FR2577077A1

FR2577077A1 - Semiconductor laser with narrow spectral width

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Publication number: FR2577077A1
Application number: FR8501563A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-02-05
Filing date: 1985-02-05
Publication date: 1986-08-08
Also published as: FR2577077B1

Abstract

The laser 10 is coupled optically to an external resonator 20 consisting of an optical fibre 22 whose entrance and exit faces 24, 26 are covered with reflecting layers. The resonator is very fine and operates in transmission mode. Application to optical telecommunications.

Description

LASER A SEMICONDUCTEUR A LARGEUR SPECTRALE REDUITE
La présente invention a pour objet un Laser à semiconducteur à largeur spectrale réduite. Elle trouve une application en télécommunications optiques.SEMICONDUCTOR LASER WITH REDUCED SPECTRAL WIDTH
The present invention relates to a semiconductor laser with reduced spectral width. It finds an application in optical telecommunications.

Bien que le laser soit, par essence, un générateur monochromatique, il n'en demeure pas moins que son spectre d'émission possède une certaine largeur. Par ailleurs, la structure fine de ce spectre montre une ou plusieurs raies qui sont sujettes à des sauts de fréquence, à des glissements, des fLuctuations, etc... Although the laser is, in essence, a monochromatic generator, the fact remains that its emission spectrum has a certain width. Furthermore, the fine structure of this spectrum shows one or more lines which are subject to frequency hopping, sliding, fLuctuations, etc.

Ces phénomènes prennent une importance particuLière pour les lasers à semiconducteurs où Les variations de courant d'injection, les changements de tempërature, les sauts de modes d'oscilLations, etc... These phenomena are of particular importance for semiconductor lasers where variations in injection current, changes in temperature, jumps in oscillation modes, etc.

viennent perturber fortement Le spectre d'émission.strongly disturb the emission spectrum.

Cette incertitude sur la fréquence de l'onde optique complique les processus de modulation-démodu
Lation qui sont à La base des télécommunications optiques. Aussi s'est-on préoccupé depuis longtemps de reduire la largeur spectrale des lasers et de stabiliser leur fréquence d'émission.This uncertainty about the frequency of the optical wave complicates the modulation-old-fashioned processes.
Lation which are the basis of optical telecommunications. So there has been a concern for a long time to reduce the spectral width of lasers and stabilize their emission frequency.

Une technique connue dans les lasers à semiconducteur consiste à disposer, à L'extérieur du laser, un résonateur optique généralement du genre interféromètre de Pérot-Fabry et à utiliser La grande stabilité inhérente à ce dispositif pour stabiliser La fréquence du laser. Cette stabilisation est obtenue par une boucle de réaction comprenant essentiellement une première photodiode disposée derrière le résonateur, une seconde photodiode recevant une partie atténuée du rayonnement émis par le laser, un amplificateur différentiel à deux entrées reliées aux deux pho todiodes et à une sortie reliée au circuit d'alimentation du Laser. L'interféromètre de Pérot-Fabry possède une transmission qui dépend de la fréquence selon une loi qui présente un maximum.Cet interféromètre est initialement réglé pour que La fréquence du Laser corresponde à un coefficient de transmission égal à la moitié de ce maximum. Par ailleurs, l'atténuation du faisceau prélevé est telle que le signal émis par la seconde photodiode soit égal au signal émis par la première photodiode. Il en résulte que l'amplificateur délivre une tension nulle. Lorsque la fréquence d'émission du laser glisse, la transmission de l'in- terféromètre Pérot-Fabry varie, ce qui détruit L'qui libre des tensions appliquées à L'entrée de l'amplifi- cateur différentiel.Celui-ci délivre alors une tension d'erreur qui vient corriger Le courant d'alimen- station du laser dans un sens tel que la tension d'erreur soit annulée.- La fréquence d'émission du laser se trouve ainsi ramenée à la valeur initiale. A known technique in semiconductor lasers consists in having, outside the laser, an optical resonator generally of the Perot-Fabry interferometer type and in using the great stability inherent in this device to stabilize the frequency of the laser. This stabilization is obtained by a reaction loop essentially comprising a first photodiode disposed behind the resonator, a second photodiode receiving an attenuated part of the radiation emitted by the laser, a differential amplifier with two inputs connected to the two photodiodes and to an output connected to the Laser supply circuit. The Pérot-Fabry interferometer has a transmission which depends on the frequency according to a law which has a maximum. This interferometer is initially adjusted so that the frequency of the Laser corresponds to a transmission coefficient equal to half of this maximum. Furthermore, the attenuation of the sampled beam is such that the signal emitted by the second photodiode is equal to the signal emitted by the first photodiode. As a result, the amplifier delivers a zero voltage. When the emission frequency of the laser slips, the transmission of the Pérot-Fabry interferometer varies, which destroys the free one of the voltages applied to the input of the differential amplifier. The latter then delivers an error voltage which corrects the supply current of the laser in a direction such that the error voltage is canceled. The emission frequency of the laser is thus reduced to the initial value.

Un tel dispositif est décrit dans t'article de F. FAVRE et D. LE GUEN intitulé "High Frequency
Stability of Laser Diode for Heterodyne Communication
Systems", publié dans "Electronics Letters", le 28 août 1980, vol.16, nO 18, pp 709-710.Such a device is described in the article by F. FAVRE and D. LE GUEN entitled "High Frequency
Stability of Laser Diode for Heterodyne Communication
Systems ", published in" Electronics Letters ", August 28, 1980, vol.16, no. 18, pp 709-710.

Naturellement, on peut associer à ce dispositif de contre-réaction, des moyens de stabilisation de température pour parfaire La stabilité de fréquence. Naturally, one can associate with this feedback device, temperature stabilization means to perfect the frequency stability.

On observera que, dans une telle installation, l'interaction entre le résonateur extérieur et le laser n'est pas de nature optique, mais résulte avant tout d'une contre-réaction électrique, l'inter- féromètre ne servant en fait qu'à établir une référence de fréquence permettant de traduire en signal électrique un écart par rapport à cette référence. IL faut noter également qu'un tel dispositif agit sur Les glissements de fréquence du laser, en les réduisant, mais non sur La Largeur du spectre instantané du laser car la bande de la boucle de contre-réaction est faible. It will be observed that, in such an installation, the interaction between the external resonator and the laser is not of an optical nature, but results above all from an electrical feedback, the interferometer serving in fact only establishing a frequency reference making it possible to translate into an electrical signal a deviation from this reference. It should also be noted that such a device acts on the frequency shifts of the laser, by reducing them, but not on the width of the instantaneous spectrum of the laser since the band of the feedback loop is small.

Quoi qu'il en soit, on obtient déjà avec cette technique des résultats satisfaisants puisque les fluctuations à long terme n'excèdent pas 8 MHz, avec une fluctuation à court terme inférieure à 1,5 MHz. Be that as it may, satisfactory results are already obtained with this technique since the long-term fluctuations do not exceed 8 MHz, with a short-term fluctuation less than 1.5 MHz.

Si cette technique donne satisfaction à certains égards, elle ne permet pas, cependant, de réduire La largeur de spectre instantané du Laser. Pour remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'utiLiser, toujours à L'extérieur du laser, un résonateur constitué par une fibre optique monomode dont Les faces peuvent etre éventuellement recouvertes de couches réfléchissantes. Une première photodiode est disposée à L-'arriére du résonateur, et une seconde photodiode reçoit une partie du rayonnement émis par Le laser. Un diviseur de tension est relié aux deux photodiodes et délivre un signal proportionnel au rapport des puissances Lumineuses reçues par Les deux photodiodes. If this technique is satisfactory in certain respects, it does not, however, make it possible to reduce the instantaneous spectrum width of the laser. To overcome this drawback, it has been proposed to use, still outside the laser, a resonator constituted by a single-mode optical fiber, the faces of which may possibly be covered with reflective layers. A first photodiode is arranged at the rear of the resonator, and a second photodiode receives part of the radiation emitted by the laser. A voltage divider is connected to the two photodiodes and delivers a signal proportional to the ratio of the light powers received by the two photodiodes.

A la différence du dispositif précédent, l'alimentation du Laser est assurée non pas par un générateur de courant stabilisé mais par un générateur partiellement modulé à une certaine fréquence. Le signal délivré par Le diviseur de tension est donc lui aussi modulé à cette fréquence. Il est appliqué à un amplificateur verrouillé sur cette fréquence de modulation ("lock-in amplifier"). Cet amplificateur déli- vre un signal d'erreur qui est applique au circuit d'alimentation du Laser. Unlike the previous device, the laser is supplied not by a stabilized current generator but by a generator partially modulated at a certain frequency. The signal delivered by the voltage divider is therefore also modulated at this frequency. It is applied to an amplifier locked on this modulation frequency ("lock-in amplifier"). This amplifier delivers an error signal which is applied to the laser supply circuit.

Dans ce dispositif, le résonateur à fibre intervient comme élément d'une boucle de cQntre-réaction électrique. Mais il intervient également comme élément de contre réaction optique. En effet, à La différence du dispositif précédent pour lequel la lumitre réfléchie par L'interféromètre de Pérot-Fabry ne pouvait retourner au Laser l'inclinaison du Pérot
Fabry de configuration confocale l'en empêchait), dans le dispositif dé-crit ici, ta partie du rayonnement qui est réfléchie par le résonateur à fibre est réinjectée dans le Laser. La phase du rayonnement réinjecté dépend d'une part de la distance d séparant la face de sortie du laser et la face d'entrée du résonateur à fibre et de la longueur L du résonateur et, d'autre part, de la fréquence du rayonnement.In this device, the fiber resonator acts as part of an electrical feedback loop. But it also acts as an optical feedback element. Unlike the previous device for which the light reflected by the Pérot-Fabry interferometer could not return the tilt of the Pérot to the Laser
Fabry confocal configuration prevented it), in the device described here, your part of the radiation which is reflected by the fiber resonator is reinjected into the Laser. The phase of the reinjected radiation depends on the one hand on the distance d separating the exit face of the laser and the entry face of the fiber resonator and on the length L of the resonator and, on the other hand, on the frequency of the radiation .

Si La fréquence d'émission est égale à celle d'un minimum de transmission du résonateur à fibre, il existe une distance d qui minimise la largeur spectrale d'émission du Laser. Néanmoins, cette transmission
Tf du résonateur optique n'est pas nulle et une puissance Lumineuse P2 faible est transmise en direction de la première photodiode. Le rapport R entre cette puissance P2 et la puissance PO émise par le laser est proportionnel au coefficient de transmission Tf du résonateur à fibre.If the emission frequency is equal to that of a minimum transmission of the fiber resonator, there is a distance d which minimizes the emission spectral width of the laser. However, this transmission
Tf of the optical resonator is not zero and a low light power P2 is transmitted in the direction of the first photodiode. The ratio R between this power P2 and the power PO emitted by the laser is proportional to the transmission coefficient Tf of the fiber resonator.

La modulation de fréquence introduite par le biais de La modulation du courant d'alimentation provoque une modulation du rapport R. Celle-ci est détectée par l'amplificateur. The frequency modulation introduced by means of the modulation of the supply current causes a modulation of the ratio R. This is detected by the amplifier.

Si la fréquence moyenne du laser reste calée sur Le minimum de transmission, le rapport R est à son minimum. Si la fréquence moyenne du Laser glisse, le rapport augmente et constitue un signal d'erreur qui agit dans up sens tel que le courant d'alimentation soit modifié pour annuler ce signal d'erreur. If the average laser frequency remains set to the minimum transmission, the ratio R is at its minimum. If the average frequency of the laser slips, the ratio increases and constitutes an error signal which acts in up direction such that the supply current is modified to cancel this error signal.

Un tel dispositif est décrit dans L'article de F. Favre et D. LE GUEN intitulé "Autostabilisation
Technique For Achieving Highly Stable Resonant Optimal
Feedback in a Fibre Resonator Loaded Injection Laser", publié dans Electronics Letters, le 24 Novembre 1983, vol.19 ne24, pp 1046-1048.Such a device is described in the article by F. Favre and D. LE GUEN entitled "Autostabilisation
Technique For Achieving Highly Stable Resonant Optimal
Feedback in a Fiber Resonator Loaded Injection Laser ", published in Electronics Letters, November 24, 1983, vol.19 ne24, pp 1046-1048.

IL est montré, en outre, dans cet article, que le rapport R entre les deux signaux détectés, est directement proportionnel à la quantité

où F désigne ta finesse du résonateur à fibre. On sait que la finesse d'un résonateur est fonction des coefficients de réflexion r1 et r2 de ses faces et du coefficient de transmission A du matériau constituant le résonateur. La relation est la suivante :

It is further shown in this article that the ratio R between the two detected signals is directly proportional to the quantity

where F denotes the fineness of the fiber resonator. It is known that the fineness of a resonator is a function of the reflection coefficients r1 and r2 of its faces and the transmission coefficient A of the material constituting the resonator. The relation is as follows:

Or, la quantité

toujours inférieure a L'unité, est maximale lorsque F=1 (cette quantité vaut alors 0,25). Pour obtenir un rapport R le plus grand possible, on s'efforce donc, dans cet art antérieur, de travailler avec un résonateur de finesse proche de l'unité. Une finesse égale à 1 est obtenue en donnant à la quantité Ar1 r2 une valeur proche de 0,17.Now the quantity

always less than unity, is maximum when F = 1 (this quantity is then worth 0.25). In order to obtain the largest possible ratio R, efforts are therefore made in this prior art to work with a fineness resonator close to unity. A fineness equal to 1 is obtained by giving the quantity Ar1 r2 a value close to 0.17.

On retiendra donc que, dans ce dispositif de L'art antérieur, la fréquence du laser est verrouillée sur un minimum de transmission du résonateur, lequel présente une finesse faible, voisine de 1. It will therefore be noted that, in this device of the prior art, the frequency of the laser is locked on a minimum transmission of the resonator, which has a low fineness, close to 1.

L'intérêt de ce genre de dispositif est, non seulement de permettre une stabilisation de ta fréquence du Laser, par le mécanisme de la contre-réaction électrique, mais également de réduire La- Largeur spectrale. Cette réduction provient de la réaction optique introduite par le résonateur extérieur, qui force Le mode d'oscillation du laser à coincider avec un mode longitudinal du résonateur. On peut montrer que la réduction de la Largeur spectrale est définie par un facteur

ou Y est un coefficient qui dépend des conditions opératoires. Ce tacteur est maximum pour F=1. The advantage of this kind of device is not only to allow the laser frequency to be stabilized by the mechanism of the electrical feedback, but also to reduce the spectral width. This reduction comes from the optical reaction introduced by the external resonator, which forces the oscillation mode of the laser to coincide with a longitudinal mode of the resonator. We can show that the reduction of the Spectral Width is defined by a factor

where Y is a coefficient which depends on the operating conditions. This tactor is maximum for F = 1.

La présente invention a pour objet un dispositif qui reprend certaines des dispositions de ce dernier art antérieur, à savoir le couplage optique à un résonateur à fibre monomode, mais qui diffère de cet art par la manière dont on fait travailler ce résonateur. Les inventeurs ont en effet observé que l'orsqu'on couple un Laser à semiconducteurs à un résonateur extérieur de finesse F, la réduction de la
Largeur spectrale du laser est réduite dans un facteur (1+YF) où F est encore la finesse du résonateur et où
Y est un paramètre proportionnel au coefficient de couplage optique entre Le Raser et le résonateur et à la longueur du résonateur. Cette réduction est donc d'autant plus grande que la finesse F est grande.Avec un dispositif tel que celui qui est décrit dans la seconde référence, on s'efforçait au contraire, de donner à la finesse du résonateur une va leur voisine de 1.The present invention relates to a device which incorporates some of the provisions of the latter prior art, namely optical coupling to a monomode fiber resonator, but which differs from this art by the way in which this resonator is operated. The inventors have in fact observed that when a semiconductor laser is coupled to an external resonator of fineness F, the reduction in the
Spectral width of the laser is reduced by a factor (1 + YF) where F is still the fineness of the resonator and where
Y is a parameter proportional to the optical coupling coefficient between the raser and the resonator and to the length of the resonator. This reduction is therefore all the greater as the fineness F is large. With a device such as that which is described in the second reference, we tried on the contrary, to give the fineness of the resonator a value close to 1 .

Par ailleurs, pour que cette propriété apparavisse, il faut que la fréquence du Laser corresponde à un maximum de transmission du résonateur (c'est-àdire à un minimum de réflexion) alors que, dans L'art antérieur cité, on se plaçait dans la situation inverse d'un minimum de transmission. Furthermore, for this property to appear, the frequency of the laser must correspond to a maximum transmission of the resonator (that is to say a minimum of reflection) whereas, in the prior art cited, we placed ourselves in the opposite situation of a minimum transmission.

Dans L'invention, le résonateur aura donc, en pratique, des faces d'entrée et de sortie recouvertes de couches muLtidiélectriques réfléchissantes, ce qui améLiore la finesse F, laquelLe peut prendre des va leurs de 1D, ou 20, ou plus. In the invention, the resonator will therefore, in practice, have input and output faces covered with reflective multi-layer layers, which improves the fineness F, which can take values of 1D, or 20, or more.

On observera que le résonateur extérieur travaillant en transmission, la partie du rayonnement renvoyée dans le Laser est faible. Cette puissance est néanmoins suffisante pour assurer la contre-réaction optique. IL y a Là un effet surprenant dans la mesure où la reduction de la puissance réinjectée dans le
Laser semble aller à L'encontre de L'efficacité de la rétro-action optique. Ceci est en fait compensé par la plus grande finesse du résonateur qui provoque une réduction de la plage d'osciLlation de l'ensemble lasercavité. En d'autres termes, c'est l'amélioration de La finesse du résonateur qui permet la diminution du couplage optique entre le laser et le résonateur extérieur.It will be observed that the external resonator working in transmission, the part of the radiation returned in the Laser is weak. This power is nevertheless sufficient to ensure the optical feedback. There is a surprising effect in that the reduction of the power reinjected into the
Laser seems to go against the effectiveness of optical feedback. This is in fact compensated for by the greater fineness of the resonator which causes a reduction in the range of oscillation of the entire cavity. In other words, it is the improvement in the fineness of the resonator which allows the reduction of the optical coupling between the laser and the external resonator.

De façon précise, L'invention a donc pour objet un laser à semiconducteur à largeur spectrale réduite, comprenant, de manière connue, une diode laser optiquement couplée à un résonateur extérieur constitué par une fibre optique monomode ayant des faces d'entrée et de sortie présentant un certain coefficient de réflexion, la distance séparant la diode laser de la face d'entrée du résonateur extérieur étant faibLe devant la longueur de la fibre et pouvant être ajustée pour minimiser la largeur de raie d'émission ; ce Laser est caractérisé par le fait que les faces d'entrée et de sortie de la fibre monomode ont un coefficient de réflexion élevé donnant au résonateur une finesse de va Leur très supérieure à 1 et par le fait que, pour la fréquence d'émission du
laser, le résonateur extérieur présente un maximum de transmission.Specifically, the invention therefore relates to a semiconductor laser with reduced spectral width, comprising, in known manner, a laser diode optically coupled to an external resonator constituted by a single mode optical fiber having input and output faces having a certain reflection coefficient, the distance separating the laser diode from the input face of the external resonator being small compared to the length of the fiber and being able to be adjusted to minimize the width of the emission line; this laser is characterized by the fact that the input and output faces of the single-mode fiber have a high reflection coefficient giving the resonator a fineness of va Very much greater than 1 and by the fact that, for the emission frequency of
laser, the external resonator has a maximum transmission.

A cette structure de base, il est toujours possible d'associer des moyens connus de stabilisation par boucle de contre-réaction éLectrique, comme décrit dans la seconde référence citée. With this basic structure, it is always possible to associate known means of stabilization by loop of electric feedback, as described in the second cited reference.

Les caractéristiques de L'invention appa raîtront mieux après la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et non limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :
- La figure 1 représente schématiquement un
Laser conforme à La présente invention,
- La figure 2 représente un laser conforme à
L'invention équipé, en outre, d'une boucle de stabilisation de fréquence.The characteristics of the invention will appear better after the following description of an embodiment given by way of explanation and not limitation. This description refers to attached drawings in which:
- Figure 1 shows schematically a
Laser according to the present invention,
- Figure 2 shows a laser conforming to
The invention is also equipped with a frequency stabilization loop.

Le laser représenté schématiquement sur la figure 1 comprend une diode laser 70 alimentée par un générateur de courant 12. La face avant 14 délivre un faisceau lumineux 16 qui constitue Le faisceau d'utilisation. La face arrière 18 est mise en regard d'un résonateur 20, lequel est constitué par une fibre optique monomode 22 dont les faces d'entrée et de sortie sont recouvertes de couches réfléchissantes multidiélectriques, respectivement 24 et 26, ceci afin de donner a-u résonateur une finesse- suffisante. Les coefficients de réfLexion des faces peuvent être par exem ple de 0,82, ce.qui conduit à une finesse F égale à 10. The laser shown diagrammatically in FIG. 1 comprises a laser diode 70 supplied by a current generator 12. The front face 14 delivers a light beam 16 which constitutes the use beam. The rear face 18 is placed opposite a resonator 20, which consists of a single-mode optical fiber 22, the input and output faces of which are covered with multi-dielectric reflective layers, respectively 24 and 26, this in order to give the resonator sufficient finesse. The coefficients of reflection of the faces can be for example 0.82, which leads to a fineness F equal to 10.

Le laser 10 et la face d'entrée du résonateur 20 sont distants de d. La longueur de la fibre optique est égale à L. La distance d est très inférieure à L. On a par exempLe d = 1 mm et L= lm. The laser 10 and the input face of the resonator 20 are spaced from d. The length of the optical fiber is equal to L. The distance d is much less than L. For example, we have d = 1 mm and L = lm.

Par deplacement du résonateur 20, on ajuste ta longueur d pour minimiser la largeur spectrale d'émission du laser. By displacement of the resonator 20, the length d is adjusted to minimize the spectral width of the laser emission.

Si t'on veut, en outre, stabiliser La fréquence du Laser, on pourra utiLiser une boucle de contre-réaction teLle que cet Le qui est décrite dans La seconde référence citée plus haut. La fréquence se trouve alors très faibLement modulée, mais sa va leur moyenne se trouve stabilisée sur un pic de transmission du résonateur. La boucLe de contre-réaction correspondante est représentée sur la figure 2. Elle comprend deux photodiodes 31 et 32, un diviseur de tension 33, un amplificateur 34 verrouillé sur la fréquence de modulation définie par un générateur sinusoidal 35. La sortie de l'amplificateur et du générateur participent à l'alimentation du laser. If you also want to stabilize the frequency of the laser, you can use a feedback loop such as this which is described in the second reference cited above. The frequency is then very weakly modulated, but its mean value is stabilized on a transmission peak of the resonator. The corresponding feedback loop is represented in FIG. 2. It comprises two photodiodes 31 and 32, a voltage divider 33, an amplifier 34 locked to the modulation frequency defined by a sinusoidal generator 35. The output of the amplifier and the generator participate in the supply of the laser.

On peut évidemment, en outre, disposer le laser dans une enceinte stabilisée en température. It is obviously also possible to place the laser in a temperature-stabilized enclosure.

Claims

1. Reduced spectral width semiconductor laser comprising a laser diode t10) optically coupled to an external resonator (20) constituted by a single mode optical fiber (22) having input and output faces having a certain coefficient of reflection, La distance (d) separating the laser diode (10) from the input face of the external resonator (20) being small compared to the length (L) of the fiber, this laser being characterized by the fact that the input and output of the single-mode fiber (24, 26) have a high reflection coefficient giving the resonator (20) a fineness (F) of value very much greater than 1 and by the fact that, for the emission frequency of the laser, the external resonator (20) has a maximum transmission.

2. Laser according to claim 1, characterized in that it further comprises means (31, 32, 33, 34, 35) for constituting an electrical feedback loop making it possible to control the average frequency of the laser ( 10) at a frequency for which the transmission of the resonator is maximum.