DE69928801T2 - Stabilisierte Laserquelle - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft die Stabilisierung eines Lasers, insbesondere eines Halbleiterdiodenlasers des Typs, der üblicherweise in der Optoelektronik eingesetzt wird, hauptsächlich als so genannte Pumplaser für Faserverstärker auf dem Gebiet der optischen Kommunikation, z. B. für Erbium-dotierte Faserverstärker. Derartige Laser sind so konstruiert, dass sie in einem bestimmten Frequenzband eine schmalbandige optische Strahlung mit einer stabilen Ausgangsleistung liefern. Im Besonderen betrifft die Erfindung eine verbesserte Ausführung des externen Resonators, welcher eine wesentlich verbesserte Stabilität im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen aufweist.
  • Hintergrund und Stand der Technik
  • Halbleiterlaser des oben genannten Typs sind mittlerweile zum Beispiel wichtige Bauteile in der optischen Kommunikationstechnologie, insbesondere, da derartige Laser zur unmittelbaren Verstärkung optischer Signale durch optische Mittel genutzt werden können. Dies ermöglicht die Konstruktion von rein faseroptischen Kommunikationssystemen, wodurch eine komplizierte Umwandlung der zu übertragenden Signale vermieden und somit die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit innerhalb derartiger Systeme verbessert wird.
  • Bei einer Art von faseroptischen Kommunikationssystemen werden die Laser zum Pumpen von Erbium-dotierten Faserverstärkern, so genannten EDFA, eingesetzt, welche in verschiedenen, dem Fachmann bekannten Patenten und Veröffentlichungen beschrieben wurden. Ein technisch bedeutsames Beispiel sind 980-nm-Laser mit einer Ausgangsleistung von 150 mW oder mehr, deren Wellenlänge der 980-nm-Erbiumabsorptionslinie entspricht und somit eine rauscharme Verstärkung ermöglicht. Es wurde erkannt, dass InGaAs-Laser diesen Zweck gut erfüllen, und sie werden heute in beträchtlicher Anzahl eingesetzt. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf InGaAs-Laser begrenzt.
  • Es gibt noch andere Beispiele für Laser mit anderen Wellenlängen und aus anderen Materialien, auf welche die vorliegende Erfindung anwendbar ist. Im Allgemeinen arbeiten die in Faserverstärkeranwendungen eingesetzten Laserdioden-Pumpquellen für ein wirksames Einkoppeln in Einmodenfasern in einem einzigen transversalen Mode und sind hauptsächlich Laser mit vielfachem Longitudinalmode, d. h. Fabry-Perot-Laser (oder FP-Laser). Entsprechend den Absorptionswellenlängen von Erbium werden für Erbiumverstärker üblicherweise drei Haupttypen eingesetzt: InGaAsP- und Vielfachquantentopf-InGaAs-Laser bei 1480 nm; InGaAs-Laser mit verspannten Quantentöpfen bei 980 nm; und GaAIAs-Laser bei 820 nm.
  • Eines der bei Verwendung von Halbleiterlasern für den oben genannten Zweck auftretenden Probleme besteht in der Instabilität ihrer Wellenlänge und Ausgangsleistung, welche, obgleich gering, die Verstärkung dennoch so stark beeinträchtigt, dass nach einer Lösung für dieses Problem gesucht werden muss. Dieses Problem wurde bereits im US-Patent 5 563 732 von Erdogan et al. mit dem Titel "Laser Pumping of Erbium Amplifier" erwähnt, welches die Stabilisierung eines Pumplasers des oben beschriebenen Typs durch Verwendung eines Bragg-Gitters vor dem Laser beschreibt. Dieses Gitter bildet mit dem Laser einen externen Resonator. Die Laserbandbreite wird durch die Reflexion vom Gitter erweitert und stabilisiert. Es wird angenommen, dass der Laserbetrieb im so genannten "Kohärenzkollaps" durch das Vorsehen einer ausreichenden externen optischen Rückkopplung erreicht wird, in diesem Fall von einem Faser-Bragg-Gitter innerhalb der optischen Faser, in welche das Laserlicht üblicherweise eingekoppelt wird. Dieses Gitter wird innerhalb des Bereichs des geführten Modes der optischen Faser in einem bestimmten Abstand zum Laser gebildet. Ein derartiges Faser-Bragg-Gitter ist eine periodische Struktur von Schwankungen des Brechungsindex in oder in der Nähe des Abschnitts des geführten Modes der optischen Faser, wobei die Schwankungen Reflexionslicht einer bestimmten Wellenlänge sind, welches sich entlang der Faser ausbreitet. Die Spitzenreflektivitäten und Reflexionsbandbreiten des Gitters bestimmen die in den Laser zurückgestrahlte Lichtmenge.
  • Das US-Patent 5 715 263 von Ventrudo et al. mit dem Titel "Fibre-grating-stabilized Diode Laser" beschreibt einen im Wesentlichen ähnlichen Ansatz zur Bereitstellung eines stabilisierten Lasers, wobei eine Ausführung gezeigt wird, in welcher das Laserlicht durch Fokussierung durch eine Faserlinse in die Faser eingekoppelt wird. Auch hier wird ein Faser-Bragg-Gitter im Abschnitt des geführten Modes der Faser vorgesehen, wodurch ein Teil des einfallendes Lichts durch die Linse zurück zum Laser gestrahlt wird. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bei Positionierung eines Faser-Bragg-Gitters außerhalb der Kohärenzlänge des Lasers und bei einer nicht zu weit von der Schwerpunktwellenlänge des Bragg-Gitters entfernten Laserverstärkungsspitze davon ausgegangen wird, dass der Laser im Kohärenzkollaps-Betrieb gezwungen ist, innerhalb der optischen Bandbreite des Gitters zu arbeiten und somit wellenlängenstabilisiert ist. Zusätzlich scheinen sich Niederfrequenz-Leistungsschwankungen durch die Wirkung eines induzierten Hochfrequenz-Vielmodenbetriebs zu verringern.
  • Im Allgemeinen müssen die oben beschriebenen Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik eine Länge des externen Resonators, d. h. der optischen Faser, von mindestens 0,5 bis 1 m aufweisen, um den Laserbetrieb im Kohärenzkollaps definitiv sicherzustellen. Einige Vorrichtungen erfordern sogar optische Fasern mit einer Länge von bis zu 2 m. Diese relativ lange Faser bestimmt die Größe der Laserquelle und macht diese vergleichsweise sperrig.
  • Das US-Patent 5 721 636 von Erdogan et al. zeigt eine etwas andere Ausführung, wobei, beruhend auf dem oben zitierten US-Patent 5 563 732 von Erdogan die durch eine Mehrzahl von Pumplasern erreichten Ausgangsleistungen gesammelt und durch Fasern in übliche Führungsvorrichtungen eingespeist werden. Es wird gezeigt, dass eine der Fasern von einem Laser ein einzelnes Fasergitter enthält, welches einen externen Resonator bildet, und es wird beschrieben, dass weitere Fasern ein ähnlich positioniertes Gitter enthalten. Es wird jedoch keine Mehrzahl von Gittern oder Resonatoren erwähnt, die mit einem einzelnen Laser in Zusammenhang stehen oder mit dieser verbunden sind oder in einer durch einen einzelnen Laser gespeisten Führungsvorrichtung positioniert sind.
  • Einige Halbleiterlasertypen, besonders Typen, die sich von den in den oben genannten Patenten unterscheiden, z. B. Laser mit einer schmalen spektralen Verstärkungsbreite, weisen bei bestimmten Betriebsbedingungen Unstabilität bei, insbesondere ein unerwünschtes Umschalten vom Vielmodenin den Einmodenbetrieb innerhalb der Gitterbandbreite. Dieses Modenumschalten (ein Kohährenzkollaps findet in beiden Fällen statt) führt zu einer Schwankung der effektiven Laserausgangsleistung, welche wiederum Rauschen erzeugt und dadurch den Verstärkungsprozess negativ beeinflusst oder sogar stört. Das Problem der Modenumschaltung wird noch verstärkt durch neue Generationen von Halbleiterlaserdioden mit einer mindestens doppelt so hohen Ausgangsleistung wie die Laser im Vetrudo- oder Erdogan-Patent sowie durch den Wunsch der Industrie nach einer Wellenlängenstabilisierung für alle möglichen Betriebsbedingungen eines Lasers.
  • Zur Korrektur von Schwankungen der Faserverstärkerausgangsleistung wurden auch andere Verfahrensweisen vorgeschlagen, z. B. aktive Verfahren zur Steuerung der Schwankungen der Faserverstärkerausgangsleistung durch Rückführung eines elektrischen Signals, welches eine Korrektur der Laserleistung bewirkt. Eine weitere Lösung ist eine von Heidemann et al. im US-Patent 5 297 154 mit dem Titel "Fiber-Optic Amplifier with Feedback-Insensitve Pump Laser" beschriebene elektronische Zittersignalschaltung, welche den Laser in den Vielmodenbetrieb zwingt. Die Erfordernis aktiver Bauteile für diese Lösungen erhöht jedoch die Komplexität und die Kosten.
  • Für einen gänzlich anderen Zweck beschreiben Fischer et al. in "High-dimensional Chaotic Dynamics of an External Cavity Semiconductor Laser", Phys. Review Letters, Bd. 73, Nr. 16, Oktober 1994, S. 2188-2191, einen experimentellen Laseraufbau mit einem externen T-förmigen Resonator, welcher einen Strahlteiler und hochreflektierende Goldspiegel an jedem der beiden Enden der beiden Resonatorarme umfasst. Obwohl dieses Layout eine Anordnung mit zwei externen Resonatoren zeigt, ist sie für den Zweck der vorliegenden Erfindung vollkommen ungeeignet, da die für die Resonatorarme gewählten Längen und die Reflektivitäten der Austrittsfacette des Lasers sowie die oben erwähnten Goldspiegel gewählt werden, um den Kohärenzkollaps zu vermeiden – genau im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Kohärenzkollaps eine Voraussetzung ist.
  • Ebenfalls auf einem völlig anderen Gebiet offenbaren Wang Xianghyang et al. in der Zeitschrift Optical Fiber Technology: Materials, Devices and Systems, Bd. 3, Nr. 2, S. 189-193, eine "Theoretical and Experimental Study on the Fabrication of Double Fiber Bragg Gratings". Doppelgitter sind an derselben Stelle innerhalb der Faser angeordnet, und dieses "gechirpte" Gitter soll das Transmissionsspektrum der Faser erweitern. Auch diese Veröffentlichung spricht an keiner Stelle das Problem an, welches durch die Erfindung gelöst werden soll.
  • Daher ist es die Hauptaufgabe der Erfindung, ein einfaches und zuverlässiges Laserquellenlayout zu erarbeiten, besonders für Pumplaser in faseroptischen Kommunikationssystemen, welches bei sämtlichen Betriebsbedingungen eine stabile Ausgangsleistung liefert. Eine spezielle Aufgabe ist die Vermeidung der nachteiligen Modenumschaltung des Lasers, selbst für eine Laserausgangsleistung von mehr als 150 mW, und somit die Erhöhung der Stabilität der Ausgangsleistung von Hochleistungslaserquellen. Die Stabilität der Ausgangsleistung soll für eine hohe optische Leistung mit reduziertem Niederfrequenzrauschen, Wellenlängenstabilität und hoher Nebenkeulenunterdrückung außerhalb der Faser-Bragg-Gitter-Bandbreiten erreicht werden.
  • Eine weitere Aufgabe ist es, die größtmögliche Flexibilität für eine Auswahl der Laserparameter ohne Stabilitätsprobleme zu ermöglichen.
  • Darüber hinaus ist es eine Aufgabe, eine weitere Komplexität zu vermeiden und die Anzahl zusätzlicher Laserquellenbauteile in einem lasergepumpten optischen Verstärker auf einem Mindestmaß zu halten.
  • Eine besondere Aufgabe ist es, durch Verwendung eines wesentlich verkürzten externen Resonatorbereichs eine stabilisierte Laserquelle von verringerter Größe zu erzeugen.
  • Die Erfindung
  • Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 12 definiert. Verschiedene Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Kurz zusammengefasst verwendet die vorliegende Erfindung zur Lösung der oben erwähnten Probleme kein einzelnes Gitter oder keinen einzelnen Resonator außerhalb des Lasers, sondern eine Mehrzahl von auf geeignete Weise angeordneten Resonatoren. Diese Resonatoren sind vorzugsweise in einer Reihe angeordnet, können jedoch auch parallel angeordnet sein. Bei entsprechender Wahl der Längen der Resonatoren, ihrer Reflektivitäten und Spitzenwellenlängen wird der Laser bei allen oder praktisch allen Betriebsbedingungen in den Vielmodenbetrieb gezwungen.
  • Während ein einzelnes Gitter bekanntermaßen als wellenlängenerweiterndes und -stabilisierendes Element wirkt, wird davon ausgegangen, dass mehrere Resonatoren gemäß der Erfindung nur innerhalb der zusammengesetzten Bandbreite sämtlicher Gitter eine nützliche Destabilisierung bewirken, welche hoch genug ist, um den Laser in den Vielmodenbetrieb zu zwingen. In gewisser Weise kann dieses Phänomen als ein "photonisches Zittersignal" bezeichnet werden, das ähnlich wie ein elektronisches Zittersignal wirkt, jedoch ausschließlich durch passive Bauteile erzeugt wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gesamtlänge der externen Resonatoren auf eine Länge reduziert werden kann, welche geringer ist als die Länge der Ausführungen gemäß dem Stand der Technik. Dadurch lassen sich kleinere Laserquellen erreichen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung weist einen ersten Reflektor vor einer Halbleiterlaserdiode auf, wodurch ein erster Resonator gebildet wird, und in einem optimierten Abstand einen zweiten Reflektor vor dem ersten Reflektor, wodurch zwischen dem ersten und dem zweiten Reflektor innerhalb der optischen Faser ein zweiter Resonator gebildet wird. Die Spitzenwellenlänge des zweiten Reflektors kann so gewählt werden, dass sie nahe an der des ersten Reflektors liegt, jedoch nicht notwendigerweise mit dieser identisch ist. Außerdem kann eine gewisse Verschiebung der Spitzenwellenlängen und/oder Bandbreiten der beiden Reflektoren die Funktion verbessern. Des Weiteren kann jeder einzelne Resonator oder können beide Resonatoren kürzer als die Kohärenzlänge der Laserdiode sein.
  • Vorzugsweise wird die Phasenbeziehung zwischen den beiden Reflektoren so gewählt, dass die resultierenden Wellen oder Felder – statistisch gesehen – praktisch phasenverschoben sind.
  • Es kann jede für den gewünschten Zweck geeignete Art von Reflektoren verwendet werden; sie werden vorzugsweise als Bragg-Gitter innerhalb der optischen Faser bereitgestellt, wodurch ihre Fertigung vereinfacht und die Erfordernis zusätzlicher Teile oder Bauteile vermieden wird.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Bereitstellung der gewünschten Mehrzahl von Resonatoren besteht darin, diese durch gleichzeitige Erzeugung der gewünschten Bragg-Gitter innerhalb der optischen Faser zu bilden. Dadurch wird der zusätzliche Aufwand der Fertigung zusätzlicher Resonatoren auf einem Mindestmaß gehalten, und gleichzeitig werden enge Toleranzen des gewünschten Layouts ermöglicht.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 das Layout einer ersten Ausführungsform unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern zeigt;
  • 2 das Layout einer zweiten Ausführungsform darstellt, wobei stattdessen andere Reflektoren verwendet werden;
  • 3 eine dritte Ausführungsform mit Resonatoren an beiden Enden des Lasers zeigt;
  • 4 eine vierte Ausführungsform mit frontalen und seitlichen Resonatoren ist;
  • 5 die grafische Darstellung der optischen Bandbreite eines Lasers bei –20 dB vom Höchstwert abwärts ist, stabilisiert durch ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter gemäß dem Stand der Technik;
  • 6 eine grafische Darstellung ist, welche die Verbesserung bei erfindungsgemäßer Ausführung eines zweiten Resonators zeigt (hier unter Verwendung eines zweiten Faser-Bragg-Gitters).
  • 1 zeigt das Grundlayout einer ersten ertindungsgemäßen Ausführungsform. Ein Halbleiterdiodenlaser 1, hier ein InGaAs-Quantentopflaser, erzeugt einen Laserlichtstrahl 3, welcher überwiegend von der Laserfrontfacette 2 ausgesendet wird. Dieser Strahl wird über eine Faserlinse 4, welche den Strahl auf das Eintrittsende der Faser 5 fokussiert, in eine geeignete optische Faser 5 eingekoppelt. Innerhalb der optischen Faser 5 ist ein erstes Faser-Bragg-Gitter 6a in einem Abstand L1 zum Laser 1 angeordnet. In einem Abstand L2 zu diesem ersten Gitter 6a ist ein zweites Faser-Bragg-Gitter 6b angeordnet. Der gesteuerte und nun – wie oben beschrieben – inkohärente austretende Lichtstrahl 7 verlässt die optische Faser 5 und wird in einen Faserverstärker eingespeist, z. B. einen hier nicht gezeigten Erbium-dotierten Faserverstärker.
  • Der Halbleiterlaser ist üblicherweise ein Typ, der begrenztes Licht in einem einzelnen transversalen und lateralen Mode aussendet, jedoch auf Grund des zwischen Front- und Rückfacette gebildeten Fabry-Perot-Resonators mehrere longitudinale Moden aufweist. Wenn die Laserfacettenreflektivität einen so niedrigen Wert wie 10–5 aufweist, erstreckt sich der Laserresonator in wesentlichem Maße in die Faser hinein, wobei das Faser-Bragg-Gitter die Endfacette bestimmt. In diesem Fall ist es wahrscheinlicher, dass der Laser in Kohärenz mit dem Faser-Bragg-Gitter arbeitet. Somit ist zur Sicherstellung des Kohärenzkollapses eine höhere Frontfacettenreflektivität des Lasers, üblicherweise in einer Größenordnung von 4 %, erwünscht. Andererseits wird bei einer zu hoch gewählten Reflektivität die optische Ausgangsleistung verringert. Der Wirkungsgrad des vom Laser durch die Faserlinse in die Faser eingekoppelten Lichts kann in der Produktion etwa 70 % und im Labor und/oder bei besonderen Laserausführungen nahezu 85 % betragen. Der Wirkungsgrad der Rückstrahlung vom Faser-Bragg-Gitter in den Laser ist daher gegeben durch den Einkopplungswirkungsgrad zum Quadrat, multipliziert mit der Reflektivität des Bragg-Gitters. Üblicherweise treten mehr als 90 % des Lichts durch das erste Bragg-Gitter hindurch, während der Rest zurück in den Laser gestrahlt wird oder durch ein weiteres Faser-Bragg-Gitter hindurchtritt, wobei ein Teil wieder zurückgestrahlt wird.
  • Wenn die Wellenlänge des frei laufenden Lasers ohne Rückstrahlung, die in etwa der Laserverstärkungsspitze entspricht, zu weit von der Spitze des Faser-Bragg-Gitters entfernt liegt, kann der Laser von der Kopplung an das Bragg-Gitter abfallen. Üblicherweise kann ein als so genannter Fangbereich bezeichneter Wellenlängenbereich von 20 nm an die Spitze des Bragg-Gitters gekoppelt werden. Die Gitterbandbreite ist bestimmt durch die Erfordernis einer Trennung der Pumpwellenlängenkanäle in EDFA mit einer üblichen Höchstgrenze von 2 nm. Vom herstellerischen Standpunkt aus betrachtet können die Halbwertsbandbreiten für eine bestimmte Spitzenreflektivität zwischen 0,4 und 0,8 nm gewählt werden. Ein Abstand von > 50 cm zwischen Laser und Gitter stellt den Kohärenzkollaps sicher, dieser Abstand kann jedoch bei Verwendung mehrerer Gitter (Resonatoren) auch geringer sein. Die bekannte Fertigung von Faser-Bragg-Gittern beruht auf einer periodischen UV-Bestrahlung entlang eines Stücks der optischen Faser, wie z. B. von Raman Kashyap in "Fiber Bragg Gratings", Academic Press, 1999, beschrieben.
  • Die Reflektivität der mehreren Gitter ist eine Optimierung im Verhältnis zur Ausgangsleistung. Die durch sämtliche Gitter gegebene effektive oder zusammengesetzte Reflektivität kann im gleichen Bereich liegen wie die Laserfacettenreflektivität. Eine Wellenlängenüberlappung ist auch zur Bildung eines weiteren Resonators erforderlich. Ein konkretes Beispiel mit zwei Gittern mit einer Reflektivität von jeweils 3 % (d. h. einer Reflektivität von 2 × 3 %) und einer Bandbreite von 0,6 nm bei gleicher Spitzenwellenlänge führt zu ausgezeichneten Ergebnissen. Die Funktion für mehrere Resonatoren ist gegeben durch die Umlaufzeit, die der Teil des zurückgestrahlten Lichts bis zur Rückkehr in den Laserresonator benötigt. Es kann als "photonisches Zittersignal" mit Frequenzen betrachtet werden, die den Umlaufzeiten durch die verschiedenen Resonatoren entsprechen. Ein praktisches Beispiel weist einen Laser-Gitter-Abstand L1 von 1 m und einen Gitter-Gitter-Abstand L2 von 10 cm auf, was Umlauffrequenzen von 100 MHz bzw. 1 GHz ergibt. Verzerrungen bei unterschiedlichen Frequenzen, welche durch die Umlaufzeit (Länge) der mehreren Resonatoren bestimmt sind, zwingen den Laser in den Vielmodenbetrieb. Das Licht, welches das letzte Faser-Bragg-Gitter am Eintritt des Pfades zum EDFA verlässt, zeigt ein minimales Niederfrequenzrauschen, wobei üblicherweise 90 % des Lichts auf die durch das Gitter bestimmte Bandbreite begrenzt sind. Durch Modenüberlagerung tritt bei hohen Frequenzen ein gewisses Rauschen auf, welches jedoch nicht zu Interferenzen mit den langsam reagierenden Ionen des nachfolgenden Erbium-dotierten Verstärkers führt.
  • Ein sich davon unterscheidendes Verfahren zur Rückstrahlung von durch Licht verursachte Verzerrungen in den Laser besteht in unterschiedlichen Gitterwellenlängen, wobei das erste Gitter als Originalgitter wirkt, welches die Pumpwellenlänge koppelt, und das zweite Gitter mit einer niedrigeren Reflektivität als ein Rausch erzeugendes Element wirkt.
  • 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, im Wesentlichen eine Anordnung, bei welcher die Faser-Bragg-Gitter 6a und 6b von 1 durch die Reflektoren 16a und 16b ersetzt wurden, welche z. B. eine Gruppe interterometrischer Filter sein können. Diese Gruppe von Filtern hat im Wesentlichen die gleiche Funktion wie die Bragg-Gitter, mit ähnlichen Reflektions- und Transmissionsmerkmalen. Sie können entweder diskrete Elemente zwischen den Fasern sein (wie in 2 gezeigt) oder unmittelbar auf der Faser abgelegt sein. Außerdem wurde die Faserlinse 4 durch eine weitere Kollimationsvorrichtung ersetzt, hier ein Linsensystem 14. Die optische Faser ist in drei Abschnitte 15a, 15b und 15c unterteilt. Der Lichtstrahl 7 tritt aus dem letzten Abschnitt der optischen Faser 15c aus, wie in 1 gezeigt. Hinsichtlich der Abmessungen dieser zweiten Ausführungsform gelten die gleichen Regeln und Berechnungen wie oben im Zusammenhang mit der Ausführungsform von 1 beschrieben.
  • Am Laser 1 ist weder in 1 noch in 2 ein hinterer Reflektor gezeigt, dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass ein derartiger Reflektor oder Spiegel üblicherweise vorgesehen ist.
  • 3 zeigt ein Layout mit Resonatoren sowohl vor als auch hinter dem Laser. Während die Resonatoren 5a und 5b im Wesentlichen auf ähnliche Weise angeordnet sind wie bei der Ausführungsform in 1 gezeigt, tritt eine gewisse Lichtmenge aus der Rückfacette 22 von Laser 1 aus und tritt, vorzugsweise durch eine Faserlinse 24, in die beiden durch ein Faser-Bragg-Gitter 26a und einen hinteren Faserreflektor 26b gebildeten hinteren Resonatoren 25a und 25b ein. Die Reflektivität an der hinteren Laserfacette und/oder die zusammengesetzte Reflektivität sämtlicher hinterer Gitter sollte mehr als 90 %, vorzugsweise 100 %, betragen, um die Ausgangsleistung an der Frontfacette des Lasers zu maximieren. Hinsichtlich der Abmessungen und Reflektivitäten dieser dritten Ausführungsform gelten wiederum die oben in Zusammenhang mit 1 beschriebenen Regeln und Berechnungen.
  • 4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit "parallelen" Resonatoren statt einer Reihe von Resonatoren, hier ein "frontaler" Resonator 15a und ein "seitlicher" Resonator 33. Diese Ausführungsform wird gezeigt, um zu erklären, wie die Funktionalität der Erfindung durch eine quasiparallele Anordnung der Rückkopplungsresonatoren statt deren Anordnung in einer Reihe erreicht werden kann. Ein Strahlteiler/-kombinierer 31 teilt den Laserstrahl, wobei üblicherweise mehr als 90 % des Laserlichts zum Verlassen des Systems in die Faser 15c ausgekoppelt werden, während ein bestimmter Teil in die als erster Resonator wirkende Faser 15a reflektiert wird. Ein kleinerer Teil des Laserlichts wird in den Resonator 33 abgelenkt und dort zurück zum Spiegel 34 gestrahlt. Dieser Spiegel 34 weist im Idealfall eine Reflektivität von 100 % auf, ebenso wie der hintere Laserreflektor 32. Die Umlauffrequenz wird wiederum durch die Resonatorlängen bestimmt, welche als die notwendigen Verzerrungselemente wirken, die den Laser 1 in den Vielmodenbetrieb zwingen.
  • Das in 4 gezeigte Layout kann, ähnlich wie das Layout von 2 mit zwei Resonatoren, durch Hinzufügen eines weiteren Resonators auf der rechten Seite des Strahlteilers/-kombinierers 31 modifiziert werden. Bei einer weiteren Modifikation des Layouts von 4 könnten ein oder mehrere hintere Resonatoren hinzugefügt werden, ähnlich wie bei dem in 3 gezeigten Layout. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es auf der Grundlage dieser Erläuterungen und ohne Abweichung vom Geist und Umfang der Erfindung für den Fachmann relativ leicht sein sollte, die gezeigten Ausführungen zu kombinieren oder Teile einer Ausführung einer anderen hinzuzufügen und die Abmessungen gemäß den besonders im Zusammenhang mit 1 gegebenen Erläuterungen zu bestimmen.
  • 5 zeigt in grafischer Form die Ausgangsleistung eines aus dem Stand der Technik bekannten Lasers, wobei die Bandbreitenstabilisierung durch ein einzelnes Faser-Bragg-Gitter erreicht werden soll. Die senkrechte Achse ist die optische Bandbreite des Lasers bei –20 dB vom Höchstwert abwärts; die waagerechte Achse ist der Laserstrom. Die Grafik zeigt deutlich die Schwankungen durch das Umschalten des Lasers von der Vielmodenbandbreite (a) zum/zur schmalbandigen einmodigen (b) Betrieb oder Bandbreite, während der Antriebsstrom des Lasers erhöht wird. Anders ausgedrückt verdeutlicht die dargestellte Kurve genau das Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll.
  • 6 schließlich verdeutlicht in einer der 5 ähnlichen Grafik den durch die vorliegende Erfindung erreichten Fortschritt. Die senkrechte Achse stellt wiederum die optische Bandbreite des Lasers bei –20 dB vom Höchstwert abwärts dar; die waagerechte Achse ist der Strom einer Laserquelle gemäß der Erfindung. Durch Verwendung eines durch ein zweites Gitter oder durch ein anderes Reflektorsystem gebildeten zusätzlichen Resonators, z. B. wie im Zusammenhang mit 1 detailliert beschrieben, arbeitet die Laserquelle ausschließlich im Vielmodenbetrieb. Es treten keine Schwankungen durch Umschalten auf, die wesentliche Verbesserung ist deutlich erkennbar.

Claims (13)

  1. Eine Laserquelle zur Erzeugung eines stabilen Laserstrahls mit einer gegebenen Bandbreite, umfassend einen einzelnen Laser (1) und eine Führungsvorrichtung (5) zum Leiten des aus dem Laser austretenden Laserstrahls, gekennzeichnet – durch eine Mehrzahl externer Resonatoren (5a, 5b; 15a, 15b; 15c; 25a, 25b; 33) mindestens teilweise innerhalb oder als Teil der Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5), wobei jeder der Resonatoren durch mindestens zwei Reflektoren (2 und 6a, 6a und 6b; 2 und 16a; 16a und 16b; 2 und 26a, 26a und 26b; 2 und 31, 31 und 34) gebildet wird – dadurch, dass die Mehrzahl der externen Resonatoren so bemessen und angeordnet ist und ihre Reflektivitäten so gewählt sind, dass der Laser (1) im Wesentlichen im Kohärenzkollaps arbeitet.
  2. Die Laserquelle gemäß Anspruch 1, wobei – sämtliche Resonatoren (5a, 5b; 15a, 15b) innerhalb der Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5) angeordnet sind, vorzugsweise vor dem Laser (1).
  3. Die Laserquelle gemäß Anspruch 1, wobei – sämtliche Resonatoren (5a, 5b; 15a, 15b, 15c; 25a, 25b; 33) außerhalb des Resonators des Lasers (1) angeordnet sind.
  4. Die Laserquelle gemäß Anspruch 1, wobei – sämtliche Resonatoren (5a, 5b; 15a, 15b, 15c; 25a, 25b; 33) innerhalb der Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5) außerhalb des Resonators des Lasers (1) angeordnet sind.
  5. Die Laserquelle gemäß Anspruch 1, wobei – ein oder mehrere Resonatoren (5a, 5b;) innerhalb der Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5) vor dem Laser (1) angeordnet sind, und – mindestens ein Resonator (25a, 25b) am hinteren Ende des Lasers (1) angeordnet ist.
  6. Die Laserquelle gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5) einen Haupt- und einen Seitenteil aufweist, umfassend in Kombination – einen innerhalb der Laserstrahl-Hauptführungsvorrichtung angeordneten frontalen Resonator (15a), – einen außerhalb der Laserstrahl-Hauptführungsvorrichtung angeordneten seitlichen Resonator (33), und – einen Strahlteiler/-kombinierer (31), welcher einen Teil des Strahls in den seitlichen Resonator ablenkt.
  7. Die Laserquelle gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei – zwei Reflektoren, insbesondere Bragg-Gitter, vorgesehen sind, welche verschobene Spitzenwellenlängen und/oder unterschiedliche Bandbreiten aufweisen.
  8. Die Laserquelle gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei – der Laser (1) Licht zwischen 800 und 1600 nm aussendet und/oder – die Reflektoren (6a, 6b; 16a, 16b; 26a, 26b; 34) oder Strahlteiler/-kombinierer (31) ein Reflektivitätsmaximum innerhalb der Laserbandbreite aufweisen, und/oder – eine Bandbreite mit der Reflektivität zwischen 0,05 und 2 nm Halbwertsbreite, und/oder – eine Spitzenreflektivität zwischen 0,005 und 0,4.
  9. Die Laserquelle gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei – das im ersten Resonator (5a, 15a, 25a) gebildete optische Feld in Bezug auf das optische Feld des Lasers (1) phasenverschoben ist, und – das im zweiten Resonator (5b, 15b, 25b, 33) gebildete optische Feld in Bezug auf das im ersten Resonator gebildete optische Feld phasenverschoben ist, – wodurch eine Phasenanpassung an den Laser und somit der kohärente Betrieb der Laserquelle vermieden wird.
  10. Die Laserquelle gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei – der Laser ein Halbleiterdiodenlaser ist, insbesondere ein InGaAs-Quantentopfdiodenlaser, und/oder – die Laser-Führungsvorrichtung eine optische Faser umfasst, entweder eine polarisationserhaltende oder nichtpolarisationserhaltende optische Faser, und/oder – die Reflektoren Faser-Bragg-Gitter innerhalb der Faser sind.
  11. Die Laserquelle gemäß einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, weiterhin umfassend – Vorrichtungen zum Richten des Laserstrahls in die optische Faser, insbesondere an der optischen Faser (5) angebrachte oder in diese integrierte Strahlenkollimations- oder – fokussierungsvorrichtungen (4, 14)
  12. Ein Verfahren zur Fertigung einer Laserquelle, welche einen stabilen Laserstrahl mit einer gegebenen Bandbreite erzeugt, wobei die Laserquelle einen einzelnen Laser (1) und eine Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5) zur Führung des aus dem Laser austretenden Laserstrahls aufweist, gekennzeichnet durch – eine simultane Anfertigung, vorzugsweise innerhalb der Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5), einer Mehrzahl von Reflektoren (6a, 6b), welche zusammen mit der Laserfrontfacette (2) die gewünschten externen Resonatoren (5a, 5b) vor dem Laser (1) bilden, wobei die Mehrzahl der externen Resonatoren so bemessen und angeordnet ist und ihre Reflektivitäten so gewählt sind, dass der Laser im Wesentlichen im Kohärenzkollaps arbeitet.
  13. Das Verfahren zur Fertigung einer Laserquelle gemäß Anspruch 12, wobei – die simultane Anfertigung durch UV-Bestrahlungsverfahren erfolgt, wodurch die Reflektoren (6a, 6b) als Faser-Bragg-Gitter in der die Laserstrahl-Führungsvorrichtung (5) bildenden optischen Faser erzeugt werden.
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