EP1449285A2 - Optische mikrowellenquelle - Google Patents

Optische mikrowellenquelle

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Publication number
EP1449285A2
EP1449285A2 EP02798257A EP02798257A EP1449285A2 EP 1449285 A2 EP1449285 A2 EP 1449285A2 EP 02798257 A EP02798257 A EP 02798257A EP 02798257 A EP02798257 A EP 02798257A EP 1449285 A2 EP1449285 A2 EP 1449285A2
Authority
EP
European Patent Office
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section
microwave source
source according
dfb
laser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02798257A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Bauer
Olaf Brox
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
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    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
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    • H01S5/06255—Controlling the frequency of the radiation
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/50—Amplifier structures not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the invention relates to an optical microwave source, designed as a multi-section semiconductor laser, the sections of which are separately designed to be electrically controllable.
  • Such multi-section semiconductor lasers are described in the prior art for different types / arrangements.
  • a self-modulated laser with the sections DFB / Phase / DFB, the second DFB section with the second DFB being designed as a passive reflector and thus enabling dispersive Q-switching, is described in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, No. 2, Feb. 1997, pp. 211-218 in the article by B. Sartorius, M. Mschreible, S. Reichenbacher, H. Preier, H.-J. Wishes, U. Bandelow 'Dispersive Self-Q-Switching in Self-Pulsating DFB Lasers "or in DE 195 13 198.
  • This laser is limited to frequencies in the range of the resonance frequency ⁇ 20 GHz.
  • a tunability of the microwave frequency is within the range of Tuning of the resonance frequency via the current in the actively operated DFB section possible.
  • EP 1 087 478 describes a self-modulated laser with the sections DFB / phase / DFB or DFB / DFB, both DFBs being operated actively.
  • the coupling of the two DFB modes in the overall resonator results in a microwave, which is proportional to the distance between the DFB modes of the different DFB sections.
  • the limitation of the upper limit frequency is determined by the mode distance between the two lasers and no longer by their resonance frequencies.
  • the object of the invention is therefore to provide a simple, tunable, monolithically integrated component for the generation of optical microwaves in the frequency range from 0.5 GHz to the THz range.
  • an optical microwave source designed as a multi-section semiconductor laser, the sections of which can be electrically controlled separately, comprising a single-mode DFB laser operated above the laser threshold and at least one monolithically integrated (external) cavity, consisting of a passive phase control section and one active section, the multi-section laser being limited by two facets, at least one of which has a reflectivity of> 0, passive and active sections with the DFB section above a common waveguide is connected, the active section has means for amplifying the wave returning in the multi-section semiconductor laser and the passive section has means for changing the phase position of the wave returning in the multi-section semiconductor laser.
  • the feedback of the laser light into the DFB section means that two longitudinal modes oscillate in the overall resonator.
  • the beat between these modes results in a high-frequency optical microwave signal, the length of the integrated cavity being selected in accordance with the desired microwave frequency range.
  • This design parameter is determined during the manufacture of the component. The following applies to the maximum achievable microwave frequency f rf : frf ⁇ 1 / ⁇ 0 , where ⁇ 0 is the round trip time in the monolithically integrated, external cavity.
  • the decisive parameter for the tunability of the microwave frequency is the strength of the optical feedback in the DFB laser.
  • the strength of the optical feedback is determined by the reflectivity of the end facet, the optical losses in the integrated (external) cavity and the optical amplification of the optically active section arranged according to the invention in the integrated (external) cavity. Both the reflectivity of the end facet and the optical losses in the integrated (external) Cavity cannot be varied or can only be varied slightly for a given component. These sizes are due to the manufacturing process. They are therefore not suitable for controlled tuning of the microwave frequency.
  • the tunability of the microwave frequency is possible via the controlled optical amplification of the optically active section integrated in the external cavity.
  • the gain via the current in the active section By controlling the gain via the current in the active section, the strength of the returning wave and thus the microwave frequency are adjusted.
  • the amplification of this section is sufficient to compensate for the losses that the optical wave experiences as it passes through the monolithically integrated external cavity (losses at the section boundaries, absorption in the passive section,
  • End facets reflectivity
  • This control parameter the injected current in the phase section, changes the refractive index and thus the phase of the returning optical wave.
  • the injected current in the phase section thus serves to compensate for the phase position of the returning optical wave when the gain of the active section changes. The possibility of compensating for the phase position of the returning wave only allows the microwave frequency to be tuned.
  • an external cavity is monolithically integrated in the multi-section semiconductor laser, the DFB facet of which is anti-reflective, or two external cavities are monolithically integrated in the multi-section semiconductor laser and both facets have a reflectivity> 0.
  • the reflectivity is increased by coating the facet (s).
  • the length of the monolithically integrated cavity is determined by the upper limit of the microwave frequency range to be implemented.
  • a simplified arrangement of the microwave source can be specified, which has only two sections, namely the DFB laser and the active section, both of which are optically coupled via a common waveguide.
  • the means for stabilizing the temperature of the multi-section semiconductor laser provided in another embodiment of the invention ensure stable operation in the frequency range of the microwave source according to the invention.
  • optical microwave source is closely related to their use as a data or pulse source.
  • the multi-section semiconductor laser additionally has an integrated modulator section or that an external modulator is also connected downstream.
  • the modulator is modulated in the absorption by a high-frequency voltage, so that a data signal is impressed on the microwave pulses.
  • the modulator can be connected to the pulse source, for example, via free-beam optics or fiber coupling.
  • This design allows a separate optimization of the microwave source and the modulator, whereby an improvement in functionality is achieved.
  • the downstream or integrated modulator has additional means, for example means for electrically operating the modulator or means for reducing the life of the charge carrier, for example by inserting lattice defects using radiation.
  • Pulse shaping can also be achieved if the means for this are the multi-section semiconductor laser are connected downstream.
  • the microwave source according to the invention can be followed by an amplifier and a fiber or a fiber with non-linear optical properties.
  • the use of non-linearity in optical fibers leads to a shortening of the pulse duration.
  • the DFB laser is an index-coupled or a profit-coupled laser, which has, for example, a grating with integrated phase jumps.
  • the yield of microwave sources of a desired frequency range can thereby be increased, since other modes originating from the DFB section are suppressed by this arrangement according to the invention.
  • the effect of an inhomogeneous grating can be realized in the solution according to the invention on the one hand by a changing longitudinal grating period in the DFB section or by changing the lateral width of the section of the waveguide running in the DFB section.
  • Another embodiment provides for the means for controlling the DFB laser to be sectioned. These sectioned current contacts and different operating currents of the DFB subsections allow more precise mode control of the DFB laser.
  • the refractive index in the passive phase section can be changed by the means for heating the waveguide which are provided in a further embodiment of the invention and which are arranged next to the latter in the passive or active section. This can thermally influence the phase relationship of the feedback laser light.
  • the thermal tuning can take place on the optically passive as well as on the active section of the external cavity.
  • the microwave source has a means for synchronization, in particular a modulated current source. This allows synchronization via current modulation in that the currents are modulated with the pulsation frequency of the microwave. The modulation takes place at the DFB section or the active section.
  • microwave source has additional reflectivities, as provided in one embodiment, which are implemented, for example, by etching the waveguide between the individual sections, this creates several cavities in the component, which ensure greater flexibility of the component.
  • the microwave source has an integrated tapered transition area.
  • the special version of the taper there is no need for a fiber with a lens.
  • a split fiber and possibly anti-reflective to the fiber wavelength can be used.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment of a three-section semiconductor laser
  • Fig. 2 shows the optical spectrum of the microwave source.
  • Fig. 3 shows the tuning range of the microwave source acc. Fig. 1;
  • Fig. 4 shows the synchronization behavior of the microwave source.
  • Fig. 5 according to a microwave source.
  • Fig. 1 synchronized pulse train
  • FIG. 6 schematically shows a second exemplary embodiment of a microwave source according to the invention with an integrated modulator
  • FIG. 7 schematically shows a third exemplary embodiment of a microwave source according to the invention with a sectioned DFB laser; 8 schematically shows a fourth exemplary embodiment of a microwave source according to the invention with two integrated, external cavities.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a microwave source according to the invention is shown schematically in FIG. 1. It is a semiconductor laser in which an external cavity is monolithically integrated and which therefore has three sections. Sections 1, 2 and 3 are connected by a common waveguide WL. Section 1 denotes the DFB laser, operated with current li, section 2 the passive section, operated with l 2 , and section 3 the active section, operated with current l 3 .
  • the DFB facet can be provided with an anti-reflective coating AR, the reflectivity R at the end facet is greater than 0.
  • section 1 is 200 ⁇ m long, section 2 550 ⁇ m and section 3 250 ⁇ m.
  • the length of the external cavity is therefore 800 ⁇ m, which results in an upper microwave frequency of approximately 58 GHz.
  • the end facet of the DFB laser section 1 is antireflection coated, the end facet of the active section 3 is a slit surface with a reflectivity of R
  • the side mode suppression ratio (SMSR) is more than 40 dB.
  • the distance between the main modes corresponds to a microwave frequency of 37.6 GHz.
  • the tuning range (microwave frequency as a function of the current I 3 with which the section 3 is operated) of the optical microwave source according to the invention with three sections shown in FIG. 1 is shown in FIG.
  • Fig. 3 shown.
  • the DFB laser section 1 with a constant current 100 mA operated.
  • the current is readjusted l in the active section 3.
  • Fig. 4 shows the dependence of the relative electrical power of the microwave source according to the invention.
  • the two measurement curves show the unsynchronized microwave with a frequency of 37.62 GHz using a measurement with an electrical spectrum analyzer (solid line), on the other hand, the measurement curve marked with squares shows the synchronization of the microwave.
  • an optical data signal with 0 dBm was coupled into the microwave source according to the invention and this is synchronized to the injected frequency of 37.6 GHz.
  • a pulse train with a subharmonic frequency with f / n - a fraction of the desired cycle - for example 9.4 GHz is injected into the microwave source, which is shown with the upper pulse train in FIG. 5.
  • the lower pulse train in this figure shows the synchronized microwave source with a frequency of 37.6 GHz.
  • the extinction is about 6 dB, whereby this value is limited by the bandwidth of the measuring system.
  • the microwave source according to the invention can be used as a data or pulse source, it can be implemented with an integrated modulator, for example.
  • This embodiment consisting of a three-section semiconductor laser with sections 1, 2 and 3, as already described in FIG. 1 with the associated currents, l 2 and l 3 , and an integrated modulator section M, which by a high-frequency voltage UM is modulated in the absorption is shown in Fig. 6.
  • the modulation causes a data signal to be impressed on the microwave pulses.
  • the current contacts in the DFB section 1 are subdivided for the microwave source according to the invention shown in FIG. 1. This enables a targeted control of the subsections of 1 with different operating currents I ⁇ ... I ⁇ , which enables a defined mode control of the DFB laser 1.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the microwave source according to the invention, which now has two integrated cavities.
  • the DFB laser 1 On both sides of the DFB laser 1 there is an integrated cavity, each having a passive section 2.1 or 2.2 and an active section 3.1 or 3.2.
  • the cavities can have different lengths and can also have different structures.
  • the passive and active sections can be arranged in any order.
  • the arrangement according to the invention represents an integrated microwave source which works more stably in comparison to hybrid microwave sources. It can be manufactured using simplified technologies compared to components with detuned grids (e.g. DFB / passive section / DFB or DFB / DFB).
  • the microwave source enables easy control of the component, since thermal effects do not change the correlation between several gratings.
  • An anti-reflective coating is not absolutely necessary in the solution according to the invention.
  • the frequency of the microwave source according to the invention can be tuned by the currents of its active and passive section. Due to the mode coupling already mentioned, only a small frequency noise occurs. A large modulation stroke can be realized with the microwave source according to the invention.

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Abstract

Es soll ein einfaches, abstimmbares, monolithisch integriertes Bauelement für die Erzeugung von optischen Mikrowellen im Frequenzbereich von 0,5 GHz bis in den THz-Bereich angegeben werden. Erfindungsgemäß weist eine optische Mikrowellenquelle, ausgebildet als Mehrsektions-Halbleiterlaser, dessen Sektionen getrennt elektrisch steuerbar ausgebildet sind, einen oberhalb der Laserschwelle betriebenen einmodigen DFB-Laser 1 und mindestens eine monolithisch integrierte externe Kavität, bestehend aus einer passiven Phasensteuersektion 2 und einer aktiven Sektion 3 auf, wobei der Mehrsektionslaser von zwei Facetten begrenzt ist, von denen mindestens eine eine Reflektivität von > 0 aufweist, passive 2 und aktive 3 Sektionen mit der DFB-Sektion 1 über einen gemeinsamen Wellenleiter WL verbunden sind, die aktive Sektion 3 Mittel zur Verstärkung und die passive Sektion 2 Mittel zur Änderung der Phasenlage der im Mehrsektions-Halbleiterlaser zurücklaufenden Welle aufweist.

Description

Bezeichnung
Optische Mikrowellenquelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine optische Mikrowellenquelle, ausgebildet als Mehrsektions-Halbleiterlaser, dessen Sektionen getrennt elektrisch steuerbar ausgebildet sind.
Derartige Mehrsektions-Halbleiterlaser sind im Stand der Technik für unterschiedliche Typen/Anordnungen beschrieben.
Ein selbstmodulierter Laser mit den Sektionen DFB/Phase/DFB, wobei die zweite DFB-Sektion mit zweitem DFB als passiver Reflektor ausgebildet ist und somit dispersives Güteschalten ermöglicht, ist in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, No. 2, Feb. 1997, pp.211 -218 in dem Aufsatz von B. Sartorius, M. Möhrle, S. Reichenbacher, H. Preier, H.-J. Wünsche, U. Bandelow 'Dispersive Self-Q-Switching in Self-Pulsating DFB Lasers" bzw. in DE 195 13 198 beschrieben. Dieser Laser ist auf Frequenzen im Bereich der Resonanzfrequenz < 20 GHz beschränkt. Eine Abstimmbarkeit der Mikrowellenfrequenz ist im Rahmen der Abstimmung der Resonanzfrequenz über den Strom in der aktiv betriebenen DFB-Sektion möglich.
In EP 1 087 478 ist ein selbstmodulierter Laser mit den Sektionen DFB/Phase/DFB oder DFB/DFB beschrieben, wobei beide DFB aktiv betrieben werden. Die Kopplung der zwei DFB-Moden im Gesamtresonator resultiert in einer Mikrowelle, welche proportional dem Abstand der DFB- Moden der unterschiedlichen DFB-Sektionen ist. Die Begrenzung der oberen Grenzfrequenz wird durch den Modenabstand der beiden Laser zueinander und nicht mehr über deren Resonanzfrequenzen bestimmt. Durch die Komplexität von Bauelementen mit zwei DFB-Lasern erfordert diese Lösung eine sehr exakte Technologie, welche die Fertigung von gleichen Bauelementen garantiert. Die Ausbeute ist durch nicht zu vermeidende zufällige Parameter, wie etwa die Phasenbeziehung zwischen den Gittern, sehr gering und wird zudem durch mangelnde Durchstimmbarkeit reduziert.
Von Tager und Petermann wurde in dem Artikel „High-Frequency Oscillation and Self-Mode Locking in Short Extemal-Cavity Laser Diodes" in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 30, No. 7, July 1994, pp. 1553-1561 ein DFB-Laser mit integrierter, passiver Kavität vorgeschlagen. Dieser Bauelemente-Typ vermeidet die technologischen Schwierigkeiten der bereits oben beschriebenen Lösung. Die obere Mikrowellenfrequenz wird in dieser Lösung maßgeblich durch die optischen Verluste in der integrierten, passiven Kavität bestimmt und ist auf 30 GHz begrenzt.
Die aus dem Stand der Technik erwähnten Lösungen für optische Mikrowellenquellen sind entweder in ihrer Frequenz begrenzt bzw. technologisch sehr aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein einfaches, abstimmbares, monolithisch integriertes Bauelement für die Erzeugung von optischen Mikrowellen im Frequenzbereich von 0,5 GHz bis in den THz-Bereich anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Mikrowellenquelle, ausgebildet als Mehrsektions-Halbleiterlaser, dessen Sektionen getrennt elektrisch steuerbar sind, aufweisend einen oberhalb der Laserschwelle betriebenen einmodigen DFB-Laser und mindestens eine monolithisch integrierte (externe) Kavität, bestehend aus einer passiven Phasensteuersektion und einer aktiven Sektion, wobei der Mehrsektionslaser von zwei Facetten begrenzt ist, von denen mindestens eine eine Reflektivität von > 0 aufweist, passive und aktive Sektionen mit der DFB-Sektion über einen gemeinsamen Wellenleiter verbunden sind, die aktive Sektion Mittel zur Verstärkung der im Mehrsektions-Halbleiterlaser zurücklaufenden Welle und die passive Sektion Mittel zur Änderung der Phasenlage der im Mehrsektions- Halbleiterlaser zurücklaufenden Welle aufweist.
Mit der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle werden Rückkopplungsstärken erzielt, die mit rein passiven, externen Kavitäten nicht erreichbar sind. Durch den Einsatz von optischen Verstärkern in der externen, monolithisch integrierten Kavität wachsen sowohl die Bereiche erlaubter Phasendrehungen des rückgekoppelten Lichtes, als auch die erreichbaren Mikrowellenfrequenzen an. Gleichzeitig ist es dadurch möglich, in der erfindungsgemäßen Lösung, die ein Bauteil mit festen Geometrien darstellt, nachträglich, d.h. beim Betrieb, die Frequenz über die Betriebsparameter zu kontrollieren. Dabei ist es unerheblich, in welcher Reihenfolge die passive und die aktive Sektion zum DFB-Laser angeordnet sind.
Die Rückkopplung des Laserlichtes in die DFB-Sektion führt dazu, dass im Gesamtresonator zwei longitudinale Moden anschwingen. Die Schwebung zwischen diesen Moden resultiert in einem hochfrequenten optischen Mikrowellensignal, wobei die Länge der integrierten Kavität entsprechend dem gewünschten Mikrowellenfrequenzbereich gewählt wird. Dieser Designparameter wird während der Herstellung des Bauelementes festgelegt. Für die maximale erreichbare Mikrowellenfrequenz frf gilt hierbei: frf < 1/τ0 , wobei τ0 die Umlaufzeit in der monolithisch integrierten, externen Kavität ist.
Der für die Abstimmbarkeit der Mikrowellenfrequenz maßgebliche Parameter ist die Stärke der optischen Rückkopplung in den DFB-Laser. Die Stärke der optischen Rückkopplung ist bestimmt durch die Reflektivität der Endfacette, den optischen Verlusten in der integrierten (externen) Kavität sowie der optischen Verstärkung der erfindungsgemäß in der integrierten (externen) Kavität angeordneten optisch aktiven Sektion. Sowohl die Reflektivität der Endfacette als auch die optischen Verluste in der integrierten (externen) Kavität lassen sich bei einem gegebenen Bauelement nicht bzw. nur gering variieren. Diese Größen sind herstellungsbedingt. Sie sind daher nicht für eine kontrollierte Abstimmbarkeit der Mikrowellenfrequenz geeignet.
Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle dagegen ist die Abstimmbarkeit der Mikrowellenfrequenz über die kontrollierte optische Verstärkung der in die externen Kavität integrierten optisch aktiven Sektion möglich. Durch die Steuerung der Verstärkung über den Strom in der aktiven Sektion wird die Stärke der rücklaufenden Welle und damit die Mikrowellenfrequenz abgestimmt. Die Verstärkung dieser Sektion reicht aus, um die auftretenden Verluste, welche die optische Welle beim Durchlauf durch die monolithisch integrierte, externe Kavität erfährt (Verluste an den Sektionsgrenzen, Absorption in der passiven Sektion,
Endfacetten reflektivität), zu kompensieren und schließlich zu verstärken.
Da eine Änderung der Verstärkung in der aktiven Sektion eine Änderung der optischen Phase der rücklaufenden Welle nach sich zieht, ist ein weiterer Steuerparameter erforderlich. Dieser Steuerparameter, der injizierte Strom in der Phasensektion, ändert den Brechungsindex und damit die Phase der rücklaufenden, optischen Welle. Der injizierte Strom in der Phasensektion dient damit der Kompensation der Phasenlage der rücklaufenden optischen Welle bei einer sich ändernden Verstärkung der aktiven Sektion. Die Möglichkeit der Kompensation der Phasenlage der rücklaufenden Welle lässt damit eine Abstimmbarkeit der Mikrowellenfrequenz erst zu.
In Ausführungsformen der Erfindung ist eine externe Kavität monolithisch in den Mehrsektions-Halbleiterlaser integriert, deren DFB-Facette entspiegelt ist, oder sind zwei externe Kavitäten monolithisch in den Mehrsektions- Halbleiterlaser integriert und beide Facetten weisen eine Reflektivität > 0 auf. Die Erhöhung der Reflektivität ist mittels einer Beschichtung der Facette/n realisiert. In einer anderen Ausführungsform ist die Länge der monolithisch integrierten Kavität bestimmt durch den oberen Grenzwert des zu realisierenden Mikrowellen-Frequenzbereichs.
Bei Verzicht auf einen Freiheitsgrad der Funktionsoptimierung kann eine vereinfachte Anordnung der Mikrowellenquelle angegeben werden, die nur noch zwei Sektionen aufweist, nämlich den DFB-Laser und die aktive Sektion, die beide über einen gemeinsamen Wellenleiter optisch gekoppelt sind.
Die in einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Mittel zur Temperaturstabilisierung des Mehrsektions-Halbleiterlaser gewährleisten einen stabilen Betrieb im Frequenzbereich der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle.
Die folgenden Ausführungsformen der optischen Mikrowellenquelle stehen mit ihrem Einsatz als Daten- bzw. Pulsquelle in engem Zusammenhang.
So ist in zwei Ausführungen vorgesehen, dass der Mehrsektions- Halbleiterlaser zusätzlich eine integrierte Modulatorsektion aufweist oder zusätzlich ein externer Modulator nachgeschaltet ist. Im ersten Fall wird durch eine hochfrequente Spannung der Modulator in der Absorption moduliert, sodass ein Datensignal auf die Mikrowellenpulse aufgeprägt wird. Im zweiten Fall kann der Modulator beispielsweise über eine Freistrahloptik oder eine Faserkopplung mit der Pulsquelle verbunden sein. Diese Ausführung gestattet eine getrennte Optimierung der Mikrowellenquelle und des Modulators, wodurch eine Verbesserung der Funktionalität erreicht wird. Zur gezielten Pulsformung, z.B. zur Verkürzung der Pulse der Mikrowellenquelle, weist der nachgeschaltete oder integrierte Modulator zusätzliche Mittel auf, beispielsweise Mittel zum elektrischen Betreiben des Modulators oder Mittel zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer, z.B. durch Einfügen von Gitterfehlstellen mittels Bestrahlung. Eine Pulsformung kann auch erzielt werden, wenn die Mittel hierzu dem Mehrsektions-Halbleiterlaser nachgeschaltet sind. So kann der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle ein Verstärker und eine Faser oder eine Faser mit nichtlinearen optischen Eigenschaften nachgeschaltet werden. Die Ausnutzung der Nichtlinearität in Lichtleitfasern führt zu einer zeitlichen Verkürzung der Pulsdauer.
Die folgenden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung beziehen sich auf die DFB-Sektion. So ist vorgesehen, dass der DFB-Laser ein indexgekoppelter oder ein gewinngekoppelter Laser ist, der beispielsweise ein Gitter mit integrierten Phasensprüngen aufweist. Dadurch kann die Ausbeute von Mikrowellenquellen eines gewünschten Frequenzbereiches erhöht werden, da durch diese erfindungsgemäße Anordnung andere, von der DFB- Sektion herrührende Moden, unterdrückt werden.
Die Wirkung eines inhomogenen Gitters kann in der erfindungsgemäßen Lösung zum einen durch eine sich ändernde longitudinale Gitterperiode in der DFB-Sektion oder aber durch Änderung der lateralen Breite des in der DFB- Sektion verlaufenden Abschnitts des Wellenleiters realisiert werden.
Eine andere Ausführung sieht vor, die Mittel zur Ansteuerung des DFB-Lasers sektioniert auszubilden. Durch diese sektionierten Stromkontakte und unterschiedliche Betriebsströme der DFB-Untersektionen kann eine gezieltere Modensteuerung des DFB-Lasers erfolgen.
Durch die in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehenen Mittel zur Erwärmung des Wellenleiters, die neben diesem in der passiven oder aktiven Sektion angeordnet sind, ist der Brechungsindex in der passiven Phasensektion veränderbar. Dadurch kann die Phasenbeziehung des rückgekoppelten Laserlichts thermisch beeinflusst werden. Die thermische Abstimmung kann sowohl an der optisch passiven als auch an der aktiven Sektion der externen Kavität erfolgen. Die Mikrowellenquelle weist in einer anderen Ausführung ein Mittel zur Synchronisation, insbesondere eine modulierte Stromquelle, auf. Damit kann eine Synchronisation über Strommodulation erfolgen, indem die Ströme mit der Pulsationsfrequenz der Mikrowelle moduliert sind. Die Modulation erfolgt dabei an der DFB-Sektion oder der aktiven Sektion.
Weist die Mikrowellenquelle zusätzliche Reflektivitäten auf, wie in einer Ausführungsform vorgesehen, die beispielsweise durch Ätzen des Wellenleiters zwischen den einzelnen Sektionen realisiert sind, entstehen dadurch mehrere Kavitäten im Bauelement, die eine größere Flexibilität des Bauelementes gewährleisten.
Zur effektiven Lichteinkopplung in das nachgeordnete Bauelement weist die Mikrowellenquelle einen integrierten getaperten Übergangsbereich auf. Bei spezieller Ausführung des Tapers kann auf eine Faser mit Linse verzichtet werden. In diesem Fall kann beispielsweise eine gespaltene und evtl. auf die Faser-Wellenlänge entspiegelte Faser eingesetzt werden.
Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drei-Sektions- Halbleiterlasers; Fig. 2 das optische Spektrum der Mikrowellenquelle gem. Fig. 1 ;
Fig. 3 den Durchstimmbereich der Mikrowellenquelle gem. Fig. 1 ;
Fig. 4 das Synchronisationsverhalten der Mikrowellenquelle gem. Fig. 1 ;
Fig. 5 einen in einer Mikrowellenquelle gem. Fig. 1 synchronisierten Pulszug;
Fig. 6 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Mikrowellenquelle mit integriertem Modulator;
Fig. 7 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle mit sektioniertem DFB-Laser; Fig. 8 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle mit zwei integrierten, externen Kavitäten.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Halbleiterlaser, in den eine externe Kavität monolithisch integriert ist und der damit drei Sektionen aufweist. Die Sektionen 1 , 2 und 3 sind durch einen gemeinsamen Wellenleiter WL verbunden. Sektion 1 bezeichnet den DFB- Laser, betrieben mit Strom l-i, Sektion 2 die passive Sektion, betrieben mit l2, und Sektion 3 die aktive Sektion, betrieben mit Strom l3. Die DFB-Facette kann mit einer Antireflex-Beschichtung AR versehen sein, die Reflektivität R an der Endfacette ist größer 0. In diesem Ausführungsbeispiel ist Sektion 1 200 μm lang, Sektion 2 550 μm und Sektion 3 250 μm. Die Länge der externen Kavität beträgt damit 800 μm, welche in einer oberen Mikrowellenfrequenz von etwa 58 GHz resultiert. Die Bragg-Wellenlänge der DFB-Laser-Sektion 1 beträgt 1538 nm, der Kopplungskoeffizient κ=130 cm"1. Die Endfacette der DFB-Laser-Sektion 1 ist antireflexbeschichtet, die Endfacette der aktiven Sektion 3 ist ein Spaltfläche mit einer Reflektivität von R ~ 0,3. Um etwa eine Frequenz von 37,6 GHz einzustellen, wird der Drei- Sektions-Halbleiterlaser mit li = 90 mA, l2 = 0,5 mA und l3 = 95 mA betrieben.
In Fig. 2 ist das optisches Spektrum (optische Leistung in Abhängigkeit der Wellenlänge) der in Fig. 1 dargestellten Mikrowellenquelle gezeigt, die Einstellung der Ströme , l2 und l3 erfolgt wie bereits erwähnt. Die Seitenmodenunterdrückung (SMSR: side mode suppression ratio) beträgt mehr als 40 dB. Der Abstand der Hauptmoden entspricht einer Mikrowellenfrequenz von 37,6 GHz.
Der Durchstimmbereich (Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit des Stromes l3, mit dem die Sektion 3 betrieben wird) der gemäß Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen optischen Mikrowellenquelle mit drei Sektionen ist in
Fig. 3 dargestellt. Hierbei wurde die DFB-Laser-Sektion 1 mit einem konstanten Strom = 100 mA betrieben. Um die optische Phase der rücklaufenden Welle in der externen Kavität konstant zu halten, wird der Strom l3 in der aktiven Sektion 3 nachgeregelt.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der relativen elektrischen Leistung der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle gem. Fig. 1 von der Frequenz. Die beiden Messkurven zeigen zum einen die unsynchronisierte Mikrowelle mit einer Frequenz von 37,62 GHz anhand einer Messung mit einem elektrischen Spektrumsanalysator (durchgezogene Linie), zum anderen zeigt die mit Quadraten markierte Messkurve die erfolgte Synchronisation der Mikrowelle. Hierzu wurde ein optisches Datensignal mit 0 dBm in die erfindungsgemäße Mikrowellenquelle eingekoppelt und diese synchronisiert sich auf die injizierte Frequenz von 37,6 GHz.
Um die Mikrowellenquelle zu synchronisieren, wird beispielsweise ein Pulszug mit einer subharmonischen Frequenz mit f/n - einem Bruchteil des gewünschten Taktes -, beipisielsweise 9,4 GHz, in die Mikrowellenquelle injiziert, was mit dem oberen Pulszug in Fig. 5 dargestellt ist. Der untere Pulszug in dieser Figur zeigt die synchronisierte Mikrowellenquelle mit einer Frequenz von 37,6 GHz. Die Extinktion beträgt etwa 6 dB, wobei dieser Wert hier durch die Bandbreite des Messsystems begrenzt ist.
Soll die erfindungsgemäße Mikrowellenquelle als Daten- oder Pulsquelle eingesetzt werden, kann beispielsweise die Ausführung mit einem integrierten Modulator realisiert werden. Diese Ausführungsform, bestehend aus einem Drei-Sektions-Halbleiterlaser mit den Sektionen 1 , 2 und 3, wie bereits in Fig. 1 mit den zugehörigen Strömen , l2 und l3 beschrieben, und einer integrierten Modulatorsektion M, die durch eine hochfrequente Spannung UM in der Absorption moduliert wird, ist in Fig. 6 dargestellt. Die Modulation bewirkt das Aufprägen eines Datensignals auf die Mikrowellenpulse. In Fig. 7 sind für die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Mikrowellenquelle die Stromkontakte in der DFB-Sektion 1 unterteilt. Damit lässt sich eine gezielte Ansteuerung der Untersektionen von 1 mit unterschiedlichen Betriebsströmen l^ ... I ι realisieren, wodurch eine definierte Modensteuerung des DFB-Lasers 1 ermöglicht wird.
In Fig. 8 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Mikrowellenquelle dargestellt, die nunmehr zwei integrierte Kavitäten aufweist. Zu beiden Seiten des DFB-Lasers 1 ist je eine integrierte Kavität, aufweisend je eine passive Sektion 2.1 bzw. 2.2 und je eine aktive Sektion 3.1 bzw. 3.2 angeordnet. Die Kavitäten können unterschiedlich lang ausgebildet und auch unterschiedlich aufgebaut sein. Die passiven und aktiven Sektionen können hierbei in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Anordnung stellt eine integrierte Mikrowellenquelle dar, die im Vergleich zu hybriden Mikrowellenquellen stabiler arbeitet. Sie ist herstellbar mittels vereinfachter Technologien im Vergleich zu Bauteilen mit verstimmten Gittern (z.B. DFB/passive Sektion/DFB bzw. DFB/DFB). Die Mikrowellenquelle ermöglicht eine einfache Kontrolle des Bauteils, da thermische Effekte nicht die Korrelation zwischen mehreren Gittern ändern. Eine Entspiegelung ist bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht unbedingt notwendig. Im Vergleich zu modengekoppelten Lasern ist die Frequenz der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle durch die Ströme ihrer aktiven und passiven Sektion abstimmbar. Durch die bereits erwähnte Modenkopplung tritt nur ein geringes Frequenzrauschen auf. Mit der erfindungsgemäßen Mikrowellenquelle kann ein großer Modulationshub realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Mikrowellenquelle, ausgebildet als Mehrsektions-Halbleiterlaser, dessen Sektionen getrennt elektrisch steuerbar sind, aufweisend einen oberhalb der Laserschwelle betriebenen einmodigen DFB-Laser (1 ) und mindestens eine monolithisch integrierte, externe Kavität, bestehend aus einer passiven Phasensteuersektion (2) und einer aktiven Sektion (3), wobei
- der Mehrsektionslaser von zwei Facetten begrenzt ist, von denen mindestens eine eine Reflektivität von > 0 aufweist, - passive (2) und aktive (3) Sektionen mit der DFB-Sektion (1) über einen gemeinsamen Wellenleiter (WL) verbunden sind,
- die aktive Sektion (3) Mittel zur Verstärkung der im Mehrsektions- Halbleiterlaser zurücklaufenden Welle aufweist,
- die passive Sektion (2) Mittel zur Änderung der Phasenlage der im Mehrsektions-Halbleiterlaser zurücklaufenden Welle aufweist.
2. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der eine externe Kavität monolithisch in den Mehrsektions-Halbleiterlaser integriert und dessen DFB-Facette entspiegelt ist.
3. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der zwei externe Kavitäten monolithisch in den Mehrsektions-Halbleiterlaser integriert sind und die beiden Facetten eine Reflektivität > 0 aufweisen.
4. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die Reflektivität > 0 mittels einer Beschichtung der Facette/n realisiert ist.
5. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die Länge der monolithisch integrierten Kavität bestimmt ist durch den oberen Grenzwert des zu realisierenden Mikrowellen-Frequenzbereichs.
6. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der
Mittel zum temperaturstabilisierten Betreiben des Mehrsektions-Halbleiterlaser vorgesehen sind.
7. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der der Mehrsektions-Halbleiterlaser zusätzlich eine integrierte Modulatorsektion (M) aufweist.
8. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der dem Mehrsektions-Halbleiterlaser zusätzlich ein externer Modulator nachgeschaltet ist.
9. Optische Mikrowellenquelle nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei der der Modulator (M) Mittel zur Verkürzung der Pulse aufweist.
10. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der dem Mehrsektions-Halbleiterlaser Mittel zur Pulsformung nachgeschaltet sind.
11. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der der DFB-Laser (1) ein indexgekoppelter Laser ist.
12. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der der DFB-Laser (1) in gewinngekoppelter ist.
13. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 11 und 12, bei der der DFB-Laser (1) ein Gitter mit integrierten Phasensprüngen aufweist.
14. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der sich die longitudinale Gitterperiode in der DFB-Sektion (1 ) ändert.
15. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die laterale Breite des in der DFB-Sektion verlaufenden Abschnitts des Wellenleiters variiert.
16. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die Mittel zur Ansteuerung des DFB-Lasers sektioniert ausgebildet sind.
17. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der Mittel zur Erwärmung des Wellenleiters neben diesem in der passiven oder aktiven Sektion angeordnet sind.
18. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die Mikrowellenquelle ein Mittel zur Synchronisation, insbesondere eine modulierte Stromquelle, aufweist.
19. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die Mikrowellenquelle zusätzliche Reflektivitäten aufweist.
20. Optische Mikrowellenquelle nach Anspruch 1 , bei der die Mikrowellenquelle zur effektiven Lichteinkopplung in das nachgeordnete Bauelement einen getaperten Übergangsbereich aufweist.
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