden kann, ist die Kurve B das Ausgangsspektrum eines 980 nm InGaAs mit Anschlußlitze versehenen Diodenlasers ohne eine Fasergitter. Dabei ist eine Rückkopplung von ungefähr 0,5% in den Diodenlaser hinein von einem externen Breitbandreflektor vorhanden, was eine Destabilisierung der Laserwellenlänge verursacht. In der Kurve A arbeitet der Diodenlaser unter denselben Bedingungen, allerdings ist dabei ein Fasergitter mit einer Peak-Reflektivität von 3% und einer Bandbreite von 0,3 nm vorhanden. Die Verbesserung des Ausgangsspektrums ist deutlich. Der Ausgang der Erfindung ist stabil gerade dann, wenn der Injektionsstrom oder die Temperatur der Laserdiode wesentlich verändert werden. Dementsprechend ist keine Kontrolle der Laserdiodentemperatur in einigen Fällen erforderlich, was das Erfordernis einer Laserkühleinrichtung und der zugeordneten Steuerelektroniken eliminiert. Das Energieerfordernis, um die Lasertemperatur zu kontrollieren, wird auch geeignet reduziert.
Es sollte nun ersichtlich werden, daß die vorliegende Erfindung eine hoch stabilisierte Quelle einer optischen Hochenergiestrahlung schafft, die die Charakteristika und die Stabilität von optischen Verstärkern und Lasern, die mit einer solchen Quelle gepumpt werden müssen, verbessern wird.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform in Bezug auf die Verwendung in Verbindung mit einem Faserverstärker beschrieben worden ist, wird für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, daß sie auch in Verbindung mit einem Faserlaser verwendet werden könnte, und diese anderen Modifikationen und Variationen können in Bezug auf die Erfindung vorgenommen werden, ohne den Schutzumfang davon zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Stabilisierte Laserquelle, aufweisend einen Diodenlaser (26) mit einer optischen Kavität und einer Ausgangsfacette (27), wobei der Diodenlaser Licht in im wesentlichen einem einzelnen, räumlichen Mode emittiert und beim Nichtvorhandensein einer externen, optischen Rückkopplung, wenn er als ein freilaufender Diodenlaser arbeitet, in einem einzelnen, spektralen Mode unter möglichen, mehrfach longitudinalen Moden innerhalb der optischen Kavität lasert, wobei der Diodenlaser (26) Übergängen einzelner, longitudinaler Moden unterliegt, wenn er als ein freilaufender Diodenlaser betrieben wird, was Intensitäts- oder spektrale Fluktuationen in dem Diodenlaserausgang aufgrund eines konkurrierenden Übergangs zwischen longitudinalen Moden verursacht,

eine optische Faser (32), die mit der optischen Kavität gekoppelt ist, wobei die optische Faser einen Bereich einer geführten Welle umfaßt, der zum Unterstützen mindestens eines räumlichen Modes bei der Wellenlänge des Diodenlasers geeignet ist,

ein Faser-Bragg-Gitter (34) in dem Bereich der geführten Welle der optischen Faser (32), wobei die Reflektivität ungefähr gleich zu oder geringer als die Reflektivität der Ausgangsfacette (27) ist, wobei das Faser-Bragg-Gitter eine Reflexionsbandbreite besitzt,

wobei das reflektierte Licht von dem Gitter in die optische Kavität die Bandbreite des Laserns auf einen Wert geringer als oder gleich zu der Reflexionsbandbreite des Gitters begrenzt,

dadurch gekennzeichnet, daß

das Gitter (34) in der optischen Faser (32) einen ausreichenden Abstand von der Ausgangsfacette (27) entfernt positioniert ist, um stabil einen Kohärenz-Kollabier- Vorgang des Lasers in mehrfachen, longitudinalen Betriebsmoden innerhalb der Reflexionsbandbreite des Gitters (34) zu induzieren, um dadurch die Intensitäts- oder spektralen Fluktuationen des Diodenlaserausgangs zu kontrollieren, um eine geeignete Pumpquelle für einen Faserverstärker zu erzielen.
2. Stabilisierte Laserquelle nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Diodenlaser (26) in mehrfachen, longitudinalen Moden arbeitet und die Kohärenz-Kollabier-Operation das Auftreten eines Rauschens aufgrund von Änderungen in dem Betrieb des longitudinalen Modes des Diodenlasers (26) unterdrückt, was ansonsten ohne das Gitter vorhanden sein würde.
3. Stabilisierte Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit Anschlußlitze versehenen Diodenlaser aufweist.
4. Stabilisierte Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Ausgangsfacette (27) und dem Fasergitter (34) größer als die Kohärenzlänge des freilaufenden Diodenlaserausgangs ist.
5. Stabilisierte Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Fokussiereinrichtung (30) zum Richten des Lichts, das von dem Diodenlaser (26) emittiert ist, in die optische Faser (32) hinein.
6. Stabilisierte Laserquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (30) eine Linseneinrichtung (36) aufweist.
7. Stabilisierte Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (32) in enger Nähe zu der Ausgangsfacette (27) positioniert ist, so daß ein wesentlicher Anteil des Lichts, emittiert von dem Diodenlaser (26), durch die Faser (32) gesammelt wird.
8. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser-Bragg-Gitter (34) in der Region des Bereichs des geführten Modes der optischen Faser (32) geätzt ist.
9. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität und die reflektive Wellenlänge des Faser-Bragg-Gitters (34) so ausgewählt sind, daß eine Breitband-Rückkopplung der optischen Kavität größer als die Rückkopplung von dem Faser-Bragg-Gitter (34) ist.
10. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Faser-Bragg-Gitter (34) eine maximale Reflektivität innerhalb von 10 nm der Diodenlaseremissionswellenlänge besitzt und die Bandbreite der Gitterreflektivität zwischen 0,05 nm und 2 nm liegt.
11. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der maximalen Reflektivität des Faser-Bragg-Gitters (34) innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Diodenlasers (26) liegt.
12. Stabilisierte Laserquelle nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, daß

die optische Faser (32) eine optische Faser mit niedriger Doppelbrechung ist;

der Diodenlaser (26) ein Multi-Quanten-Well-Diodenlaser mit gedehnter Schicht aus In-Ga-As ist;

die Linseneinrichtung (36) eine asphärische Linse ist;

das Faser-Bragg-Gitter (34) eine Reflexionsbandbreite von 0,05 nm bis 1 nm aufweist.
13. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenlaser (26) Licht bei einer Wellenlänge von 960 bis 1160 nm emittiert.
14. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß

die effektive Reflektivität Reff des Fasergitters,

Reff = η²Rg

3- bis 4-mal geringer als die Reflektivität der Ausgangsfacette (27) ist, wobei η die Kopplungseffektivität des laser-optischen Ausgangs in die optische Faser hinein ist und Rg die Peak-Reflektivität des Faser-Bragg-Gitters (34) ist.
15. Stabilisierte Laserquelle nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (32) eine die Polarisation beibehaltende optische Faser aufweist.
16. Stabilisierte Laserquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenlaser (26) ein Verstärkungsband besitzt, wobei zumindest ein Teil davon mit dem Faser-Bragg-Gitter-Reflektivitäts-Band überlappt.
17. Faserverstärker, der eine stabilisierte Laserquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
18. Faserverstärker nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserverstärker ein mit Erbium dotierter Verstärker zum Verstärken eines Signals um 1530 nm bis 1565 nm herum ist.
19. Faserverstärker nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenlaser (26) ein Gruppe III-V Compound-Halbleiter-Laser mit einem Ausgang um 980 nm herum ist.
20. Stabilisierte Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenlaserausgang so gekoppelt ist, um einen Faserverstärker oder einen Faserlaser zu pumpen.