RU2153215C1 - Способ и устройство стабилизации полупроводникового лазера - Google Patents

Способ и устройство стабилизации полупроводникового лазера Download PDF

Info

Publication number
RU2153215C1
RU2153215C1 RU98110814/28A RU98110814A RU2153215C1 RU 2153215 C1 RU2153215 C1 RU 2153215C1 RU 98110814/28 A RU98110814/28 A RU 98110814/28A RU 98110814 A RU98110814 A RU 98110814A RU 2153215 C1 RU2153215 C1 RU 2153215C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
tone
semiconductor laser
phase
heterodyne
Prior art date
Application number
RU98110814/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU98110814A (ru
Inventor
Брэдли Меллз (US)
Брэдли Меллз
Original Assignee
Файберспейс Анлимитед Л.Л.К.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Файберспейс Анлимитед Л.Л.К. filed Critical Файберспейс Анлимитед Л.Л.К.
Publication of RU98110814A publication Critical patent/RU98110814A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2153215C1 publication Critical patent/RU2153215C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687—Stabilising the frequency of the laser
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06226—Modulation at ultra-high frequencies
    • H01S5/0623—Modulation at ultra-high frequencies using the beating between two closely spaced optical frequencies, i.e. heterodyne mixing

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

Сущность: способ стабилизации частоты полупроводникового лазера заключается в том, что определяют гетеродинный тон биений оптическим смешиванием поля утечки оптического резонатора и частотно-модулированного выходного сигнала полупроводникового лазера и определяют фазу гетеродинного тона биений путем смешивания гетеродинного тона биений в квадратуре с радиочастотным опорным сигналом. Дополнительно осуществляют фильтрацию определенной фазы гетеродинного тона биений и модуляцию полупроводникового лазера с помощью масштабированной определенной фазы гетеродинного тона биений и опорного сигнала радиочастотной модуляции. Технический результат изобретения - создание системы регулирования с обратной связью, которая совместима с резонаторами с высокой добротностью, но не зависит от них, достижение узкой ширины спектральной линии излучения, долговременной работы полупроводникового лазера со стабильной частотой. 3 c. и 11 з.п.ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники
Настоящее изобретение относится к лазерам и, в частности - к лазерам со стабильным по частоте излучением.
Предшествующий уровень техники
Известны способы обеспечения частотного регулирования лазеров. Также известны оптические системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Указанные способы используются в различных лазерах, включая газовые лазеры, лазеры на красителе и твердотельные лазеры, для обеспечения стабилизации частоты и сужения ширины спектральной линии излучения в лабораторных условиях. Ширина линии, как термин, используемый специалистами, относится ко всему спектральному содержимому выходного сигнала лазера, т.е. частотному спектру, а не к какому-либо ограничению разрешающей способности, например, линий/мм оптической системы.
Использование оптической ФАПЧ обычно ограничивалось системами, содержащими лазерные резонаторы, спектральная характеристика которых характеризуется одной частотой относительно узкой ширины линии. Таким образом при использовании известной оптической ФАПЧ передаточная функция оптической системы, содержащей лазерный резонатор, обычно должна обеспечивать адекватную фильтрацию, чтобы выбрать индивидуальный спектральный признак для усиления при ослаблении частот Фурье, на которых может появиться остаточный лазерный фазовый шум. С другой стороны, характерная особенность монолитных полупроводниковых лазеров, связанная с широким разбросом ширины линий излучения, существенно затрудняет регулирование с обратной связью таких устройств. Таким образом, подавляющее большинство исследователей отказались от монолитных конструкций, чтобы уменьшить свободный спектральный диапазон полупроводникового лазерного резонатора.
Ключевой доктриной известных систем было убеждение в том, что активное устройство, содержащее лазерный резонатор, должно проявлять высокую степень когерентности. Таким образом, когда свободный спектральный диапазон оптического резонатора увеличивается, ширина резонансной полосы должна быть соответственно уменьшена, чтобы обеспечить адекватную фазовую стабильность для реализации известных систем оптической ФАПЧ. В некоторых случаях это может быть выполнено путем дальнейшего увеличения добротности (finesse) резонатора или путем использования усилительной среды лазера, в которой энергетическое состояние, стимулирующее излучение, является адекватно метастабильным для требуемого подавления фазового шума.
Стабилизация лазера обычно достигается направлением части выходного сигнала лазера в пассивный оптический резонатор, который резонирует на конкретно определенном ряде частот, не зависящих от частоты лазера, а частота лазера поддерживается на одной резонансной частоте посредством осуществления регулирования с обратной связью. Если коэффициенты отражения зеркал, содержащих резонатор, очень высоки (низкие потери), то резонатор рассматривается как резонатор с высокой добротностью. Математически добротность - это просто свободный спектральный диапазон резонатора, деленный на его полную ширину на частотной характеристике полувысоты (спектральная ширина линии). Это свободный спектральный диапазон резонатора, который определяет спектральную ширину линии для данной добротности. Предложен резонатор с высокой добротностью, который также проявляет свойства долговременной стабильности, являющейся важным элементом при регулировании и стабилизации лазеров.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания системы стабилизации лазера, которая применима для полупроводниковых лазеров.
Другой задачей данного изобретения является создание системы регулирования с обратной связью, которая совместима с резонаторами с высокой добротностью, но не зависит от них.
Еще одной задачей данного изобретения является достижение узкой ширины линии, а также долговременной работы полупроводникового лазера со стабильной частотой.
Краткое изложение существа изобретения
Поставленная задача решается тем, что предложен способ частотной стабилизации полупроводникового лазера, в котором фаза лазера определяется по отношению к фазе резонатора (или фазе другого оптического опорного сигнала) и подается обратно в лазер в виде сигнала регулирования частоты. Способ включает шаги определения микроволновой сигнатуры лазерного спектра в гетеродинном тоне биений оптическим смешиванием поля утечки оптического резонатора и частотно-модулированного выходного сигнала полупроводникового лазера в фотодиоде, и определения фазы лазера путем смешивания результирующего микроволнового спектра с подходящим образом настроенным фазовым соотношением с опорным источником частотной модуляции. Способ дополнительно включает шаги фильтрации определенной фазы гетеродинного спектра, масштабирования определенной фазы гетеродинного спектра и модуляции полупроводникового лазера с помощью опорного источника частотной модуляции и масштабированной определенной фазы гетеродинного спектра.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает блок-схему системы стабилизации полупроводникового лазера когерентного оптического приемопередатчика связи, согласно предпочтительному варианту изобретения;
фиг. 2 изображает вариант выполнения оптического резонатора, использующего в качестве опорного резонатора интерферометр Фабри-Перо в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает вариант выполнения оптического резонатора, использующего в качестве опорного резонатора трехэлементный кольцевой резонатор в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает вариант выполнения оптического резонатора, использующего в качестве опорного резонатора волоконный кольцевой резонатор, сохраняющий поляризацию проходящего излучения, в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает схему, содержащую оптоэлектронный входной каскад, имеющий плоскую частотную характеристику в диапазоне от DC (сигнал постоянного тока) до 2,5 ГГц в приемопередатчике, согласно изобретению;
фиг. 6 изображает схему части усилителя промежуточной частоты (ПЧ усилителя) сервоконтура, включающего сопряжение с лазером через схему согласования импедансов сумматора приемопередатчика, согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Блок-схема системы стабилизации лазера 10 в целом показана на фиг. 1. Полупроводниковый лазер 12 модулируется усилителем ПЧ 14, микроволновым (радиочастотным) генератором 16 и сигнальным входом. Хотя полупроводниковый лазер 12 может представлять собой InGaAsP лазер с обратной связью с распределенными параметрами (например, модель 257, выпускаемая AT&T), данное изобретение применимо к любому известному лазеру, включая (но не ограничиваясь ими) лазеры со светодиодом, сформированным путем распределения показателя преломления, и другие типы лазеров со скрытой гетероструктурой. В действительности изобретение продемонстрировало хорошую работу с GaAlAs лазерами, а также с InGaAsP лазерами.
Модуляция полупроводникового лазера 12 сигналом от генератора радиочастоты (РЧ) 16 вызывает модуляцию фазы лазера на частоте генератора РЧ 16. Затем может быть выполнена стабилизация лазера 12, как описано ниже, сигналом обратной связи, объединяемым с сигналом от генератора РЧ 16 в сумматоре 32.
Согласно данному варианту выполнения оптический ответвитель 18 включает оптический элемент с соответствующим коэффициентом связи (ответвления). Оптический ответвитель 18 функционирует как расщепитель луча или частичный отражатель, так что, когда лазерное излучение попадает на оптический элемент, некоторая часть излучения проходит через оптический элемент, а некоторая часть отражается от него. Та часть, которая проходит сквозь оптический ответвитель 18, является полезным сигналом связи, а часть, которая ответвляется или отражается, направляется в оптический резонатор 20 для использования в качестве сигнала обратной связи. Оптический ответвитель 18 может представлять собой зеркало с подходящим оптическим покрытием или пассивное оптоволоконное устройство с подходящим коэффициентом ответвления.
Оптический резонатор 20 может представлять собой интерферометр Фабри-Перо 56 или иметь конфигурацию кольцевого резонатора 74 (фиг. 2) и (фиг. 3) соответственно. На фиг. 4 представлен предпочтительный вариант выполнения, в которым используется волоконно-оптический кольцевой резонатор 86. Для данного изобретения оптический кольцевой ответвитель 84 между входным волокном 82 и волоконно-оптическим кольцом 86 функционирует аналогично входному зеркалу 66 интерферометра Фабри-Перо 56. Поведение резонансных мод волоконно-оптического кольцевого резонатора 86 вполне подобно поведению продольных мод в кольцевом резонаторе 74.
В варианте, изображенном на фиг. 2, где используется интерферометр Фабри-Перо 56, часто желательно, а иногда и обязательно, чтобы между оптическим резонатором 56 и полупроводниковым лазером 12 поддерживалась высокая степень изоляции. В данном варианте указанная изоляция выполняется вращателем Фарадея 60 в сочетании с входной 58 и выходной 62 поляризующей оптикой. Входная поляризующая оптика 58 также выполняет функцию расщепителя пучка с избирательной поляризацией, который направляет сильный сигнал обратной связи на фотодиод 72, содержащий вход в оптоэлектронный входной каскад 22, обеспечивая требуемую изоляцию от полупроводникового лазера 12.
С другой стороны, в варианте изобретения (фиг. 3), в котором используется кольцевой резонатор 74, входное зеркало 76 выполнено со смещенной осью. Такая конструкция обеспечивает повышенную изоляцию между оптическим резонатором 74 и полупроводниковым лазером 12, поскольку отраженный сигнал от входного зеркала 76 вместо лазера 12 направляется на p-i-n фотодиод 72. Таким образом, дополнительно к изоляции резонатора 74 от лазера 12, входное зеркало 76 кольцевого резонатора 74 выполняет вторичную функцию расщепителя луча для сигнала обратной связи.
Для установления в оптическом резонаторе 20 резонансной мощности необходимо согласовать пространственные характеристики лазерного луча с требуемой пространственной модой оптического резонатора 20. Обычно это можно сделать с помощью линзы согласования мод 64.
Хотя резонаторы Фабри-Перо и кольцевые резонаторы 74, 86 полезны при частотной селекции, их разработка и изготовление затруднено, особенно при высокой добротности (например, 50000-100000). Требуются оптические отражающие устройства, имеющие допуски в тысячные доли миллиметра. Также требуются оптические покрытия для зеркал со сверхвысоким коэффициентом отражения и потерями, не превышающими миллионных долей. Часто бывает трудно поддерживать точную ориентацию в течение длительных интервалов времени в условиях неровностей окружающей среды, что типично при применении лазеров в полевых условиях.
В предпочтительном варианте (фиг. 4) объемная оптика 76, 78, 80 кольцевого резонатора 74 заменяется волоконно-оптическими элементами 82, 84, 86. В этом случае устройство оптического ответвителя 84 заменяет входное зеркало 76 (фиг. 3). Другие оптические элементы 78, 80, которые образуют кольцевой резонатор 74, заменяются волокном, сохраняющим поляризацию проходящего излучения (СП волокном) 86. Для реализации варианта в виде, показанном на фиг. 4, важно обеспечить сопряжение с низкими потерями внутри кольцевого ответвителя 84 между входным СП волокном 82 и волоконно-оптическим кольцевым резонатором 86. Любые потери в волоконно-оптическом кольцевом устройстве ответвителя 84 или волоконно-оптическом кольце 86 ухудшают добротность резонатора. Таким образом, используемый оптический кольцевой ответвитель 84 должен обеспечивать относительно низкий коэффициент ответвления (например < 1%) между разветвленными СП волокнами с минимальными дополнительными потерями. Обычно дополнительные потери должны быть значительно меньше, чем коэффициент ответвления, чтобы достичь оптимальных результатов.
Далее следуют окончательные замечания, касающиеся применения волоконно-оптического кольца 86, сохраняющего поляризацию, с оптическим резонатором 20. Чтобы обеспечить работоспособную сборку, важно, чтобы на вход волокна, сохраняющего поляризацию, 82, подсоединенного к волоконно-оптическому резонатору 86, подавалась однородная линейная поляризация. Это можно обеспечить, поместив поляризующий оптический элемент 64 между выходом лазера и входом волокна и сориентировав передаваемую поляризацию в соответствии с главной осью СП волокна (то есть, быстрой или медленной осью), которая таким образом будет поддерживать неразрывность оптической поляризации, когда она распространяется по СП волокну.
Кроме того, необходимо обеспечить, чтобы сросток, который соединяет два конца волокна, сохраняющего поляризацию, образующих кольцевой резонатор 86, также характеризовался высокой степенью неразрывности сохранения поляризации. Это может быть выполнено путем использования высококачественного устройства сращивания плавкой, сохраняющее высокую степень поляризации (например, модель FSM - 20PMII Alcoa-Fujikura), для сращивания вместе двух концов СП волокна, образующих кольцевой резонатор 86. При условии выполнения указанных рекомендаций сборка стабильного оптического резонатора, подходящего для практической реализации данного аспекта изобретения, становится относительно простой.
Как описывалось выше, оптический резонатор 20 может представлять собой волоконно-оптическое устройство (например, ответвленное кольцо 86 из СП волокна) или устройство объемной оптики (например, интерферометр Фабри-Перо 56). Оптический резонатор 20 может быть сконструирован так, чтобы резонировать на соответствующей частоте лазера (например, 230 ГГц) и при подходящей добротности (например, 200) с использованием имеющихся на рынке оптических компонентов. Хотя путем использования оптических компонентов исследовательского класса может быть достигнута более высокая добротность (например, 80000) и хорошее функционирование, предполагается, что изобретение наиболее выгодно и эффективно при применении резонаторов с более низкой добротностью, например, меньше 1000.
Оптоэлектронный входной каскад 22 сопрягается с оптическим резонатором 20 оптической системы через подходящий высокоскоростной фотодетектор. Согласно изобретению, выбирается p-i-n фотодиод 72 (например, модель ETX 60 В EPITAXX). Согласно предпочтительному варианту для усиления выходного сигнала p-i-n фотодиода 72 используется усилитель напряжения, управляемый током (фиг. 5), который обеспечивает усиление по всей ширине полосы сигналов системы связи (например, от 10 МГц до 2,5 ГГц).
На фиг. 5 показана схема оптоэлектронного входного каскада 22. В этом варианте оптический сигнал, содержащийся в оптическом волокне 82, падает на p-i-n фотодиод 72, который подсоединен к входу усилителя напряжения, управляемого током, содержащего транзистор усилителя с общим эмиттером, транзистор 144 эмиттерного повторителя, резистор 134 усилителя напряжения, управляемого током, и резистор 138 понижения напряжения. Транзистор 150 источника тока регулирует падение напряжения на резисторе 152 с потенциалом p-n перехода одного диода ниже напряжения на базе, устанавливаемого делителем напряжения, содержащим резисторы 154 и 156, тем самым регулируя ток через резистор понижения напряжения 138. При условии, если максимальный ток, который протекает через резистор 134 усилителя напряжения, управляемого током (то есть, ток сигнала) много меньше тока, который регулирует падение напряжения на резисторе 138, любые ошибки в параметрах смещения будут малы во всем динамическом диапазоне усилителя.
Фильтр 24, который следует за оптоэлектронным входным каскадом 22, предназначен для ослабления реакции системы обратной связи на модуляцию, производимую сигналом связи (то есть, сигнальным входом) при прохождении модуляции от РЧ генератора 16. Согласно изобретению используется высокочастотный фильтр, который обеспечивает вносимые потери < 1,0 дБ на частоте 1,2 ГГц при обеспечении затухания > 65 дБ на частоте 80 МГц (например, обратный фильтр Чебышева: четыре полюса и четыре нуля в полосе пропускания).
Последующий РЧ усилитель 26 представляет собой каскад из известных широкополосных устройств (например, AWT-2054 Avantek), так же как и фазовый детектор 28 (например, M2GC Watkins-Johnson) и направленный ответвитель 30 (например, 4012С-10 Narda). Наиболее уникальной особенностью РЧ усилителя является то, что коэффициент усиления устанавливается достаточно высоким (например, >90 дБ), чтобы привести среднюю мощность сигнала обратной связи, поступающей на фазовый детектор 28 на частоте РЧ генератора 16, к уровню, который насыщает диоды в фазовом детекторе 28, но не так сильно, чтобы ухудшить отношение сигнал-шум, обеспечиваемое оптоэлектронным входным каскадом 22. Заметим, что фазовый детектор 28 может быть кольцевым балансным смесителем в случае, когда необходимо обеспечить, чтобы ПЧ порт был портом связи по постоянному току, чтобы устройство функционировало как фазовый детектор 28.
Работа фазового детектора 28 сильно зависит от правильного функционирования системы регулирования. Сигнал, который возбуждает РЧ вход в фазовый детектор 28, содержит спектральную плотность мощности фазы лазера. В случае описанного здесь лазерного передатчика 10 сигнал генерируется путем генерации разностной частоты, выполняемой оптическим смешиванием лазера 12 с резонансным оптическим полем оптического резонатора 20. Указанное смешивание имеет место в p-i-n фотодиоде 72.
Имея в виду, что лазер 12 подвергается фазовой модуляции РЧ генератором 16, становится ясным, что РЧ разностная частота, генерируемая в контуре обратной связи на частоте РЧ генератора 16, получается благодаря оптическому смешиванию составляющей фазовой модуляции частотного спектра лазера 12 с составляющей поля утечки, которая была спектрально отфильтрована оптическим резонатором 20. Поскольку частотный спектр спектрально отфильтрованной составляющей из оптического резонатора 20 много уже, чем у необработанного выходного сигнала полупроводникового лазера 12, спектрально отфильтрованный сигнал способен к разрешению большей части тонкой структуры в частотном спектре лазера в сигнале обратной связи внутри p-i-n фотодиода 72. Этот спектр появляется при модуляции фототока, выполняемой в p-i-n фотодиоде 72 на частоте РЧ генератора в виде гетеродинного тона биений.
Таким образом, фаза лазера содержится в фазе РЧ сигнала обратной связи. Фазовый детектор 28 фактически определяет фазу РЧ сигнала, тем самым определяя фазу лазера. Фаза лазера, которая содержится в гетеродинном тоне биений, определяется в фазовом детекторе 28 смешиванием гетеродинного тона биений в квадратуре (сдвиг по фазе 90o) с опорным сигналом от РЧ генератора 16.
К функции фазового детектора 28 относится преобразование определенной фазы в сигнал ошибки постоянного тока соответствующей полярности для выполнения фазовой коррекции в сервовозбудителе (то есть, лазере 12). DC характеристики ПЧ выходного сигнала фазового детектора 28 определяются фазовым соотношением между сигналами на портах ЛГ (локального генератора) и РЧ. Таким образом это фазовое соотношение должно быть отрегулировано так, чтобы получить соответствующую ПЧ характеристику. Такая регулировка может быть выполнена путем подстройки частоты РЧ генератора 16 или путем изменения физической длины линии задержки между направленным ответвителем 30 и ЛГ входом в фазовый детектор 28.
Если фазовое соотношение между входными сигналами ЛГ и РЧ в фазовый детектор 28 было отрегулировано правильно, то сигнал IF имеет явно выраженную биполярную форму в соответствии с частотами лазера в окрестности резонансной моды оптического резонатора 20. Таким образом, если появляется фазовая ошибка, которая возбуждает лазер на более высокой частоте, соответствующее изменение в ПЧ сигнале вызовет возрастание тока светоизлучающего p-n перехода лазера, пока фаза лазера 12 не будет соответствовать фазе оптического резонатора 20. В противном случае, ПЧ сигнал заставит уменьшаться ток светоизлучающего p-n перехода, если фазовая ошибка приводит к излучению лазера на пониженной частоте.
ПЧ усилитель 14 обрабатывает сигнал ошибки от фазового детектора 28 и обеспечивает сопряжение системы обратной связи с лазером 12. Схема, изображающая вариант осуществления отдельных частей ПЧ усилителя и сумматора схемы возбуждения лазера, показана на фиг. 6. В этом варианте ПЧ выход фазового детектора 28 подается на ПЧ вход 90. Высокочастотная часть дуплексного фильтра фильтрует высокочастотную составляющую из определенной фазы гетеродинного тона биений и обеспечивает прямую связь высокочастотной составляющей ПЧ сигнала непосредственно с конечной ступенью ПЧ усилителя через узлы 90, 94, 104. Эта конечная ступень содержит суммирующий усилитель 106, использующий операционный усилитель 106 с токовой обратной связью и фиксацией уровня (например, CLC 502 Comlinear). Такой способ прямой связи позволяет увеличить ширину полосы сигнала, несмотря на уменьшение запаса по фазе из-за дополнительных ступеней ПЧ усиления.
Низкочастотная часть пропускает низкочастотные составляющие Фурье ПЧ сигнала, когда дополнительный имеющийся запас по фазе позволяет ввести дополнительное ПЧ усиление (то есть, масштабирование). В варианте, показанном на фиг. 6, используется однокаскадный усилитель, который включает в себя широкополосный операционный усилитель с большим коэффициентом усиления 100 (например, CLC 422 или CLC 401 Comlinear). Масштабированный выходной сигнал на низких частотах Фурье объединяется с высокочастотными составляющими в узле суммирования 104 операционного усилителя 106.
ПЧ сигнал (то есть, высокочастотная составляющая и масштабированная определенная фаза гетеродинного тона биений) возбуждает ток светоизлучающего p-n перехода лазера через операционный усилитель 106 в сочетании с транзистором 108 эмиттерного повторителя. Этот ток устанавливается входным напряжением, подаваемым в узел 104 операционного усилителя, которое соответствует напряжению на резисторе 110. Коллектор транзистора 108 источника тока согласуется по импедансу с лазером посредством низкочастотной части у узла 112 схемы сумматора 32. Важно отметить, что указанное согласование импедансов должно поддерживаться по всей ширине полосы, которая возможно должна содержать всю ширину полосы усиления операционного усилителя 106.
Сумматор 32 (фиг. 6) функционирует как мультиплексирующий фильтр, который содержит низкочастотную часть 112 (например, от DC до 250 МГц) для ПЧ сигнала и высокочастотную часть 114 (например, от 0,25 до 4,0 ГГц) для ввода сигнала от РЧ генератора 16 через направленный ответвитель 30. Вдобавок к объединению сигналов от РЧ генератора 16 и ПЧ усилителя 14 блок суммирования 32 включает порт ввода сигнала широкополосной высокочастотной характеристики (например, от 0,01 до 2,0 ГГц). В данном варианте как лазер 12, так и резистор 118 включены в согласованную нагрузку, возбуждаемую выходным узлом диплексора 116, но только лазер включен в согласованную нагрузку, соответствующую сигнальному входу 122. Таким образом можно объединять сигналы без интерференции в области перекрытия частотной характеристики. Высокочастотный фильтр 124 подает сигнал связи на лазер 12, а низкочастотная часть 112 диплексора 116 подает на лазер 12 ПЧ сигнал обратной связи. Все вышеупомянутые сигналы могут таким образом объединяться и вслед за этим модулировать лазер 12 без ухудшения рабочих характеристик лазера из-за воздействия какого-либо источника. Модулированный оптический выходной сигнал подается в оптическое волокно 134, которое таким образом содержит оптический выходной сигнал когерентного лазерного передатчика.
Полупроводниковый лазер (подчиненный лазер) 36 выполняет функцию локального генератора в когерентном гомодинном или гетеродинном оптическом приемнике. Сервосистема, которая управляет полупроводниковым лазером (подчиненным лазером) 36, фактически идентична системе, которая осуществляет регулировку лазера передатчика 12 за главным исключением, состоящим в том, что лазер локального генератора 36 не использует оптический резонатор 20 для получения РЧ сигнала ошибки в гетеродинном оптическом смешанном спектре. Кроме того, частота РЧ генератора 40 должна быть отделена от частоты РЧ генератора 16 по меньшей мере на двойную полную ширину полосы ПЧ сигнала сервосистемы. Это обеспечивает адекватное распределение сигналов ошибки между главным и подчиненным лазерами соответственно. Причина, по которой для сервосистемы локального генератора для лазера 36 не требуется оптический резонатор, состоит в том, что остаточная мощность лазерного передатчика обеспечивает ту же самую функцию для сервосистемы, которая осуществляет регулирование лазера локального генератора 36, что и сигнал утечки оптического резонатора для сервосистемы лазера передатчика 12. Таким образом, данный вариант позволяет зафиксировать лазер локального генератора непосредственно на центральной частоте передатчика, что приводит к устойчивому гомодинному детектированию когерентного оптического сигнала. Также с помощью этой системы возможно достижение гетеродинной фиксации, когда лазер локального генератора 36 фиксируется на центральной частоте лазера передатчика 12 с небольшой ошибкой смещения фазы.
Обычно допускается, что системы регулирования с обратной связью могут использоваться для подавления собственного фазового шума, благодаря действию обратной связи, обеспечивающей то, что замкнутая система с обратной связью осуществляет усиление на частотах, превышающих самую высокочастотную составляющую Фурье, на которой должен компенсироваться фазовый шум. Следовательно, для того, чтобы сузить ширину линии лазера, ширина полосы усиления замкнутой сервосистемы должна превышать ширину линии лазера; то есть, этот контур должен осуществлять усиление на самой высокочастотной составляющей Фурье фазового шума. Однако требования к устойчивости замкнутой системы определяют максимально допустимую суммарную задержку, при превышении которой высокочастотные составляющие Фурье сигнала обратной связи приведут к неустойчивости системы. Таким образом есть, в действительности, максимальный коэффициент усиления, который может быть достигнут в границах принимаемого фазового допуска для данной ширины полосы сигнала контура.
Однако, в случае полупроводникового лазера все не так просто. Лазер функционирует как источник излучения, модулятор и возбудитель в контуре обратной связи. Поскольку лазер функционирует как сервовозбудитель, то на самом деле это его собственная фазовая реакция по отношению к модуляции тока светоизлучающего p-n перехода, что определяет передаточные характеристики контура. Поскольку динамический диапазон IF сигнала обратной связи регулирует частоту лазера на значительной части микроволнового спектра, для данного контура возможно подавление фазового шума лазера на частотах Фурье, которые превышают частоты ПЧ спектра сервоконтура.
Вдобавок к выполнению нескольких функций в сервоконтуре лазер в этом изобретении выполняет двойную функцию как излучатель и как модулятор. В этом и заключается когерентная передача сигнала связи. Таким образом здесь один лазер выполняет множество важных функций в комплексной системе, что дает чрезвычайно эффективный с точки зрения затрат подход к созданию когерентных оптических систем с высокими рабочими характеристиками. Учитывая значительное увеличение ширины полосы сигнала и улучшение баланса потерь, полезность описанного здесь изобретения становится очевидной.

Claims (14)

1. Способ стабилизации частоты полупроводникового лазера, заключающийся в том, что определяют гетеродинный тон биений путем оптического смешивания поля утечки оптического резонатора и частотно-модулированного выходного сигнала полупроводникового лазера, определяют фазу гетеродинного тона биений смешиванием гетеродинного тона биений в квадратуре с радиочастотным опорным сигналом, фильтруют определенную фазу гетеродинного тона биений, масштабируют определенную фазу гетеродинного тона биений, модулируют полупроводниковый лазер с помощью радиочастотного опорного сигнала и масштабированной определенной фазы гетеродинного тона биений.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют ответвление выходного сигнала полупроводникового лазера в оптический резонатор.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при определении гетеродинного тона биений дополнительно осуществляют отвод части выходного сигнала полупроводникового лазера в фотодетектор.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при выполнении отвода части выходного сигнала полупроводникового лазера в фотодетектор дополнительно осуществляют перехват оптического частотного опорного сигнала из оптического резонатора.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении гетеродинного тона биений дополнительно осуществляют отвод части выходного сигнала оптического резонатора в фотодетектор.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при фильтрации определенной фазы гетеродинного тона биений дополнительно осуществляют изоляцию по меньшей мере одной частотной составляющей Фурье в окрестности центральной частоты полупроводникового лазера.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при масштабировании определенной фазы гетеродинного тона биений дополнительно осуществляют усиление определенной фазы гетеродинного тона биений.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при модуляции полупроводникового лазера с помощью высокочастотной составляющей и масштабированной определенной фазы гетеродинного тона биений дополнительно осуществляют суммирование изолированной составляющей Фурье, масштабированной определенной фазой гетеродинного тона биений на входе усилителя тока, оперативно соединенного с полупроводниковым лазером.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что содержит согласование импедансов выхода усилителя тока и полупроводникового лазера.
10. Способ стабилизации частоты полупроводникового лазера, заключающийся в том, что определяют гетеродинный тон биений в фотодиоде путем оптического смешивания поля утечки оптического резонатора и частотно-модулированного выходного сигнала полупроводникового лазера, определяют фазу гетеродинного тона биений путем смешивания гетеродинного тона биений в квадратуре с радиочастотным опорным сигналом модуляции, выделяют сигнал высокочастотной составляющей Фурье из сигнала низкочастотной составляющей Фурье определенной фазы гетеродинного тона биений путем полосовой фильтрации, независимо масштабируют сигнал высокочастотной составляющей Фурье и сигнал низкочастотной составляющей Фурье определенной фазы гетеродинного тона биений, осуществляют модуляцию полупроводникового лазера с помощью сигналов высокочастотной составляющей Фурье и низкочастотной составляющей Фурье определенной фазы гетеродинного тона биений и с помощью источника радиочастотной модуляции.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что дополнительно усиливают определенный гетеродинный тон биений перед определением фазы гетеродинного тона биений.
12. Способ по п.10, отличающийся тем, что при масштабировании сигналов высокочастотной составляющей Фурье и низкочастотной составляющей Фурье определенной фазы гетеродинного тона биений осуществляют усиление определенной фазы гетеродинного тона биений.
13. Способ стабилизации частоты полупроводникового лазера, заключающийся в том, что определяют гетеродинный тон биений путем оптического смешивания поля утечки оптического резонатора и частотно-модулированного выходного сигнала полупроводникового лазера, определяют фазу гетеродинного тона биений путем смешивания гетеродинного тона биений в квадратуре с радиочастотным опорным сигналом для получения разностной частоты, осуществляют частотную модуляцию полупроводникового лазера с помощью разностной частоты.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что осуществляют частотную модуляцию полупроводникового лазера с помощью радиочастотного опорного сигнала.
RU98110814/28A 1995-11-09 1996-11-08 Способ и устройство стабилизации полупроводникового лазера RU2153215C1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/556,040 US5717708A (en) 1995-11-09 1995-11-09 Method and apparatus of stabilizing a semiconductor laser
US08/556,040 1995-11-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98110814A RU98110814A (ru) 2000-04-20
RU2153215C1 true RU2153215C1 (ru) 2000-07-20

Family

ID=24219644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98110814/28A RU2153215C1 (ru) 1995-11-09 1996-11-08 Способ и устройство стабилизации полупроводникового лазера

Country Status (14)

Country Link
US (1) US5717708A (ru)
EP (1) EP0860042B1 (ru)
JP (1) JP3356781B2 (ru)
KR (1) KR100309909B1 (ru)
CN (1) CN1092855C (ru)
AT (1) ATE275765T1 (ru)
AU (1) AU702275B2 (ru)
BR (1) BR9611543A (ru)
CA (1) CA2237215C (ru)
DE (1) DE69633341D1 (ru)
IL (1) IL124358A (ru)
MX (1) MX9803652A (ru)
RU (1) RU2153215C1 (ru)
WO (1) WO1997017749A1 (ru)

Families Citing this family (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6493125B1 (en) * 1998-02-25 2002-12-10 Oki Electric Industry Co., Ltd. Apparatus for stabilizing light source frequency
US6618407B1 (en) 1998-08-27 2003-09-09 Triquint Technology Holding Co. Uncooled universal laser module
US6175579B1 (en) 1998-10-27 2001-01-16 Precision Light L.L.C. Apparatus and method for laser frequency control
KR100319971B1 (ko) * 1999-11-19 2002-01-10 정명세 검출회로를 포함하는 고주파 여기식 슬랩형 도파관레이저장치 및 검출회로를 이용한 레이저의 출력 및주파수 안정화 방법
US6671296B2 (en) * 2000-10-10 2003-12-30 Spectrasensors, Inc. Wavelength locker on optical bench and method of manufacture
US6693928B2 (en) * 2000-10-10 2004-02-17 Spectrasensors, Inc. Technique for filtering chirp from optical signals
US6587484B1 (en) * 2000-10-10 2003-07-01 Spectrasensor, Inc,. Method and apparatus for determining transmission wavelengths for lasers in a dense wavelength division multiplexer
US6611341B2 (en) * 2000-10-10 2003-08-26 Spectrasensors, Inc. Method and system for locking transmission wavelengths for lasers in a dense wavelength division multiplexer utilizing a tunable etalon
US20020131100A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-19 Myers Michael H. Method for photonic wavelength error detection
US6407846B1 (en) 2001-03-16 2002-06-18 All Optical Networks, Inc. Photonic wavelength shifting method
US20020131125A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-19 Myers Michael H. Replicated-spectrum photonic transceiving
US7346083B2 (en) * 2001-04-10 2008-03-18 Hrl Laboratories, Llc Bandwidth enhanced self-injection locked DFB laser with narrow linewidth
US20060215169A1 (en) * 2002-07-11 2006-09-28 Hansjoerg Haisch Delaying interferometer
US7027476B2 (en) * 2002-08-09 2006-04-11 California Institute Of Technology Tunable semiconductor lasers
US6865198B2 (en) 2002-09-27 2005-03-08 Battelle Memorial Institute Cavity ringdown spectroscopy system and method
US7725043B2 (en) * 2004-10-07 2010-05-25 Raytheon Company System and method for reducing interferometric distortion and relative intensity noise in directly modulated fiber optic links
US7324256B1 (en) * 2004-12-27 2008-01-29 Hrl Laboratories, Llc Photonic oscillator
WO2010040169A1 (en) * 2008-10-07 2010-04-15 Ofidium Pty Ltd Optical transmitter
DE102009001664A1 (de) * 2009-03-19 2010-09-23 Robert Bosch Gmbh Lasersystem und Zündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine
RU2445663C2 (ru) * 2009-10-19 2012-03-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") Фазочувствительный способ частотной стабилизации лазерного излучения и акустооптический модулятор для осуществления фазовой модуляции лазерного излучения
CN101719628B (zh) * 2009-11-23 2011-04-20 北京优立光太科技有限公司 便携式半导体激光稳频器
CN102782964B (zh) 2010-02-19 2014-08-27 加州理工学院 耦合到微制造生物分子传感器的扫频半导体激光器及与其相关的方法
CN104078840B (zh) * 2014-07-04 2017-02-15 西安电子科技大学 一种产生激光线性调频信号的方法
US9703045B2 (en) 2014-10-22 2017-07-11 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for laser frequency stabilization using an arbitrarily birefringent resonator
CA3023766C (en) * 2016-07-22 2023-09-05 Halliburton Energy Services, Inc. A fiber optic interrogation system for multiple distributed sensing systems
CN106154837B (zh) * 2016-09-05 2019-03-12 中国科学院光电技术研究所 一种运动平台光电系统高精度视轴稳定控制方法
US10700492B2 (en) * 2018-01-05 2020-06-30 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Integrated pound-drever-hall laser stabilization system
RU2709022C2 (ru) * 2018-03-12 2019-12-13 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Способ генерации электромагнитного излучения в широком диапазоне радиосвязи
CN113451882B (zh) * 2020-09-15 2022-08-16 中国计量科学研究院 一种激光稳频的方法及系统

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3421851C2 (de) * 1984-06-13 1997-12-18 Sfim Ind Deutschland Gmbh Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsregelung der Ausgangsstrahlung einer Halbleiterstrahlungsquelle
US4578793A (en) * 1984-07-13 1986-03-25 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Solid-state non-planar internally reflecting ring laser
US4893353A (en) * 1985-12-20 1990-01-09 Yokogawa Electric Corporation Optical frequency synthesizer/sweeper
US5042922A (en) * 1986-05-20 1991-08-27 Hughes Aircraft Company Method for improvidng the spatial resolution in an integrated adaptive optics apparatus
JPS63224520A (ja) * 1987-03-13 1988-09-19 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> レ−ザ励起型原子ビ−ム発振器
EP0298598B1 (en) * 1987-06-09 1995-11-29 AT&T Corp. Optical communication system with a stabilized group of frequencies
EP0304601A3 (de) * 1987-08-25 1991-04-17 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Freqzuenzstabilisierung eines Halbleiterlasers mit angekoppeltem, externem Ringresonator
US5090795A (en) * 1987-10-22 1992-02-25 Hughes Aircraft Company Integrated adaptive optics apparatus
US4929080A (en) * 1988-05-16 1990-05-29 Litton Systems, Inc. Apparatus for the optical measurement of spectra distribution
JPH0239131A (ja) * 1988-07-29 1990-02-08 Hitachi Ltd 周波数間隔安定化方法、光ヘテロダイン又は光ホモダイン通信方法
US5042086A (en) * 1988-11-16 1991-08-20 Dylor Corporation Method and means for transmitting large dynamic analog signals in optical fiber systems
US5060233A (en) * 1989-01-13 1991-10-22 International Business Machines Corporation Miniature blue-green laser source using second-harmonic generation
US4959540A (en) * 1989-05-15 1990-09-25 International Business Machines Corporation Optical clock system with optical time delay means
US5007106A (en) * 1989-11-08 1991-04-09 At&T Bell Laboratories Optical Homodyne Receiver
JP2864591B2 (ja) * 1989-12-18 1999-03-03 日本電気株式会社 複数のレーザ装置の発振周波数間隔安定化方法
US5001720A (en) * 1989-12-26 1991-03-19 At&T Bell Laboratories Hybrid narrow linewidth semiconductor laser with uniform FM response
CN1018971B (zh) * 1990-07-03 1992-11-04 中国科学院上海光学精密机械研究所 激光振荡放大链同步自动控制装置
JP3001943B2 (ja) * 1990-08-30 2000-01-24 株式会社東芝 偏波スイッチング光源、光受信装置及びコヒーレント光伝送システム
JPH04198927A (ja) * 1990-11-29 1992-07-20 Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> 光位相検波方式
US5408349A (en) * 1991-07-05 1995-04-18 Hitachi, Ltd. Optical frequency division multiplexing transmission system
FR2681996B1 (fr) * 1991-09-26 1993-11-12 Alcatel Nv Procede de reperage de frequence optique et reseau de communication a canaux frequentiels appliquant ce procede.
US5208819A (en) * 1992-01-23 1993-05-04 General Instrument Corporation Optical source with frequency locked to an in-fiber grating resonantor
GB2264834A (en) * 1992-02-25 1993-09-08 Northern Telecom Ltd Optical transmission system
EP0582061A1 (de) * 1992-06-17 1994-02-09 Siemens Aktiengesellschaft Kohärent optische Vielkanalanordnung
JPH06224853A (ja) * 1993-01-28 1994-08-12 Ando Electric Co Ltd 光ｐｌｌ回路
US5347525A (en) * 1993-02-19 1994-09-13 Sri International Generation of multiple stabilized frequency references using a mode-coupled laser
EP0656699B1 (en) * 1993-12-01 2002-04-17 Sharp Kabushiki Kaisha Free space optical transmission apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
BR9611543A (pt) 1999-12-28
JP3356781B2 (ja) 2002-12-16
US5717708A (en) 1998-02-10
ATE275765T1 (de) 2004-09-15
DE69633341D1 (de) 2004-10-14
CN1207214A (zh) 1999-02-03
WO1997017749A1 (en) 1997-05-15
CA2237215C (en) 2001-10-30
IL124358A (en) 2003-03-12
EP0860042A4 (en) 1999-02-03
EP0860042A1 (en) 1998-08-26
KR19990067398A (ko) 1999-08-16
AU7726496A (en) 1997-05-29
CA2237215A1 (en) 1997-05-15
AU702275B2 (en) 1999-02-18
JPH11509374A (ja) 1999-08-17
MX9803652A (es) 1998-11-30
EP0860042B1 (en) 2004-09-08
CN1092855C (zh) 2002-10-16
KR100309909B1 (ko) 2001-12-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2153215C1 (ru) Способ и устройство стабилизации полупроводникового лазера
US6873631B2 (en) Integrated opto-electronic oscillators having optical resonators
US20050018724A1 (en) Optical frequency synthesizer
EP1153331A1 (en) Opto-electronic techniques for reducing phase noise in a carrier signal by carrier suppression
US20180329235A1 (en) Dual-loop self-injection locked optoelectronic oscillator
CA1251261A (en) Coherent lightwave transmitter with plurality of optical paths
US6867904B2 (en) Integrated optical circuit for effecting stable injection locking of laser diode pairs used for microwave signal synthesis
CN111490438B (zh) 一种可调谐微波信号产生系统及方法
CN113839297A (zh) 一种基于注入锁定效应的光电振荡器
WO2001052368A1 (en) Optical electromagnetic wave generator
US20230163556A1 (en) Electronically-controlled optical feedback methods for laser linewidth reduction
US5561546A (en) Method and apparatus for improving the sensitivity of optical modulators
US11855412B1 (en) Tunable laser
CN210326461U (zh) 一种低相位噪声光电振荡器
CN114499670A (zh) 一种微波信号处理装置
JP3351212B2 (ja) パルス光源
CN110718835B (zh) 一种新型微波源
CN114498273B (zh) 一种微波信号处理装置
CN110416861B (zh) 一种微波源及其控制方法
Tian et al. Parity-Time-Symmetric Optoelectronic Oscillator Based on DPMZM With Single-Sideband Suppressed-Carrier Modulation
CN108923226A (zh) 一种微波源及其使用方法
Wesselmann et al. Measurement of nonlinearity effects on analog transmission of vertical-cavity lasers
JPH01259588A (ja) フィネス可変型ファブリペロ干渉計及びそれを使用した半導体レーザの発振周波数安定化方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20041109