DE69704387T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Stabilität eines Lasers - Google Patents

Description

Erfindungsgebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Lasern.
Allgemeiner Stand der Technik
• In der gegenwärtigen Lasertechnologie wird zwischen zwei präzise ausgerichteten optischen Spiegeln Material (z. B. Halbleiter, Gas, Festkörpermaterialien) positioniert. Einer der Spiegel reflektiert fast 100% (z. B. 95%), und der andere Spiegel reflektiert einen Teil (z. B. 1%, 5%). Mit einer externen Quelle (z. B. und einem Anfangsstrom) werden die Elektronen des zwischen den beiden Spiegeln positionierten Materials angeregt. Bei der Anregung der Elektronen senden die Elektronen Licht aus, das zwischen den beiden Spiegeln hin und her reflektiert wird. Die beiden Spiegel und das zwischen ihnen positionierte Material bilden einen Resonator, der das Licht hin und her wirft. Während das Licht hin und her geworfen wird, wird sich in der gleichen ausgerichteten Richtung bewegendes Licht aus dem Hohlraum als Laserlicht abgegeben.
• Wenn es sich bei dem Material zwischen den reflektierenden Spiegeln um ein Halbleitermaterial handelt, halten sich die meisten der nichtangeregten Elektronen in einem als das Valenzband bekannten Bereich auf. Das Valenzband ist ein niedrigenergetischer Zustand. Die Elektronen springen bei Anregung über einen als die Bandlücke des Halbleiters bekannten Bereich zu einem als das Leitungsband bekannten Gebiet. Das Leitungsband ist ein hochenergetischer Zustand. In dem Leitungsband befinden sich die Elektronen in einem angeregten Zustand. Wenn Laserlicht aus dem Resonator abgegeben wird, dann befinden sich die meisten der Elektronen in dem Leitungsband. Damit Laserlicht aus dem Resonator abgegeben werden kann, muß eine ausreichende Anzahl der Elektronen das Valenzband verlassen und in das Leitungsband eintreten. Eine höhere Besetzung von Elektronen in dem Leitungsband als in dem Valenzband ist als Besetzungsinversion bekannt.
• Die Energie des Lichts in dem Resonator kann anhand der Wellenlänge oder Frequenz beschrieben werden. Die Beziehung λ · E = hc definiert die Beziehung zwischen der Energie, der Wellenlänge und der Frequenz, wobei E die Energie, λ die Wellenlänge, h die Plancksche Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Wenn als Lasermaterial ein Halbleiter verwendet wird, ändert sich jedoch die Lichtgeschwindigkeit zu der Geschwindigkeit von Licht in diesem Material. Deshalb ist bei Verwendung eines Halbleiters der Laser durch das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu der Lichtgeschwindigkeit in dem Halbleitermaterial gekennzeichnet. Diese Charakteristik ist als der Brechungsindex des Materials bekannt.
• Da verschiedene Wellenlängen von Licht in dem Hohlraum resonieren, resonieren die verschiedenen Wellenlängen von Licht mit verschiedenen Frequenzen. Das Licht resoniert über einen Bereich von Frequenzen oder Harmonischen hinweg. Obwohl die meisten Laser eine Grundfrequenz aufweisen, wird ein typischer Laserhohlraum auch Unterfrequenzen oder Harmonische der Grundfrequenz aufweisen, wobei diese Harmonischen als Fabry-Perot-Moden (FP-Moden) bezeichnet werden. Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des Laserverstärkungsfaktors auf der Y-Achse als Funktion der Laserwellenlänge auf der X-Achse. In Fig. 1 werden eine Grundfrequenz 2 und Harmonische 4 gezeigt. Durch die Spitzen der Grundfrequenz 2 und der Harmonischen 4 wird die Verstärkungsfaktorkurve 6 definiert. Der Abstand zwischen zwei Frequenzen des Lasers ist der FabryPerot- Abstand 8. Ein Laser arbeitet normalerweise bei einer Grundfrequenz, wie etwa der Grundfrequenz 2. Die Betriebsbedingungen, (z. B. Laseransteuerstrom, Temperatur, externe Reflexionen) können jedoch bewirken, daß ein Laser von der Grundfrequenz zu einer der harmonischen Frequenzen 4 umschaltet. Das Umschalten zwischen den Moden (das als Modenspringen bekannt ist) führt zu Instabilität des Lasers.
• Die Stabilität der Grundfrequenz hängt von dem Lasermaterial und der externen Reflexion von Laserlicht zurück zu dem Laserhohlraum ab. So hat man beispielsweise bei Lasern ohne Gitter gefunden, daß selbst geringe Reflexionen des Ausgabelaserlichts zurück zu dem Hohlraum zu einer Laserinstabilität führen (siehe S. Y. Huang, "Optical-feedback-induced degradations of the spectrum and the kink current of 980-nm pump lasers", CLEO '95 Technical Digest, S. 76-77, Baltimore, USA, Mai 1995). Infolgedessen sind mehrere Techniken zur Handhabung von auf Reflexionen zurückzuführender Laserinstabilität entwickelt worden. Bei einer Technik wird ein als Fasergitter bekanntes Bauelement verwendet. Ein Fasergitter wird in den Ausgabelichtstrom eines Lasers plaziert und reflektiert die Grundfrequenz des Laserlichts kohärent zurück in den Laserhohlraum. Dadurch verstärkt das Gitter die Grundfrequenz des Laserlichts, was wiederum die Instabilität reduziert. Bei einem Laser mit einer bestimmten Wellenlänge, wie beispielsweise einem 980 nm-Pumplaser, ist das Fasergitter normalerweise so ausgelegt, daß das Gitter die Harmonische mit einer Wellenlänge von 980 nm verstärkt und alle anderen Harmonischen unterdrückt. Die Wellenlänge, die das Fasergitter reflektiert, hat deshalb üblicherweise eine Mitte um 980 nm. Die meisten Fasergitter sind üblicherweise so ausgelegt, daß sie die spezifische Grundfrequenz des Lasers verarbeiten, weshalb die meisten Fasergitter eine schmale Bandbreite aufweisen. Bei einem typischen Fasergitter sieht die Kennlinie, wenn der Reflexionsgrad des Gitters (d. h. die Fähigkeit des Gitters, Licht zu reflektieren) als Funktion der Wellenlänge aufgetragen wird, wie eine in Fig. 2 dargestellte Gaußsche Kurve aus. In Fig. 2 stellt die X-Achse die das Fasergitter durchlaufende Wellenlänge und die Y-Achse den Reflexionsgrad des Fasergitters bei dieser Wellenlänge dar. Außerdem ist die Linie 10 als die Halbwertsbreite (FWHM = full-width half maximum) der spektralen Breite des Fasergitters bekannt. Die spektrale Breite ist der Wellenlängenbereich, in dem das Fasergitter Licht reflektieren kann. Die FWHM ist ein Maß für das Fasergitter und ist als die Wellenlänge definiert, bei der der ansteigende Impuls 50% des größten Reflexionsgrads übersteigt, zu der Wellenlänge, bei der der Reflexionsgrad unter den 50%-Punkt abfällt. Die Fasergitter werden in Verbindung mit einem Laser (z. B. einem Halbleiterlaser) verwendet.
• Halbleiterlaser weisen aktive Materialien auf, deren Brechungsindex eine Funktion der Temperatur ist. Damit ein Laser stabil sein kann, sollte die abgegebene optische Leistung des Lasers gegenüber Alterung des Lasers, Änderungen der Umgebungstemperatur und mechanische Beanspruchung konstant gehalten werden. Bei Halbleiterlasern wird deshalb oftmals eine Rückkopplungsschleife verwendet, um zu versuchen, die Stabilität des Lasers aufrechtzuerhalten. Ein Anfangsstrom liefert Anfangsenergie, die bewirkt, daß Elektronen und Löcher in das Leitungsband beziehungsweise Valenzband injiziert werden und eine Besetzungsinversion erzeugen. Bei einigen Lasern erhält man eine Rückkopplungsschleife dadurch, daß ein Detektor verwendet wird, um geringe Mengen optischer Ausgangsleistung zu erfassen, die von der Rückseite des Lasers emittiert werden (wobei ein hinterer Monitor verwendet wird) und die Leistung in den Anfangsstrom zurückgeführt wird. Auf diese Weise wird an der Vorderseite des Lasers eine konstante Ausgangsleistung aufrechterhalten. Damit dieser Rückkopplungssteuermechanismus funktionieren kann, muß die hintere Ausgangsleistung über einen bestimmten Strombereich hinweg linear sein. Bei der Injektion von Strom in einen Halbleiterlaser wird jedoch ein Teil der elektrischen Leistung in Wärme umgewandelt, was zu einer Temperaturerhöhung des Lasermaterials führt. Mit steigender Temperatur des Halbleitermaterials ändert sich der Brechungsindex des Materials. Durch die Änderung des Brechungsindexes des Halbleitermaterials wird wiederum die dominante harmonische Frequenz des Lasers verschoben. Deshalb wird die dominante Harmonische mit Anstieg des dem Laser zugeführten Stroms verschoben.
• Aus WO 96/00997 ist ein Fasergitter bekannt, das in Verbindung mit einem Diodenlaser zum Verstärken der Grundfrequenz des Laserlichts verwendet wird.
• Wenn ein Fasergitter zusammen mit dem Halbleiterlaser verwendet wird und die Grundfrequenz mit dem Gittermodus zusammenfällt, dann steigt die Ausgangsleistung an, und wenn sich die dominante Harmonische von dem Gittermodus wegbewegt, sinkt die Ausgangsleistung. Dieses Phänomen des Umschaltens zwischen dominanten harmonischen Moden ist der oben erörterte Modensprung. Wenn die Faserlichtausgangsleistung (L) und der Strom im hinteren Monitor (Ibd) als Funktion des Laserstroms (I) aufgetragen wird, zeigt sich der Modensprung als Wellenbewegung in der L-I-Kurve 10 und der Ibd-I-Kurve 20 von Fig. 3. Es wäre vorteilhaft, den Laser zu stabilisieren und dadurch das Ausmaß an Wellenbewegung sowohl in der L-I-Kurve 10 als auch der Ibd-I-Kurve 20 zu verringern.
Kurze Darstellung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhöhen der Stabilität eines Lasers. Es wird eine Konfiguration zwischen einem Halbleiterlaser und einem Fasergitter zum Stabilisieren eines derartigen Lasers definiert, wodurch die Wellenbewegung in der L-I-Kurve und den Ibd-I-Kurven reduziert wird. Insbesondere wird ein Gitter mit einer Spektralbreite definiert, die um das ungefähr Zweifache bis ungefähr Vierfache größer ist als der FP-Abstand des Lasers, so daß in dem Laserausgangssignal eine dominante Harmonische vorliegt oder während des Übergangs von einem dominanten Modus zu dem nächsten dominanten Modus die vordere und hintere Ausgangsleistung bei ansteigendem Laserstromantrieb linear ist. Die Wellenbewegung wird durch Vergrößern der Bandbreite des Fasergitters gesenkt, so daß das Gitter das Laserausgangssignal koppelt, um eine lineare L-I-Kurve zu erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Halbwertsbreite der Spektralbreite des Fasergitters so eingestellt, daß sie bei einem 980 nm-Laser mit einem Fabry-Perot-Abstand von 0,17 nm zwischen ungefähr 0,4 nm und ungefähr 0,6 nm liegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Eine umfassendere Offenbarung der Aufgaben, Vorteile und neuen Merkmale der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Kurve des Verstärkungsfaktors als Funktion der Wellenlänge,
• Fig. 2 die Kurve des Reflexionsgrads eines Fasergitters,
• Fig. 3 eine graphische Darstellung des Faserlichtausgangssignals als Funktion des Laserdurchlaßstroms, wenn die Spektralbreite unter 0,01 nm liegt,
• Fig. 4 das Faserlichtausgangssignal als Funktion des Laserdurchlaßstroms der vorliegenden Erfindung, wenn die Spektralbreite 0,19 nm beträgt,
• Fig. 5 das Faserlichtausgangssignal als Funktion des Laserdurchlaßstroms der vorliegenden Erfindung, wenn die Spektralbreite 0,58 nm beträgt,
• Fig. 6 ein Schemadiagramm der vorliegenden Erfindung, und
• Fig. 7 die vordere und hintere LI-Linearität als Funktion der Spektralbreite des Fasergitters.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
• In der in der vorliegenden Erfindung offenbarten Architektur ist die Spektralbreite eines Fasergitters so eingestellt, daß sie größer ist als der FP-Abstand des Laserhohlraums. Dadurch fallen, auch wenn in dem Laserausgangssignal ein Modensprung auftritt, die Harmonischen des Lasers in die Bandbreite des Fasergitters. Bei einem 980 nm-Pumplaser beispielsweise würde die Grundfrequenz bzw. der Grundmodus seine Mitte bei 980 nm haben. Die nächste Harmonische der Grundfrequenz könnte bei 980,17 nm auftreten, weshalb der FP-Abstand für diesen Laser 0,17 nm beträgt. Wenn die Spektralbreite des Fasergitters auf 0,19 nm erhöht wird, was 0,02 nm größer als der FP-Abstand ist, dann entsteht die in Fig. 4 gezeigte Kurve. Die Wellenbewegung sowohl in der L-I-Kurve 10 als auch der Ibd-I-Kurve 20 nimmt ab. Wenn die Spektralbreite des Fasergitters auf 0,58 nm erhöht wird, was 0,41 nm über dem FP-Abstand des Laserhohlraums liegt, werden die Wellenbewegung in der L-I-Kurve und der Ibd-I-Kurve wie in Fig. 5 gezeigt noch weiter reduziert. Es ist zu verstehen, daß das Ausmaß der Abnahme bei der Wellenbewegung der L-I-Kurve und der Ibd-I-Kurve, das als annehmbar erachtet wird, von der spezifischen Anwendung abhängt, für die der Laser verwendet wird. Viele Anwendungen erfordern jedoch, daß die L-I-Kurve und die Ibd-I-Kurve so glatt wie möglich sind. Die vorliegende Erfindung verwendet beispielsweise den Laser als Pumpquelle für einen optischen Verstärker, weshalb ein Fasergitter mit einer Spektralbreite sehr erwünscht wäre, die etwa das Dreifache des FP-Abstands des Lasers beträgt, da ein Fasergitter mit einer Spektralbreite, die ungefähr das Dreifache des FP-Abstands des Lasers beträgt, eine gerade L-I-Kurve und Ibd-I-Kurve erzeugt. Schließlich wird mit einer Kontrollprobe die Halbwertsbreite der Spektralbreite bestimmt, die für einen bestimmten FP- Abstand und einen gewünschten Grad an Wellenbewegungsreduktion benötigt wird.
• Die Abnahme bei der Wellenbewegung in der L-I-Kurve und der Ibd-I-Kurve rührt von der Verwendung der Spektralbreite des Fasergitters her, die größer ist als der FP-Abstand des Laserhohlraums. Das Fasergitter kann infolgedessen die Übergänge (Modensprung) zwischen den Spitzen der verschiedenen Harmonischen linear berücksichtigen. Mit anderen Worten liegt bei Übergängen des Lasers zwischen der Spitze eines Modus und der Spitze eines anderen Modus das Laserausgangslicht immer noch innerhalb der Bandbreite der Spektralbreite der Fasergitter. Bei früheren Gitterkonfigurationen (wenn die Spektralbreite des Fasergitters beispielsweise < 0,01 nm ist) würde sich der Laser, wenn er sich von einer Harmonischen zu der anderen bewegt, aus der Spektralbreite des Gitters hinausbewegen. Das Fasergitter würde infolgedessen Licht ungleichförmig zu dem Laserhohlraum zurückreflektieren. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung fällt der Übergang zwischen Moden, wenn die Spektralbreite des Fasergitters größer als der FP-Abstand ist, immer noch in die Bandbreite des Fasergitters, wenn der Laserhohlraum von einem Modus zu einem anderen springt. Deshalb wird eine konstante gleichförmige Rückkopplung optischer Leistung zu dem Laserhohlraum zurückgeführt, und es kommt zu einer linearen L-I-Kurve.
• Fig. 6 zeigt ein anschauliches Beispiel der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Vorrichtung. Für die Zwecke der Erfindung sollte der Laser, wie etwa ein Mehrmodenlaser, in einem Fabry-Perot-Modus arbeiten. In Fig. 6 ist ein Halbleiterlaserchip 100 auf einem Laserträger 110 montiert. Der Laserträger 110 besteht aus Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid. Es ist jedoch zu verstehen, daß der Laserträger aus einem beliebigen Material bestehen könnte, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, da einer der Zwecke des Laserträgers darin besteht, Wärme von dem Laser abzuleiten. Der Laserträger 110 sollte außerdem einen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der an den Laserchip angepaßt ist, so daß es in dem Laserchip zu weniger Ausdehnungsbeanspruchung kommt. Der Laserträger liefert eine Hilfsstütze für den Laserchip 100 und dient als Kühlkörper. Frontlichtemission von dem Laser 100 wird durch ein Mikrolinse 140 an eine Einmodenfaser 150 angekoppelt. Die Einmodenfaser 150 ist mit einem abgeschrägten Verbinder 170 abgeschlossen. Die Rücklichtemission des Lasers 100 wird über eine Photodiode 130 überwacht. Der Laser 100, der Laserträger 110, die Photodiode 130 und die Mikrolinse 140 sind in einem Lasermodul 120 untergebracht. Das Lasermodul 120 ist 0,76 cm (0,3 Zoll) hoch, 2,54 cm (1 Zoll) lang und 0,76 cm (0,5 Zoll) breit.
• Ein Fasergitter 160 erster Ordnung mit einer Länge von ungefähr 1 cm ist in einer Entfernung von ungefähr 12,7 cm (5 Zoll) bis ungefähr 101,6 cm 40 Zoll) von dem Laserchip 100 angeordnet. Es ist jedoch zu verstehen, daß für den Fall, daß sich der Brechungsindex der Faser geringer verändert, ein längeres Gitter verwendet werden sollte, und in dem umgekehrten Fall, falls sich der Brechungsindex der Faser stärker verändert, ein kürzeres Gitter verwendet werden kann. Das Fasergitter 160 weist beispielsweise die in Tabelle I angegebenen Parameter auf: TABELLE I
• Wenn ein Gitter mit den in Tabelle I beschriebenen Charakteristiken verwendet wird, erhält man einen stabileren 980 nm-Halbleiterlaser. Fig. 7 zeigt die Front- und Rücklichtleistung des Lasers und des Gitters, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In Fig. 7 sind die Spektralbreite des Fasergitters als Funktion die erste Ableitungsänderung der optischen Leistung 200 (DL'/L') und die Änderung des Überwachungsstroms 210 (DIbd/Iba) aufgetragen. Wie in dem Graph ausführlich zu sehen ist, nimmt bei steigender Spektralbreite die Änderung der optischen Leistung und des Monitorstroms ab, Wenn die Spektralbreite beispielsweise von 0 auf 0,2 nm vergrößert wird, nehmen sowohl das Frontlicht 200 als auch das Rücklicht 210 drastisch ab. Zwischen den Spektralbreitenbereichen von 0,2 nm und 0,6 nm erfahren sowohl das Frontlicht 200 als auch das Rücklicht 210 eine allmähliche Abnahme.
• Wenngleich verschiedene Ausführungsformen der Erfindung offenbart und beschrieben worden sind, so ist zu verstehen, daß verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erzeugen von Licht aus einem Laser (100), das folgende Schritte umfaßt:

Erzeugen von Licht aus dem Laser, wobei das Licht Harmonische mit Fabry-Perot-Abstand enthält; und

Liefern des erzeugten Lichts an ein Fasergitter (160),

dadurch gekennzeichnet, daß das Fasergitter eine Spektralbreite aufweist, die um das Dreifache größer ist als der Fabry-Perot-Abstand des Lasers, so daß die Ausgangsleistung des Lasers relativ zu dem Laserstrom linear ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fasergitter in einem Abstand von zwischen etwa 14 cm (5 Zoll) und etwa 103 cm (40 Zoll) von dem Laser positioniert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fasergitter ein Fasergitter erster Ordnung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fasergitter etwa 1 cm lang ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Laser einen Fabry-Perot-Abstand von etwa 0,17 nm aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Fasergitter einen Gitterspitzenreflexionsgrad von zwischen etwa 1% und etwa 3% aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Fasergitter eine Mittenwellenlänge zwischen etwa 98 nm und etwa 982 nm aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Fasergitter eine Spektralbreite von etwa 0,4 nm bis etwa 0,6 nm aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Fasergitter ein Seitenmodenunterdrückungsverhältnis von über 10 dB aufweist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Fasergitter eine Temperaturrate von etwa -0,02 nm/ºC bis etwa 0,02 nm/ºC aufweist.