ITTO980306A1

ITTO980306A1 - Modulo laser a cavita' esterna con riflettore in fibra ottica.

Info

Publication number: ITTO980306A1
Application number: IT98TO000306A
Authority: IT
Inventors: Luigi Tallone; Marina Meligas; Roberto Paoletti; Marco Scofet
Original assignee: Cselt Centro Studi Lab Telec O
Priority date: 1998-04-10
Filing date: 1998-04-10
Publication date: 1999-10-10
Also published as: JP2000022245A; CA2268428A1; JP3023552B2; US6226311B1; CA2268428C; EP0949729A2; EP0949729A3

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"MODULO LASER A CAVITA' ESTERNA CON RIFLETTORE IN FIBRA OTTICA"

La presente invenzione si riferisce alle sorgenti per sistemi di telecomunicazioni ottiche, e più in particolare riguarda un laser con cavità esterna ottenuta mediante un reticolo di Bragg in fibra ottica. Tali dispositivi sono noti nel settore con il nome di “Laser ibridi a riflettore di Bragg distribuito” o laser HDBR (Hybrid Distributed Bragg Reflector), oppure di “Laser a reticolo in fibra” o laser FG (Fibre Grating laser).

Quésti dispositivi sono in generale costituiti da un elemento attivo (diodo laser) a semiconduttore a cavità Fabry-Perot con una faccetta terminale munita di un rivestimento antiriflettente, accoppiato a un reticolo scritto in uno spezzone fibra ottica rastremato a un’estremità e disposto con l’estremità rastremata adiacente alla faccetta trattata con il rivestimento antiriflettente. Come descritto in letteratura, laser di questo tipo sono particolarmente adatti per l’uso come sorgenti di radiazione di pompa, sorgenti monomodali per sistemi di telecomunicazioni òttiche, - in particolare del tipo divisione di lunghezza d’onda, laser ad aggancio di modo per la generazione di impulsi entro una vasta gamma di frequenze, ecc.

Per una rassegna delle applicazioni di questi laser si può far riferimento per esempio agli articoli "Lightwave Applications of Fiber Bragg Gratings", di C. R. Giles, Journal of Lightwave Technology, Voi. 15, No. 8, Agosto 1997, pagg. 1391 e segg., e "Fiber Gratings in Lasers and Amplifiers", di J. Archambault e S.G. Grubb, ibid. pagg. 1379 e segg.

E’ noto che alcune delle caratteristiche dei laser suddetti sono legate alla lunghezza complessiva della cavità, che in un laser ibrido è data dalla somma della lunghezza della cavità dell’elemento attivo, di quella dello spazio che separa la faccetta trattata antiriflesso dalla punta della fibra e infine di quella del tratto di fibra compreso tra la punta della fibra e il piano equivalente di riflessione del reticolo. Il piano equivalente di riflessione, come noto, è il piano in cui occorrerebbe porre uno specchio affinché un impulso inviato da una sorgente e riflesso dallo specchio ritorni alla sorgente nello stesso tempo in cui vi ritornerebbe l’impulso inviato nel reticolo. In particolare, quanto più è corta la cavità del laser, tanto maggiore è la banda di modulazione ottenibile e tanto migliore è la separazione dei modi. E’ evidente che l’ottenimento di buone caratteristiche in termini di banda di modulazione e separazione dei modi è di particolare interesse per l’uso dei laser come sorgenti di sistemi di telecomunicazioni.

I convenzionali reticoli di Bragg poco riflettenti (con riflettività dell'ordine del 70% in uscita) attualmente usati per realizzare la cavità esterna di laser ibridi hanno un profilo di variazione dell'indice di rifrazione simmetrico rispetto al punto centrale del reticolo, dando origine a un piano equivalente posto sostanzialmente al centro del reticolo. D’altra parte per la cavità esterna del laser non si possono usare retic »oli molto riflettenti - con riflettività sostanzialmente del 100% - che avrebbero di per sé un piano equivalente spostato verso un’estremità ma non permetterebbero di avere potenze sufficienti in fibra.

I reticoli utilizzati per queste applicazioni hanno una lunghezza dell’ordine del centimetro e quindi la lunghezza della cavità esterna costituisce la quasi totalità della lunghezza della cavità complessiva, poiché l’elemento attivo ha una lunghezza della cavità dell’ordine dei 200 μπι. L’uso dei reticoli convenzionali può allora dare origine a una lunghezza della cavità non sufficientemente ridotta per ottenere caratteristiche soddisfacenti per il laser. Si potrebbe pensare di ridurre l’inconveniente realizzando il reticolo proprio nella zona terminale della fibra, ma questo dà origine a ulteriori problemi quando la fibra viene fissata mediante resine sul supporto del modulo. E’ infatti evidente che uno dei punti di fissaggio deve essere in corrispondenza di detta zona terminale, per garantire la costanza dell'allineamento tra l’elemento attivo e la fibra, e in queste condizioni la resina interagisce con il reticolo: l’esperienza ha infatti dimostrato che la resina, polimerizzando, provoca alterazioni della struttura del reticolo, che rendono impraticabile la soluzione.

Risòlve questi problemi il laser secondo l’invenzione, in cui si utilizza per la cavità esterna un reticolo in fibra con un profilo di variazione dell’indice di rifrazione tale da dare una lunghezza equivalente del reticolo ridotta mantenendo bassa la riflettività: in questo modo, anche la lunghezza complessiva della cavità risulta sufficientemente limitata.

Più in particolare, si fornisce un modulo laser comprendente un elemento attivo a cavità Fabry-Perot con una faccetta trattata con un rivestimento antiriflettente e una cavità esterna realizzata mediante un reticolo in fibra ottica a bassa riflettività. Questo reticolo presenta un profilo di variazione dell'indice di rifrazione non uniforme e asimmetrico nel senso della lunghezza, tale da dare origine a una posizione del piano equivalente di riflessione spostata verso un'estremità del reticolo ed è montato in modo tale che detta estremità sia l’estremità del reticolo più vicina al laser. In una preferita forma di realizzazione, tale profilo di variazione è rappresentato da una curva che ha un valore minimo e sostanzialmente nullo, con tangente sostanzialmente orizzontale, in corrispondenza dell’estremità del reticolo più distante dal laser, cresce gradualmente e monotonicamente fino a un valore massimo, anch'esso con tangente . sostanzialmente orizzontale, che viene raggiunto in corrispondenza dell'altra estremità del reticolo, dove ritorna al valore minimo con andamento sostanzialmente verticale.

A titolo di esempio non limitativo, il profilo di variazione dell'indice di rifrazione, nel tratto a variazione graduale, può avere un andamento rappresentato da una delle seguenti funzioni: y = exp(-x2), y = sen2x, y = tanh x.

A maggior chiarimento si fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la fig. 1 à una vista schematica di un laser ibrido;

- lafig. 2 mostra il profilo di variazione dell'indice di rifrazione del reticolo impiegato per formare la cavità esterna, e

- le figure 3 - 5 sono grafici che permettono di valutare le prestazioni del laser secondo l’invenzione.

Come si vede in Fig. 1, un laser ibrido, indicato nel complesso con 1, consiste di un elemento attivo 2 a cavità Fabry-Perot, realizzato in un materiale semiconduttore e avente una faccetta terminale 3 munita di un rivestimento antiriflettente, e in μηο spezzone di fibra ottica 4 nel quale è scritto un reticolo 5. A titolo di esempio, l’elemento attivo 2 può essere un laser InGaAsP:InP, SI-BH (Semi-Insulating Buried Heterostructure, cioè un laser a eterostruttura sepolta semi isolante), con banda di modulazione deH’ordine di 10 GHz o più

Lo spezzone 4 termina in un’estremità rastremata 6 disposta adiacente alla faccetta 3 dell’elemento attivo 2. In modo convenzionale, l’elemento attivo 2 e la fibra 4 sono fissati su un sopporto comune 7 mediante resine (in particolare, una resina acrilica), come indicato in 8. Per quanto riguarda la fibra 4, la resina deve bloccare l’intera parte terminale comprendente l’estremità rastremata 6, per garantire il corretto allineamento della fibra 4 e della faccetta terminale 3 dell’elemento attivo 2.

Come spiegato nell’introduzione dell’invenzione, quando si fissa la fibra 4 al supporto 7 mediante la resina, non è possibile utilizzare per la scrittura del reticolo la parte terminale. La fibra quindi contribuisce alla lunghezza complessiva dalla cavità del laser per tutto il tratto compreso fra l’estremità della parte rastremata e il piano equivalente di riflessione del reticolo 4.

Per ridurre la lunghezza complessiva della cavità esterna, il reticolo 4 utilizzato nel laser secondo l’invenzione è un reticolo con piano equivalente spostato verso l’estremità più vicina all’elemento attivo.

Nella fig. 2 si è rappresentato un possibile profilo di variazione dell’indice di rifrazione atto a provocare lo spostamento del piano equivalente di riflessione verso un’estremità. Il profilo è un profilo asimmetrico e non uniforme, ed è rappresentato da una curva che ha valore minimo sostanzialmente nullo, con tangente orizzontale, in corrispondenza dell’estremità del reticolo opposta alla rastremazione della fibra, cresce fino a un valore massimo, sempre con tangente sostanzialmente orizzontale, che viene raggiunto in corrispondenza dell'estremità del reticolo più vicina alla rastremazione, e ritorna a un valore sostanzialmente nullo con andamento sostanzialmente verticale. Nella figura, per chiarezza di disegno, il passo del reticolo 4 è artificiosamente allungato rispetto alla realtà.

Profili di variazione dell’indice di rifrazione che soddisfano le esigenze dell'invenzione sono per esempio quelli corrispondenti a metà di una curva gaussiana, cioè una curva del tipo y = exp(-x2), o di una curva del tipo y = sen^x o ancora di una curva del tipo y = tanh x. La fig. 2 si riferisce al caso di profilo dato da metà di una curva gaussiana.

Il modo con cui si può realizzare un reticolo di questo tipo è oggetto di una parallela domanda di brevetto depositata in pari data a nome della stessa Richiedente.

Un profilo di questo tipo sposta effettivamente il piano equivalente verso un’estremità del reticolo, come si può immediatamente vedere applicando quanto descritto in L. A. Coldren, S. W. Corzine: “Diode lasers and photonic integrated circuits”, Wiley & Sons, 1995, pagg. 85 e segg., e come confermato dalle misure effettuate.

A titolo di esempio, nel caso di un profilo come quello di fig. 2, un reticolo della lunghezza di circa 1 cm con riflettività dell’ordine del 70% (che sono valori tipici per queste applicazioni) ha una lunghezza equivalente di circa 2 mm. A titolo di confronto, un reticolo convenzionale di ugual lunghezza e riflettività analoga avrebbe una lunghezza equivalente di circa 5 mm: Tenuto conto che la parte terminale da lasciar libera per il fissaggio può essere dell’ordine di 3 mm, l’invenzione permette di accorciare la cavità del laser di un tratto praticamente corrispondente alla parte di fibra inutilizzabile a causa dei problemi inerenti al fissaggio con resine.

Il tecnico è in grado di valutare, applicando relazioni ben note, il vantaggio che tale riduzione di lunghezza apporta in termini di banda e separazione dei modi.

I grafici delle figure 3 - 5 forniscono elementi utili per valutare le prestazioni di un laser secondo l’invenzione. In particolare la fig: 3 dà la caratteristica potenza /corrente all’uscita della fibra e mostra una buona linearità; la fig: 4, che dà la caratteristica ampiezza/lunghezza d’onda, mostra la buona monomodalità del laser; infine la fig. 5 fa vedere che con l’invenzione si può ottenere una banda di modulazione molto ampia.

E' evidente che quanto descritto è dato a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione.

Claims

Rivendicazioni 1. Laser ibrido, comprendente un elemento attivo a cavità Fabry Perot (2) con una faccetta (3) trattata con un rivestimento antiriflettente e una cavità esterna realizzata mediante un reticolo a bassa riflettività (5) realizzato in uno spezzone di fibra ottica (4) adiacente a detta faccetta (3), caratterizzato dal fatto che detto reticolo (5) presenta un profilo di variazione non uniforme e asimmetrica deH'indice di rifrazione nel senso della lunghezza, tale da dare origine a una posizione del piano equivalente di riflessione spostata verso l’estremità del reticolo più vicina all’elemento attivo (2).
2. Laser secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detto profilo di variazione è rappresentato da una curva che ha un valore minimo e sostanzialmente nullo, con tangente sostanzialmente orizzontale, in corrispondenza dell’estremità del reticolo (5) più distante dall’elemento attivo (2), e cresce gradualmente e monofonicamente fino a un valore massimo, anch’esso con tangente sostanzialmente orizzontale, che viene raggiunto in corrispondenza dell’altra estremità del reticolo (5), dove ritorna al valore minimo con andamento sostanzialmente verticale.
3. Laser secondo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che detta curva è scelta fra le seguenti: y = exp(-x2) , y = sen2x, y = tanh x.