DK163765B - Injektionslaast laserlyskilde, fremgangsmaade til drift af en saadan lyskilde, samt anvendelse af lyskilden i et koherent optisk kommunikationssystem - Google Patents

Description

i

DK 163765 B

Opfindelsen har relation til injektionslåste laser-lyskilder samt anvendelse af en sådan lyskilde i en sender for et kohe-rent optisk kommunikationssystem; anvendelse af en sådan sender i et koherent PSK eller FSK optisk kommunikationssystem og 5 en fremgangsmåde til drift af en laserlyski Ide omfattende en master-laser og mindst én slave-laser.

Man har især inden for optiske fiberkommunikationssystemer gjort sig store anstrengelser for at tilvejebringe laserlys-10 kilder, der opererer i en enkelt longitudinal svingningstil stand, og som har en smal liniebåndbredde og en høj frekvens-stabi1 i tet.

Det har været foreslået at tilvejebringe en halvlederlaserlys-15 kilde med en enkelt longitudinal svingningstilstand, omfattende to halvlederlasere, som er anbragt på en sådan måde, at lys fra en master-halvlederlaser injiceres i en slave-halvlederlaser for at forstærke en udvalgt svingningstilstand af slavehalvlederlaseren . Hvis de to halvlederlasere er passende sty-20 ret, svarer emissionen af slave-laseren til en longitudinal svingningstilstand - jf. f.eks. "Improvement in Intensity Fluctuation Noise of 1 Gbit/s - Modulated InGaAsP Laser by a Light Injection Technique" af J. Yamada et al,, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 19, nr. 11, november 1980, pp 25 L689 - L692, "Modulated Single - Longitudinal Mode Semiconduc tor Laser and Fibre Transmission Characteristics at 1,55 pm" af J. Yamada et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. EQ-17, nr. 6, juni 1981, fransk patentskrift nr. 2.306.551 i navnet Licentia Patentverwaltungs GmbH, "Single Mode Operation 30 of 500 Mbit/s Modulated AlGaAs Semiconductor Laser by Injection Locking" af S. Kobayashi et al., Electronics Letters, 11. september 1980, vol. 16, side 746-748, nr. 19, samt US patentskrift nr. 3.999.146 i navnet Nippon Electric Limited, Tokyo, Japan.

Ved en bølgelængde i området af 850 nm eller mellem 1,3 og 1,5 pm har det endnu ikke været muligt at tilvejebringe en injek- 35 2

DK 163765 B

tionslåst laser-lyskilde af denne type, som er velegnet for koherente optiske kommunikationssystemer som følge af, at liniebåndbredden af disse kilder er for stor. Liniebåndbredden i den låste tilstand har ofte vist sig ikke at være væsentligt 5 smallere end de liniebåndbredder, der opnås ved hjælp af en enkelt halvlederlaser. Eksempelvis har målinger vist single mode-1iniebåndbredder i 100 MHz til 1 GHz-området, medens der for koherent PSK (phase shift key) og FSK (frequency shift key) systemer kræves liniebåndbredder, der er mindst to stør-10 relsesordener lavere, ideelt i sub-mega hertz-området.

Pri nci pperne i forbindelse med koherente optiske kommunikationssystemer er tidligere blevet beskrevet - jf. f.eks. "Receiver Performance Evaluation of Various Digital Optical Modu-15 lation - Demodulation Systems in the 0,5-10 Mm Wavelength Region" af Y. Yamamoto, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-16, nr. 11, november 1980 pp. 1251-1259, og yderligere artikler, der er angivet som reference.

20 Koherente optiske kommunikationssystemer har velkendte fordele i forhold til direkte intensitetsmodulerede systemer; især ved bølgelængder i 1,5 pm området, hvor optiske modtagere med direkte detektion i almindelighed er dårlige. En koherent detek-tion er betydeligt mere følsom således, at fordelene ved de 25 lange sender-modtager-afstande vil kunne udnyttes fuldt ud, og dette er muliggjort ved hjælp af de optiske fibre med lave tab, som fås til bølgelængdeområdet omkring 1,5 pm.

Formålet med opfindelsen er derfor at tilvejebringe en laser-30 lyskilde med en smal liniebåndbredde.

Opfindelsen er baseret på den erkendelse, at der kan opnås betydeligt smallere båndbredde fra en slave-halvlederlaser ved anvendelse af en master-laser i form af en gaslaser.

Ifølge opfindelsen er der tilvejebragt en injektionslåst laser-lyskilde omfattende en første eller en master-laser, og en 35

DK 163765 B

3 anden eller en slave-laser, anbragt således, at lys fra master-1aseren kan injiceres i slave-laseren. Lyskilden er ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at master-1aseren er en gaslaser, medens slave-laseren er en halvlederlaser. Linie-5 båndbredden af halvlederlaseren kan på denne måde gøres tilstrækkeligt smal for koherent optisk kommunikation.

Gaslaseren er fortrinsvis en helium-neon-laser, som er indrettet til at operere ved en bølgelængde i området af 1,5 μιη.

10 Helium-neonlaseren kan have en kvantebegrænset liniebåndbredde af størrelsesordenen 1 Hz og kan være styret til opnåelse af en langtidsstabilitet, der er bedre end 1 MHz.

Halvlederlaseren kan f.eks. være en indlejret halvmåneformet 15 halvleder-1 aser.

Halvlederlaseren har fortrinsvis en enkelt tranversal svingningstilstand og en eller flere longitudinale svingningstilstande under normale driftsforhold.

20

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til drift af en laserlys-kilde omfattende en masterlaser og mindst én slavelaser til tilvejebringelse af en lysemission svarende til en enkelt longitudinal svingningstilstand.

25

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved at slavelaseren er injektionslåst med en gaslaser. Derved kan der afgives lys med en liniebåndbredde af størrelsesordenen 1,5 MHz eller mindre. En sådan liniebåndbredde er væsentligt smal-30 lere end hidtil kendt.

Lyskilden kan moduleres ved på konventionel måde at tilføre et modulationssignal til slave-laseren. 1

Lysemissionen fra laser-lyskilden kan alternativt moduleres i separate modul at i onsorganer. Disse modulationsorganer kan f.eks. indskydes mellem master-laseren og slave-laseren.

DK 163765 B

4

Mere end én slave-laser kan være injektionslåst til den samme master-laser.

Hvis mere end én slave-laser er låst til samme master-1 aser, 5 kan enten nogle eller alle slave-lasernes udgangssignaler være frekvensforsudt med en forudbestemt værdi i forhold til den eller de øvrige slave-lasere.

Organer til frekvensforskydning kan indskydes mellem master-10 laseren og slave-laserne. Sådanne organer kan f.eks. omfatte akustisk-optiske frekvensskiftere, som er kommercielt tilgænge! ige.

^ Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under hen-15 visning til tegningen, hvor fig. 1 illustrerer en lyskilde ifølge opfindelsen og fig. 2a og 2b to anvendelser af lyskilden ifølge opfindelsen.

20

Den i fig. l viste lyskilde omfatter en master-laser 10 i form af en hel ium-neon-gaslaser, der har en He-Ne-rør 10a og ydre spejle 10b, som er anbragt således, at emitteret lys kan injiceres i en halvleder-slavelaser 14 via en optisk isolator 11 25 og linser 12. Hel ium-neon-laseren 10 er en kommerciel laser med ydre spejle, og som er modificeret for smalbåndsdrift ved 1,523 μιη, og som afgiver to lysstråler af en effekt på 15 pW. Liniebredden af helium-neon-laseren 10 er mindre end 1,5 MHz. Den optiske isolator 11, såsom en magneto-optisk isolator, 30 tjener til at eliminere instabilitetsproblemer som følge af tilbagekobli ng.

Hal vi eder-laseren 14 er en indlejret halvmåneformet laser, der har en enkelt transversal svingningstilstand og flere longitu-35 dinale svingningstilstande under normale driftsforhold. Laseren 14 er monteret i en dual-in-1ine-indkapsling med en monomode fiberende stødsamlet til den ene facet og en strålekolli-

DK 163765 B

5 merende mikrolinse stødsamlet til den anden facet. Til indledende forsøg blev lyset fra He-Ne-laseren 10 injiceret i halvled er-laseren 12 via fiberenden, og lysemissionen af hal vie-der-laseren 14 fremkom som parallelt lys fra mikrolinsen. For-5 spændingsstyringen for halvleder-laseren 14 kan eventuelt inkludere et Peltier køleelement til styring af indkapslingens temperatur.

Ved drift af lyskilden er halvleder-laseren 14 injektionslåst 10 ved hjælp af lys fra hel ium-neon-1aseren 10. Lyset fra kilden, som udgøres af lyset fra halvleder-laseren 14, er en lysstråle med en bølgelængde på 1,5 pm, idet liniebåndbredden er reduceret til under 1,5 MHz. Denne reduktion i liniebåndbredde skyldes, at en injektion af en lille del i halvleder-laserens 14 15 kavitet af den smalbåndede 1,523 pm udstråling fra helium- neon-laseren giver en stabilisering i centret af forstærkningsprofilen, hvilket giver en langtidsstabilitet, der er bedre end 1 MHz.

20 Målinger på laser-spektret viser, at mere end 85% af halvle-der-laserens 14 emission ved injektion ligger ved 1,523 pm. Strømmen til drift af halvleder-laseren 14 skulle imidlertid holdes inden for ± 0,5 mA af det optimale til opnåelse af en låsning, der indikerer en låsebåndbredde på 1 GHz. Målinger på 25 emissionen fra halvleder-laseren 14 under injektionslåste forhold viser en liniebåndbredde på ca. 1,5 MHz eller mindre. Efterfølgende målinger ved forøgede udgangseffekter af gaslaseren 10 på op til 200 pW og under anvendelse af heterodyn de-tektion med en yderligere He-Ne-laser viste en FWHM (full 30 width half maximum) liniebåndbredde, der var mindre end 30 KHz for den injektionslåste halvleder-laser 14, og syntes at være begrænset af mekaniske og akustiske forstyrrelser af He-Ne-laseren 10. Uden injektionslåsing er liniebredden målt til at være større end 1 GHz. Injektionslåsningen af en halvleder-35 laser 14, med en hel ium-neon-1aser 10, forbedrer således fase-koherensen af halvleder-laseren 14 med mere end to størrelsesordener .

6

DK 163765 B

Kredsløbet til styring af laseren 10 og laseren 14 er ikke vist i detaljer i fig. 1, idet et sådant kredsløb vil være nærliggende for en fagmand på området.

5 To anvendelsesområder af den foreliggende lyskilde er vist i fig. 2a og 2b, Fig. 2a illustrerer den foreliggende lyskilde anvendt i et amplitude-modulations- og ampi i tude-skifte-nøgle-arrangement. I dette arrangement er et modulationssignal tilført til halv!eder-laseren 14 ved hjælp af en leder 18. Denne 10 modulation fremkommer i udgangen af slave-laseren 14 af laserkilden, som kan indføres i en fiber 19.

Fig. 2b viser anvendelsen af den foreliggende lyskilde i forbindelse med et fasemodulations- og et faseskift-nøgle-arran-15 gement. I dette arrangement er modulationssignalet tilført via en leder 20 til en kendt modulationsanordning 21 i den optiske vej imellem helium-neon-1aseren 10 og halvleder-laseren 14.

Gaslaseren er i almindelighed anset for at være uegnet til 20 brug i praktiske optiske fibertransmissionssystemer som følge af betænkeligheder med hensyn til pålidelighed og levetid og som følge af omkostningerne i forbindelse med vedligeholdelse og eventuelle faciliteter. Med de store sender-modtager-af-stande for koherente optiske kommunikationssystemer, som kan 25 opnås ved hjælp af den foreliggende opfindelse, bliver de førnævnte omkostninger i forbindelse med vedligeholdelse og eventuelle faciliteter acceptable.

Det er underforstået, at en lyskilde ifølge opfindelsen ikke 30 kun er anvendelig i forbindelse med kommunikationssystemer. Den kan f.eks. også finde anvendelse i forbindelse med fiberafprøvningssystemer, hvor en heterodyn detektion giver en foi— bedret følsomhed til detektion af lys, der er reflekteret fra diskontinuiteter i en optisk fiber.

35

Claims (10)

1. Injektionslåst laser-lyskilde omfattende en master-laser 5 (10), hvis lysafgivelse er koblet til en slave-laser (14), ' kendetegnet ved, at master-laseren (10) er en gaslaser, medens slave-laseren (14) er en halvleder-laser.

2. Lyskilde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 10 master-laseren (10) opererer ved en bølgelængde i området af 1,5 Mm.

3. Lyskilde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at master-1aseren (10) er en hel ium-neon-gaslaser. 15

4. Lyskilde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at slave-laseren (14) er en indlejret halvmåneformet halvleder-laser.

5. Lyskilde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at slave-laseren (14) er en InGaAsP-laser.

6. Lyskilde ifølge ethvert af de foregående krav, k e n d e -tegnet ved, at mindst én yderligere slave-laser er in- 25 jektionslåst til master-1aseren (10).

7. Lyskilde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den yderligere slave-laser er indrettet til at operere ved en frekvens, der er forskudt en forudbestemt værdi fra slave-laseren 30 (14).

8. Anvendelse af en lyskilde ifølge ethvert af de foregående krav, i en sender for et koherent optiske kommunikationssy stem. 35

9. Anvendelse af en sender ifølge krav 8 i et koherent PSK eller FSK optisk kommunikationssystem. i DK 163765B

10. Fremgangsmåde til drift af en 1 aser-1yskiIde omfattende en master-laser (10) og mindst én slave-laser (14), kendetegnet ved, at slave-laseren (14) er injektionslåst med en gaslaser (10). 5 10 15 20 25 30 35