ITTO990692A1 - Procedimento e dipositivo per la stabilizzazione della lunghezza d'on-da di emissione di una sorgente laser. - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione avente per titolo:

“Procedimento e dispositivo per la stabilizzazione della lunghezza d’onda di emissione di una sorgente laser”

La presente invenzione si riferisce ai laser, e più in particolare ha per oggetto un procedimento e un dispositivo per la stabilizzazione della lunghezza d'onda di emissione di una sorgente laser, in cui tale stabilizzazione è ottenuta per aggancio a una lunghezza d’onda di riferimento molto diversa da quella da stabilizzare.

Preferibilmente, ma non esclusivamente, l’invenzione trova impiego per la stabilizzazione deila lunghezza d'onda di emissione di un laser a semiconduttore utilizzato come sorgente in un sistema di comunicazione ottica.

E’ noto che la lunghezza d'onda di emissione dei laser è sottoposta a fluttuazioni e quindi i laser sono associati a circuiti di controllo che rivelano lo scostamento dal valore nominale e generano un segnale di errore che viene inviato agli organi di comando del laser per mantenere la lunghezza d'onda di emissione a tale valore nominale.

Una tecnica di stabilizzazione comunemente usata prevede l'aggancio delia lunghezza d’onda di emissione del laser a una riga atomica o molecolare, p. es. una riga di assorbimento di un gas che presenta uno spettro di assorbimento con righe la cui lunghezza d’onda è vicina a quella di emissione della sorgente. Un esempio di tecnica di aggancio di questo tipo per l'applicazione qui preferita ai campo delle telecomunicazioni ottiche è descritto nel brevetto Europeo N. 0 660 470 a nome della stessa richiedente. Questa stabilizzazione è assoluta, cioè indipendente dall'ambiente, e fa sì che la sorgente presenti una buona stabilità a breve e a lungo termine e una buona riproducibilità della lunghezza d’onda di emissione.

In generale, tuttavia le righe atomiche o molecolari a lunghezza d’onda vicine a quelle di interesse per le telecomunicazioni ottiche sono relativamente larghe e quindi la stabilizzazione ottenuta può non essere sufficiente. Per questo motivo esistono in letteratura numerose proposte per realizzare l'aggancio rispetto a righe di assorbimento a lunghezze d’onda relativamente distanti da quella della sorgente da stabilizzare, che hanno caratteristiche più vantaggiose per gli scopi voluti. Un esempio è rappresentato da una riga di assorbimento del rubidio a 780 nm. Righe di assorbimento a queste lunghezze d’onda sono sfruttate a scopi di stabilizzazione in campi anche molto diversi dalla telecomunicazioni (p. es. la metrologia)

Tuttavia in generale risulta difficoltoso realizzare sistemi di confronto della lunghezza d’onda per segnali con lunghezze d’onda molto diverse tra loro, per cui si cerca di ottenere un ravvicinamento delle lunghezze d’onda da confrontare.

Nell’articolo “Absolute Frequency Control of a 1560 nm (192 THz) DFB laser locked to a Rubidium Absorption Line Using a Second-Harmonic-Generated Signal", di C. Latrasse e altri, IEEE Transactions on instrumentation and measurement, voi. 44, N. 4, Agosto 1995, pagg. 839 e segg. è descritto un sistema in cui la radiazione a 1560 nm emessa dal laser da stabilizzare viene inviata in un cristallo di Knb03 che ne genera la seconda armonica (corrispondente a una lunghezza d’onda di 780 nm). Questa seconda armonica viene separata dal segnale principale a 1560 nm e inviata in un cella contenente <87>Rb per l'interazione con la riga a 780 nm. li segnale uscente dalla cella è poi rivelato in un fotodiodo al silicio per dare il segnale di errore da fornire agli organi di controllo^el laser.

Altri metodi, come quelli descritti negli articoli “Wide-Span Optical Frequency Comb Generator for Accurate Optical Frequency Difference Measurement”, di M: Kourogi e altri, IEEE Journal of Quantum Electronics , Voi. 29, N. 10, Ottobre 1993, pagg. 2693 e segg., e "Generation of Frequency-Tunable Light and Frequency Reference Grids Using Dìode Lasers For One-Petahertz Optical Frequency Sweep Generator”, Voi. 31, N. 3, Marzo1995, pagg. 456 e segg. realizzano la stabilizzazione agganciando la sorgente laser da stabilizzare a una sorgente di riferimento altamente stabile. Per tale aggancio, si generano segnali ottici aventi frequenza pari alla somma e/o alla differenza tra le frequenze delle due sorgenti e si rivelano i segnali di battimento. Questi sono poi fatti retroagire sul laser da controllare.

In tutti questi metodi noti la creazione del segnale di errore richiede due operazioni separate: la prima è la generazione di un segnale ottico a frequenza opportuna tramite la generazione di una armonica del segnale da stabilizzare (nel caso del primo documento citato) o il mescolamento tra questo e un segnale di riferimento; la seconda è poi la rivelazione del segnale convertito. Ciò rende complicate le relative apparecchiature e poco efficiente il processo.

Lo scopo dell’Invenzione è quello di fornire un procedimento e un’apparecchiatura che permette di eliminare tale inconveniente.

Secondo l'invenzione si fornisce un procedimento per la stabilizzazione della lunghezza d'onda di emissione di una sorgente ottica, che emette radiazioni coerenti a una prima lunghezza d'onda, mediante l’aggancio alla lunghezza d’onda di emissione di una sorgente ottica di riferimento, che emette radiazioni coerenti a una seconda lunghezza d’onda sostanzialmente diversa dalla prima, in cui si fanno interagire otticamente le radiazioni alla prima e alla seconda lunghezza d'onda, si rivela un segnale ottico risultante dall'interazione e si ricava .dal segnale rivelato un segnale di reazione applicato alla sorgente e in cui detta interazione è rappresentata da un assorbimento a due fotoni per la prima lunghezza d'onda, che dà origine a un segnale di battimento avente frequenza pari alla differenza di frequenza tra una radiazione a lunghezza d'onda metà della prima lunghezza d'onda e la seconda radiazione, tale battimento essendo rivelato contestualmente alla sua creazione.

L'invenzione riguarda anche il dispositivo per realizzare il procedimento.

Il fenomeno deH'assorbimento a due fotoni è un fenomeno non lineare basato sul fatto che due fotoni coerenti in fase possono cooperare per eccitare un elettrone in un materiale semiconduttore a un'energia doppia di quella del singolo fotone. Grazie a questo fenomeno una radiazione coerente a cui il materiale sarebbe trasparente può venire assorbita, generando coppie elettroni - lacune. Queste possono poi essere rivelate come corrente di fotorivelazione o come luminescenza. Una descrizione più completa del fenomeno si può trovare per esempio nell’opera “Optical Processes in Semiconductors" di J. I. Panhove, Dover Publications, Ine., New York (USA), 1971: si vedano in particolare le sezioni 12-A-4, 12-A-5 alle pagg. 268 e segg.

A maggior chiarimento si fa riferimento al disegno allegato, che mostra una forma preferita di realizzazione del dispositivo secondo l'invenzione.

Il dispositivo secondo l’invenzione permette di realizzare la stabilizzazione di una sorgente da stabilizzare 1 operante a una lunghezza d'onda L1 mediante l'aggancio a una sorgente di riferimento operante a una lunghezza d'onda L2 molto diversa da L1. In particolare, a titolo di esempio non limitativo, in quanto segue si farà riferimento a una sorgente 1 che emette radiazioni nella terza finestra delle comunicazioni ottiche (in particolare 1560 nm) e una sorgente di riferimento 2 che emette a 780 nm.

Ovviamente la sorgente di riferimento 2 dovrà essere una sorgente altamente stabile. Il modo con cui la stabilizzazione della sorgente 2 è ottenuto è ininfluente ai fini, della presente invenzione. Nell'esempio considerato, in cui la sorgente 2 emette a 780 nm, la stabilizzazione può avvenire per aggancio a una riga di assorbimento di Rb.

La radiazione da stabilizzare (eventualmente sottoposta a controllo di polarizzazione in un dispositivo di controllo 3, del tutto convenzionale) e la radiazione di riferimento sono fomite a un accoppiatore dicroico 4 che fornisce le due radiazioni a un dispositivo 5 atto a far interagire le due radiazioni sfruttando il fenomeno dell'assorbimento a due fotoni per la lunghezza d'onda superiore L1 , e a rivelare un battimento ottico risultante dall'interazione.

Questo battimento, per la natura dell'assorbimento a due fotoni, ha frequenza |2f, - f2|, dove f, e f2 sono le frequenze corrispondenti alle lunghezze d’onda L1 e L2. Ciò pone un limite alla differenza tra le due lunghezze d'onda, che dovrà essere tale da consentire la rivelazione del battimento stesso ad opera del dispositivo 5 utilizzato.

Come riportato ampiamente In letteratura, dispositivi in cui si realizza l'assorbimento a due fotoni per radiazioni con lunghezza d'onda intorno a 1,5 pm, possono essere fotodiodi a valanga al silicio, LED di vario tipo, diodi laser.

Sfruttando l'assorbimento a due fotoni, l'operazione di combinazione delle due lunghezze d’onda e la rivelazione del segnale risultante hanno luogo in uno stesso dispositivo, semplificando così la struttura. Inoltre, l’uso di un accoppiatore dicroico evita perdite nella sovrapposizione dei campi delle due radiazioni di cui si crea il battimento. Un'ulteriore vantaggio insito nella soluzione secondo l’invenzione è che non si ha necessità di filtraggio ottico per eliminare prodotti della combinazione non utili, come invece richiesto dalle tecniche basate sulla generazione della somma e della differenza tra le frequenze delle radiazioni fatte interagire.

Ovviamente, affinché l'assorbimento a due fotoni si verifichi, la sorgente 1 dovrà avere una potenza sufficientemente elevata, p. es. potenza dell'ordine di alcune decine di mW.

Per semplicità di disegno non si sono rappresentati i mezzi (p. es. fibre ottiche) per portare le radiazioni all'accoppiatore dicroico 4 e da questo al dispositivo 5.

li segnale di uscita del dispositivo 5, che come detto è un segnale a frequenza |2f, - f2|, viene amplificato in un amplificatore 6, filtrato in un filtro passa banda 7 per ridurre il rumore e confrontato in un miscelatore 8 con un segnale a radiofrequenza generato da un oscillatore elettronico 9 a elevata stabilità, al fine di ricavare un segnale di retroazione per il laser 1. In modo convenzionale, questo segnale sarà fornito agli organi di controllo 10 del laser 1 tramite un filtro d'anello 11.

La frequenza dell'oscillatore 9 può essere scelta in base alla frequenza del battimento e al tipo di retroazione che si vuole realizzare. In particolare, si può utilizzare un oscillatore 9 con frequenza uguale a quella del battimento creato dal dispositivo 5: In questo caso il miscelatore 8 può agire direttamente da discriminatore di fase e il suo segnale di uscita può essere utilizzato direttamente per pilotare il laser. Se la frequenza dell'osciHatore 9 è diversa da quella del battimento, il miscelatore .8 fornirà un segnale a frequenza pari alla differenza di frequenza tra il segnale fornito dall'oscillatore e il segnale di battimento rivelato, e in questo caso il segnale di retroazione sarà ottenuto tramite un discriminatore di frequenza elettronico 12, di un qualsiasi tipo noto, come indicato in linea a tratti in figura. Questo è anche il caso di quando si vuole utilizzare direttamente il segnale di battimento rivelato.

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

Claims (13)

1. Rivendicazioni 1. Procedimento per la stabilizzazione della lunghezza d’onda di emissione di una sorgente ottica (1), che emette radiazioni coerenti a una prima lunghezza d’onda, mediante l’aggancio alla lunghezza d’onda di emissione di una sorgente ottica di riferimento (2), che emette radiazioni coerenti a una seconda lunghezza d’onda sostanzialmente diversa dalla prima, in cui si fanno interagire otticamente le radiazioni alla prima e alia seconda lunghezza d’onda, si rivela un segnale ottico risultante dall'interazione e si ricava dal segnale rivelato un segnale di reazione applicato alla sorgente (1) da stabilizzare, caratterizzato dal fatto che detta interazione è rappresentata da un assorbimento a due fotoni per la prima lunghezza d'onda, che dà origine a un segnale di battimento avente frequenza uguale alla differenza di frequenza tra una radiazione avente lunghezza d'onda uguale a metà della prima e la seconda radiazione, tale segnale di battimento essendo rivelato contestualmente alla sua creazione.
2. 2. Procedimento secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detta prima lunghezza d’onda è sostanzialmente doppia della seconda lunghezza d'onda.
3. 3. Procedimento secondo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che detta prima lunghezza d'onda è una lunghezza d'onda nella terza finestra di trasmissione per le comunicazioni ottiche.
4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che per la generazione del segnale di reazione il segnale di battimento rivelato viene miscelato con un segnale a radiofrequenza altamente stabile.
5. 5. Procedimento secondo la riv. 4, caratterizzato dal fatto che detto segnale a radiofrequenza ha frequenza uguale a quella del segnale di battimento rivelato, e come segnale di reazione si utilizza il segnale risultante dalla miscelazione.
6. 6. Procedimento secondo la riv. 5, caratterizzato dal fatto che detto segnale a radiofrequenza ha frequenza diversa quella del segnale di battimento rivelato, e come segnale di reazione si utilizza un segnale ottenuto per discriminazione di frequenza de) segnale risultante dalla miscelazione.
7. 7. Dispositivo per la stabilizzazione della lunghezza d’onda di( emissione di una sorgente ottica (1), che emette radiazioni coerenti a una prima lunghezza d’onda, mediante l'aggancio alla lunghezza d’onda di emissione di una sorgente ottica di riferimento (2), che emette radiazioni coerenti a una seconda lunghezza d’onda sostanzialmente diversa dalla prima, comprendente mezzi (5) per far interagire le radiazioni alla prima e alla seconda lunghezza d'onda e mezzi (6 - 9, 11 ; 6 - 9, 11 , 12) per ricavare da un segnale risultante dall'interazione un segnale di reazione applicato a organi di controllo (10) della sorgente (1) da stabilizzare, caratterizzato dal fatto che i mezzi (5) di interazione e di rivelazione costituiscono un dispositivo unico, atto a realizzare un assorbimento a due fotoni per la prima lunghezza d’onda.
8. 8. Dispositivo secondo la riv. 7, caratterizzato dal fatto che detta sorgente da stabilizzare (1) è atta a emettere radiazioni a una lunghezza d'onda sostanzialmente doppia della lunghezza d'onda delle radiazioni emesse dalla sorgente di riferimento (2).
9. 9. Dispositivo secondo la riv. 8, caratterizzato dal fatto che detta sorgente da stabilizzare (1) è atta a emettere radiazioni a una lunghezza d'onda nella terza finestra di trasmissione per le comunicazioni ottiche.
10. 10. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dai fatto di comprendere un accoppiatore dicroico (4) per fornire le radiazioni emesse dalle sorgenti al dispositivo (5) che realizza l'assorbimento a due fotoni.
11. 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 10, caraterizzato dal fato che i· mezzi (6 - 9, 11; 6 - 9, 11, 12) per ricavare dal segnale di batimento rivelato il segnale di reazione comprendono mezzi (8) per miscelare il segnale di battimento rivelato con un segnale a radiofrequenza generato da mezzi di generazione (9) a radiofrequenza.
12. 12. Dispositivo secondo la riv. 11, caraterizzato dal fatto che deti mezzi di generazione (9) generano un segnale a frequenza uguale a quella del segnale di battimento rivelato, e deto segnale di reazione è il segnale di uscita dei mezzi di miscelazione (8) che operano come mezzi discriminatori di fase.
13. 13. Dispositivo secondo la riv. 12, caratterizzato dal fatto che deti mezzi di generazione (9) generano un segnale a frequenza diversa quella del segnale di batimento rivelato, e deti mezzi di miscelazione (8) sono collegati a mezzi (12) discriminatori di frequenza che forniscono detto segnale di reazione.