NO166157B - Laserlyskilde. - Google Patents

Abstract

En lyskilde omfatter en halvlederlaser (14) og en gasslaser (10). Halvlederlaseren (14) er injeksjonslåst ved anvendelse av den sterkt koherente utgangseffekt fra gasslaseren. Utgangslyset fra halvlederlaseren har en smal linjebredde og høy stabilitet. Foreliggende opp-fnnelse finner hovedanvendelse i kommunikasjonssystemer. med optiske fibre.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår laserlyskilder og nærmere bestemt injeksjonslåste laserlyskilder.

Foreliggende oppfinnelse har en viktig anvendelse innenfor det tekniske området som gjelder kommunikasjonssystemer over optiske fibre.

Det er hittil gjort betraktelige anstrengelser for å frembringe, særlig med henblikk på kommunikasjonssystemer over optiske fibre, laserlyskilder som arbeider i en enkelt longitudinalmodus og som har liten linjebredde og høy frekvens-stabilitet.

Det er foreslått å benytte en enkelt laserlyskilde av halvledertype og som arbeider i longitudinalmodus og omfatter to halvlederlasere som er slik anordnet at lys fra en hovedlaser av halvledertype sendes inn i en slave-halvlederlaser med det formål å fremme en særlig utvalgt arbeidsmodus for slavelaseren. Forutsatt at de to halvlederlasere er hensiktsmessig styrt, vil den optiske utgang fra slavelaseren være i en enkelt longitudinal arbeidsmodus. (Se f.eks. "Improvement in Intensity Fluctuation Noise of a 1 Gbit/s-Modulated InGaAsP Laser by a Light Injection Technique" J.Yamada et al, Japanese Journal of Applied Physics, bind 19, nr. 11, november 1980, sidene L689-L692; "Modulated Single-Longitudinal Mode Semiconductor Laser and Fibre Transmission Characteris-tics at 1,55 um" , J. Yamada et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, bind QE-17, Nr. 6, juni 1981; fransk patent nr. 2306551 i navnet Licentia Patentverwaltungs GmbH; "Single Mode Operation of 500 Mbit/s Modulated AlGaAs Semiconductor Laser by Injection Locking", S. Kobayashi et al, Electronics Letters, 11. september 1981, bind 16 nr. 19; US-patent nr. 3999146, overdratt til Nippon Electric Company Limited, Tokyo, Japan). Hverken ved bølgelengde i området 850 nm, eller mellom 1,3 og 1,5 um, er det hittil ikke funnet mulig å frembringe en injeksjonslåst laserlyskilde av denne type som er egnet for koherent arbeidende optiske kommunikasjonssystemer, da linjebreddden for disse kilder fremdeles er for stor. Linjebreddene for de låste arbeidsmodi er ofte funnet å ikke være vesentlig smalere enn de som oppnås ved hver halvlederlaser alene. Nærmere bestemt har målinger fastlagt linjebredder i området 100 MHz til 1 GHz i enkel arbeidsmodus, mens det for koherente PSK (faseskiftnøkkel) og FSK (frekvensskiftnøkkel) systemer er nødvendig med linjebredder som er minst to størrelsesordner mindre, og som ideelt ligger under megahertz-området.

Prinsippene og de karakteristiske driftsegenskaper for koherent arbeidende optiske kommunikasjonssystemer er blitt beskrevet tidligere (i f.eks. "Receiver Performance Evalua-tion of Various Digital Optical Modulation-Demodulation Systems in the 0,5 - 10 um Wavelength Region" av Y. Yamamoto, IEEE Journal of Quantum Electronics, bind QE-16, nr. 11, november 1980, sidene 1251 - 1259, samt ytterligere artikler som det der er henvist til).

Koherent arbeidende optiske kommunikasjonssystemer gir vel-kjente fordeler fremfor direkte intensitetmodulerte systemer, og særlig er dette tilfelle ved bølgelengder i området 1,5 um, hvor optiske mottagere med direkte deteksjon vanligvis har dårlig arbeidsfunksjon. Koherent deteksjon er betraktelig mer følsom, således at fordelene kan utnyttes fullt ut av lange avstander mellom sender og mottager som er gjort mulig ved anvendelse av optiske fibre med lave tap og som er tilgjengelig for arbeide i bølgelengdeområdet omkring 1,5 um.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å frembringe en laserlyskilde med liten linjebredde.

Foreliggende oppfinnelse har også som formål å angi en fremgangsmåte for drift av en laserlyskilde på sådan måte at det oppnås en lysutgang med liten linjebredde.

Foreliggende oppfinnelser er basert på den erkjennelse at en betraktelig redusert linjebredde kan oppnås for en slavelaser av halvledertype ved å anvende en gasslaser som hovedlaser. Linjebredden for halvlederlaseren kan på denne måte gjøres tilstrekkelig smal til å kunne anvendes ved koherent arbeidende optisk kommunikasjon.

På denne bakgrunn gjelder foreliggende oppfinnelse en injeksjonslåst laserlyskilde som omfatter en hovedlaser hvis lysutgang er koblet til en slavelaser, og hvis særtrekk er at hovedlaseren er en gasslaser og slavelaseren er en halvlederlaser.

Oppfinnelsen gjelder også et koherent arbeidende optisk kommunikasjonssystem samt en sender for et sådant system og som omfatter en injeksjonslåst laserlyskilde med en hovedlaser hvis lysutgang er koblet til en slavelaser, idet i henhold til oppfinnelsen nevnte hovedlaser er en gasslaser og nevnte slavelaser er en halvlederlaser.

Med foreliggende oppfinnelse er det såledet frembragt en lyskilde som omfatter en første laser eller hovedlaser, samt en annen laser eller slavelaser som er anordnet slik at lys fra hovedlaseren kan trenge inn i slavelaseren for å stimulere denne laser, mens utstyr er anordnet for sådan styring av hovedlaseren og slavelaseren at lysutgangen fra kilden som helhet finner sted i en enkelt longitudinal arbeidsmodus,. idet hovedlaseren er en gasslaser og slavelaseren er en halvlederlaser.

Gasslaseren er fortrinnsvis en helium/neon-laser som er anordnet for å arbeide ved en bølgelengde på omtrent 1,5 um. Denne helium/neon-laser kan ha en kvantebegrenset linjebredde av størrelsesorden 1 Hz og kan styres til å oppnå en langtidsstabilitet som er bedre enn 1 MHz.

Halvlederlaseren kan f.eks. være av en type med bueformet innesluttet halvledersjikt.

Halvlederlaseren har fortrinnsvis en enkelt tverrmodus, og kan f.eks. ha en eller flere longitudinale modi under normale driftsbetingelser.

Foreliggende oppfinnelse gjelder dessuten en fremgangsmåte for drift av en laserlyskilde som omfatter en hovedlaser og minst en slavelaser, og hvis særtrekk er at slavelaseren injeksjonslåses til en gasslaser.

Med fremgangsmåten for drift av en lyskilde i henhold til oppfinnelsen frembringes en lysutgang med en enkelt longitudinal modus, idet fremgangsmåten omfatter to lasere, hvorav den første er en gasslaser og den annen er en halvlederlaser, og som anordnes på sådan måte at lys fra den første laser trenger inn i den annen laser og stimulerer denne.

Et trekk ved lyskilden i henhold til foreliggende oppfinnelse er at den frembringer en lysutgang med linjebredde av størrelsesorden 1,5 MHz eller mindre. En sådan linjebredde er betraktelig smalere enn det som tidligere har vært mulig.

Modulasjon av lyskilden oppnås hensiktsmessig ved å påtrykke et modulasjonssignal på slavelaseren på vanlig måte.

Alternativt kan utgangslyset fra laserlyskilden moduleres i et separat modulasjonsutstyr. Dette utstyr kan f.eks. være anordnet mellom hovedlaseren og slavelaseren.

Mer enn en slavelaser kan være injeksjonslåst til samme hovedlaser.

Når mer enn en slavelaser er låst til samme hovedlaser, kan noen eller hver av slavelasernes lysutganger være frekvens-forskjøvet med en forutbestemt verdi i forhold til den, eller de, øvrige slavelaser(e). Utstyr for å oppnå sådan frekvens-forskyvning kan være anordnet mellom hovedlaseren og slavelaseren^), og kan f.eks. omfatte kommersielt tilgjengelige akusto-optiske frekvensforskyvere.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere beskrevet ved hjelp av et utførelseseksempel under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå ,

fig. 1 er en skjematisk skisse som anskueliggjør en lyskilde i henhold til foreliggende oppfinnelse, og fig. 2a og 2b viser to anvendelser for en lyskilde i henhold

til foreliggende oppfinnelse.

Den foreliggende lyskilde, som er vist skjematisk i fig. 1 på tegningene, omfatter en helium/neo-gasshovedlaser 10 med et He/Ne-rør 10A og et ytre speil 10B, som er slik anordnet at lys som avgis fra disse gjennom en optisk isolator 11 og en linse 12, kan trenge inn i en halvleder-slavelaser 14. Helium/neon-laseren 10 er en kommersielt tilgjengelig laser med ytre speil og utført for drift med lav utgangseffekt og smal linjebredde med en bølgelengde på 1,523 um, og som avgir to utgangsstråler, hver med en effekt på 15 uW. Linjebredden av denne helium/neon-laser ligger under 1,5 HMz. Den optiske isolator 11, som f.eks. kan være en magneto-optisk isolator, tjener til å overvinne potensielle ustabilitetsproblemer på grunn av tilbakekobling.

Halvlederlaseren 14 er en type laser med såkalt bueformet innesluttet (buried crescent) halvledersjikt og som arbeider i en enkelt tverrmodus samt flere longitudinale modi under normale driftsbetingelser.

Laseren 14 er montert i en DIL-pakke (dual in line) med en monomodus fiberhale koblet ende mot ende til laserens ene endekant samt en strålesamlende mikrolinse forbundet med en annen endekant. Under de innledende eksperimenter ble lyset fra He/Ne-laseren 10 ført inn i halvlederlaseren 12 gjennom fiberhalen, mens lysutgangen fra halvlederlaseren var paral-lellført utgangslys fra mikrolinsen. Grunnstyringen for halvlederlaseren 14 kan omfatte et peltier-kjøleelement for regulering av pakketemperaturen.

Ved drift av lyskilden injeksjonslåses halvlederlaseren av lys fra helium/neon-laseren 10. Lysutgangen fra kilden, som utgjøres av utgangslyset fra halvlederlaseren 14, er en stråle med en bølgelengde på 1,5 um, idet utgangslinjebredden er redusert til under 1,5 MHz. Denne reduksjon av linjebredden skriver seg fra det forhold at det i halvlederlaserens resonanshulrom innføres en liten mengde smalbåndet stråling med bølgelengde 1,523 um fra helium/neon-laseren. Denne helium/neon-laser kan stabiliseres til midten av forsterkningsprofilen, hvilket gir en langtidsstabilitet bedre enn 1 MHz.

Målinger utført på laserens modus-spektrum viser at mer enn 85 % av halvlederlaserens utgangseffekt er konsentrert i den injiserte modus på 1,523 um. Drivstrømmen for halvlederlaseren 12 måtte holdes innenfor ±0,5 mA fra den optimale verdi for å oppnå låsing, hvilket antyder en låsebåndbredde på 1GHz. Målinger av utgangslyset fra halvlederlaseren 12 under injeksjonslåste forhold angir en målt linjebredde på omtrent 1,5 MHz eller mindre. Senere målinger ved anvendelse av økt utgangseffekt fra gasslaseren 10 opptil 200 uW samt ved anvendelse av heterodyn-deteksjon med en ytterligere He/Ne-laser, viste en linjebredde mellom halwerdipunktene på mindre enn 30 kHz for den injeksjonslåste halvlederlaser 14, og denne linjebredde syntes å være bestemt av mekaniske og akustiske forstyrrelser av He/Ne-laseren 10. Uten injeksjon ble moduslinjebredden målt til å ligge over 1 GHz. Injek-sjonslåsingen av halvlederlaseren 14 ved anvendelse av helium/neon-laseren 10 forbedrer således halvlederlaserens fasekoherens med mer enn to størrelsesordner.

Reguleringskretsen for styring av laserne 10 og 14 er ikke vist i detalj i fig. 1. Sådanne kretser vil imidlertid være velkjent for fagfolk på området.

To anvendelser av en lyskilde i henhold til foreliggende oppfinnelse er anskueliggjort i fig. 2a og 2b. Fig. 2a viser en sådan lyskilde anvendt i et nøklingsarrangement med ampli-tydemodulasjon og amplitydeforskyvning. Ved dette arrange-ment påtrykkes et modulasjonssignal på halvlederlaseren 14 over en linje 18. Denne modulasjon opptrer i utgangslyset fra laserkildens slavelaser 14, og det modulerte lys kan avgis til en glassfiber 19.

Fig. 2b viser anvendelse av en lyskilde i et nøklingsarrange-ment med fasemodulasjon og faseforskyvning. I dette arrange-ment tilføres modulasjonssignalet over en linje 20 til en kjent modulasjonsinnretning 21 som er anordnet i den optiske bane mellom helium/neon-laseren 10 og halvlederlaseren 14.

Det vil forstås at gasslasere vanligvis er ansett som uegnet for anvendelse i praktisk anvendbare transmisjonssystemer for optiske fibre, på grunn av motforestillinger med hensyn til deres pålitelighet og anvendbare levetid samt de medfølgende omkostninger med hensyn til vedlikehold og tilleggsutstyr. Med de store avstander mellom sender og mottager som kan oppnås ved koherent arbeidende optiske kommunikasjonssystemer ved hjelp av foreliggende oppfinnelse, kan imidlertid de ovenfor nevnte omkostninger for vedlikehold og tilleggsutstyr anses for godtagbare.

Det vil også forstås at en lyskilde i henhold til foreliggende oppfinnelse ikke bare vil kunne brukes i kommunikasjonssystemer, men også finne anvendelse f.eks. i prøve-systemer for utprøving av fibre, hvor heterodyndeteksjon gir sterkt forbedret følsomhet for påvisning av lys som kastes tilbake fra diskontinuiteter i en optisk fiber.

Claims (10)

1. Injeksjonslåst laserlyskilde (10-14) som omfatter en hovedlaser (10) hvis lysutgang er koblet til en slavelaser (14) , karakterisert ved at hovedlaseren (10) er en gasslaser og slavelaseren (14) er en halvlederlaser.

2. Lyskilde ifølge krav 1, karakterisert ved at hovedlaseren (10) arbeider på en bølgelengde i området av 1,5 um.

3. Lyskilde ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hovedlaseren (10) er en helium/neon-gasslaser.

4. Lyskilde ifølge krav 1-3, karakterisert ved at slavelaseren (14) er en halvlederlaser av en type med bueformet innesluttet halvledersjikt.

5. Lyskilde ifølge krav 4, karakterisert ved at slavelaseren (14) er en InGaAsP-laser.

6. Lyskilde ifølge krav 1-5, karakterisert ved at minst en ytterligere slavelaser er injeksjonslåst til hovedlaseren (10).

7. Lyskilde ifølge krav 6, karakterisert ved at den ytterligere slavelaser er anordnet for drift ved en frekvens som er forskjøvet i forhold til den førstnevnte slavelaser (14).

8. Sender for et koherent arbeidende optisk kommunikasjonssystem, og som omfatter en injeksjonslåst laserlyskilde (10-14) med en hovedlaser (10) hvis lysutgang er koblet til en slavelaser (14), karakterisert ved at nevnte hovedlaser (10) er en gasslaser og nevnte slavelaser (14) er en halvlederlaser.

9. Koherent arbeidende optisk kommunikasjonssystem av type PSK eller FSK, og som omfatter en sender som har en injeksjonslåst laserlyskilde (10-14) med en hovedlaser (10) hvis lysutgang er koblet til en slavelaser (14), karakterisert ved at nevnte hovedlaser (10) er en gasslaser og nevnte slavelaser (14) er en halvlederlaser.

10. Fremgangsmåte for drift av en laserlyskilde som omfatter en hovedlaser (10) og minst en slavelaser (14), karakterisert ved at slavelaseren (14) injeksjonslåses til en gasslaser (10).