KR100309909B1 - 반도체 레이저의 주파수 안정방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

반도체 레이저의 주파수 안정 방법.
상기 방법은 광 공진기의 리키지 필드(leakage field)를 반도체 레이저의 주파수 변조 출력과 광학적으로 혼합시키므로써 헤테로다인 비트 노트를 탐지하고, 구상인 헤테로다인 비트 노트를 한 무선 주파수 기준 신호와 혼합시키므로써 상기 헤테로다인 비트 노트의 위상을 탐지하는 단계를 포함한다. 상기의 방법은 또한 상기 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상을 필터링하고, 상기 헤테로다인 비트 노트의 필터되고 탐지된 위상을 스케일링하며, 그리고 상기 헤테로다인 비트 노트의 스케일되고 탐지된 위상과 무선 주파수 변조 기준 신호로 상기 반도체 레이저를 변조시키는 단계들을 더욱더 포함한다.

Description

반도체 레이저의 주파수 안정 방법 및 그 장치
레이저의 전체 주파스 제어를 제공하는 방법은 공지되어 있다. 광학적 위상 고정 루우프(OPLLs) 역시 공지되어 있다. 이같은 기술은 가스 레이저, 다이 레이저, 및 고체 상태 레이저등 적절한 실험실 조건하에서 주파수 안정화 및 선폭 네로잉(narrowing) 수행을 달성하도록 하는 다양한 레이저 장치에 적용되어 왔다. 당해분야에서 사용되는 바의 선폭(Linewidth)은 광학적 시스템의 어떠한 해상도 제한 (가령, 라인/mm)이 아닌 레이저 출력의 전체적인 스펙트럼(가령 주파수 스펙트럼)에 대한 것이다.
OPLL의 종전 사용은 레이저 공진을 포함하는 시스템으로 제한되어 왔으며, 이때의 스펙트럼 응답은 비교적 좁은 선폭의 단일 주파수를 가짐을 특징으로 한다. 따라서 공지기술에서 레이저 공진기로 구성된 광 시스템의 전달 기능은 적절한 필터링을 제공하여 증폭에 대한 개별적인 스펙트럼 특징을 선택하도록 하며 잔류 레이저 위상 잡음이 발생되는 푸리에 주파수를 줄인다. 반면에, 모노리틱 반도체 레이저의 와이드 프리(wide free)의 선폭 특징은 이들 장치의 피이드백 제어를 매우 곤란하게 한다. 따라서 대부분의 연구자들은 반도체 레이저 공진기의 프리 스펙트럼 범위를 줄이기 위해 모노리틱 디자인을 포기하였다.
상기 공지기술에 대한 기술의 포인트는 레이저 공진기를 포함하는 능동장치가 높은 긴밀성을 가져야한다는 믿음이었다. 따라서 광학적 공진기의 자유 스펙트럼 범위가 증가하는때, 이에 상응하여 공진대역폭은 종래기술의 OPLL 실시를 위해 적절한 위상 안정도를 제공하기 위해 줄어들어야 한다. 이는 공진기 피네스(finesse)를 더욱더 증가시키거나 레이저 이득 매체를 사용하므로써 달성될 수 있는데, 이때 방출이 자극을 받게되는 상기 레이저 이득 매체 에너지 상태는 필요한 위상 잡음을 소거시키기 위해 적절히 준안정된다.
레이저의 안정화는 레이저 출력신호의 일부분을 상기 레이저 주파수와는 무관한 특별히 규정된 일련의 주파수로 공진하는 수동의 광학적 공진기로 향하게 하므로써 달성되며, 상기 레이저 주파수는 피이드백 제어작용을 통해 상기 공진 주파수로 유지된다. 상기 공진기로 구성된 거울의 반사도가 매우 높은때(손실이 낮은 때) 상기 공진기는 높은 피네스 공진기이다. 수학적으로 상기 피네스는 단순히 최대 주파수 응답 절반(스펙트럼 라인폭)으로 공진기의 자유 스펙트럼 범위가 전 대역폭에 의해 나눠지는 것이다. 상기 공진기의 자유 스펙트럼 범위는 정해진 피네스에 대해서 스펙트럼 라인폭을 결정한다. 장기간 안정 특성을 갖는 높은 피네스 공진기는 레이저의 제어 및 안정도에 있어서 중요한 요소인 것으로 제안되었다.
따라서 본 발명의 목적은 반도체 레이저로 적용될 수 있는 레이저 안정도 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 높은 교묘한 피네스 공진기와 양립할 수 있으나 이들로 부터 독립한 피이드백 제어시스템을 더욱더 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 반도체 레이저의 협대역 라인폭뿐아니라 장기간 주파수 안정 동작을 달성하는 것이다.
본 발명은 레이저, 특히 주파스 안정 레이저에 대한 것이다.
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고유의 광학적 통신 송수신시의 반도체 레이저 안정화 시스템 블록 도표를 도시한 도면.
제2도는 제1도의 송수신기내 기준 공동으로서 패브리-페롯(Fabry-Perot)인터페로미터를 사용하는 광학적 공진기(20)의 실시예를 설명한 도면.
제3도는 제1도의 송수신기에서 한 기준 공동으로서 세 요소 링 공진기를 사용하는 광학적 공진기(20)의 실시예를 설명한 도면.
제4도는 제1도의 송수신기내 기준 공동(cavity)으로서 광섬유 링 공진기를 유지시키는 팬광을 사용하는 광학적 공진기(20) 실시예를 설명한 도면.
제5도는 제1도의 송수신기에서 DC-2.5 GHz로부터 플랫 주파수 응답을 발생시키는 실시예에서 광전자 프론트 엔드(22)로 이루어진 회로를 대표하는 개략적 도면.
제6도는 제1도의 송수신기 결합기(32) 임피던스 정합 네트워크를 통한 레이저에대한 인터페이스를 포함하는 서보 루프(servo loop) IF 증폭기(14) 섹션의 개략적 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
12 : 반도체 레이저 14 : IF 증폭기
16 : RF 오실레이터 18 : 광 결합기
20 : 광 공진기 22 : 광전자 프론트(front) 엔드
24 : 필터 26 : RF 증폭기
28 : 위상 탐지기 32 : 컴바이너(결합기)
36 : 반도체 레이저(종속) 38 : IF 증폭기
40 : RF 오실레이터 42 : 광 결합기
44 : 광 전자 프론트 엔드 46 : 필터
52 : 방향성 결합기 54 : 컴바이너
72 : PIN 광 다이오드 82 : PM 섬유
84 : 광 결합기 86 : 결합된 PM 섬유링
90 : IF 입력 122 : 신호입력
126 : RF 입력 134 : 광출력
이들 및 다른 목적들은 반도체 레이저를 안정시키는 공개된 주파수 방법에 의해 제공되며, 이때 레이저 위상은 공진기 위상(또는 또다른 광학적 기준 신호 위상)과 관련하여 탐지되고, 레이저로의 주파수 제어 신호로 피이드백된다. 상기의 방법은 광학적 공진기의 리키지 필드(leakage field) 를 광다오드내 반도체 레이저의 주파수 변조 출력을 광학적으로 혼합함으로써 헤테로다인 비트 노트내 레이저 스펙트럼 마이크로파 신호를 탐지하고, 적절한 위상관계에 맞는 결과로 발생된 마이크로파 스펙트럼을 주파수 변조 기준 소스와 혼합하므로써 레이저 위상을 탐지하는 단계들을 포함한다. 상기의 방법은 헤테로다인 스펙트럼의 탐지된 위상을 필터링하고, 헤테로다인 스펙트럼의 탐지된 위상을 스케일링하며, 그리고 주파수 변조 기준 소스와 스케일 탐지된 헤테로다인 스펙트럼 위상으로 반도체 레이저를 변조시키는 단계를 포함한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 레이저 안정화 제어시스템(10)의 블록 도표를 도시한 것이다. 도시된 바와같이, 반도체 레이저(12)는 IF 증폭기(14), 마이크로파(RF) 오실레이터(16) 그리고 신호 입력에 의해 변조된다. 도 1 에 의해 대표되는 반도체 레이저(12)가 InGaAsP 분산 피이드백 레이저(가령 AT&T 사 제조 모델 257)인때, 인덱스 안내 레이저 및 다른 타입의 헤테로구조 디자인 등을 포함하는 어떠한 종래의 레이저로도 적용될 수 있다. 사실, 본 발명은 InGaAsP 레이저 뿐 아니라 GaAlAs 레이저에서도 잘 사용될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
RF 오실페이터(16)로부터의 한 신호에 의해 레이저(12)를 변조시키는 것은 RF 오실레이터(16)의 주파수로 레이저 위상이 변조될 수 있도록 한다. 다음에 레이저(12)의 안정화가 결합기(32)내 RF 오실레이터(16)로부터의 신호와 결합된 한 피이드백 신호에 의해 하기에서 설명된 바와같이 달성된다.
상기의 실시예에서, 광 결합기(18)는 적절한 결합비의 광학적 요소를 포함한다. 상기 광 결합기(18)는 비임스플리터(beamsplitter) 또는 부분 반사경으로 작용하여 레이저 방출이 광학적 요소를 때리는때 광선의 일부가 광학적 요소를 통해 전달되고 일부는 이로부터 반사된다. 광 결합기(18)를 통해 전송된 부분은 통신 신호로서 유용하며 결합 또는 반사된 것은 피이드백 신호로 사용하기 위해 광 공진기(20)를 향하게 된다. 상기 광 결합기(18)는 적절한 광 코팅이 있는 거울이거나 적절한 결합 비를 갖는 수동 광섬유 장치일 수 있다.
상기 광 공진기(20)는 도 2 와 도 3 에서 각각 도시된 바와같은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 인터페로미터(56) 또는 링 공진기(74) 구성을 갖는다. 도 4 는 광섬유 링 공진기(86)가 사용되는 바람직한 실시예를 도시한다. 이같은 발명의 목적을 위해, 입력 섬유(82)와 광섬유 링(86)사이의 광학적 링 결합기(84)는 패브리-페롯 인터페로미터(56)의 입력 거울(66)에 유사한 방식으로 기능한다. 광섬유 링 공진기(86)의 공진 모드 동작은 링 공진기(74)에서의 세로방향 모드 동작과 유사하다.
패브리-페롯 인터페로미터(56)가 사용되는 도 2 에 의해 도시된 실시예에서 때로는 광학적 공진기(56)와 반도체 레이저(12) 사이에서 높은 수준의 격리가 유지되어야 함이 중요하다. 이같은 실시예에서, 상기 격리는 입력(58)과 출력(62) 편광장치와 결합하여 파라디(Farady) 회전자(6)에 의해 달성된다. 상기 입력 편광장치(58)는 강한 피이드백 신호를 광전자 프론트 엔드(22)로의 입력으로 구성된 광다이오드(72)로 보내는 편광선택 비임스플리터 기능을 수행하며, 반도체 레이저(12)로부터 필요한 격리를 제공한다.
반면에, 한 광 공진기(74)를 사용하는 본 발명(도 3)의 실시예에서, 상기 입력 거울(76)이 축에서 벗어나도록 기울어지며, 따라서 상기 입력 거울(76)이 레이저(12)대신 PIN 광다이오드(72)로 할당되기 때문에 상기의 디자인은 광학적 공진기(74)와 반도체 레이저(12)사이에서 고유의 격리를 제공한다. 따라서, 레이저(12)로부터의 상기 공진기(74)의 격리를 제공함에 추가하여, 상기 링 공동(74)의 입력 거울(74)은 피이드백 신호에 대한 비임스플리터 이차 기능을 수행한다.
광학적 공진기(20)에서 공진 파워가 달성될 수 있도록 하기위해, 상기 레이저 비임의 공간 특성은 광학 공진기(20)의 필요한 공간 모두에 매치(match)시켜야 한다. 이는 대개 모드 매칭 렌즈(64)로 달성될 수 있다.
패브리-페롯 공진기(56)와 링 공진기(74)(86)가 주파수 선택에서 유용한 동안, 특히 고도의 교묘한 처리(가령 50,000-100,000)에서 디자인 하는 것은 곤란하다. 1 밀리미터의 일천분의 몇 인 허용오차를 갖는 광학적 반사장치가 필요하다. 초고 반사도 거울을 손실이 백만분의 몇을 초과하지 않고 광학적으로 코팅할 것이 또한 요구된다. 필드 응용에 전형적인 거칠은 환경에서 오랜기간동안 정밀한 배열을 유지시키는 것이 용이하지않다.
도 4 에서 도시된 바와같은 바람직한 실시예에서, 도 3 의 링 공진기(74) 벌크 광학장치(76, 78, 80)는 광 섬유 요소(82, 84, 86)로 대체된다. 이경우에, 도 3 에서 링 공진기(74)를 형성시키는 광 결합기 장치(78, 80)는 편광유지(PM) 섬유(86)에 의해 대체된다. 도 4 에서 도시된 방식으로 실시예를 실현하기 위해 입력 PM 섬유(82)와 광섬유 링 공진기(86)사이의 링 결합기(84)안쪽에 손실이 적은 인터페이스를 제공하는 것이 중요하다. 광섬유 링 결합 장치(84) 또는 광 섬유 링(86)에서의 어떠한 손실도 공진기 처리의 질을 떨어뜨릴 것이라는 것을 알아야 한다. 따라서, 사용된 광학적 링 결합기(84)는 최소의 초과 손실을 갖는 결합된 PM 섬유들사이의 비교적 낮은 결하비(가령, <1%)를 제공해야 한다. 대개 초과의 손실은 광학적 결과를 달성시키기 위해 상기 결합비 보다 상당히 작아야 한다.
편광유지 광섬유 링(86)을 상기 광학적 공진기(20)에 적용함과 관련하여서는, 몇가지의 최종 노트가 제대로 되어있다. 작업 어셈블리를 달성하기위해, 광섬유 공진기(86)에 결합된 편광 유지 섬유(82)의 입력으로 소개될 수 있도록함이 중요하다. 레이저 출력과 PM 섬유 입력사이에 편광요소를 삽입하고 전송된 편광의 방향이 PM 섬유의 본래 축(즉, 패스트 또는 슬로우 축)에 해당하는 전송된 편광의 방향을 정렬하므로써 이를 달성할 수 있으며, 따라서 이는 PM 섬유를 따라 전파되는때 광학적 편광의 질을 유지시킬 것이다.
또한 링 공진기(86)를 형성시키는 섬유를 유지시키는 편광의 두 엔드를 연결시키는 스플라이스(splice)는 높은 편광 유지 질을 또한 가져야 한다. 이는 링 공진기(86)를 형성시키는 PM 섬유의 두 엔드를 함께 연결시키기 위해 결합 스플라이서(가령 Alcoa-Fujikura 모델 FSM-20PMⅡ)를 유지시키는 질이 좋은 편광을 사용하므로써 달성 될 수 있다. 이같은 접근을 따른다면, 본 발명의 이같은 특징을 실시하기 위해 적합한 안정된 광학적 공진기의 조립은 비료적 명백한 것이다.
상기에서 설명된 바와같이, 광학적 공진기(20)는 광 섬유장치(가령, 결합된 PM 섬유 링(86)) 이거나 벌크 광학적 장치(가령, 패브리-페롯 인터페로미터(56))일 수 있다. 상기의 광학적 공진기(20)는 상업적으로 구입가능한 광학장치를 이용하여 적절한 레이저 주파수(가령, 230THz)와 적절한 피네스(finesse)(가령, 200)로 공진하도록 구성될 수 있다. 훨씬 더 높은 피네스(가령, 80,000)는 연구 그레이드 광 컴포넌트를 사용하여 달성될 수 있으며, 특히 잘 작용할 수 있지만, 본 발명은 낮은 피네스(가령, 1000이하)를 갖는 공진기에 적용되는때 제조비용이 경제적이며 유일한 것으로 판단된다.
상기 광전자 프런트 엔드(22)는 적절한 고속 광탐지기를 통하여 광 시스템의 광학적 공진기로 접속된다. 상기 실시예에서 PIN 광다이오드(72)(가령, EPITAXX 모델 ETX 60B)가 선택된다.
바람직한 실시예에서, 전 통신 시스템 대역폭(가령, 10MHz)에서 이득을 제공하는 트랜스임피던스 증폭기(도 5)는 PIN 광다이오드(72)로부터 출력을 증폭하도록 사용된다.
도 5 는 광전자 프론트 엔드(22)의 실시예를 대표하는 개략적 도표를 도시한다. 광 섬유(82) 내에 담긴 광 신호는 공통 에미터 증폭기 트랜지스터(140), 에미터 플로우어 트랜지스(144), 트랜스임피던스 저항기(134) 그리고 전압 강하 저항기(138)를 포함하는 트랜스임피던스 증폭기의 입력에 연결된 PIN 광다이오드(72)로 입사한다. 전류 전원 트랜지스터(150)는 저항기(154)(156)로 구성된 전압 디바이더에 의해 세트된 베이스 전압 이하의 한 다이오드 접합 전위에서 저항기(152) 에서의 전압 강하를 조절하며, 이에의해서 전압 강하 저항기(138)를 통해 전류를 조절한다. 트랜스임피던스 저항기(134)(즉, 신호전류)를 통해 흐르는 최대전류는 저항기(138)에서의 전압강하를 조절하는 전류보다 훨씬 작으며 상기 바이어스 조건에서의 어떠한 오류도 상기 증폭기의 전 동적 범위에서 작게될 것이다.
광전자 프론트 엔드(22)를 폴로우(follow)하는 필터(24)는 피이드백 시스템의 어떠한 응답도 통신 신호(즉, 신호 입력) 에 의해 발생된 변조로 감쇄시키도록 만들어지며, 이때 RF 오실레이터(16)로 인한 변조는 통과시킨다. 상기 실시예에서 고역 통과 필터가 사용되며, 이 필터는 1.2 GHz 에서 < 1.0 dB 삽입 손실을 달성하고, 800 MHz에서 > 95 dB의 감쇄를 제공한다(가령, 인버트된 Techbycheff 필터: 통과대역내에는 4개 극점과 4개의 영점이 있다).
RF 증폭기(26)는 위상 탐지기(28)(가령, Wattins-Johnson M2GC) 및 방향 결합기(30)(가령, Narda 4012C-10)에서와 같은 직렬연결의 종래 광대역 장치이다. RF 증폭기의 가장 독특한 특징은 그 이득이 높게 정해져서(가령, > 90dB) RF 오실레이터(16) 주파수에서 위상 탐지기(28)로의 피이드백 신호내에 담긴 평균 전력이 위상 탐지기(28)내 다이오드들을 포화시키지만 광전자 프론트 엔드(22)에의해 달성된 신호대 잡음비를 떨어뜨릴 정도로 높지는 않은 수준이 되도록 한다. 위상 탐지기(28)는 이중 밸런스 믹서일 수 있으며, 이때 IF 포트는 DC-결합되어서 그 장치가 위상 탐지기(28)로서 작용할 수 있도록 하여야 한다.
상기 위상 탐지기(28)의 동작은 제어 시스템의 올바른 기능에 중요한 것이다. 상기 위상 탐지기(28)로의 RF 입력을 구동시키는 신호는 상기 레이저 위상의 전력 스펙트럼 밀도를 갖는다. 이같은 실시예에서 설명된 레이저 송신기(10)의 경우에 신호는 레이저(12)를 광 공진기(20) 공진의 광학적 필드와 광학적으로 혼합시키므로써 발생된 차이 주파수 발생에 의해 발생된다. 상기 혼합은 PIN 광다이오드(72)에서 발생된다.
상기 레이저(12)가 RF 오실레이터(16)에의해 변조되므로 RF 오실레이터(16)의 주파수로 피이드백 루우프에서 발생된 RF 차이 주파수는 레이저(12)의 주파수 스펙트럼의 위상 변조 성분을 광학적 공진기(20)에의해 스펙트럼 차원에서 필터된 리키지 필드 성분과 광학적으로 혼합시키므로써 발생됨이 분명하다. 광학적 공진기(20)로부터 스펙트럼으로 필터된 성분의 주파수 스펙트럼은 반도체 레이저(12)의 본래 출력보다 그 대역이 훨씬 좁기 때문에 스펙트럼으로 필터된 신호는 레이저 주파수 스펙트럼내 많은 미세구조를 PIN 광다이오드(72)내 피이드백 신호내로 포함시킬 수 있다. 이는 헤테로다인 비트 노트에서와 같이 PIN 광다이오드(72)에서 발생된 광전류의 변조에서 발생된다.
따라서 상기 레이저의 위상은 RF 피이드백 신호의 위상에 포함한다. 상기 위상 탐지기(28)는 뒤이어 RF 신호의 위상을 탐지하며, 이에의해서 레이저의 위상을 탐지한다. 헤테로다인 비트 노트에 담긴 레이저의 위상은 구상의 헤테로다인 비트 노트를 RF 오실레이터(16)로부터의 기준 신호와 혼합시키므로써 위상 탐지기(28)에서 탐지된다.
위상 탐지기(28)의 기능은 상기 탐지된 위상을 적절한 극성의 dc 결합에서 신호로 변환시키어 서버 작동기(즉, 레이저(12))에서 위상 교정을 발생시키도록 하는 것이다. 위상 탐지기(28)의 IF 출력 DC 특징은 LO 및 RF 포트에서의 신호들 사이 위상 관계에 의해 결정된다. 따라서 이같은 위상 관계는 적절한 IF 응답을 발생시키도록 조절되어야 한다. 상기의 조절은 RF 오실레이터(16)의 주파수를 맞추거나 방향 결합기(30)와 위상 탐지기(28)로의 LO 입력사이 지연된 물리적 길이를 변경시키므로써 이루어진다.
위상 탐지기(28)로의 LO 와 RF 입력 신호 사이의 위상 관계가 적절히 조절되는때, 상기 IF 신호는 상기 광학적 공진기(20)의 공진 모드가까이에서 레이저 주파수에 상응하는 분명한 쌍극 형상을 갖는다. 따라서 한 위상 에러가 발생되면 이는 상기 레이저를 고주파수로 구동시키며 IF 신호내 한 상응하는 신호는 상기 레이저(12) 위상이 광학적 공진기(20)위상에 상응할때까지 상기 레이저 접합 전류를 증가시키도록 한다. 반대로 한 위상 에러가 저 주파수 레이저 방출에서 일어나면 IF 신호는 접합 전류가 줄어들도록 할 것이다.
IF 증폭기(14)는 위상 탐지기(28)로부터의 한 에러 신호를 처리하며 상기 피이드백 시스템의 레이저(12)로의 인터페이스를 제공한다. IF 증폭기와 레이저 구동 회로의 결합기 섹션 실시예를 도시하는 개략적 도표가 도 6 에 도시된다. 위상 탐지기(28)의 IF 출력은 상기 실시에에서 IF 입력(90)으로 적용된다. 디플렉싱 필터의 고역 통과 섹션은 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상으로부터의 고주파 성분을 필터하고 노드(90, 94, 104)를 통과하는 IF 증폭기의 최종단계로의 IF 신호 고주파 성분의 피이드포워드를 수용한다.
상기의 최종단계는 클램핑을 사용하는 합산 증폭기(1-6), 전류 피이드백 op-amp(106)(가령, Comliner CLC 502)로 되어있다. 이같은 포워드 기술은 IF이득의 추가단계로인한 위상 마진 감쇄에도 불구하고 IF 대역폭이 증가되도록 한다.
한 저역 통과 섹션은 IF신호의 더욱 낮은 푸리에 주파수 성분을 수용하며, 이때 추가의 이용가능 위상 마진이 추가의 IF 이득(즉, 스케일링) 삽입을 가능하게 한다. 도 6 에서 도시된 실시예에서 한 단일 단계 증폭기가 사용되는데 이는 높은 이득과 광 대역폭 op-amp(100)(가령, Comliner CLC 422 또는 CLC 401)를 포함한다. 더욱 낮은 푸리에 주파수에서 스케일된 출력은 op-amp(106)의 합산 접합(104)에서 고주파수 성분과 결합된다.
상기 IF 신호(즉, 헤테로다인 비트 노트의 고주파수 성분과 스케일되고 탐지된 위상)은 에미터 폴로우워 트랜지스터(108)와 조화되어 op-amp(106)를 통해 레이저 접합 전류를 구동시킨다. 상기의 전류는 저항기(110)에서의 전압에 상응하는 노드(104)에서의 op-amp로의 입력전압에의해 세트된다. 전류 소스 트랜지스터(108)의 콜렉터는 컴바이너(32)회로의 노드(112)에서 저역통과 섹션에 의해 레이저에 매치된 임피던스이다. 이같은 임피던스 매치는 op-amp(106)의 전 이득 대역폭을 포함할 필요가 있는 광 대역폭에서 유지되어야 한다.
상기 컴바이너(32)(도 6)는 방향 결합기(30)를 통해 RF 오실레이터(16)로부터의 신호를 결합시키기위해 IF 신호에 대한 저역 통과 섹션(112)(가령, DC-250MHz)고 고역통과 섹션(114)(가령, 0.25~4.0 GHz)를 포함하는 멀티플렉싱 필터로서 작동한다. RF 오실레이터(16)과 IF 증폭기(14)로부터의 신호들을 결합시키는 것외에도, 상기 컴바이너(결합기)(32)는 광대역 고역 통과 특징(가령, 0.01-2.0 GHz)의 한 신호 입력 포트를 포함한다. 상기 실시예에서, 레이저(12)와 저항기(118)는 디플렉서 출력 노드(116)에 의해 구동된 매치된 부하내에 포함되나, 상기 레이저만이 신호 입력(122)에 상응하는 매치된 부하내에 포함된다. 따라서 겹쳐지는 주파수 응답 영역에서 간섭하지 않는 방식으로 신호들을 결합하는 것이 가능하다. 상기 고역통과 필터(124)는 상기 통신신호를 상기 레이저(12)에 결합시키며, 디플렉서(116)의 상기 저역 통과 필터(112)는 상기 IF 피이드백 신호를 상기 레이저(12)로 결합시킨다. 따라서, 상기 언급된 모든 신호들은 어떠한 소스로 인해서도 레이저 성능이 떨어지지 않고 결합되어지고 그뒤에 레이저(12)를 변조시킬 수 있다. 상기 변조된 광학적 출력은 고유의 레이저 송신기 광 출력을 포함하는 광섬유(134)에 결합된다.
반도체 레이저(종속)(36)의 기능은 고유의 호모다인 또는 헤테로다인 광 수신기에서 로컬 오실레이터로서 사용된다. 상기 반도체 레이저(종속)(36)를 제어하는 서보 시스템은 로컬 오실레이터 레이저(36)가 헤테로다인 광학적 혼합 스펙트럼 내 RF 에러 신호의 유도를 위해 광학적 공진기(20)를 사용하지 않는다는 것을 제외 하고는 송신기 레이저(12)를 제어하는 서보 시스템과 동일하다. 또한 RF 오실레이터(40)의 주파수는 상기 서보의 전 IF 대역폭 적어도 두배만큼 상기 RF 오실레이터(16) 주파수로부터 분리되어야 한다. 이와같이 하므로써, 주 레이저와 종속 레이저 사이의 에러 신호에대한 적절한 할당을 보장할 수 있다. 레이저(36)에 대한 로컬 오실레이터 서보가 광학적 공진기를 필요로 하지 않는 이유는 잔류의 레이저 송신기 전력이 상기 광학적 공진기 리키지 신호가 송신기 레이저(12)에 대한 제어를 제공하기 때문에 로컬 오실레이터 레이저(36)를 제어하는 서보에서와 같은 기능을 제공한다. 따라서, 상기 실시예는 상기 로컬 오실레이터 레이저가 상기 송신기 센터 주파수에 직접 로크(고정되다)될 수 있도록 하며 이는 결국 고유의 광학적 신호에 대한 명백한 호모다인 탐지를 가능하도록 한다. 이같은 시스템으로 헤테로다인 로크를 달성시키는 것이 또한 가능한데, 이때에는 로컬 오실레이터 레이저(36)가 약간의 위상 오프셋 에러를 갖는 송신기 레이저(12) 중심 주파수에 고정된다.
피이드백 제어 시스템은 상기 피이드백 루우프 시스템이 위상 잡음이 보상되어야하는 가장 높은 주파수 푸리에 성분을 초과하는 주파수에서 이득을 나타냄을 제공하므로써 피이드백 작용에 의해 고유 위상 잡음을 억누르도록 사용될 수 있다. 따라서, 레이저 소스의 라인폭을 좁아지도록 하기 위해 서보 루우프의 이들 대역폭은 레이저 라인폭을 초과해야 한다. 즉 상기 루우프는 위상 잡음이 가장 높은 푸리에 주파수에서 이득을 가져야 한다. 폐쇄 루우프에도 불구하고, 상기 피이드백 신호의 높은 푸리에 성분이 상기 루우프로 하여금 불안정하게 만들기 이전에 안정도 요구가 허용될 수 있는 최대 그룹지연을 결정한다. 따라서, 주어진 루우프 대역폭에 대한 허용가능 위상 마진내에서 달성될 수 있는 최대 이득이 있게된다.
그러나 반도체 레이저의 경우에서는 상기 사안들의 적용이 그리 간단하지 만은 않다. 상기 레이저는 피이드백 루우프에서 소스, 변조기 및 작동기로서 작용한다. 상기 레이저가 서보 작동기로 작용하기 때문에 접합 전류의 한 변조에 대한 자신의 위상 응답이 사실상 루우프의 전달 특징을 결정한다. IF 피이드백 신호의 동적 범위가 상기 마이크로파 스펙트럼의 상당한 부분에서 상기 레이저 주파수를 제어하기 때문에, 상기 서보 루우프 IF 스펙트럼 주파수 범위를 초과하는 푸리에 주파수에서 상기 루우프가 상기 레이저의 위상 잡음 소거를 나타내게하는 것이 가능하다. 상기 서보 루우프에서 여러 기능을 수행함에 추가하여, 상기 레이저는 본 발명에서 소스 및 변조기와 같은 이중기능을 수행한다. 따라서 한 단일 레이저가 한 복잡한 시스템에서 많은 중요한 기능을 수행하며 이는 극히 비용 효율적이며 고성능의 광학적 시스템을 제공하도록 한다. 응집력있는 광학적 기술의 특성을 갖는 상당한 대역폭과 손실 예산 증가 등을 가만할 때 상기 설명된 본 발명의 유용성은 두말한 나위가 없을 것이다.

Claims (14)

  1. 광학적 공진기의 리키지 필드(leakage field)는 반도체 레이저의 주파수 변조출력과 광학적으로 혼합하므로써 헤테로다인 비트 노트(note)을 탐지하고, 구상(quadrature)인 상기 헤테로다인 비트 노트를 한 무선 주파수 기준 신호와 혼합시키므로써 헤테로다인 비트 노트의 위상을 탐지하며, 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상을 필터하고, 상기 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상을 스케일링(scaling)하며, 그리고 상기 무선 주파수 기준 신호와 상기 스케일되고 탐지된 헤테로다인 비트 노트의 위상으로 상기 반도체 레이저를 변조시키는 단계를 포함하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 반도체 레이저의 출력을 광학적 공진기에 결합시키는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  3. 제3항에 있어서, 상기 헤테로다인 비트 노트를 탐지하는 단계가 반도체 레이저 출력의 한 부분을 광탐지기내로 전환하는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반도체 레이저 출력의 일부분을 상기의 광탐지기로 전환시키는 단계가 상기 광 공진기로부터 한 광주파수 기준 신호를 가로채는 단계를 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 헤테로다인 비트 노트를 탐지하는 단계가 상기 광 공진기 출력의 일부분을 상기 광 탐지기내로 전환시키는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상을 필터링하는 단계가 상기 반도체 레이저의 중심 주파수 가까이에 있는 적어도 하나의 푸리에 주파수 성분을 분리시키는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상이 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상을 증폭하는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 반도체 레이저를 상기 헤테로다인 비트 노트의 고주파수 성분과 스케일되고 탐지된 위상으로 변조시키는 단계가 반도체 레이저와 동작할 수 있도록 상호연결된 전류 증폭기의 입력에서 상기 헤테로다인 비트 노트의 스케일되고 탐지된 위상의 분리된 푸리에 성분을 합산하는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 전류 증폭기의 출력을 상기 반도체 레이저에 임피던스 매칭시키는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  10. 광학적 공진기의 리키지 필드와 반도체 레이저의 주파수 변조출력을 광학적으로 혼합하므로써 광다이오드내 헤테로다인 비트 노트를 탐지하고, 구상인 상기 헤테로다인 비트 노트를 무선 주파수 변조 기준신호와 혼합하므로써 상기 헤테로다인 비트 노트의 위상을 탐지하며, 대역폭 필터링에의해 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상의 낮은 푸리에 주파수 성분 신호로부터 높은 푸리에 주파수 성분 신호를 분리시키고, 상기 헤테로다인 비트 노트 탐지된 위상의 높은 푸리에 주파수 성분 신호와 낮은 푸리에 주파수 성분 신호를 독립적으로 스케일링하고, 그리고 상기 헤테로 비트 노트 탐지된 위상의 스케일되고 높고 낮은 푸리에 주파수 성분 신호 그리고 무선 주파수 변조 소스로 상기 반도체 레이저를 변조시키는 단계를 포함하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 헤테로다인 비트 노트의 한 위상을 탐지하기전에 상기 탐지된 헤테로다인 비트노트를 증폭시키는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 헤테로다인 비트 노트 탐지된 위상의 높고 낮은 푸리에 주파수 성분 신호들을 스케일링 하는 단계가 상기 헤테로다인 비트 노트의 탐지된 위상을 증폭하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 주파수 레이저 주파수 안정 방법.
  13. 광학적 공진기의 리키지 필드와 반도체 레이저의 주파수 변조 출력을 광학적으로 혼합하므로써 한 헤테로다인 비트 노트를 탐지하며, 한 차이 주파수를 발생시키기위해 구상의 헤테로다인 비트 노트를 무선 주파수 기준신호와 혼합하므로써 상기 헤테로다인 비트 노트의 위상을 탐지하고, 상기 발생된 차이 주파수를 스케일링하며, 그리고 상기 스케일링된 차이 주파수로 상기 반도체 레이저를 주파수 변조시키는 단계로 구성된 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 반도체 레이저를 무선 주파수 기준 신호로 주파수 변조하는 단계를 더욱더 포함함을 특징으로 하는 반도체 레이저 주파수 안정 방법.
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