JP2004538622A - 狭線幅を有する帯域幅増大自己注入ロックｄｆｂレーザ - Google Patents

Abstract

自己注入ロッキングのレーザシステムおよび方法。このシステムは、周波数ｗ_０のレーザ出力を有するレーザを含む。光ポートが、そのポートにおいてレーザ出力の一部を提供し、ポートに結合された変調器は、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動され、周波数ｗ_０±ｗ_ｍの２つの側波帯を生成する。フィルタは、２つの側波帯の一方を通過させ、光路は、注入ロッキングのために、フィルタの出力をレーザに結合する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザの変調帯域幅を増大する自己注入ロッキング技術に関する。これにより、その高調波ひずみと線幅とが同時に低減される。
【背景技術】
【０００２】
たとえば空間ベースのレーダにおいて、整相列の光学制御のために、光ビーム形成技術を使用することができる。大きな変調帯域幅と低い高調波ひずみとを呈示するコンパクトな直接変調光送信器が、そのような応用分野では非常に望ましい。
【０００３】
分布帰還型（ＤＦＢ）レーザは、電気通信ネットワークとファイバベースＲＦ光システムとの重要な構成要素である。しかし、市販のＤＦＢレーザの帯域幅は、通常、１０ＧＨｚよりかなり低く、ほとんどの近未来応用分野の要求に応えることができない。帯域幅を１０ＧＨｚを大きく超えるように増大する１つの方式は、Ｊ．ＷａｎｇおよびＧ．Ｙｂｒｅによって理論的に予測され、かつＸ．Ｊ．Ｍｅｎｇによって実験的に実証された外部光注入技術を使用するものである。Ｍｅｎｇは、帯域幅の３．７倍の増大と、第２高調波ひずみの１０ｄＢの低減とを報告している。また、かれらは、実験において線幅の減少と、ならびに、ひずみ積の減少とを観測した。Ｘ．Ｊ．Ｍｅｎｇ、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ＆ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ、ｖｏｌ．４７、ｎｏ．７、１１７２〜１１７６頁（１９９９）を参照されたい。
【０００４】
しかし、従来の技術の技法は、性能の向上を実現するために、ＤＦＢレーザの５〜２５ＧＨｚの範囲内に調整された外部レーザ（Ｔｉ−Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザなど）を使用する必要がある。外部レーザは、大型で、余分に費用がかかる。さらに、２つの物理的に別々のレーザ（マスタレーザおよびスレーブレーサとして）を使用することにより、注入ロッキングの最適条件が、温度変化などの環境変化に非常に影響を受けやすくなる。
【０００５】
本発明の自己注入ロッキングの技法は、低コストと、実装時のラジディゼーションと組み合わせたコンパクト性との利点を提供する。最も重要なことは、Ｘ．Ｊ．Ｍｅｎｇらによって報告された外部注入技法と比較して、熱安定性が提供されることである。具体的には、自己注入ロックＤＦＢレーザは、環境変化に関してはるかに改善された性能安定性を達成するはずである。２つのレーザの従来の技術の技法によれば、−１５ｄＢの注入率では、マスタレーザとスレーブレーザの間では、〜１５ＧＨｚの差動周波数安定性を維持しなければならない。これは、２つのレーザ間における〜０．１２８ｎｍの波長差に交換される。２つの物理的に別々のレーザ間においてこの波長差安定性を維持するために、うまく工作されたフィードバックループを使用して、レージング波長を決定する物理的なパラメータを制御しなければならない。多くの場合、これらのパラメータは、マスタレーザおよびスレーブレーザの内部における能動接合部の温度である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の自己注入の手法により、送信器の設計において２つの別々のレーザを使用する欠点が排除される。具体的には、開示する手法は、送信器の光出力の一部をタップし、次いで外部変調を利用して、タップされた信号の周波数をシフトする。ろ過後、この周波数シフト信号を使用して、ＤＦＢレーザの注入ロッキングを達成する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、本発明は、自己注入ロッキングを有する分布帰還型レーザシステムを提供する。レーザシステムには、周波数ｗ_０のレーザ出力を有する分布帰還型レーザと、２つの搬送波抑側波帯を生成するために、分布型レーザの出力に結合され、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動される変調器と、２つの側波帯の一方を抑制またはろ過し、他の側波帯を本質的に減衰しないままにするために、変調器の出力に結合されたフィルタと、注入ロッキングのために、フィルタの出力を分布帰還型レーザに結合する光路とが含まれる。
【０００８】
他の態様において、本発明は、分布帰還型レーザの変調帯域幅を増大する方法を提供する。該方法には、分布帰還型半導体レーザから出力をタップすることと、タップされた出力の周波数をシフトすることと、周波数シフトタッピング出力を分布帰還型半導体レーザの入力に帰還させることとが含まれる。
【０００９】
他の態様において、本発明は、自己注入ロッキングを有するレーザシステムを提供する。該レーザシステムには、周波数ｗ_０のレーザ出力を有するレーザと、前記レーザ出力の一部をポートにおいて提供する光ポートと、ポートに結合され、２つの側波帯を生成し、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動される変調器と、２つの搬送波抑制側波帯の一方をろ過し、他方の側波帯を本質的に減衰しないままにするために、変調器の出力に結合されたフィルタと、注入ロッキングのために、フィルタの出力をレーザに結合する光路とが含まれる。
【００１０】
他の態様において、本発明は、自己注入ロッキングを有するレーザシステムを提供する。該システムには、周波数ｗ_０のレーザ出力を有するレーザと、レーザ出力の一部を提供する光ポートと、ポートに結合され、ｗ_０±ｗ_ｍの２つの側波帯を生成するために、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動される変調器と、信号ｗ_０±ｗ_ｍの２つの側波帯の少なくとも一方を抑制するために、変調器に結合されたフィルタと、レーザを注入ロッキングするために、フィルタの出力をレーザに結合する光路とが含まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明によれば、図１に示すような自己注入システムを使用して、大型で高価な外部レーザを使用する必要性を排除する。分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザを参照符号１０によって示す。レーザが単一波長レーザであることを条件として、ＤＦＢレーザ以外のタイプのレーザを代替として使用することが可能である。たとえば、ＤＢＲレーザをＤＦＢレーザ１０の代わりに使用することが可能である。ＤＦＢレーザは、市場で容易に入手可能なので、好ましい。ＤＦＢレーザは、通常、ピグテールを有し、このピグテールを使用して、ＤＦＢレーザを光アイソレータ１２を介してレーザの出力１０−２にある光ファイバ融合カプラ１４と、レーザの入力１０−１にあるフィルタ１８とに接続することができることが便利である。光アイソレータ１２を使用して、望ましくない反射レーザ出力がレーザ１０の空洞内に帰還することを排除することが好ましい。光ファイバケーブル２０を使用して、図１に示すように、これらの装置を結合することが好ましい。しかし、当業者なら、レーザ１０からのレーザ光は、示した光ファイバケーブル２０の内部とは対照的に、自由空間を進行することができることを理解するであろう。ケーブルの場合は、光は、必要に応じて、鏡面を使用して誘導し、ビームスプリッタを使用して分割することが可能である。開示した光ファイバケーブルの実施形態では、光ファイバカプラ１４からの出力の１つは、自己注入レーザシステムから、本発明からのレーザ光を使用する装置またはシステムに、出力２２を提供する。
【００１２】
ＤＦＢレーザ出力の一部が、光ファイバカプラ１４によってタップされ、ポート１４−２を介して、たとえば音響光学（ＡＯ）変調器または電気光学（ＥＯ）変調器など、周波数シフト変調器１６の入力に供給される。５ＧＨｚ未満のオフセット周波数では、ＳＡＷベースの音響光学変調器１６で十分である。ω_０が周波数シフト変調器１６の光変調周波数であり、ω_ｍが周波数シフト変調器１６のＲＦ変調周波数である場合、ＡＯ変調器からの出力の２つの側波帯（ω_０±ω_ｍ）の一方を、変調ビームの別々の回折方向により選択することができる。しかし、現在のＡＯ変調器は、〜５ＧＨｚの帯域幅制約を有する。５ＧＨｚより大きいオフセット周波数では、代替手法について以下で議論する。この場合、図１によって示した自己注入レーザシステムでは、周波数シフト音響光学（ＡＯ）または電気光学（ＥＯ）変調器１６の代わりに、マッハ−ツェンダー変調器１６’が代用されることが好ましい。
【００１３】
光ファイバカプラ１４によってタップされるエネルギーの量は、システムにおいて使用する特定のレーザ１０の注入要件を満たし、またカプラ１４とレーザの注入端部１０−１との間にある光学構成要素における損失を相殺するのに十分である。いくつかのレーザ１０では、注入端部１０−１は、レーザの出力１０−２と共通ポートとすることが可能であり、この場合、サーキュレータを使用して、レーザの出力信号を注入信号から分離することが考えられる。
【００１４】
マッハ−ツェンダーの代替実施形態によれば、Ｖ_πに対応する電圧において、マッハ−ツェンダー変調器１６’（図２参照）にバイアスをかける。ＲＦ信号（Ｖ_ｒｆ＝Ｖ_ｍｓｉｎ（ω_ｍｔ））が変調器に加えられたとき、２つの側波帯（ω_０±ω_ｍ）が生成され、通常、搬送波は抑制されている（図３参照）。具体的には、変調器１６’の出力端部１６’−２における電場は、以下の式によって与えられる。
【００１５】
【数１】

２つの光側波帯は、２ω_ｍだけ分離していることに留意されたい。さらに、ω_０からのこれらの側波帯のオフセットは、極度に安定である。具体的には、この周波数オフセットの安定性と精度とは、最終的には、光変調器１６’を駆動するマイクロ波シンセサイザの位相雑音によって決定される。たとえば、１０ＧＨｚの位相雑音は、搬送波からの１０ＫＨｚの周波数オフセットにおいて、−１５０ｄＢｃ／Ｈｚ程度に低くすることができる。注入ロッキングの所望のオフレット周波数が１５ＧＨｚである場合、２つの光側波帯の分離は、３０ＧＨｚである。側波帯の一方は、フィルタ１８によって抑制またはろ過される。このフィルタは、ブラッグファイバ格子（ＢＦＧ）であることが好ましく、変調器の出力１６−２、１６’−２に結合される。そのようなＢＦＧフィルタの通常のスペクトルストップバンド幅は、０．１ｎｍ未満であり、これは、周波数領域（λ〜１５５０ｎｍについて）では〜１２．５ＧＨｚに対応する。図４は、カルフォルニア州マリブのＨＲＬラボラトリ、ＬＬＣにおいて製造されたＢＦＧフィルタの伝送スペクトルを示す。ブラッグファイバ格子フィルタは、他のソースから市販されている。
【００１６】
フィルタ１８は、変調器１６の２つの側波帯の一方を抑制し（フィルタは、２つの側波帯の一方のみを通過させると見なすこともできる）、変調器１６が搬送波を完全には抑制しない事象では、フィルタ１８は、さらに、搬送波も同様に抑制またはろ過するべきである。フィルタ１８は、狭帯域光フィルタであり、ＢＦＧフィルタは、好ましいフィルタ１８である。しかし、他のタイプのフィルタを使用することも可能である。たとえば、ファブリ−ペローフィルタは、ある実施形態ではフィルタ１８として有用である可能性がある。フィルタ１８は、好ましくは、望ましくない側波帯が、レーザ１０を注入ロッキングすることもできないような十分な程度まで、望ましくない側波帯を抑制することができるべきである。フィルタ１８の詳細は、注入率と、所与の注入率におけるレーザ１０の注入ロッキング帯域幅とによって決定される。たとえば、望ましくない側波帯は、所望の側波帯より少なくとも１５〜２０ｄｂ低くあるべきであり、所望の側波帯は、ほぼ減衰しないままであることが好ましく、または減衰する場合は、せいぜい５〜１０ｄｂであることが好ましい。望ましい側波帯が抑制されないが、またはある程度抑制されたかにかかわらず、望ましくない側波帯は、所望の側波帯のレベルより少なくとも１５〜２０ｄｂ低く抑制されるべきである。
【００１７】
ＤＦＢレーザの注入ロッキング特性は、非対称である傾向があり、この理由により、フィルタ１８は、好ましくは、より高い周波数成分を有する上方側波帯を抑制するべきである。
【００１８】
図４に示すような０．１１ｎｍの示したスペクトル幅は、試験に使用した特定の測定機器の分解能によって限定されていた。実際のスペクトル幅は、０．１ｎｍ未満であることが好ましい。したがって、光側波帯の１つは、それに集中したＢＦＧフィルタでろ過することができる。第２側波帯は、第１側波帯から〜０．１ｎｍ分離しており、減衰せずにＢＦＧフィルタを通過する。具体的には、この第２側波帯をＤＦＢレーザ１０の対向端部１０−１に供給して、所望の注入ロッキングを達成することができる。
【００１９】
好ましい実施形態に関して本発明を記述してきたが、当業者なら、この段階で修正を思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の請求項によって具体的に要求される場合を除いて、開示した特定の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】自己注入レーザシステムの概略図である。
【図２】マッハ−ツェンダー変調器の概略図である。
【図３】電気光学変調器を使用する搬送波抑制二重側波帯生成の効果を示すグラフである。
【図４】ブラッグファイバ格子（ＢＦＧ）フィルタの測定した伝送スペクトルのグラフである。

Claims (26)

1. 周波数ｗ_０のレーザ光を供給するためのレーザ出力を有する単一周波数レーザと、
   ２つの側波帯を生成するために、レーザの前記出力に結合され、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動される変調器と、
   前記２つの側波帯の一方を抑制しまたは通過させるために、前記変調器の出力に結合されたフィルタと、
   注入ロッキングのために、前記フィルタの出力を前記レーザに結合する光路と
   を備える、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
2. 前記変調器が、光カプラを介して前記レーザに結合され、それにより、前記変調器が、前記レーザの出力の一部を受信する、請求項１に記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
3. 前記変調器が、マッハ−ツェンダー変調器である、請求項２に記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
4. 前記変調器が、音響光学変調器である、請求項２に記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
5. 前記変調器が、電気光学変調器である、請求項２に記載の自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
6. 前記フィルタが、前記２つの側波帯の一方を抑制し、そして、他方の側波帯を実質的に減衰しない状態に維持する、請求項１から５のいずれか１つに記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
7. 前記レーザが、分布帰還型レーザである、請求項１から６のいずれか１つに記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
8. 前記変調器が、搬送波抑制側波帯を生成する、請求項１から７のいずれか１つに記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
9. 前記フィルタが、前記変調器によって生成されたあらゆる搬送波を抑制する、請求項１から８のいずれか１つに記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
10. 前記フィルタが、ブラッグファイバ格子である、請求項１から９のいずれか１つに記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
11. 動作周波数を有し、かつ出力および入力を有する分布帰還型レーザの変調帯域幅を増大する方法であって、
    前記分布帰還型レーザからの前記出力をタップして、タップされた光信号を形成するステップと、
    前記タップされた光信号の周波数をシフトして、シフト済み光信号を形成するステップと、
    前記シフト済み光信号を前記分布帰還型レーザの前記入力に帰還させるステップと
    を含む方法。
12. 表面音響波（ＳＡＷ）装置を使用して、前記タップされた光信号の周波数をシフトする、請求項１１に記載の方法。
13. 光変調装置を使用して、前記タップされた光信号の周波数をシフトする、請求項１１に記載の方法。
14. 前記変調器が、マッハ−ツェンダー変調器である、請求項１３に記載の方法。
15. 前記シフト済み光信号を前記入力に帰還させる前記ステップが、望ましくない周波数を抑制することを含む、請求項１１から１４のいずれか１つに記載の方法。
16. ブラッグファイバ格子を使用して、前記望ましくない周波数を抑制する、請求項１７に記載の方法。
17. 周波数ｗ_０のレーザ出力を有するレーザと、
    前記レーザ出力の一部をポートにおいて提供する光ポートと、
    前記ポートに結合され、２つの側波帯を生成し、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動される変調器と、
    前記２つの側波帯の一方を抑制し、そして、他方の側波帯を実質的に減衰しない状態に維持するために、前記変調器の出力に結合されたフィルタと、
    注入ロッキングのために、前記フィルタの出力を前記レーザに結合する光路と
    を含む、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
18. 前記変調器が、２つの搬送波抑制側波帯を生成する、請求項１７に記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
19. 前記フィルタが、ブラッグファイバ格子である、請求項１７または１８に記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
20. 前記光ポートが、前記レーザの出力を受信するように結合された光カプラによって提供される、請求項１７から１９のいずれか１つに記載の、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
21. 周波数ｗ_０のレーザ出力を有するレーザと、前記レーザ出力の一部をポートにおいて提供する光ポートと、前記ポートに結合され、ｗ_０±ｗ_ｍの２つの側波帯を生成するために、周波数ｗ_ｍのＲＦ信号によって駆動される変調器と、信号ｗ_０±ｗ_ｍの２つの側波帯の一方を通過させ、または抑制するために、前記変調器に結合されたフィルタと、前記フィルタの出力を前記レーザに結合して、前記レーザを注入ロックするための光路とを含む、自己注入ロッキングを有するレーザシステム。
22. 前記変調器が、搬送波抑制信号として、信号ｗ_０±ｗ_ｍを生成する、請求項２１に記載のレーザシステム。
23. 前記変調器が、搬送波および前記２つの側波帯を有する信号として信号ｗ_０±ｗ_ｍを生成し、前記フィルタが、前記搬送波と、前記２つの側波帯の一方とを抑制する、請求項２１に記載のレーザシステム。
24. 前記光路が、少なくとも１つの光ファイバケーブルを含む、請求項２１から２３のいずれか１つに記載のレーザシステム。
25. 前記フィルタが、ブラッグファイバ格子である、請求項２１から２４のいずれか１つに記載のレーザシステム。
26. 前記光路が、自由空間の一部を含む、請求項２１から２５のいずれか１つに記載のレーザシステム。

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